JPH0759783B2 - 繊維質材料の層を穿刺して三次元軸対称構造体を製造するための方法 - Google Patents

繊維質材料の層を穿刺して三次元軸対称構造体を製造するための方法

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JPH0759783B2
JPH0759783B2 JP61149881A JP14988186A JPH0759783B2 JP H0759783 B2 JPH0759783 B2 JP H0759783B2 JP 61149881 A JP61149881 A JP 61149881A JP 14988186 A JP14988186 A JP 14988186A JP H0759783 B2 JPH0759783 B2 JP H0759783B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マンドレル上に繊維質材料の連続状ストリッ
プを巻回し、重ね合せつつ穿刺することにより接着し、
均質に穿刺された三次元の軸対称繊維質構造体を製造す
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、特にカーボン−カーボンのブレーキディスクの
ような円筒状或は環状の部品の製品の製造に利用され
る。
〔従来の技術及びその課題〕
繊維質材料の層を穿刺することによって円筒状の構造体
を製造する方法はフランス特許第2,506,672号明細書に
開示されている。この方法においては繊維質ウエブを円
筒状のマンドレルに巻回し、ウエブがマンドレル上にあ
る間に穿刺作業を行なうようになっている。
然しながら、この特許明細書においては、構造体を貫通
して一定の穿刺密度で厚い構造体を得るためにどのよう
な手段を用いるかということについては何等開示されて
いない。同様のことがフランス特許第2,378,888号及び
米国特許第3,772,125号並びに薄肉の管状構造体の製造
に係る先行技術を開示する他の文献、例えば、フランス
特許第1,570,992号，英国特許第2,48,424号及び米国特
許第3,909,893号明細書等についてもいえる。
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は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
層構造体全体に亘って、均一な穿刺特性を得ることが不
可能となる。
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、層の剥離を防ぐために、その全体に亘って
特性を均一に保つことが必要となる。
従って、本発明は、厚さの大なる三次元構造体を、積み
重ねられた層を穿刺することにより製造する方法におい
て、構造体の厚さ全体に亘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。
〔課題を解決するための手段〕
上記のような目的を達成するための本発明の構成は、均
質に穿刺された三次元の軸対称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： −製造されるべき軸対称構造体の軸方向寸法にほぼ等し
い幅の繊維質材料の連続状ストリップを、積み重なった
層を形成するようにマンドレルに巻回する工程、 −前記各層を貫き且つ前記各層の下方所定の深さにまで
針ご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
しい値だけ前記マンドレル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ものである。
ストリップをマンドレル上に一回巻回して層が形成され
る毎に、前記マンドレルが、前記針から離れる方向に、
穿刺された層の厚さに相当する距離移動される。
穿刺は、好ましくは少なくともストリップの長さと等し
い距離に亘って前記マンドレルの軸と平行に延在する針
板を用いて行なわれる。これよりも短かい針板を用いる
ことも可能ではあるが、そのような場合には、針板とマ
ンドレルとの間に軸方向の相対移動を行なわしめる必要
がある。
ある特定の実施例においては、マンドレルは回転可能で
あり、且つベース層に覆われた孔を有しない表面を具え
ており、このベース層は、構造体の最初の層の穿刺中、
針を損傷することなく、針を貫通せしめ得るようになっ
ている。構造体中における穿刺の均質性を損なうおそれ
のある穿孔ストロークの円周方向線の形成を防ぐため
に、マンドレル並びに針板に微小振幅の軸方向往復運動
を与えることができる。
針板の針に対応した開口をその表面に具えた静止型のマ
ンドレルを用いることも勿論可能である。その場合に
は、製造されつつある構造体を移動させることによって
ストリップの巻回が行なわれる。
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。厚さ方向全体に亘って均質なマンドレルを得
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略等しくされる。この仕上げ穿
刺の間中、マンドレルと針とは、あたかも新しい層が巻
回されつつある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
のさかとげの詰まりの影響が小さく、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なくとも一つの層、
或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
る少なくとも一つの層を有してもよい。
また、本発明に用いられるの繊維質材料は穿刺に適した
ものでなければならず、これは最近の熱及び機械負荷に
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な
くとも一部は、穿刺に適し且つ構造体形成後の処理によ
ってカーボン或はセラミックに変化し得るカーボン或は
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。
水平軸を中心にして回転駆動されるマンドレル10に、繊
維材料から成るストリップ20が連続的に供給される。本
例においてはマンドレル10は円形断面を有する円筒状を
なしており、製造されるべき軸対称構造体の形状に対応
する形状を有し、一方、ストリップ20は前記構造体の幅
に相応する幅を有している。ストリップ20は、マンドレ
ル上に巻回されて層を形成し、その層が、針板12によっ
て互に穿刺されて一体化されている。針板12は、マンド
レル10の上側母線の上方に位置しており、少なくともス
