JPH0759782B2 - 繊維質材料の平坦な層を積み重ね穿刺して三次元構造体を製造するための方法 - Google Patents

繊維質材料の平坦な層を積み重ね穿刺して三次元構造体を製造するための方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、繊維質材料の平坦な層を重ね合わせて穿刺に
より接着して三次元構造体を製造する方法に関するもの
である。
本発明の利用分野は、特に限定されるものではないが、
補強構造体を高密度化することによって複合材料部品を
製造する際の、三次元補強構造体を製造する技術に係る
もので、特にブレーキデスクや複合タイルのような構造
体の製造に利用される。
〔従来の技術とその課題〕
繊維質材料の層を積み重ねて穿刺により平坦な構造体を
製造する方法は、フランス特許第2,196,966号に開示さ
れている。この方法においては平坦な一方向層が交叉状
に積み重ねられて穿刺されている。
この方法においては、積層される層の数については何等
制限がないが、厚さの大なる構造体において特性を均質
化するための手段については何等開示がない。
フランス特許第2,414,574号明細書はブレーキディスク
の繊維質補強体を製造するための方法を開示している。
この方法によれば、穿刺によってフェルトのリングを形
成し、リングを所望の厚さが得られるまで積層し、次い
で積層体を高密度化するものであるが、リングの積層体
を穿刺することは示されていても、実際それをどのよう
に行なうのかについては開示がない。
上記２つの文献、ならびに米国特許第3,772,115号明細
書は、厚さの小なる製品のための手法が示されている。
小さい厚さに対する穿刺技術が大きな厚さに対してその
まま容易に適用し得るものでないことは良く知られてい
る。その理由の一つは、積み重なった層中に一旦針が貫
入しある深さまで達すると、針のさかとげの中に貫通さ
れた層の材料からひきちぎられた繊維片が詰まってしま
い、その結果、針の有効性が失なわれることとなる。従
って針は最早その機能を発揮し得なくなり、積層構造体
全体にわたって穿刺特性が変化してしまう。
多大な熱的機械的応力にさらされるような材料において
は、例えば層のはく離を防ぐために、その全体にわたっ
て特性を均一に保つことが必要となる。
〔課題を解決するための手段〕
従って本発明の目的は、厚さの大なる三次元構造体を、
積み重ねられた平坦な層を穿刺することによって製造す
る方法において、構造体の厚さ全体にわたって穿刺密度
を一定になし得るような製造方法を提供することを目的
とする。
本発明によれば、この目的を達成するために、気質に穿
刺された三次元の繊維質構造体を製造するための方法で
あって複合材料の構造体を補強するものとして用いられ
る方法において： −繊維質材料の平坦な層をプラテン上に積み重ねる工
程、 −前記各層を貫き且つ前記各層の下方所定の深さにまで
針を突き通すことにより、前記各層を個々に単位表面当
りほぼ同一且つ一定の穿刺密度で穿刺する工程、及び、 −新しい層が重ねられるごとに、穿刺層の厚さにほぼ等
しい値だけ前記プラテンと前記針間の距離を大きくし、
新たに重ねられた各層について前記突き通し深さをほぼ
一定の値に保つ工程、 を含むことを特徴とする方法が提供される。
前記プラテンと前記針とは、新しい層が添設されるごと
に、穿刺層の厚さに等しい距離だけ相互から離れる方向
に移動せしめられる。
各穿刺ストロークにおいて、針は重ね合わされた数層を
貫通する。厚さ方向全体にわたって均質な材料を得るた
めに、最終層の巻回が終了した後仕上げ穿刺が行なわ
れ、それによって最後に付着された層における穿刺密度
が他の層のものとほぼ等しくされる。各仕上げ工程の終
了後、プラテンと針とは、あたかも新しい層が持ち来た
されたような態様で相互から隔置される。仕上げ工程の
一部において、針は空気中を移動するが、上側層に到達
する前に他の層を貫通する場合に較べると、針のさかと
げの詰りの影響が小さく、従って上側層に対する針の有
効性が増す。
この理由により、仕上げ工程の数は、針が最早積層体の
最後の層に到達し得なくなるような時点に達するに要す
る数よりも少なくなる。
