JPH02104742A - 三次元多軸織物を基材とする複合材料の製造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ ニーズに沿った複合構造の設計と、設計された通りの複
合構造を実現するための形成技術は、設計主導型の材料
としての複合材料の中心的課題である。特に、繊維の複
合化に際して、繊維や織物などの強化材の配向や積暦状
憇を最適化し、製品に要求される性能に応じた特性の等
方性や異方性を発現させるための基材構成技術が重視さ
れてきている。

本発明は、上述したｍ維の配向の最適化を実現できるよ
うにした三次元多軸織物を基材とする複合材料を製造す
る方法及びその装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来から、三次元３軸織物を自動的に製織する種々の自
動織機が開発、提案され、例えば米国特許第３，９５５
，４１０２号明細書にもその一例が示されている。しか
しながら、これらの織機においては、通常、それによっ
て製織される三次元織物の＃＆雄や織物等の配向が特定
され、形成される基材構造を種々変更することは不能ま
たは容易ではなく、通常はそれぞれの織機に特有の基材
構造しか得ることができない、そのため、繊維配向の最
適化を実現できるようにした三次元多軸織物を製造する
技術の開発が望まれている。

また、従来、三次元織物をマトリックスで結合すること
により複合材料を成形する場合には、予め三次元織物の
製織を行った後に、そのｍ雌や繊維束間にマトリックス
を充填し、このマトリックスの硬化によって上記繊維や
繊維束を結合しているのが通例である。しかしながら、
このような方法によって複合材１を形成すると、マトリ
ックス全体を均一に硬化させることが困難である。即ち
１例えば、マトリックスを加熱または冷却する場合に複
合材料の周辺部と中心部の温度を均等化することは非常
に困難であり、またマトリックスの硬化に際して複合材
料内部で熱が発生するような場合には、複合材料の中心
部分の熱が散逸し難く、全体的に温度が不均一になり、
それに伴う硬化収縮や熱歪により硬化したマトリックス
中に多数のクラックが発生するという閏題があった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、三次元多軸織物複合材料におけ
るｍ維や糸の配向を自由に設定できて、３軸以上の各種
構造を有する三次元多軸織物複合材料を容易に得ること
ができ、しかもその複合材料の製造に際して、上記クラ
ックが発生するのを防止し、それによって強度の低下の
ない三次元多軸織物を基材とする複合材料を製造するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の複合材料の製造方法
は、同一方向に向けたｍ離京をマトリックスにより結合
してロフト化し、それらのロッドを用いて三次元多軸織
物を製織するに際し、上記ロッドの織り込みを行いなが
ら逐次そのロッドのマトリックスを成形することを特徴
とするものである。この場合に、マトリックスの成形を
筬によって製織と同時に行うことができる。

また１本発明の複合材料の製造装置は、同一方向に向け
たｍ離京をマトリックスにより結合したロッドの多数を
経方向ロッド群として平行状態に保持するための保持手
段、上記経方向ロッド群におけるロッド間に、その経方
向ロッ：゛群に対して直交する少なくとも複数軸方向か
ら多数のロッドを平行状態に保持して押圧挿入するロッ
ド押圧機構が設けられたロッド挿入手段、及び上記ロッ
ド挿入手段により経方向ロッド群に対して挿入されたロ
ッドを逐次硬化成形する手段を備えたことを特徴として
いる。この場合に、ロッドを逐次硬化成形する手段とし
て、製織のための筬にロッドを加熱する手段を付設する
ことができる。

［作　用］ 三次元多軸織物を基材とする複合材料の製造に際し、上
述の繊維束をマトリックスにより結合したロッドを用い
ると、その多数を平行状態に配置したロッド群における
各ロッドを、他の複数軸方向のロッド間に押圧挿通する
ことによって繊維や繊維束を三次元配列させることがで
き、通常の三次元織物のように、ｍ維や糸の端部に耳を
作る必要がない、また、その複合材料を得るための装置
は、平行状態に配置した多数のロッドを他の複数軸方向
のロッド間に押圧挿入する機構を設ければよく、その機
構によるロッドの挿入方向を適宜変更することにより、
３軸以上のロッド配向が自由に設定された各種組織の三
次元織物複合材料を得ることが可能になり、ニーズに応
じた繊維配向の最適化を実現することが可能になる。

