JP2004149968A - 三次元繊維構造体の製造方法及び積層繊維群の周方向繊維束配列装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有底筒状の三次元繊維構造体の積層繊維群を構成する繊維束の配列が完了した状態での積層繊維群の厚さと、厚さ方向糸により各繊維束層を結合した後の厚さとの差を小さくし、繊維束の蛇行を抑制する。
【解決手段】周方向繊維束配列装置１６は、保持装置１７、第１の押圧機構１８、第２の押圧機構１９、繊維束供給部２０を備えている。保持装置１７は三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する位置に沿って規制部材１５ａが所定ピッチで設けられた枠体１１を回転駆動可能に保持する。第１の押圧機構１８は保持装置１７に保持された枠体１１上に配列された繊維束層の三次元繊維構造体の底部に対応する箇所を押圧する押圧部材２３を備えている。第２の押圧機構１９は枠体１１上に配列された繊維束層の側壁に対応する箇所を押圧しつつ移動する押圧体２６を備えている。繊維束供給部２０は三次元繊維構造体の側壁に対応する位置に配列される繊維束を供給する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の繊維束層を積層して形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維群を、前記繊維束層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合した、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体の製造方法及び積層繊維群の周方向繊維束配列装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材のうち、三次元織物（三次元繊維構造体）を強化材として使用したものは強度が非常に高く、航空機等の構造材等に使用が考えられ、一部使用されている。前記三次元繊維構造体の製法として、糸（繊維束）が折り返し状に配列された複数の糸層を積層して少なくとも２軸配向となる積層糸群（積層繊維群）を形成し、その積層糸群を各糸層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合する製造方法がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
前記特許文献１には、複数の板状部が湾曲部を介して連続する形状、例えばＬ字状、Ｕ字状、コ字状等の異形断面の三次元織物及びその製造方法が開示されている。そして、積層糸群が配列された後、積層糸群を厚さ方向の両側からプレッシャーバーで圧縮して厚さを調整した状態で、積層糸群を構成する各糸層を厚さ方向糸で結合することが開示されている。また、前記プレッシャーバーによる圧縮操作は配列糸の完了後ではなく、糸の配列段階の途中で小刻みに行う方が好ましいと記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、三次元繊維構造体として本願明細書の図９（ａ），（ｂ）に示す四角箱体、円形箱体のような、底部Ｆｂと側壁Ｆｓとから成る有底筒状の三次元繊維構造体Ｆも繊維束を積層配列して形成された積層糸群の各糸層を厚さ方向糸で結合することにより製造できる旨が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−５９６３４号公報（段落番号［００１２］〜［００１９］、図１〜図５）
【特許文献２】
特開平９−１３７３３６号公報（段落番号［００３６］〜［００３７］，［００７１］、図１９）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記の積層糸群を作成した後、厚さ方向糸で各糸層を結合して三次元繊維構造体を製造する方法では、単純に糸（繊維束）を積層した状態では、積層糸群の厚さは製造すべき三次元繊維構造体の厚さの２倍程度の厚さとなる。そして、厚さ方向糸の挿入時に厚さ方向糸に張力をかけることで、積層糸群の各糸層を締め込み、積層糸群を所定の厚さまで薄くして結合するようにしている。
【０００７】
三次元繊維構造体がＬ字状やコ字状の場合は、積層糸群を厚さ方向糸で締め付ける際に、糸の弛みは三次元繊維構造体の端部へと移動するため支障はない。しかし、有底筒状形状（例えば、四角箱状）の場合は、図１０に示すように、積層糸群Ｆｃのコーナー部に弛みＬが集中して、繊維が蛇行する部分が生じる。繊維の蛇行部が存在する状態で樹脂を含浸させて複合材を製造した場合は、複合材の物性が低下する。特許文献２には有底筒状の三次元繊維構造体も製造できる旨記載されているが、前記弛みに伴う繊維の蛇行を解消する方法に付いては何ら開示されていない。
【０００８】