本発明の以上に述べた方法を実施するのに適した繊維質
材料の選択は製品の用途に応じてなされ、同時に穿刺さ
れた構造体が高密度化作業に用いられること、即ち、そ
れが比較的広く開いた孔を持つということが確実にされ
る。例えば、材料の層は梳毛によって形成された単一の
不連続ファイバーによって形成された少くとも一つの
層、あるいはトウまたは糸をラッピングし、次いで予備
穿刺することによって形成した連続ファイバーにより形
成される少くとも一つの層を有しても良い。
構造体がより高い強度を有することが必要される場合に
は、ファイバーの層をその上に穿刺した織物（平織りま
たはサラン）の複合体、経糸および緯糸方向に連続ある
いは不連続のフィラメントの糸を配した織物、あるいは
経糸が連続あるいは不連続のフィラメントの糸から成り
立つ緯糸方向にロービングされた織物を用いることがで
きる。
また、本発明に用いられる繊維質材料は穿刺に適したも
のでなければならず、これは最近の熱および機械負荷に
対する抗力を要求される用途に供される複合材料に用い
られるカーボンやセラミックファイバーにはあてはまら
ない。そのような場合には、材料を構成する繊維の少く
とも一部は、穿刺に適しかつ構造体形成後の処理によっ
てカーボンあるいはセラミックに変化し得るカーボンあ
るいはセラミックの先駆体で構成される。
〔実施例〕
本発明は、以下に添付図を参照しつつ行なう説明を通し
て容易に理解されるであろう。
水平プラテン10の上に、繊維材料からなるストリップ20
が一つづつ連続的に供給される。本例においてはストリ
ップ20は前記構造体の機能によって決定される長さと幅
を有している。
ストリップ20は、プラテン上に順次重ねられて層を形成
し、その層が針板12によって互いに穿刺されて一体化さ
れている。針板12は、プラテン10の上方に位置してお
り、プラテンの側部の長さにほぼ等しい長さにわたって
プラテン10の一側縁と平行に延在している。針13が垂直
かつ下方に向けられている。
針板12は駆動装置（図示せず）と一体であり、公知の態
様で針に上下方向の往復運動が与えられる。
更にまた、針板12とストリップ20とは相互に対して相対
的に、垂直および水平方向に移動可能である。例えば、
プラテン10は、水平方向に、支持テーブル14に対して往
復的に、針板12の往復動に対して垂直に駆動される。こ
の駆動はテーブル14に装架された駆動手段（図示せず）
によって行なわれる。垂直方向には、例えば針板の支持
フレームら装架されたモータ（図示せず）に接続された
無端スクリューあるいは他の結合装置によってテーブル
14を駆動することによってプラテン10と針板12とが相互
に離れる方向に駆動される。
構造体の製造は以下に述べるような態様で実施される。
材料の第１のストリップがプラテン10上に置かれ穿刺さ
れる。次いでこの上に第２のストリップが置かれてこれ
に穿刺される。この間、針板12は垂直方向の往復動を行
い、一方プラテン10は、少なくともストリップ20の長さ
に等しい長さにわたって水平方向に移動せしめられ、そ
の結果、両ストリップが、針板によってその全長にわた
って穿刺される。プラテン10がその一方のストローク端
に達した時に新しいストリップ20がこの上にかぶせら
れ、プラテン10の他方のストローク端に向う動きによる
次の穿刺サイクルが開始される前にテーブル14が穿刺さ
れたストリップ20の厚さ“e"に等しい距離だけ降下せし
められる。このような作動は構造体の所望の高さが達成
されるまで継続され、その間、プラテン10がその水平方
向行程端に達する毎に新しいシートが供給される。
重ねられた層を針が貫通する毎に、針の凹凸部やさかと
げにより繊維が針によって貫通された各層から持ち来た
されて隣接層間の垂直向の接着を行なう。
第２図および第３図は、上昇および降下位置にある針を
それぞれ示す。針は、穿刺されるストリップ20の厚さの
数倍（例えば８倍）の深さにわたって組織中に貫通す
る。プラテン10が針に対して徐々に下降するので、針の
貫通深さは作動の期間中を通じて一定に保たれる。
最初のストリップをプラテンに穿刺することを可能にす
るために、針13がプラテン10の固い表面に衝当するのを
