JP5788021B2 - 繊維強化された複合部品のチューブ状の繊維配列体を製造する方法及びチューブ状の繊維配列体 - Google Patents

Description

本発明は、長さにわたって変化する横断面形状を有する繊維強化された複合部品の中間製品としてのチューブ状の繊維配列体を製造する方法に関する。

発明の背景技術
従来の部品と比べて比較的小さな自重を有し、特にフレキシブルに製造して使用することができるので、繊維強化された複合部品は、その人気が増している。

しかし、従来の繊維強化された複合部品では、中空成形体を形成する（その際繊維は芯の周りに配置される）際に、繊維配列体の密度は、芯の断面あるいは繊維複合部品の目的形状に応じて、大きく変動し、多くの場合、あとの複合部品の機械的な負荷耐性において弱い箇所が生じる恐れがある。

例えば繊維強化の際に、必要な程度を超える量の材料を使用するときに材料コストが上昇し、その一方で、幾何学的な問題をも招き、すなわち余剰の材料使用量に基づいて、繊維強化の基を成すベースボディが、その幾何学形状において外側へ歪められ、つまり正確なバランスで形成されない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６２７９８号明細書において、自動車用連接棒用の補強繊維から成る、芯上に、多大な手間を掛けて仕様に合わせて切断される繊維チューブの製造を回避するために、繊維スリーブを製造することが既に公知である。この繊維スリーブは、繊維材料の、予防的に芯形状に適合された不均等な分布を有し、この分布は、望ましくは芯にスリーブを被せ嵌める際に均等化されるべきものである。すなわち、当初はより密な繊維配列体が、あとで芯の膨らみ部に当接し、これにより、被せ嵌めたあとで、残りの領域の繊維配列体の密度に適合する。その際の欠点は、芯に対するチューブのあとからの被せ嵌めがおそらく厳密にはチューブの所望の効果をもたらさないことにある。なぜならば、例えばより大きな直径を通過する際に、あとでより小さな芯直径になるように設計された領域が拡張され、その際、繊維又は繊維ストランドがずれ、これが最終的に不均等な強度及び安定性を招き、ひいては製造される複合部品の弱い箇所を生じさせるからである。

ドイツ連邦共和国実用新案登録第７８２６７１８号明細書において、可撓性の造形物として変化する直径を有するチューブ状の組み物（編状体）を製造することが公知である。組み物は、硬くて軽量の部品、つまり例えば樹脂が含浸された複合部品、例えばスポーツ用品のための中間製品、又は産業上の利用のための中間製品として用いられる。組み物の所望の不変の厚さを得るために、そこでは交錯角、つまり組み物の長手軸線に対する糸配置の角度が変化され、即ち、交錯角は、より小さな横断面のためには、糸を組む（編む）間の高められた搬送速度により減少され、より大きな横断面のためには、より低い搬送速度により増加される。これにより、例えばそのような部品のために用いられる繊維、例えばガラス糸又は炭素糸による最大引張力吸収性の方向が変化される。繊維配置の方向ができるだけあとの複合部品の負荷方向に一致するべきであるとすると、前掲の文献の思想の適用において、繊維配置方向と力導入方向との多少の明確なずれが生じ、このことは高価な繊維材料の物質の完全な利用性を大幅に低下し、必要な安定性値を得るための繊維配列体の過剰設計を必要とする。

又、周りに組成される芯の変化する横断面形状に組成プロセスを適合させるために、本願の出願時点では公開されていないドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００４７１９３号明細書において、組成点の手前で組成糸が結束されるいわゆる組成リングを、組成リング直径で、目下の芯直径に柔軟に適合させることが既に提案された。このことは、直径に応じた組成幾何学形状を生じさせ、ひいては組成条件の均一化をもたらすが、直径に応じて変化する組み物の厚さの問題を解消しない。

発明の要約
本発明の根底を成す課題は、繊維強化された複合部品のチューブ状の繊維配列体を製造する方法並びに複合部品の中間製品としてのチューブ状の繊維配列体を提供することであり、その際、複合部品の幾何学形状に関する局所的な状況並びに複合部品の負荷プロフィールを、特に簡単で確実な方法で考慮するべきである。