本発明の第１の目的は、積層繊維群を構成する繊維束の配列が完了した状態での積層繊維群の厚さと、厚さ方向糸により各繊維束層を結合した後の厚さとの差を小さくでき、繊維束の蛇行を抑制することができる有底筒状の三次元繊維構造体の製造方法を提供することにある。また、第２の目的は前記有底筒状の三次元繊維構造体を製造する際に好適な積層繊維群の周方向繊維束配列装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、複数の繊維束層を積層して形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維群を、前記繊維束層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合した、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体の製造方法である。前記積層繊維群の形成の際に、三次元繊維構造体の外形形状に対応し、かつ少なくとも前記三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する位置に沿って規制部材が所定ピッチで設けられた枠体を使用して繊維束の配列を行う。前記繊維束層として前記開口部周縁に設けられた規制部材で折り返して三次元繊維構造体の前記側壁から前記底部に跨るように配列される第１の繊維束層と、前記側壁の周方向に配列される第２の繊維束層とを複数層ずつ形成する。前記第２の繊維束層を形成する際には、三次元繊維構造体の底部を構成するそれまでに積層された繊維束層を押圧部材により押圧して繊維束の弛みを前記側壁側に移動させる。そして、その移動された弛みを三次元繊維構造体の開口部側へ移動させるように当該第２の繊維束層を形成する周方向繊維束を底部側から前記開口部側に向かって順に配列させて前記積層繊維群を形成する。
【００１０】
この発明では、三次元繊維構造体の外形形状に対応し、かつ少なくとも前記三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する位置に沿って規制部材が所定ピッチで設けられた枠体を使用して、積層繊維群を構成する繊維束の配列が行われる。第１の繊維束層を形成する繊維束は、前記開口部周縁に設けられた規制部材で折り返して三次元繊維構造体の側壁から底部に跨るように配列される。第２の繊維束層を形成する周方向繊維束は、側壁の周方向に配列される。第２の繊維束層を形成する繊維束を配列する際には、三次元繊維構造体の底部を構成するそれまでに積層された第１の繊維束層が押圧部材により押圧されて、繊維束の弛みが、底部の周縁である前記側壁側に移動される。そして、側壁側に移動された弛みを三次元繊維構造体の開口部側へ移動させるように、当該第２の繊維束層を形成する周方向繊維束が底部側から開口側へと順に配列される。その結果、第１の繊維束層を形成する繊維束の弛みが除去される。以下、同様に第２の繊維束層を形成する際に、それまでに積層された第１の繊維束層の繊維束の弛みが除去されるように、周方向繊維束の配列が行われる。その結果、積層繊維群を構成する繊維束の配列が完了した状態での積層繊維群の厚さと、厚さ方向糸により各繊維束層を結合した後の厚さとの差を小さくでき、繊維束の蛇行を抑制することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の繊維束層は繊維束が前記周方向繊維束と直交する方向に配列された層と、繊維束が前記周方向繊維束と傾斜するように配列された層とを備えている。前記枠体は前記三次元繊維構造体の開口部周縁と、底部周縁とに前記規制部材が設けられている。
【００１２】
この発明では、底部及び側壁を構成する積層繊維群が面内４軸配列となる。各繊維束層を構成する繊維束は、開口部周縁に設けられた規制部材に巻き掛けられて折り返すように配列されるとともに、底部周縁に設けられた規制部材で配列位置が規制されるため、周方向繊維束と傾斜するように配列される際も、所定の位置に良好に配列される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第２の繊維束層を形成する周方向繊維束を配列する際、周方向繊維束の配列前に前記側壁と対応する位置に配列された第１の繊維束層を押圧体で押圧しつつ該押圧体を第１の繊維束層を構成する繊維束の配列方向に沿って移動させる。この発明では、押圧体が第１の繊維束層を構成する繊維束の配列方向に沿って移動されるため、繊維束の弛みを開口部側に効率良く移動させることができる。
【００１４】
第２の目的を達成するため請求項４に記載の発明は、複数の繊維束層を積層して形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維群を、前記繊維束層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合した、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体を形成するための積層繊維群の周方向繊維束配列装置である。周方向繊維束配列装置は、保持装置と、第１の押圧機構と、第２の押圧機構と、繊維束供給部とを備えている。保持装置は、前記三次元繊維構造体の外形形状に対応し、かつ少なくとも前記三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する位置に沿って規制部材が所定ピッチで設けられた枠体を保持するとともに駆動手段により回転駆動可能となっている。第１の押圧機構は、前記保持装置に保持された枠体上に配列された繊維束層の前記三次元繊維構造体の底部に対応する箇所を押圧する押圧位置と、前記押圧位置から退避した待機位置とに配置される押圧部材を備えている。第２の押圧機構は、前記保持装置に保持された枠体上に配列された繊維束層の前記三次元繊維構造体の側壁に対応する箇所を押圧しつつ移動する作用位置と、前記作用位置から退避した待機位置とに配置される押圧体を備えている。繊維束供給部は、前記枠体上の前記三次元繊維構造体の側壁に対応する位置に配列される繊維束を供給する。
【００１５】
