JP2011502558A - 両面単針アンダースティッチ縫製法 - Google Patents

Abstract

本発明は、強化装置を用いてサンドイッチ構造を強化するための強化プロセスに関する。カバー層は、繊維・プラスチック複合体より成っていて、心材は硬質ポリマーフォーム材より成っている。コア材に貫通孔を形成する作業は、強化構造部を設ける作業から時間的にずらして実施される。フック、グリッパ又は針によって貫通孔が設けられた後で、強化構造部が上方運動によってサンドイッチ構造内にもたらされる。次いで、針、グリッパ又はフックが縫い方向で次の刺入孔内にガイドされ、この際に、上側に位置する強化構造部と下側に位置する強化構造部との間で強化材を絡ませるようにした。

Description

本発明は、サンドイッチ構造の強化プロセスに関する。本発明は、心材に貫通孔を設ける作業を、強化構造部を設ける作業から時間的にずらして行うことを特徴としている。

本発明は、サンドイッチ構造を強化するために適している。サンドイッチ構造は、有利には、繊維半製品（例えば製織品、積層材料、マットその他）より成るカバー層を備えた繊維プラスチック複合体と、心材（例えばポリマーフォーム材）と、ポリマーマトリックス材料（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）とから成っている。サンドイッチ構造は、比較的薄い上側及び下側のカバー層、並びに比較的厚いコア層（密度は低い）より成る層構造である。

本発明によれば、横方向の（例えば圧縮強さ若しくは引張強さ、及びｚ方向の圧縮強さ若しくは引張強さ、剪断強さ及びｘｚ平面及びｙｚ平面における剪断強さ、カバー層と心材との間の剥離抵抗、フェールセーフ特性）も、またプレート面方向のサンドイッチ構造の機械的な特性（例えば剛性及び強度）も、厚さ方向に挿入された強化エレメントによって著しく高められる。

従来技術
フォーム材構造若しくは、高負荷可能な軽量の複合材料における最適な密度分布の原理は、例えばフォーム材より成る心材両面に、引張強度の高いカバー層を備えた、剪断負荷に対して強い複合体より成るサンドイッチ構造によって実現される。堅牢な複合体を製作するために、種々異なる可能性がある。負荷に応じて、例えば接着又は強化される。強化は、対象物を、より高い圧縮強度又は引張強度を有する別の材料によって強化することによって実現される。

サンドイッチ構造を厚さ方向で強化するための従来公知のすべての方法、例えば二度本縫い、隠し縫い、又は２針縫い並びにタフティング（Tufting）法は、強化エレメント（例えば縫い糸、粗糸）が針と一緒にサンドイッチ構造内に挿入されるようになっている。従来の繊維製品に似た縫製製品において、針を縫い糸と共に侵入させ、次いで縫い針を抜いて、縫い糸を縫い孔内に残すことは、繊維の弾性的な作用に基づいて、一般的に問題はない。しかしながら、心材として硬質ポリマーフォーム材を有するサンドイッチ構造においては、針を縫い糸と共に侵入させることによって、細胞状の構造が破壊され、塑性変形及び弾性変形に基づいて、硬質ポリマーフォーム材が縫い針の直径の大きさに合わせて変形することになる。国際公開第２００４／１１３０６３号パンフレットに記載された、貫通孔の孔開け、次いで糸を貫通孔に通す作業は、貫通孔と糸との間の不都合な面比を生ぜしめ、ひいては糸体積量が少なくなる。

縫い針を抜いて、縫い孔内に縫い糸を残した後で、細胞壁の弾性的な変形率に基づいて、貫通孔が縮小し、それによってコアホールが縫い針直径よりも再び小さくなる。心材に形成された貫通孔の直径と使用された縫い針直径との間に、ほぼ一次関数的な関係が成り立つ。つまり縫い針直径が大きくなればなるほど、心材内に形成された貫通孔も大きくなる。また、縫い糸は、心材の孔直径を付加的に大きくする。このような孔直径の付加的な拡大は、縫い糸の横断面にほぼ相当する。

