JP3656395B2 - 3D fiber structure - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は三次元繊維構造体に係り、詳しくは補強リブを有する板状の三次元繊維構造体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
繊維強化複合材(FRP複合材)は軽量の構造材料として広く使用されている。複合材用補強基材として三次元織物(三次元繊維構造体)がある。この三次元織物を骨格材として、樹脂あるいは無機物をマトリックスとした複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として幅広い用途が期待されている。
【0003】
そして、航空機の胴体等に使用されるスティフナー付プレートを、三次元繊維構造体を骨格材とした耐衝撃性に優れた三次元繊維構造体複合材で製作することが考えられている。例えば、NASA(米国航空宇宙局)の報告書NASA/TP−97−206234には、図16(a)に示すように、ユニ・ウィーブ織物(Uni-Weave fabric)を複数枚積層して形成したT字状の補強リブ70と、図16(b)に示すように、ユニ・ウィーブ織物を複数枚積層して形成した平板71とを結合糸で縫い合わせて製造した三次元繊維構造体W(図16(c)に図示)が開示されている。補強リブ70及び基板71はそれぞれ配向角が0°、45°、−45°及び90°のユニ・ウィーブ織物を複数枚積層して面内4軸とし、結合糸を含めて5軸構成となっている。
【0004】
特開平1−207465号公報には、平板部上に断面T字状やI字状の突条部が複数本形成された異形断面の三次元織物と、その製造方法が開示されている。この三次元織物は、三次元織物の断面形状に対応して多数本の長さ方向糸を複数行、複数列に配列し、幅方向糸を隣接する長さ方向糸群の行間に、長さ方向糸と直交する状態で幅方向に往復させながら挿入する工程と、垂直方向糸を長さ方向糸の列間に長さ方向糸と直交する状態で上下方向に往復させながら挿入する工程とを繰り返して製造される。
【0005】
特開平3−286841号公報には、平板状のプリプレグと、ほぼL字状に屈曲させた2枚のプリプレグを接合してほぼT字状に形成したプリプレグとを図16と同様に接合した状態でファイバで縫合する複合材構造物の製造方法が開示されている。
【0006】
特開平6−184906号公報には、複数の板状部が接続部において屈曲状態で連続する形状に形成された三次元繊維構造体が開示されている。この三次元繊維構造体は隣接する板状部の接続部の強度を高めるため、両板状部に跨がって連続する糸をその構成要素として持っている。この三次元繊維構造体は屈曲状態で連続する板状部を構成するように、糸の配列方向が異なる糸層が所定数積層形成された積層糸群を厚さ方向糸で結合して構成する。また、二つの三次元繊維構造体を合体して異なる断面形状の三次元繊維構造体を製造する方法が開示されている。例えば、コ字形の三次元繊維構造体を背中合わせに合体させてH状断面の三次元繊維構造体を製造することが開示されている。
【0007】
また、特開平4−289243号公報には、複数の板状部がT字状に接合された接合部を有する形状に形成され、各板状部がその厚さ方向の成分を含む少なくとも3軸で構成され、隣接する板状部の接合部と交差する方向に延びるとともに各板状部の厚さ方向と直交する面に沿って配列され、かつ接合部を挟む両板状部に跨って連続する糸をその構成要素として持つ三次元織物(三次元繊維構造体)が開示されている。この三次元織物は図17に示すように、多数の規制部材72に貫通された状態で断面L字状に形成された積層糸群73,74と、平板状の積層糸群75を組み合わせ、各積層糸群73〜75を貫通する規制部材72を順次厚さ方向糸zと順次置換して積層糸群73〜75を結合することにより形成される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特開平1−207465号公報に開示された三次元織物は、平板部や突条部が面内2軸で厚さ方向の糸を含めても3軸構成で、かつ屈曲状態で連続する面に跨って配列される糸がないため、複合材を形成した時の物性が不十分となる。
【0009】
その他の従来技術の三次元繊維構造体(三次元織物)は、各板状部が少なくとも面内3軸で構成され、かつ屈曲状態で連続する面に跨って配列される糸が存在する。従って、特開平1−207465号公報に開示された三次元織物を骨格材とした複合材より物性(特に強度や耐衝撃性)の優れた複合材を形成することができる。
【0010】
しかし、前記従来の三次元繊維構造体は、平板部と補強リブとを結合する結合糸(厚さ方向糸)は、いずれも平板部の厚さ方向と平行に配列されるため、平板部及び補強リブの平面が対向する位置においてのみ両者を貫いて結合に寄与する。従って、補強リブの屈曲部と平板部とが対向する箇所、即ち、図17において鎖線で囲んだ領域では、両者を貫いて結合に寄与する結合糸が存在しない。その結果、複合材を製造したときに、応力集中が生じやすい箇所の強度が不十分となり、それを補うため三次元繊維構造体全体の強度を高める必要が生じて、三次元繊維構造体が厚くなるという問題がある。
【0011】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は基板部と補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体の、補強リブと基板部との接続部の強度を大きくして、同じ要求物性であれば複合材を薄くできる三次元繊維構造体を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、三次元繊維構造体で構成された基板部と、三次元繊維構造体で構成された補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体であって、前記補強リブはほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部を有し、前記板状部の一つが前記基板部に垂直となるように基板部に結合されるとともに、前記補強リブと前記基板部とを結合する厚さ方向糸は、前記補強リブと前記基板部との平面部が対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向と平行に配列され、前記補強リブの屈曲部と対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列されている。
【0013】
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、前記補強リブは少なくとも前記基板部との結合部付近がT字状に形成されている。
請求項3に記載の発明では、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記基板部及び前記補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内3軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも4軸で構成されている。
【0014】
請求項4に記載の発明では、請求項3に記載の発明において、前記基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されている。
請求項1に記載の発明の三次元繊維構造体では、補強リブの屈曲部と対応する位置において、基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列された厚さ方向糸が存在する。従って、補強リブに横方向からの力が作用したとき、前記厚さ方向糸がその力を担うため、強度が高くなる。
【0015】
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、補強リブは少なくとも基板部との結合部付近がT字状に形成されているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保できる。
【0016】
請求項3に記載の発明では、請求項1又は請求項2に記載の発明において、基板部及び補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内3軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも4軸で構成されているため、物性(特に強度や耐衝撃性)の優れた複合材を得ることができる。