この発明の周方向繊維束配列装置では、規制部材が所定ピッチで設けられた枠体が保持装置に保持される。枠体上の三次元繊維構造体の底部に対応する箇所に配列された繊維束層は、第１の押圧機構の押圧部材により押圧され、繊維束の弛みが底部周縁である前記側壁側に移動される。前記側壁側に移動された弛みは、第２の押圧機構の押圧体により押圧されて開口側へ移動される。また、繊維束供給部から供給される繊維束は、前記保持装置が回転駆動されることにより、前記枠体上の前記三次元繊維構造体の側壁に対応する位置に周方向に延びるように配列される。従って、この周方向繊維束配列装置を使用することにより、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体を形成する積層繊維群の周方向繊維束の配列を、周方向繊維束と交差するように配列された繊維束の弛みを開口側に移動させる（逃がす）ように円滑に行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を有底四角筒状（四角箱状）の三次元繊維構造体を製造する場合に具体化した第１の実施の形態を図１〜図７及び図９（ａ）に従って説明する。
【００１７】
先ず三次元繊維構造体の製造に使用する枠体の構成を説明する。図２は枠体の模式斜視図である。この枠体は三次元繊維構造体の形状に対応した積層繊維群の形成と、形成された積層繊維群への厚さ方向糸の挿入時における積層繊維群の保持とに使用される。
【００１８】
図２に示すように、枠体１１は、互いに平行に配置された長方形状の一組の枠部１２，１３を複数本（この実施の形態では６本）の連結部１４で連結して直方体形状に形成されている。即ち、枠体１１は、有底四角筒状の三次元繊維構造体の外形形状に対応して形成されている。この実施の形態では図２における、下側の枠部１２が三次元繊維構造体の開口部周縁に対応し、上側の枠部１３が三次元繊維構造体の底部周縁に対応する。枠部１２には多数の規制部材１５ａが所定ピッチで取り外し可能に設けられ、枠部１３には多数の規制部材１５ｂが所定ピッチで取り外し可能に設けられている。規制部材１５ａ，１５ｂは、例えばピンで形成されている。
【００１９】
枠部１２に設けられた規制部材１５ａは、枠部１２を含む平面とほぼ平行又は枠部１３と反対側へ多少傾斜する状態（図２では多少下降傾斜する状態）で外側に突出するように設けられている。枠部１３に設けられた規制部材１５ｂは、枠部１２を含む平面と、枠部１３の一辺、当該一辺と対向する枠部１２の一辺及び両辺を連結する連結部１４を含む平面に対してほぼ４５°の角度を成して外側に突出するように設けられている。
【００２０】
枠部１２に設けられた規制部材１５ａは、三次元繊維構造体の底部及び側壁に跨るように配列される繊維束の折り返し位置と、配列位置とを規制する役割を果たす。枠部１３に設けられた規制部材１５ｂは、三次元繊維構造体の底部及び側壁に跨るように配列される繊維束の配列位置を規制する役割を果たす。
【００２１】
次に前記枠体１１上に有底筒状の三次元繊維構造体を形成するための積層繊維群の周方向繊維束を配列する周方向繊維束配列装置について説明する。図１に示すように、周方向繊維束配列装置１６は保持装置１７と、第１の押圧機構１８と、第２の押圧機構１９と、繊維束供給部２０とを備えている。
【００２２】
保持装置１７は、枠体１１を保持する回転テーブル２１と、駆動手段としてのモータ２２とを備えている。回転テーブル２１は、枠体１１の底面、即ち図１における枠部１２の下面を支承する部分２１ａと、枠体１１の内側に挿入されて枠体１１の内面に当接する部分２１ｂとを備えている。モータ２２は回転テーブル２１を回転させる。即ち、回転テーブル２１は、枠体１１を保持した状態で駆動手段により回転駆動可能となっている。
【００２３】
第１の押圧機構１８は、保持装置１７に保持された枠体１１上に配列された繊維束層の三次元繊維構造体の底部に対応する箇所を押圧する押圧位置と、前記押圧位置から退避した待機位置（図１に示す位置）とに配置される押圧部材２３を備えている。この実施の形態では、第１の押圧機構１８は回転テーブル２１の上方に配設されている。押圧部材２３はエアシリンダ２４のピストンロッド２４ａに固定され、エアシリンダ２４の作動によって前記押圧位置と待機位置とに配置されるようになっている。
【００２４】
押圧部材２３は、枠部１３に設けられた規制部材１５ｂで囲まれる範囲をほぼ覆う大きさの長方形状の金属製の支持板２３ａと、支持板２３ａの片面（図１では下面）に固着された押圧部２３ｂとから構成されている。押圧部２３ｂは発泡樹脂製で、支持板２３ａに対向する面と反対側の面（押圧面）が押圧位置に配置されて支持板２３ａから押圧力を受けた場合に、前記押圧面が中央部から外側へ向かって拡がるように変形可能に形成されている。例えば、図１に示すように、押圧部２３ｂの押圧面側に多数の切り込み２５が形成されている。
【００２５】
第２の押圧機構１９は、保持装置１７に保持された枠体１１上に配列された繊維束層の三次元繊維構造体の側壁に対応する箇所を押圧しつつ移動する作用位置と、前記作用位置から退避した待機位置とに配置される押圧体２６を備えている。図１，３に示すように、押圧体２６は水平に配設されたエアシリンダ２７のピストンロッド２７ａにスライド機構２８を介して取り付けられ、エアシリンダ２７の作動によって前記作用位置と待機位置とに配置されるようになっている。
【００２６】