米国再審査証明書第６１８７４１１号公報には、両面縫製法による縫製について開示されており、この場合、上糸がサンドイッチ構造のカバー層から、１本の針によって層構造に刺し込まれ、別のカバー層の近傍で下糸によって層構造に保持されるようになっている。これによって、針を層構造から戻す際にループが形成される。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２００５０２４４０８号明細書によれば、フォーム材を強化するための縫製法について開示されている。この縫製法によれば、針によって貫通孔を形成した後で、繊維束をフォーム材を通して引き抜き、次いで面が揃うように切断するか、又は表面に当て付けて、選択的に接着されるようになっている。これによって、さらに処理する際に、繊維がカバー層から滑り出し、結合強度が著しく低下され、表面にウェーブがかかる。

米国特許第５６２４６２２号明細書によれば、フォーム材サンドイッチ構造が鎖縫い又は本縫いによって強化されるようになっている。

従来の縫製法においては、針を侵入させる際に糸も一緒に連行されるようになっている。この場合、フォーム材に刺し込む間、糸はその全長に亘って針に対して平行に延びている。従って刺し孔の大きさは、針直径及び糸の太さによって決定される。

サンドイッチ構造に液状のマトリックス材料を含浸させ、次いで硬化させた後で、マイクロスコープ検査によってコアホール直径並びにコアホール内の縫い糸の繊維体積量が決定されるようになっている。この場合、実験によれば、二度本縫い縫製技術によって、及び直径１．２ｍｍの縫い針及び、６２ｇ／ｋｍの蓋差を有するアラミド糸を使用して縫製されたサンドイッチ構造は、心材内に形成された樹脂柱の直径（約１．７ｍｍ）が、一度縫いにおける含浸されていないサンドイッチ構造の得られたコアホール直径よりも大きい。その理由は、縫い針を刺すことによって、縫い針直径の領域内において隣接する細胞壁が破壊される、ことである。このような開放した、約０．７ｍｍの平均的な直径を有する孔内に、続いて浸透法によって樹脂が侵入する（図Ａ参照）。

図Ａ： 二度本縫い縫製技術を用いて発生した樹脂柱のメカニズム、及びコアホール内における縫い糸体積量とコアホール内の縫い糸の数との関連性

二度本縫い縫製技術を用いた場合、１刺し毎に２本の縫い糸が、サンドイッチ構造のｚ方向に挿入される。貫通孔内の縫い糸体積量を増やし、ひいては強化作用を高めるために、既に縫製された箇所が、再び縫われるか若しくは複数回縫われる。しかしながらこの場合、コアホール内に既に存在する縫い糸は、縫い針を新たに差し込むことによって、損傷を受ける。マイクロスコープ検査によって、縫い糸体積量は、期待したようには、刺し回数に比例して大きくならないことが分かった。その理由は、縫い糸を付加的に侵入させる際にコアホール直径がほぼ糸横断面だけ大きくなるので、コアホールの直径は、刺し回数の増加及び挿入された糸の増加によって、一定に維持されないからである。また同様に、実際の特性曲線は、刺し回数が非常に多い場合に初めて、この理論に近づくことも確認されている。これに対して、コアホールの直径は、刺し回数が少ないと著しく大きくなる。その理由は、ミシンの位置決め精度である。再び縫おうとする位置が、新たに開始される場合、縫い針は、既存の孔の中央に正確に挿入されるのではなく、位置決め精度の範囲内で、既存の孔の中央からやや横にそれた位置に挿入され、それによって、コアホールは不均一に拡大する。同じコアホール内に８回刺入されると、コアホールは、縫い針が細胞壁を付加的に破壊することなしに既存の孔内にぶつかる程度に、著しく拡大される。縫い針がさらに刺入されると、コアホールは、付加的挿入された縫い針によってさらに拡大される。