また、上記ロッドを用いて三次元多軸織物を製織するに
際し、ロッドの織り込みを行いながら逐次そのロッドの
マトリックスを筬等によって加熱成形するようにしてい
るので、予め三次元織物の製織を行った後にマトリック
スを充填、硬化させる場合のように、熱歪によりマトリ
ックス中に多数のクラックが発生するのを防止し、均質
で強度のある複合材料が得られる。

［実施例〕 本発明において三次元多軸織物の製造に用いる繊維束は
、予め多数の繊維を同一方向に向けた状態でマトリック
スにより結合してロー２ド化し、それによって形成され
たロッドの状態で以下に説明する製織が行われる。

上記ロッドを形成するＨｈ維としては１例えば。

炭素繊維、アラミド繊維、ガラスｍ維等の高強度繊維を
用いることができ、また上記マトリックスとしては、エ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリイ
ミド樹脂、アクリル樹脂、ナイロン、ＰＥＥＫ等の熱可
塑性樹脂、あるいは金属材料、セラミックス、ガラス等
の無機質材料を用いることができる。これらの樹脂等か
らなるマトリックスは、三次元多軸織物の製織に際し、
加熱その他の処理によって予め硬化させておくこともで
きるが、製織に耐える程度の剛性を有していれば、半硬
化または未硬化の状態で製織を行うことができ、さらに
その状態で剛性が不十分であれば、冷却その他の手段に
より製織を行う間−時的に剛性を保持させることもでき
る。また、三次元多軸織物複合材料をＣＴＣコンポジッ
トによって形成する場合には、マトリックスにより硬化
させたロッドを製織後に焼成すればよい。

第１図ないし第３図は、上記ロッドを用いて三次元多軸
織物複合材料を製造する装置の一例を示している。この
装置においては、４１枠！上に、上述したロッド１０の
多数を経方向ロッド群１１として所要間隔で平行状態に
保持するための保持手段２、多数のロッドを平行状態に
保持して、それらをカッター装置４により所要長に切断
しながら、ロッド押圧機構５により上記経方向ロッド群
１■におけるロッド１０間に押圧挿入するようにしたロ
ッド挿入手段３．及び筬打ち機構６を備えている。

上記経方向ロッド群１１の保持手段２としては、機枠１
に上下摺動自在の支持台１５を設けて、この支持台１５
上に回転可能に支持されたロッド保持盤１Ｂに経方向ロ
ッド群１１を固定的に保持させる機構を用いている。ロ
ッド保持盤１６への経方向ロッド群１１の装着には、例
えばロッド保持盤１８上に各ロッド１０の先端を圧入す
る小穴を所要間隔で列設するとか、多数のロッド１０を
配列状態で保持する適宜チャックなどを用い、経方向ロ
ッド群１１の上端は、機枠１の上方に設けた案内穴１Ｂ
から適宜突出させる。

この支持台１５は、製織の進行に伴って下降させるもの
で、その上下摺動は、第２図に模式的に示すように、機
枠１内に配設したモータ２０で゛、ベルト２１を介して
、支持台１５の一部に螺挿した送りねじ２２を回転させ
ることにより行われる。なお、機枠１にはこの支持台１
５の上下を案内する適宜のガイド２４が設けられる。

また、支持台１５上のロッド保持５１ｔ６を回転させる
ため、機枠１には、モータ３０でベルト３１を介して回
転せしめられるスプラインｉ＆３２を支持台Ｊ５の移動
方向に向けて配設し、支持台１５上に、このスプライン
軸３２との間で回転は伝達されるが軸方向には自由に摺
動するプーリー３４を回転自在に支持させ、このプーリ
ー３４からロッド保持盤１８の周囲に設けたプーリー３
８にベルト３５を介して回転を伝達するように構成され
る。

