JP7061973B2 - 認定及び修復ステーション - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般的に、連続トウ処理システムに関し、特に、トウ材料上にコーティングを堆積する前の、マルチフィラメントトウにおける個々のフィラメント欠陥の認証及び修復のためのシステムに関する。

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、セラミックマトリックスに埋め込まれたセラミック繊維で構成される。ＣＭＣは、高温及び酸化環境での使用を禁止する従来の技術的セラミックの限界に対処するために開発された。アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びジルコニアを含む従来の補強されていない技術的セラミックは、機械的及び熱機械的荷重下での耐亀裂性が低く、したがって容易に破損する。これらの材料の限界は、破断伸び、破壊靭性、耐熱衝撃性及び動的疲労抵抗をより大きくできるように、マルチストランド長セラミック繊維を組み込むことによって対処することができる。

非酸化物多結晶セラミック繊維、典型的には炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）の連続長構造補強材として使用される。ＣＭＣ製造用のＳｉＣ系セラミック繊維は、直径が小さく、熱伝導率が高く、表面粗さが低く、炭素を含まない表面を有する。更に、ＳｉＣ系セラミック繊維は、高温で、機械的応力が高く、酸化環境において、生産時に高い引張強度を有する。

化学気相浸透（ＣＶＩ）は、セラミック繊維上の薄い共形性カプセル化層の形態で、環境バリアを生成するために使用される。一般には、コーティングされた繊維は、コーティングされていない繊維に対して機械的、熱的、そして化学的な利点を有する。ＳｉＣ系繊維表面上の窒化ホウ素（ＢＮ）及び炭素含有亀裂偏向界面コーティングは、高温におけるＳｉＣ系繊維の耐酸化性を改善する。

しかしながら、本発明者らは、マルチフィラメントＳｉＣトウ（例えば、連続フィラメントのねじられていない束）上のポリビニルアセテート（ＰＶＡ）コーティングにおける壊れた又はルーズなフィラメント及び不均一性などの欠陥が、コーティングプロセスにおいて摂動を引き起こす可能性があることを観察した。そのような摂動は、不均一なコーティング厚さ及びフィラメントが共に粘着することなどの問題につながる可能性がある。更に、壊れた又はルーズなフィラメントは、更なるフィラメント破損及びトウ破裂を引き起こす可能性があるトウ輸送システムで毛羽を生成することになる（ｗｉｌｌ ｃｒｅａｔｅ ｆｕｚｚ）。

したがって、発明者らは、マルチフィラメントトウの認定及び修復のための改良された装置を提供した。

マルチフィラメントトウを認定及び修復するための装置が、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、マルチフィラメントトウを検査及び修復するための装置は、第１のスプールに巻かれたマルチフィラメントトウを有する第１のスプールと、マルチフィラメントトウに所定の張力を付与するために第１のスプールに続く第１のトウテンショナと、マルチフィラメントトウの上のコーティングを除去するのに適した第１の温度までマルチフィラメントトウを加熱するためのヒータを含むデサイジングチャンバと、マルチフィラメントトウの欠陥を検査するように構成された検査チャンバと、マルチフィラメントトウ内の欠陥を修復するように構成された修復チャンバと、マルチフィラメントトウに所定の張力を付与するために修復チャンバに続く第２のトウテンショナと、マルチフィラメントトウを集めるために第２のトウテンショナに続く第２のスプールとを含む。

いくつかの実施形態では、マルチフィラメントトウを検査及び修復する方法は、第１のスプールからマルチフィラメントトウをデスプールすることと、デサイジングチャンバ内のマルチフィラメントトウの上のコーティングを除去するのに適した第１の温度までマルチフィラメントトウを加熱することと、検査チャンバ内のマルチフィラメントトウの個々のフィラメントの欠陥を検査することと、欠陥のあるフィラメントが見つかった場合、修復チャンバ内で欠陥のあるフィラメントを修復すること、又はマルチフィラメントトウから欠陥のあるフィラメントを除去することと、修復チャンバを出るマルチフィラメントトウを第２のスプール上にスプールすることとを含む。

