JP2866963B2 - 編組構造物のイン‐ライン圧密化 - Google Patents

編組構造物のイン‐ライン圧密化

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複雑な形状の構造物に関し、さらに詳細には
繊維強化熱可塑性プラスチツクストランドの編組構造物
に関するものである。
繊維強化プラスチツク構造物は、それらが置き換わる
木又は金属構造物と比較して高い強度、軽重量及び加工
の容易さのために、多年にわたって用いられて大きな成
功を収めつつある。ガラス、炭素、セラミツク及びアラ
ミドのような繊維が強化材として一般的であり、且つ熱
可塑性樹脂が一般的な重合体マトリツクスである。
編組は、このような構造物を製造するための一方法で
あって、一般に、構造物の軸に対して実質的に平行にの
びている糸のアレイ（array）を形成させ且つ糸が相互
にからみ合うように特定のパターンでアレイを通して糸
をより合わせることから成っている。
連続フイラメントで強化した重合体マトリツクスは、
できる限り低い重量のもとで、できる限り高い強度と剛
性を必要とする宇宙航空機成分のような高度に応力を受
ける部品のための前躯体として用いられる。複合材料プ
リフオームを強化繊維とマトリツクス材料の両者を用い
て製造するときには、たとえば成形のような後続段階に
おいて最終製品とするために圧密化しなければならな
い。この圧密化過程は一般に、空気が除かれ且つ強化繊
維中に局部的な捲縮が生じるにつれて、プリフオールの
体積を低下させる。捲縮した繊維は、まっすぐなものよ
りも強化性が低く、そのために複合材製品の強度と剛性
を低下させる。
発明の要約 本発明に従って、マンドレル上に編組した多数の本数
の繊維強化熱可塑性樹脂ストランドから、その場圧密化
編組複合材構造物（すなわち、編組後の圧密化処理の必
要なしに編組の間に構造物を圧密化すべき能力）を構成
せしめることができる。ストランドをマンドレルの方向
に進め且つマンドレルの特性の場所のまわりで特定の編
組パターンで張力下に収束させて、マンドレル上に編組
構造物を形成させる。編組構造物を形成させるにつれ
て、それを加熱区域中へと前進させ、構造物がその加熱
区域中を前進するときに、熱可塑性樹脂の流れを可能と
するが樹脂の劣化温度よりは低い温度に構造物を加熱す
る。加熱区域を離れるときに編組構造物を冷却する。も
う一つの方法においては、編組構造物を加熱ダイ中に通
じることによって、圧力を加えることができる。発現す
る圧力はダイの寸法又は使用する成分の種類に依存す
る。このその場緻密化方法は、部品の強化繊維中に存在
する局部的な捲縮の割合がきわめて低い編組複合材部品
を提供し、かくして製品の剛性と強度が増大する。本明
細書中に記す手順の使用によって、円形に編組した複合
材構造物に対する局部的な捲縮を３％未満、又は１％未
満に保つことができ、また1986年４月17日出願の米国特
許願第853742号に記載の２段階編組方法によって調製し
た３次元編組複合材混合物に対しては10％未満、あるい
は３％未満にすら保つことができる。
図面の簡単な説明 第１図を参照すると、全体的に20で示した円形編組機
（＃２キヤリヤーを備えたワーデル編組機社製モデル番
号Ｗ−38−53）は、案内管28中を移動する軸糸26の供給
包装24を支持する巻糸軸架22から供給を受ける。編組糸
30はホーンギヤ機構（図中に示していない）によって面
板36中で移動することができる（矢印で示すように）キ
ヤリヤー34上に取り付けた供給包装32から供給を受け
る。第３、3a及び3b図中に示すように、軸糸26と編組糸
30を、加熱室44で囲んである収束点42の直前の窒素イン
ゼクター環40を通じる加熱窒素の形態としてて熱を供給
しながら、成形マンドレル38上で編組する。加熱室44へ
の入口において、編組糸アレイを、漏斗状案内46によっ
て下から、また案内リング48によって上から、案内す
る。漏斗上案内46は熱気体の漏れを最低限とするために
も用いられる。窒素インゼクター環40は窒素加熱機52に
よって加熱してある窒素気流を編組アレイへと向ける出
口穴50を有している。加熱室44は電気加熱コイル54とガ
ラス繊維絶縁材56で包まれたステンレス鋼円筒から成っ
