KR100501632B1 - 환형 섬유 구조물을 제조하는 방법 - Google Patents

환형 섬유 구조물을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

환형 섬유 구조물을 제조하기 위하여, 두개의 겹쳐진 단일 방향 시트로 구성된 스트립형 직물(50)이 사용되고, 상기 시트의 방향은 스트립의 종방향에 대하여 마주보는 각을 형성하고, 상기 두개의 시트는 변형 가능한 기본 메쉬를 형성하도록 서로 접합되고, 상기 직물은 평평한 나선으로 변경되도록 변형되면서 감기고, 상기 기본 메쉬는 턴의 내부직경과 외부직경 사이의 단위 면적당 질량의 변화가 작게 유지되는 방식으로 변형되고, 평평한 턴은 서로에 대하여 압착된다.

Description

환형 섬유 구조물을 제조하는 방법{A METHOD OF MAKING AN ANNULAR FIBER STRUCTURE}
본 발명은 환형 섬유 구조물, 특히 복합재 환형 부재의 제조를 위한 예비성형체를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 특별하지만 배타적이지 않은 적용 영역은 복합재, 특히 탄소-탄소(C/C) 복합재로 이루어진 브레이크 디스크 또는 클러치 디스크 제조용 환형 예비성형체를 제조하는데 적합하다.
브레이크 디스크 또는 클러치 디스크 등의 복합재 환형 부재는 매트릭스로 고밀도화된 섬유 보강 구조물 또는 "예비성형체"로 구성되어진다. C/C 복합 디스크의 경우, 예비성형체는 탄소 섬유로 제조되거나, 또는 예비성형체가 제조된 후 열 처리에 의해 탄소로 변형되는 탄소 전구체로 만들어진 섬유로 제조된다. 섬유 형태로 이용 가능한 특별한 탄소 예비성형체는 예비산화된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 이다. 이 예비성형체는 탄소에 대한 액상 전구체, 예를 들면 수지 등을 사용하고, 이어서 열처리에 의하여 전구체를 변형하는 액상-함침법 또는 그밖에 화학 증기 침투법, 또는 실제로 온열화에 의해 고밀도화 될 수 있다. 온열화에 대하여, 예비성형체는 매트릭스-전구체 액에 담궈지고, 이 예비성형체는 예를 들면 유도 중심과의 접촉에 의해 또는 유도 코일과의 직접적인 연결에 의해 가열되어, 전구체가 예비성형체와 접촉하면서 증기화되고, 침투하여 예비성형체의 구멍 내에 증착되어 매트릭스를 형성하도록 할 수 있다.
복합재로 이루어진 부재용 섬유 예비성형체를 제조하기 위해 잘 알려진 방법은 이차원 섬유 직물의 층 또는 가닥들을 겹쳐 함께 니들링(needling)하는 것이다. 예로서, 섬유 직물은 직조천일 수 있다. 이 천은 겹쳐진 가닥들을 통해 바늘이 통과하기에 적합한 섬유를 제조하기 위하여, 섬유 웨브로 덮여질 수 있고; 이것은 특히 천이 끊어짐 없이 니들링 하기 어려운 섬유, 특히 탄소 섬유로 제조된 경우 적용된다. 이러한 방법은 특히 각각 평평한 예비성형체의 제조 및 회전 몸체인 예비성형체의 제조에 대하여 FR-A-2 584 106 및 FR-A-2 584 109에 기재되어 있다.
디스크용 환형 예비성형체는 평평하게 겹쳐져 함께 니들링된 층들로 이루어진 두꺼운 판으로부터 절단될 수 있다. 탄소 섬유 또는 탄소 전구체 섬유로 제조된 예비성형체의 경우, 재료 손실은 거의 50%이므로 매우 많은 비용이 들게한다.
이러한 손실을 줄이기 위하여, EP-A-0 232 059에는 각각 복수개의 섹터 (sector)들이 함께 조립되어 형성된 환형 층들을 겹치고 함께 니들링하여 예비성형체를 제조하는 것이 제안되어 있다. 이 섹터들은 이차원 직물로부터 절단된다. 재료의 손실은 전체 환형을 절단하는 경우보다는 적지만, 여전히 무시할 수 없다. 또한, 이 방법은 특히 이들 섹터들 사이의 분리선이 겹치는 것을 피하기 위하여 한층으로부터 다른 층으로 상쇄되는 것을 보장하면서 섹터들을 정확히 위치시켜야 하므로, 실행 및 자동화가 오히려 어렵다.
