繊維プリフォームの製造方法

专利摘要:
複合材料部品のための本発明に係る繊維プリフォームの製造方法は、複数の乾燥繊維粗紡を互いに独立して利用することにより、空間的に起伏のある形状であっても、柔軟且つ低費用で直接的に複雑な形状物を製造することを可能にする。繊維プリフォームを乾燥繊維粗紡から連続的に製造するため、もはや切断された織物片を用いる必要はない。これは、作製、輸送、及びオーダーピッキング作業を行う必要性を取り除く。繊維糸を寸法通りに切断する必要はなく、それ故、材料において節約をすることができる。加えて、繊維生地の縫製が不要なことから、力学的特性値が複合材料において高くなり得る。さらに、互いに隣接して配置された乾燥繊維粗紡の数が、覆われ得る表面の多様化を可能にさせ得ることから、記載された方法は、簡便に設計され得る。加えて、当該方法において乾燥繊維粗紡が直接的に固定されるという利点がある。
公开号:JP2011516752A
申请号:JP2011504389
申请日:2009-02-16
公开日:2011-05-26
发明作者:ツァーレン，ピエール；バルラク，カルステン；ピーペンブロック，ヨアヒム
申请人:エアバス オペラツィオンス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング；
IPC主号:D04H3-04

专利说明:

[0001] 本発明は、繊維プリフォームの製造方法に関する。]
背景技術

[0002] 軽量な構造体、特に飛行機の構造体においては、過大な力学的荷重に耐え且つ優れた重量減少のための大きな可能性を同時に与え得る、繊維強化樹脂製の複合部品が利用されてきている。これらの部品は、最終部品を形成すべく、例えばポリエステル樹脂やエポキシ樹脂などの硬化性樹脂材料を浸透させるか又は含浸させた強化用繊維を用いて形成される。そのとき、繊維は、その硬化の間にマトリックス中で固定され、繊維複合体が作製される。]
[0003] この種の部品における強化繊維の配列は、部品の剛性及び強度に決定的な影響を与える。可能であるならば、強化繊維は、最適な力学的特性を発揮するために、荷重方向に沿って配列されるべきであり、起伏を有するべきではない。さらには、それぞれの強化繊維が個々に均一な荷重を受けることが望ましい。]
[0004] 繊維プリフォームとしては、繊維束又は乾燥繊維粗紡で構成され、多軸繊維性の布、不織布若しくは織布などの既製の繊維準完成品を敷いて製造されたものも使用される。この目的で、例えば、素地から形状物が切り出される。一般的に強化繊維は、特定の固定された配向性をもって配列されていることから、考えられ得る全ての繊維配向性がこれら通常の準完成品において必ずしも実現されるわけではない。繊維が織られた織物は、例えば円環の一部分を形成するように、ひだを生じさせずに平面的な状態で敷くことで、“まとわせる”ことができるが、一般的に、より複雑な向きの力の流れ方向に強化繊維を沿わせることはできない。]
[0005] 荷重に沿って繊維を配列させる要求を満たす可能性のある１つの方法としては、公知のＴＦＰ方法がある。本方法では、互いに別々に平行に動く複数の強化繊維を用いて次々に形成される力学的強化用の乾燥繊維粗紡が、所望の曲線に沿って敷かれ、基材層に固定用糸で固定されることにより、繊維プリフォームを形成し、これにより、個々の乾燥繊維粗紡の配向を最終複合部品においてはたらく力に実質上最適に適合させることができる。この場合、固定は、従来の縫製方法に従い、基材層の下で連結される上方側の固定用糸及び下方側の固定用糸によって行われる。この方法で得られる乾燥繊維粗紡の力学的耐力特性を最適に利用することにより、前記乾燥繊維粗紡の数を最小限に抑えることができ、従って重量を最小限に抑えることができる。さらに、部品における交差部分は、局所的な各荷重に対して理想的な様式で適合し得る。加えて、乾燥繊維粗紡をさらに敷くことにより、例えば力がもたらされる領域等、特定の荷重を受ける部分において特に補強を施すことができる。強化繊維は、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維などによって形成される。]
[0006] 繊維プリフォームは、例えば繊維業界においても用いられる一般的なＣＮＣ制御の自動縫製機械又は自動刺繍機械においてＴＦＰ法により製造することができる。]
[0007] 必要な全ての層が乾燥繊維粗紡で形成される場合、通常既に所望の最終的な形状を有する完成された繊維プリフォームは、閉塞可能な型内に導入され、硬化性樹脂材料が含浸され、最後に、最終複合材料を作製するために硬化される。複数のＴＦＰ繊維プリフォーム及び／又は強化用織物の層は、ここで結合され得る。多層の繊維プリフォームは、材料厚みが比較的厚くなり得るように、複数の繊維プリフォームを層状に順に重ね置くことにより形成され得る。]
[0008] 繊維プリフォームは、例えば公知のＲＴＭ（レジントランスファー成形）法により、対応して設計された閉塞可能な型内で硬化性樹脂材料が含浸され得る。]
[0009] 特許文献１には、ＴＦＰ法における単層又は多層の繊維プリフォームのこの種の製造方法が記載されている。この場合、固定用糸は、不織布を固定させるために用いられる。]
[0010] 材料厚みが増すと固定用糸で縫製することが困難になることから、ＴＦＰ法の欠点は、繊維プリフォームの材料厚みを大きくすることが困難であるという点である。さらには、固定用の縫い目が繊維複合体における欠陥になり、その結果強度が減少する。]
[0011] 従来の他の方法では、素地における廃棄部分が多く、繊維準完成品を曲げて単方向に敷くことが不可能であるか、又は、単一の乾燥繊維粗紡のみが敷かれ複数のものが同時に敷かれない。さらには、これまでは、個々の乾燥繊維粗紡を端部で固定する必要があった。]
先行技術