ている。加熱室44の出口には調節することができるオリ
フイス60を有する機械的装置58がある。オリフイスの寸
法は多数のリーフ要素62の角的な位置を回転させること
によって調節することができる。加熱室壁温は熱電対64
によって測定し、加熱室の内部の温度は熱電対66によっ
て測定する。
第２図を参照すると、全体的に70で示した3D編組機
（米国特許願第853,742中に開示するようなもの）は案
内管78中を移動する軸糸76の供給包装74を支持する巻糸
軸架72から供給を受ける。編組糸80は、格子支持台86中
を移動できるキヤリヤー84上に取り付けた供給包装82か
ら供給を受ける。軸糸76と編組糸80は、先ず加熱ダイ90
を通り、次いで冷却ダイ92を通じて矢印94によって示し
た引き取り機械によって引き取られる、規定の断面形状
にある編組構造物88を形成する。
第４及び4a図中に示すように、編組糸の収束点に位置
する加熱ダイ90は固定板96と移動板98から成っている。
固定板は、その中に組み入れた一対のカートリツジヒー
ター100と一対の熱電対101を有している。移動板98と固
定板96は編組構造物88の特定断面形状に一致するオリフ
イス102を形成する。冷却ダイ92は同様に固定板104と移
動板106から成っている。冷却ダイの固定板中にはカー
ドリツジヒーターの代りに冷却蛇管（図中には示してい
ない）が挿入してある。両ダイの間には熱絶縁体108が
位置している。両ダイ中の移動板は編組構造物88に対す
るダイ圧力を変えるために機械的又は水力的手段（図中
に示していない）によって振動させることができ、それ
が引き取り力の必要を軽減する。
操作においては、第1,2,3a及び3b図で示すダイを用い
ない方法は、編組糸と軸糸を、糸の軟化と流動を生じさ
せる温度よりも低い温度において軟化し且つ流動する熱
可塑性樹脂マトリツクスで、含浸する。編組糸と軸糸は
組成が異なっていてもよいということに注目するべきで
ある。加熱ガス及び加熱室によって及ぼす温度は、マト
リツクスの流動を生じさせるために十分でなければなら
ない。糸の張力とマンドレルの湾曲から生じる圧力は糸
を融合させるために適切でなければならない。
第2,4及び4a図で示す加熱ダイ方法においては、編組
糸と軸糸を同様に熱可塑性樹脂マトリツクスで含浸す
る。加熱ダイによって課する温度はマトリツクスのみを
溶融させるに足るものでなければならない。ダイによっ
て及ぼす圧力は試料を圧密化するために適切でなければ
ならない。冷却ダイはマトリツクスを固化させることに
よって、付与した断面形状を保存する。
局部的捲縮の測定方法 定義： ブレード−編組糸及び場合によっては軸糸から成るよ
り合わせた編地。
軸糸−ブレード中を縦方向に走っており且つ相互によ
り合わせてない、多数の糸の一つ。
ブレーダー−相互により合わせ且つ不規則なヘリツク
ス状にブレード中を走る多数の糸の一つ。
3Dブレード−ブレーダーが厚さを完全に通り抜けてい
る編組した多層編地。
編組複合材−糸と糸の間の空間の大部分がマトリツク
ス材料で充填してあるブレードから成る硬質構造物。
局部捲縮は実際の糸と基準経路の間の分数的な長さの
差として定義することができる。通常は、この基準経路
は糸の方向に向きを合わせた直線であるとする。層状と
するか又は三次元的（3D）とすることができる複雑な形
状の編組構造物においては、基準線の定義は、すべての
可能性を包含するように一般化しなければならない。た
とえば、円形ブレードに対しては、一周囲に対して突出
した糸経路を測定しなければならない。この経路は、局
部的捲縮がきわめて僅かである場合においてすら、場合
によっては、きわめて回り路である。そのために、捲縮
は糸の長さを平滑化した基準曲線と比較することによっ
て決定する。この基準曲線は突出した糸経路の移動平均
をとることによって計算することができる。この計算に
は周囲の20％の窓幅を用いる。突起は構造物にできる限
り近くなる不規則円筒表面上にとる。この方法によっ
て、どのような形状の部品の局部的捲縮をも決定するこ
とができる。長さは突起の長さに沿って測定するから、
それは実際の糸伝いと同一ではないということに注意し
なければならない。
3Dブレードに対しては、完全に構造物を通り抜けてい
る編組糸を包含する断面を切断することによって捲縮を
