JPS626957A - 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

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〕 本発明は、繊維質材料の平坦な層を重ね合せて穿刺によ
り接着して三次元構造体を製造する技術に関するもので
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問題点〕

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
のウェブを円筒状のマンドレルに巻回し、ウェブがマン
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２，３７８，８８
８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３，９０９，８
９３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。

〔問題点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に、本発明は、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
の方法であって、製造されるべき構造体の軸方向寸法に
略等し゛い幅の繊維質材料のストリップをマンドレル上
に巻回し、巻回と同時に、巻回されたストリップによっ
て形成される重なった層を穿刺して前記構造体を製造す
るための方法において、ストリップの巻回が進行するに
つれてマンドレルと穿刺用針との間の距離を変化させ、
それによって穿刺深さを略一定に保つことを特徴とする
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仮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８一 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
る数よりも少なくされる。

本発明の他の目的は、以上に述べた方法を実施するのに
適した繊維質材料を提供することにある。

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１ｏ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ｌＯ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の幅に等しい長さに亘
ってマンドレル１０の軸線と平行に延在している。針１
３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に、
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１ｏ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−巻きして
新たな層が形成される毎に針仮に対してマンドレルが穿
刺層の厚さＩＩ　ｅ　ＩＩ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。

＝１２− ベース層重１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ｌｌａをマンドレル１゜に固着し、更
にスリーブｌｌａ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Ｊｉｉｌｌ
ｂ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ｌｌｃ、
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ｌｌｃを貫通するが、この
スリーブｌｌｃが存在することによって、ストリップ２
０の材料がフェルトベースの層中に埋め込まれてしまう
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、針仮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上の針に対応する開口を
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
す、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−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
でに空気中を成る所定の距離ｄだけ進まなければならな
い。従って、針が繊維布巾を等距離ＩＩ　ｄ　ＰＩ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よりも少なくされる。

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
ウェ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ェブのうちの一方
が連続的に供給され、他方の糸或はトウの一方向つニブ
が、第一のウェブの移動方向と直角な方向の往復運動に
よって第一のウェブの上に重ねられる。一方向ウェブ間
の相対変位によって、三層のウェブが、９０度以外の角
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
べき複合繊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ェブと
から成る複合体。このウェブは梳−１６二 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）の梳毛ウェ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、繊維のウェブが
、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／　ｒｌ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ェ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Ｌの糸を緯糸
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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　繊維質材料の層を穿刺して三次元軸対称構造体を製
   造するための方法であって、製造されるべき構造体の軸
   方向寸法に略等しい幅の繊維質材料のストリップをマン
   ドレル上に巻回し、巻回と同時に、巻回されたストリッ
   プによって形成される重なった層を穿刺して前記構造体
   を製造するための方法において、ストリップの巻回が進
   行するにつれてマンドレルと穿刺用針との間の距離を変
   化させ、それによって穿刺深さを略一定に保つことを特
   徴とする方法。 ２　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前記
   ストリップを前記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だけ移動されるこ
   とを特徴とする方法。 ３　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有しており、前記ベース層は、前記
   構造体の最初の層の穿刺中、前記針を損傷することなく
   前記針を貫通せしめ得るようになていることを特徴とす
   る方法。 ４　特許請求の範囲第３項に記載の方法において、前記
   構造体の製造中、前記マンドレルと針板とが、軸方向に
   微小振幅の往復運動を行なうようになっていることを特
   徴とする方法。 ５　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前記
   マンドレルは静止しており、針に対応した開口をその表
   面に具えていることを特徴とする方法。 ６　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前記
   ストリップの巻回は、製造されつつある構造体の外側に
   おいて前記ストリップを駆動することによって行なわれ
   ることを特徴とする方法。 ７　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前記
   ストリップの巻回は前記マンドレルを回転駆動すること
   によって行なわれることを特徴とする方法。 ８　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、最終
   層の巻回及び穿刺の後に仕上げ穿刺が行なわれ、それに
   よって最外層の穿刺密度が他の層の穿刺密度と略同一と
   なることを特徴とする方法。 ９　特許請求の範囲第８項に記載の方法において、前記
   仕上げ穿刺の数は、好ましくは、前記針が最早積層体の
   最後の層の到達し得なくなる時点に達するのに必要な数
   よりも少ないことを特徴とする方法。 １０　製造されるべき構造体の軸方向寸法に略等しいス
   トリップをマンドレル上に巻回し、巻回と同時に巻回さ
   れたストリップによって形成される重なった層を穿刺し
   て三次元構造体を製造する方法において用いる繊維質材
   料において、少なくともその一部がトウまたは糸の一方
   向ウェブを交叉させた構造から成り、前記ウェブは互に
   穿刺されていることを特徴とする繊維質材料。 １１　特許請求の範囲第１０項に記載の繊維質材料にお
   いて、前記ウェブが相互間に６０度の角度をなして交叉
   していることを特徴とする繊維質材料。 １２　特許請求の範囲第１０項に記載の繊維質材料にお
   いて、前記ウェブは、それぞれ独立して、カーボン、セ
   ラミック、及びそれらの先駆体から選ばれたファイバー
   のケーブル或はトウから成ることを特徴とする繊維質材
   料。 １３　特許請求の範囲第１項の方法を実施するための繊
   維質材料において、前記マンドレルが少なくとも一層の
   織布層を有していることを特徴とする繊維質材料。 １４　特許請求の範囲第１３項に記載の繊維質材料にお
   いて、前記マンドレルが、少なくとも部分的に、連続或
   は不連続糸から成る織物であって、その上に梳毛ウェブ
   が予備穿刺された織物によって、構成されていることを
   特徴とする繊維質材料。 １５　特許請求の範囲第１４項に記載の繊維質材料にお
   いて、前記織物と前記梳毛ウェブとは、それぞれ独立し
   て、カーボン、セラミック及びそれらの先駆体から選ば
   れたファイバーで構成されていることを特徴とする繊維
   質材料。 １６　特許請求の範囲第１３項に記載の繊維質材料にお
   いて、前記マンドレルは、少なくとも部分的に織物によ
   って構成され、前記織物の経糸は連続或は不連続の糸に
   よって構成され、緯糸はロービングによって形成されて
   いることを特徴とする繊維質材料。 １７　特許請求の範囲第１６項に記載の繊維質材料にお
   いて、前記経糸及び緯糸は、それぞれ独立して、カーボ
   ン、セラミック及びそれらの先駆体から選ばれたファイ
   バーで構成されていることを特徴とする繊維質材料。