【0017】
請求項4に記載の発明では、請求項3に記載の発明において、前記基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されているため、他の材質製の糸やカーボン糸と他の材質製の糸とを組み合わせて使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上する。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図1〜図12に従って説明する。図1及び図2に示すように、三次元繊維構造体Wは基板部1と補強リブ2とが厚さ方向糸zにより結合されて構成されている。基板部1は平板状に形成され、補強リブ2は基板部1との結合部付近がT字状となる断面形状に形成されている。この実施の形態では補強リブ2はL字状断面の三次元繊維構造体WLを接合して、全体の断面形状がT字状に形成されている。補強リブ2はほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部2a,2b,2cを有し、板状部2a,2b,2cのうちの一つの板状部2aが基板部1に垂直となるように基板部1に結合されている。補強リブ2は互いに平行に複数(この実施の形態では2個)設けられている。
【0019】
基板部1及び補強リブ2は、それぞれ複数の糸層(x糸層、y糸層及びバイアス糸層)を積層して形成された面内4軸の配向となる積層糸群3と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸zとを含む5軸の三次元繊維構造体で構成されている。図3(a)〜(d)はL字状断面の三次元繊維構造体WLの積層糸群3を構成する各糸層の糸の配列を示す模式図である。
【0020】
図3(b)に示すように、x糸層は三次元繊維構造体の厚さ方向と直交する面内において、幅方向又は長さ方向の一方(この実施の形態では幅方向)に沿って配列された第1の面内配列糸xからなり、1本の糸が折り返し状に配列されて形成されている。図3(a)に示すように、y糸層はx糸層と平行な面内で第1の面内配列糸xと直交する方向に配列された第2の面内配列糸yからなり、1本の糸が折り返し状に配列されて形成されている。図3(c),(d)に示すように、バイアス糸層はx糸層と平行な面内で両面内配列糸x,yに対して所定の角度(この実施の形態では45°及び−45°)で交差するように折り返し状に平行に配列されたバイアス糸B1 ,B2 からなる。バイアス糸B1 ,B2 は屈曲部4と交差する状態で両板状部2a,2bに跨がって連続するように配列されている。また、基板部1を構成するx糸層、y糸層及びバイアス糸層も同様に構成されている。即ち、基板部1及び補強リブ2は、配向角が90°の第1の面内配列糸xと、配向角が0°の第2の面内配列糸yと、配向角が45°のバイアス糸B1 と、配向角が−45°のバイアス糸B2 とで積層糸群3が構成されている。なお、配向角とは糸が三次元繊維構造体Wの長手方向となす角度を意味する。
【0021】
図1に示すように、補強リブ2と基板部1とはその平面部が対応する位置においては、厚さ方向糸zが基板部1の厚さ方向と平行に配列されている。また、補強リブ2の屈曲部4と対応する位置においては、厚さ方向糸zは基板部1の厚さ方向に対して交差する状態で、屈曲部4及び基板部1を貫通するように配列されている。基板部1の厚さ方向と交差するように配列される厚さ方向糸zが基板部1となす角度θは、40°〜70°の範囲が好ましい。厚さ方向糸zは基板部1の表面側(補強リブ2が接合される面と同じ側)で折り返すように底面側から挿入されるとともに、表面側において幅方向に配列された抜け止め糸(図示せず)により抜け止めされている。厚さ方向糸zが抜け止め糸と共同で各糸層を締め付けることにより、各糸層が結合されている。
【0022】
なお、各糸を構成する繊維の材質としては複合材の用途に応じてカーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリアラミド繊維等種々のものが使用される。この実施の形態においては、各糸としてカーボン糸が使用されている。カーボン糸にはカーボン繊維のロービング(トウ)が使用されている。ロービング(トウ)とは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。
【0023】
前記のように構成された三次元繊維構造体Wは繊維強化複合材の強化材(骨格材)として使用され、マトリックスとして樹脂や無機物が使用される。例えば、カーボン/カーボン複合材を構成する場合は、三次元繊維構造体Wに樹脂を含浸、硬化させた後、焼成して製作する。
【0024】
前記のように構成された三次元繊維構造体Wを骨格材とした複合材の補強リブに横方向からの荷重(力)が作用した場合、補強リブ2の屈曲部4(コーナ部)に大きな応力が作用する。第2の面内配列糸y及びバイアス糸B1 ,B2 が屈曲部4と交差する方向に延びるとともに両板状部2a,2b、2a,2cに跨がって配列されているため、それらの糸が屈曲部4に作用する応力に耐える方向の力を分担するように有効に寄与する。また、屈曲部4及び基板部1を貫通するように配列された厚さ方向糸zも、屈曲部4に作用する応力に補強リブに作用する力が作用したとき、前記厚さ方向糸zがその力に耐える方向の力を分担するため、複合材の強度が向上する。
【0025】
次に前記のように構成された三次元繊維構造体Wの製造方法の一例を説明する。三次元繊維構造体Wを製造する場合、図4に示すようなほぼL字状の枠体5を使用して、本願出願人が先に提案した方法(特開平9−137336号公報)でL字状の三次元織物(三次元繊維構造体)を2体製作する。また、四角形状の枠体を使用して基板部1となる平板状の積層糸群3を1体製作する。
【0026】
L字状の枠体5は厚さ方向糸zの挿入区域と対応する領域6を囲むように形成された本体5aと、本体5aの外側に取り外し可能に所定ピッチで立設された多数の規制部材としてのピン7と、枠体5のコーナ部に取り外し可能にねじ(図示せず)により固定された支持バー8とから構成されている。支持バー8の角部にもピン7が取り外し可能に嵌合されている。四角形状の枠体は四角形の枠体本体に、所定ピッチでピンが取り外し可能に立設されている。
【0027】
積層糸群3に厚さ方向糸zを挿入する厚さ方向糸挿入装置は、特開平8−218249号公報、特開平9−137336号公報で本願出願人が提案した装置と基本的に同様に構成されている。次に厚さ方向糸挿入装置を図6に従って説明する。図6は厚さ方向糸挿入装置9の概略部分平面図である。
【0028】
厚さ方向糸挿入装置9は積層糸群3が配列された枠体5を取付け部材10を介して一対の支持ブラケット11間(片側のみ図示)に支持し、厚さ方向糸zを1列ずつ同時に挿入するようになっている。取付け部材10はボルトにより枠体5に固定されるとともに、支持ブラケット11の支持片12にボルト13により固定されるようになっている。
【0029】
厚さ方向糸挿入装置9のベースプレート14の前側(図6の下側)には支持テーブル15が図6の左右方向に移動可能に配設され、支持テーブル15上に支持ブラケット11が立設されている。支持テーブル15は図示しない送り装置により所定ピッチずつ移動されるようになっている。なお、図6に示す支持テーブル15の位置は、厚さ方向糸zの挿入がほとんど終了に近づいた時点における位置である。
【0030】
ベースプレート14には支持テーブル15より後側に一対のブラケット16(一方のみ図示)が立設され、両ブラケット16間には一対のガイドロッド17が支持テーブル15の移動方向と平行に架設されている。ガイドロッド17には支持プレート18が摺動可能に支持されている。支持プレート18はブラケット16に固定されたエアシリンダ19のピストンロッド19aに連結され、エアシリンダ19の作動により所定の距離を往復移動可能となっている。
【0031】
支持プレート18の前後両端には一対の支持ブラケット20が立設され、支持ブラケット20間に平行に架設されたガイドロッド(図示せず)に移動体21が摺動可能に支持されている。移動体21の前端には針支持体22が固定され、針支持体22の前部に厚さ方向糸挿入針(以下、単に挿入針という)23がピン7の配列ピッチと対応する所定ピッチで1列に水平に固定されている。針支持体22は前側の支持ブラケット20に形成された孔(図示せず)を貫通する状態で配設されている。
