TWI634964B - Method for manufacturing composite carbon fiber product - Google Patents

Abstract

本創作係關於一種複合碳纖維製品之製造方法，該製造方法主要包含捲紗步驟、裁切步驟、加工步驟及定型步驟，其中捲紗步驟係將紗捲輪上之碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，使碳纖維紗以預設的角度呈交錯疊置的型態纏繞心軸表面，而於心軸上形成含有黏結劑之中空碳纖維管，再經軸向之裁切步驟形成片狀之碳纖維素材，單一碳纖維素材即可作為自行車各構件之素材，之後再經過加工步驟及定型步驟，即可製造出符合客製化需求複合碳纖維製品，不僅使單一碳纖維素材的利用率提昇至最大化，且製造出之各製品具有高強度及質輕特性，並避免人工作業的耗時、品質無法控管之問題。

Description

複合碳纖維製品之製造方法

本創作係關於一種複合碳纖維製品之製造方法，尤指一種可生產複合碳纖維製品之的製造方法。

自行車除了為交通工具外，騎乘時同時具備健身運動的功效，為符合不同消費者的需求，目前業者所開發的自行車等級差距相當大，有的以換檔功能為訴求，另有部分型式的自行車則以質輕、強度佳為考量，因此即有材料研發業者不斷為自行車的車架、組件及零配件開發適合的材料。

以輪框來論，從早期的鋼材質到鋁材質，即是質輕為考量，而近年來甚為風行的碳纖維輪框，更是看中碳纖維具備比鋁材質輕，強度比鋼材質大之特性，而在碳纖維紗其細度比頭髮還小的情況下，即可利用編織方式形成素材，甚至可與其他高強度或不同特性之材料配合形成複合材料，因此利用這些複合碳纖維材料，即可製造出質輕、高強度的輪框，而業者基於碳纖維材料的特性，於自行車其他的構件上也會採用碳纖維材料來製造，例如車架、立管或曲柄等類的構件，於坊間也見及以碳纖維材料來製造。

然不論是何種的構件，目前採用的製造方法，均是藉人工以預浸布層層相疊之方式製造；以複合碳纖維管的製造方式來論，係藉由碳纖維紗編織成碳纖維預浸布，而後取管徑所需之面積，一層一層地貼合於管內模的外表面，而於層層相疊時，依設定的強度，使每層預浸布的紗線方向呈特定的交錯狀態，以達到設計的管強度值，當完成碳纖維預浸布的貼合程序後，再置入外模之模具中，藉由內模裝置與外模裝置同時加熱及加壓程序，使各層之碳纖維預浸布貼合並定型，即可形成質輕且高強度的車架管，而輪框的製造方式，則是將設定的圓形輪框先劃分為數個區段，而分區段地一層層將碳纖維預浸布貼合於輪框內模的外表面，而以相同的製程製造出輪框。

上述即為現今車架管及複合碳纖維輪框主要的製造方法，然近年來雖有業者不斷地進行研發改良，然大多是針對碳纖維預浸布的編織方式、預浸布之黏結劑或模具的結構作改良，以層層相疊之碳纖維預浸布作為自行車各構件素材的製造方式均未改變，也從未有業者思及，以此方式所製造出之製品會產生什麼樣的顧慮；以複合碳纖維車架管所須考慮的破壞因素主要在於承載騎士的重量，而複合碳纖維輪框則須考量胎壓、騎乘者的重量、剎車時產生摩擦高溫等等的破壞因素，因此層層相疊之預浸布作為素材的製造方法均與破壞因素有直接的關係，而存在以下的問題：

1.因各區段及各層的預浸布係以貼合方式而在加熱後硬化成一體，因此在各區域的銜接處及各層間貼合的接觸面積處，僅藉由黏結劑形成膠合而導致結合強度並不佳，而黏結劑在高溫下容易產生變化，在熱脹冷縮及胎壓、騎乘者重量的多重因素下，即會對碳纖維製品產生破壞。

2.因各層預浸布間的貼合處為車架管強度的弱點，而各區段及各層的預浸布之間的銜接處，則為輪框強度的弱點，倘若，在貼合過程中，各區段間或各層碳纖維預浸布之間有殘留空氣時，上述狀況下所產生的破壞力更加顯著。