상기 FR-A-2 584 107에 기재되어 있는 바와 같이, 맨드릴 위에 천 스트립을 감으면서, 동시에 니들링하여 제조된 슬리브로부터 절단될 수 있는 환형 예비성형체가 연구되었다. 이 방법은 섬유재의 상당한 손실없이 실행하기가 상대적으로 쉽다. 그러나, 마찰 디스크에 대한 적용 및 상기 다른 구현예와 반대의 경우에서, 예비성형체의 가닥들은 마찰면에 수직으로 배치되고, 몇몇 경우에서 이 배열은 최적이 아니다.
복합재로 만들어진 환형 부재용 섬유 예비성형체를 제조하는 또 다른 방법은 나선형 또는 소용돌이형 스트립의 형태로 된 직물 제품을 사용하여 이루어지고, 이 제품은 평평하게 겹쳐진 턴으로 감긴다. 상기 직물 제품은 나선형 날실 및 방사형 씨실로 만들어진 직조천일 수 있다.
상기 FR-A 2 490 687 및 FR-A-2 643 656에 기재된 바와 같이, 소용돌이형 나선형은 실꾸러미를 꽂는 틀에 설치된 각 실패로부터 풀어지는 날실에 대하여 프러스토코니칼 롤러(frustoconical roller)를 사용하여 천에 제공된다. 이러한 방식으로 제조된 천에서, 씨실 사이의 간격은 내부직경과 외부직경 사이의 나선형 천의 폭을 가로질러 증가한다.
천의 전체 폭을 가로질러, 천에 대하여 실질적으로 일정한 특징을 보존하기 위하여, 상기 두가지 문헌에서는 천의 외부직경부터 시작하여, 단지 천의 폭부분 전면에 추가의 씨실을 치는 것을 도입하는 것이 제안되어 있다. 이러한 해결 방안은 천의 제조에서 상당한 추가 비용을 증가시키고, 원료의 결손을 무시할 수 없다. 특허출원 FR 95 14 000에 기재된 또 다른 해결 방안은 예비성형체의 단위 용적당 밀도의 측면에서, 씨실 밀도의 감소가 거의 보상됨을 보상하기 위해 나선형 천의 내부직경과 외부직경 사이에서 나선형 천의 날실의 단위 면적 당 질량을 증가시키는 것으로 이루어진다. 비록 외부직경 가까이 씨실 섬유의 밀도를 증가시키는 것보다는 비용이 많이 들지 않지만, 그럼에도 불구하고 이 해결 방안은 천의 내부직경과 외부직경 사이에서 중량을 변화시키며/또는 단위 면적 당 질량을 변화시키는 씨실의 사용을 요구하기 때문에 오히려 복잡하다.
또 다른 알려진 기술에서, 복합재로 만든 환형 부재, 특히 브래이크 디스크용 섬유 예비성형체는 평평하게 된 관형의 꼬아진 끈을 나선형으로 감아서 제조된다. 이 관형의 꼬아진 끈은 EP-A-0 528 336에 기재된 바와 같이, 직선형일 수 있다. 이어서 이 꼬아진 끈은 나선으로 감기도록 변형된다. 예비성형체의 입체 안정성을 향상시키고, 감기고 평평화된 꼬아진 끈의 내부직경 및 외부직경 사이의 단위 면적당 밀도에서의 변화를 보상하도록 끈의 제조 동안 종방향 실이 첨가된다. 또한, EP-A-0 683 261에서는 나선형 관형의 꼬아진 끈을 사용하는 것이 제안되어 있다. 이것은 직선 관형의 꼬아진 끈이 나선으로 감기는 경우, 상기 꼬아진 끈의 변형에 대한 제한을 극복할 수 있게 한다. 그럼에도 불구하고, 단위 면적당 밀도에서의 변화는 여전히 종방향의 실의 첨가에 의해, 또는 내부직경과 외부직경 사이에서 작은 폭의 복수개의 평평화된 꼬아진 끈을 병렬시킴에 의해 보상되는 것이 필요하다. 단위 면적당 밀도에서의 변화 문제에 대한 완벽하게 만족스러운 해결 방안의 제공 없이는 이러한 해결 방안들은 예비성형체의 제조를 복잡하게 하고, 따라서 비용이 많이 들게 한다.