【0032】
移動体21はモータ24により駆動されるボールネジ機構25の作動により、針支持体22とともに待機位置と作用位置とに移動される。挿入針23は待機位置では支持ブラケット11に支持された積層糸群3と係合不能となり、作用位置では針孔23a(図11に図示)が積層糸群3の反対側となる位置まで積層糸群3を貫通する。
【0033】
支持ブラケット20には上下一対の支持ロッド26が支持ブラケット20を貫通した状態で摺動可能に支持されている。支持プレート18には後側の支持ブラケット20寄りに、ブラケット27を介してエアシリンダ28が前後方向に延びるように固定されている。両支持ロッド26は後端側が連結板29を介して互いに連結され、連結板29がエアシリンダ28のピストンロッド28aに連結されている。両支持ロッド26の前端には穿孔針支持体30が固定され、穿孔針支持体30には穿孔針31が挿入針23と対応した所定ピッチで1列に固定されている。穿孔針31の列はエアシリンダ19の作動時における支持プレート18の移動距離と等しい間隔を保って挿入針23の列と平行に配置されている。エアシリンダ28の作動により穿孔針支持体30は穿孔針31が支持ブラケット11に支持された積層糸群3と係合不能な待機位置と、積層糸群3を貫通する作用位置とに移動される。
【0034】
ベースプレート14上には前側の支持ブラケット20の近傍にエアシリンダ32が前後方向に延びるように配設され、そのピストンロッド32aの先端にブラケット33を介して押圧部材34が固定されている。押圧部材34は挿入針23列の配列方向に沿って延びる断面L字状に形成され、挿入針23あるいは穿孔針31の通過を許容する櫛歯部を備え、挿入針23あるいは穿孔針31を挟んだ状態で積層糸群3を押圧可能となっている。
【0035】
押圧部材34は支持ブラケット11に支持された積層糸群3に対して挿入針23及び穿孔針31の待機位置側に配設され、挿入針23列の挿入位置近傍において挿入針23列の移動方向に沿って移動可能に配設されている。エアシリンダ32の作動により押圧部材34は支持ブラケット11に支持された積層糸群3と係合して積層糸群3を挿入針23列の前進側へ押圧する作用位置と、積層糸群3と係合不能な待機位置とに移動される。
【0036】
支持ブラケット11に支持された積層糸群3を挟んで押圧部材34と反対側には、一対のプレスブロック35,36が配設されている。両プレスブロック35,36は積層糸群3との接触部の幅がピン7の配列ピッチより広く形成され、各プレスブロック35,36は積層糸群3の上方において別個に揺動可能に支持された一対のレバー(図示せず)の先端にそれぞれ固定されている。両プレスブロック35,36は押圧部材34と対向する位置でかつ、挿入針23又は穿孔針31の進入を許容する隙間が生じるように互いに近接して配設されている。そして、図示しないエアシリンダの作動による前記各レバーの揺動により、各プレスブロック35,36が積層糸群3を針列の後退側へ押圧する作用位置と、積層糸群3と係合不能な待機位置とに移動される。
【0037】
積層糸群3の支持位置の下方には挿入針23列が積層糸群3を貫通する位置と対応する位置に、抜け止め糸挿通用針(以下、単に抜け止め糸針という)37が挿入針23列の配列方向に沿って移動可能に配設されている(図11にその一部を図示)。抜け止め糸針37は先端にベラを有し、図示しない駆動装置により往復動されて、作用位置に配置されたときの挿入針23列に連なる厚さ方向糸zのループを貫通する作用位置と、積層糸群3と対応する位置から退避した待機位置とに配置されるようになっている。
【0038】
なお、図示の都合上、図1及び図2に示す概略図と、図4、図10及び図11等とでは、厚さ方向糸zの挿入ピッチと、枠体に立設されたピン7のピッチや本数、あるいは三次元繊維構造体Wの長さと幅との比等が異なる。
【0039】
次に前記のように構成された枠体5及び厚さ方向糸挿入装置9を使用して補強リブ2を有する三次元繊維構造体Wを製造する手順を説明する。
枠体5を支持ブラケットに固定した状態で、第1の面内配列糸x、第2の面内配列糸y及びバイアス糸B1 ,B2 がそれぞれピン7と係合する状態で折り返すようにして、図3(a)〜(d)に示すようにそれぞれ配列される。そして、図5に示すように、枠体5の外側にx糸層、y糸層及びバイアス糸層が所定の複数層積層された積層糸群3が形成される。また、四角形状の枠体上に第1の面内配列糸x、第2の面内配列糸y及びバイアス糸B1 ,B2 がそれぞれピンと係合する状態で折り返すようにして配列され、x糸層、y糸層及びバイアス糸層が所定の複数層積層された平板状の積層糸群3が形成される。
【0040】
なお、積層糸群3の密度を高めるとともに厚さを調整するため、各糸層の配列が完了するたび、あるいは適宜の糸層が形成された時点毎に、糸層が上から押圧部材で押圧されて積層糸群3が圧縮される。
【0041】
次に厚さ方向糸挿入装置9を使用して、L字状の両積層糸群3に厚さ方向糸zが公知の方法で挿入される。ただし、厚さ方向糸zはハンドリングを可能にする程度の粗い間隔で予備的に挿入される。そして、図7に示すように、厚さ方向糸zが粗く挿入されたL字状の三次元繊維構造体WLが2体作成される。
【0042】
次に2体の三次元繊維構造体WLを接合させて、ほぼT字状の三次元繊維構造体WTを形成する。このとき、二つの枠体5に挿通されているピン7の一部を共通化して、図8に示すように、2個の枠体5で三次元繊維構造体を支持した状態で、2体の三次元繊維構造体WLの接合部に、正規の密度で厚さ方向糸zが挿入される。L字状の積層糸群3に厚さ方向糸zを挿入するときと、T字状の三次元繊維構造体WTに厚さ方向糸zを挿入するときとで、枠体5を支持するのに異なる形状の支持片12が使用される。
【0043】
なお、一部のピン7を共通化する際、図7に示すように、一方の枠体5のピン7としてパイプを使用し、他方の枠体5のピン7として先端が尖ったピンを使用し、尖ったピン7をパイプ製のピン7に当接させて押し出すと、作業が容易になる。
【0044】
次にT字状の三次元繊維構造体WTの端部を基板部1に接合するサイズに合わせて所定の位置で切断して枠体5から取り外すと、図9に示すように、基板部1との接合部に粗いピッチで厚さ方向糸zが挿入されたT字状の三次元繊維構造体WTが得られる。なお、三次元繊維構造体WTを切断する際に積層糸群3を構成する糸が乱れないように、切断部近傍の厚さ方向糸zの挿入密度を高めておくのが好ましい。
【0045】
次に図10(a)に示すように、平板状の積層糸群3が形成された枠体38に治具39,40を使用して、T字状の三次元繊維構造体WTを基板部1に対する補強リブ2の所定の接合位置に取り付ける。治具39はほぼ門型に形成されるとともに、その両端にボルト挿通孔(図示せず)が形成された取付部39aを備えている。また、治具40を介して三次元繊維構造体WTの中央の板状部2aを挟持する挟持部39bが所定間隔で形成されている。治具40は図11に示すように、三次元繊維構造体WTとほぼ同じ長さの平板で形成されている。そして、図10(a)に示すように、各三次元繊維構造体WTはそれぞれ一対の治具40に挟まれた状態で治具39の挟持部39bに挟持される。治具39は六角穴付きボルト41により枠体38に固定される。
【0046】
次に枠体38を厚さ方向糸挿入装置9の支持ブラケット11に固定して、厚さ方向糸zの挿入を行う。図11は厚さ方向糸zの挿入状態を示す模式斜視図である。このとき、T字状の三次元繊維構造体WTあるいはL字状の積層糸群3への厚さ方向糸zの挿入時に使用されたプレスブロック35,36と異なる形状のプレスブロック42,43が使用される。図11に示すように、プレスブロック42,43には積層糸群3と対向する側に、T字状の三次元繊維構造体WT及び治具40と干渉しないための凹部44が形成されている。
【0047】
そして、支持テーブル15が挿入開始位置に配置され、挿入針23、穿孔針31、押圧部材34及びプレスブロック42,43が待機位置に配置された状態から積層糸群3及びT字状の三次元繊維構造体WTの積層糸群3との接合部への厚さ方向糸zの挿入作業が開始される。
【0048】
先ずエアシリンダ32が作動されて押圧部材34が作用位置に配置される。次に両プレスブロック42,43が作用位置に配置され、押圧部材34及び両プレスブロック42,43により積層糸群3は穿孔針31列と対応する箇所が圧縮状態に保持される。その状態でエアシリンダ28が作動されて穿孔針31が積層糸群3を貫通する位置まで前進した後、元の位置まで後退する。穿孔針31は押圧部材34及び両プレスブロック42,43にガイドされながら移動し、穿孔針31が多少曲がっていても穿孔針31は積層糸群3に対して垂直に挿通される。積層糸群3は押圧部材34及び両プレスブロック42,43によって押圧されているため、穿孔針31の前進時に各糸の配列が乱れることはない。積層糸群3を構成する繊維が押圧部材34及び両プレスブロック42,43の圧縮作用によりある程度密に配置された状態にあるため、穿孔針31の抜き跡に孔が形成される。
