JP4754554B2 - 円形の編組（ｗｉｃｋｅｒｗｏｒｋ）技術によって、繊維複合材料の半製品を生産する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段による円形の編組（ｗｉｃｋｅｒｗｏｒｋ）技術によって、繊維複合材料の半製品を生産する方法に関する。繊維複合材料の半製品は、請求項１０に記載された発明に従って生産される。

先行技術からは、筒状の編組体（特許文献１）又は３次元の編組体（特許文献２）を生産する別の方法が知られている。編組繊維が編組芯材に巻かれるという事実から、そのような円形の編組体は、当然にいわゆるリネン又は本体テクスチュア（ｂｏｄｙ ｔｅｘｔｕｒｅ）を備えている。このことによって、編組繊維のうねりが生じ、従前の編組技術によって生産される繊維複合材料においては、繊維の好ましい特徴、具体的には高い引っ張り及び圧縮に対する靭性又は引っ張り強度及び圧縮強度を、最も望ましい状態で使用することができない。

さらに、既知の方法には、編組の間に編組繊維にかかる剪断力、若しくは、対応する交差位置における摩擦の結果として、編組繊維が損傷されるという不都合点がある。交差位置における摩擦は、例えば、周期的な往復運動を行う２つの編組リングを有する編組機（特許文献３）によって減少することができる。しかし、この構成には、依然として繊維の波立ちの問題がある。
特許文献４からは、その方法は製品、特に繊維強化型熱可塑性樹脂から作られたスポーツ用品、及び対応する部品を製造するためのものとして知られ、その場合、補強糸だけでなく母材を形成する繊維も一緒に編まれ、又は一緒に編組されている。
特許文献５には、非対称の編組が繊維強化型製品を改良するために記載されている。
独国特許発明第４２３４９７９号明細書 米国特許第５６３０３４９号明細書 独国特許発明第１０１１５９３５号明細書 欧州特許第０６２８４０１号明細書 国際公開第９２／１５７４０号パンフレット

従って、本発明の目的は、繊維の損傷を軽減する編組繊維複合材料の半製品を生産する方法、及び繊維のうねりが明らかに軽減され、改善された材料の特性を有して生産されたこの種の半製品を提供することである。

本発明によれば、この目的は請求項１、及び請求項１０の特徴の手段によって達成される。

本発明のさらに有利な発展型は従属請求項に示されている。

本発明は、編組芯材の周りを異なる方向に同心状に旋回するボビンによって巻き戻される編組糸によって、前記編組芯材を編み組みする円形状の編組技術に基づき、一の旋回方向の前記ボビン（５ａ）を補強糸（４ａ）に嵌合させるステップと、反対の旋回方向の前記ボビン（５ｂ）を少なくとも部分的に支持糸（４ｂ）に嵌合させるステップと、前記支持糸（４ｂ）を少なくとも部分的に熱可塑性糸とするステップと、を備えていることを特徴としている。

既知のように、プラスチック材料（ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエステル、等）からなり、軟化点以上に加熱されると溶融する熱可塑性糸は加熱成形でき、冷却後、再度固体化してまず良好なすべり特性を有するようにし、補強糸が熱可塑性糸上で摩擦を軽減するように滑るので、相互に交差する編組糸の摩擦が軽減される。この結果、繊維の損傷は明らかに軽減され、よって編組体の材料特性の改良が図られる。

便宜上、少なくとも部分的に熱可塑性糸からなる支持糸は、繊維芯材上に堆積された補強糸を所定の位置に保持し、編組芯材の形状寸法に関する編組工程の適応性が同時に確保される。この場合、弾性的な熱可塑性糸は補強糸の間にぴったりと配置されているので補強糸は事実上、間に隙間無く平行に配置されることとなり、よって、ほとんどうねりを生じることなく堆積される（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）。付随的に軽減された繊維のうねりの結果として、補強糸の好ましい特徴を最も望ましい形で使用することができ、本発明によって生産される繊維複合材の半製品の材料特性が大幅に改善される。

便宜上、編組芯材は連続して数回編み組まれ、そのそれぞれにおいて、個々の補強繊維の一方向層が編組芯材上に堆積される。“一方向性”という語には、平面状のうねりを生じていない個々の層が含まれる。次に、補強繊維の一方向層が編組芯材上に堆積されていることは、一方向性の設計のための数学的モデルを適用できるので、本発明に従って生産された編組体の繊維構造の計算可能性が改善されるという利点を有する。また、このような個々の層の厚みは、従前の編組技術の手段、すなわち、すべてのボビンが補強糸で占有される手段によって生産される編組体に比べて約半分に減少する。

編組芯材の層状の編組において、別の一の個々の層が堆積される前に、既に堆積された個々の層を、熱可塑性糸を溶融することによって固定することができるということは、別の一の利点である。結果として、所定の位置からの滑り、又は、ずれは簡単で効果的な方法で予防することができる。溶融は、例えば、局所加熱若しくは続いての加熱を伴う吸入ホースの適用によって行うことができる。吸入ホースの適用の場合、堆積された個々の層は対応して連結され、さらに編組体のうねりを軽減する。

