JP3027625B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂トウとその製品を巻き取る装置及び方法 - Google Patents

繊維強化熱可塑性樹脂トウとその製品を巻き取る装置及び方法

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JP3027625B2 JP3175714A JP17571491A JP3027625B2 JP 3027625 B2 JP3027625 B2 JP 3027625B2 JP 3175714 A JP3175714 A JP 3175714A JP 17571491 A JP17571491 A JP 17571491A JP 3027625 B2 JP3027625 B2 JP 3027625B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は防衛先進研究計画局(The Ｄefenc
e Advanced research Project Agency)よりの受託契約
ＭＤＡ９７２−８９−Ｃ−００４３による政府の支援を
得て行なわれた。政府は、本発明に一定の権利を有する
ものである。
【０００２】
【背景】本発明はフィラメント巻き取り繊維強化樹脂マ
トリックス製品に関し、特にこれは繊維強化熱可塑性樹
脂のトウを統合された製品の本来の大きな直径に巻くこ
とに関する。
【０００３】複数の繊維強化熱可塑性樹脂のトウをマン
ドレル上に巻く装置が知られている。しかし、この方法
における大直径部分の作成は、巻き取り中にその部分の
直径が増加して正常な力を与える張力の効果が低下する
ため、完全な統合を与えるには不充分である。
【０００４】
【発明の概要】本発明により、本来の統合された大直径
複合構成物(即ち、巻き取り中に、構成物を巻き取り後
の統合処理が不必要な構成物に統合する能力)は、マン
ドレル上に同時に巻かれた多数の熱可塑性樹脂含浸糸か
ら作られ、この場合、多数のかかる糸の端部は、糸の最
大引張り強さの５％から５０％の範囲の管理された張力
で、平らな均一のテープとして供給源からフィラメント
巻取機の移動キャリッジに供給される。次いで、このテ
ープは、複合プライを形成するように回転マンドレル上
の予定された螺旋状経路又は測地線経路内に置かれる前
に、予熱用区画、加熱された案内部及び接触点加熱用熱
源を備えたフィラメント巻取機の「頭部」を通って動く。
【０００５】フィラメント巻取機の頭部は、回転マンド
レルの断面の変化を補償して内外に動きうるキャリッジ
送りアームの端部に取り付けられる。多端の含浸糸を予
熱するように赤外線ストリップヒーターが頭部に取り付
けられ、熱可塑性樹脂をその熔融温度の±１０℃以内又
は処理温度にする。次いで、予熱された含浸糸は、熱可
塑性樹脂の熔融温度以上ではあるが劣化温度以下の温度
に維持されかつ巻かれている部分の面にできるだけ接近
して置かれ加熱された案内部を横切って通過する。
【０００６】頭部の最前方部分に接触点加熱源が取り付
けられ、これはマンドレルの誘導加熱と巻かれた面の直
接加熱とにより巻き取り部分の表面温度を充分に高温に
維持し、含浸糸の入ってくる部分が降りてマンドレルに
到着する点の表面温度を熔融温度に保つ。熱風、はだか
火、及び赤外線の接触点加熱源を使用することができ
る。使用するその加熱源の選択は、糸、熱可塑性樹脂、
マンドレルの設計、及び運転速度に依存する。
【０００７】トウのマンドレル上への到着点でかつ機械
的に加えられた力の使用によりトウが統合される位置に
おいて、力を加える２種の手段が満足できることが見出
だされた。一つの手段は、加熱されたシュー及びシュー
より下流に置かれた冷却されたローラーの組み合わせで
ある。別の手段は冷却された面である。
【０００８】巻取り工程が完了すると総ての熱源は除か
れ、巻き取り部分が冷却できる。室温に達した後に、こ
の部分はマンドレルから容易に引き出され、統合後の工
程を必要とせずかつ空隙が５％以下の本来の構成された
部分が得られる。この部分の円周方向及び軸方向のうね
りは、プライ厚の２分の１以下である。
【０００９】
【図示実施例の詳細説明】図１において、本発明の実行
に使用される糸置き用頭部が一般に番号１０で示され、
かつ回転マンドレル１６に近付いたり離れたり動きうる
送りアーム１４の取り付けられた移動キャリッジ１２を
備えて示される。移動キャリッジ、送りアーム、及びマ
ンドレルは、ウイスコンシン州ミルウオーキーのマック
リーン・アンダーソンのコンポジトラック(Ｃompositra
