JP6061412B2 - 一方向炭素繊維クロスの製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一方向炭素繊維クロスの製造方法およびその製造装置に関する。

炭素繊維−または炭素ファイバーもしくはカーボンファイバーとも称される−は、あらゆる種類のプラスチック部品を強化するために使用される。特に航空分野において、しかし更に大規模には自動車産業においても、この材料は、特に軽いにもかかわらず非常に頑丈な部品を作り出すために使用される。

炭素繊維の製造は、複雑なプロセス連鎖で行われる。ごく簡単に言うと、製造プロセスはいわゆる「前駆体」を得ることで始まるが、この前駆体は、炭素繊維の本来の製造プロセスのための出発材料として使用され、通常は織編用糸を表し、この織編用糸は多数の単フィラメントを含む。この前駆体を、その製造後に、通常、酸化処理する。そこで、この前駆体は、オーブン中での第１の熱処理を経るが、このオーブン中で前駆体は交互に、加熱され、次いで冷却される。次に、この前駆体に、いわゆる「炭化」の範囲で、１６００〜１９００℃の温度で第２の熱処理を施し、化学反応により前駆体から炭素繊維束を得る。

通常は、この方法で得られた炭素繊維束を別々の個別スプールに巻取る。個別スプールはコンパクトであり、従って更なる加工のために容易に運搬することができる。しかしながら、クロスを製造するためには数百の個別スプールが必要であり、従って準備工程には、相応する数の個別スプールを備える相応する製造設備を装備するために何時間も取られうる。このため、設備の利用率が著しく減少した、後続プロセスが遅延する。

このような手順では、個別スプールへの炭素繊維束の巻取りおよび個別スプールからの後の巻出しに起因して、繊維束が損傷され、従ってその強度が弱まる可能性がないわけではなく、そうすると後の欠陥部品を避けるために費用をかけて選別しなくてはならない脆弱箇所が生じてしまう。

その上、このために必要な巻取り装置に対する高い要求がなされているが、それというのも通常は巻取り前に既に行われる一定幅への繊維束の拡幅（Ａｕｆｓｐｒｅｉｚｕｎｇ）が、後続の加工ステップのための巻出し後も、保持され続けなくてはならないからである。しかしながらこのことは極めて難しい事態であり、それというのも巻取り工程および巻出し工程によって、繊維束の単繊維の相対的変位が相互に生じうるからである。例えば、繊維束の周辺部にある単繊維が繊維束の中央の方向へたたみ込まれうると、その後もはや拡幅できないか、または莫大な労力をかけてしか正確に拡幅できず、それゆえ同様にクロス製造時に欠陥個所が発生する。

従って本発明の課題は、炭素繊維製造のまたはこれにより作られたクロスの製造のプロセス連鎖を少なくとも部分的に簡素化することおよび信頼性を高めることである。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法および請求項７の特徴を有する装置によって解決される。有利な実施形態は、それぞれ従属する請求項から明らかである。

それに従って、少なくとも以下のステップ：
−それぞれが多数の単フィラメントを含む、一定数の前駆体を準備するステップ、
−その一定数の前駆体を一定数の炭素繊維束に炭化するステップ、次いで
−その一定数の炭素繊維束から一方向炭素繊維クロスを製造するステップ、次いで
−製造された一方向炭素繊維クロスを巻取るステップ、
を有する、一方向炭素繊維クロスの製造方法を提案する。

図１は、一方向炭素繊維クロス１１を得るための装置１０の簡略図を示す。

このことは、少なくとも２つ以上の前駆体を炭化によって炭素繊維束（いわゆる「ロービング」）に変えることを意味する。好ましくは、この工程では、前駆体の数は、それから得られる炭素繊維束の数に相応する。もちろん、前駆体または炭素繊維束の統合または分配により、異なる数の比を得ることも同様にできる。

次いで、炭素繊維束から、一方向炭素繊維クロス（略して：「カーボンクロス」）を製造し、これを更なる処理のために巻取る。一方向炭素繊維クロスとは、一方向に配置された炭素繊維束からなるクロスを特に意味する。例えば、これらは、いわゆる０°−整列を示し、従ってクロスの伸長方向へ向いていて、互いに平行に整列している。

好ましくは、一方向炭素繊維クロスの製造ステップは、炭化ステップに直接引き続いて行われる。このことは、双方のステップ間に、個別スプールへの炭素繊維束の新たな巻取りまたは巻出しが行われるべきではないことを意味する。むしろ、炭素繊維クロスは、中間製品として炭素繊維の製造プロセスから取り出される。特に、炭素繊維クロスの製造は、それによって生産ライン内で製造することができ、かつ不要な機械的負荷により脆弱化する前に、炭素繊維を特別な方法で保護することができる。