【0049】
次にエアシリンダ19が突出作動されて支持プレート18とともに穿孔針31列及び挿入針23列が移動され、挿入針23列が穿孔針31の抜き跡の孔と対向する位置に配置される。その状態でプレスブロック42が待機位置に配置された後、モータ24が作動され、挿入針23が前進して作用位置に配置される。挿入針23は針孔23aが積層糸群3の前方に出るまで積層糸群3に挿通される。挿入針23が前進端に達した後、モータ24が逆転されて挿入針23がわずかに後退させられる。その結果、積層糸群3から針孔23aに連なる厚さ方向糸zが抜け止め糸針37の通過を許容するループを形成した状態となる。
【0050】
次に抜け止め糸針37が作動され、抜け止め糸(図示せず)が前記ループに挿通される。その後、モータ24が逆転されて挿入針23が後退し、積層糸群3から離脱して待機位置に配置される。また、プレスブロック42が再び作用位置に配置される。この状態で張力調整部(図示せず)の作用により厚さ方向糸zが引き戻され、積層糸群3内に挿入された厚さ方向糸zが抜け止め糸により抜け止めされた状態で締付けられる。次にエアシリンダ19が作動され、支持プレート18とともに穿孔針31列及び挿入針23列が初期位置に戻される。また、エアシリンダ32が作動されて押圧部材34が待機位置に配置され、プレスブロック42,43も待機位置に配置される。以上により厚さ方向糸zの1回の挿入サイクルが完了する。そして、平板状の積層糸群3及びT字状の三次元繊維構造体WTの積層糸群3との接合部に対して、T字状の三次元繊維構造体WTの屈曲部4と対応する位置を除いた幅方向全域にわたって厚さ方向糸zが1列分挿入される。
【0051】
なお、図11では挿入針23及び穿孔針31の各ピッチが模式的に等ピッチに図示されているが、屈曲部4と対応する位置では、挿入針23及び穿孔針31は針支持体22及び穿孔針支持体30から取り外されている。
【0052】
次に支持テーブル15が厚さ方向糸zの挿入ピッチ分移動され、穿孔針31が積層糸群3への次回の厚さ方向糸挿入位置と対向する状態となる。以下、前記と同様にして順次厚さ方向糸zの挿入サイクルが実行される。そして、図10(b)に示すように、平板状の積層糸群3とT字状の三次元繊維構造体WTとが、その屈曲部4と対応する位置を除いた箇所において厚さ方向糸zで結合された三次元繊維構造体が形成される。
【0053】
次に基板部1及び補強リブ2の屈曲部4と対応する位置への厚さ方向糸zの挿入が行われる。このとき、図12に示すように、治具39,40を取り外し、枠体38を支持する支持ブラケット11と支持テーブル15の間に規制治具45を挟んだ状態で、支持ブラケット11を支持テーブル15に固定する。規制治具45は枠体38の角度を厚さ方向糸zの挿入角度と対応するように規制する役割を果たす。そして、屈曲部4と対応する位置に基板部1の厚さ方向に対して交差する状態で、厚さ方向糸zを屈曲部4及び基板部1を貫通するように挿入する。なお、治具39,40を取り付けたままで、厚さ方向糸zの挿入を行ってもよい。図12の角度で厚さ方向糸zの挿入を行った後、規制治具45を180°反転させた状態で支持ブラケット11を支持し、図12の状態に対して、枠体38が支持テーブル15と垂直な面に対して対称となる状態で、再び屈曲部4と対応する位置に厚さ方向糸zを挿入する。そして、厚さ方向糸zの挿入が終了した後、各ピン7が枠体38から取り外されて、基板部1の周縁が所定の位置で切断されて三次元繊維構造体Wの製造が完了する。
【0054】
この実施の形態では以下の効果を有する。
(1) 三次元繊維構造体Wの補強リブ2の屈曲部4と対応する位置においては、厚さ方向糸zが基板部1の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部4及び基板部1を貫通するように配列されている。従って、補強リブ2を単に接着あるいは一体成形した場合に比較して、基板部1と補強リブ2とが厚さ方向糸zにより結合された三次元繊維構造体Wの、補強リブ2と基板部1との接続部の強度が大きくなり、同じ要求物性であれば三次元繊維構造体Wを骨格材とした複合材を薄くできる。
【0055】
(2) 厚さ方向糸zによって結合される積層糸群3を構成する各糸層の糸が、ピン7(規制部材)を基準として折り返し状に配列されるため、糸を緊張した状態で配列でき、かつその状態で厚さ方向糸zが挿入される。従って、クロス(平面上の織物)を積層してステッチ縫いで各クロスを結合した三次元繊維構造体に比較して、糸の真直度が良好で高品質(物性が良い)の三次元繊維構造体Wが得られる。
【0056】
(3) 補強リブ2は少なくとも基板部1との結合部付近がT字状に形成されているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保できる。
【0057】
(4) 三次元繊維構造体Wは基板部1及び補強リブ2とも、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内3軸以上(面内4軸)の配向となる積層糸群3と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸zとを含む4軸以上(5軸)で構成されている。従って、物性(特に強度や耐衝撃性)の優れた複合材を得ることができる。
【0058】
(5) 補強リブ2と基板部1とを一体にして製織する方法では面内3軸以上の三次元織物を製造するには、機構が非常に複雑になり、効率良く三次元織物を製造するのが難しい。しかし、複数の糸層を積層して形成された面内3軸以上(面内4軸)の配向となる積層糸群3を厚さ方向糸zで結合した、三次元繊維構造体Wの場合は、面内4軸であっても、比較的容易に製造できる。
【0059】
(6) 基板部1、補強リブ2及び厚さ方向糸zが全てカーボン糸で形成されているため、他の材質製の糸やカーボン糸と他の材質製の糸とを組み合わせて使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上する。例えば、糸としてガラス繊維製の糸を使用すると、カーボン糸に比較して重量が大きくなる。また、ポリアラミド繊維は吸水率が大きく、複合材を形成する際に物性低下の要因となる。
【0060】
(7) 三次元繊維構造体Wを構成するバイアス糸B1 ,B2 が、第1及び第2の面内配列糸x,yに対してほぼ±45°の角度で交差するように配列されている。従って、他の角度で配列した場合に比較して、斜め方向からの力に対して最も有効に機能する。
【0061】
(8) 各糸層を構成する糸として、少なくとも当該糸層内で連続した1本の糸が使用されているため、各糸を適切な張力を付与した状態で配列するのが容易となり、複合材としたときの物性の向上に寄与する。
【0062】
(9) 厚さ方向糸zの挿入時に、枠体3に保持された積層糸群3が、押圧部材34により位置決めされた状態で、押圧部材34と、プレスブロック42,43とにより押圧される。従って、押圧部材34がガイドとしての役割を果たし、穿孔針31による積層糸群3の所定位置への孔の形成が容易になる。
【0063】
(10) 補強リブ2用のT字状の三次元繊維構造体WTを製作する際、厚さ方向糸zがハンドリングを可能にする程度の粗い間隔で予備的に挿入されたL字状の三次元繊維構造体WLを2体製作して、それを組み合わせた後、正規のピッチで厚さ方向糸zを挿入する。従って、予備的な厚さ方向糸zの挿入を行わずにL字状の積層糸群3を接合して、厚さ方向糸zの挿入を行う場合に比較して、T字状の三次元繊維構造体WTの製作、及び基板部1との接合のための厚さ方向糸zの挿入作業が容易になる。
【0064】
(第2の実施の形態)
次に第2の実施の形態を図13に従って説明する。この実施の形態では基板部1と補強リブ2用のT字状の三次元繊維構造体WTとを結合する厚さ方向糸zの挿入方法が前記実施の形態と異なっている。前記実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【0065】