본 발명은 다음의 첨부 도면을 참조하여, 제한없는 지시로서 제공되는 다음 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
·도 1은 섬유 직물을 본 발명의 발명의 실행에서 사용하기에 적합한 변형가능한 스트립 형태로 제조할 수 있는 설비의 개략도이고;
·도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 방법의 실행에 사용하기에 적합한 섬유 직물이 니팅에 의해 접합될 수 있는 하나의 방법을 설명하는 도면이고;
·도 4, 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 방법의 실행에 사용하기에 적합한 섬유 직물이 니팅에 의해 접합될 수 있는 또 다른 방법을 나타내는 도면이고;
·도 6은 어떻게 도 1의 실행에 의해 만들어진 것과 같은 섬유 직물이 나선형으로 평평하게 감길 때 변형되는가를 나타내는 개략도이고;
·도 7a 및 도 7b는 본 발명의 방법을 실행하기 위한 섬유 직물을 나선형으로 감기 위한 장치를 나타내는 개략도이고;
·도 8a 및 도 8b는 본 발명의 방법을 실행하기 위한 섬유 직물을 나선형으로 감기는 두개는 다른 장치를 나타내는 개략도이고;
·도 9는 본 발명에 따른 환형 섬유 구조물을 제조하기 위한 방법의 실행을 나타내는 개략도이고;
·도 10은 본 발명에 따른 환형 섬유 구조물을 제조하기 위한 방법의 또 다른 실행을 나타내는 개략도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 환형 예비성형체가 재료의 상당한 손실없이, 실제로 구조물의 내부 직경과 외부 직경 사이에서 단위 면적당 일정한 밀도를 유지하면서 복합재 부재를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유사한 결과가 얻어질 수 있는 종래의 방법 보다 함침 비용이 상당히 감소되는 방법을 제공하는 것이다.
이 때문에, 본 발명은 섬유 직물의 평평한 나선을 변형가능한 스트립 형태로 감아서 환형 섬유 구조물을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
·두개의 겹쳐놓은 단일방향 시트로 구성된 섬유 직물을 변형가능한 스트립형태로 공급하는 단계, 여기서 상기 각 시트는 서로 평행한 섬유소자로 구성되고, 두개의 시트의 방향은 스트립의 종방향과 반대 부호의(opposite signs) 각을 형성하고, 두개의 시트는 변형 가능한 기본 메쉬를 형성하도록 서로 접합되며;
·기본 메쉬의 변형을 반경 크기가 턴의 내부직경 가깝게 증가하고, 그에 따라 턴의 내부직경과 외부직경 사이의 단위 면적당 질량의 변화를 최소화되도록 기본 메쉬의 형태를 변경해서, 스트립이 평평한 나선으로 전환되도록 변형중 스트립형 직물을 감는 단계;
·환형 섬유 구조물을 얻도록 직물을 나선으로 감음으로써 변형된 평평한 턴을 다른 하나에 적용시키는 단계로 이루어진다.
바람직하기는, 스트립의 종방향에 대하여 두개의 시트로 만들어진 방향은, 종방향 및 횡방향에서 변형할 수 있는 기본 메쉬의 능력이 유지되도록, 바람직하기는 30°내지 60°범위의 절대치를 갖는 각도를 이룬다. 바람직한 구현예에서, 이러한 각은 +45°및 -45°이다. 상기 시트는, 이들의 정점에서 변형할 수 있는 기본 메쉬의 능력을 보존하면서, 직물의 한면으로부터 다른 면으로 지나는 실을 사용하여, 예를 들면 재봉질(sewing) 또는 니팅(knitting)에 의해, 또는 실제로 시침질 또는 국지적인 니들링에 의해 함께 접합된다.
이러한 직물은 두꺼워지거나 그의 표면에 주름이 생김 없이, 실제로 시트에 섬유소자가 일정하게 분배된 평평한 나선형으로 감겨질 수 있고, 그에 따라 보정에 대한 요구 없이 내부직경과 외부직경 사이의 단위 면적당 밀도가, 허용가능한 한계 내에서 유지할 수 있는 나선을 제공하므로 특히 바람직하다.
또한 바람직하게는, 직물을 나선형으로 감아서 형성된 평평하게 겹쳐진 턴(turns)들이 서로 접합된다. 턴들 사이의 접합은 예를 들면, 니들링에 의해 실행될 수 있다. 상기 니들링은 감기(winging) 또는 환형 구조물의 임의의 압착 후, 또는 감기면서 실행될 수 있다.
스트립형 직물을 두개의 회전 디스크 사이를 통과시켜서 변형시키고, 이 직물의 종방향 가장자리는 예를 들면 조여짐에 의해 디스크 사이에 유지되고, 또는 그밖에 직물은 적어도 하나의 프러스토코니칼 롤러를 통과시켜 변형될 수 있다.
따라서 섬유재의 손실 없이 섬유 밀도를 보존하면서, 선행 기술에서와 같은 추가의 요소를 도입할 필요 없이, 내부직경과 외부직경 사이의 변화가 거의 없는 환형 섬유 직물을 형성하는 것이 가능하며, 따라서 실행이 크게 단순화되었다.