一方、機枠ｌに設けた緯方向ロッドの挿入手段３は、平
行状態に保持した多数の長尺のロッド素材１２を所要の
長さに切断するカッター装置４、上記ロッド保持盤１Ｂ
に装着した経方向ロッド群１１の間に切断した緯方向ロ
ッド群１３を順次押圧挿入するロッド押圧機構５等を備
えている。

その構成を具体的に説明すると、機枠ｌに取付けられて
このロッド挿入手段３を支持するテーブル４０には、長
尺のロッド素材１２の多数を並列状態で送給する機構を
備えると共に、それらのロッド素材１２を切断するカッ
ター装置４を備えたロフト案内台４３が設けられ、この
ロフト案内台４３は、第１図及び第３図かられかるよう
に、テーブル４０上にモータ４５，４Ｂで緯方向ロッド
群１３の挿入方向及びそれと直交する方向に移動可能に
設置した駆動台４８に取付けられている。上記モータ４
５，４Ｂは、ロッド保持盤１Ｇに装着した経方向ロッド
群１１とロッド案内台４３との位置的関係を設定するた
めのものである。

上記ロッド案内台４３上に設けられた一対の供給ローラ
５０，５０は、モータ５１による回転駆動により長尺の
ロッド素材１２の多数を並列状態で送給するものであり
、それによって所要位置まで供“給されたロッド素材１
２は、カッター装置４により所要長に切断される。この
カッター装Ｗ４は、モータ５５により回転駆動されるカ
ンタ−５Ｂを送り用モータ５７によってごラド素材１２
の送給方向と直交する方向に移動させ、それによって平
行状態に配列されたロッド素材１２を一挙に切断するも
のである。

カッター装置４により切断された緯方向ロッド群工３は
、モータ５Ｉによる一対の供給ローラ５（１、５（１の
回転により後続のロッド素材１２が送給されるとキ、後
続のロッド素材１２に押し出されて経方向ロッド群１１
間に押圧挿入され、従って上記モータ５１により駆動さ
れる一対の供給ローラ５０　、　ｆｆｏが、前述したロ
ッド押圧機構５を構成することになる。

また、第２図かられかるように、機枠ｌには前記筬打ち
機構８を設けている。この筬打ち機構８は、筬打ちのた
めに昇降させる筬取付台６０を備え、その昇降は、機枠
１内に配設したモータ６１で、ベルト６２を介して、Ｗ
ｃ取付台６０の一部に螺挿した送りねじ６３を回転させ
ることにより行われる。なお、機枠１にはこの筬取付台
６ｏの上下を案内する適宜のガイド６５が設けられる。

また、筬取付台６０上に設けた筬６６を、前記支持台１
５上に設けたロッド保持盤１６と同期回転させるため、
筬取付台６０上に回転自在に支持させたプーリー８８を
、機枠］に回転自在に支持させてモータ３０によりベル
ト３１を介して回転するようにした前記スプライン軸３
２上に配設して、また、支持台１５上に、このスプライ
ン軸３２との間で回転は伝達されるが軸方向には自由に
摺動するプーリー３４を回転自在に支持させ、このプー
リー３４からロッド保持盤１６の周囲に設けたプーリー
３８にベルト３５を介して回転を伝達するように構成さ
れる。

上記筬６６は、それ自体を通電により発熱するセラミッ
クス等により構成し、あるいは通常の筬に適宜発熱体を
取付けることにより構成したもので、製織のための筬打
ちを行う際に、織り込んだロッドをこの筬により逐次加
熱し、そのロッド自体のマトリックス、または別途追加
したマトリックス材料やその他の接着剤等の加熱により
、ロッド１０を相互を結合させ、それによって三次元多
軸織物複合材料が成形される。

