JP2002515552A - プログラム可能ファイバーチョッパおよびその方法 - Google Patents

プログラム可能ファイバーチョッパおよびその方法

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JP2002515552A
JP2002515552A JP2000549791A JP2000549791A JP2002515552A JP 2002515552 A JP2002515552 A JP 2002515552A JP 2000549791 A JP2000549791 A JP 2000549791A JP 2000549791 A JP2000549791 A JP 2000549791A JP 2002515552 A JP2002515552 A JP 2002515552A
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ブラウン、バリ、ダブリュ
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リア コーポレイション
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    • D01G1/02—Severing continuous filaments or long fibres, e.g. stapling to form staple fibres not delivered in strand form
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  • Preliminary Treatment Of Fibers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 この装置は、レーザービーム（２４）および糸ファイバー切断ユニット（３０）を制御するためにプログラム可能制御装置（４８）を使用している。このユニットは樹脂混合ヘッド（３８）に一般に取付けられる。従来のチョッパは不規則な間隔、角度および寸法で配置された鋼製ブレード（５８）を使用している。ＰＣはまた標準的チョッパの速度も変化させる。レーザー装置は、ファイバー片の長さを変化させる特定の目的でパルス繰返数を設定できるように作動される。作動時に、レーザーの強度はファイバーの切断または異なる寸法および種類を処理できるように調整される。この装置は、自動車ドアーの内側ドアーパネルのようなファイバー強化ウレタン基材を製造するのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、例えばガラスファイバー糸のような連続粗糸を個々の長さに切断さ
れたファイバー片となるように切断し、その個々の長さに切断したファイバー片
は流体ジェット流によってそこから高速排出されるように使用できるレーザーフ
ァイバーチョッパすなわちレーザーファイバーガンに関する。
【０００２】 （背景技術） ガラスチョッパは、連続したガラス粗糸を個々の短い長さのファイバー片に破
断するために、流体または電気で駆動されるブレードローターを使用している。
これらのチョッパは、横方向に延在する１以上のブレードを担持したローターと
協働するアンビルとして、硬質ゴム製のバックアップロールを使用している。こ
のバックアップロールおよびローターが協働して、ローターブレードがバックア
ップロールに接触する毎に連続粗糸を個々の長さのガラスファイバー片に切断す
る。
【０００３】 連続したファイバーガラスフィラメントは、ブッシュを通して溶融ガラスを流
し、引き続き材料を細くすることにより製造される。凝固後、形成されたフィラ
メントは所望の製品に作り替えるために別の場所へ送られるか、またはさらに他
の処理が行われるまで保管するためにボビン上に集められる。フィラメントの形
成は、その後の作動におけるファイバーガラスの特性を向上させるために、一般
にフィラメントの寸法処理も必要とする。
【０００４】 連続フィラメントは１本の糸に１本のフィラメントまたは複数のフィラメント
を含み、そのフィラメントは例えば３０．５ｃｍ（１フィート）より長い連続し
た長さすなわち実質的な長さを有する。複数のフィラメントは、ボビンチューブ
のまわりに１本のフィラメントが巻き付けられたときに形成されるような、１本
のフィラメントにおける隣り合う状態の複数の部片である。
【０００５】 典型的にファイバーガラスのパッケージは、チューブ上に巻き付けられた連続