トリップ20の幅に等しい長さの亘ってマンドレル10の軸
線と平行に延在している。針13が垂直に且つ下方に向け
られている。
針板12とマンドレル10とは相対的に垂直方向に移動可能
である。このような相対移動を可能にするため、マンド
レルの軸を支える軸受は支持体14に装架され、針板を担
持するフレーム上においてこの支持体14が垂直方向に移
動可能とされている。支持体14の垂直方向の変位は相互
に同期して作動する複数のステップモータによって行な
われる。このステップモータはスプロケットを駆動する
ようになっており、このスプロケットに無端チェーンが
掛渡されていて、該無端チェーンに前述の支持体14が固
定されている。マンドレル10は、その軸方向一端に設け
られたモータ17により回転駆動される。
ストリップ20をマンドレル10上において一巻きして新た
な層が形成される毎に針板に対してマンドレルが穿刺層
の厚さ“e"に相当する距離だけ下降せしめられるように
なっている。
巻回と同時にストリップ20はその位置で先行層に対して
穿刺される。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、隣接層間の径方向の接着を行なう。
第２図，第３図は、上昇位置及び下降位置にある針を示
す。針は、穿刺される層の厚さの数倍（例えば８倍）の
深さに亘って構造体中に貫通する。マンドレル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。
最初の二層の穿刺を可能にするために、針13がマンドレ
ル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、マンドレル10
はベース層11によって覆われており、針は、製造される
べき構造体中に粉や繊維を持ち来たすことなく、このベ
ース層中に挿通され得るようになっている。
ベース層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
できたスリーブ11aをマンドレル10に固着し、更にスリ
ーブ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、針がマンドレル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
に更にもう一つのスリーブ11c、例えばポリ塩化ビニル
のスリーブが接着固定される。穿刺の間、針13がスリー
ブ11cを貫通するが、このスリーブ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マンドレルから除去するのを
困難にする。
製造された構造体の均質性を損なうような針ストローク
の円周方向線の形成を防ぐために、マンドレル10と針板
12との間で小振幅の軸方向の往復変位が与えられる。こ
れは、例えば、針板に微小往復動を与えることによって
達成される。
一つの変形例として、針板12上の針に対する開口を有す
る孔あきマンドレルを用いて穿刺を行なうことも可能で
ある。この場合には例えば層11のような表面層を、マン
ドレル上に設ける必要がなくなる。
マンドレルは、針板に対して垂直方向以外には移動し得
ず、シート材料の用が駆動されてマンドレル上に巻回さ
れる。ストリップ20の駆動は、例えば、製造されつつあ
る構造体の外表面において摩擦によって作動するシリン
ダのような一乃至数個の部材を用いて公知の方法で行な
うことができる。このような駆動方法はマンドレルが層
11を有している場合に有効に利用される。構造体の外表
面上において摩擦駆動を行なうような駆動装置を用いれ
ば、マンドレルの軸をモータ17によって駆動する必要が
なくなる。
構造体の全深さに亘って一定の穿刺密度を得るために、
最後の層が設置され穿刺された後、仕上げ穿刺を行なう
ことが必要となる。この仕上げ穿刺は、新しい層が置か
れた場合と同様に行なわれる。実際には、針は、構造体
に達し且つ当該針の行程下端（第４図参照）に達するま
でに空気中を或る所定の距離ｄだけ進まなければならな
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、少なくとも部分的に、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
給してもよいし、或は連続した糸またはトウの単一方向
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よ
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或はトウの一方向ウエブのうちの一
方が連続的に供給され、他方の糸或はトウの一方向ウエ
ブが、第一のウエブの移動方向と直角な方向の往復運動
によって第一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度以上の角
度、例えば、60度をなして、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
べき複合織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、或は単にマンドレルの正常な供
給を行なうために、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。
− 連続或は不連続繊維の織物（サテン或は平織りタイ
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よ
いし、或いは、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よい。
− 連続或は不連続フィラメントの糸を経糸、緯糸方向
に織合せた単一の織物。
− 連続或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の織
物。
上述した材料を構成する繊維はいかなる天然，人工或は
合成繊維であってもよく、そのままで、或は熱処理後使
用に供される。これら繊維の性質の選択は、製品の用途
に応じてなされる。
多大な熱及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）及びこれらファイ
バーの先駆体、或はまたこれら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或はその一部が先駆体或は中間形態
の繊維から成る場合には、繊維に最大の強度を付与する
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、特に繊維のモジュールが過度に
高かったり、或は横方向強度が過度に低い場合に生じが