[0012] 独国特許発明第１０２００５０３４４０１号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0013] それゆえ、本発明の課題は、複数の乾燥繊維粗紡を互いに隣り合うように同時に敷く方法を提供することにある。乾燥繊維粗紡を用いて曲がった生地を作ることも可能である。本発明のさらなる課題は、繊維プリフォームの製造に要する時間を短縮すべく複数の乾燥繊維粗紡を互いに独立させて同時に供給できるようにすることである。加えて、繊維プリフォームは、繊維が織られた織物として安定であるべきであり、それ故、固定用糸を用いて乾燥繊維粗紡を固定することなく、又は、接着片若しくは接着領域を備えた乾燥繊維粗紡を貼り付けることなく繊維プリフォームを作製することができるべきである。]
課題を解決するための手段

[0014] 本発明の課題は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。]
図面の簡単な説明

[0015] 本発明に係る繊維プリフォームの製造方法を実施するための装置の基本的構造に関わる概略図であり、左側が側面側から見た横断面図であり右側が正面図である。]
実施例

[0016] 繊維プリフォームの製造方法において、第１ステップで複数の乾燥繊維粗紡を互いに独立させて同時に型に供給し、そのときに少なくとも複数の乾燥繊維粗紡を異なる速さで供給することが、本発明の基になっている着想である。次に、乾燥繊維粗紡は、直接型の上に、又は、型に置かれた乾燥繊維粗紡の上に、互いに隣接して同時に敷かれる。最後に、乾燥繊維粗紡は、切断される。]
[0017] 本発明において乾燥繊維粗紡が直接利用され幅広の布地片が用いられないという事実により、所望の起伏形状に適応させるという改良があり得る。この点において、個々の各乾燥繊維粗紡は、固有の範囲を有する幾何学的形状に沿って動き得る。この目的のためには、乾燥繊維粗紡が互いに独立して、好ましくは、異なる速度で供給されることが望ましい。なぜなら、この様式では、異なる範囲に沿って繊維が動くことが可能であるからである。]
[0018] 本発明の好ましい実施形態及び改良形態は、従属請求項に示されている。]
[0019] このように、本発明の好ましい実施形態では、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、又はガラス繊維に基づく乾燥繊維粗紡が供給される。]
[0020] 上述した材料は、特に好ましい強度特性を有する。本発明の方法によれば、特に炭素繊維又はアラミド繊維に基づく部品は、部品重量に対して非常に好ましい強度比及び剛性比を備えて製造され得る。]
[0021] さらに好ましい実施形態においては、積み重ねられて動く乾燥繊維粗紡は、実質的に互いに少なくとも２５°の角度で敷かれる。]
[0022] 乾燥繊維粗紡を互いにある角度で敷く利点は、完全に単一方向に敷くことに比較して、荷重方向に対してより柔軟に順応した部品を製造できるという点である。]
[0023] さらに好ましい実施形態では、乾燥繊維粗紡が、多軸織物の形で２又はそれ以上の異なる角度で互いに積み重ねられる。]
[0024] 当該実施形態によれば、対応方向からもたらされる力を効率的に吸収し且つコストに対する優れた強度比を有する繊維複合材料を製造することができる。部品の様々な荷重方向において繊維角度について最適な配列をすることにより比重を小さくすることが可能である。多軸織物の層構造は、好ましくは、２軸、３軸又は４軸のものである。]
[0025] さらに好ましい実施形態では、敷く前の手順ステップにおいて、乾燥繊維粗紡に結合剤、特に熱可塑性結合剤が付着される。]
[0026] 結合剤の使用目的は、安定な繊維プリフォームを製造するために乾燥繊維粗紡を結合させることである。前記結合剤は、好ましくは、乾燥繊維粗紡に粉体として塗られる粉状の溶融性結合剤である。この目的のため、好ましくは乾燥繊維粗紡が、より好ましくは結合粉体が帯電されることにより、結合剤粉体が乾燥繊維粗紡に効果的に接着される。液状結合剤が、好ましくは、乾燥繊維粗紡に噴霧され、ローラで付けられ、若しくは広げられ、又は、乾燥繊維粗紡が前記液状結合剤に浸され得る。さらには、結合剤を含む個別のフィラメントが乾燥繊維粗紡に組み込まれ得る。]