k、商品名)計算機を有するモデルＷ６０−１６、３軸フ
ィラメント巻取機である。赤外線ヒーター１８、加熱さ
れた案内２０、はだか火ヒーター２２、及び用具２１が
送りアーム１４に取り付けられ、用具の表面は空気シリ
ンダー２３によりマンドレル上に巻かれたトウに対して
押される(図１)。
【００１０】キャリッジ１２がマンドレル１６の長手方
向に横移動されるとき、回転テークオフクリール２５に
取り付けられた多数の供給パッケージ２６から、多数の
強化熱可塑性樹脂のトウ２４が逆張力に抗して引かれ
る。(トウの最大引張り強さの５％から５０％の範囲の)
この逆張力は、クリールと組み合わせられた機構(図示
せず)により与えられる。この機構は、当業者に知られ
た形式の張力補償装置のような、パッケージ２６がほど
けないようにする張力を調整する機構である。
【００１１】糸置き用頭部がマンドレル１６上の巻き取
られている構成物に関して動くとき、熱可塑性樹脂含浸
糸２４は放射ヒーター１８に暴露される。このヒーター
において、熱可塑性樹脂はその熔融温度の１０deg以内
の温度に加熱される。次いで、トウは加熱された案内２
０を通過する。この案内は、好ましい実施例において
は、電気式のバンドヒーターで包まれた円形の目玉であ
り、このヒーターは、熱可塑物の温度をその熔融点以上
ではあるが強化用繊維の熔融点以下であると理解すべき
その劣化温度以下の温度に上昇させる。送りアーム１４
の前端にプロパントーチのはだか火のヒーター２２が取
り付けられ、その上方をトウ２４がマンドレル１６上の
糸の到着位置２８に通過する。このヒーターは、糸が到
着位置２８において確実に熔融状態であるように、糸２
４が案内２０から位置２８に移動するときに、マンドレ
ルの誘導加熱及び糸２４の直接加熱によりマンドレル上
に巻かれる部分の表面を加熱する。
【００１２】図２に示されたマンドレルに力を加える１
実施例においては、用具２１は、加熱されたシュー３０
(即ち、第１の面)及びアーム３１、３３に旋回可能に取
り付けられたローラー３２(即ち、第２の面)を備え、ま
た、これらアームは送りアーム１４に連結された空気シ
リンダー２３に取り付けられる(図１)。旋回アーム３
１、３３は、ローラー面を冷却するためにローラー３２
に水を循環させうるように回転ユニオン継手も備える。
シューはその表面下に埋められたカートリッジヒーター
３４により加熱される。
【００１３】図３に示された別の実施例においては、用
具２１'は、空気シリンダー２３に連結された旋回アー
ム３１、３３に取り付けられる。
【００１４】空隙量 構成試料の空隙量を検査するために、試料の密度を計算
しなければならず、更に空隙なし試料の密度を計算しな
ければならない。これら２個の数値から試料の空隙量を
決定できる。
【００１５】試料密度の測定:試料の密度は、ＡＳＴＭ
Ｄ ７９２−６６規格の試験方法を使用し、以下の手
順によりて測定された。
【００１６】１)空気中における試料の重量測定(a) ２)水中における試料の重量測定(b) ３)試料の比重(s.g.)の計算 s.g.＝a／(a−b) ４)試料の密度の計算 測定密度＝s.g.×(測定温度にお
ける水の比重) 空隙なし試料に対する理論密度:
【００１７】
【数１】Ｄc＝(Ｄf×Ｖf)＋(Ｄm×Ｖm) ここに Ｄc＝構成物の密度 Ｄf＝繊維の密度 Ｄm＝マトリックスの密度 Ｖf＝繊維の体積 Ｖm＝マトリックスの体積 空隙量％の計算:
【００１８】
【数２】 空隙％＝[(理論密度−測定密度)／理論密度]×１００円周方向及び軸方向のうねり 円周方向及び軸方向のうねりを確認するため、図４及び
５に示されたように巻取り部分から断面を切断した。こ
の断面はエポキシ樹脂内に詰められ、観察面が磨かれ
た。図６及び７に示された観察面の顕微鏡写真が得ら
れ、軸方向プライ５０の場合(図７)においては顕微鏡写
真上に物差しを置きプライが直線から、あるいは円周方
向のプライ５２の場合(図６)においては一様な円弧か
ら、どの位ずれているかを測定することによりプライの
うねりが測定された。
【００１９】
【実施例】以下の実施例は、トウがクリールから移動し
ている頭部に供給され次いで頭部に供給される図１の工
程に従って作られた。トウは赤外線ヒーターの手段によ
り熔融温度に加熱される。次いで、これは加熱された案
内用の目玉を使用してマンドレル上に案内される。マン
ドレル上のトウ到着位置においてトウを統合するように
力が加えられる。実施例Ｉにおいては、図３に示された
ような２重水冷ローラーシステムが力を加えるために使
用された。トウは、カーボンファイバーで強化されたポ
リエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)樹脂である。実施
例ＩＩにおいては、図３に示されたような２重水冷ロー
ラーシステムが使用された。トウは、カーボンファイバ
ーで強化されたポリエーテルケトンケトン(ＰＥＫＫ)樹
脂であり、更に実施例ＩＩＩにおいては単一の水冷ロー
ラーシステムが使用され、トウはガラスファイバーで強
化されたポリエーテルケトンケトン(ＰＥＫＫ)である。
各試料についての条件は下に表示される。
【００２０】
【表１】 実施例Ｉ 実施例ＩＩ 実施例ＩＩＩ 部分の番号 Ｔ６２３５-９２ Ｔ６２３５-１１７ Ｔ６３４７-２６ 端部の数 ２ ２ ４ 繊維タイプ ＡＳ４グラファイト ＡＳ４グラファイト Ｓ−ガラス 繊維寸法 １２ Ｋ １２ Ｋ 樹脂タイプ ＰＥＥＫ ＰＥＫＫ ＰＥＫＫ プライ厚(mm) ０.２５４ ０.２５４ ０.２５４ 張力(g／端部) ４０００ ４５００ ４５００ 巻取速度(m／min) １３.７２ １３.７２ １２.８０ トウ温度(℃) ３８０ ３８０ ３６０ 到着温度(℃) ３６０-３８０ ３６０-３８０ ３４０-３６０ ローラー荷重(kg) ７２．５７ ５６．７０ ５６．７０ 高温シュー荷重 使用せず ５６．７０ 使用せず 高温シュー温度(℃) 使用せず ３８０ 使用せず 最終部分の構成は次の通りであった。
【００２１】 部分直径(cm) ７６.２ ７６.２ ７６.２ 部分厚(mm) ６.１０ ６.３５ １３.７２ 繊維方向(度) ９０ ９０ ０／９０ 部分は切断され試験され次の結果を得た。
【００２２】 繊維体積量(％) ５４.９ ５６.３ ６０.２ 空隙量(％) ３.２ ０.２ ４.３ 繊維のうねり 平均うねり(mm) 円周方向 なし なし ０.１０２ (軸方向プライ) 軸方向 ＜０.０５１ ＜０.０５１ ＜０.０５１ (円周方向プライ) 本発明の実施態様につき説明すれば次の通りである。
【００２３】１．トウを張力下で回転マンドレルに進
め、前記張力はトウがマンドレルに置かれるときにトウ
に力を作り; 前記トウをその前記マンドレルへの到着よ
り前に予熱し; 更に前記マンドレルを軸方向に横切る案
内手段により前記トウを螺旋状経路に案内する諸段階を
含み繊維強化熱可塑性樹脂から複合構成物を作り統合す
る方法において、トウのマンドレルへの到着位置におい
てトウに押し付けられる面手段により前記位置において
トウに付加的な力を加えることを含んだ改良。
【００２４】２．前記トウはその最大破断強さの約５％
から約５０％の張力で進められ、前記付加的な力は約
８.７９kg／cm2(約１２５ポンド／平方インチ)から約１
１.９５kg／cm2(約１７０ポンド／平方インチ)の範囲で
ある上記１に定められた方法。
【００２５】３．前記面を冷却する段階を含んだ上記１
の方法。
【００２６】４．前記面が第１の面と第２の面とを備
え、前記第１の面は加熱され、前記第２の面は冷却され
る上記１の方法。
【００２７】５．多数の繊維強化熱可塑性樹脂のトウよ
り巻き取られた本来の統合された繊維強化熱可塑性樹脂
製品にして、前記製品は３８.１cm(１５インチ)より大
きな直径、５％より小さな空隙量、及びプライ厚の２分
の１より小さな平均の円周方向のうねりと平均軸方向の
うねりとを有する製品。
【００２８】６．前記繊維がカーボンであり、前記樹脂
がポリエーテルエーテルケトンである上記５に定められ
た製品。
【００２９】７．前記繊維がカーボンであり、前記樹脂
がポリエーテルケトンケトンである上記５に定められた
製品。
【００３０】８．前記繊維がガラスであり、前記樹脂が
ポリエーテルケトンケトンである上記５に定められた製
品。
【００３１】９．前記製品がリブ付き構成体である上記
８に定められた製品。
【００３２】１０．繊維強化熱可塑性樹脂のトウ源、前
記トウに張力をかける手段、及び製品に巻き取るように
マンドレル上でトウを前後に横切らせるためのキャリッ
ジ上の案内を持ったキャリッジを有する回転マンドレル
上で繊維強化熱可塑性樹脂トウを巻き取る装置におい
て、トウがマンドレル上に到着する位置に置かれた面;
及び前記面を前記マンドレルの方に押す手段を備えた改
良。
【００３３】１１．前記面が第１の面及び第２の面を備
えた上記１０の改良。
【００３４】１２．前記第１の面を加熱する手段及び前
記第２の面を冷却する手段を備えた上記１１の改良。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による巻取装置の図式的な側面図であ
る。
【図２】マンドレルに圧力を加える一つの手段の拡大し