防ぐように適当な手段を設ける必要がある。この目的の
ために、プラテン10は表面層11によって覆われており、
針は製造されるべき構造中に粉や繊維を持ち来たすこと
なく、この表面層中に挿通され得るようになっている。
表面層11は、例えば、補強されたエラストマー（例とし
て挙げるとナイロン繊維で補強したハイパロン）ででき
たシート11aをプラテン10に固着し、さらにシート11aの
上に、例えばポリプロピレンのフェルトのようなフェル
ト材を基体とし、最初の穿刺ストロークの間、針がプラ
テン10に触れることなく、所定の深さまで挿通し得るよ
うな厚さを有する層11bを接着固定することによって形
成される。フェルトベースの層11bの上に更にもう一つ
のシート11c、例えばポリ塩化ビニールのスリーブが接
着固定される。穿刺の間、針13がシート11cが存在する
ことによってストリップ20の材料がフェルトベースの層
中に押し込まれてしまう現象を防ぐことができる。この
ような現象は完成後の構造体をプラテンから除去するの
を困難にする。
ひとつの変型例として、プラテンを水平方向に不動と
し、針板を動かす方法あるいは、各ストロークにおける
針の位置に整合した箇所に開口を有するプラテンを用い
て穿刺を行なうことが可能である。後者の場合にはプラ
テン10はシート11のような層で覆われる必要はなく、プ
ラテン10が水平方向に不動にされ、シートの積層体が各
穿刺ストローク毎にプラテン上を水平方向に移動せしめ
られる。
構造体の全深さにわたって一定の穿刺密度を得るため
に、最後の層が設置されて穿刺された後、異なる仕上げ
穿刺サイクルを行なうことが必要になる。新しい層の供
給がないのに支持体がステップ状に移動するので、針
は、構造体に達し、かつ当該針の行程下端（第４図参
照）に達するまでに空気中をある特定の距離“d"だけ進
まねばならない。
従って、針が繊維布中を等距離“d"だけ貫通する場合に
較べて針のさかとげが詰まってしまう度合が少ない。か
くして針は仕上げ穿刺の工程においても有効である。上
方の層における穿刺密度が高くなるのを防ぐために、仕
上げ層の数（例えば４）は、針が最早最終の付着層に到
達することができなくなるような時に達するのに必要と
される層の数８よりも少なくなる。
繊維材料のシートは、特に用途に応じて種々の異なる形
態で供給される。
例えば、繊維材料は、少くとも部分的に、梳毛（カーデ
ィング）によって得られた不連続な繊維の層として供給
されても良いし、あるいは連続した糸あるいはトウの単
一方向ウエブを十字状に配置して連続繊維の層を形成
し、この層を低密度で穿刺（予備穿刺）したものを供給
しても良い。後者の場合、十字状の配置は次のような公
知の手法、即ち、ラッピングによって行なうことができ
る。この方法においては糸あるいはトウの一方向のウエ
ブのうちの一方が連続的に供給され、他方の糸あるいは
トウの一方向ウエブが、第１のウエブの移動方向と直角
な方向の往復運動によって第１のウエブの上に重ねられ
る。一方向ウエブ間の相対変位によって、三層のウエブ
が、90゜以上の角度、例えば60゜をなして形成される。
構造体のより高い強度が望まれる場合、特に製造される
べき複合繊維物の最終製品に必要とされる特性の機能と
して強度が望まれる場合、繊維材料は少なくとも一つの
織布層から形成される。そのような織布層の材料として
次のものを挙げることができる。
−連続あるいは不連続繊維の織物（サテンあるいは平織
りタイプ）と、この織物上に低い穿刺密度で穿刺された
ウエブとから成る複合体。このウエブは梳毛（カーディ
ング）によって得られた不連続の繊維によるものであっ
ても良し、あるいは、ラッピングによって織物上に付着
された連続繊維から成るものであっても良い。
−連続あるいは不連続フィラメントの糸を経糸、緯糸方
向に織り合わせた単一織物。
−連続あるいは不連続フィラメントの糸を経糸方向に並
べ、緯糸方向にロービングを行なって形成した単一織
物。
上述した材料を構成する繊維は如何なる天然、人工ある
いは合成繊維であっても良く、そのままで、あるいは熱
処理後使用に供される。これ等繊維の性質の選択は、製
品の用途に応じてなされる。
多大な熱および機械的な力に耐えることを要求される複