フィラメントで形成される。その後フィラメントの内側端がパッケージの内部か
ら引き出されて、フィラメントは巻き解される。この内側端はガラスチョッパへ
給送される。
【０００６】 ファイバーチョッパは、ガラスファイバー強化構造を形成するために基材上に
撒かれる樹脂を含浸した切断ファイバー片の流れを形成するために、液体樹脂ス
プレー散布器と関連させて使用される。典型的にファイバーチョッパは、本体す
なわちハウジングと、バックアップローラーと、切断ローラーとを有する。細長
いガラスファイバー糸がローラー間を通過されるとき、そのガラスファイバー糸
は比較的短いファイバー部片に切断され、ローラーの作用によってチョッパ本体
のノズル開口を通して押し出される。触媒作用を受けた樹脂流れと交差する関係
にファイバー流れを形成するように、本体、したがってノズルが配向され、これ
により樹脂を含浸した切断ファイバー片の流れが形成される。樹脂含浸ファイバ
ー片の流れは基材に向けられ、基材に衝突してその基材上に樹脂含浸ファイバー
片の層を形成できるようにされる。典型的な製品には、自動車の車体部品、地下
式保存タンクおよびボートが含まれる。
【０００７】 （発明の開示） 本発明のプログラム可能制御装置（ＰＬＣ）はレーザービームチョッパユニッ
トまたは既存の糸ファイバーチョッパユニットと使用される。これらのユニット
は典型的に樹脂混合ヘッドに関連して使用される。従来のガラスチョッパは鋼製
ブレード、チゼル形（chisel-shaped）の歯などを使用している。この切断ブレ
ードまたは歯は不規則な間隔、角度および寸法で配置され、さまざまに異なる長
さの切断ファイバー片を形成する。間隔、角度および寸法をさまざまに変化させ
る実施例に加えて、プログラム可能制御装置が切断を変化させることができる。
このような変化される速度および形状は、さまざまな長さに切断したファイバー
片を形成するためのプログラムに応答する。レーザー装置は、ファイバー片の長
さを変化させる特定の目的でパルス繰返数を設定できるように作動する。照射作
動時に、レーザーの強度はファイバーのさまざまに異なる寸法および種類の切断
を可能にするために調整されることができる。
【０００８】 このガラスファイバーチョッパで使用するレーザーは、各種さまざまに変更で
きる。この装置は、光子誘発放出の結果としてコヒーレント光すなわち単色光の
ビームを発生する。このビームは単一波長および周波数で成るので極めて高いエ
ネルギーを有する。自動車ドアーの内側パネルのように長いファイバーで強化さ
れたウレタン製品を製造するのに使用するレーザーチョッパを設計した。
【０００９】 １２．７ｍｍ〜１５２．４ｍｍ（１／２〜６インチ）の長さを有する切断ファ
イバー片を形成するために、本発明のレーザーチョッパを設計した。しかしなが
ら第２実施例では、レーザーチョッパは６．３５ｍｍ（１／４インチ）程度に短
く切断できる。さらに他の実施例では、チョッパはさまざまな長さのファイバー
片を切断できる。プログラム可能制御装置によって、チョッパは作動時にファイ
バー長さを変化させることができる。例えば、リブ付き部品のモールド成形作業
用のファイバー片を形成する場合、レーザーはリブ用に短いファイバー片を、ま
たその部品本体に関して長いファイバー片を形成できる。プログラム可能制御装
置（ＰＬＣ）は切断時にファイバー片の長さを変化させるようにレーザーを制御
することが容易にできる。典型的に、プログラム可能制御装置およびチョッパは
所望される切断ファイバー片のパターンを生み出すために、ロボットアームと共
に使用される。
【００１０】 （発明を実施する最良形態） このガラスファイバーチョッパに使用されるレーザーは、各種さまざまに変更
できる。この装置は、誘発光子放出（photon-stimulated emission）の結果とし
てコヒーレント光すなわち単色光のビームを発生する。ビームは単一の波長およ
び周波数で構成されるので、極めて高いエネルギーを有する。この効果を生み出
すことのできる材料は、或る高純度の結晶（ルビー、イットリウムガーネット、
および希土イオンを添加（doped）された金属タングステン酸塩またはモリブデ
ン酸塩）である。他の材料には、砒化ガリウム、ネオジミウム添加ガラスのよう
な半導体；二酸化炭素、ヘリウム、アルゴンおよびネオンを含む各種ガス；およ
びプラズマが含まれる。
【００１１】 １つの実施例で、この非接触切断方法は、高パルス繰返数で高ピーク出力モー
ドで作動される回折を制限された（diffraction-limited）ネオジミウム（Ｎｄ
）イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）レーザーを使用して、高
