JPH089828B2 - 三次元繊維組織体の製造法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、中空筒状または中空錐
状等の中空体の周方向、軸方向及び厚さ方向に繊維が配
列した立体的繊維組織体の製造法及びその装置に関する
ものであり、さらに詳しくは、特に、厚さ方向の層間せ
ん断力が大きく、靭性に優れた性能を要する高強度複合
材料の強化材（基材）として用いるのに適した三次元繊
維組織体の製造法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】円筒や円錐台形の円周方向、軸方向及び
半径方向に繊維を配列した立体状の繊維組織体を製造す
るため、繊維組織体の半径方向の繊維成分となるロッド
状の繊維束を、予め円筒や円錐台形の回転アンビルの表
面に、円周に沿った列及びアンビル回転軸に沿った列を
なすように、それぞれ所要の間隔を隔てて放射状に立設
し、それらのロッド状繊維束間へ円周方向及び軸方向の
繊維成分となる繊維束をフィラメントワインディングと
類似の手法により所要の巻き付け角で、所定の厚さに巻
着する技術が提案されている。

【０００３】しかしながら、上記既提案の技術において
は、繊維組織体の半径方向の繊維成分となるロッド状繊
維束が、予め回転マンドレルの表面に放射状に立設され
るため、それらのロッド状繊維束相互の間隔が、回転マ
ンドレルの表面から半径方向外側にいくに従って大きく
なり、製織される繊維組織体の半径方向の繊維成分の密
度は繊維組織体の内部から外側に向かって減少する。ま
た、組織体の半径方向の位置に応じて、半径方向成分の
繊維の分布状態を任意に変化させることが困難である。

【０００４】従って、上記従来技術によって得られた繊
維組織体を基材として成形した複合材料は、半径方向の
位置によって材料特性を異にし、材料の質的均一性が損
なわれるため、材料の用途が制約される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、上記従来技術の欠点を改善するため、周方向、軸方
向及び厚さ方向（半径方向）に繊維が配列した中空状の
立体的繊維組織体の形成に際して、厚さ方向成分の繊維
の分布密度を均一に、さらには、必要に応じて、所要の
厚さ方向位置において、所要の繊維の分布密度を得るこ
とが可能な三次元組織の繊維組織体の製造方法及び装置
を得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の三次元繊維組織体の製造法は、軸の周りに周
方向及び軸方向成分の繊維束から構成される繊維層を所
要の厚さに巻着した状態で、三次元繊維組織体の厚さ方
向の成分となる針状の繊維束をその繊維層に対して、所
要の間隔で刺入し、さらに上記繊維層を段階的に巻着す
ると共にその段階ごとに針状繊維束の刺入を繰り返し、
これにより上記針状繊維束を少なくとも複数層の繊維層
に貫通させてそれらの層間の接合を行うことを特徴とす
るものである。

【０００７】上記方法においては、各段階ごとに刺入す
る針状繊維束の刺入密度を調整し、それによって厚さ方
向の適宜繊維層間における針状繊維束の分布密度を調整
することができる。また、上記針状の繊維束としては、
強化用繊維をマトリックスによって針状に硬化成形した
ものを用いるのが望ましい。

【０００８】さらに、上記課題を解決するための本発明
の三次元繊維組織体の製造装置は、周方向及び軸方向成
分となる繊維束を供給するための繊維束供給装置と、上
記繊維束供給装置から供給される繊維束を配向角を変え
ながら駆動部による回転駆動でマンドレルの周囲に巻取
る繊維層巻取り装置と、上記マンドレルに巻取られた繊
維層に針状の繊維束を射出する繊維束射出装置とを備え
ることによって構成される。