決定する。局部的捲縮は実際の糸の長さと末端点を結ぶ
直線から求めることができる。
円形編組複合材 1.一ブレーダーの突出した経路のプロツト図 a.複合材の回りに透明なシートを巻く。シートは複合材
にできる限り近付く不規則円筒体又はプリズム形態を保
たねばならない。
b.透明シート上に一ブレーダーの突出した糸経路をマー
クする。かくして得たグラフは突出した経路の軸方向の
位置“Y"と周囲上の位置“X"の関係を示す。（一周辺よ
りも20％多くを包含させ且つ一周辺すなわち周囲の開始
と末端に相当する点“P"を確認する）。次いでプリズム
又は円筒体を平面シートとして開き、それについて経路
を測定することができる。
2.平滑な基準経路のプロツト a.周辺の20％を越える“Y"を平均することによって各点
における突出した糸経路から基準経路を計算する（Ｘ
−.1＊ＰからＸ＋.1＊Ｐまで）。各点とは、各Ｘ（＝0.
2＊Ｐ＊Ｎ、ここでＰは周辺長でありＮは整数である）
に対するＹの計算値のプロット点を意味する。
3.経路長さと捲縮の測定 a.突出した糸経路の長さと基準経路を測定する（それぞ
れLp及びLrと記す）。
b.下式から捲縮Ｃを計算する。
（Ｃ＝Lp/Lr−１） 3D編組複合材（第7,7A図） 1.複合材の厚さを通り抜けるブレーダーの経路のプロツ
ト a.安全に材料を通り抜けて走っている一本の編組糸の経
路を包含する角度で複合材88の断面を切断する。
b.ブレーダーの面中の位置“Y"とその厚さを通り抜ける
位置“X"の間の関係をプロツトすることによって、ブレ
ーダーの経路をプロツトする。
2.基準経路のプロツト a.ブレーダー経路の末端点を結ぶ試料厚さを通り抜ける
直線88aを画く。
3.経路長さと捲縮の測定 a.糸経路と基準経路の長さを測定する（それぞれLp及び
Lrとして示す）。
b.式（Ｃ＝Lp/Lr−１）から捲縮（Ｃ）を計算する。
実施例１ 繊維の体積分率が0.5となるようにコダーPETGコポリ
エステル673（イーストマンケミカルプロダクツ社）で
溶融含浸した、全体で4309デニールの、ケブラー49繊維
（E.I.デユポン ド ニーモアズ アンド カンパニー
製）の16群の軸糸と32の編組糸を提供することによって
円筒状の管構造物を製造する。糸を、0.5″の直径を有
する固体アルミニウムから成る円形のマンドレル上で編
組する。収束半角度（収束円錐と機械の中心線の間の角
度）は66゜である。加熱室の長さは４インチであり、そ
の直径は２インチである。供給するときの窒素の温度は
386℃であり、室の壁温は430℃とした。室内の温度は37
0℃であった。層間の最高温度を測定すると204℃であっ
た。編組構造物の軸速度は５インチ／分に保った。軸糸
と編組糸の両者の張力は約0.5ポンドに設定した。層の
編組後に、糸を切断し、かくして得た内部マンドレルを
伴なう構造物上に同一方法を用いて、さらに編組した。
全体で５層を形成させた。
実施例２ 0.65″×0.728″の寸法を有する固体のアルミニウム
から成る長方形マンドレルを使用し且つ軸糸を使用しな
かった以外は実施例１と同一の条件化に長方形中空の円
形編組構造物を調製した。全体で５層を形成させた。第
５図に示すような糸経路解析を用いて局部捲縮が0.6％
であることが測定された。
上記のオンライン圧密化構造物を220℃で15分間425ps
iの圧力で加熱することによって、さらに後圧密化し
た。局部捲縮を第６図に示すような糸経路解析を用いて
測定して0.2％であることが認められた。
実施例３ （１）ビナースレイら、米国特許第4,640,681号中に記
載の方法に従って、繊維体積分率が0.5となるように、
無定形ポリアミドで溶融含浸したAS−４炭素繊維（3KAS
4W ハーキユレス マグナイト ）の38群の軸糸及び （２）繊維体積分率が0.5となるように、、軸糸に対し
て記したものと同様なポリアミド組成物で溶融含浸した
ケブラー49繊維（E.I.デユポンド ニーモアズ アンド
カンパニー製）の11編組糸を提供することによって、
長方形の板を調製する。提供した軸糸の全数は502であ
り、各糸は、繊維とマトリツクスを含めて、3300デニー
ルの長さ当りの重量を有している。11編組糸は、繊維と
マトリツクスを含めて、4200デニールの長さ当りの重量