いくつかの実施形態では、マルチフィラメントトウを検査及び修復するための装置は、第１のスプールに巻かれたマルチフィラメントトウを有する第１のスプールと、第１のスプールを回転させ、第１のスプールからマルチフィラメントトウを巻き出すために第１のスプールに連結された第１のモータと、マルチフィラメントトウに所定の張力を付与するために第１のスプールに続く第１のトウテンショナと、マルチフィラメントトウを制御されるようデスプールすることができるように、第１のスプールと第１のトウテンショナとの間で、第１のスプールとインラインの第１のピッチ制御装置と、第１のトウテンショナによってマルチフィラメントトウに誘起される力を測定するために、第１のピッチ制御装置と第１のトウテンショナとの間で、第１のスプールとインラインの第１の張力センサと、マルチフィラメントトウの上のコーティングを除去するのに適した第１の温度までマルチフィラメントトウを加熱するためのヒータを含むデサイジングチャンバと、第１のトウテンショナとデサイジングチャンバとの間で、第１のスプールとインラインの第１のプーリと、マルチフィラメントトウの欠陥を検査するように構成された検査チャンバと、マルチフィラメントトウ内の欠陥を修復するように構成された修復チャンバと、マルチフィラメントトウに所定の張力を付与するために修復チャンバに続く第２のトウテンショナと、修復チャンバと第２のトウテンショナとの間で、第１のスプールとインラインの第２のプーリと、第２のトウテンショナによってマルチフィラメントトウに誘起される力を測定するために、第２のプーリとインラインであり、第２のトウテンショナに続く第２の張力センサと、マルチフィラメントトウが、制御されるよう第２のスプール上にスプールできるように、第２のプーリとインラインであり、第２の張力センサに続く第２のピッチ制御装置と、マルチフィラメントトウを集めるために第２のトウテンショナに続く第２のスプールと、第２のスプールを回転させ、マルチフィラメントトウを第２のスプール上に巻くために、第２のスプールに連結された第２のモータとを含む。

本開示の他の実施形態及び更なる実施形態について、以下で説明する。

上記で簡潔に要約し、下記でより詳細に述べる本開示の実施形態は、添付する図面に示す本開示の例示的な実施形態を参照することにより、理解することができる。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態を許容しうることから、添付の図面は、この開示の典型的な実施形態のみを例示しており、従って、範囲を限定していると見なされるべきではない。

本開示のいくつかの実施形態による、マルチフィラメントトウの認定及び修復のための装置の概略図を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、マルチフィラメントトウを検査及び修復する方法を示すフローチャートを示す。

理解を容易にするため、可能な場合には、図に共通する同一の要素を示すために同一の参照番号を使用した。図は縮尺どおりには描かれておらず、分かり易くするために簡略化されていることがある。１つの実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込まれうる。

本開示の実施形態は、有利には、マルチフィラメントトウの認定及び修復のための改良された装置を提供する。本開示の実施形態は、有利には、マルチフィラメントトウをバリアコーティングプロセスに曝露する前に、個々のフィラメントの欠陥を特定及び除去又は修復する。本開示の実施形態は、改善された稼働時間、スループット、及び歩留まり、並びに改良された品質トウを有利に提供する。