合材料のための補強構造を製造することが望まれる場合
には、カーボンファイバー、セラミックファイバー（ア
ルミナ，シリコン，カーバイドその他）およびこれ等フ
ァイバーの先駆体（precursors），あるいはまたこれ等
先駆体と熱処理を受けたものとの中間の形態のものを用
いるのが最も適している。
三次元構造体の全体あるいはその一部が先駆体あるいは
中間形態の繊維から成る場合には、繊維に最大の強度を
賦与するために構造体を熱処理することが必要となる。
このようにすることによって、特に繊維のモヂュールが
過度に高かったり、あるいは横方向強度が過度に低い場
合に生じがちな穿刺作業中の繊維の切断を防ぐことがで
きる。カーボンファイバーやセラミックファイバーはこ
のような場合に相当する。
このように、上述した材料の少くとも一部分をカーボン
あるいはセラミックファイバーの先駆体で構成し、他部
分をカーボンあるいはセラミックファイバーで構成して
も良い。
例えば、穿刺されるべき繊維材料はカーボンファイバー
から成る高抵抗織物に、安定化されたP.A.Nファイバー
（カーボンの先駆体であるポリアクリロニトリル）の梳
毛ウエブで予備穿刺した複合体であっても良い。このよ
うな複合体においては織物が必要とされる機械的強度を
もたらし、一方繊維のウエブが、重ね合わされたシート
の穿刺をシートを破壊することなく可能とする。その理
由は、安定化されたP.A.Nによって充填された針のさか
とげがカーボンファイバーをひどく損傷することが無い
からである。経済的な理由によって、織物の重量は、必
要とされる機械強度を満たす範囲でできるだけ小さくさ
れる。例えば、表面積あたりの重量が100乃至600g/m2の
範囲に入るように選定される。
上述した例において、カーボンファイバーおよび／又は
その先駆体をセラミックファイバーおよび／又はその先
駆体に置き換えても良いことは言うまでもない。また、
カーボンまたはセラミック先駆体の織物をカーボンある
いはセラミックファイバーの梳毛ウエブと結合しても良
いことは言うまでもない。
同様に、カーボンまたはセラミックのファイバーとカー
ボンまたはセラミックの先駆体のファイバーとを組み合
わせ、それぞれ、連続あるいは不連続のフィラメントの
糸を経糸方向に配し、連続あるいは不連続のフィラメン
トの系を緯糸方向にロービングして得られる織物の経糸
および緯糸として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、平坦な層を穿刺して三次元構造体を製造する
ための本発明の方法を示す外形図、第２図乃至第４図は
本発明方法における異なる工程を示す断面図である。 10……プラテン、12……針板、14……支持テーブル、20
……ストリップ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】均質に穿刺された三次元の繊維質構造体を
    製造するための方法であって複合材料の構造体を補強す
    るものとして用いられる方法において： −繊維質材料の平坦な層をプラテン上に積み重ねる工
    程、 −前記各層を貫き且つ前記各層の下方所定の深さにまで
    針を突き通すことにより、前記各層を個々に単位表面当
    りほぼ同一且つ一定の穿刺密度で穿刺する工程、及び、 −新しい層が重ねられるごとに、穿刺層の厚さにほぼ等
    しい値だけ前記プラテンと前記針間の距離を大きくし、
    新たに重ねられた各層について前記突き通し深さをほぼ
    一定の値に保つ工程、 を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
    て、前記プラテンがベース層で被覆された表面を有し、
    該ベース層が第１層の穿刺時損傷することなく針がベー
    ス層内へ進入可能なように設計されていることを特徴と
    する方法。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項及び第２項のいずれ
    か一項に記載の方法において、穿刺時前記針と前記プラ
    テンを針の動きと直角な方向に相対的に移動させること