図１，３に示すように、スライド機構２８は、ピストンロッド２７ａに固定された基板２９に対して相対回動可能かつ図示しないボルトで所定位置に固定された支持部材３０と、支持部材３０に摺動可能に連結支持されたスライド部材３１とを備えている。支持部材３０は円柱の一端を斜めに（この実施の形態では軸線と４５度の角度を成すように）切断した形状に形成され、先端面には図４（ｂ），（ｃ）に示すように、中心を通り直線状に延びるガイド溝３０ａが形成されている。また、支持部材３０には、軸心と直交する状態で一端がガイド溝３０ａと対応する位置に開口し、他端が周面に開口する孔３０ｂが形成されている。
【００２７】
スライド部材３１も円柱の一端を斜めに（この実施の形態では軸線と４５度の角度を成すように）切断した形状に形成され、図４（ａ）に示すように、支持部材３０の先端面と対向する端面にガイド溝３０ａに係合可能な凸条３１ａが形成されている。また、スライド部材３１には、軸心と直交する状態で一端が凸条３１ａの中央と対応する位置に開口し、他端が周面に開口するねじ孔３１ｂが形成されている。ねじ孔３１ｂには図１，３に示すように、支持部材３０の孔３０ｂを貫通したボルト３２の先端部が螺合されている。ボルト３２の頭部と支持部材３０の周面との間にはコイルばね３３が介装され、スライド部材３１に重力以外の力が作用しない状態では、コイルばね３３によりボルト３２を介してスライド部材３１が図１，３に示す所定の位置に保持されるようになっている。孔３０ｂはボルト３２の移動を許容するように形成されている。
【００２８】
押圧体２６は、スライド部材３１に固定された支持板２６ａと、支持板２６ａの片面に固着された押圧部２６ｂとから構成されている。押圧部２６ｂは図１，３における上下方向の長さ、即ち高さが、枠体１１の高さより若干小さく形成され、幅（図１，３の紙面と垂直方向の長さ）が枠体１１の長さと同じに形成されている。押圧部２６ｂは発泡樹脂製で、支持板２６ａに対向する面と反対側の面（押圧面）が作用位置に配置されて支持板２６ａから押圧力を受けた場合に、押圧面が繊維束を傷つけずに押圧するように形成されている。
【００２９】
繊維束供給部２０は、第２の押圧機構１９と対向する位置に配設され、枠体１１上の三次元繊維構造体の側壁に対応する位置に配列される繊維束Ｒを供給するようになっている。繊維束供給部２０は、繊維束供給ヘッド３４、張力付与部３５及び把持ローラ３６を備えた支持プレート３７が、支柱３８に沿って上下方向に往復移動可能に設けられている。支持プレート３７は繊維束供給ヘッド３４の移動範囲が、枠体１１の高さの範囲となるように図示しないアクチュエータにより駆動されるようになっている。繊維束供給ヘッド３４は図示しないボビンから繰り出されるとともに張力付与部３５を経て供給される繊維束Ｒを扁平な状態で送り出すように先端が扁平に形成された筒状体で構成されている。
【００３０】
張力付与部３５は、把持ローラ３６と繊維束供給ヘッド３４との間に設けられ、繊維束Ｒの供給方向に直交するように配設された３本一組のローラ３９ａ，３９ｂ，３９ｃを備えている。把持ローラ３６は繊維束Ｒを把持する把持位置と、繊維束Ｒの移動を許容する開放位置とに移動されるようになっている。ローラ３９ｂは図示しないアクチュエータにより昇降可能に構成され、繊維束Ｒが把持ローラ３６に把持された状態で、ローラ３９ｂがローラ３９ａ，３９ｃ間に位置する繊維束Ｒと係合して張力を付与するようになっている。
【００３１】
次に前記のように構成された枠体１１及び周方向繊維束配列装置１６を使用して、枠体１１上に繊維束Ｒを折り返し状に配列して、図９（ａ）に示すような底部Ｆｂと側壁Ｆｓとから成る有底筒状の三次元繊維構造体Ｆを構成する積層繊維群を形成する際の作用を説明する。
【００３２】
図５（ａ）は、枠体１１上に、枠体１１の開口部周縁に設けられた規制部材で折り返して三次元繊維構造体の側壁から底部に跨るように、かつ繊維束Ｒが周方向繊維束と直交する方向に配列された第１の繊維束層４０ａの配列状態を示す模式図である。図５（ｂ）は、枠体１１上に、枠体１１の開口部周縁に設けられた規制部材で折り返して三次元繊維構造体の側壁から底部に跨るように、かつ繊維束Ｒが周方向繊維束と傾斜するように配列された第１の繊維束層４０ｂの配列状態を示す模式図である。なお、図５（ａ），（ｂ）では規制部材１５ａ，１５ｂの図示を省略しており、分かりやすくするため繊維束Ｒの間隔を広くとって示している。図６（ａ）〜（ｆ）は、周方向繊維束の配列作用を示す模式平面図である。なお、図示の都合上、図６（ａ）〜（ｆ）では枠体１１に対する第２の押圧機構１９と繊維束供給部２０との関係が、図１の場合と異なる状態で示している。
【００３３】
先ず図１に示すように、保持装置１７の回転テーブル２１に、枠体１１をその枠部１３を上にした状態で保持する。次に繊維束供給ヘッド３４が枠部１３と対応する状態となる位置に支持プレート３７を配置する。次にボビンから繰り出した繊維束Ｒを、把持ローラ３６及び張力付与部３５を経て繊維束供給ヘッド３４に挿通して、繊維束Ｒの端部を繊維束供給ヘッド３４の先端から引き出す。そして、繊維束Ｒの先端を枠体１１の所定位置、例えば枠部１２に固定する。繊維束Ｒの固定は、例えば図示しない接着テープを使用して行う。この繊維束Ｒは、三次元繊維構造体の側壁の周方向に配列される第２の繊維束層を構成するものとなる。
【００３４】
また、三次元繊維構造体の側壁から底部に跨るように配列される第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを構成する繊維束Ｒを別の図示しないボビンから繰り出し、その端部を枠体１１の所定位置、例えば枠部１３に固定する。繊維束Ｒの固定は、例えば図示しない接着テープを使用して行う。以上で積層繊維群を構成する準備が終了する。なお、繊維束Ｒは炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜２４０００本程度である。