なお、ロッドを逐次硬化成形する手段として。

上記筬にロッドを加熱する手段を付設する代りに、経方
向ロッド群１１の間に逐次織り込んだロッドを加熱する
ための適宜手段１例えば赤外線加熱装置等を機枠１に付
設することもできる。上述した発熱体を付設した筬６８
を用いる場合には、筬打ちを行う関係で緯方向ロッド群
１３を経方向ロッド群１１に対して垂直な多軸方向から
挿入する必要があるが、上記赤外線加熱装置等を用いた
場合には、筬打ちを行わないため、ロッド挿入手段３や
カッター装Ｗ１４を設けたロッド案内台４３をテーブル
４０に対し傾斜可能とし、緯方向ロッド群１３を経方向
ロッド群１１に対して適宜傾斜させて挿入することが可
能になり、ニーズに応じた繊維配向の最適化を実現する
ことができる。

上記構成を有する複合材料の製造装置においては、繊維
束をマトリックスにより結合してロッド化し、それらの
ロッドの多数を平行状態に立設した経方向ロッド群１１
に対し、モータ５１による一対の供給ローラ５０，５０
の回転駆動により、カッター装置４で所要長に切断され
た緯方向ロッド群１３を並列状態で押圧挿入し、さらに
、モータ３０から、ベル）　３１．　　スプライン軸３
２．プーリー３４及びプーリー３６等を介してロッド保
持盤１６を必要角度だけ回転させて、上記緯方向ロッド
群１３の押圧挿入を繰返すと、少なくとも３軸方向にロ
ッド群を配向させた三次元多軸織物が形成される。この
場合に、モータ３０の回転にともなって筬６６もロッド
保持盤１６と同期回転せしめられる。

なお、この製織に際しては、支持台１５を′製織の進行
に伴って下降させ、経方向ロッド群１１における緯方向
ロッド群１３の挿入位置をテーブル４０で支持された緯
方向ロッド群１３を押圧挿入するためのロッド押圧機構
５に対応させる。

上記筬打ち機構８は、各緯方向ロッド群１３の押圧挿入
時に逐次動作させ、筬打ちを行うもので。

この筬打ちは、モータ８１で送りねじ６３を回転させる
ことにより筬取付台６０を降下させ、織り込んだ緯方向
ロッド群１３を筬取付台８０上の筬６Ｂで押圧すること
により行われる。この筬６６は、筬打ちに際してその発
熱体に通電することにより、織り込んだロッドを逐次加
熱し、それによってマトリックス等の成形が行われる。

なお、前述した各モータは１図示しない制御装置による
必要な制御のもとに、所要のタイミングで所要量だけ回
転せしめられることは勿論である。

上記実施例においては、ロッド挿入手段３として、単一
のロッド押圧機構５を設けた場合を示しているが、この
ロッド押圧機構５は、上記経方向ロッド群１１に対して
文型する複数軸方向にそれぞれ設置することもでき、そ
れらによって同時に、あるいは順次に、経方向ロッド群
に対して緯方向ロッド群１３を押圧挿入することができ
る。

また、上記実施例においては、ロッド保持盤１６の回転
により経方向ロッド群！１を逐次回転させながら、その
経方向ロッド群１１に所定の方向から緯方向ロッド群１
３を挿入するようにしているが、逆に、固定的に配置し
た経方向ロッド群１１の周囲において緯方向ロッド群１
３を押圧挿入するロッド押圧機構５を回転させ１両者の
相対的位置関係を適切に保持して複数軸方向から緯方向
ロッド群を挿入することもできる。

さらに、上記支持台１５を製織の進行に伴って下降させ
ることなく、それを機枠１に固定的に設け、これに対し
てロッド挿入手段３を支持するテーブル４０を、製織の
進行に伴って上昇させるようにしてもよい、緯方向ロッ
ド群１３のロッド１（は、カッター装置４で切断しなが
ら他のロッド群の間に挿入することもできるが、それら
を予め所要長に切断しておき、それを適宜のロッド押圧
機構で他のロッド群の間に挿入することもできる。