た図式的な等角図である。
【図３】マンドレルに圧力を加える別の手段の拡大した
図式的な等角図である。
【図４】軸方向を示す巻き取り部分の一部の図式的な等
角図式的である。
【図５】円周方向を示す巻き取り部分の一部の図式的な
等角図式的である。
【図６】本発明の製品の円周方向のプライのうねりを示
す拡大された繊維の形状の顕微鏡図である。
【図７】本発明の製品の軸方向のプライのうねりを示す
拡大された繊維の形状の顕微鏡図である。
フロントページの続き (72)発明者 ジエフリイ・アラン・ハンクス アメリカ合衆国デラウエア州19963ミル フオード・ノースブランデイワインロー ド３ (72)発明者 マーク・アラン・ラモンテイア アメリカ合衆国ペンシルベニア州19350 ランデンバーグ・ウオルナツトランロー ド・ボツクス32エイ・アールデイナンバ ー１ (72)発明者 ブルース・アレン・ヨスト アメリカ合衆国デラウエア州19711ニユ ーアーク・フエイスサークル14 (56)参考文献 特開 昭63−165275（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B65H 54/64

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 トウを張力下で回転マンドレルに進め、
    前記張力はトウがマンドレルに置かれるときにトウに力
    を生成し、前記トウを該マンドレルへの到着より前に予
    熱し、該マンドレルを軸方向に横切る案内によって前記
    トウを螺旋状経路に案内し、トウのマンドレルへの到着
    位置においてトウに押し付けられる面によって前記位置
    においてトウに付加的な力を加えることを含み、トウ
    が、トウの最大引っ張り強さの５乃至５０％の範囲の制
    御された張力を受けて進められ、前記付加的な力が、５
    ６．８乃至７２．６ｋｇ（１２５乃至１６０ポンド）の
    範囲にあることを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂か
    ら複合構成物を作り統合する方法。
  2. 【請求項２】 トウを張力下で回転マンドレルに進め、
    前記張力はトウがマンドレルに置かれるときにトウに力
    を生成し、前記トウを前記マンドレルへの到着より前に
    予熱し、該マンドレルを軸方向に横切る案内によって前
    記トウを螺旋状経路に案内し、トウのマンドレルへの到
    着位置においてトウに押し付けられる１つ又は複数の面
    によって前記位置においてトウに付加的な力を加えるこ
    とを含み、該表面の少なくとも１つが冷却されることを
    特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂から複合構成物を作
    り統合する方法。
  3. 【請求項３】 該複数の表面が第１の面と第２の面とを
    有し、第１の面が加熱され、第２の面が冷却される請求
    項２の方法。
  4. 【請求項４】 ３８．１ｃｍ（１５インチ）よりも大き
    な直径を有し、５％より少ない空隙を有し、プライ厚の
    ２分の１よりも小さな平均の円周方向のうねりと平均軸
    方向のうねりとを有する複数の繊維強化熱可塑性樹脂の
    トウより巻き取られた統合された繊維強化熱可塑性製
    品。
  5. 【請求項５】 回転マンドレル上に繊維強化熱可塑性樹
    脂のトウを巻くための装置において、繊維強化熱可塑性
    樹脂のトウ源、トウに張力を加える手段、該マンドレル
    に達する前に前記トウを予熱する手段、トウを該マンド
    レル上で前後に横切らせるための案内を持ったキャリッ
    ジ、該トウが該マンドレル上に置かれる位置に該マンド
    レルに対して押圧することができる１つ又は複数の面、
    及び１つ又は複数の面を該マンドレルに押す手段を具備
    し、該面の少なくとも１つが冷 却されていることを特徴
    とする装置。
  6. 【請求項６】 該複数の面が第１の面と第２の面とを有
    し、第１の面が加熱されており、第２の面が冷却されて
    いる請求項５の装置。
JP3175714A 1990-06-25 1991-06-21 繊維強化熱可塑性樹脂トウとその製品を巻き取る装置及び方法 Expired - Lifetime JP3027625B2 (ja)

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