例えば、本発明の実施形態は、化学気相浸透を介して、後続の環境バリア形成のために入ってくるセラミックトウを認定するための自動システムを提供する。セラミックトウ化学気相浸透（ＣＶＩ）のための従来の機器は、トウ破損又はトウ跳躍時にインシトゥ（その場）での修復に依存し、結果としてＣＶＩシステムの生産性が低下する。本発明の実施形態は、エクスシトゥで（ＣＶＩプロセスを開始する前に）トウを認定及び修復することによって、ＣＶＩシステム性能を向上させる。トウ、特にＳｉＣ系セラミック繊維は、従来のスプール（又はボビン）からデスプールされ、デサイズされ（ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）、ポリビニルアルコール、エポキシ、ポリエチレンオキシドと混ぜ合わされたＰＶＡが剥ぎ取られ）、オプションで破断部分（ｂｒｅａｋｓ）、様々なポリマースプライス技術を使用して修復された破断部分が光学的に特徴づけられ、その後、処理リールに移され及び／又は他の方法でＣＶＩプロセスに搬送される。

図１は、本開示のいくつかの実施形態による、マルチフィラメントトウの認定及び修復のためのシステム１００の例を示す。いくつかの実施形態では、マルチフィラメントトウは、連続フィラメントの束、例えばセラミック繊維（例えば、アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ジルコニア）である。いくつかの実施形態では、システム１００は、システム１００を真空下で作動可能とし、大気とマルチフィラメントトウ１０２との間の化学反応を回避するために排気することができるエンクロージャ１３４内にある。いくつかの実施形態では、エンクロージャ内の温度及び湿度は、マルチフィラメントトウ１０２の酸化を最小にするために調節することができる。

システム１００は、第１のスプール１０４に巻かれたマルチフィラメントトウ１０２を備える。第１のスプール１０４は、スプールを回転させ、第１のスプール１０４からマルチフィラメントトウ１０２を巻き出すために、第１のモータ１１４に連結される。マルチフィラメントトウ１０２は、マルチフィラメントトウ１０２のデスプールを制御する第１のピッチ制御装置１０６を通過し、マルチフィラメントトウ１０２への損傷を最小化又は防止し、マルチフィラメントトウ１０２内の個々のフィラメントが、デスプーリング中に互いに対するそれらの位置を維持できるようにする。いくつかの実施形態では、第１のピッチ制御装置１０６は、第１のスプール１０４に対して位置決めされ、マルチフィラメントトウ１０２を実質的に水平配向に維持する。いくつかの実施形態では、第１のピッチ制御装置１０６は、マルチフィラメントトウ１０２が通過する際に回転する対向するプーリ又はローラを備える。対向するプーリの間の距離は、マルチフィラメントトウ１０２の厚さによって決まる。いくつかの実施形態では、第１のピッチ制御装置１０６は、第１のピッチ制御装置１０６を通過したトウの長さ（すなわち量）を測定するためのセンサを更に含む。

システム１００は、第１の張力センサ１０８を更に備える。いくつかの実施形態では、マルチフィラメントトウ１０２は、第１のピッチ制御装置１０６から第１の張力センサ１０８を通過する。いくつかの実施形態では、マルチフィラメントトウ１０２が第１のスプール１０４から第１の張力センサ１０８まで実質的に水平に移動するように、第１の張力センサ１０８が第１のスプール１０４とほぼ同じ高さに位置決めされる。いくつかの実施形態では、第１の張力センサ１０８は、マルチフィラメントトウ１０２上の力を測定するためにアイドラプーリに連結された張力ひずみゲージである。