このような三次元多軸織物複合材料の製造に際し、上述
の繊維束をマトリックスにより結合したロッドを用いる
と、その多数を平行状態に配置したロッド群における各
ロッドを、他の複数軸方向のロッド間に容易に挿通する
ことが可能になり、そのためロッドの押圧挿入によって
三次元織物を容易に形成することができる。また、その
三次元織物を得るための装置は、平行状態に配置した多
数のロッドを他の複数軸方向のロッド間に押圧挿入する
機構を設ければよく、その機構によるロッドの挿入方向
を変え、あるいはその機構の複数を設置することにより
、織機を３軸以上のロッド配向が自由に設定された各種
組織の三次元織物に対１　　応させることが可能になる
。さらに、ａｍ束をマトリックスにより結合したロッド
を用いて製織を行うので、織物の端部に耳を作る必要が
なく、耳を作るための機構も設置の必要がないので、装
置が単純化される。

また、上記ロッドを用いて三次元多軸織物を製織するに
際し、ロッドの織り込みを行いながら逐次そのロッドの
マトリックスを筬等によって加熱成形するようにしてい
るので、予め三次元織物の製織を行った後にマトリック
スを充填、硬化させる場合のように、熱歪によりマトリ
ックス中に多数のクラックが発生するのを防止し、均質
で強度のある複合材料が得られる。

［発明の効果］ このような本発明の複合材料製造方法及びその装置によ
れば、三次元多軸織物複合材料におけるｒａｍや糸の配
向を自由に設定できて、３軸・以上の各種構造を有する
三次元多軸織物複合材料を容易に得ることができ、しか
もその複合材料の成形に際して前記クラックが発生する
のを防止し、それによって強度の低下のない三次元多軸
織物複合材料を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る三次元多軸織物複合材料製造装置
の実施例を示す外観斜視図、第２図は上記装置の主要部
を展開状態で示す構成図、第３図は緯方向ロッド挿入手
段の構成例を示す分解斜視図である。 ２φ・保持手段、 ３−・ロッド挿入手段、 ５・・ロッド押圧機構。 ６　・・波打ち機構、　　　　ｌ（＋−Φロッド、１１
番−経方向ロッド群、 １ａ・・緯方向ロッド群、８Ｂ・・筬。 第２図 第３図 々

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一方向に向けた繊維束をマトリックスにより結合
   してロッド化し、それらのロッドを用いて三次元多軸織
   物を製織するに際し、上記ロッドの織り込みを行いなが
   ら逐次そのロッドのマトリックスを成形することを特徴
   とする三次元多軸織物を基材とする複合材料の製造方法
   。 ２、同一方向に向けた繊維束をマトリックスにより結合
   してロッド化し、それらのロッドを用いで三次元多軸織
   物を製織するに際し、筬によって製織と同時にマトリッ
   クスの加熱成形を行うことを特徴とする三次元多軸織物
   を基材とする複合材料の製造方法。 ３、同一方向に向けた繊維束をマトリックスにより結合
   したロッドの多数を経方向ロッド群として平行状態に保
   持するための保持手段、 上記経方向ロッド群におけるロッド間に、その経方向ロ
   ッド群に対して直交する少なくとも複数軸方向から多数
   のロッドを平行状態に保持して押圧挿入するロッド押圧
   機構が設けられたロッド挿入手段、及び 上記ロッド挿入手段により経方向ロッド群に対して挿入
   されたロッドを逐次硬化成形する手段、を備えたことを
   特徴とする三次元多軸織物を基材とする複合材料の製造
   装置。 ４、特許請求の範囲第３項記載の装置において、製織の
   ための筬を備え、ロッドを逐次硬化成形する手段として
   、上記筬にロッドを加熱する手段を付設したことを特徴
   とする三次元多軸織物を基材とする複合材料の製造装置
   。