このような実験によれば、ポリマーの心材内に形成された孔の直径は、従来の製造法（例えば、二度本縫い縫製技術）を使用した場合、基本的に、使用された縫い針の直径、縫い糸の横断面並びに使用された硬質ポリマーフォーム材の孔直径に基づいていることが明らかである。この場合、従来公知のすべての強化法において、縫い針及び縫い糸は、サンドイッチ構造内に同時に刺入されるので、この場合、コアホール直径の大きさに対する強化エレメントの使用された横断面の不都合な比が、常に発生する。これによって、カバー層の繊維体積量（＞５０％）と同じくらい大きい、コアホール直径内の繊維体積量が、従来の強化法では得ることができる。しかしながら、機械的な特性は、基本的に、使用された高剛性及び高強度の強化エレメントによって影響を受けるので、コアホール直径内の強化をできるだけ高い繊維体積量で得られるようにすることが望まれている。さらに、コアホール直径内の樹脂の割合が高くなることによって、重量が重くなり、これによって、特に航空機及び宇宙船に使用できなくなる。

課題
本発明の課題は、強化エレメントをサンドイッチ構造の厚さ方向（ｚ方向）に挿入することによって、コアホール直径内の強化材の繊維体積量を高め、サンドイッチ構造の機械的な特性を改良することである。強化エレメントをサンドイッチ構造内に挿入することによって、重量が著しく重くなることはない。

解決策
前記課題を解決した、本発明によるサンドイッチ構造の強化プロセスによれば、
ａ）心材に貫通孔を設ける作業を、強化構造部を設ける作業から時間的にずらして行い、
ｂ）貫通孔を設けた後で、フック、グリッパ又は針によって強化構造部を持ってきて、スライダに固定された前記フック、グリッパ又は針を、上方運動と共に回転運動させることによって又は上方運動させることによって、前記強化構造部をサンドイッチ構造内に挿入し、
ｃ）貫通孔を設け、次いで強化構造部を設けた後で、前記フック、グリッパ又は針をスライダと共に若しくはスライダなしで、かつ回転させずに若しくは回転させると同時に、縫い方向で次に位置する刺入孔へガイドし、次の刺入時に強化構造部を、前記フック、グリッパ又は針の傍らを通過させて、心材に刺入した後で、心材の下側で強化材を掴み、この際に、フック、グリッパ又は針を上方運動及び回転運動させることによって、又はスライダに固定されたフック、グリッパ又は針を上方運動させることによって、前記強化材を、上側の強化構造部と下側の強化構造部との間で絡ませるようにした。

例えばフラップ又はスライダを備えた閉鎖可能なひげ針が使用される場合は、回転運動は行われない。

このような新規な縫製技術は、予備成形のためにも、また付加的な構成部分（例えばストリンガ；stringer、フレーム；frame）をサンドイッチ構造に固定するためにも用いられる。

本発明による縫製技術は、ドイツ連邦共和国特許公開第１０２００５０２４４０８号明細書のものと比較して、長さを短くする従来の作業工程を省くことができる、ということが分かった。しかも、それに続く加工段階において、カバー層がずれて、ピンがカバー層から抜け出ることは避けられる。カバー層がずれて、ピンがカバー層から抜け出ると、カバー層とコア層との間の結合強度が不足するだけではなく、粗糸の挿入方向が不安定になる。これによってカバー層にウェーブがかけられたようになることは、本発明の方法によれば避けられる。

本発明の方法によれば、心材とカバー層との間の摩擦結合（摩擦による束縛）的及び形状結合（形状による束縛）的な接続が得られる。強化エレメントがカバー層を貫通しているのではなく、カバー層とコア層との間で終わっていれば、剥離強度が７３％低下される。

最初の実験によれば、本発明による強化プロセスに従って製作されたサンドイッチ構造において、剥離強度の低下は著しく縮小されたことが分かった。

心材とカバー層とを堅固に結合することによって、材料複合体を問題なく搬送することができる。

フォーム材、フェルト又はその他の繊維材料を使用すれば、熱的な及び／又は音響学的な絶縁に関連して改善された特性が得られる。

強化プロセス後に、サンドイッチ構造に、液体複合成形法によって熱硬化性又は熱可塑性のマトリックス材料を含浸させることができる。

本発明によれば、半完成された繊維製品より成るカバー層と、ポリマーの、天然の又は構造化されたコア材料より成る心材とから構成されたサンドイッチ構造が得られる。このサンドイッチ構造は、強化エレメントを備えていて、場合によってポリマーのマトリックス材料内に埋め込まれている。