【００３５】
次にその状態で先ず第１の繊維束層４０ａの配列が開始される。第１の繊維束層の配列は手作業あるいは多軸ロボットのアームに繊維束供給ヘッドを装備した装置による作業により行われる。繊維束Ｒを開口部周縁、即ち枠部１２に設けられた規制部材１５ａで折り返して三次元繊維構造体の側壁から底部に跨るように、かつ枠体１１の周方向に配列される周方向繊維束と直交する方向に配列された図５（ａ）に示す第１の繊維束層４０ａが形成される。次に、繊維束Ｒが周方向繊維束と傾斜するように配列された図５（ｂ）に示す第１の繊維束層４０ｂが形成される。これらの繊維束層４０ａ，４０ｂを形成する際、繊維束Ｒは枠体１１の枠部１２に設けられた規制部材１５ａと、枠部１３に設けられた規制部材１５ｂとによって位置が規制されて配列される。
【００３６】
第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの一方が形成される毎に第１の押圧機構１８が駆動され、押圧部材２３が待機位置から押圧位置に移動される。そして、図７（ａ），（ｂ）に示すように、枠体１１上の三次元繊維構造体の底部に対応する箇所に配列された繊維束層は、押圧部材２３により押圧され、繊維束Ｒの弛みが底部周縁である側壁側（枠部１３側）に移動される。図７（ａ）は第１の繊維束層４０ａが配列された状態で押圧部材２３が押圧位置に配置された状態を示し、図７（ｂ）はその後、第２の繊維束層４１が形成された状態を示している。
【００３７】
次に第２の押圧機構１９が駆動され、図６（ａ）に示すように、押圧体２６が待機位置から作用位置に移動される。押圧体２６は、押圧部２６ｂが第１の繊維束層４０ａ，４０ｂと係合するまでは直進し、その後、スライド機構２８の作用により、開口部側へ移動される。移動方向は予め支持部材３０の取り付け状態によって決まり、周方向繊維束を配列する前の第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの繊維束Ｒの配列方向に移動される。即ち、繊維束Ｒの配列が図５（ａ）に示す第１の繊維束層４０ａであれば、押圧体２６は下方へ移動され、繊維束Ｒの配列が図５（ｂ）に示す第１の繊維束層４０ｂの場合であれば、斜め４５度傾いた方向へ押圧体２６は移動される。
【００３８】
次に図６（ｂ）に示すように押圧体２６が待機位置に移動された後、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、把持ローラ３６による繊維束Ｒの把持及び張力付与部３５のローラ３９ａ〜３９ｃとの係合が解除された状態で、回転テーブル２１が９０度回転されて周方向繊維束としての繊維束Ｒが配列される。次に図６（ｅ）に示すように、再び押圧体２６が作用位置に移動され、押圧部２６ｂによる配列面の加圧と、第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの弛みの移動が行われる。その後、図６（ｆ）に示すように、把持ローラ３６が把持位置に移動されるとともに、ローラ３９ｂが張力付与位置に移動され、配列中の繊維束Ｒの弛みが除去される。
【００３９】
以下、同様にして、押圧体２６の待機位置への移動、繊維束Ｒの把持が解除された状態における回転テーブル２１の９０度の回転、押圧体２６の作用位置への移動、張力付与部３５による繊維束Ｒへの張力の付与が繰り返される。そして、回転テーブル２１が一回転した時点で、周方向繊維束としての繊維束Ｒの最初の１周分の配列が完了する。次に支持プレート３７が下降されて繊維束供給ヘッド３４が１ピッチ分ずれた位置へ移動され、その状態で再び前記と同様にして繊維束Ｒの配列が行われる。そして、繊維束Ｒが三次元繊維構造体の底部側から順に配列されることにより、第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの弛みが除去される。
【００４０】
図７（ｂ）に示すように、１層分の第２の繊維束層４１の形成が完了すると、押圧部材２３及び押圧体２６が待機位置に移動された後、再び第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの形成が行われる。そして、枠体１１上に第１の繊維束層４０ａ，４０ｂ及び第２の繊維束層４１が所定の順序で所定数積層されて積層繊維群が形成される。
【００４１】
積層繊維群が形成された後、枠体１１は積層繊維群とともに回転テーブル２１から取り外され、厚さ方向糸挿入装置にセットされる。そして、厚さ方向糸挿入装置により第１の繊維束層４０ａ，４０ｂ及び第２の繊維束層４１と直交するように厚さ方向糸が積層繊維群に挿入され、積層繊維群が結合されて、図９（ａ）に示すような有底四角筒状（箱状）の三次元繊維構造体Ｆの製造が完了する。積層繊維群が形成された状態の厚みと、厚さ方向糸が挿入されて三次元繊維構造体Ｆとなった状態の厚みとの差が７％以下となった。
【００４２】
なお、枠体１１上に配列された繊維束Ｒを分かり易くするため、隣接する繊維束Ｒが隙間を有するように図示しているが、実際は隣接する繊維束Ｒの間に隙間は殆ど無い状態に配列される。また、規制部材１５ａ，１５ｂは、その間隔が実際は繊維束Ｒの太さと同程度となるように設けられる。
【００４３】
この実施の形態では次の効果を有する。