いくつかの実施形態では、第１のトウテンショナ１１０は、マルチフィラメントトウ１０２の張力を制御するために設けられる。例えば、いくつかの実施形態では、第１のトウテンショナ１１０は、第１の張力センサ１０８によって測定されるように、マルチフィラメントトウ１０２に約０．４ニュートンの張力を提供する。いくつかの実施形態では、第１のトウテンショナ１１０は、第１の張力センサ１０８の高さより低いとことに置かれる。いくつかの実施形態では、第１のトウテンショナ１１０は、マルチフィラメントトウ１０２の張力を増減させるために、可動軸位置を有するプーリである。いくつかの実施形態では、第１のトウテンショナ１１０は、第１のトウテンショナ１１０と第１の張力センサ１０８との間の直線的距離を制御するために第１のトウテンショナ１１０を移動させる第３のモータに連結される。例えば、第１のトウテンショナ１１０と第１の張力センサ１０８アイドラプーリとの間の距離が増加すると、マルチフィラメントトウ１０２の張力が増加し、その一方で、第１のトウテンショナ１１０と第１の張力センサ１０８アイドラプーリとの間の距離が減少すると、マルチフィラメントトウ１０２の張力が減少するだろう。スプーリング及びアンスプーリング中の張力制御は、デサイジング、検査、修復及び再スプーリングのための均一な条件を提供する。いくつかの実施形態では、第１のトウテンショナ１１０は、実質的に垂直方向に移動するように構成される。図１は、第１の張力センサ１０８の高さよりも低い第１の垂直距離に配置された第１のトウテンショナ１１０を示すが、代替的には、第１のトウテンショナ１１０は、マルチフィラメントトウ１０２がアイドラプーリ周囲を反対方向に巻かれた状態で、第１の張力センサ１０８の上に配置されてもよい。

マルチフィラメントトウ１０２は、例えば第１のスプール１０４の高さ付近にありうる第１のプーリ１１２の上を通過し、デサイジングチャンバ１１６に入る。デサイジングチャンバ１１６内で、マルチフィラメントトウ１０２は、マルチフィラメントトウ１０２上のポリビニルアセテート（ＰＶＡ）コーティングを除去するために、約５００℃から約１０００℃の温度まで加熱される。ＰＶＡコーティングは、個々のフィラメントを束で保持する。デサイジングチャンバ１１６は、熱交換器、熱ランプなどのような、マルチフィラメントトウ１０２を、約５００℃から約１０００℃まで加熱可能な任意の適切な加熱機構を用いて、マルチフィラメントトウ１０２を加熱しうる。

ＰＶＡコーティングがいったん除去されると、マルチフィラメントトウ１０２は、検査チャンバ１１８を通過し、次に修復チャンバ１２０を通過する。検査チャンバ１１８内で、マルチフィラメントトウ１０２は、マルチフィラメントトウ１０２内の個々のフィラメントの破損などの欠陥について検査される。検査チャンバ１１８は、マルチフィラメントトウ１０２内の欠陥を特定及び定量化するための光学検出プロセスを使用する。いくつかの実施形態では、欠陥のあるフィラメントが物理的にマーキングされてもよく、又は欠陥のあるフィラメントの位置が、例えばメートル又は他の適切な単位で測定され、記録されてもよい。修復チャンバ１２０内で、特定された欠陥が、修復又は除去される。例えば、いくつかの実施形態では、破損したフィラメントが、マルチフィラメントトウ１０２から除去され、廃棄用のリジェクト経路に案内されるか、又は可能であれば、再びスプールされて再利用される。

修復チャンバ１２０を出ると、マルチフィラメントトウ１０２は、例えば、第１のスプール１０４の高さにありうる第２のプーリ１２２の上を通り、第２のトウテンショナ１２４に到達する。第２のトウテンショナ１２４は、第２のプーリ１２２の高さの下に配置されうる。いくつかの実施形態では、第２のトウテンショナ１２４は、第２のトウテンショナ１２４と第２のプーリ１２２との間の距離を制御する可動軸を有するプーリである。いくつかの実施形態では、第２のトウテンショナ１２４は、第２の張力センサ１２６によって測定されるように、マルチフィラメントトウ１０２に約０．４ニュートンの張力を提供する。いくつかの実施形態では、第２のトウテンショナ１２４は、第２のトウテンショナ１２４と第２のプーリ１２２との間の距離を制御するように第２のトウテンショナ１２４を移動させる第４のモータに連結される。第２のトウテンショナ１２４と第２のプーリ１２２との間の距離を増加させると、マルチフィラメントトウ１０２の張力が増加し、その一方で、第２のトウテンショナ１２４と第２のプーリ１２２との間の垂直距離を減少させると、マルチフィラメントトウ１０２の張力が減少する。いくつかの実施形態では、第２のトウテンショナ１２４は、実質的に垂直方向に移動する。