縫製プロセスを示す概略図である。

例えば縫い糸又は粗糸等の強化材３を備えた、フック、グリッパ又は針（グリッパシステム）１は、サンドイッチ構造を強化するために用いられる（Ｉ）。

フック、グリッパ又は針１は、強化材３と共に、１８０°回転させられると同時に次の刺入箇所にガイドされる（Ｉ及びＩＩ）。フック、ニードル又はグリッパがスライダに固定されていれば、回転運動は省くことができる。

フック、グリッパ又は針１は、貫通孔を形成するために、心材２内に、又は場合によっては単数又は複数のカバー層及び心材を通して挿入される（ＩＩＩ）。強化材は、フック、グリッパ又は針の傍らを通過して（ＩＶ）、心材の上側に留まる。

針、フック又はグリッパは、心材の下側で強化材を掴み、次いでこの強化材は、上方運動と共に回転運動させることによってサンドイッチ構造内にもたらされる（ＩＶ）。フック、グリッパ又は針は、スライダに固定されていれば、上方運動時の回転運動は省くことができる。

心材の上側で、強化材を絡ませ（Ｖ）、それによって結び目を形成する。

フック、グリッパ又は針はスライダなしで、回転運動を行って縫い方向で次の刺入箇所にガイドされる（Ｉ）。フック、グリッパ又は針はスライダと共に、回転運動を行うことなしに縫い方向で次の刺入箇所にガイドされる。

次いで行われるプロセス段階で、縫製製品又は強化ユニットは、次の刺入位置までさらに搬送され、強化プロセスが繰り返される。強化構造部を組み込むことによって、グリッパシステムを刺入することによって形成されたコアホール直径を追加的に拡開させることができ、これによって、高い繊維体積量が得られる。強化エレメントは、サンドイッチ構造若しくは心材に挿入することによって設けられ、非常に良好な配向が得られ、強化構造部が折れ曲がることはない。このような強化法によって、挿入された強化エレメントは、０°〜ｚ軸線まで変化する角度、例えば純粋な横方向負荷時に+／−４５°を有する。貫通孔は、任意の角度でフォーム材内に入れられる。貫通孔の配向は特に個別に、強化しようとするフォーム材のそれぞれの形状に適合され、かつ使用時に考慮された負荷状況に適合される。

心材として、硬質ポリマーフォーム材（例えばＰＭＩ，ＰＶＣ，ＰＥＩ，ＰＵ，ＥＰＰ，ＰＥＳ，ＰＳその他）が使用される。一般的な形式で心材として使用されるその他のフォーム材を使用してもよい。同様に、フェルト及びその他の繊維束を使用してもよい。心材は、例えば１ｍｍ乃至１５０ｍｍの厚さ、約１２５０ｍｍの幅、及び約２５００ｍｍの長さを有している。上側及び下側の繊維カバー層は、同じ構造又は異なった構造を有していてよく、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊維、ナイロン繊維、金属繊維、アラミド繊維又は玄武岩繊維又はその他の強化材より成っている。個別の繊維カバー層の厚さは、同じであるか、又は異なっていてよく、例えば０．１ｍｍ乃至５．０ｍｍである。ポリマーマトリックス材料として、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が使用される。

強化構造部は、繊維強化構造部（例えば縫い糸、粗糸）より成っているか又は棒状エレメント（例えば一方向繊維プラスチック複合体、強化されていないプラスチック又は金属その他）より成っている。この場合、繊維束とは、複数の単繊維又はモノフィラメントより成る粗糸、単繊維それ自体、並びに個別繊維又は繊維束を撚り合わせた形成された複数の糸のことである。強化構造部の典型的な直径は、０．１ｍｍ乃至２．０ｍｍであってよい。