본 발명에 사용되는 섬유 직물은 서로 평행한 섬유소자로 만들어진 두개의 단일방향 시트를 겹치고 함께 접합하여 제조된다.
잘 알려진 방법에서, 단일방향 시트는 토우 또는 케이블을 펼쳐 놓거나, 또는 다음에 상세한 설명이 기재되어 있는 바와 같이, 여러 가지 실패로부터 나온 실을 평행하게 함으로써 얻어질 수 있다.
토우를 펼쳐 얻어진 단일 방향 시트로 다축 섬유 직물을 제조하기 위한 방법은 1997년 3월 28일에 제 97/03832호로 출원되고, "다축 섬유 시트를 제조하기 위한 방법 및 장치"로 제목을 붙인 프랑스 특허 출원에 기재되어 있고, 이 내용을 참조하여 본 명세서에 병합하였다.
도 1은 실로 만들어진 두개의 단일 방향 시트(10), (12)를 수용하고, 스트립의 종방향과 반대 부호의 각을 만드는 두개의 시트를 겹치는 것에 의해 스트립 형태의 섬유를 생산하는 설비를 매우 개략적으로 나타냈고, 이 실시예에서 상기 각들은 +45°및 -45°이다.
단일방향 시트(10) 및 (12)를 구성하는 섬유는 스트립형태의 직물에 의도되는 용도의 함수로서 선택되는 재료로 이루어진다. 상기 섬유는 예를 들면 탄소 섬유 또는 세라믹 섬유 등의 유기물 또는 무기물이거나, 또는 탄소섬유 또는 세락믹 섬유에 대한 전구체 일 수 있다. 두개의 시트를 구성하는 섬유는 다른 종류일 수 있다는 것이 관찰될 것이다. 또한 각각의 시트에서 여러 가지 종류의 섬유를 사용하는 것이 가능하다.
상기 스트립은 시트(10)의 단편을 연속하여 제조할 스트립의 종방향에 대하여 각도가 +45°가 되도록 하고, 상기 방향으로 이들 단편을 병렬시키는 것에 의해 형성된다. 각 단편은 스트립의 하나의 종방향 가장자리로부터 그것의 다른 종방향 가장자리에 이르도록 하는 길이 만큼으로 가져온다. 유사한 방식으로, 시트(12)의 연속적인 단편은 제조되는 스트립의 종방향에 대하여 -45°의 각도로 가져오고, 이 시트의 단편(12)은 시트 단편(10) 위에 배치된다.
나타낸 실시예에서, 각각 시트(10), (12)를 이루는 실(11), (13)은 동시에 움직이는 두개의 못을 박은 연속 체인(20), (22) 사이에서 팽팽하게 늘여진다. 상기 시트(10), (12)의 말단은 각 실패(도시하시 않음)로부터의 실(11) 및 (13)을 받아들이고, 제조할 스트립의 종방향 가장자리 사이의 전후로 움직이는 각각의 운반대(14) 및 (16)에 의해 유도된다. 운반대의 스트로크(stroke)의 각 끝에서, 이 시트는 못으로 고정된 체인에 대응하는 못 주위에서 방향을 바꾼다. 이 못으로 고정된 체인(20) 및 (22)는 시트(10) 및 (12)가 연속적인 시트 단편으로 병렬되도록 가져와서, 적시에 연속적으로 또는 불연속적으로 나아가게 한다. 이러한 유형의 설비는 예를 들면 US-A-4 677 831로부터 알려져 있고, 따라서 보다 자세한 설명은 필요치 않다.
상기 시트(10) 및 (12)를 겹쳐서 형성된 스트립은, 접합 장치로 들어가기 위하여 못으로 고정된 체인의 상부 가장자리의 하향 말단에서 못으로 고정된 체인(20) 및 (22)으로부터 분리된다. 나타낸 실시예에서, 접합은 형성되는 스트립의 전체 폭으로 연장된 바늘대(32)에 의한 니들링에 의해 실행되고, 이 스트립은 천공판(34) 위를 지나가고, 상기 천공판의 천공은 바늘대(32)가 바늘에 들어맞게 위치한다. 바늘대(32)에서 바늘의 분포는, 두 시트들 간의 접합이, 예를 들면 평행사변형 방식으로, 변형가능한 개개의 스티치들을 한정하도록 배치된 니들링이 실행되도록 결정된다.