マルチフィラメントトウ１０２は、第２の張力センサ１２６の上を通過する。いくつかの実施形態では、第２の張力センサ１２６は、第２のトウテンショナ１２４によって誘起された力を測定するアイドラプーリに連結された張力ひずみゲージである。マルチフィラメントトウ１０２は、次いで、第２のピッチ制御装置１２８を通過し、マルチフィラメントトウ１０２への損傷を防止するように制御された方法で、マルチフィラメントを第２のスプール１３０の上にスプールできるようにし、個々のフィラメントが、再スプーリング中に互いに対するそれらの位置を維持できるようにする。いくつかの実施形態では、第２のピッチ制御装置１２８は、対向するプーリ又はローラを備える。マルチフィラメントトウ１０２は、プーリ又はローラの間を通過する。いくつかの実施形態では、第２のピッチ制御装置１２８は、マルチフィラメントトウ１０２の位置を測定するためのセンサを更に備える。

マルチフィラメントトウ１０２は、第２のスプール１３０に巻かれる。第２のスプール１３０は、スプールを回転させ、マルチフィラメントトウ１０２を第２のスプール１３０に巻くために、第２のモータ１３２に連結される。いくつかの実施形態では、第２のスプールは、マルチフィラメントトウにわずかな曲げ応力しか提供しない大きな直径のスプールである。マルチフィラメントトウ１０２のスプール全体がいったん検査され修復されると、スプールは、更に処理される可能性がある。例えば、検査及び修復されたスプールは、フィラメント上にバリア材料を堆積するために、化学気相堆積チャンバ内に配置することができる。

図２は、本開示のいくつかの実施形態による、マルチフィラメントトウを検査及び修復する方法２００を示すフローチャートを示す。２０２において、マルチフィラメントトウは、第１のスプールからデスプールされる。２０４において、マルチフィラメントトウは、マルチフィラメントトウ上のポリビニルアセテート（ＰＶＡ）コーティングを除去するために、約５００℃から約１０００℃の第１の温度まで加熱される。ＰＶＡコーティングの除去は、例えば、デサイジングチャンバ１１６に関して上述したように達成されうる。

２０６において、マルチフィラメントトウの個々のフィラメントの欠陥が検査される。フィラメントの検査は、上述のように検査チャンバ１１８内で行うことができる。例えば、検査チャンバ１１８内で、マルチフィラメントトウ１０２は、マルチフィラメントトウ１０２内の個々のフィラメントの破損などの欠陥について検査される。検査チャンバ１１８は、マルチフィラメントトウ１０２内の欠陥を特定及び定量化するための光学検出プロセスを使用する。いくつかの実施形態では、欠陥のあるフィラメントが物理的にマーキングされてもよく、又は欠陥のあるフィラメントの位置が、例えばメートル又は他の適切な単位で測定され、記録されてもよい。

２０８において、欠陥のあるフィラメントが見つかったかどうかが判定される。欠陥のあるフィラメントが見つからなかった場合、マルチフィラメントトウは、２１２で第２のスプール上にスプールされる。欠陥のあるフィラメントが見つかった場合には、２１０で、欠陥のあるフィラメントが修復又は除去される。欠陥のあるフィラメントは、例えば上述した修復チャンバ１２０において、修復又は除去することができる。いくつかの実施形態では、破損したフィラメントのような欠陥のあるフィラメントは、マルチフィラメントトウから除去され、廃棄用のリジェクト経路に案内されるか、又は可能であれば再びスプールされて再利用される。

上記は本開示の実施形態を対象とするが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されうる。

Claims (15)

