TWI745790B

TWI745790B - 展纖裝置

Info

Publication number: TWI745790B
Application number: TW108142510A
Authority: TW
Inventors: 彭志剛; 陳世明; 陳鈾征
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-11-11
Also published as: US11519107B2; TW202120762A; CN211713318U; US20210156054A1; CN112831884A

Abstract

一種展纖裝置，用以展開碳纖維束。展纖裝置包括出料捲、收料捲、振動滾輪以及第一氣嘴。振動滾輪設置在出料捲與收料捲之間。振動滾輪接觸碳纖維束。振動滾輪依旋轉軸線旋轉，且振動滾輪沿垂直於旋轉軸線的振動方向振動。第一氣嘴設置在振動滾輪與收料捲之間，並對碳纖維束吹氣。

Description

展纖裝置

本揭露是有關於一種展纖裝置，且特別是有關於一種應用於碳纖維的展纖裝置。

碳纖維是一種兼具高強度(tensile strength)與高模數(tensile modulus)等特性的的複合材料，且碳纖維相較於金屬或合金材料具備重量輕的優勢，故逐漸廣為各產業所採用，例如：運動產業、醫療產業、航太產業、電子產業、軍工產業或民生產業。碳纖維束是由多條纖維組成，實際應用上，碳纖維束必須先經展纖處理以形成碳纖維布，以達到薄化厚度與增加包覆面積等目的。之後，將碳纖維布包覆在工件的表面上，以強化工件的結構強度。

具體而言，若碳纖維束的展開面積越大，則製作所得的碳纖維布的厚度越薄，相應地，每單位面積內的碳纖維布的重量越輕。因欲強化的工件是由多層碳纖維布包覆在其表面上，在相同的包覆厚度的設定下，若碳纖維布越薄，則包覆在工件的表面上的碳纖維布的層數越多，使得工件的強化品質越優異。因此，如何提高碳纖維束的展開均勻度與展開寬度，並達到薄化厚度與增加包覆面積等目的，實為業界不斷投入研發的主要項目。

本揭露實施例提出一種展纖裝置，用以展開碳纖維束。展纖裝置包括出料捲、收料捲、振動滾輪以及第一氣嘴。振動滾輪設置在出料捲與收料捲之間。振動滾輪接觸碳纖維束。振動滾輪依旋轉軸線旋轉，且振動滾輪沿垂直於旋轉軸線的振動方向振動。第一氣嘴設置在振動滾輪與收料捲之間，並對碳纖維束吹氣。

10:碳纖維束

11:第一表面

12:第二表面

100、100A~100D:展纖裝置

110:出料捲

120:收料捲

130:振動滾輪

140:第一氣嘴

141:第二氣嘴

150:第一輔助滾輪

160:第二輔助滾輪

170:載台

171:第一滑槽

172:第二滑槽

173:第三滑槽

180:載架

190:振動器

AF:氣流

D1:第一距離

D2:第二距離

D3:第三距離

ED:延伸方向

VD:振動方向

RA:旋轉軸線

圖1A是本揭露第一實施例的展纖裝置的示意圖。

圖1B是圖1A的振動器、載架、振動滾輪以及載台於另一視角的局部放大示意圖。

圖2是本揭露第二實施例的展纖裝置的示意圖。

圖3是本揭露第三實施例的展纖裝置的示意圖。

圖4是本揭露第四實施例的展纖裝置的示意圖。

圖5是本揭露第五實施例的展纖裝置的示意圖。

圖1A是本揭露第一實施例的展纖裝置的示意圖。圖1B是圖1A的振動器、載架、振動滾輪以及載台於另一視角的局部放大示意圖。請參考圖1A與圖1B，在本實施例中，展纖裝置100包括出料捲110與收料捲120，其中出料捲110用以朝收料捲120所在側輸出碳纖維束10，且經展纖處理後所形成的碳纖維布由收料捲120捲收。舉例來說，出料捲110與收料捲120可以是主動捲軸，用以提供輸送碳纖維束10所需的動力。

具體而言，展纖裝置100更包括振動滾輪130與第一氣嘴140，其中振動滾輪130與第一氣嘴140設置在出料捲110與收料捲120之間，且第一氣嘴140設置在振動滾輪130與收料捲120之間。換句話說，在出料捲110輸出碳纖維束10後，碳纖維束10先輸送通過振動滾輪130，接著輸送通過第一氣嘴140，最後由碳纖維束10展開形成的碳纖維布由收料捲120捲收。

在本實施例中，振動滾輪130接觸碳纖維束10，且第一氣嘴140對碳纖維束10吹氣。進一步來說，碳纖維束10具有第一表面11與相對於第一表面11的第二表面12，其中振動滾輪130接觸碳纖維束10的第一表面11，且第一氣嘴140對碳纖維束10的第二表面12吹氣。也就是說，振動滾輪130與第一氣嘴140分別位在碳纖維束10的兩側。