本発明の根底を成すこの課題は、本発明による方法において、請求項１の特徴部に記載の構成により解決される。

本発明によるチューブ状の繊維配列体は、請求項１０において権利保護されている。

本発明による、繊維強化された複合部品のチューブ状の繊維配列体を製造する方法の好適な態様は、従属請求項の対象である。

本発明による方法により、ほとんど不変の密度が保証され、ひいては芯（芯上に繊維配列体が形成される）の横断面変動とは無関係な繊維配列体の厚さも保証される。これにより、あとでチューブ状の繊維配列体の中間製品から形成される複合部品の幾何学形状の歪みが回避される。とりわけ、設定された繊維方向性は、複合部品におけるあとの負荷方向と一致するべきであり、直径変化に際して少なくとも感じ取れる程度には損なわれない。後者は、特に、背景技術とは異なり、芯（芯上にチューブ状の繊維配列体が形成される）の各横断面に対する繊維材料の適合が、それぞれ異なる配置角度をもたらす様々な送り運動速度により実現されないことによっても、達成される。

本発明の思想において、繊維配列体とは、特に、ガラス、カーボン又は別の強度の高い材料から成る太番手の繊維又は帯材の配列体と解される。このような配列体は、通常、繊維強化された複合部品を製造するために用いられる。複合部品の形状に相応する芯の直径あるいは周長さが様々な程度に速く又は強く変化するので、繊維材料の変更は完全に同期的に実施することはできない。したがって比例的とは、ここでも、例えば段階的な適合が行われ、かつ／または適合が周長さの値の全ての変動を完全には把握しないものと解されるべきである。なぜならば、そうしないと、繊維材料を変更する技術的な実施に対する要求がその有用性を上回ることになるからである。

好適には、繊維配列体は、中間基材により形成される。この場合、特に、いわゆる０°糸（０°糸は、芯の長手延伸度に対して略平行に延在し、長手方向力を吸収すべきものである）及び巻成糸（巻成糸は芯の長手延伸度に対して０°〜９０°の角度で延在する）が使用される。中間基材は、例えば組み物又は編み物の場合のような交錯点の回避により、繊維は、極めて真っ直ぐに配置されていて、優れた力吸収特性を有する、という利点を有する。しかし、交錯する繊維構造は、相互の移動を防止して糸束をあとの樹脂含浸まで固定することを目的として、中間基材を結び付けるために良好に適している。このような方法は、例えば国際公開第２００７／０９０５５５号パンフレットにおいて公知であり、したがってここでは詳説する必要はない。

交錯する糸構造として、特に組み物が考慮される。

しかし、択一的に、中間基材層を結び付けるために、編み物構造が適している。

繊維質量の変化は、好適には、供給される糸の繊度が変化することにより達成することができる。このために除去装置により単繊維（単繊維から各糸が形成されている）の数を減らすか、又は自動化された取付装置により増やすことができる。好適には、除去装置と取付装置とが１つの装置にまとめられている。なぜならば先行の糸繊度を得るために繊維を除去したあとで、新たな繊維の取付が必要であるからである。繊維を取り付けるために、好適には、あとの含浸に関して樹脂をベースとする接着剤が使用される。

使用される糸の糸繊度の変化の代わりに、繊維材料の適合は、例えば中間基材形成に関与する糸の数の変化により行うこともできる。糸数の減少は、糸の分離により達成される。糸数の増加は、例えばまえもって分離されて、再び予備に蓄えられた糸が再び供給されることにより行われる。糸先端の固定は、ここでも接着剤により補助することができる。

複合部品あるいはチューブ状の繊維配列体で配設されるべき芯の局所的な横断面を求めるために、機械的な接触式センサ又は面状のライトバリヤアセンブリ等が考えられる。

繊維強化された複合部品の中間製品として用いられる本発明によるチューブ状の繊維配列体は、芯（芯上に繊維配列体が配置されている）の横断面に、芯の直径から得られる局所的な周長さに対して比例的な繊維材料を有し、この場合、芯の長手方向に関する繊維の方向性は、芯の局所的な周長さとは無関係に略一定である。そこから複合部分の均一な構造が得られ、とりわけあとの負荷方向で繊維の確実で高い方向性が得られる。

以下に、図示の態様に基づいて、本発明を詳説する。

２つの円錐台状の複合部品を示す図であり、一方では背景技術（ｐｒｉｏｒ ａｒｔ）に基づく複合部品を、他方では本発明に用いられる複合部品を示している。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 繊維材料を減らし、続いて古い繊維材料を再生する際の方法プロセスを示す図である。 それぞれ異なる３つの直径を有する複合部品と、直径に応じて変化する糸数の配設とを示す図である。 巻成繊維による配設のための、図１１と同様の比較可能な構造を有する複合部品を示す図である。