（１） 底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体を構成する積層繊維群の形成の際に、側壁から底部に跨るように配列される第１の繊維束層４０ａ，４０ｂと、側壁の周方向に配列される第２の繊維束層４１とを複数層ずつ形成する。第２の繊維束層４１を形成する際には、三次元繊維構造体の底部を構成するそれまでに積層された繊維束層を押圧部材２３により押圧して繊維束の弛みを側壁側に移動させる。そして、その移動された弛みを三次元繊維構造体の開口部側へ移動させるように第２の繊維束層４１を形成する周方向繊維束を底部側から前記開口部側に向かって順に配列させて積層繊維群を形成する。従って、第２の繊維束層４１を形成する際に、第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの繊維束の弛みが確実に除去され、積層繊維群を構成する繊維束の配列が完了した状態での積層繊維群の厚さと、厚さ方向糸により各繊維束層を結合した後の厚さとの差を小さくでき、繊維束の蛇行を抑制することができる。その結果、前記積層繊維群に厚さ方向糸を挿入して製造した三次元繊維構造体を強化材とした複合材の物性が向上する。
【００４４】
（２） 第１の繊維束層４０ａ，４０ｂは繊維束が周方向繊維束と直交する方向に配列された層と、繊維束が周方向繊維束と傾斜するように配列された層とを備えているため、底部及び側壁を構成する積層繊維群が面内４軸配列となり、面内２軸配列に比較して物性が向上する。
【００４５】
（３） 枠体１１は三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する箇所即ち枠部１２と、底部周縁に対応する箇所即ち枠部１３とに規制部材１５ａ，１５ｂが設けられている。そして、積層繊維群の第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを構成する繊維束は、枠部１２に設けられた規制部材１５ａに巻き掛けられて折り返すように配列されるとともに、枠部１３に設けられた規制部材１５ｂで配列位置が規制される。従って、周方向繊維束と傾斜するように配列される際も、所定の位置に良好に配列される。
【００４６】
（４） 第２の繊維束層４１を形成する周方向繊維束を配列する際、周方向繊維束の配列前に側壁と対応する位置に配列された第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを押圧体２６で押圧しつつ該押圧体２６を第１の繊維束層を構成する繊維束Ｒの配列方向に沿って移動させる。従って、押圧体２６が第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを構成する繊維束Ｒの配列方向に沿って移動されるため、繊維束Ｒの弛みを開口部側に効率良く移動させることができる。
【００４７】
（５） 周方向繊維束配列装置１６は、枠体１１を保持してモータ２２により回転駆動可能な保持装置１７と、第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの三次元繊維構造体の底部に対応する箇所を押圧する押圧位置と、待機位置とに配置される押圧部材２３を備えた第１の押圧機構１８とを備えている。また、保持装置１７に保持された枠体１１上に配列された繊維束層の三次元繊維構造体の側壁に対応する箇所を押圧しつつ移動する作用位置と、作用位置から退避した待機位置とに配置される押圧体２６を備えた第２の押圧機構１９を備えている。枠体１１上の三次元繊維構造体の側壁に対応する位置に配列される繊維束を供給する繊維束供給部２０とを備えている。従って、この周方向繊維束配列装置１６を使用することにより、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体を形成する積層繊維群の周方向繊維束の配列を、周方向繊維束と交差するように配列された繊維束の弛みを開口側に移動させる（逃がす）ように円滑に行うことができる。
【００４８】
（６） 三次元繊維構造体の底部に対応する箇所を押圧する押圧部材２３は、第１の繊維束層に押圧されると中央から周縁に向かって拡がる作用をなす押圧部２６ｂを備えている。従って、第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを形成するために配列された繊維束Ｒの弛みを円滑に周縁部に移動させることができる。
【００４９】
（７） 第２の押圧機構１９の押圧体２６がスライド機構２８を介してピストンロッド２７ａに支持され、ピストンロッド２７ａの突出作動により押圧部２６ｂが第１の繊維束層４０ａ，４０ｂに押圧された状態で繊維束の弛みを前記開口側へ移動させる方向へスライドされる。従って、押圧体２６を待機位置と作用位置との間で移動させるアクチュエータのみで、押圧体２６のスライド動作も行わせることができスライド用のアクチュエータを別に設ける必要がない。
【００５０】
（８） 枠体１１上に積層繊維群が形成され、積層繊維群に厚さ方向糸を挿入する際も同じ枠体１１に積層繊維群を保持した状態で行うことができ、三次元繊維構造体の製造が完了するまで枠体１１を代える必要がない。