すなわち公知の炭素繊維束の製造またはそれらの加工とは対照的に、それぞれ別々の個別スプールへの個別炭素繊維束のそれぞれ個々の巻取りは行わない。従って、特に労力のかかるまたは欠陥を生じやすい個別繊維束の巻取りを行わなくてよく、このことにより製造プロセスが簡易化し、かつプロセス確実性を増すことができ、従って、クロス内の欠陥を防ぎうる。その上、繰り返す方向転換および個別スプールへの巻取り、または中間製品、例えばクロスを製造するための後続の炭素繊維束の巻出しを避け、またはそれらの頻度を減少させ、従って繊維の消耗または損傷が比較的僅かである。つまり全体として、材料特性の改善が達成でき、この改善は後の部品の品質に役立つ。提案した方法は、特別な柔軟性という特別な利点を更に提供するが、それというのも炭素繊維クロスの表面密度が巻取りの際に必要に応じてすぐに変化しうるからである。

好ましくは、巻取りステップは、セクショナルビーム（Ｔｅｉｌｋｅｔｔｂａｕｍ）への製造された一方向炭素繊維クロスの巻取りを含む。従って、既にクロスを後の更なる加工のための中間製品として含む、容易に処理可能でかつ特に容易に貯蔵−および輸送可能なユニットが作られる。従って、個別スプールへの炭素繊維束の中間に行われる巻取りを省略することができる。後続の更なる加工を、同様に、現場で、特に同じ製造ライン内で、または時間的および空間的に独立して行うことができる。特に有利には、いずれの場合にも容易な準備はセクショナルビームに基づいて作用するが、それというのもこのセクショナルビームは−個別スプールを装備するのとは対照的に−加工設備の迅速かつ容易な装備を可能にするからである。

従って、例えば、繊維半製品、特にクロス、プリプレグ、熱硬化性半製品および／または熱可塑性半製品へ一方向炭素繊維クロスを更に加工するために、一方向炭素繊維クロスの巻出しステップが巻取りステップの後に配置されていてもよい。上記の繊維半製品は、一方向性または多方向性の構造を含みうる。

従って、繊維製造から半製品への更なる加工までの多数の生産ステップを、共通の方法において統合でき、このことにより、生産手順が、時間、コストおよび労力に関して最適化される。

もう一つの実施形態によれば、一方向炭素繊維クロスの製造ステップは、炭素繊維束の拡幅ステップおよび拡幅された炭素繊維束の連結ステップを含む。この際、それぞれの繊維束を、拡幅ユニットにより、規定の幅を有するバンド（以降：拡幅された炭素繊維束）に広げる。次いで、拡幅した炭素繊維束の周辺部が伸長方向に沿って互いに連結する。これは、例えば摩擦または振動によって行うことができ、従って２つの隣接するバンド状に拡幅した炭素繊維束の単フィラメントが相互にスライドするかまたは噛合う。隣接して配置された拡幅された炭素繊維束の数に応じて、相応の幅を有する炭素繊維クロスがこのようにして生じる。

更に好ましい一実施形態によれば、炭化ステップは、前駆体の酸化ステップおよび／または炭素繊維束の表面処理ステップを含む。酸化ステップの範囲で、この前駆体を炭化する前に前駆体の化学構造を変えるために前駆体を繰り返し温め、かつ冷却する。炭素繊維束の表面処理を、例えば前駆体を炭化した後に、炭素繊維束へのいわゆる「サイズ剤（Ｓｃｈｌｉｃｈｔｅ）」の塗布により行うが、このサイズ剤は繊維束の改善された取扱いおよび繊維へのマトリクスの改善された付着を可能にする。

更に、
−一定数の炭素繊維束へ一定数の前駆体を炭化するための少なくとも１つの熱処理ユニット、
−得られた炭素繊維束から一方向炭素繊維クロスを製造するための連結システム、および
−セクショナルビームに一方向炭素繊維クロスを巻取るためのセクショナルビーム
を備える、一方向炭素繊維クロスを得るための装置を提供する。

例えば、熱処理ユニットとして、炭化のための相応する熱を提供する１つ以上のオーブンを使用する。連結システムは、上記による個別炭素繊維束を互いに１つの炭素繊維クロスに連結するために企画構成されている。

更なる一実施形態によれば、炭素繊維束を拡幅するための拡幅ユニットが、セクショナルビームの前段に配置されている。このことは、すなわち、熱処理ユニットと連結システムの間に拡幅ユニットが設けてよいことを意味している。

更に、一方向炭素繊維クロスを含浸するための含浸ユニットがセクショナルビームの後段に配置されてもよい。従って、セクショナルビームの巻取りに引き続いて、例えばプリプレグの作成のために炭素繊維クロスの含浸による更なる加工が行われうる。

その上、装置は、一定数の前駆体を準備するための準備ユニット、前駆体を酸化するための酸化ユニットおよび／または炭素繊維束を表面処理するための表面処理ユニットを更に含んでもよい。

例えば、準備ユニットは、熱処理ユニットの前段に配置されている。任意の酸化ユニットは、好ましくは同様に熱処理ユニットの前に配置されるが、しかしながら、場合によって設けられた準備ユニットに後続して配置される。表面処理ユニットは、例えば熱処理ユニットに引き続いて設けられうる。