背景技術として円錐台状の態様を有する、図１に示す複合部品は、いわゆる固定糸２（０°糸；定位置の経糸）による配分（配設状態）を示している。固定糸２は、複合部品１の長さにわたって不変の繊維材料を有する。これにより、複合部品の周の、小さな直径から大きな直径に向かって漸減する繊維配分が生じる。大きな直径の領域で、糸は、明確な間隔を有し、このことは複合部品における長手方向の力吸収にとって不利に働く。これに対して、総じてより密な繊維配分は、小さな直径の領域で糸が重なり、力吸収に関して過剰設計されていて、外方への幾何学形状の歪みを招く恐れがある。これに対して、同一の繊維複合部品の、図１の右側に示した態様では、３つの区分３ａ〜３ｃの全部に平均的な同一の糸間隔が生じていることが判る。固定糸４ａ〜４ｃは、それぞれ異なる繊維質量を有し、つまり糸４ａ〜４ｃの繊維質量は、大きな直径／周長さから小さな直径／周長さに向かって段階的に低下する。各区分３ａ〜３ｃの内側における繊維質量の変化は、無視することができる。本発明の思想では、繊維質量は、複合体の直径もしくは周長さに対して比例的に分配されている。

図２〜図１０には、どのようにして糸の繊度を、除去兼取付装置５を用いて変化させることができるのかを示している。したがって例えば、炭素糸６が、搬送装置７により搬送され、続いて図示していない組み装置に固定糸として供給される。組み装置では、それぞれ平行に供給される多数の固定糸は、交錯する糸により結び付けられる。

図２の態様では、炭素糸６は、一定の幅もしくは糸繊度を有する。図３において看取されるように、いわゆるラベリング装置８ａ，８ｂにより、安定化のためにラベルが取り付けられ、この場合、ラベルは、糸幅が突然変化される境界部分を補強する。図４において、ラベルを備える区分は、クランプ装置１０ａ，１０ｂを備える分離装置９ａ，９ｂに供給される。そして図５において、分離装置９ａ，９ｂが作動させられ、これに対してクランプ装置１０ａ，１０ｂにより、炭素糸６が分離領域で固定されていることが看取される。

図６は、そのあとで炭素糸６の引き裂かれた縦区分６ｂ，６ｃが分離され、クランプ装置１０ａもしくは１０ｂから排出されることを示している。

図７には、炭素糸６の運動の更に先のステップが看取され、図７では、分離された区分６ｂ，６ｃ並びに残留する中央区分６ａは、しばらくするとより大きな長さを有する。しばらくするとラベリング装置８ａ，８ｂは、再び作動させられて、次の繊維質量の変化を行うべき箇所に新たなラベルを取り付ける。これは図８において認められ、図８では、第２のラベルの領域で分離装置９ａ，９ｂ及びクランプ装置１０ａ，１０ｂが作動させられている。

そして図９において、どのようにして分離された繊維区分６ｂ，６ｃが排出されるのか看取される。この場合、減らされた繊維質量を有する区分６ａの後方に、再び「通常の」炭素糸６が続いている。そのように処理された、固定糸として供給される炭素糸６，６ａは、例えば大きな直径を有する２つの区分の間により小さな直径を有する区分が延在する場合に用いられる。この態様の利点は、除去装置と取付装置とが、１つの装置にまとめられていることにある。この装置は、炭素糸６が糸の最大繊度が必要である区分を主に有する仕様にとって適切である。その他の場合では、炭素糸６において除去された繊維が再利用できるとしても、繊維除去部分が大きすぎる。択一的に、分離された糸区分を同一のプロセスで再利用することが考えられ、この場合、分離された糸区分は、炭素糸６の、大きな直径に基づいて炭素糸の高い繊度が必要である箇所に取り付けられる。

最終的に、それぞれ異なる糸繊度を有する区分を製造するプロセスを、非連続的に、つまり段階的に実施することもできる。このことは、例えば先ず、それぞれ異なる糸繊度を有する区分をそれぞれ備える糸が製造され、続いて支持体に巻き上げられることにより達成することができる。そして後続のプロセスで、糸は、再び引き出される。しかしこれには、位相のずれの累積を回避するために、プロセスの極めて正確な調整が必要である。特に、順次同一の複数の芯が配設されるかあるいは複数の複合部品が製造され、その都度新たな部分の始端に対して例えば所定の糸区分の除去又は相互間隔の変化による同期化が行われる場合、そのような使用例が考えられる。

様々な糸区分、つまりそれぞれ異なる繊度を有する複数の糸区分を相互に結合することも考えられる。これについては、例えば、国際公開第２００８／１３５２８０号パンフレットにおいて公知であるような方法及び装置を適用することができる。

