JP5826775B2 - 複合材料の三次元製織成形方法 - Google Patents

Description

本発明は複合材料の三次元製織成形方法に関し、紡績および製造の共通領域に属する。

三次元製織技術は、現在国際では最も先進的な複合材料の製造技術の１つと言われている。三次元製織は、長い繊維と短い繊維とが互いに織り合わせて得られる三次元のシームレスで完全な構造である。その製造工程という特徴は、規則的な形状および異形ソリッドを製造することもでき、構成部材に多層の全体的な部材である多機能性を持たせる。

１９８０年代初期、 Ｑｕａｄｒａｘ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＲ.Ｆｌｏｒｅｎｔｉｎｅ博士が４ステップの製造工程を提出しました。１９８８年、デュポン社のＰｏｐｐｅｒとＭｃＣｏｎｎｅｌｌが、２ステップの製造工程を開発し、三次元織り成しの製造工程に関する理論体系を完全化していた。三次元織り成しの繊維は三次元空間において互いに織り合せて、平面にて互いに織り合わせるのみならず、厚さの方向においても互いに織り合わせることで、成層化しない完全な構造になり、織物の全体的な性能が高められている。当該技術の発展によって、多方向強化の複合材料の航空産業における応用を促進し、各国の研究所および会社からの注目を浴びている。しかし、三次元織り成しの技術は主に断面寸法の変化が小さいプリフォームのみに適用し、形状が複雑なプリフォームに対しては、織り成しの過程中に繊維の配列や数を変える必要があるので、製造工程が複雑になり、自動制御が困難である。

中国特許番号ＺＬ２００８２００７８５７２.１である特許には、三次元５方向織り成しプリフォーム及びその紡績機械が開示されている。三次元５方向の織り成し構造の織り成しビームの交差経路により形成された隙間において、織り成し軸方向に沿って軸方向ビームが加えられ、織り成し材料の軸方向性能が高められている。しかし、当該方法に開示されている具体的な織り成し方向の経路は依然として、三次元立体方向で、行方向のドラックと列方向のドラックに沿って編むので、編んだプリフォームの形状やサイズがある程度限られ、編み材料が強い耐荷重性や全体的な性能に欠けている。

特に近年、我が国の航空宇宙産業や軍需産業の飛躍的な発展に伴い、複合材料の三次元織り成し技術に対する要求が日増しに高まっている。従来の三次元織り成し技術は、複雑で大型の部材を加工する場合、困難であるので、織り成し工程を引き続き改良開発し、プリフォームの全体的な性能を確保する上で、織り成しの適応性を高め、三次元織り成し技術の複雑な断面寸法の変化が大きい大寸法部材の応用を促進することは各国の研究の方向になっている。

本発明は、従来の技術における製織された部材の形状が簡単で、サイズが小さく、密度が低く、浸漬後の気孔が多いという不足や欠陥に対して、従来の三次元製織材料の範囲を拡大し、複雑な大型構造部材を製造、一般の三次元製織部材の耐衝突力及び耐荷重性を向上させ、複合材料による主な耐荷重部材の製造上の構造性能の要求を満足するような複合材料の三次元製織成形方法を提供することを目的とする。

本発明の複合材料の三次元製織成形方法は、以下のステップを含む。
ａ）部材の構造性能及び外形サイズに基づき、ＣＡＤモデルにおいて成層し、単層のグリッドを充填する経路を最適化するステップ、
ｂ）部材の特徴に基づき、所定の規則に従って、所定の間隔でガイドコラムを制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートに配置するステップ、
ｃ）ガイドスリーブをＺ方向に沿い中空のガイドコラムの内部を通し、折り返しさせて、その上端部をコントロール可能なデジタル化のレイアウトテンプレートに固定するステップ、
ｄ）部材の性能に関する要求に基づき、製織の原材料とする適切な糸を選び、当該繊維が製織ガイドコラムに巻き取られ、当該層の模様を製織し、ガイドスリーブをロッキングするステップ、
ｅ）一層の製織を完成した後、制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートが一層の厚さ下り、ガイドスリーブの前記上端部を下へ所定の距離だけ移動しガイドスリーブの内部を前記所定の距離露出するように駆動して、次の層の製織を準備するステップ、
ｆ）部材全体の製織を完成するまで、ステップｅを繰り返して、層毎に製織をするステップ、
ｇ）テンプレートから部材を外し、ガイドスリーブに沿い部材全体を縫製するステップ、及び
ｈ）樹脂に浸漬し、複合材料部材の製造を完成するステップ。

前記制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートは、部材の構造や形状に基づき、所定の規則及び形状に従い、ガイドコラムを様々な様態に配列させ、ガイドコラムをレイアウトする各種の異なるレイアウトテンプレートが形成される。

前記ガイドスリーブが中空の構造であり、外部が滑らかで、製織される部材の構造により内部形状が決定され、前記内部形状がネジ状又は鋸歯状であり、ガイドスリーブが複数の独立する糸からなる。

選ばれた前記糸はカーボン繊維、ワイヤ、アラミド繊維又はポリエチレン繊維である。

本発明は従来の技術に対し、以下のメリットがある。
１）ラピッドプロトタイピング技術と製織技術とを組合せて、複雑な機能部材の三次元製織を実現できる。
２）複合材料の製造と部材成形を一体化させて、大型で複雑な構造の機能部材の製造を実現できる。
３）本製織方法は多ポアの浸漬経路を有し、複雑な構造の部材の密度をさらに高めることができる。