另一方面，展纖裝置100更包括輔助滾輪，其中輔助滾輪可包括第一輔助滾輪150與第二輔助滾輪160，且第一輔助滾輪150與第二輔助滾輪160設置在振動滾輪130與收料捲120之間。在碳纖維束10的輸送路徑上，振動滾輪130、第一氣嘴140、第一輔助滾輪150以及第二輔助滾輪160依序排列。詳細而言，振動滾輪130接觸碳纖維束10的第一表面11，第一輔助滾輪150接觸碳纖維束10的第二表面12，且第二輔助滾輪160接觸碳纖維束10的第一表面11。在上述接觸關係的設定下，輸送中的碳纖維束10的張力得以被維持，以避免發生碳纖維束10鬆弛的情形。

在其他實施例中，輔助滾輪的數量可依實際設計需求而增減。舉例來說，若出料捲與振動滾輪之間的距離較長，則出料捲與振動滾輪之間可增設輔助滾輪，以協助輸送碳纖維束，並維持輸送中的碳纖維束的張力。若出料捲與收料捲之間的距離較短，在足以維持輸送中的碳纖維束10的張力的前提下，出料捲與振動滾輪之間或振動滾輪與收料捲之間可不設置輔助滾輪。

在本實施例中，展纖裝置100更包括載台170，其中出料捲110、收料捲120、振動滾輪130、第一氣嘴140、第一輔助滾輪150以及第二輔助滾輪160設置在載台170上，且出料捲110、收料捲120、振動滾輪130、第一輔助滾輪150以及第二輔助滾輪160具有相對於載台170旋轉的運動自由度。舉例來說，出料捲110、收料捲120、振動滾輪130、第一輔助滾輪150以及第二輔助滾輪160之間存在高低落差，且出料捲110、收料捲120、振動滾輪130、第一輔助滾輪150以及第二輔助滾輪160在載台170上的高度可視實際情況調整，以提高碳纖維束10的輸送順暢度，並維持輸送中的碳纖維束10的張力。

如圖1A所示，載台170具有第一滑槽171、第二滑槽172以及第三滑槽173，其中第一滑槽171、第二滑槽172以及第三滑槽173依序排列在出料捲110與收料捲120之間，且第一滑槽171、第二滑槽172以及第三滑槽173互為平行。詳細而言，振動滾輪130對應於第一滑槽171設置，以藉由第一滑槽171的導引來調整其在載台170上的高度。第一輔助滾輪150滑接第二滑槽172，以藉由第二滑槽172的導引來調整其在載台170上的高度。第二輔助滾輪160滑接第三滑槽173，以藉由第三滑槽173的導引來調整其在載台170上的高度。

另一方面，振動滾輪130在第一滑槽171中的位置、第一輔助滾輪150在第二滑槽172中的位置以及第二輔助滾輪160在第三滑槽173中的位置可採用鎖附、卡合、磁吸或其他適用的定位機制加以固定。需說明的是，振動滾輪130的振動行程不會受到前述定位機制影響。

請參考圖1A與圖1B，在本實施例中，展纖裝置100更包括載架180與設置在載架180上的振動器190，其中載架180滑設在載台170上並滑接第一滑槽171，且振動滾輪130樞設在載架180上。振動器190可採用氣動、液動或氣液等振動機制，以驅動載架180與振動滾輪130沿振動方向VD往復振動。振動滾輪130透過載架180滑接第一滑槽171，而載架180在第一滑槽171中的位置可採用鎖附、卡合、磁吸或其他適用的定位機制加以固定，但不會影響到載架180與振動滾輪130的振動行程。由於載架180滑接第一滑槽171，因此載架180與振動滾輪130的振動方向VD平行於第一滑槽171的延伸方向ED。換句話說，第一滑槽171可用以決定載架180與振動滾輪130的振動方向VD。

另一方面，振動滾輪130配置用以依旋轉軸線RA旋轉，且載架180與振動滾輪130的振動方向VD垂直於旋轉軸線RA。詳細而言，振動滾輪130的振動用以讓碳纖維束10略微鬆解或略微展開，且碳纖維束10的鬆解或展開方向可以是平行於旋轉軸線RA。在碳纖維束10的輸送路徑上，第一氣嘴140位在振動滾輪130與第一輔助滾輪150之間，且第一氣嘴140用以對輸送通過振動滾輪130與第一輔助滾輪150之間的碳纖維束10吹氣，其中振動滾輪130接觸碳纖維束10的第一表面11，且第一氣嘴140對碳纖維束10的第二表面12吹氣。基於第一氣嘴140的氣流AF的吹送方向，在第一氣嘴140對碳纖維束10吹氣的過程中，碳纖維束10仍可與振動滾輪130保持接觸。因碳纖維束10已受振動滾輪130的振動而略微鬆解或略微展開，在碳纖維束10受第一氣嘴140的氣流AF吹拂後，碳纖維束10可均勻地展開而形成碳纖維布。