図１１に示す、区分１１ａ〜１１ｃから成る複合部品１１の態様では、それぞれ供給される繊維質量は、固定糸として構成される糸１２の数により変化される。図１１において容易に看取されるように、直径Ｄ１（直径Ｄ１は同時に複合部品１１における最大直径である）の領域では、固定糸の数は最大である。この区分１１ａに区分１１ｂが続いており、区分１１ｂでは、最少数の固定糸が使用され、これに対して区分１１ｂに続く領域１１ｃでは、中間の直径Ｄ３に基づいて、中間の数の糸１２が使用される。糸数が変化する箇所に、接着剤を用いて、固定糸の適正な供給を行うことができるようにすると有意義である。これらの箇所は、当初は中間製品であり、これは樹脂化により最終的な安定性を得るので、あとの使用において弱い箇所を成さない。

図１２には、矢印で示されたように例えば左から右へ運動する複合部品１３に巻成糸１５ａ〜１５ｃが配設もしくは巻装されることが示されている。巻成糸１５ａ〜１５ｃは、ワインディングヘッド１４ａ〜１４ｃにより供給される。区分１３ａ〜１３ｃにもそれぞれ異なる直径Ｄ１〜Ｄ３が設けられており、直径Ｄ１〜Ｄ３に、それぞれ複合糸１５ａ〜１５ｃの太さが適合されており、その際、巻成糸による略同一の配設を各直径とは無関係に行うことができる。ワインディングヘッド１４ａ〜１４ｃは、このために、送り運動にある複合体１３の周りに螺旋状に回転する。巻取り工程中の複合体の運動は一定であり、これにより糸のピッチは、同様に一定であり、あとの力導入に関して所望される配置角度に一致する。さらに、変化する糸太さにより、配設密度が、ごく僅かしか、例えば移行領域でしか変化しない。

複合部分における繊維配置が様々な負荷方向に適合されることを保証するために、通常、様々な種類の中間基材、つまり様々な方向の糸の取付が組み合わされる。例えば固定糸の導入のプロセス及び巻成を順次同一のベース部品に行うことができ、この場合、配設プロセスの開始では芯材料しか提供されない。芯材料は、既に、あとの複合部品の形状をほぼ有する。

中間基材糸の固定は、例えば、例えばドイツ連邦共和国実用新案登録第７８２６７１８号明細書又はドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００４７１９３号明細書に記載されているように、丸打ち組み機を用いて行われる。例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００４７１９３号明細書において、どのようにして芯の搬送及び局所的な直径のセンサによる検出が行われるのか判る。

Claims (8)

1. 繊維強化された複合部品の中間製品としてのチューブ状の繊維配列体を製造する方法であって、繊維強化された複合部品は、その長さにわたって変化する横断面形状を有するものであり、チューブ状の繊維配列体を複合部品の形状に相応する芯上に形成する方法において、
   チューブ形成中に供給される繊維質量は、糸の繊度又は糸の数を変化させることにより変化し、これにより、複合部品の、直径から得られる局所的な周長さを有する区分に配設される前記繊維質量は、当該区分の前記周長さに対して比例関係にあり、
   その際、芯の送り運動速度を、略一定に維持することを特徴とする、繊維強化された複合部品のチューブ状の繊維配列体を製造する方法。
2. 繊維配列体を中間基材から形成する、請求項１記載の方法。
3. 中間基材を、長手方向延伸繊維及び／又は巻成繊維から形成し、交錯する繊維構造により結び付ける、請求項２記載の方法。
4. 交錯する繊維構造は、組み物である、請求項２又は３記載の方法。
5. 交錯する繊維構造は、編み物である、請求項２又は３記載の方法。
6. 糸を処理する間、所定数の繊維を、糸から、自動化された除去装置を用いて除去する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 糸を処理する間、所定数の繊維を、糸に、自動化された取付装置を用いて接着により取り付ける、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 繊維強化された複合部品の中間製品としてのチューブ状の繊維配列体であって、
   複合部品は、その長さにわたって変化する横断面形状を有し、
   チューブ状の繊維配列体は、複合部品の形状に相応する芯上に形成され、
   前記複合部品は、直径から得られる局所的な周長さを有する区分を有し、
   前記芯の横断面において、繊維質量は、糸の繊度又は糸の数を変化させることにより変化し、これにより、前記区分に配設される前記繊維質量は、前記区分の周長さに対して比例関係にある、チューブ状の繊維配列体において、
   前記芯の長手方向に対する、前記繊維の延伸方向は、芯の局所的な周長さとは無関係に略一定であることを特徴とする、チューブ状の繊維配列体。

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