前記実施の形態ではT字状の三次元繊維構造体WTの長手方向と直交する方向に一列ずつ、厚さ方向糸zが順次挿入されたが、この実施の形態ではT字状の三次元繊維構造体WTの長手方向と平行に一列ずつ、厚さ方向糸zが順次挿入される。三次元繊維構造体WTを挟持する治具40は三次元繊維構造体WTより長く形成され、その両端が枠体38のピン7の間を通って積層糸群3の幅より外側に配置された状態で治具39の挟持部39bに挟持される。そして、プレスブロック42,43を使用せず、治具40及び押圧部材34によって、積層糸群3及び三次元繊維構造体WTの押圧が行われる。また、治具39は取付部39aを突設せずに、治具39の支柱の底部にネジ穴(図示せず)が形成され、枠体38側に形成されたボルト挿通孔(図示せず)を貫通するボルトにより、枠体38に固定されるようになっている。
【0066】
従って、この実施の形態においても、前記実施の形態の(1)〜(10)の効果が得られる。また、前記実施の形態の厚さ方向糸挿入装置9に比較して、プレスブロック42,43を省略できるため、構造が簡単になるとともに、挿入工程数も少なくなって、厚さ方向糸zの挿入に必要な時間の短縮が図れる。
【0067】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 補強リブ2の形状は三次元繊維構造体Wの長手方向あるいは幅方向と平行に延びる構成に限らず、図14に示すように、基板部1との接合部がT字状で、かつ全体として格子に形成されたものであってもよい。このような補強リブ2を備えた三次元繊維構造体Wを形成する場合は、先ず、第1の実施の形態と同様にして所定の長さのT字状の三次元繊維構造体WTを製作する。次に、その一部を切断して、図15に示す形状の三次元繊維構造体WTを製作する。また、同様にして、図15に示す形状の三次元繊維構造体WTと組み合わせることにより、図14に示す形状の三次元繊維構造体WTが構成される三次元繊維構造体WTを所定の長さのT字状の三次元繊維構造体WTの一部を切断して形成する。そして、適切な治具を使用して基板部1に接合した状態で支持して、厚さ方向糸zを挿入することにより、三次元繊維構造体Wが得られる。
【0068】
○ 三次元繊維構造体Wを構成する基板部1及び補強リブ2は、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内3軸以上の配向となる積層糸群3と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸zとを含む少なくとも4軸で構成されていればよい。例えば、配向角が0°、60°及び−60°に配列した糸で面内3軸の積層糸群3を構成したり、面内4軸の積層糸群3を構成する場合にバイアス糸B1 ,B2 の配向角を±45°以外の配向角としてもよい。
【0069】
○ 補強リブ2の形状は基板部1から垂直に突出する部分が単純な平板に限らず、先端側がT字状やL字状であってもよい。また、基板部1との接合部がT字状に限らず、L字状としてもよい。
【0070】
○ 厚さ方向糸zの配列は抜け止め糸と共同で各糸層を締め付ける配列のものに限らず、例えば特開平6−184906号公報に開示された繊維構造体のように、チェーンステッチ方式で厚さ方向糸z自身が抜け止め機能を果たすように各糸層を貫通して締め付ける構成としてもよい。また、厚さ方向糸zが積層糸群3の表側から裏側へ挿通される工程と、裏側から表側へ挿通される工程とが交互に繰り返された配列方法としてもよい。
【0071】
○ 基板部1は必ずしも平板に限らず、曲率の小さな円弧面であってもよい。
○ 積層糸群3の厚さや繊維の種類によっては穿孔針31による孔開けを行わずに、直接挿入針23を挿入して厚さ方向糸zを挿入してもよい。この場合は穿孔針31及びその駆動装置が不要な分、厚さ方向糸挿入装置9の構成が簡単になる。
【0072】
○ 基板部1の幅が広い場合は、厚さ方向糸zの挿入を1列同時に行わずに、複数回に分けて行ってもよい。
○ 積層糸群3に対して挿入針23の突出側に配置されるプレスブロック42,43は2個一組に限らず、1個でもよい。1個とする場合はプレスブロックが作用位置に配置された状態で挿入針23が積層糸群3に挿通されたとき、挿入針23の突出側における厚さ方向糸zのループの形成に支障を来さない側に配置する。
【0073】
○ 基板部1及び補強リブ2を積層糸群3を厚さ方向糸zで結合した三次元繊維構造体で形成する代わりに、クロス(好ましくはユニ・ウィーブ織物)を複数枚積層して形成したものを厚さ方向糸zで結合した三次元繊維構造体で形成してもよい。また、基板部1及び補強リブ2の一方をクロスから形成した三次元繊維構造体で形成し、他方を積層糸群3から形成した三次元繊維構造体で形成してもよい。
【0074】
前記各実施の形態から把握できる請求項記載以外の技術的思想(発明)について、以下にその効果とともに記載する。
(1) 請求項3に記載の発明において、前記積層糸群は互いに直交する状態で配列される第1及び第2の面内配列糸と、前記第1及び第2の面内配列糸に対してほぼ±45°の角度で交差するように配列されているバイアス糸とにより面内4軸で構成されている。この場合、バイアス糸を他の角度で配列した場合に比較して、斜め方向からの力に対して最も有効に機能し、複合材としたときの物性が向上する。
【0075】
(2) 三次元繊維構造体で構成された基板部と、三次元繊維構造体で構成されるとともに基板部との結合部がほぼT字状となる補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体の製造方法において、
L字状に形成された積層糸群を2体形成するとともにハンドリングが可能な程度の粗さで予備的に厚さ方向糸を挿入し、その後、2体を接合するとともに接合部に正規のピッチで厚さ方向糸zを挿入したT字状の三次元繊維構造体を形成し、その三次元繊維構造体を基板部を構成する平板状の積層糸群の所定位置に、治具を使用して配置した状態に保持し、補強リブの屈曲部と対応する位置以外の箇所に所定ピッチで厚さ方向糸を挿入し、その後、補強リブの屈曲部と対応する位置に基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように厚さ方向糸を挿入する三次元繊維構造体の製造方法。この場合、基板部との結合部がほぼT字状となる補強リブを有する三次元繊維構造体を、全体を同時に製織する方法に比較的して簡単に製造できる。
【0076】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項1〜請求項4に記載の発明によれば、基板部と補強リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体の、補強リブと基板部との接続部の強度が大きくなり、同じ要求物性であれば三次元繊維構造体を骨格材とした複合材を薄くできる。
【0077】
請求項2に記載の発明によれば、補強リブは少なくとも基板部との結合部付近がT字状に形成されているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保できる。
【0078】
請求項3に記載の発明では、基板部及び補強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内3軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸とを含む少なくとも4軸で構成されているため、物性(特に強度や耐衝撃性)の優れた複合材を得ることができる。
【0079】
請求項4に記載の発明では、基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されているため、他の糸やカーボン糸と他の糸とを組み合わせて使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は第1の実施の形態の三次元繊維構造体の模式断面図、(b)は(a)の部分拡大図。
【図2】 同じく模式斜視図。
【図3】 積層糸群を構成する糸の配列状態を示す模式斜視図。
【図4】 積層糸群の形成に使用する枠体の概略斜視図。
【図5】 枠体上に積層糸群を形成した状態の概略斜視図。
【図6】 厚さ方向糸挿入装置の概略部分平面図。
【図7】 L字状三次元繊維構造体の支持状態を示す模式端面図。
【図8】 T字状三次元繊維構造体の支持状態を示す模式端面図。
【図9】 T字状三次元繊維構造体の模式図。
【図10】 (a)はT字状三次元繊維構造体の支持治具を示す模式断面図、(b)は同じく厚さ方向糸挿入後の状態を示す模式断面図。