【００５１】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 回転テーブル２１に枠体１１を保持し、周方向繊維束としての繊維束Ｒの配列を回転テーブル２１を回転駆動することで行う構成に代えて、枠体１１を所定位置に固定保持し、繊維束供給ヘッド３４側を移動させる構成としてもよい。例えば、図８に示すように、枠体１１を保持するテーブルは所定位置に固定配置され、繊維束供給部２０が枠体１１の周囲を所定方向に回転して、枠体１１の側面に周方向繊維束としての繊維束Ｒを配列する構成とする。この構成では支持プレート３７及び支柱３８（いずれも図示せず）がテーブルの周囲に沿って移動可能に構成される。また、第２の押圧機構１９が枠体１１の各側面と対向する位置にそれぞれ設けられている。そして、周方向繊維束の繊維束Ｒの配列は、押圧体２６の作用位置への移動、押圧体２６の待機位置への移動、繊維束供給ヘッド３４等の移動による繊維束Ｒの配列、繊維束Ｒへの張力付与の各動作が順次行われて、枠体１１の一つの側面への繊維束Ｒの配列が完了する。以下、同様の動作が４回繰り返されて、繊維束供給ヘッド３４等が一回転した時点で、周方向繊維束としての繊維束Ｒの最初の１周分の配列が完了する。そして、繊維束供給ヘッド３４の位置を１ピッチずらした状態で、前記と同様に周方向繊維束の繊維束Ｒの配列が行われる。
【００５２】
〇 三次元繊維構造体の底部を構成するそれまでに積層された第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの繊維束の弛みを側壁側に移動させる構成は、押圧部材２３の押圧部２３ｂを発泡樹脂製としてその押圧面側に多数の切り込み２５を形成した構成に限らない。例えば、底部より面積の小さな押圧部２３ｂを設け、押圧部２３ｂを押圧位置に配置した状態で、中央から周縁側に向かって渦を描くように移動させる構成としてもよい。この場合も第１の繊維束層４０ａ，４０ｂの繊維束Ｒの弛みが円滑に除去される。
【００５３】
〇 第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを繊維束が周方向繊維束と直交する方向に配列された層と、繊維束が前記周方向繊維束と傾斜するように配列された層との何れか一方のみとし、積層繊維群を面内２軸配列としてもよい。第１の繊維束層を繊維束が周方向繊維束と直交する方向に配列された層のみで構成する場合、枠体１１は枠部１２にのみ規制部材１５ａを設けた構成としてもよい。この場合、枠体１１の構造が簡単になる。
【００５４】
〇 張力付与用のローラ３９ａ〜３９ｃを繊維束供給ヘッド３４と、把持ローラ３６との間に配置する構成に代えて、ローラ３９ａ〜３９ｃを枠体１１に最も近い位置に配設し、ローラ３９ａ〜３９ｃと把持ローラ３６との間に繊維束供給ヘッド３４を配置する構成としてもよい。
【００５５】
〇 第２の押圧機構１９として、押圧体２６が１個のアクチュエータの作動により、作用位置に配置された際に自動的にアクチュエータの往復移動方向と直交する方向に移動可能なスライド機構２８を設けずに、２個のアクチュエータを備えた構成としてもよい。例えば、ピストンロッド２７ａの先端に支持プレートを固定し、支持プレートにピストンロッド２７ａと直交する方向に押圧体２６を移動させるアクチュエータを設ける。
【００５６】
〇 周方向繊維束としての繊維束Ｒを配列する前に第２の押圧機構１９の押圧部２６ｂを作用位置でスライドさせる構成において、スライド方向は必ずしも、その前に配列された第１の繊維束層４０ａ，４０ｂを構成する繊維束Ｒの配列方向と一致させなくてもよい。しかし、一致させる方が、弛みを円滑に移動させ易い。
【００５７】
〇 積層繊維群の構成は、周方向繊維束で形成される第２の繊維束層４１と、第１の繊維束層４０ａ，４０ｂとを交互に配列した構成に限らない。例えば、底部において繊維束Ｒが互いに直交し、かつ側壁において周方向繊維束と直交する第１の繊維束層４０ａと、側壁において周方向繊維束と斜めに交差する第１の繊維束層４０ｂとが少なくとも１層ずつ配列された後、第２の繊維束層４１を形成してもよい。
【００５８】
〇 アクチュエータはエアシリンダに限らず、リニアアクチュエータを使用してもよい。
○ 規制部材１５ａ，１５ｂとしてピンに代えてパイプを使用したり、ピンやパイプのように棒状の物に限らず、板状のものを使用してもよい。但し板状のものを使用する場合は、底部において繊維束Ｒが互いに直交し、かつ側壁において周方向繊維束と斜めに交差する第１の繊維束層４０ｂを設けない構成の積層繊維群を形成する際に使用される枠体１１となる。第１の繊維束層４０ｂを形成する場合は、規制部材１５ａ，１５ｂとしてピン又はパイプが使用される。
【００５９】
○ 繊維束供給ヘッド３４は１本の繊維束Ｒを供給、配列する構成に限らず、複数本の繊維束Ｒを同時に配列する構成としてもよい。この場合、１本の繊維束Ｒを順次配列する場合に比較して、繊維束Ｒの配列時間を大幅に短縮することができる。
【００６０】
○ 張力付与部３５は繊維束Ｒを把持した状態で、３個一組のローラ３９ａ〜３９ｃで繊維束Ｒに張力を付与する構成に限らず、例えば、繊維束Ｒに巻き戻し方向の力を付与する構成としてもよい。
【００６１】
○ 繊維束Ｒとして炭素繊維に限らず、複合材の用途に応じてボロン繊維、炭化ケイ素繊維等の無機繊維を使用したり、ポリアラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維などの高強度・高弾性率の有機繊維の無撚りマルチフィラメントを使用してもよい。
【００６２】
前記実施の形態から把握される発明（技術的思想）について以下に記載する。（１） 請求項１に記載の発明において、前記押圧部材は発泡樹脂製で第１の繊維束層と対向する面に、押圧部材が第１の繊維束層に押圧されると中央から周縁に向かって拡がる作用をなす複数の切れ込みが形成されている。
【００６３】
（２） 請求項４に記載の発明において、前記第２の押圧機構は、前記押圧体が前記側壁に対応する箇所を押圧する位置に配置された状態で、前記押圧体を自動的に繊維束の弛みを前記開口部周縁側に移動させる方向に移動される。