【０００９】

【作用】本発明の製造法においては、軸の周りに周方向
及び軸方向成分の繊維束から構成される繊維層を巻着
し、その繊維層に対して、三次元繊維組織体の厚さ方向
の成分となる針状の繊維束を刺入することにより三次元
繊維組織体を組織させているので、上記針状繊維束の刺
入に際して、針状の繊維束の間隔を厚さ方向位置に拘わ
らず等間隔に配列することにより、材料特性の均一化を
図れるばかりでなく、上記針状の繊維束の刺入密度を任
意に変化させることが可能であるため、材料の厚さ方向
の任意部位に要求される特性に応じた繊維配列の材料を
成形することができる。

【００１０】また、本発明により得られた三次元繊維組
織体を基材とする複合材料は、周方向及び軸方向成分の
繊維束からなる繊維層間が針状の繊維束によって強化さ
れており、繊維層間の剥離が容易に生じない靭性の高い
特性を発現させることができる。

【００１１】

【実施例】本発明により製造される三次元繊維組織体
は、軸の周りの周方向及び軸方向成分の繊維束から構成
される繊維層と、その繊維層間に刺入される針状の繊維
束とを組織体成分として、中空筒状または中空錐状等の
中空体形状に形成されるものである。以下においては、
最終的に形成される繊維組織体の形状が円筒の場合につ
いて例示するが、周方向及び軸方向成分の繊維束の層状
の巻着により軸の周りに繊維層の形成が可能な形状、例
えば円錐台、中空の角柱等、各種形状の繊維組織体にも
適用することができる。

【００１２】図１ないし図３は、本発明に基づいて三次
元繊維組織体を製造する過程を順を追って示すもので、
その三次元繊維組織体の製造に際しては、それらの図に
示すように、マンドレルＭの周囲に、周方向及び軸方向
成分の繊維束から構成される繊維層Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 ・
・を巻着し、その巻着の過程において、所要の厚さ毎
に、三次元繊維組織体の厚さ方向成分となる針状繊維束
Ｐ11・・Ｐ1i・・Ｐ1n，Ｐ21・・Ｐ2n，・・，Ｐm1・・
Ｐmnを、巻着された繊維層に対して刺入する。この針状
繊維束は、所要の間隔をおいて上記繊維層に直交または
斜交して貫通するよう刺入し、それにより周方向及び軸
方向成分の繊維束と厚さ方向成分の針状繊維束とから構
成される三次元組織体を組織させる。

【００１３】上記針状繊維束としては、周方向及び軸方
向成分の繊維束からなる繊維層に刺入できるように、強
化用繊維を樹脂等のマトリックスにより硬化成形して、
先端を針状に尖鋭化したものを用い、その長さは、少な
くとも段階的に巻着される周方向及び軸方向成分の繊維
束からなる繊維層の複数層を貫通できるものとし、一般
的には数層を貫通して刺入可能な長さのものが使用され
る。これにより周方向及び軸方向成分の繊維束からなる
繊維層の層間の剥離を防止することが可能となる。

【００１４】図を参照して更に具体的に説明すると、図
１において、Ｍは周方向及び軸方向成分の繊維束を巻着
する際のアンビルとなるマンドレルで、中心Ｏを軸に回
転するように支持される。このマンドレルＭには、同図
に示すように、周方向及び軸方向成分の繊維束からなる
所要の厚さの第１層及び第２層の繊維層Ｌ1 ，Ｌ2 を巻
着したうえで、矢印Ｉで示す繊維束刺入位置において針
状繊維束Ｐ11，Ｐ12，・・，Ｐ1i，・・，Ｐ1nを刺入す
る。

【００１５】周方向及び軸方向成分の繊維束からなる繊
維層は、マンドレルＭに、炭素繊維等の繊維束、所謂ロ
ービングを、周方向及び軸方向に配向するように傾斜さ
せて巻着することによって形成できるが、個別的に周方
向繊維束及び軸方向繊維束をマンドレルＭに巻着して形
成することもでき、さらに、予め交差する繊維束を布状
に形成しておき、それをマンドレルＭに巻着することに
より形成することもできる。