3.目前碳纖維預浸布的貼附均為人工作業，故不僅各預浸布的貼附位置難以精控，且貼附過程易因人為的疏失而導致品質受到影響，並同時存在耗時的問題。

再者，目前喜愛自行車運動的人越來越多，故有越來越多的人希望能自行參與自行車的設計，而對於此種客製化的需求，現今的複合碳纖維自行車製品的製造方法，並不能滿足這種客製化的需求。

故由上述可知，現今以層層相疊之碳纖維預浸布來製造複合碳纖維製品的製造方法，確實存在上述的問題，現今的製造方法也無法滿足客製化製造自行車各構件的需求；因此，本創作者乃針對上述製造方法再重新思考，在現今碳纖維製品，先行製作為碳纖維預浸布，再一層一層貼合的方式，或許於其他製品上，並不會產生應用於自行車製品時的問題，但一旦應用於自行車的領域中，則須考慮更多的因素，而擬解決這些問題，惟有改變目前的製造方法；故本創作者乃研發出本創作＂複合碳纖維製品之製造方法”，該製造方法藉由捲紗步驟、裁切步驟、加工步驟及定型步驟，藉此可製造出客製化之複合碳纖維製品，而因捲紗步驟中係以碳纖維紗交叉疊置的型態一次性地形成碳纖維管，因此以一體化之碳纖維管以軸向裁切呈片狀之碳纖維素材後，可以此素材客製化地取用作為自行車各構件之素材，進而製造出品質佳之自行車製品。

因此，本創作之主要目的係提供一種複合碳纖維製品之製造方法，該製造方法包含有：捲紗步驟：將紗捲輪上之碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，使碳纖維紗以預設的角度且呈交錯疊置的型態纏繞於心軸表面，於心軸上形成含有黏結劑之碳纖維管；裁切步驟：將心軸取下，形成中空之碳纖維管，而後進行軸向的裁切形成片狀之碳纖維素材，並於素材上依所需的製品尺寸進行規格化裁切，形成碳纖維管素材；加工步驟：將碳纖維製品素材進行加工，形成製品之雛型；定型步驟：藉由定型模具將製品雛型進行加熱及加壓的步驟。

藉由上述製造方法，相較於現今之製造方法，即具備以下的功效：

1.因本創作係藉由捲紗步驟形成中空之碳纖維管，故不會形成銜接處或貼合面，不僅可提高強度，且也降低了不同因素對於自行車各構件的破壞，提供一更加精良之複合碳纖維製品。

2.因本創作係以機器方式即可製造出所需之碳纖維管，故可節省人力貼附的程序，不僅提高品質的精確性，且工時也縮減，並能達到規格及性能再現性的功效。

前述複合碳纖維製品之製造方法，其中捲紗步驟之前包含一浸潤步驟，該浸潤步驟係使紗捲輪上之碳纖維紗先經過黏結劑浸潤槽，使碳纖維紗表面附著黏結劑。

前述複合碳纖維製品之製造方法，其中捲紗步驟係同時使碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管。

藉由上述藉由上述兩種型式之實施方式，均可使製造出之碳纖維管上同時存在黏結劑。

前述複合碳纖維製品之製造方法，其中裁切步驟中將碳纖維素材裁切為碳纖維管素材，該碳纖維管素材於加工步驟中將端邊進行搭接黏合，形成中空之製品。

藉由上述將碳纖維素材進一步裁切為不同的素材，即可使單一之片狀之碳纖維素材能依各構件的規格進行面積有效利用的裁切程序，提昇單一素材的使用率，且此製造方法所製出之車架管，具有質輕、強度佳之功效，且因素材係一次性地製造，厚度及碳纖維紗的交錯疊置角度均能精確控管於預設狀態，而不同位置之車架管即可選用不同區域之素材，而製造出符合裝設於不同位置之車架管，達到客製化的目的。