[0027] さらに好ましい実施形態では、乾燥繊維粗紡を切断するステップにおいて、少なくとも複数の乾燥繊維粗紡が、互いに独立して少なくとも１つの切断装置によって切断される。]
[0028] このように、乾燥繊維粗紡の個々の長さは、適合した繊維複合体を製造するためにそれぞれ調整され得る。]
[0029] さらに好ましい実施形態では、乾燥繊維粗紡が敷かれたとき、又は敷かれた後に、乾燥繊維粗紡は、結合剤が活性化することにより固定される。この目的のため、例えば、接触圧力、及び／又は、熱放射、及び／又は、マイクロ波照射、及び／又は、赤外線照射、及び／又は、ＵＶ照射、及び／又は、レーザー照射、及び／又は、誘導エネルギー導入、及び／又は、接触加熱など様々な方法が好適に採用され得る。]
[0030] さらに好ましい実施形態によれば、乾燥繊維粗紡が敷かれた後、又は、切断された後、敷かれた乾燥繊維粗紡に熱硬化性樹脂材料を含浸又は浸透させるための手順ステップが行われる。]
[0031] 当該ステップは、繊維複合体の製造のために硬化中にマトリックスにおいて繊維を固定する。液状樹脂材料が大気圧によって繊維材料中に圧入されるような方法を用いて、減圧により樹脂材料の浸透が促進され得る。]
[0032] 次に、図面の添付図に関わる実施形態を基にして本発明をより詳細に説明する。]
[0033] 図１は、本発明に係る繊維プリフォームの製造方法を実施するための装置の基本的構造に関わる概略図であり、左側が側面側から見た横断面図であり右側が正面図である。本発明の好ましい実施形態においては、乾燥繊維粗紡２が繊維粗紡ボビン１に設置される。乾燥繊維粗紡２には、結合剤２０が付着している。１又はそれ以上の切断装置３は、繊維粗紡ボビン１の下流側に配置され、そして、乾燥繊維粗紡２を切断するために用いられる。１又はそれ以上の圧力ローラ４は、切断装置３の下流側に配置され、そして、乾燥繊維粗紡２が型５に敷かれたときに乾燥繊維粗紡２に対して圧力をかけるために用いられる。] 図１
[0034] 乾燥繊維粗紡２は、互いに独立して繊維粗紡ボビン１からほどかれて、そして、型５の上、又は、既に敷かれた乾燥繊維粗紡２の上に敷かれる。圧力ローラ４は、乾燥繊維粗紡２が互いに接着するように乾燥繊維粗紡２を圧迫及び加熱する。複数の乾燥繊維粗紡２が型５及び圧力ローラ４に同時に供給されることが、右側の正面図から認識され得る。次に、個々の乾燥繊維粗紡２は、切断装置３によって切断され得る。その後、乾燥繊維粗紡２は、繊維プリフォームが層状に作製されるように、再び敷かれ得る。]
[0035] この点において、一方で乾燥繊維粗紡２が型５の起伏形状に対して柔軟に置かれ他方でその長さが個々に調整もされ得るように、乾燥繊維粗紡２は、個々に且つ互いに独立して供給される。従って、具体的には、非平面的な又は湾曲した型は、膨らみを生じさせることなく覆われ得る。複数の乾燥繊維粗紡２が同時に供給されるという事実により、広範な表面が乾燥繊維粗紡２によって効率的に覆われることも可能である。さらには、層状になった乾燥繊維粗紡を利用する結果、複数の層によって材料厚みを大きくすることも可能である。]
[0036] 本発明は、現状、好ましい実施形態に基づいて記載されているが、これに限定されるものではなく、様々な異なる様式に改良され得る。]
[0037] 本発明において複合材料部品のための繊維プリフォームの製造方法は、複数の乾燥繊維粗紡を互いに独立して利用することにより、非平面的な起伏形状であっても、柔軟且つ費用効率に優れた方式で複雑な形状物を直接製造することを可能にする。繊維プリフォームが乾燥繊維粗紡から直接製造されることから、もはや切断された布地片を用いる必要がない。それ故、作製物、輸送、及びオーダーピッキング作業が必要でない。繊維糸を寸法通りに切断する必要がなく、それにより材料の節約が可能になる。さらには、繊維生地の縫製が不要なことから、力学的特性値が複合材料において高くなり得る。加えて、隣接して配置された乾燥繊維粗紡の数が、覆われ得る表面の多様化を可能にさせ得ることから、記載された方法は、簡便に設計され得る。さらには、当該方法において乾燥繊維粗紡が直接的に固定されるという利点がある。]
[0038] １：繊維粗紡ボビン、 ２：乾燥繊維粗紡、 ３：切断装置、 ４：圧力ローラ、
５：型、 ２０：結合剤]