【００１６】マンドレルＭに所要の厚さに層状に巻着し
た繊維層Ｌ1 ，Ｌ2 には、針状繊維束Ｐ11，Ｐ12，・
・，Ｐ1nを、所定の間隔をおいて、繊維層Ｌ1 ，Ｌ2 に
埋没するように、且つその繊維層の全周に分布するよう
刺入するが、針状繊維束の分布密度は、部分的に変化さ
せることができる。

【００１７】次に、図２に示すように、上記繊維層Ｌ1
，Ｌ2 の上に、第１層や第２層と同様の周方向及び軸
方向成分の繊維束からなる第３層の繊維層Ｌ3 を巻着
し、針状繊維束Ｐ21，Ｐ22，・・，Ｐ2nを、繊維層Ｌ2
に既に刺入した針状繊維束Ｐ11，Ｐ12，・・，Ｐ1nの間
に位置するように刺入し、少なくとも繊維層Ｌ2 と繊維
層Ｌ3 を針状繊維束によって接合させる。

【００１８】以下、図３に示すように、前記と同様の動
作によって繊維層Ｌ4の巻着と針状繊維束Ｐ31，Ｐ32，
・・の刺入を任意の密度で段階的に繰返して行い、繊維
が周方向、軸方向及び厚さ方向に配列した三次元繊維組
織体を形成する。図１〜図３においては、段階的に巻着
される繊維層が１層の場合について例示したが、段階的
に巻着する繊維層が複数層であってもよく、針状繊維束
は段階的に巻着される繊維層の厚さと層数に応じて複数
の層間を接合する長さのものが採択される。

【００１９】各段階ごとに刺入する針状繊維束は、前述
したように、一つの繊維層の表面において部分的に刺入
密度を調整できるのは勿論であるが、厚さ方向の繊維層
間のそれぞれにおいても針状繊維束間隔を実質的に等間
隔にすることにより刺入密度を均一化し、あるいはそれ
を適宜調整して、刺入密度を任意に変化させることがで
きる。それにより、材料特性の均一化を図り、あるい
は、材料の厚さ方向の任意部位に対し、要求される特性
を付与した材料を成形することができる。

【００２０】上述した方法によって得られる三次元繊維
組織体は、周方向及び軸方向成分の繊維束を所要の厚さ
に巻着した繊維層に対して、厚さ方向の成分となる針状
の繊維束を所要の間隔で貫通させて組織しているため、
これを基材として用いた複合材料は、周方向及び軸方向
成分の繊維束からなる繊維層間が針状の繊維束によって
強化されており、繊維層間の剥離が容易に生じないよう
な高い靭性を発現させることができる。また、上記の針
状の繊維束を繊維層に刺入するに際して、針状の繊維束
の間隔を全体として等間隔に配列することにより、材料
特性の均一性を得ることができ、さらに、必要に応じ
て、上記針状の繊維束の密度を任意に変化させ、材料の
部位に要求される特性に応じた繊維配列の材料を成形す
ることができる。

【００２１】次に、上記三次元繊維組織体を製造するた
めの本発明の装置の実施の態様を、図４ないし図６を参
照して詳述する。図４及び図５に示す三次元繊維組織体
の製造装置は、機台１上に、周方向及び軸方向成分とな
る繊維束１０を供給する繊維束供給装置２と、上記繊維
束供給装置２から供給される繊維束を繊維層Ｌ1 ，Ｌ2
，Ｌ3 ・・として巻取る繊維層巻取り装置３と、上記
繊維層に針状の繊維束Ｐ11・・Ｐ1n，Ｐ21・・Ｐ2n，・
・，Ｐm1・・Ｐmnを射出する繊維束射出装置４とを備え
ている。

