JPH09512495A - 繊維束含浸方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、繊維束の含浸方法に関するものであり、該繊維束は支持体上に配置され、支持体は該支持体上に置かれている繊維束とともに含浸機を通って移動する。この方法において、含浸工程の間、繊維束は支持されており、したがってその製造中における繊維の分離を大いに抑える繊維強化プラスチックが製造される。本発明の概念において可能な変形例の一つは、繊維束を受けて含浸機に導く含浸車輪を備えることである。

Description

【発明の詳細な説明】 繊維束含浸方法及び装置 ［技術分野］ 本発明は、繊維束がマトリックス材料によって含浸される繊維束の含浸方法に 関する。 ［背景技術］ このような方法はヨーロッパ特許明細書（ＥＰ）４１５５１７Ｂ１．からも周 知である。該文献には、液状マトリックス材料の高使用圧力が繊維束に対して直 角方向にかけられる片側だけの含浸方向による手順が記述されている。繊維束は ノズルヘッドによって引き込まれ、マトリックス材料は繊維束の移動方向に対し て直角に押し込まれる。この方法においては、繊維束の摩擦による圧力は非常に 高く、製造された材料の質は、個々のフィラメントの多くが繊維束内で分離する ことによって低下する。繊維束内のフィラメントは多くの場合、蓄積形状、すな わち繊維束の横断面上を不均一に分布している。 このように不均一に分布する結果として、流れるマトリックス溶融液は繊維束 を割り、したがってマトリックスはその間隙を流れ、含浸するはずの繊維束を流 れない。しかしながら、繊維束の割裂がない場合でさえも、マトリックスは決ま って最小抵抗路を通ろうとする、すなわち、マトリックスは繊維束の厚さが最小 の位置を浸透するだけである。このことは多数の重ねられたフィラメントの層を 有する部分は十分に浸透されないことを意味する。 含浸中の問題は、マトリックス材料の高粘性および繊維束内の個々のフィラメ ントの高い分離感度である。個々のフィラメントは互いに非常に近接しており、 マトリックス材料をフィラメントの周囲全体に均一に含浸するのは難しい。含浸 繊維束内においては、テープとしても知られるように、繊維束の強度、剛性およ びその他の機械的特性を大いに減らしめる空気が含有されたりあるいは十分に浸 透されていない部分がないように成形されることを確実にすることも必要である 。 ［発明の開示］ 本発明の目的は前述したような種類の方法を提供することであり、とりわけ高 処理量を有すると同時に、フィラメントの分離を大いに防ぐことができる場合に おいては、繊維束やそのほかの繊維の予備成形物（たとえばファイバーマット） には含浸が良好に行われる。さらに、この装置は本発明に応じた方法を行うよう に備えられる。 本発明の目的は請求項１の特徴的な点によって達成される。さらに好適な改良 は従属項において記述されている。 本発明の基本概念によれば、繊維束は含浸工程の間支持体上に沿って運ばれる 。繊維束は支持体によって支持され、含浸機を通って導かれる。このように、繊 維束と含浸機の固定された部分との間には相対運動はない。このように、繊維束 の高摩擦応力による摩耗工程および含浸の道具はさけられる。支持体の支持作用 の結果、繊維束は高含浸圧の場合でさえも、圧力を効果的に軽減する。支持体を 使用することによって、フィラメントの分離は大いに抑えられ、したがって含浸 繊維束の質が改良される。 さらに好適な改良において、繊維束は付加装置によって支持体上に固定される 。これによって、含浸工程の間に繊維束が圧縮加重に対して十分に保護されるよ うに、支持面と繊維束の間の接触がとりわけ好適に行われる。このことは、繊維 束を単に伸ばすことによって、たとえば前記繊維束をブレイクトロール（ｂｒａ ｋｅｄ ｒｏｌｌ）上に導くことによって達成される。 マトリックス材料は以下の方法によって繊維束に供給される。フィード機構（ 押出機）において強められる圧力の助勢によって、液状のマトリックス材料は浸 透可能な支持面をを通って押し込まれ、それからさらに繊維束に案内される。前 述した均一の通過原理が用いられない場合には、マトリックス材料は反対側から 供給する、すなわち、最初に繊維束を通過し、それから支持体を通過することも 可能である。この両方の場合においても、支持体はその支持機能を果たす。 圧力を減らすために、最大領域を越えて含浸工程を行うことが好適である。