全体として、記載した装置へのセクショナルビームの組み込みは、多数の個別スプールおよび相応する方向転換を省略することを可能にし、このことにより、準備労力の減少に加え、繊維の損傷の減少、従ってクロス品質の明らかな改善が生じる。

次に本発明を、唯一の図に関して、実施例に基づいて詳述する。

図は、一方向炭素繊維クロス１１を得るための装置１０の簡略図を示し、この装置は一定数の前駆体１３を準備するための準備ユニット１２を備え、これらの前駆体は一定数の前駆体を著しく加熱するために後続の熱処理ユニット１５（例えば２つのオーブンの形の）に供給されて、これら前駆体を一定数の炭素繊維束１６ａに炭化する。もちろん、１つだけのオーブンまたは２つ超のオーブンが設けられていてもよい。

装置１０は、炭素繊維束１６ａを、規定の幅を有するバンド状または拡幅された炭素繊維束１６ｂへ拡幅するための拡幅ユニット１８を更に含み、その際拡幅された炭素繊維束１６ｂは一方向炭素繊維クロス１１の製造のために連結システム２０で互いに連結される。次いで、炭素繊維クロス１１をセクショナルビーム１９に供給する。ここで、セクショナルビーム１９への一方向炭素繊維クロス１１の巻取りが行われる。

装置１０は、表示した実施形態では、更に前駆体１３を酸化するための酸化ユニット１４および炭素繊維束１６ａを表面処理するための表面処理ユニット１７を更に含む。酸化ステップの範囲で、前駆体１３の化学構造を変えるために前駆体１３を繰り返し加熱し、冷却する。

それに対して、炭素繊維束１６ａの表面処理は、例えば熱処理ユニットの後に配置されて、繊維束の改善された取扱いおよび繊維へのマトリクスの改善された付着を可能にするいわゆる「サイズ剤」の塗布によって行われる。

その上、一方向炭素繊維クロス（１１）を含浸するための含浸ユニット（２１）がセクショナルビーム（１９）の後段に配置されてもよい。

Claims (9)

1. 少なくとも以下のステップ：
   −それぞれが多数の単フィラメントを含む、一定数の前駆体（１３）を準備するステップ、
   −一定数の前駆体（１３）を一定数の炭素繊維束（１６ａ、１６ｂ）に炭化するステップ、次いで
   −一定数の炭素繊維束（１６ａ、１６ｂ）から一方向炭素繊維クロス（１１）を製造するステップ、次いで
   −製造された一方向炭素繊維クロス（１１）を巻取るステップ
   を有し、
   一方向炭素繊維クロス（１１）を製造するステップが、各々の炭素繊維束（１６ａ）をバンド状に拡幅しおよび拡幅された炭素繊維束（１６ｂ）を連結して、そうして拡幅した炭素繊維束の周辺部が伸長方向に沿って互いに連結するステップを含む、
   一方向炭素繊維クロスを製造する方法。
2. 一方向炭素繊維クロス（１１）を製造するステップを炭化するステップに直接引き続いて行う、請求項１記載の方法。
3. 巻取るステップが、製造された一方向炭素繊維クロス（１１）をセクショナルビーム（１９）に巻取ることを含む、請求項１または２記載の方法。
4. 繊維半製品、特にクロス、プリプレグ、熱硬化性半製品および／または熱可塑性半製品へ一方向炭素繊維クロス（１１）を更に加工するために、一方向炭素繊維クロス（１１）を巻出すステップが、巻取るステップの後に配置されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 炭化するステップが、前駆体（１３）を酸化するステップおよび／または炭素繊維束（１６ａ、１６ｂ）を表面処理するステップを更に含む、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. −一定数の前駆体（１３）を一定数の炭素繊維束（１６ａ）に炭化するための少なくとも１つの熱処理ユニット（１５）、
   −得られた炭素繊維束（１６ａ、１６ｂ）から一方向炭素繊維クロス（１１）を製造するための連結システム（２０）、および
   −セクショナルビーム（１９）に一方向炭素繊維クロス（１１）を巻取るためのセクショナルビーム（１９）
   を備える、一方向炭素繊維クロスを得るための装置。
7. 炭素繊維束（１６ａ）を拡幅するための拡幅ユニット（１８）が、連結システム（２０）の前段に配置されている、請求項６記載の装置。
8. 一方向炭素繊維クロスを含浸するための含浸ユニット（２１）が、セクショナルビーム（１９）の後段に配置されている、請求項６または７記載の装置。
9. 装置（１０）が、一定数の前駆体（１３）を準備するための準備ユニット（１２）、前駆体（１３）を酸化するための酸化ユニット（１４）および／または炭素繊維束（１６ａ）を表面処理するための表面処理ユニット（１７）を更に含む、請求項６〜８のいずれか一つに記載の装置。

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