を有している。1986年４月17日出願の米国特許第853,74
2号に詳記した２段階方法によって編組構造物を製造す
る。加熱ダイの温度は300℃、冷却ダイは104℃とした。
両ダイ中のダイ圧力は1256psiであったが、しかし、加
熱ダイ中の圧力は水圧系により移動板を振動させること
によって０〜1256psiでサイクルさせた。糸を人手によ
って取り扱ったから、編組構造物の軸速度は緩徐であっ
た。
上記のオンライン圧密化構造物を、600psiの圧力で31
0℃において20分間加熱することによって、さらに後圧
密化して完全な圧密化を達成した。第7,7A図に示す糸経
路解析によって局部捲縮を測定して0.7％であることを
認めた。
本発明の主な特徴および態様を記すと次のとおりであ
る。
1.繊維強化した熱可塑性樹脂ストランドをマンドレルに
向って前進させ；該ストランドをマンドレル上の特定の
場所の回りで特定の編組パターンで張力下に収束させる
ことによってその上に編組複合材構造物を形成させ；該
編組構造物を加熱区域中で前進させ；構造物が該区域中
を前進するときに熱可塑性樹脂の軟化と流動を生じさせ
る温度に該編組構造物を加熱し、該温度は樹脂の劣化温
度よりも低く；且つ該構造物が該区域を離れたのちに、
該構造物を冷却することを特徴とする、該ストランドか
ら複合材構造物を組立て且つ圧密化するための方法。
2.該構造物を不活性雰囲気中で加熱する上記１に記載の
方法。
3.繊維強化した熱可塑性樹脂ストランドを入口と出口を
有するダイに向って前進させ；該ストランドを該ダイへ
の入口において特定の編組パターンで張力下に収束させ
ることによって編組成形複合材構造物を形成させ；該編
組成形構造物を該ダイ中で前進させ；該編組構造物が該
ダイ中を前進するときに熱可塑性樹脂の軟化と流動を生
じさせる温度に該ダイ内で該構造物を加熱し、該温度は
樹脂の劣化温度よりも低く；該編組成形構造物を加熱し
ながら該構造物に圧力を及ぼすことによってそれを圧密
化し、且つ該構造物がダイを離れたのちにそれを冷却す
ることを特徴とする、該ストランドから成形複合材構造
物を組立て且つ圧密化するための方法。
4.該構造物の形状を保存するために該構造物を冷却しな
がら、それに圧力を及ぼす付加的な段階を包含する、上
記３に記載の方法。
5.相互により合わせてあり且つ経路中で構造物を通り抜
ける複数の繊維強化熱可塑性樹脂ストランドからの細長
い編組複合材構造物にして、構造物を通り抜ける該部分
中のストランドは実質的にまっすぐであることを特徴と
する該構造物。
6.該ストランドの一部分を相互により合わせ且つその残
りは軸的に構造物を通り抜ける、上記５に記載の編組複
合材構造物。
7.相互により合わせてあり且つらせん状の経路で構造物
を通り抜ける複数の繊維強化熱可塑性樹脂ストランドか
らの細長い円形編組複合材構造物にして、構造物を通り
抜けるストランドは３パーセント未満の局部的捲縮を有
していることを特徴とする該構造物。
8.構造物を通り抜けるストランドは１パーセント未満の
局部的捲縮を有している上記７に記載の編組構造物。
9.構造物中を縦方向にのびる軸方向繊維強化熱可塑性樹
脂ストランド及び繰返しの二段階パターンで相互により
合わせる編組繊維強化樹脂ストランドの多層アレイから
成る細長い複合材編組構造物にして、該編組ストランド
のそれぞれは該パターンの一段階において逆戻りの点に
至るまで構造物の外周へと斜行する経路でアレイ中を完
全にのびており、その後に該編組ストランドのそれぞれ
は該パターンの別の段階において該逆戻り点からもう一
つの逆戻り点に至るまで別の斜行する経路でのびてお
り、該斜行する経路中の編組ストランドは10パーセント
未満の局部的捲縮を有していることを特徴とする該構造
物。
10.該斜行経路中の該編組ストランドは３パーセント未
満の局部的捲縮を有する上記９に記載の編組複合材構造
物。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施において有用な円形編組装置及び
連携する圧密化装置の概念的遠近図である。 第２図は本発明の実施において有用な別の編組装置及び
連携する圧密化装置の概念的遠近図である。 第３図は第１図の線３−３に沿ってとった断面図であ