速度にてガラスファイバーを切断する。このようにして、ファイバーは熱影響領
域（ＨＡＺ）を最小限に抑えて切断されることができる。選択された、また複数
波長による処理も使用できる。レーザーの適用において、ファイバーに対する物
理的損傷を最小限にし、また熱損傷を最小限に抑えてファイバーを迅速に切断す
るために、さまざまに異なる複数の波長が使用される。
【００１２】 図１は、本発明による高ピーク出力モードで高パルス繰返数にて作動されるレ
ーザーにより、ファイバーを切断する概略ブロック線図１０を示している。特に
発振器１４からのビーム１２は増幅器１６に与えられる。発振器１４は、回折制
限されたビームすなわち最も利用可能なビームを発生することのできる、購入可
能な回折制限Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはロッドレーザー発振器のようないずれ
かの低出力発振器とされる。増幅器１６は、ビーム１２を増幅する一方でそのビ
ームの品質を損なわないいずれかの適当な増幅器とすることができ、また購入可
能なスラブレーザー増幅器（slab laser amplifier）とすることが好ましい。ス
ラブレーザー増幅器の利点は、発振器から発せられたビーム品質を維持できるこ
とである。
【００１３】 図１は、Ｑスイッチ結晶２０に与えられた増幅器１６からの増幅されたビーム
１８の出力を示している。スイッチ２０は、いずれかの適当な購入可能なＱスイ
ッチ装置とされることができ、非常に短いパルス波長を与えることのできること
が好ましい。同じエネルギー量に関して、短いパルス波長のパルスの方が長いパ
ルス波長のパルスよりも大きいピーク出力を有する。増幅されたビーム１８はそ
の後収束レンズ２２で収束される、すなわち横断面積を減少される。収束された
ビーム２４がその後ファイバー２６を切断する。
【００１４】 好ましい実施例では、切断は、３０００パルス／秒以上のパルス繰返数により
４０ワット以上の平均出力で行われる。ピークエネルギーは６〜１０ｍＪである
のが好ましく、また切断速度は２５．４〜６３．５ｃｍ（１０〜２５インチ／分
）であるのが好ましい。切断はＮ２（窒素）で掃気するような不活性環境の中で
行われるのが好ましい。これらのパラメータは熱影響領域が最小限の状態で明確
な切断を与える。
【００１５】 限定するのではないが、以下の組合わせを含む幾つかの波長の組合わせが可能
である。第１の組合わせは、基本波長および周波数を倍加したＮｄ：ＹＡＧ波長
（すなわち１．０６ミクロン波長と、０．５３０ミクロン波長）を含んで成る。
この組合わせは波長成分が短いので同じ光学装置に対して増大された結合および
出力密度を与える。何故なら、すべての発生したレーザーエネルギーを使用でき
るからである。
【００１６】 図１は窒素（Ｎ２）または二酸化炭素（ＣＯ２）ガスノズルのようなガスノズ
ル２８を処理時のファイバーの保護のために含めることができる。ノズル２８か
ら放出されたガス２９はファイバーの切断が行われる環境を変化させる。ガスは
酸化物の生成、またはファイバーの燃焼を阻止するのに使用できる。したがって
切断は不活性環境の中で遂行できる。
【００１７】 図２は、装置の一体部として組合わされたノズル２８およびレーザービーム２
４を示している。この実施例では、ノズル２８はガス入口２８Ａを必要としてい
る。
【００１８】 切断処理は、基本的には切断部、すなわち切り口から材料を除去する処理であ
る。切断に関するレーザーの有効性は、レーザービームと共にガスジェットを使
用することで高めることができる。ガスジェットは一般にＣＯ２またはＮ２のよ
うな不活性ガスである。ガスは直角な切断縁を形成するようにファイバーの冷却
を助成する。ビーム焦点の外側における冷却効果は、その領域の外側で燃焼が高
速度で生じるのを阻止するほど十分に大きい。しかしながら不活性環境の有無に
拘わらず、切断縁には限られた程度の炭化が生じる。しばしば高速度の空気流が
ファイバー切断部の燃焼を阻止できる。低速度の場合には、過大な炭化を阻止す
るために不活性ガスを使用しなければならない。この影響は変色と大差なく、切
断速度が高くなると減少する。
【００１９】 不活性ガスノズルおよび切断ファイバー片を排出する流体排出ブロックは、装
置の同じ部材とすることができる
【００２０】 図３はまた本体３２およびノズル３４を有するチョッパ３０を示している。ノ
ズル３４はいずれの形状とすることもできる。ノズル３４は単独で、または偏向
器（図示せず）と共に、ノズル３４から排出されるファイバー片のすべてがファ