【図11】 厚さ方向糸挿入装置の作用を説明する模式斜視図。
【図12】 厚さ方向糸挿入装置の作用を説明する一部破断模式側面図。
【図13】 別の実施の形態の治具の作用を説明する模式斜視図。
【図14】 別の三次元繊維構造体の模式斜視図。
【図15】 同じく製作途中の補強リブを示す模式斜視図。
【図16】 従来の三次元織物の製造方法を示す模式斜視図。
【図17】 別の従来の三次元織物の製造方法を示す模式断面図。
【符号の説明】
1…基板部、2…補強リブ、2a,2b,2z…板状部、3…積層糸群、4…屈曲部、x…第1の面内配列糸、y…第2の面内配列糸、z…厚さ方向糸、B1 ,B2 …バイアス糸、W,WT…三次元繊維構造体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional fiber structure, and more particularly to a plate-like three-dimensional fiber structure having reinforcing ribs.
[0002]
[Prior art]
Fiber reinforced composite materials (FRP composite materials) are widely used as lightweight structural materials. There is a three-dimensional fabric (three-dimensional fiber structure) as a reinforcing base material for composite materials. A composite material using this three-dimensional woven fabric as a skeleton material and a resin or an inorganic material as a matrix is expected to be used widely as a structural material for rockets, aircraft, automobiles, ships, and buildings.
[0003]
Then, it is considered that a plate with a stiffener used for an aircraft fuselage or the like is made of a three-dimensional fiber structure composite material having a three-dimensional fiber structure and having excellent impact resistance. For example, in NASA (National Aeronautics and Space Administration) report NASA / TP-97-206234, as shown in FIG. 16 (a), a plurality of Uni-Weave fabrics were laminated. A three-dimensional fiber structure W manufactured by stitching T-shaped reinforcing
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-207465 discloses a three-dimensional woven fabric having a modified cross-section in which a plurality of ridges having a T-shaped or I-shaped cross section are formed on a flat plate portion, and a manufacturing method thereof. This three-dimensional woven fabric has a plurality of longitudinal threads arranged in multiple rows and multiple columns corresponding to the cross-sectional shape of the three-dimensional fabric, and the widthwise yarns are arranged between adjacent longitudinal yarn groups in the longitudinal direction. Repeat the process of inserting while reciprocating in the width direction in a state orthogonal to the yarn, and inserting the vertical thread while reciprocating in the vertical direction in a state orthogonal to the length direction thread between rows of the lengthwise threads. Manufactured.
[0005]
In JP-A-3-286411, a flat prepreg and a prepreg formed by joining two prepregs bent substantially in an L shape to form a substantially T shape are joined in the same manner as in FIG. Discloses a method for manufacturing a composite structure that is stitched with a fiber.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-184906 discloses a three-dimensional fiber structure in which a plurality of plate-like portions are formed in a continuous shape in a bent state at a connection portion. In order to increase the strength of the connecting portion between adjacent plate-like portions, this three-dimensional fiber structure has a continuous thread as a constituent element across both plate-like portions. This three-dimensional fiber structure is formed by joining together a group of laminated yarns in which a predetermined number of yarn layers having different yarn arrangement directions are laminated with thickness direction yarns so as to form a plate-like portion that is continuous in a bent state. Also disclosed is a method of manufacturing two-dimensional fiber structures having different cross-sectional shapes by combining two three-dimensional fiber structures. For example, it is disclosed that a U-shaped three-dimensional fiber structure is combined back to back to produce a three-dimensional fiber structure having an H-shaped cross section.