以下、図面を結合しつつ、本発明の実施形態について詳しく説明する。
機能部材の三次元製織方法のフローチャート図である。 制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートにて製織ガイドコラムの作業工程を示す図である。 層の断面図が正六角形であるＸ方向の線巻き形態である。 層の断面が正六角形であるＹ方向の線巻き形態である。

本発明による複合材料の三次元製織成形方法に係わるステップを明確に示すように、以下は、断面が正六角形である六角形柱の製織方法を例として説明する。

部材の特徴に基づき、６０×６０ｍｍの制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートを形成するように、製織ガイドコラム３を３ｍｍ間隔毎にテンプレートに集中し配列する。部材の性能に関する要求に基づき、外部が滑らかで、内部にネジ状の複数の中空ガイドスリーブを製織する。ガイドスリーブをＺ方向に沿い、中空ガイドコラム３を通し外側に折り返させて、制御可能なデジタル化のテンプレートに固定する。その中、ガイドスリーブの内層２が中空ガイドコラム３の内壁部に密着し、ネジ状のガイドスリーブの外層１が中空のガイドコラム３の外壁部を包み、ガイドコラム３の外壁部の底部に被せるガイドスリーブが固定装置４により固定され、ガイドコラム３の内側のガイドスリーブがテンショナー５によりロッキングされ、且つガイドコラム３が徐徐に移動するとともに、糸巻き６より絶えずに糸を供給する。

カーボン繊維を製織の糸とする場合、図３に示す製織経路に従い、製織ガイドコラム３に巻き取り、ガイドスリーブをロッキングして、模様の製織を完成する。ガラス繊維を製織の糸とする場合、図４に示す製織経路に従い、製織ガイドコラム３に巻き取り、ガイドスリーブをロッキングして、模様の製織を完成する。上記の製織を完成した後、次の製織の準備をするように、制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートが一層下がることで、ガイドスリーブを案内し、ある程度の距離を露出して、新たな層のレイアウトテンプレートを形成し、。

部材全体の製織を完成するまで、糸が次々と上記ステップを繰り返す。最後に部材を外し、ガイドスリーブに沿い部材全体を縫製し、樹脂に部材を浸漬して、所望の複合材料機能部材を形成させる。

本実施例において、正六角形の互いに直交する２つの方向に沿って製織することを例として当該三次元製織方法を説明していたが、実際の部材製織において、製織方向は図で示す方向に限らず、所定の角度でもよい。また、本実施例の製織経路は上記２種類に限らず、様々な２次元平面における作業形態もある。

上述は本発明に係わる好適な実施形態に過ぎない。当業者であれば、本発明の様々な変更や変形が可能である。本発明の精神や原則を逸脱しないいずれの変更、置換、改良なども本発明の保護範囲内に含まれる。

１-ガイドスリーブ外層、２-ガイドスリーブ内層、３-ガイドコラム、４-固定装置、 ５-テンショナー、６-糸巻き

Claims (4)

1. 複合材料の三次元製織成形方法において、
   ａ）部材の構造性能及び外形サイズに基づき、ＣＡＤモデルにおいて成層し、単層のグリッドを充填する経路を最適化するステップと、
   ｂ）部材の特徴に基づき、所定の規則に従って、所定の間隔でガイドコラムを制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートに配置するステップと、
   ｃ）ガイドスリーブをＺ方向に沿い中空のガイドコラムの内部を通し、折り返しさせて、その上端部をコントロール可能なデジタル化のレイアウトテンプレートに固定するステップと、
   ｄ）部材の性能に関する要求に基づき、製織の原材料とする適切な糸を選び、当該繊維が製織ガイドコラムに巻き取られ、当該層の模様を製織し、ガイドスリーブをロッキングするステップと、
   ｅ）一層の製織を完成した後、制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートが一層の厚さ下り、ガイドスリーブの前記上端部を下へ所定の距離だけ移動しガイドスリーブの内部を前記所定の距離露出するように駆動して、次の層の製織を準備するステップと、
   ｆ）部材全体の製織を完成するまで、ステップｅを繰り返して、層毎に製織をするステップと、
   ｇ）テンプレートから部材を外し、ガイドスリーブに沿い部材全体を縫製するステップ、及び
   ｈ）樹脂に浸漬し、複合材料部材の製造を完成するステップと、
   を含むことを特徴とする複合材料の三次元製織成形方法。
2. 前記制御可能なデジタル化のレイアウトテンプレートは、部材の構造や形状に基づき、所定の規則及び形状に従い、ガイドコラムを様々な様態に配列させ、ガイドコラムをレイアウトする各種の異なるレイアウトテンプレートが形成されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料の三次元製織成形方法。
3. 前記ガイドスリーブが中空の構造であり、外部が滑らかで、製織される部材の構造により内部形状が決定され、前記内部形状がネジ状又は鋸歯状であり、ガイドスリーブが複数の独立する糸からなることを特徴とする請求項１に記載の複合材料の三次元製織成形方法。
4. 選ばれた前記糸はカーボン繊維、ワイヤ、アラミド繊維又はポリエチレン繊維であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料の三次元製織成形方法。

Images