イバー流れ３６を形成するようにさせる。その後樹脂スプレーヘッド３８が樹脂
スプレー４０をファイバー流れ３６に向けて噴射する。樹脂スプレーヘッド３８
は通常はチョッパ３０の直ぐ下方に配置される。
【００２１】 図３はまた流体（空気）４４を排出する流体排出ブロック４２を示している。
ニップローラー４６が十分に大きい力で排出ノズル３４へファイバー２６を推進
しない場合に、必要ならばブロック４２が使用される。他の実施例で、ノズル２
８および不活性ガス２９がファイバー２６を推進するのに使用される。この場合
、ブロック４２は必要ない。さらに他の実施例では、ブロック４２およびノズル
２８は必要とされない。切断速度が速くなれば、それらのユニットの使用を不要
にする。切断作業時に切断したファイバー片の長さを所望されるように変化させ
るために、プログラム可能制御装置（ＰＬＣ）４８はレーザービーム２４を調整
する。
【００２２】 このレーザーガラスファイバー切断装置の製造効率は、本発明による連続型を
使用することで大きく改善される。個々のブレード交換のための休止時間は効果
的に排除され、また実際の使用においては、この連続カッターは無制限の時間に
わたって満足できるように作動した。これはブレードが交換式の切断ヘッドでは
２４時間に満たない平均的な製造処理寿命であることに対比される。改良された
チゼル形（chisel-shaped）の歯を使用したリング、切断ホイールまたはフープ
でさえ１〜２週間の限られた寿命でしかない。
【００２３】 図４は、従来技術で周知のいずれかのファイバーチョッパである非レーザー式
ファイバーチョッパ５０を示している。チョッパ５０は切断ローラー５２と、そ
のローラー５２に平行に整列された平行ローラー５４とを含んで成る。調整可能
な駆動手段（図示せず）が切断ローラー５２およびローラー５４を駆動する。ロ
ーラー５２の外周面５６はチゼル形の歯５８を含んでいる。歯５８は切断ブレー
ドのような他の切断縁とすることができる。歯５８は等しい間隔、角度、および
一様な高さおよび幅寸法とされることができる。歯５８はまたさまざまに異なる
長さに切断したファイバー片を与えるために、不規則な間隔、角度および寸法と
されることができる。ホイールすなわちローラー５４の外周面６０は弾性材料６
２で作られている。ローラー５２，５４の協働した回転は、外周面６０に歯５８
を接触させてファイバー片２６を切断し、それにより切断ファイバー３６を作り
出す。ファイバー２６は連続ファイバー、フィラメント、糸などとすることがで
きる。
【００２４】 作動において、チョッパ５０はレーザー２２およびレーザービーム２４に置き
換えられる。歯５８の間隔、角度および寸法を変化させる実施例に加えて、制御
装置４８はローラー５２，５４の速度を変化させることができる。制御装置４８
はまたニップローラー４６の速度を変化させることもできる。このような速度お
よび形状の変化はプログラム可能な制御装置４８に応答し、１２．７ｍｍ〜１５
２．４ｍｍ（１／２〜６インチ）の範囲で長さが変化する切断ファイバー３６を
作り出す。制御装置４８のメモリーすなわちプログラムは、制御装置４８に連結
されているコンピュータまたは電気的消去可能でプログラム可能なＲＯＭすなわ
ちＥＥＰＲＯＭ（図示せず）に保存される。
【００２５】 工業分野では自動車部品、地下式保存タンクおよびボート船体を製造するため
のスプレー塗布の適用にポリエステル樹脂を典型的に使用している。この装置は
そのような応用例に使用できる一方、レーザーチョッパはファイバー強化ポリウ
レタン製品を製造するのに使用されるように設計された。
【００２６】 本発明のレーザーチョッパの１つの工業的適用例は、自動車ドアーの内側トリ
ムパネルの圧縮モールド成形である。ビニルパネルが最初に真空成形されて、圧
縮モールド成形の開放モールド成形型へ送られる。その後、レーザーチョッパが
このビニル成形体に切断したガラスファイバー糸片をスプレーする。切断糸片の
長さ範囲は１２．７ｍｍ〜１５２．４ｍｍ（１／２〜６インチ）である。このガ
ラスは、ポリオル（polyol）、イソシアン酸塩（−ＮＣＯ）ウレタン樹脂混合物
でビニル成形体上に成形される。こうして作られた少量の膨張剤を含むポリウレ
タンは、約０．００８ｇ／ｃｍ3（０．５ポンド／立方フィート）の密度を有す
るポリウレタン発泡体を形成する。しかしながらこの密度は０．００４〜０．０
３０ｇ／ｃｍ3（０．２５〜２．０ポンド／立方フィート）とすることができる
。さらに詳しくは、ポリプロピレングリコールのようなポリオルは、多少の水お
よび触媒（アミン、錫石鹸、有機錫化合物）が存在する中でジイソシアン酸塩に