そ のため、含浸は限られた圧力と一定の質で行うことができ、したがってフィラメ ントの分離がほとんどない繊維強化プラスチックが製造される。 この方法による主な利点は、繊維束は含浸工程の間には繊維束と含浸部の間の 相対運動の結果、摩耗を受けにくいというこである。なぜなら、本発明によれば 繊維束のフィラメントと含浸部の構成部品との間のすべての相対運動は実質的に 抑えられているからである。マトリックス材料に対する繊維の容量パーセントは 広い範囲内で調節することが可能である。また、この工程においては非常に高い 排出量を達成することができるとともに、マトリックスの排出を非常に低レベル に保つこともできる。前述した支持体構造の結果として、繊維束の幅を超えて不 均一にフィラメントが分布しているような場合においてでさえ、完全な含浸が保 証される。 本発明の使用においてとりわけ好適な改良としては、支持体としての含浸車輸 によってなされる。固定されたハブを備えた含浸車輸に関しては、接触面あるい はトレッドのみが回転可能で、液状マトリックス材料を浸透可能である。接触面 が繊維束の引き取り速度で回転する場合、支持体と繊維束との間には何の相対運 動もない。固定された機械部分に対するフィラメントの摩擦はなく、摩耗によっ て引き起こされるフィラメントの分離が生じることもない。 含浸機および含浸方法を行うためのさらなる手段は、固定された車輸のハブに 近接して配置することができる。小型ノズルに対して広げられた含浸領域によっ て含浸圧力を低くすることが可能となる。含浸ノズルによって行う場合には繊維 束には圧力サージングが起こりにくく、それよりも所望の含浸度が含浸領域の端 部に到達するまで少しずつ含浸していく。処理量は含浸工程の時間を延長するこ とによって任意に増量させることができる、すなわち含浸時間は含浸車輸の径を 大きくすることによってもたらされる。 さらに処理量を増加させるには、複数の繊維束を並列して案内することによっ て、つまり含浸車輸上に平行であると同時に、含浸車輸の幅が複数の並列された 繊維束に合わせて作られることで成し逐げられる。処理量は、再び任意に増量す ることができる。 含浸工具の内部から繊維束までの液状マトリックスの通路、すなわち前記工具 内の溶融マトリックスの滞留時間は短い。これは、マトリックスの長時間のサー モスタット制御によって、たとえば熱劣化によって制限されるというように、損 傷を受ける危険を意味する。開口構造であるために、全構成部品に対し高速アク セスが可能であり、組み立て時間も同様に短い。 本発明をさらに改良したところ、繊維束は含浸の前に温められる。たとえばこ れは温かい空気によって行われる。含浸繊維束の分離は、高圧下でサーモスタッ ト制御された空気を流入することによって改善することができる。 さらに別の改良において、複数の含浸車輸は連続して配置することができると ともに反転することができる。これはある場合において好適であり、繊維束の早 い引き抜き速度によってさらに処理量の増量につながる。 さらに別の改良によれば、繊維束によって覆われていない支持体付近は、接触 面洗浄装置に合わせられる。このようにして、繊維束を受けるために常に十分に 用意された接触面があり、そこには実質的にマトリックス残留物がない。 支持体の他の実施例においては、たとえば回転ベルトまたは回転チェーンリン クあるいは戻し機構を備える支持面を構成することができる。 繊維材料としては、ガラス繊維、炭素繊維あるいはアラミデ繊維がよく用いら れる。標準マトリックス材料は熱硬化性および熱可塑性の材料である。しかしな がら、本発明における方法においてはこれらの材料に限定されず、多数の材料を 繊維強化材料の製造に用いることができる。 本発明は添付した図面において、以下に詳細に記述されている。 ［図面の簡単な説明］ 第１図は、本発明にかかる装置の全体構造を概略的に表したものである。 第２図は、側面からみた含浸車輸の線図を示す。 第３図は、含浸車輪の線断面図を示す。 第４図は、回転含浸ベルトの線図である。 第５図は、戻し機構を備える支持体の線図である。 第６図は、均質体を通る流れの線図である。 第７図は、透過支持体を通る流れの線図である。 第８図は、拡大詳細図を備えた含浸車輸の概略的な部分断面図である。 ［発明を実施するための最良の形態］ 第１図は本発明にかかる装置の概略的な全体構造を示している。もし必要であ るならば、含浸方法は各ホルダー１から供給される小型の繊維束が組み合わせる ことで始まる。必要とされた小型繊維束の数によって、完成繊維束の所望の強度 と厚さの機能が得られる。