[0007]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-289243 discloses at least three axes in which a plurality of plate-like portions are formed in a shape having a joined portion joined in a T shape, and each plate-like portion includes a component in its thickness direction. Continuing across both plate-like parts that are arranged along a plane orthogonal to the thickness direction of each plate-like part and that extend in a direction intersecting the joint part of adjacent plate-like parts, and sandwiching the joint part A three-dimensional woven fabric (three-dimensional fiber structure) having a thread to be used as a constituent element is disclosed. As shown in FIG. 17, this three-dimensional woven fabric is a combination of laminated
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The three-dimensional woven fabric disclosed in JP-A-1-207465 has a three-axis configuration in which the flat plate portion and the protruding portion include two-axis in-plane and a thread in the thickness direction, and a continuous surface in a bent state. Since there is no yarn arranged across, physical properties when the composite material is formed become insufficient.
[0009]
In other prior art three-dimensional fiber structures (three-dimensional woven fabrics), there exist yarns in which each plate-like portion is constituted by at least three in-plane axes and arranged across a continuous surface in a bent state. Therefore, it is possible to form a composite material having excellent physical properties (particularly strength and impact resistance) as compared with a composite material using a three-dimensional woven fabric disclosed in JP-A-1-207465 as a skeleton material.
[0010]
However, in the conventional three-dimensional fiber structure, since the binding yarns (thickness direction yarns) that join the flat plate portion and the reinforcing rib are all arranged in parallel with the thickness direction of the flat plate portion, Only at the position where the planes of the reinforcing ribs are opposed to each other, they penetrate both and contribute to the coupling. Therefore, in a portion where the bent portion of the reinforcing rib and the flat plate portion are opposed to each other, that is, in a region surrounded by a chain line in FIG. As a result, when the composite material is manufactured, the strength of the portion where stress concentration tends to occur becomes insufficient, and it is necessary to increase the strength of the entire three-dimensional fiber structure to compensate for it, and the three-dimensional fiber structure becomes thicker. There is a problem of becoming.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to connect a reinforcing rib and a substrate portion of a three-dimensional fiber structure in which the substrate portion and the reinforcing rib are joined by a thread in the thickness direction. An object of the present invention is to provide a three-dimensional fiber structure in which the strength of the part is increased and the composite material can be thinned with the same required physical properties.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, in the invention according to
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the reinforcing rib is formed in a T shape at least in the vicinity of the coupling portion with the substrate portion.
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the substrate portion and the reinforcing rib each have an in-plane triaxial orientation formed by laminating a plurality of yarn layers. And at least four axes including a thickness direction yarn arranged in the thickness direction.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the substrate portion, the reinforcing rib, and the thickness direction yarn are all formed of carbon yarn.
In the three-dimensional fiber structure according to the first aspect of the present invention, at a position corresponding to the bending portion of the reinforcing rib, the three-dimensional fiber structure is arranged so as to penetrate the bending portion and the substrate portion while intersecting the thickness direction of the substrate portion. There is a thickness direction thread. Accordingly, when a force from the lateral direction acts on the reinforcing rib, the thickness direction yarn bears the force, and thus the strength is increased.
[0015]
In the invention described in
[0016]
In the invention according to
[0017]
In the invention of
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the three-dimensional fiber structure W is configured by joining a
[0019]
The
[0020]
As shown in FIG. 3B, the x-yarn layer is along one of the width direction and the length direction (in the width direction in this embodiment) in a plane orthogonal to the thickness direction of the three-dimensional fiber structure. It consists of the arranged first in-plane arranged yarn x, and one yarn is arranged in a folded shape. As shown in FIG. 3 (a), the y yarn layer is composed of second in-plane arrangement yarns y arranged in a direction perpendicular to the first in-plane arrangement yarn x in a plane parallel to the x yarn layer, One thread is formed in a folded shape. As shown in FIGS. 3C and 3D, the bias yarn layer has a predetermined angle with respect to the double-sided array yarns x and y in a plane parallel to the x yarn layer (in this embodiment, 45 ° and − 45 °), and the bias yarns B1 and B2 are arranged in parallel in a folded shape so as to intersect each other. The bias yarns B1 and B2 are arranged so as to extend over both plate-
[0021]
As shown in FIG. 1, the thickness direction thread z is arranged in parallel with the thickness direction of the board |
[0022]
Various materials such as carbon fiber, glass fiber, ceramic fiber, and polyaramid fiber are used as the material of the fibers constituting each yarn depending on the use of the composite material. In this embodiment, carbon yarn is used as each yarn. Carbon fiber roving (tow) is used for the carbon yarn. Roving (tow) means a substantially untwisted fiber bundle in which a large number of thin filaments are bundled.
[0023]
The three-dimensional fiber structure W configured as described above is used as a reinforcing material (skeleton material) of a fiber-reinforced composite material, and a resin or an inorganic material is used as a matrix. For example, in the case of constituting a carbon / carbon composite material, the three-dimensional fiber structure W is impregnated with resin and cured, and then fired and manufactured.
[0024]
When a load (force) from the lateral direction is applied to the reinforcing rib of the composite material using the three-dimensional fiber structure W configured as described above as a skeleton material, the bending portion 4 (corner portion) of the reinforcing
[0025]
Next, an example of a method for manufacturing the three-dimensional fiber structure W configured as described above will be described. When manufacturing the three-dimensional fiber structure W, a substantially L-shaped
[0026]
The L-shaped
[0027]
The thickness direction yarn inserting device for inserting the thickness direction yarn z into the
[0028]
The thickness direction
[0029]
A support table 15 is disposed on the front side (lower side in FIG. 6) of the
[0030]
A pair of brackets 16 (only one is shown) is erected on the rear side of the support table 15 on the
[0031]
A pair of
[0032]
The moving
[0033]
A pair of upper and
[0034]
On the
[0035]
The pressing
[0036]
A pair of press blocks 35, 36 are disposed on the opposite side of the pressing
[0037]
Below the position where the
[0038]
For the convenience of illustration, in the schematic diagrams shown in FIGS. 1 and 2 and FIGS. 4, 10 and 11, etc., the insertion pitch of the thickness direction thread z and the
[0039]
Next, a procedure for manufacturing the three-dimensional fiber structure W having the reinforcing
With the
[0040]
In addition, in order to increase the density of the
[0041]
Next, using the thickness direction
[0042]
Next, two three-dimensional fiber structures WL are joined to form a substantially T-shaped three-dimensional fiber structure WT. At this time, a part of the
[0043]
When some of the
[0044]
Next, when the end portion of the T-shaped three-dimensional fiber structure WT is cut at a predetermined position according to the size to be bonded to the
[0045]
Next, as shown in FIG. 10 (a), jigs 39 and 40 are used for the
[0046]
Next, the
[0047]
Then, the
[0048]
First, the
[0049]
Next, the
[0050]
Next, the retaining
[0051]
In FIG. 11, the pitches of the
[0052]
Next, the support table 15 is moved by the insertion pitch of the thickness direction yarn z, and the
[0053]
Next, the thickness direction thread z is inserted into a position corresponding to the
[0054]
This embodiment has the following effects.