【００２２】上記繊維束供給装置２は、機台１上のガイ
ド１１により摺動自在に支持されたボビン支持台２１上
に、三次元繊維組織体の周方向及び軸方向成分となる炭
素繊維等の繊維束１０、所謂ロービングを解舒して供給
するボビン２２を回転自在に支持し、そのボビン支持台
２１をトラバース機構により上記ガイド１１に沿って一
定の範囲内で往復駆動するように構成している。このト
ラバース機構は、正逆回転するモータ２３で回転駆動さ
れる送り用ねじ軸２４をボビン支持台２１に螺挿するこ
とにより、そのボビン支持台２１を往復摺動させるもの
である。また、上記ボビン支持台２１上には、ボビン２
２から解舒された繊維束１０を案内するガイドローラ２
５，２６及びガイドノズル２７を備えている。

【００２３】繊維束供給装置２から供給される繊維束１
０をマンドレル３１の周囲に巻取る繊維層巻取り装置３
は、そのマンドレル３１を機台１上に回転自在に支持さ
せ、駆動部を構成するマンドレル駆動モータ３２により
それを回転駆動するようにしたもので、前述したボビン
支持台２１はこのマンドレル３１に沿って往復移動する
ようにしているため、繊維束１０は配向角を変えなが
ら、周方向及び軸方向成分の繊維束としてマンドレル３
１に巻取られる。

【００２４】さらに、上記機台１上には、マンドレル３
１に繊維束１０を巻取ることにより形成された繊維層Ｌ
1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 ・・に、針状の繊維束Ｐ11・・Ｐ1n，Ｐ
21・・Ｐ2n，・・，Ｐm1・・Ｐmnを射出する繊維束射出
装置４を備えている。

【００２５】この繊維束射出装置４は、機台１上のガイ
ド１２によりマンドレル３１の軸線方向に摺動自在に支
持された移動台４１上に設置されたもので、移動台４１
はトラバース機構により上記ガイド１２に沿って一定の
範囲内で往復駆動されるように構成している。このトラ
バース機構は、正逆回転するモータ４２で回転駆動され
る送り用ねじ軸４３を移動台４１に螺挿し、モータ４２
によるねじ軸４３の正逆回転によりその移動台４１を往
復摺動させるものである。

【００２６】マンドレル３１上の繊維層Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ
3 ・・に対する針状繊維束Ｐ11・・Ｐ1n，Ｐ21・・Ｐ2
n，・・，Ｐm1・・Ｐmnの射出を行うための射出機構
は、エアシリンダからなる射出駆動機４５を備えた射出
台４４を、上記移動台４１上のガイド４６に沿ってマン
ドレル３１に接離する方向に移動可能に支持させ、移動
台４１上のモータ４７によるねじ軸４８の回転により、
そのねじ軸４８を螺挿した射出台４４を駆動可能にした
ものである。

【００２７】上記射出台４４は、図４ないし図６から分
かるように、その上面に、マンドレル３１上の繊維層に
対して刺入するための針状繊維束Ｐを装填するガイド溝
４９を備え、射出駆動機４５を構成するエアシリンダの
ロッドに、このガイド溝４９に沿う駆動により針状繊維
束Ｐを押し出す押圧部材５０を取り付けている。上記ガ
イド溝４９への針状繊維束Ｐの供給は、図示していない
が、適宜自動搬送、自動供給機構を設けて自動供給する
ことができる。また、上記針状繊維束Ｐを刺入するため
の機構は、その複数を設置して能率的な刺入を行うこと
ができる。

【００２８】従って、マンドレル３１の回転及びモータ
４２による移動台４１の移動により射出駆動機４５によ
る針状繊維束の刺入位置を決め、またマンドレル３１上
の繊維層の巻径に応じて、モータ４７により射出台４４
をマンドレルに対して進退させ、それによって所要の位
置に射出駆動機４５を配置し、射出駆動機４５により針
状繊維束の適切な刺入を行うことができる。