생성된 스트립형 섬유 직물(50)의 시트 사이의 접합은 직물이 못으로 고정된 체인(20) 및 (22)과 동시에 모터(48)에 의해 움직이는 롤(28)에 보관될 수 있기에 충분한 접착을 제공한다. 이 접합 장치(30)와 롤(38) 사이에서, 스트립(50)의 가장자리는 회전 다이(36a) 및 (36b) 수단에 의해 절단된다.
도 2, 도 3a 및 도 3b는 시트 사이에서 접합의 바람직한 변형된 실행을 나타낸다. 이 변형에서, 접합은 니들링이 아닌 니팅에 의해 실행된다. 못으로 고정된 체인(20) 및 (22)로부터 나온 겹쳐진 시트가 니팅을 실행하는 니팅 기계에 수용되고, 즉 이것은 직물(50)의 한면으로부터 다른 한면으로 통과하는 실에 의해 이차원 구조물을 만든다(도 2). 도 3a는 사용된 니팅 스티치(44)를 자세하게 나타내고, 도 3b 및 도 3c 는 니팅에 의해 접합된 직물(5)의 전면과 배면을 나타낸다.
도 3a에서 나타낸 바와 같이, 니팅 스티치는 직물(50)의 종방향으로 늘어나는 서로 엇갈리게 짜여진 루프(44a)를 형성하고, 인접한 열에서 루프를 서로 연결시키는 V형 또는 Z자형 통로(44b)와 함께 복수개의 평행한 열을 형성한다. 이 직물(50)은 전면에 위치된 경로(44b)(도 3b)와 배면에 위치한 루프(도 3c) 사이에 놓여, 한면에는 Z자형 스티치의 외관을, 그리고 다른 한면에는 체인 스티치의 외관을 갖는 편물을 제공한다. 니팅 스티치는 각 시트에서 복수개 실을 포함하며, 이 수는 선택된 게이지에 의존한다.
도 3b 및 도 3c에서 포인트(a),(b),(c),(d) 등의 Z자형 통로(44b) 및 루프(44a) 사이의 접합점들은 개개의 변형가능한 메쉬의 정점들을 한정한다. 즉, 이 경우에 있어서, 니팅 스티치에 의해 한정되는 메쉬는 모두, 변형시킬 수 있는 평행사변형을 형성하는 시트의 실 사이의 크로스오버 포인트(crossover points)에 의해 한정된 메쉬와 같이 변형될 수 있다.
도 4는 시트 사이의 접합을 니팅에 의해 성취하는 다른 변형을 나타낸 것이다. 못으로 고정된 체인(20) 및 (22)에서 취한 겹쳐놓은 시트는 직물(50)의 종방향 가장자리에 평행한 복수개의 선에서 시트를 함께 접합하는 편물기계(46)에 의해 수용된다.
도 5a에 나타낸 바와 같이, 각각의 니팅 스티치(48)는 직선 단편(48b)을 통해서 연결된 루프(48a)를 갖는 체인 스티치이고, 직물(50)은 직물의 배면에서 볼 수 있는(도 5b) 단편(48b)과 직물의 전면에서 볼 수 있는(도 5c) 루프(48a)사이에 위치한다.
도 2 및 도 4의 구현예용 니팅 스티치는 희생재(sacrificial material), 즉 시트를 구성하는 섬유를 손상시키지 않고 계속해서 제거될 수 있는 재료로 만들 수 있다. 예를 들면, 잔류물을 남기지 않고 열에 의해서 제거되기에 적합한 재료의 실, 또는 용매에 의해 제거되기에 적합한 재료의 실, 예를 들면 수용성 폴리비닐 알콜 실을 사용할 수 있다.
직물의 예정된 후속 사용에 적합한 재료로 만든 뜨개실을 사용할 수 있다. 직물을 복합재 부재의 제조에 사용하기 위한 예비성형체를 제조하려고 할 경우에, 뜨개실 또는 재봉실은 복합재의 매트릭스 재료와 적합한 재료, 즉 화학적으로 반응함이 없이, 매트릭스와 같은 종류이거나 또는 매트릭스와 혼화할 수 있는 재료로 만들 수 있다.
니팅 또는 재봉질에 의한 다른 접합 방법들을 또한 선택할 수 있다.
생산된 스트립형 직물은, 표면 변형(주름 또는 슬리페이지(slippage))을 일으키지 않고, 평평하게 나선형으로 감길 수 있는 변형능력 때문에 특히 유익하며, 이 변형능력은 직물(50)의 기본 메쉬(52)가 변형가능한 평행사변형처럼 작용하기 때문이며, 여기서 변형은 선택된 접합방법에 의해서 제한되지 아니하며, 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 나타낸 니팅에 의한 접합방법은 이 점에 있어서 적합한 방법이다.