非対称なボビンの採用（ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ）は、一の方向に旋回するボビンの数が、反対方向に旋回するボビンの数に等しくない場合に便宜的に考えられ、多くのバリエーションが可能となる。例えば、補強糸が一の方向に旋回する４分の３のボビンに配置され、熱可塑性糸が反対方向に旋回する４分の１のボビンに配置される場合、１．５倍の数の補強糸が個々の層において処理され、５０％増加した堆積幅が達成される。編組可能な芯材の円周は同じにされている。このことは、対応して小型の、よって安価な機械が使用できるという利点である。

通常、補強糸は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、及び／又はケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維からなり、引っ張り及び圧縮に対する高い靭性と高い引っ張り強度及び圧縮強度によって特徴付けられる。

編組体が通常溶侵される温度において、支持糸が全体的に若しくは部分的に溶解するということは特に有利である。適用する場合に応じて、支持糸を全体的に又は部分的にグリロン（Ｇｒｉｌｏｎ（登録商標））糸、または融点が溶侵温度の範囲にある熱可塑性糸から作る。また、支持糸を部分的にのみ液化しやすい材料から作っても良い。

しかし、また、代替として、通常の溶侵温度以上の融点を有する熱可塑性糸（ポリエステル繊維のような）を使用することもできる。このような支持糸は溶侵された編組体の母材構造に溶解することが無く、目標とする支持糸の供給が可能となり、いくつかの適用に対しては利点となり得る。

本発明によれば、編組された繊維複合材の半製品は、１層ずつ堆積された複数の一方向層からなり、それぞれの個々の層には、少なくとも部分的に熱可塑性糸を備える支持糸が編み組まれていることを特徴としている。ここで、溶侵された編組体の中の支持糸が全体的に若しくは部分的に溶解し、又はまったく溶解しないように、適正な支持糸を選択する結果として、特別な要求を簡単な方法で満足することができるということは有利である。

以下に、本発明を図面によって詳細に説明する。

編組の作業の間、編組糸の糸巻きを収容する糸巻き支持体であるボビンが互いに相対して案内面上を動き、編組形成糸の交差が生成することが知られている。円形の編組においては、案内面は、編組される芯材の周りの相対する方向の２つの同心状の円形経路である。この方式においては、正旋回方向のボビンの編組糸と負旋回方向の編組糸とは互いに交差し、編組を３次元の編組芯材の周りに行うときに編組が生成される。

図１は、本発明による方法をとった場合の糸誘導装置の簡単化された側面図である。編組の間、編組芯材１は、例えば、固定式編組機本体２に対して、動きを示す矢印３の方向に動くロボット（図示せず）によるような既知の手段で動作し、この場合、編組糸４ａ，４ｂはボビン５ａ，５ｂからそれぞれ巻き戻され、編組リング６の上で屈折された後、編組位置で対応して交差することによって編組芯材１上に堆積する。この場合、ボビン５ａ，５ｂは繊維芯材１の周りに異なる旋回方向を有している。図面を簡単化するために、図１は多くの追加的編組糸４ａ，４ｂ及びボビン５ａ，５ｂのうち、それぞれ２つのみを示している。

図１に図示したように、ボビン５ａは炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、及び／又はケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維からなる補強糸４ａに適合し、反対方向に旋回するボビン５ｂは、少なくとも部分的に（グリロン（Ｇｒｉｌｏｎ（登録商標））又はポリエステルの糸のような）熱可塑性の糸を備える支持糸４ｂに適合している。より差別化を図るために、図１において補強糸４ａは実線で示され、支持糸４ｂは破線で示されている。熱可塑性糸の良好なすべり特性により、編組リング６での屈折の間、及び補強糸４ａと支持糸４ｂとの交差点での摩擦は減少し、繊維の損傷は明らかに減少する。加えて、補強糸４ａはうねることなく堆積され、指示糸４ｂによって所定の位置に保持され、編組工程の適応性が、既存の編組技術の場合のように、芯材の形状寸法に対して維持される。この場合、溶融可能で弾性的な熱可塑性糸を含む支持糸４ｂは、補強糸４ａの間にぴったりと配置されているので補強糸４ａは間に隙間無く平行に位置することとなる。このように、平面、すなわちうねっていない個々の層（いわゆる一方向層）が編組芯材１上に堆積され、一方向層のための既存の理論モデルを使用できるので、このような編組の繊維構造の数学的な計算可能性が向上する。

繊維複合材料の半製品を構成するために、動作を示す矢印３の方向への編組芯材１の対応する進退動によって、編組芯材１は連続的に何回も編み組まれ、個々の一方向層がそれぞれの場合に堆積される。ここで、編組糸が新しく始まるのを避けるために、前進動作と同様に後退動作の間の編み組み作業が行われると好都合である。もちろん、編組作業は一の動作方向で行うこともでき、この場合、編組糸の新しい始まりは、例えば、編組糸を編組芯材１の長手方向で巻き戻すことによって回避することができる。