以12K碳纖維束應用於展纖裝置100為例，12K碳纖維束的展開寬度大致上介於12至28毫米。以24K碳纖維束應用於展纖裝置100為例，24K碳纖維束的展開寬度大致上介於25至33毫米。也就是說，藉由先振動後吹氣的展纖機制，經過展纖裝置100展纖處理的碳纖維束10的展開均勻度與展開寬度得以提高，並達到薄化碳纖維布的厚度與增加碳纖維布的包覆面積等目的。

請參考圖1A，在本實施例中，第一輔助滾輪150相距出料捲110第一距離D1，且振動滾輪130相距出料捲110第二距離 D2。另一方面，第一氣嘴140吹出的氣流AF落在碳纖維束10上的位置相距出料捲110第三距離D3，且第一氣嘴140吹出的氣流AF落在碳纖維束10上的位置較靠近振動滾輪130，以讓經過振動滾輪130振動的碳纖維束10能即時地受氣流AF吹拂而展開，防止碳纖維束10再次縮合。

詳細而言，第一距離D1大於第三距離D3，且第三距離D3大於第二距離D2。第二距離D2與第一距離D1的比值介於0.92至0.95且第三距離D3與第一距離D1的比值介於0.93至0.98另一方面，振動滾輪130的每分鐘行程次數(spm)介於5000至25000次，且振動滾輪130的振動行程介於0.3至3毫米。配合上述距離設定、振頻設定、振幅設定以及吹氣位置的設定，展纖裝置100可讓碳纖維束10均勻地展開，以獲致較佳的展纖效果。

特別說明的是，第一距離D1為出料捲110的軸心與第一輔助滾輪150的軸心之間的最短距離或水平距離，且第二距離D2為出料捲110的軸心與振動滾輪130的軸心之間的最短距離或水平距離。另一方面，第三距離D3為出料捲110的軸心與第一氣嘴140吹出的氣流AF落在碳纖維束10上的點位之間的最短距離或水平距離。

另一方面，第一氣嘴140的吹氣方向與碳纖維束10的第二表面12夾有第一夾角，大約介於60至85度之間。第一氣嘴140的吹氣方向與振動滾輪130的振動方向VD夾有第二夾角，大約介於70至100度之間。基於上述第一夾角與第二夾角的設定，有助於提高第一氣嘴140對碳纖維束10吹氣時的展纖效果。

以下列舉其他實施例，相同或相似的設計原理與技術功效不重複贅述，主要就各實施例之間的差異進行介紹。

圖2是本揭露第二實施例的展纖裝置的示意圖。請參考圖2，相較於第一實施例的展纖裝置100而言，本實施例的展纖裝置100A更包括第二氣嘴141，在碳纖維束10的輸送路徑上，第二氣嘴141位在第一氣嘴140與收料捲120之間，且第一氣嘴140位在振動滾輪130與第二氣嘴141之間。進一步而言，在碳纖維束10的輸送路徑上，第二氣嘴141位在第一氣嘴140與第一輔助滾輪150之間。藉由第一氣嘴140與第二氣嘴141依序對碳纖維束10吹氣，有助於提高碳纖維束10的展纖效果。

圖3是本揭露第三實施例的展纖裝置的示意圖。請參考圖3，相較於第一實施例的展纖裝置100而言，本實施例的展纖裝置100B更包括第二氣嘴141，在碳纖維束10的輸送路徑上，第二氣嘴141設置在出料捲110與振動滾輪130之間，且振動滾輪130位在第二氣嘴141與第一氣嘴140之間。因此，在碳纖維束10受振動滾輪130振動之前，第二氣嘴141先對碳纖維束10吹氣以使碳纖維束10略維鬆解或略微展開。接著，透過振動滾輪130振動碳纖維束10。之後，透過第一氣嘴140對碳纖維束10吹氣。基於上述展纖機制，展纖裝置100B可讓碳纖維束10均勻地展開，以獲致較佳的展纖效果。

圖4是本揭露第四實施例的展纖裝置的示意圖。請參考圖4，相較於第一實施例的展纖裝置100而言，本實施例的展纖裝置100C並無圖1A所示的載架180與振動器190，且氣動、液動或氣液等振動機制可內建於或整合於振動滾輪130。

圖5是本揭露第五實施例的展纖裝置的示意圖。請參考圖5，相較於第一實施例的展纖裝置100而言，本實施例的展纖裝置100D並無圖1A所示的第一輔助滾輪150與第二輔助滾輪160。

綜上所述，本揭露實施例的展纖裝置採用先振動後吹氣的展纖機制，且振動滾輪的振動方向垂直於振動滾輪的旋轉軸線。據此，經過本揭露實施例的展纖裝置展纖處理的碳纖維束的展開均勻度與展開寬度得以提高，並達到薄化碳纖維布的厚度與增加碳纖維布的包覆面積等目的。