ちな穿刺作業員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、上述した材料の少なくとも一部分をカーボ
ン或はセラミックファイバーの先駆体で構成し、他部分
をカーボン或はセラミックファイバーで構成してもよ
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よい。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、重合されたシート
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著しく損傷することがない
からである。経済的な理由によって、織物の重量は、必
要とされる機械的強度を満たす範囲でできるだけ小さく
される。例えば、表面積当りの重量が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及び／又はそ
の先駆体をセラミックファイバー及び／又はその先駆体
に置き換えてもよいことはいうまでもない。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或はセラ
ミックファイバーの梳毛ウエブと結合してもよいことも
いうまでもない。
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合
せ、それぞれ、連続或は不連続のフィラメントの糸を経
糸方向に配し、連続或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及び緯糸と
して用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明方法を実施するための装置の外形略図、
第２図乃至第４図は本発明方法による構造体の製造の異
なる工程を示す断面図である。 10……マンドレル、12……針板、13……針、14……支持
体、16……チェーン、17……モータ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】均質に穿刺された三次元の軸対称繊維質構
    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： −製造されるべき軸対称構造体の軸方向寸法にほぼ等し
    い幅の繊維質材料の連続状ストリップを、積み重なった
    層を形成するようにマンドレルに巻回する工程、 −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
    しい値だけ前記マンドレル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、前記マンドレル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２項に記載の方法におい
    て、前記マンドレルと前記針を構造体の製造中、軸方向
    に小振幅で往復移動させる工程をさらに含むことを特徴
    とする方法。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
    て、前記マンドレルが固定され且つ前記針と対向する関
    係の表面孔を備えており、前記ストリップの巻回が、製
    造されつつある構造体の外側で前記ストリップを駆動す
    ることによって行わ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３項に記載の方法におい
    て、前記ストリップの巻回が前記マンドレルを回転駆動
    することによって行わ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１項から第５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。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載の方法におい
    て、前記マンドレル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。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第５項及び第６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。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第１項から第８項のいずれ
    か一項に記載の方法において、前記繊維質材料のストリ
    ップが、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。
  10. 【請求項１０】特許請求の範囲第９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。
  11. 【請求項１１】特許請求の範囲第９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１項から第８項のいず
    れか一項に記載の方法において、前記繊維質材料のスト
    リップ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。
  13. 【請求項１３】特許請求の範囲第12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。
  14. 【請求項１４】特許請求の範囲第12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。
  15. 【請求項１５】特許請求の範囲第１項から第８項のいず
    れか一項に記載の方法において、前記繊維質材料のスト
    リップ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。
  16. 【請求項１６】特許請求の範囲第15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。
JP61149881A 1985-06-27 1986-06-27 繊維質材料の層を穿刺して三次元軸対称構造体を製造するための方法 Expired - Lifetime JPH0759783B2 (ja)

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FR85.09821 1985-06-27

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