前述複合碳纖維製品之製造方法，其中裁切步驟中將碳纖維素材裁切為碳纖維輪框素材，而於加工步驟中先將碳纖維輪框素材端邊搭接黏合呈中空之管狀型態後，先經過摺邊步驟、補強步驟及組合步驟後，再進行定型步驟，而該摺邊步驟係於碳纖維輪框素材翻摺形成框本體，該框本體兩側形成框緣面，於另一碳纖維輪框素材翻摺形成外框，該外框兩側形成銜接端緣；補強步驟係於框本體之框緣底部環設襯材；組合步驟係使已完成摺邊之外框置於框本體兩側框緣面之間並膠合呈固結狀態。

藉由上述針對輪框之製造方法，不僅可製造出質輕、強度佳之輪框，且因本創作非以各區段銜接及層層相疊方式製造呈輪框，因此，即無銜接處或貼合面間殘留空氣的問題，提供一高品質且符合客製化需求之輪框。

請參看圖1所示，本創作複合碳纖維製品之製造方法主要是經過捲紗、裁切、加工及定型等步驟，而這些步驟如下：

1.捲紗步驟：本創作之捲紗步驟，係將碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，捲繞時配合心軸的移位或紗捲輪的移位，或設於心軸與紗捲輪間的紗線移位器，使碳纖維紗以預設的角度持續且以碳纖維紗交錯疊置的型態纏繞於心軸表面，且可藉由移位速度的改變，使交錯疊置的碳纖維紗呈不同角度的疊置狀態，而交錯疊置的碳纖維紗圈數可依擬製造之製品強度值而設定，且本創作更能進一步於單一纖維管上形成厚度不同的區域；

上述的碳纖維紗於進行捲紗步驟前，可先經過黏結劑浸潤槽，使碳纖維紗表面附著黏結劑，或是將碳纖維紗與樹脂纖維紗以相對比值捲繞於心軸的表面，而於碳纖維紗表面附著黏結劑的材料，或以碳纖維紗與樹脂纖維紗交錯捲繞的方式，於完成捲紗程序後，於心軸表面均可形成本創作後製步驟的素材。

2.裁切步驟：之後可將心軸取下，即形成中空的碳纖維管，而後進行軸向的裁切程序，形成片狀之碳纖維素材，此碳纖維素材即可依所需的製品尺寸再進行規格化的裁切，形成碳纖維管素材或碳纖維輪框素材，若單一纖維管上有厚度不同的區域，即可依強度的設計而選用不同位置之素材來製造特定的車架管或輪框。

3.加工步驟：之後可將碳纖維素材依製品的態樣進行不同的加工步驟，若為管件類的製品，則將碳纖維管素材進行端邊搭接黏合，若為輪框類的製品，此搭接黏合之加工步驟完成後，則再進一步以摺邊步驟及組合步驟形成複合碳纖維輪框。

4.定型步驟：之後藉由配合各製品之定型模具將各製品進行加熱及加壓的步驟，此步驟使碳纖維素材之碳纖維紗藉由黏結劑或樹脂纖維硬化，使交叉疊置的碳纖維紗密貼合呈預設的製品厚度，製造出強度佳、質輕的複合碳纖維製品。

因此，藉由上述本創作主要的步驟，即可提供一與現今製造方法不同的碳纖維製品之製造方法，本創作藉由捲紗步驟即可一次性預製出碳纖維管，而不管是厚度均等或厚度不一的碳纖維管，其特性均為碳纖維紗係交叉疊置的，故為一體化的碳纖維管，非層層相疊之型態，因此，碳纖維管軸向裁切呈片狀之碳纖維素材後，再經加工步驟及定型步驟，即可製造出不同的製品，與現今須將輪框分區域層層相疊的製造方法或管類製品須層層相疊的製造方法相較，本創作並不存在區段間的銜接處，克服了現今製造方法於區段銜接處及各層間貼合處所產生強度不佳的問題；再者，本創作一次性形成之片狀碳纖維素材可依各構件的規格而選用不同區域之碳纖維素材，使碳纖維素材充分利用，也減少了人工作業的時間及失誤率，提供一更符合需求的製造方法。