第１図には３つの小型繊維束６ａ，６ｂおよび６ｃが 示されている。組み合わせられた繊維束６はブレイクトロール（ｂｒａｋｅｄ ｒｏｌｌ）２によって繊維束を反らせることで必要な引張応力が得られる。 本発明にかかる含浸部の活動区域は、図１において含浸車輪３として組み立て られる地点において始まる。以下の実際の含浸方法において、成形装置４は繊維 束の次の形状に合うようにすることができるので、そのため完成含浸繊維束とし てロール５上を回転させることができる。含浸車輪を通り過ぎた直後に含浸され た繊維束はまたさらなる加工がされる。 第２図は、含浸車輪の動作を概略的に示している。繊維束６が一定速度で回転 する接触面３５上を走行するのに対し、ハブ領域は固定されている。第一領域３ １は、温められた空気が接触面を通って繊維束に流れ、搬入される繊維束を温め るために用いられる。実際の含浸工程は第二領域で行われ、第二領域は液状マト リックス材料が接触面を通って高圧で押し込まれ、所望の含浸度まで含浸される 繊維束は含浸領域の端部に到達する。含浸工程が広角度範囲を越えて行われる場 合には、完全な含浸を行うために十分な含浸時間がなければならない。このよう にして、繊維束に対して垂直方向に働く必要なマトリックス圧力は、できる限り 低く保つことができる。低い内圧によって、必要な繊維束の張力を抑えることが できる。処理量は接触面３５の増加した回転速度によって増爪させることができ る。第三領域３３において、含浸された繊維束は接触面３５から離される。繊維 束はサーモスタット制御された空気と高圧によって、さらに与えられた引き取り 方向を通って接触面３５を離れることができる。最終領域３４においては、接触 面３５には繊維束はなく、接触面３５は再び繊維束を受け取るための用意がされ る。個々の領域はそれぞれ密閉室としても理解され、その室は第一には固定され たハブの形成領域によって、第二には繊維束の速度で回転する接触面によって構 成される。必要な材料は接続部品によって、外部から室内に供給される。 第３図は、含浸車輪の平面図を示している。接触面３５は液状マトリックス材 料を浸透可能で、また回動可能でもある。接触面の幅は得られた繊維束の幅に相 当している。周辺領域は幾分高くされている。温められた空気は供給装置３１ａ を通って第一領域３１に移される。供給装置３２ａは液状マトリックス材料を含 浸装置に移す。高圧でサーモスタット制御された空気は、供給装置３３ａを通っ て第三領域３３に移される。 第４図は、本発明における他の実施例を示している。チェーンリンクで組み立 てることができる回転ベルト４５は、複数のロール４１上を走行する。繊維束６ は、回転ベルト４５から受け取られ、含浸機４２に導かれる。本実施例に示され るマトリックス材料は上方から、すなわち最初に繊維束を通り、それから支持面 を通るように押しつけられる。ここでもまた、支持面はマトリックス材料を浸透 可能であることが好適である。 第５図において、繊維束６は支持体５５とともに含浸機４２に導かれる。支持 体５５は最初は繊維束６の速度で移動し、次に戻し装置５６によって下方に移動 し、その後高速で出発位置に戻る。含浸機４２の時間制御および／または空間制 御と同時に、戻し装置５６の巧みな制御によって、繊維束の各部分は均一に含浸 される一方で、下方から支持されることを保証することができる。 第６図は概して、流体が均質体６０をどのように通って流れるかを示している 。均質体６０は流体が下方から流れて通っているのが示されている。矢印６２は 流れの方向を示しており、マトリックス材料を供給する含浸装置に相当している 。矢印６１は、均質体はその全容量を越える均一な耐浸性を有しているために、 流体が均質体の出口表面から均一に通るということを表している。 第７図に関して、繊維束の含浸に関して均一に通る流れの原理の重要性が記述 されている。ロービングまたはホルダー１から解かれた繊維束６はフィラメント とも呼ばれる多数の繊維から構成される。繊維束６を詳細に考察すると、フィラ メントはその幅一面に不均一に並べて重ね合わされていることが理解される。フ ィラメント平面が蓄積されている領域６４が存在する。これらのフィラメントの 蓄積体６９は、横断面の異なる点で繊維束に沿って配置される。含浸において、 このことは繊維束の耐浸性はそれらの横断面にわたって溶解したマトリックス材 料にとっては一定でないということを意味している。フィラメントの蓄積領域に おいては、耐浸性は高いが、これに対して単にフィラメント平面が少ししかない 領域においては、耐浸性は低い。