より処理される。ポリマーが形成されるので、水はイソシアン酸塩群と反応して
クロスリンクを生じ、また二酸化炭素も発生して、これが発泡を引き起こす。他
の例では、トリフルオロメタンなどの揮発剤が膨張剤として使用できる。
【００２７】 ポリウレタン中のガラスの充填は約１５〜１８重量％であった。しかしながら
ポリウレタン発泡体は１０〜６０重量％のガラスファイバー片を含有することが
できる。さらなるトリムをカーペットパネルのようなモールド成形体に含めるこ
とができる。圧縮モールド成形後に、この部品は自動車ドアーにすぐに取付けで
きる。ガラスの充填およびスプレーパターンは、プログラム可能制御装置を使用
することによって望まれるままに調整することができる。例えば、パネルにモー
ルド成形されるリブは、そのリブの面積部分に短いファイバーでガラスを高充填
されることを必要とする。パネル縁部は強度増強のためにさらなるガラスの追加
を必要とする。
【００２８】 本明細書で使用した重量パーセントは重量平均分子量に基づいている。
【００２９】 圧縮モールド成形でこのレーザーチョッパの工業的な使用を示したが、さまざ
まなモールド成形作業でさまざまな基材を製造するのにこのレーザーを使用する
ことができる。例えばこのレーザーは、樹脂検査済み（resin inspected）モー
ルド成形（ＲＩＭ）にそれ自体を容易に使用できるようにする。このレーザーは
他のファイバー、例えばポリアミド（ナイロン）、鉱物ファイバー、アラミド（
ケヴラー）ファイバーなどに容易に作動する。
【００３０】 ファイバースプレーおよび樹脂スプレーがいずれもモールド成形される基材に
スプレーされる前に行われることを示したが、これらの流れは互いに組合わされ
、分離され、または独立して実行することができる。これらの流れは同心チュー
ブから混成されて放出されることもでき、ファイバーは中央のチューブで送られ
るのが好ましい。樹脂中に放出する前に、ファイバーをまず最初にモールド成形
型の中にスプレーすることもできる。
【００３１】 本発明の現在好ましいとされる実施例を前述したが、特許請求の範囲の欄に記
載した本発明の精神および範囲から逸脱しないでさまざまな変化および改良を成
し得ることが当業者に明白となろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザービームの斜視図である。
【図２】 図１のレーザービーム切断装置の他の実施例を示す拡大した断片図である。
【図３】 レーザー式ガラスチョッパを樹脂混合ヘッドと組合わせた装置の斜視図である
。
【図４】 ファイバーチョッパのための連続的な非レーザー式切断装置の側面図である。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ファイバーチョッパと、 連続ファイバーをそのファイルチョッパに給送する手段と、 そのチョッパから個々の長さに切断したファイバー片を排出する手段と、 チョッパから排出されるファイバー片の長さを変化させるようにチョッパを制
    御するプログラム可能制御装置とを含んで構成された連続ファイバーを個々の長
    さのファイバー片に切断する装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載された装置であって、プログラム可能チョッ
    パがファイバー片の長さを変化させるためにチョッパへファイバーを給送する手
    段も制御する連続ファイバーを個々の長さのファイバー片に切断する装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載された装置であって、チョッパがレーザービ
    ームを発生するレーザーである連続ファイバーを個々の長さのファイバー片に切
    断する装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載された装置であって、レーザーは可変出力範
    囲および可変パルス繰返数を有し、そのレーザーの可変出力範囲および可変パル
    ス繰返数に基づいてレーザービームが可変波長を有しており、また出力範囲を変
    化させるため、およびレーザーのパルス繰返数を変化させるためのプログラムを
    プログラム可能制御装置が含んでいる連続ファイバーを個々の長さのファイバー
    片に切断する装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載された装置であって、ファイバーチョッパが