감는 동안(도 6), 나선의 내부직경에 근접하게 위치한 기본 메쉬(52')는 방사상으로 신장되고 종방향으로 수축되어 변형되며, 한편 나선의 외부직경에 근접해서 위치한 기본 메쉬(52")는 방사방향으로 수축되고, 종방향으로 연장됨으로써 변형된다. 그 결과, 단위 면적당 섬유의 밀도는 실질적으로 일정하게 남거나, 또는 내부직경과 외부직경 사이에서 약간만 변하며, 이것은 복합재 부재의 제조에 사용되는 균질 예비성형체 제조에 특히 유익하다. 도 6에서, 점선(54)은 스트립(50)의 초기방향 중 한 방향의 변형을 나타낸 것이다.
니팅 또는 재봉질로 접합할 경우, 직물의 실로 형성된 기본 메쉬의 변형은 니팅 스티치 또는 재봉질 스티치의 변형에 의해서 성취된다. 그리하여, 도 3a 내지 도 3c의 니팅 스티치에 있어서, 변형은 체인 스티치 루프를 형성하는 실의 부분을 길게하거나 또는 짧게 하고, Z자형 통로에 의해 형성된 각을 열거나 닫음으로써 일어난다.
직물(50)을 두개의 환형 디스크 또는 플레이트(60, 62) 사이로 통과시키고, 한편으로 직물을 디스크 사이에서 직물의 종방향 가장자리를 따라서 끌어당김으로써, 직물을 변형시켜 편평한 나선으로 감게 할 수 있다. 직물은, 예를 들면 디스크(60, 62)의 내면 또는 적어도 디스크 중 하나의 내면에(도 7b) 형성된 환형 립(64, 66) 사이에서 직물의 가장자리를 지지하며 끌어당길 수 있다.
다른 구현예에서, 직물을 적어도 한개의 프러스토코니칼 롤러를 통과시켜서 직물을 감아서 변형시킨다. 사용한 롤러의 수효와 정점에서 이들의 각은 원하는 변형도의 함수로서 선택된다. 도 8a에 나타낸 예에서, 두개의 동일한 프러스토코니칼 롤러(70, 72)를 사용했으며, 이 롤러는 각각의 모터(도시하지 않음)에 의하여 회전한다. 직물은 적어도 한개의 롤러의 외주의 단편에 꼭 맞게 한다.
도 8b의 예에서, 직물은 제 1회전 프러스토코니칼 롤러(74) 및 평탄한 압착기 플레이트(75) 사이를 통과하고, 또한 제 2회전 프러스토코니칼 롤러(76) 및 평탄한 압착기 플레이트(77) 사이를 통과한다. 롤러들은 각각의 모터(도시하지 않음)에 의해 회전되고, 마찰에 의해서 직물을 변형시킨다.
단일 프러스토코니칼 롤러를 사용해서 직물을 압착할 수 있다. 이와 같은 상황하에서, 그것은 나선의 내부직경을 한정하는 프러스토코니칼 롤러 상에서 직물의 가장자리 중 하나에 의해 묘사되는 보다 작은 서클이다.
환형 섬유 구조는 직물(50)을 나선형으로 감아서 형성된 평평한 턴(flat turns)을 겹쳐 놓고, 감으면서 상기 턴을 니들링에 의해 다른 것에 접합시킴으로써 쌓아올릴 수 있다(도 9). 이것은, 섬유 직물을 평평한 나선으로 변형시키는 동안 또는 섬유 직물의 중간 보존 후, 계속해서 수행할 수 있다.
예를 들면 도 5에 나타낸 바와 같이 두개의 디스크 사이로 통과시켜서 변형시킨 직물(50)을 턴테이블(80)상의 겹쳐놓인 평평한 턴에 감는다. 턴테이블(80)은 지지체(84)에 고착된 수직 샤프트(82)에 장착된다. 지지체(84)는 또한 턴테이블 (80)이 벨트(88)에 의하여 그의 수직축(90)(화살표 f1)주위를 회전하도록 턴테이블 (80)을 구동시키는 모터(86)를 갖는다.
지지체(84) 및 턴테이블(80)로 이루어진 어셈블리는 동일축(90)을 갖는 고정된 중앙가이드 튜브(92)를 따라서 수직으로 이동할 수 있다. 그의 최상부 말단에서, 튜브(92)는 스트립을 나선으로 변형시키는 장치를 지탱한다. 지지체(84)는 신축자재의 수직봉(94)에 위치하며, 지지체(84)의 수직 변위는 하나 이상의 작동기(96)를 조절하여 행한다.