(1) At the position corresponding to the
[0055]
(2) Since the yarns of the respective yarn layers constituting the
[0056]
(3) Since the reinforcing
[0057]
(4) In the three-dimensional fiber structure W, both the
[0058]
(5) In the method of weaving the reinforcing
[0059]
(6) Since the
[0060]
(7) The bias yarns B1 and B2 constituting the three-dimensional fiber structure W are arranged so as to intersect with the first and second in-plane arranged yarns x and y at an angle of approximately ± 45 °. . Therefore, it functions most effectively with respect to a force from an oblique direction as compared with the case where it is arranged at another angle.
[0061]
(8) Since at least one continuous yarn in the yarn layer is used as the yarn constituting each yarn layer, it is easy to arrange the yarns with appropriate tension applied, Contributes to the improvement of physical properties when used as a material.
[0062]
(9) When the thickness direction thread z is inserted, the
[0063]
(10) When manufacturing the T-shaped three-dimensional fiber structure WT for the reinforcing
[0064]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the insertion method of the thickness direction thread z for joining the
[0065]
In the above embodiment, the thickness direction yarns z are sequentially inserted one by one in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the T-shaped three-dimensional fiber structure WT. In this embodiment, the T-shaped three-dimensional fiber is inserted. Thickness direction yarns z are sequentially inserted one by one in parallel with the longitudinal direction of the structure WT. The
[0066]
Therefore, also in this embodiment, the effects (1) to (10) of the above embodiment can be obtained. Further, since the press blocks 42 and 43 can be omitted as compared with the thickness direction
[0067]
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
The shape of the reinforcing
[0068]
○ The
[0069]
The shape of the reinforcing
[0070]
○ The arrangement of the thickness direction thread z is not limited to the arrangement in which each thread layer is tightened together with the retaining thread, but for example, a chain stitch method like a fiber structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-184906. The thickness direction thread z itself may be configured to be tightened through each thread layer so as to perform a retaining function. Moreover, it is good also as the arrangement | sequence method by which the process by which the thickness direction thread | z was inserted from the front side of the
[0071]
The
O Depending on the thickness of the
[0072]
O When the width | variety of the board |
The number of press blocks 42 and 43 arranged on the protruding side of the
[0073]
○ Instead of forming the
[0074]
Technical ideas (inventions) other than the claims that can be grasped from the respective embodiments will be described below together with the effects thereof.
(1) In the invention according to
[0075]
(2) A substrate portion made of a three-dimensional fiber structure and a reinforcing rib made of a three-dimensional fiber structure and having a substantially T-shaped joint to the substrate portion are joined by a thickness direction thread. In the method for producing a three-dimensional fiber structure,
Form two L-shaped layered yarn groups and insert thickness direction yarns preliminarily with a roughness that allows handling, and then join the two yarns together with a regular pitch at the joint. A T-shaped three-dimensional fiber structure with a thickness direction thread z inserted therein is formed, and the three-dimensional fiber structure is arranged at a predetermined position of a flat laminated yarn group constituting the substrate portion using a jig. The thread in the thickness direction is inserted at a predetermined pitch at a position other than the position corresponding to the bent portion of the reinforcing rib, and then the position corresponding to the bent portion of the reinforcing rib with respect to the thickness direction of the substrate portion. A method of manufacturing a three-dimensional fiber structure in which a thread in the thickness direction is inserted so as to penetrate the bent portion and the substrate portion in a state of crossing each other. In this case, a three-dimensional fiber structure having a reinforcing rib whose joint portion with the substrate portion is substantially T-shaped can be manufactured relatively easily by a method of weaving the whole at the same time.
[0076]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the first to fourth aspects of the present invention, the three-dimensional fiber structure in which the substrate portion and the reinforcing rib are joined by the thread in the thickness direction is provided between the reinforcing rib and the substrate portion. If the strength of the connecting portion is increased and the required physical properties are the same, the composite material using the three-dimensional fiber structure as a skeleton material can be thinned.
[0077]
According to the invention described in
[0078]
In the invention according to
[0079]
In the invention according to
[Brief description of the drawings]
1A is a schematic cross-sectional view of a three-dimensional fiber structure according to a first embodiment, and FIG. 1B is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 2 is a schematic perspective view of the same.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing an arrangement state of yarns constituting a laminated yarn group.
FIG. 4 is a schematic perspective view of a frame used for forming a laminated yarn group.
FIG. 5 is a schematic perspective view of a state in which laminated yarn groups are formed on a frame.
FIG. 6 is a schematic partial plan view of a thickness direction thread insertion device.
FIG. 7 is a schematic end view showing a support state of an L-shaped three-dimensional fiber structure.
FIG. 8 is a schematic end view showing a support state of a T-shaped three-dimensional fiber structure.
FIG. 9 is a schematic diagram of a T-shaped three-dimensional fiber structure.
10A is a schematic cross-sectional view showing a support jig for a T-shaped three-dimensional fiber structure, and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view showing a state after insertion of a thread in the thickness direction.
FIG. 11 is a schematic perspective view illustrating the operation of the thickness direction thread insertion device.
FIG. 12 is a partially cutaway schematic side view illustrating the operation of the thickness direction thread insertion device.
FIG. 13 is a schematic perspective view for explaining the operation of a jig according to another embodiment.
FIG. 14 is a schematic perspective view of another three-dimensional fiber structure.
FIG. 15 is a schematic perspective view showing a reinforcing rib that is also being manufactured.
FIG. 16 is a schematic perspective view showing a conventional method for producing a three-dimensional fabric.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing another conventional method for producing a three-dimensional fabric.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記補強リブはほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部を有し、前記板状部の一つが前記基板部に垂直となるように基板部に結合されるとともに、前記補強リブと前記基板部とを結合する厚さ方向糸は、前記補強リブと前記基板部との平面部が対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向と平行に配列され、前記補強リブの屈曲部と対応する位置においては、前記基板部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列されている三次元繊維構造体。A three-dimensional fiber structure in which a base plate composed of a three-dimensional fiber structure and a reinforcing rib composed of a three-dimensional fiber structure are joined by a thread in the thickness direction,
The reinforcing rib has a plate-like portion that is bent substantially at a right angle, and one of the plate-like portions is coupled to the substrate portion so as to be perpendicular to the substrate portion, and the reinforcing rib and the Thickness direction yarns connecting the substrate portion are arranged in parallel with the thickness direction of the substrate portion at a position where the plane portions of the reinforcement rib and the substrate portion correspond to each other, In the corresponding position, the three-dimensional fiber structure arranged so as to penetrate the bent portion and the substrate portion in a state of intersecting with the thickness direction of the substrate portion.
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