【００２９】上記構成を有する三次元繊維組織体の製造
装置によれば、繊維束供給装置２のボビン支持台２１に
支承されたボビン２２から解舒された繊維束１０は、ガ
イドローラ２５，２６及びガイドノズル２７により案内
され、モータ２３の回転駆動によるボビン支持台２１の
移動により、回転するマンドレル３１に、三次元繊維組
織体の周方向及び軸方向成分として巻取られ、周方向及
び軸方向に配列された第１段階の繊維層Ｌ1 が形成され
る。同様にして、第２段階の繊維層Ｌ2 、第３段階の繊
維層Ｌ3 を順次形成することができる。

【００３０】所要段階の繊維層を形成の後、マンドレル
３１の回転を停止して繊維束１０の巻取り動作を一旦中
止し、繊維束射出装置４により針状繊維束Ｐが刺入され
る。この針状繊維束１０の刺入は、マンドレル３１の回
転及びモータ４２による移動台４１の移動により、針状
繊維束の刺入位置を決めて行うことができ、従って任意
の段階で刺入密度を任意に調整することができる。ま
た、マンドレル３１上の繊維層に対する針状繊維束の刺
入は、繊維層の巻径に応じて射出台４４をマンドレルに
対して進退させ、それによって所要の位置に針状繊維束
を完全に埋没するまで刺入し、あるいは適切な深さに刺
入することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上に詳述した本発明によれば、周方
向、軸方向及び厚さ方向に繊維が配列した中空状の立体
的繊維組織体の形成に際して、厚さ方向成分の繊維の分
布密度を均一に、さらには、必要に応じて、所要の厚さ
方向位置において、所要の繊維の分布密度を得ることが
可能な三次元組織の繊維組織体の製造及び装置を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により製造される三次元繊維組織体の製
造の過程を説明するための説明図である。

【図２】図１の状態に続く三次元繊維組織体の製造の過
程を示す説明図である。

【図３】図２の状態に続く三次元繊維組織体の製造の過
程を示す説明図である。

【図４】本発明の三次元繊維組織体の製造装置の構成を
示す平面図である。

【図５】図４におけるＡ−Ａ位置での断面図である。

【図６】三次元繊維組織体の製造装置における針状繊維
束の射出機構の要部断面図である。

【符号の説明】

２ 繊維束供給装置、 ３ 繊維層巻取
り装置、４ 繊維束射出装置、 １０ 繊
維束、３１ マンドレル、Ｌ1 ，Ｌ2，Ｌ3 繊維
層、 Ｍ マンドレル、Ｐ，Ｐ11・・Ｐ1n，
Ｐ21・・Ｐ2n，・・，Ｐm1・・Ｐmn 針状繊維束。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸の周りに周方向及び軸方向成分の繊維束
   から構成される繊維層を所要の厚さに巻着した状態で、
   三次元繊維組織体の厚さ方向の成分となる針状の繊維束
   をその繊維層に対して、所要の間隔で刺入し、さらに上
   記繊維層を段階的に巻着すると共にその段階ごとに針状
   繊維束の刺入を繰り返し、これにより上記針状繊維束を
   少なくとも複数層の繊維層に貫通させてそれらの層間の
   接合を行うことを特徴とする三次元繊維組織体の製造
   法。
2. 【請求項２】各段階ごとに刺入する針状繊維束の刺入密
   度を調整し、それによって厚さ方向の適宜繊維層間にお
   ける針状繊維束の分布密度を調整することを特徴とする
   請求項１に記載の三次元繊維組織体の製造法。
3. 【請求項３】針状の繊維束として、強化用繊維をマトリ
   ックスによって針状に硬化成形したものを用いることを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元繊維
   組織体の製造法。
4. 【請求項４】周方向及び軸方向成分となる繊維束を供給
   するための繊維束供給装置と、上記繊維束供給装置から
   供給される繊維束を配向角を変えながら駆動部による回
   転駆動でマンドレルの周囲に巻取る繊維層巻取り装置
   と、上記マンドレルに巻取られた繊維層に針状の繊維束
   を射出する繊維束射出装置とを備えたことを特徴とする
   三次元繊維組織体の製造装置。