    周辺に取付けられた円周方向の切断ブレードを有する回転可能なローラー、およ
    び個々の長さのファイバー片に切断するために切断ブレードと協働するように取
    付けられる回転可能なバックアップローラーである連続ファイバーを個々の長さ
    のファイバー片に切断する装置。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載された装置であって、切断ブレードがナイフ
    エッジすなわちチゼル形歯である連続ファイバーを個々の長さのファイバー片に
    切断する装置。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載された装置であって、切断ブレードが不規則
    な間隔、角度および寸法で配置され、長さが１２．７ｍｍ〜１５２．４ｍｍ（１
    ／２〜６インチ）の範囲で個々の長さに切断されたファイバーを形成する連続フ
    ァイバーを個々の長さのファイバー片に切断する装置。
  8. 【請求項８】 請求項５に記載された装置であって、ファイバーチョッパが
    回転速度を有し、プログラム可能制御装置がその回転速度を制御する連続ファイ
    バーを個々の長さのファイバー片に切断する装置。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載された装置であって、プログラム可能制御装
    置が連続ファイバーをチョッパへ給送する手段も制御する連続ファイバーを個々
    の長さのファイバー片に切断する装置。
  10. 【請求項１０】 ファイバーチョッパを準備する段階と、 ファイバーチョッパへ連続するファイバーを給送する段階と、 個々の長さのファイバー片となるように連続ファイバーを切断する段階と、 個々の長さに切断されたファイバー片をチョッパから排出する段階と、 チョッパから排出されるファイバー片の長さを変化させるためにチョッパを制
    御する段階とを含んでいる連続ファイバーを個々の長さのファイバー片に切断す
    る方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載された方法であって、ファイバー長さを
    変化させるためにファイバーをチョッパへ給送する手段を制御する段階を含んで
    いる連続ファイバーを個々の長さのファイバー片に切断する方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載された方法であって、切断がレーザービ
    ームを発生するレーザーで行われる連続ファイバーを個々の長さのファイバー片
    に切断する方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１０に記載された方法であって、周辺に取付けられ
    た円周方向の切断ブレードを有する回転ローラーおよび個々の長さのファイバー
    片に切断するために切断ブレードと協働するように取付けられる回転バックアッ
    プローラーへ連続ファイバーを給送することで連続ファイバーが切断される連続
    ファイバーを個々の長さのファイバー片に切断する方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載された方法であって、不規則な間隔、角
    度および寸法で配置された切断ブレードが、長さが１２．７ｍｍ〜１５２．４ｍ
    ｍ（１／２〜６インチ）の範囲の個々の長さに切断されたファイバー片となるよ
    うに連続ファイバーを切断する連続ファイバーを個々の長さのファイバー片に切
    断する方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１３に記載された方法であって、ファイバー片の長
    さを変化させるために回転ローラーを制御する段階を含んでいる連続ファイバー
    を個々の長さのファイバー片に切断する方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１３に記載された方法であって、連続ファイバーを
    チョッパへ給送する手段を制御する段階を含んでいる連続ファイバーを個々の長
    さのファイバー片に切断する方法。
JP2000549791A 1998-05-18 1999-05-13 プログラム可能ファイバーチョッパおよびその方法 Pending JP2002515552A (ja)

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