故於圖1的主要步驟下，本創作可衍生更多型態的製造方法，以下即列舉幾種實施型態說明：

第一種型式之製造方法：請參看圖2所示，本創作第一種型式之製造方法，係在於捲紗步驟前先使碳纖維紗經過浸潤步驟，請配合參看圖3所示，當紗捲輪10之碳纖維紗11於尚未捲繞於心軸12表面之前，碳纖維紗11會先經過黏結劑浸潤槽13，使碳纖維紗11表面附著黏結劑，之後再使碳纖維紗以交錯疊置的方式捲繞於心軸12表面；

復請配合參看圖2及圖4所示，當製造出預設厚度之碳纖維管20後，即可進行軸向之裁切步驟，而裁切出片狀之碳纖維素材21，於該碳纖維素材21上，即可依不同製品所需的規格，規劃出擬裁切之管素材，而圖上所示之管素材包含了製造不同規格管徑之碳纖維管素材30、40、50，也包含了製造輪框之碳纖維輪框素材60、70，而於第一種型式的製造方法係針對製造不同管徑之碳纖維管素材30、40、50來說明；

完成裁切步驟而取得不同管徑之碳纖維管素材後，即可進行加工步驟，其中圖5為碳纖維管素材30之加工步驟，將碳纖維管素材30之端邊進行搭接黏合，形成中空的車架管31， 圖6為碳纖維管素材40之加工步驟，將碳纖維管素材40之端邊進行搭接黏合，形成中空的車架管41，圖7為碳纖維管素材50之加工步驟，將碳纖維管素材50之端邊進行搭接黏合，形成中空的車架管51，而後可對各車架管31、41、51進行磨除毛邊的步驟；

之後可進行定型步驟，而此步驟可依不同類型的製品需求，而單獨對完成加工步驟的製品進行定型步驟，也可將各製品組合呈特定型態，例如將車架管組合呈車架雛型後，直接對車架雛型進行定型步驟，該定型步驟可採用現階段各種之定型技術，藉由定型模具將製品雛型進行加熱及加壓的步驟，使碳纖維紗藉由表面附著之黏結劑產生硬化。

第二種型式之製造方法：請參看圖8所示，係於捲紗步驟中同時將碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管，之後再經裁切步驟、加工步驟及定型步驟，製造出複合碳纖維製品。

第三種型式之製造方法：則適用於輪框的製造方法，於裁切步驟時所取得之碳纖維素材，只要取下不同規格的素材，即可製造出不同管徑、不同寬徑之輪框，且可作為輪框不同構件之素材，因此可製造出客製化需求之輪框，而圖4中之碳纖維輪框素材60為輪框框本體之素材，碳纖維輪框素材70則為輪框外框之素材，而於圖9所示第三種型式之製造方法中，係將加工步驟中將碳纖維輪框素材60、70兩端搭接黏合後，進一步包含有摺邊步驟、補強步驟及組合步驟；

請配合參看圖9及圖10所示， 其中碳纖維輪框素材60可於兩側往外翻摺形成框本體之框緣面61，因此時素材尚未經過定型步驟，故在素材硬度不大的情況下，可塑造成框本體之基本雛型，而於此製造方法中增設之補強步驟，係於框本體之中央區段的框緣底部環設襯材62，以增加框本體的強度，另碳纖維輪框素材70則經過摺邊步驟後形成外框，並於外框兩側形成銜接端緣71，而於組合步驟時，再將外框兩側之銜接端緣71與框本體兩側之框緣面61藉由組合步驟而固結呈輪框，而於後製的加工程序中，可於搭接處設置氣嘴構件；

因此第三種型式之製造方法，在加工步驟之前與前端之浸潤步驟、捲紗步驟及裁切步驟配合，而於加工步驟之後與後端之定型步驟配合，即可製造出客製化需求之輪框。

第四種型式之製造方法：請參看圖11所示，係於捲紗步驟中同時將碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管，之後再經裁切步驟、摺邊步驟、補強步驟、組合步驟及定型步驟，製造出複合碳纖維輪框。