스트립(50)을 회전 턴테이블(80)에 평평하게 감으면서, 스트립은 바늘(102)을 운반하고 수직왕복운동으로 작동하는 바늘대(100)에 의해서 니들링된다. 바늘대의 운동은 크랭크 및 연결로드형 트랜스미션을 통해 모터에 의해서 구동된다. 모터(104)는 지지체(84)에 의해서 운반된다.
스트립(50)은 실직적으로 일정한 단위면적당 밀도와 깊이에서 니들링된다. 스트립(50)의 환형 턴의 전체면적에서 바늘(102)의 스트로크에 대해서 일정한 밀도를 얻기 위하여, 바늘대(100)는 천의 환형층의 섹터에 대응하는 섹터형이고, 니들은 섹터 전체에 균일하게 분배되며, 한편 보강된 구조물(110)을 지탱하는 턴테이블(80)은 스스로 구동되어서 일정한 속도로 회전한다.
니들링의 깊이, 즉 바늘(102)이 각 스트로크에서 구조물(110)로 관통하는 거리는 실질적으로 일정하게 유지되며, 예를 들면 겹쳐놓은 복수의 천에 의해 형성된 두께와 같다. 이 목적을 위하여, 스트립(50)이 턴테이블(80)에 감겨질 때에, 턴테이블은, 예비성형체의 표면과 바늘대 사이의 대응 위치가 바늘의 수직 스트로크 일단에서 변경되지 않고 있도록 보장하기 위하여, 적당한 거리를 통해서 수직 하향으로 옮겨진다. 일단 예비성형체(110)가 쌓이면, 스트립(50)의 마지막 턴이 일어난 후, 복수개의 니들링 패스가 행해지고, 한편으로 턴테이블(80)을 계속해서 회전시켜서 천의 표면층에서 단위 면적당 니들링의 밀도가 예비성형체의 나머지 내에서와 실질적으로 동일하게 남게된다. 이들 최종 니들링의 적어도 일부분이 통과하는 동안, 턴테이블은 단계가 진행되는 동안 점차로 아랫쪽으로 움직이게 할 수 있다. 예비성형체 지지체를 점차로 낮추고, 최종 니들링 패스를 적용해서 일정한 깊이로 니들링하는 이 원리는 알려졌으며, 특히 프랑스 특허출원 FR-A-2584106에 기재되어 있다. 그 외에, 턴테이블(80)은 바늘이 스트립(50)의 초기턴을 니들링하는 동안 손상없이 바늘이 통과할 수 있는 보호층(106)에 피복된다. 보호층(106)은 베이스 펠트, 예를 들면 폴리비닐클로라이드 등의 플라스틱재료의 시트로 덮은 폴리프로필텐 펠트로 구성해서 니들이 업스트로크 (upstroke)하는 동안 섬유가 베이스 펠트로부터 예비성형체(110)로 운반되는 것을 방지해 준다.
섬유 구조물(110)의 다른 구현예에서, 변형된 직물을 나선형으로 감아서 형성한 턴들이 서로에 대해서 적용되며, 섬유 구조물은 저부 플레이트(130) 및 최상부 플레이트(132)로 이루어진 툴링(tooling)에 의하여 압축된다(도10). 압축은 단위 면적당 원하는 섬유밀도를 얻기위해 실시한다. 이어서, 턴은 바늘대(134)를 사용해서 니들링하여 함께 접합시킬 수 있으며, 바늘대의 바늘(136)은 정부 플레이트(132)의 구멍을 통과해서 섬유 구조물(110)의 두께 전체를 관통한다. 레지스터의 저부 플레이트(130)에 바늘을 이용하여 구멍을 낼 수 있다.
상기한 바와 같이하여 얻은 환형 섬유 구조물은 복합재로부터 만든 환형 부재, 예를 들면 브레이크 디스크 제조에 있어서 예비성형체로서 사용하기에 적합하다.
단일방향 시트를 희생재의 실에 의해 접합할 때, 실은 예비성형체를 고밀도화하기 전에 용해되거나 또는 열처리로 제거된다.
생성된 섬유 구조물의 섬유를 구성하는 재료가 복합재의 섬유보강용 전구체일 경우에, 전구체는 예비성형체가 고밀도화 되기 전에, 또는 고밀도화 되기 전예비성형체의 온도가 상승하는 동안 변형된다.
예비성형체는, 예비성형체의 접근할 수 있는 구멍 내에서 원하는 재료로 구성된 재료가 침착되도록, 액상법이나 또는 화학적 증기 침투법에 의한 종래의 방법으로 고밀도화된다.