また、マトリックス材料は薄い点６３を浸透す るときには、繊維束６を分離することが可能であり、そしてマトリックス材料の 大部分は繊維束６のこの間隙を通って流れ、それによってマトリックス材料の滴 下において圧力が強められる。したがって、フィラメントの蓄積体６４を有する 位置においては含浸することはできない。繊維束６のフィラメントの分布をある 程度平らにする時には、第７図および第８図に関して記述された構造はフィラメ ント平面の厚みの分布とは無関係に高度な含浸を確実にするのに十分な可能性を 与える。同様に設計された支持体は、それ自体特許性を有する。 この例は第７図に記述されている。含浸される繊維束６は、均質多孔体６５に きつく連結され、該均質多孔体は支持体部分となり、繊維束を受けるように組み 立てられ、液状マトリックス材料を透過することができる。前記均質多孔体６５ が含浸される繊維束６にきつく連結され、その耐浸性が明らかに低く、不均一に 分布するのであれば、繊維束を通る流れは均一の流頭で起こる。このことは、前 記繊維束６においてマトリックス材料は定圧および一定の流速条件下で入ること ができるという事実によるものである。繊維束は均質多孔体６５の厚さと較べて 非常に薄いのであれば、流頭は繊維束６を均等に流れる。したがって、繊維束６ を受ける均質多孔体６５あるいは支持体の該当部分は、含浸する繊維束の耐浸性 よりも高い一定の耐浸性を有さなければならない。それゆえに、繊維束のフィラ メントの分布とは関係なく、連続した均一のマトリックス材料の流頭を有し、繊 維束６を通る放射方向の流れがある。これにより、繊維束６は高耐圧性を有する 円筒部分として組み立てられるということがもたらされる。 第８図は第２図に関して記述された含浸車輪上に第６図および第７図において 記述された繊維束を通る流れを示している。含浸車輪の接触面３５は高耐浸性を 有する材料の均質の層から形成される。接触面３５は液状マトリックス材料によ って内側から横断され、これは拡大詳細図の参照番号６８が付されている。接触 面３５のこのような構造の結果として、外側の繊維束６を通って均等に流れるよ うに均一な流頭となる。このことは、繊維束が均一あるいは不均一な厚みの分布 を有するか否かとは無関係に生じる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 繊維束がマトリックス材料によって含浸される繊維束の含浸方法において 、繊維束は支持体上に位置し、支持体は該支持体上に置かれている繊維束ととも に含浸機を通って導かれることを特徴とする含浸方法。 ２． 請求項１記載の含浸方法において、繊維束を固着するために引張応力が繊 維束にかけられることを特徴とする含浸方法。 ３． 請求項１または２の何れかに記載の含浸方法において、前記繊維束は含浸 工程の前に温められることを特徴とする含浸方法。 ４． 請求項１ないし３の何れかに記載の含浸方法において、マトリックス材料 が支持体を通って繊維束に導かれることを特徴とする含浸方法。 ５． マトリックス材料で繊維束を含浸するための含浸機を有する繊維束含浸装 置において、支持体は繊維束を受けるために備えられ、また前記支持体は移動可 能で、さらに含浸機に近接して配置されることを特徴とする含浸装置。 ６． 請求項５記載の繊維束含浸装置において、前記支持体は固定されたハブ部 と回動接触面とを備える車輪であることを特徴とする含浸装置。 ７． 請求項５または６の何れかに記載の繊維束含浸装置において、前記支持体 は複数の平行に案内された繊維束を受けて含浸するように組み立てられることを 特徴とする含浸装置。 ８． 請求項５ないし７の何れか記載の繊維束含浸装置において、複数の支持体 が連続して配置され、該支持体は繊維束の両側から含浸することができるように 、互いに向かい合って移動することを特徴とする含浸装置。 ９． 繊維束をマトリックス材料によって含浸する繊維束含浸装置において、支 持体が繊維束を受けるために備えられ、繊維束を受けるための支持体領域はマト リックス材料を透過可能で、また前記支持体領域はマトリックス材料の一定の耐 浸性を有するように均質に構成され、さらに該支持体領域は、とりわけ結合する 繊維束の耐浸性よりも高いマトリックス材料の高耐浸性を有していろことを特徴 とする含浸装置。 １０．請求項９記載の繊維束含浸装置において、繊維束を受けるとともにマトリ ックス材料を浸透可能に組み立てられた支持体領域は高耐浸性を有する円筒部と して組み立てられることを特徴とする含浸装置。