【００６４】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、積層繊維群を構成する繊維束の配列が完了した状態での積層繊維群の厚さと、厚さ方向糸により各繊維束層を結合した後の厚さとの差を小さくでき、繊維束の蛇行を抑制することができる。また、請求項４に記載の発明によれば、前記有底筒状の三次元繊維構造体を製造する際に好適な積層繊維群の周方向繊維束の配列を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】周方向繊維束配列装置の模式正面図。
【図２】枠体の模式斜視図。
【図３】第２の押圧機構の模式側面図。
【図４】（ａ）はスライド部材の模式斜視図、（ｂ）は支持部材及びスライド部材の関係を示す模式分解図、（ｃ）は支持部材の模式斜視図。
【図５】（ａ）は第１の繊維束層の繊維束配列状態を示す模式斜視図、（ｂ）は同じく別の第１の繊維束層の繊維束配列状態を示す模式斜視図。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は作用を説明する模式平面図。
【図７】（ａ）は押圧部材が作用位置に配置された状態を示す模式斜視図、（ｂ）は周方向繊維束が配列された状態を示す模式斜視図。
【図８】別の実施の形態の模式平面図。
【図９】（ａ），（ｂ）は有底筒状の三次元繊維構造体の模式斜視図。
【図１０】従来の厚さ方向糸挿入終了時の繊維束の状態を示す模式斜視図。
【符号の説明】
Ｆ…三次元繊維構造体、Ｆｂ…底部、Ｆｓ…側壁、Ｒ…繊維束、１１…枠体、１５ａ，１５ｂ…規制部材、１６…周方向繊維束配列装置、１７…保持装置、１８…第１の押圧機構、１９…第２の押圧機構、２０…繊維束供給部、２３…押圧部材、２６…押圧体、４０ａ，４０ｂ…第１の繊維束層、４１…第２の繊維束層。

Claims (4)

1. 複数の繊維束層を積層して形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維群を、前記繊維束層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合した、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体の製造方法であって、
   前記積層繊維群の形成の際に、三次元繊維構造体の外形形状に対応し、かつ少なくとも前記三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する位置に沿って規制部材が所定ピッチで設けられた枠体を使用して繊維束の配列を行い、前記繊維束層として前記開口部周縁に設けられた規制部材で折り返して三次元繊維構造体の前記側壁から前記底部に跨るように配列される第１の繊維束層と、前記側壁の周方向に配列される第２の繊維束層とを複数層ずつ形成し、前記第２の繊維束層を形成する際には、三次元繊維構造体の底部を構成するそれまでに積層された繊維束層を押圧部材により押圧して繊維束の弛みを前記側壁側に移動させ、その移動された弛みを三次元繊維構造体の開口部側へ移動させるように、第２の繊維束層を形成する周方向繊維束を底部側から前記開口部側に向かって順に配列させて前記積層繊維群を形成する三次元繊維構造体の製造方法。
2. 前記第１の繊維束層は繊維束が前記周方向繊維束と直交する方向に配列された層と、繊維束が前記周方向繊維束と傾斜するように配列された層とを備え、前記枠体は前記三次元繊維構造体の開口部周縁及び底部周縁と対応する位置にそれぞれ前記規制部材が設けられている請求項１に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
3. 前記第２の繊維束層を形成する周方向繊維束を配列する際、周方向繊維束の配列前に前記側壁と対応する位置に配列された第１の繊維束層を押圧体で押圧しつつ該押圧体を第１の繊維束層を構成する繊維束の配列方向に沿って移動させる請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
4. 複数の繊維束層を積層して形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維群を、前記繊維束層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合した、底部と側壁とから成る有底筒状の三次元繊維構造体を形成するための積層繊維群の周方向繊維束配列装置であって、
   前記三次元繊維構造体の外形形状に対応し、かつ少なくとも前記三次元繊維構造体の開口部周縁に対応する位置に沿って規制部材が所定ピッチで設けられた枠体を保持可能で、かつ駆動手段により回転駆動可能な保持装置と、
   前記保持装置に保持された枠体上に配列された繊維束層の前記三次元繊維構造体の底部に対応する箇所を押圧する押圧位置と、前記押圧位置から退避した待機位置とに配置される押圧部材を備えた第１の押圧機構と、
   前記保持装置に保持された枠体上に配列された繊維束層の前記三次元繊維構造体の側壁に対応する箇所を押圧しつつ移動する作用位置と、前記作用位置から退避した待機位置とに配置される押圧体を備えた第２の押圧機構と、
   前記枠体上の前記三次元繊維構造体の側壁に対応する位置に配列される繊維束を供給する繊維束供給部とを備えた積層繊維群の周方向繊維束配列装置。

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