代替として、別の一の個々の層の堆積の前に、既に堆積された個々の層を、編み組まれた熱可塑性糸を溶融して予備固定することができる。これは、局所的加熱によって、又は引き続いての加熱を伴う吸入ホースの適用によって行うことができる。引き続いての加熱を伴う吸入ホースの適用は、さらにうねりを減少させるという利点を有している。

図２は、ボビンの非対称な作業の場合の糸誘導装置の正面図である。概略を示すため、ボビンは図２には示されていない。図２による構成の例において、ボビンの４分の３は編組芯材１の周りを反時計回りに動き、補強糸４ａによって占有される。残りのボビンは、編組芯材１の周りを時計回りに動き、（破線で示すように）支持糸４ｂによって占有される。このように、１，５倍の数の補強糸４ａが個々の一方向層において処理され、堆積幅を５０％増加させる。結果として、このような４分の３／４分の１の作業の場合、１４４のボビンを有する機械が２１６のボビンを有する既存の作業機械のように使用され、それに対応して小さい、それ故に、より対費用効果の高い機械を使用することができる。

さらに、図３は、補強糸と支持糸とを３：１の比率で堆積するための編組機の作業の概念図である。図３のそれぞれの線は４分の１旋回した後のボビンの位置を示している。灰色の長方形は、編組芯材の周りを半時計方向に動くボビンを示している。×印のついた長方形は、時計方向に動くボビンを示し、白い長方形は空いている場所を示している。

もちろん、ボビンの別の占有比率も選択でき、図２及び図３は例として説明のためにのみ使用されている。

よって、本発明によれば、編組された繊維複合材料の半製品は、１層ずつ堆積された複数の個々の一方向層を備え、この場合、それぞれの個々の層は、編み組まれた少なくとも部分的に熱可塑性糸を備える支持糸を有している。例えば、溶融温度がほぼ８５ＥＣであるグリロン糸（Ｇｒｉｌｏｎ ｔｈｒｅａｄ）が支持糸として使用された場合、支持糸は編組の溶侵の間に母材構造の中に溶解する。しかしながら、溶融点が１８０ＥＣ以上のポリエステル糸が使用された場合、ポリエステル糸は溶侵された編組の中に溶解せずに残る。さらに、編組が溶侵されるときに部分的にしか溶解しない支持糸又は支持糸の成分が使用される。

編組芯材上の糸誘導装置の側面図である。 編組芯材上の糸誘導装置の正面図である。 補強糸と支持糸とを３：１の比率で堆積するための編組機の作業の概要図である。

符号の説明

１：編組芯材
２：編組機
４ａ：編組糸、補強糸
４ｂ：編組糸、支持糸
５ａ、５ｂ：ボビン
６：編組リング

Claims (9)

1. 編組芯材（１）を、該編組芯材（１）の周りを異なる方向に同心状に旋回するボビン（５ａ，５ｂ）によって巻き戻される編組糸（４ａ，４ｂ）で編み組みし、一の回転方向の前記ボビン（５ａ）を補強糸（４ａ）に嵌合させるステップと、反対の回転方向の前記ボビン（５ｂ）は少なくとも部分的に支持糸（４ｂ）に嵌合させるステップとを備える円形状の網組技術によって繊維複合材の半製品を生産する方法において、
   前記支持糸（４ｂ）を少なくとも部分的に熱溶融接着性（ｍｅｌｄｉｎｇ）糸とするステップと、
   前記支持糸（４ｂ）を、編組体がマトリックスシステムによって溶侵される温度において、全体的に若しくは部分的に溶融可能とするステップと、
   を備えてなることを特徴とする方法。
2. 前記補強糸（４ａ）を、前記支持糸（４ｂ）によって所定の位置に保持するステップを備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記編組芯材（１）を数回編み組みし、それぞれの場合に、個々の一方向層を前記編組芯材（１）上に堆積するステップを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 他の個々の層が堆積する前に、既に堆積された前記個々の層を、前記熱溶融接着性糸を溶融することによって固定するステップを備えたことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記一の方向に旋回するボビンの数を、前記反対方向に回転するボビンの数と異ならせるステップを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記補強糸として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、及び／又はポリ‐パラフェニレンテレフタルアミド繊維を使用するステップを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記支持糸（４ｂ）を、全体的に若しくは部分的にコポリアミド糸とするステップを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. １層ずつ堆積された複数の一方向層からなり、それぞれの個々の層には、補強糸（４ａ）と、少なくとも部分的に熱溶融接着性糸を備える支持糸（４ｂ）とが編み組まれ、
   前記支持糸（４ｂ）は、編組体がマトリックスシステムに溶侵されるときに、少なくとも部分的に溶融可能であることを特徴とする編組された繊維複合材の半製品。
9. 前記支持糸（４ｂ）は、少なくとも部分的にコポリアミド糸からなることを特徴とする請求項８に記載の編組された繊維複合材の半製品。

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