    によって、前記各層がその表面全体にわたって穿刺さ
    れ、前記方向の行程の終端で新しい層が先行層に重ねら
    れることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項から第３項のいずれ
    か一項に記載の方法において、最終の層が重ねられ穿刺
    された後に追加の仕上げ穿刺工程が行われ、各仕上げ穿
    刺工程では、最終に重ねられた層の穿刺密度がその他の
    層内の密度とほぼ等しくなるように構造体が前記最終層
    の外表面全体にわたって１回穿刺され、構造体全体を通
    じてほぼ一様な穿刺密度が達成されることを特徴とする
    方法。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載の方法におい
    て、前記プラテンと前記針間の距離が前記各仕上げ穿刺
    工程後増大されることを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第４項及び第５項のいずれ
    か一項に記載の方法において、前記仕上げ工程の数が、
    針が最終層に到達し得なくなるまでに要する数より少な
    いことを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項から第６項のいずれ
    か一項に記載の方法において、前記繊維質材料の層が、
    交叉状態に積み重ねられ且つ予備穿刺された一方向ウエ
    ブで形成されていることを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第７項に記載の方法におい
    て、異なる一方向ウエブが相互間に約60度の角度を形成
    していることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第７項に記載の方法におい
    て、前記ウエブが相互に独立に、カーボン，セラミッ
    ク，カーボン先駆体及びセラミック先駆体からなる群か
    ら選ばれた材料の繊維で形成されることを特徴とする方
    法。
  10. 【請求項１０】特許請求の範囲第１項から第６項のいず
    れか一項に記載の方法において、前記繊維質材料の層が
    少なくとも一つの織布層を有することを特徴とする方
    法。
  11. 【請求項１１】特許請求の範囲第10項に記載の方法にお
    いて、前記織布が連続糸によって形成され、梳毛ウエブ
    と共に予備穿刺されていることを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】特許請求の範囲第10項に記載の方法にお
    いて、前記織布が不連続糸によって形成され、梳毛ウエ
    ブと共に予備穿刺されていることを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】特許請求の範囲第１項から第６項のいず
    れか一項に記載の方法において、前記繊維質材料の層が
    梳毛ウエブと共に予備穿刺された少なくとも一つの織布
    層を有し、前記織布及び前記梳毛ウエブが相互に独立
    に、カーボン，セラミック，カーボン先駆体及びセラミ
    ック先駆体からなる群から選ばれた材料の繊維で形成さ
    れていることを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】特許請求の範囲第13項に記載の方法にお
    いて、前記織布の経糸と緯糸が相互に独立に、カーボ
    ン，セラミック，カーボン先駆体及びセラミック先駆体
    からなる群から選ばれた材料の繊維で形成されているこ
    とを特徴とする方法。
JP61149880A 1985-06-27 1986-06-27 繊維質材料の平坦な層を積み重ね穿刺して三次元構造体を製造するための方法 Expired - Lifetime JPH0759782B2 (ja)

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