1. マルチフィラメントトウを検査及び修復するためのシステムであって、
   第１のスプールに巻かれたマルチフィラメントトウを有する第１のスプールと、
   前記マルチフィラメントトウに所定の張力を付与するために前記第１のスプールに続く第１のトウテンショナと、
   前記マルチフィラメントトウの上のコーティングを除去するのに適した第１の温度まで前記マルチフィラメントトウを加熱するためのヒータを含むデサイジングチャンバと、
   前記マルチフィラメントトウの欠陥を検査するように構成された検査チャンバと、
   前記マルチフィラメントトウ内の前記欠陥を修復するように構成された修復チャンバと、
   前記マルチフィラメントトウに所定の張力を付与するために前記修復チャンバに続く第２のトウテンショナと、
   前記マルチフィラメントトウを集めるために前記第２のトウテンショナに続く第２のスプールと
   を備えるシステム。
2. 前記第１のスプールを回転させ、前記第１のスプールから前記マルチフィラメントトウを巻き出すために前記第１のスプールに連結された第１のモータを更に備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マルチフィラメントトウを制御されるようデスプールすることができるように、前記第１のスプールと前記第１のトウテンショナとの間で、前記第１のスプールとインラインの第１のピッチ制御装置を更に備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１のピッチ制御装置が一対の対向するプーリであり、前記第１のトウテンショナがプーリであり、前記第２のトウテンショナがプーリである、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１のトウテンショナによって前記マルチフィラメントトウに誘起される力を測定するために、前記第１のピッチ制御装置と前記第１のトウテンショナとの間で、前記第１のスプールとインラインの第１の張力センサを更に備える、請求項３に記載のシステム。
6. 前記第１のトウテンショナを垂直に移動させ、前記第１のトウテンショナと前記第１のスプールとの間の第１の垂直距離を増減させるために、前記第１のトウテンショナが第３のモータに連結される、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
7. 前記第１のトウテンショナと前記デサイジングチャンバとの間で、前記第１のスプールとインラインの第１のプーリを更に備える、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
8. 前記第１の温度が、約５００℃から約１０００℃までである、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
9. 前記修復チャンバと前記第２のトウテンショナとの間で、前記第１のスプールとインラインの第２のプーリを更に備える、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
10. 前記第２のトウテンショナを垂直に移動させ、前記第２のトウテンショナと前記第２のプーリとの間の第２の垂直距離を増減させるために、前記第２のトウテンショナが第４のモータに連結される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記第２のトウテンショナによって前記マルチフィラメントトウに誘起される力を測定するために、前記第２のプーリとインラインであり、前記第２のトウテンショナに続く第２の張力センサを更に含む、請求項９に記載のシステム。
12. 前記マルチフィラメントトウが、制御されるよう第２のスプール上にスプールできるように、前記第２のプーリとインラインであり、第２の張力センサに続く第２のピッチ制御装置を更に備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第２のスプールを回転させ、前記マルチフィラメントトウを前記第２のスプール上に巻くために、前記第２のスプールに連結された第２のモータを更に備える、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
14. マルチフィラメントトウを検査及び修復する方法であって、
    第１のスプールからマルチフィラメントトウをデスプールすることと、
    デサイジングチャンバ内の前記マルチフィラメントトウの上のコーティングを除去するのに適した第１の温度まで前記マルチフィラメントトウを加熱することと、
    検査チャンバ内の前記マルチフィラメントトウの個々のフィラメントの欠陥を検査することと、
    欠陥のあるフィラメントが見つかった場合、修復チャンバ内で前記欠陥のあるフィラメントを修復すること、又は前記マルチフィラメントトウから前記欠陥のあるフィラメントを除去することと、
    前記修復チャンバを出る前記マルチフィラメントトウを第２のスプール上にスプールすることと
    を含む方法。
15. 前記第１の温度が約５００℃から約１０００℃であり、前記欠陥のあるフィラメントを除去することが、前記欠陥のあるフィラメントを廃棄用のリジェクト経路に案内することを含む、請求項１４に記載の方法。

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