強化材と心材との良好な複合体のために、心材又はサンドイッチシステム全体は、樹脂含浸処理される。このために有利には、心材又はサンドイッチシステムの一方側に真空を供給し、それによって他方側に存在する樹脂を吸収するようになっている。

湿気と重量との最適な関係を得るために、供給された樹脂の量はできるだけ少ない方がよい。湿気と重量との最適な関係は、基本的に樹脂の量を少なくすると同時に、刺入孔毎の繊維の量を増やすことによって得られる。

本発明に従って厚さ方向で強化されたサンドイッチ構造は、輸送分野、例えば航空機構造、自動車及び鉄道車両構造並びに船舶構造に使用されるが、スポーツ分野及び医療分野並びに土木建築分野又は家具工業においても使用することができる。例えば、航空機又はヘリコプターの舵（かじ）又はボディーに使用するか、又は内張若しくは内装の部分に、本発明に従って製作されたサンドイッチ構造を備えることができる。内装工事、見本市工事及び外装工事のための構成部材も、本発明によるサンドイッチ構造によって製造することができる。

１ グリッパシステム（フック、グリッパ又は針）、 ２ 心材、 ３ 強化材、 ４ 強化材の貯蔵部

Claims (10)

1. サンドイッチ構造の強化プロセスにおいて、
   ａ）心材に貫通孔を設ける作業を、強化構造部を設ける作業から時間的にずらして行い、
   ｂ）貫通孔を設けた後で、フック、グリッパ又は針によって強化構造部を持ってきて、スライダに固定された前記フック、グリッパ又は針を上方運動と共に回転運動させることによって又は上方運動させることによって、前記強化構造部をサンドイッチ構造内に挿入し、
   ｃ）貫通孔を設け、次いで強化構造部を設けた後で、前記フック、グリッパ又は針をスライダと共に若しくはスライダなしで、かつ回転させずに若しくは回転させると同時に、縫い方向で次に位置する刺入孔へガイドし、次の刺入時に前記強化構造部を、前記フック、グリッパ又は針の傍らを通過させて、心材に刺入した後で、心材の下側で強化材を掴み、この際に、フック、グリッパ又は針を上方運動及び回転運動させることによって、又はスライダに固定されたフック、グリッパ又は針を上方運動させることによって、前記強化材を、上側の強化構造部と下側の強化構造部との間で絡ませることを特徴とする、サンドイッチ構造の強化プロセス。
2. 前記強化構造部を、繊維強化構造部又は棒状エレメントより構成する、請求項１記載のサンドイッチ構造の強化プロセス。
3. 前記強化構造部を縫い針又は粗糸より構成する、請求項２記載のサンドイッチ構造の強化プロセス。
4. 前記強化構造部を、一方向繊維プラスチック複合体、強化されていないプラスチック又は金属より構成する、請求項２記載のサンドイッチ構造の強化プロセス。
5. 前記心材の上側又は下側に、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ナイロン繊維、金属繊維、アラミド繊維又は玄武岩繊維のグループより選択された、繊維半製品より成るカバー層を備える、請求項１記載のサンドイッチ構造の強化プロセス。
6. 前記カバー層を繊維半製品より製造し、前記心材の層を、ポリマー材料、天然材料又は構造化された材料より製造し、前記カバー層、心材及び強化エレメントを、ポリマーマトリックス材料内に埋め込む、請求項１記載のサンドイッチ構造の強化プロセス。
7. サンドイッチ構造において、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法によって製作されたことを特徴とする、サンドイッチ構造。
8. サンドイッチ構造の使用法において、宇宙船、航空機、船舶、自動車及びレール車両を製造するために、請求項７記載のサンドイッチ構造を使用することを特徴とする、サンドイッチ構造の使用法。
9. 請求項７に記載したサンドイッチ構造を、スポーツ用具を製造するために使用することを特徴とする、サンドイッチ構造の使用法。
10. 請求項７に記載したサンドイッチ構造を、内装工事、見本市工事及び外装工事のために使用することを特徴とする、サンドイッチ構造の使用法。

Images