綜上所述，藉由本創作之製造方法，係以碳纖維紗交叉疊置的型態形成輪框之素材，不僅不存在各區段銜接處及各層間貼合的問題，更可依所需的各製品所需之強度及型態，以不同的製造參數及附加的製程，製造出所需的製品，更符合客製化的需求，因本創作片狀之碳纖維素材，可供不同的製品依其所需之規格及尺寸進行裁切，再藉由後製的步驟，即可製造出符合客戶特別需求之各類自行車製品，因此，相較於現今之製造方法，本創作更能製造出品質精良之複合碳纖維製品，且同時存在精簡人力的功效。

10‧‧‧紗捲輪
11‧‧‧碳纖維紗
12‧‧‧心軸
13‧‧‧浸潤槽
20‧‧‧碳纖維管
21‧‧‧碳纖維素材
30‧‧‧碳纖維管素材
31‧‧‧車架管
40‧‧‧碳纖維管素材
41‧‧‧車架管
50‧‧‧碳纖維管素材
51‧‧‧車架管
60‧‧‧碳纖維輪框素材
61‧‧‧框緣面
62‧‧‧襯材
70‧‧‧碳纖維輪框素材
71‧‧‧銜接端緣

圖1係本創作製造方法主要步驟之流程圖。

圖2係本創作第一種型式製造方法之流程圖。

圖3係本創作第一種型式製造方法中進行捲紗步驟之示意圖。

圖4係本創作第一種型式製造方法中進行裁切步驟之流程示意圖。

圖5係本創作第一種型式製造方法中第一種製品進行加工步驟之流程示意圖。

圖6係本創作第一種型式製造方法中第二種製品進行加工步驟之流程示意圖。

圖7係本創作第一種型式製造方法中第三種製品進行加工步驟之流程示意圖。

圖8係本創作第二種型式製造方法之流程圖。

圖9係本創作第三種型式製造方法之流程圖。

圖10係本創作第三種型式製造方法中進第四種製品進行加工步驟之流程示意圖。

圖11係本創作第四種型式製造方法之流程圖。

Claims (7)

1. 一種複合碳纖維製品之製造方法，該製造方法包含有： 捲紗步驟：將紗捲輪上之碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，使碳纖維紗以預設的角度且呈交錯疊置的型態纏繞於心軸表面，於心軸上形成含有黏結劑之碳纖維管； 裁切步驟：將心軸取下，形成中空之碳纖維管，而後進行軸向的裁切形成片狀之碳纖維素材，並於素材上依所需的製品尺寸進行規格化裁切，形成碳纖維管素材； 加工步驟：將碳纖維製品素材進行加工，形成製品之雛型； 定型步驟：藉由定型模具將製品雛型進行加熱及加壓的步驟。
2. 如請求項1所述複合碳纖維製品之製造方法，其中捲紗步驟之前包含一浸潤步驟，該浸潤步驟係使紗捲輪上之碳纖維紗先經過黏結劑浸潤槽，使碳纖維紗表面附著黏結劑。
3. 如請求項1所述複合碳纖維製品之製造方法，其中捲紗步驟係同時使碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管。
4. 如請求項1至3中任一項所述複合碳纖維製品之製造方法，其中裁切步驟中將碳纖維素材裁切為碳纖維管素材，該碳纖維管素材於加工步驟中將端邊進行搭接黏合，形成中空之製品。
5. 如請求項4所述複合碳纖維製品之製造方法，其中加工步驟於完成黏合步驟後，再進行磨除毛邊的步驟。
6. 如請求項1至3中任一項所述複合碳纖維製品之製造方法，其中裁切步驟中將碳纖維素材裁切為碳纖維輪框素材，而於加工步驟中先將碳纖維輪框素材端邊搭接黏合呈中空之管狀型態後，先經過摺邊步驟、補強步驟及組合步驟後，再進行定型步驟。
7. 如請求項6所述複合碳纖維製品之製造方法，其中該摺邊步驟係於碳纖維輪框素材翻摺形成框本體，該框本體兩側形成框緣面，於另一碳纖維素材翻摺形成外框，該外框兩側形成銜接端緣； 該補強步驟係於該框本體之框緣底部環設襯材； 該組合步驟係使已完成摺邊之外框置於該框本體兩側框緣面之間並膠合呈固結狀態。