る。 第3a図は第３図に示した装置の調節できる加熱室出口の
平面図である。 第3b図は第３図の圧密化装置の分解図である。第４図は
編組構造物と装置の内部板の関係を示すために部分的に
分解した第２図の圧密化装置の図面である。 第4a図は第４図の圧密化装置の平面図である。 第５及び６図は、オンライン圧密化及びオンライン圧密
化並びに後圧密化による、実施例２の編組構造物からの
一編組糸の突出した経路と基準経路のグラフである。 第７図は実施例２と編組構造物からの一本の編組糸の経
路と基準経路のグラフである。 第7a図は局部捲縮を決定するための試験方法を実施する
ために調製した実施例３からの複合材の概念図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−65194（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−295749（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−53454（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭61−56343（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) D04C 3/00 D04C 1/12 B29C 70/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】繊維強化した熱可塑性樹脂ストランドをマ
    ンドレルに向って前進させ；該ストランドをマンドレル
    上の特定の場所の回りで特定の編組パターンで張力下に
    収束させることによってその上に編組複合材構造物を形
    成させ；該編組構造物を加熱区域中で前進させ；構造物
    が該区域中を前進するときに熱可塑性樹脂の軟化と流動
    を生じさせる温度に該編組構造物を加熱し、該温度は樹
    脂の劣化温度よりも低く；且つ該構造物が該区域を離れ
    たのちに該構造物を冷却することを特徴とする、該スト
    ランドから複合材構造物を組立て且つ圧密化するための
    方法。
  2. 【請求項２】繊維強化した熱可塑性樹脂ストランドを入
    口と出口を有するダイに向って前進させ；該ストランド
    を該ダイへの入口において特定の編組パターンで張力下
    に収束させることによって編組成形複合材構造物を形成
    させ；該編組成形構造物を該ダイ中で前進させ；該編組
    構造物が該ダイ中を前進するときに熱可塑性樹脂の軟化
    と流動を生じさせる温度に該ダイ内で該構造物を加熱
    し、該温度は樹脂の劣化温度よりも低く；該編組成形構
    造物を加熱しながら該構造物に圧力を及ぼすことによっ
    てそれを圧密化し、且つ該構造物がダイを離れたのちに
    それを冷却することを特徴とする、該ストランドから成
    形複合材構造物を組立て且つ圧密化するための方法。
  3. 【請求項３】相互により合わせてあり且つらせん状の経
    路で構造物を通り抜ける複数の繊維強化熱可塑性樹脂ス
    トランドからの細長い円形編組複合材構造物にして、構
    造物を通り抜けるストランドは３パーセント未満の局部
    的捲縮を有していることを特徴とする該構造物。
  4. 【請求項４】構造物中を縦方向にのびる軸方向繊維強化
    熱可塑性樹脂ストランド及び繰返しの二段階パターンで
    相互により合わせる編組繊維強化樹脂ストランドの多層
    アレイから成る細長い複合材編組構造物にして、該編組
    ストランドのそれぞれは該パターンの一段階において逆
    戻りの点に至るまで構造物の外周へと斜行する経路でア
    レイ中を完全にのびており、その後に該編組ストランド
    のそれぞれは該パターンの別の段階において該逆戻り点
    からもう一つの逆戻り点に至るまで別の斜行する経路で
    のびており、該斜行する経路中の編組ストランドは10パ
    ーセント未満の局部的捲縮を有していることを特徴とす
    る該構造物。
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