权利要求:

請求項1
ａ）少なくとも複数の乾燥繊維粗紡が異なる速度で送られるように、複数の乾燥繊維粗紡（２）を互いに独立させて型（５）に供給すること、ｂ）複数の乾燥繊維粗紡（２）を互いに隣り合うように直接型（５）の上に、又は型（５）に置かれた乾燥繊維粗紡（２）の上に同時に敷くこと、ｃ）乾燥繊維粗紡（２）を切断すること、のステップを含む繊維プリフォームの製造方法。
請求項2
乾燥繊維粗紡（２）を供給する手順ステップでは、炭素、アラミド、ポリエステル、又はガラス繊維に基づく乾燥繊維粗紡（２）を供給することを特徴とする請求項１記載の方法。
請求項3
積み重ねられるように動く乾燥繊維粗紡（２）を実質的に互いに少なくとも２５°の角度で敷くことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
請求項4
前記乾燥繊維粗紡（２）が多軸織物の形で互いに２又はそれ以上の角度で積み重ねて敷かれることを特徴とする請求項１〜３の少なくともいずれかに記載の方法。
請求項5
敷く前の手順ステップでは、前記乾燥繊維粗紡（２）に結合剤（２０）、特に熱可塑性結合剤（２０）が付着していることを特徴とする請求項１〜４の少なくともいずれかに記載の方法。
請求項6
乾燥繊維粗紡（２）を切断する手順ステップでは、少なくとも１つの切断装置（３）により少なくとも複数の乾燥繊維粗紡（２）を互いに独立して切断することを特徴とする請求項１〜５の少なくともいずれかに記載の方法。
請求項7
乾燥繊維粗紡（２）を供給する手順ステップでは、結合剤（２０）が付着した乾燥繊維粗紡を供給することを特徴とする請求項１〜６の少なくともいずれかに記載の方法。
請求項8
乾燥繊維粗紡（２）を敷くとき又は敷いた後に、接触圧力、及び／又は、熱放射、及び／又は、マイクロ波照射、及び／又は、赤外線照射、及び／又は、ＵＶ照射、及び／又は、レーザー照射、及び／又は、誘導エネルギー導入、及び／又は、接触加熱によって結合剤（２０）の活性化により乾燥繊維粗紡（２）を固定することを特徴とする請求項１〜７の少なくともいずれかに記載の方法。
請求項9
乾燥繊維粗紡（２）を敷いた後、又は、乾燥繊維粗紡（２）を切断した後に、乾燥繊維粗紡（２）に熱硬化性樹脂材料を含浸又は浸透させる手順ステップを実施することを特徴とする請求項１〜８の少なくともいずれかに記載の方法。