비록 상기는 시트의 종방향에 대해서 +45°및 -45°의 각도를 형성하는 2개의 접합 단일방향 시트로 만든 변형시킬 수 있는 섬유직물을 사용하는 것에 관한 것이지만, 본 발명의 방법은 변형가능한 스트립으로 수행할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이며, 여기서 두개의 단일방향 시트는 45°가 아닐 수 있고, 어쩌면 서로 다른 절대치를 갖는 반대부호의 각을 형성한다. 그럼에도 불구하고, 메쉬에 대해서 충분한 변형능력을 보존하기 위하여, 상기 각이 30°내지 60° 범위에 있는 절대치를 갖는 것이 바람직하며, 또한 상기 각이 동일한 절대치를 가져서 변형가능한 스트립에서 대칭을 유지하는 것이 바람직하다.
그 외에, 섬유 스트립은 도 1의 부설 장치를 떠나서 나선으로 감기는 것으로 생각되어 진다. 다르게는, 그리고 더욱 바람직하기는, 제작되는 환형 예비성형체의 반경 크기가 너무 크지 않을 경우, 부설 장치를 떠나는 섬유 스트립은 초기에 종방향에 평행하게 절단됨으로써, 반드시 폭이 같지 않지만 복수개의 변형가능한 스트립으로 세분된다.

Claims (17)

  1. 섬유 직물의 평평한 나선을 변형가능한 스트립 형태로 감아서 환형 섬유 구조물을 제조하는 방법으로, 상기 방법은
    두개의 겹쳐놓은 단일방향 시트로 구성된 섬유 직물을 변형가능한 스트립형태로 공급하는 단계, 여기서 상기 각 시트는 서로 평행한 섬유소자로 구성되고, 한 시트의 섬유소자의 방향은 나머지 하나의 시트의 섬유소자의 방향에 대하여 그리고, 스트립의 종방향에 대하여 반대 부호의 각을 형성하고, 상기 두개의 시트는 변형가능한 기본 메쉬를 형성하도록 서로 접합되며;
    기본 메쉬의 반경 크기가 나선 턴의 내부 직경에 가깝게 증가하고, 그에 따라 턴의 내부직경과 외부직경 사이의 단위 면적당 질량의 변화가 최소화되도록, 기본 메쉬의 형태를 변형함에 의해 상기 스트립형 직물을 턴을 갖는 나선으로 변형시키는 단계; 및
    환형 섬유 구조물의 내부직경과 외부직경 사이의 반경 디멘션이 변형된 스트립형 직물의 폭에 상응하는 환형 섬유 구조물을 얻기 위해, 서로에 대해 평평한 변형된 턴을 적용하여 변형된 직물을 평평한 나선으로 감는 단계로 이루어지는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반대 부호의 각들이 동일한 절대치를 갖는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 겹쳐놓은 단일방향 시트들이 니들링에 의해 함께 접합되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스트립형 직물을 나선형으로 변형시키는 것이 상기 직물이 적어도 하나의 프러스토코니칼 롤러를 통과시키는 것을 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 스트립형 직물이, 각각의 환형 섬유 구조물을 얻기 위해 각 스트립을 변형시키고 각각의 변형된 스트립을 평평한 나선으로 감기 전에, 더 큰 폭의 스트립을 수직으로 절단하여 다수의 변형가능한 스트립들로 세분되는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반대 부호의 각들이 30°내지 60°범위의 절대치를 갖는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 절대치가 45°인 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 겹쳐놓은 단일방향 시트들이 니팅에 의해 접합되는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 니팅이 스트립형 직물의 한 면에 Z자형을 형성하고 상기 표면의 반대면에 체인 스티치를 형성하는 니팅 스티치를 사용하는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 시트들이 희생재의 실에 의해 접합되는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 겹쳐놓은 단일방향 시트들이 재봉질에 의해 접합되는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 시트들이 희생재의 실에 의해 접합되는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 겹쳐놓은 평평한 턴이 서로 접합되는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 겹쳐놓은 평평한 턴이 니들링에 의해 서로 접합되는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 니들링이 상기 직물을 평평한 나선으로 감겨짐에 따라 점진적으로 수행되는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 스트립형 직물을 나선으로 변형시키는 것이, 스트립형 직물을 두개의 회전 디스크 사이로 통과시키는 것으로 실행되며, 상기 직물은 디스크 사이에서 그것의 종방향 가장자리를 따라 지지되는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 스트립형 직물이 디스크 사이에서 그것의 종방향 가장자리를 따라 클램프로 고정되는 방법.
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