JPS63189235A - 横断テープのワインディング方法並びに装置 - Google Patents

横断テープのワインディング方法並びに装置

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JPS63189235A
JPS63189235A JP63004996A JP499688A JPS63189235A JP S63189235 A JPS63189235 A JP S63189235A JP 63004996 A JP63004996 A JP 63004996A JP 499688 A JP499688 A JP 499688A JP S63189235 A JPS63189235 A JP S63189235A
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mandrel
layer
winding
fiber bundles
forming
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JP63004996A
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ディーン　シー．ヤングケイト
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Morton Thiokol Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、樹脂含浸された繊維材料からコンポジット構
造体を形成する技術に関する。
以下余白 〔従来の技術〕 固体燃料ロケットのノズル、ケーススカート。
及びケースそのものでさえも樹脂を含浸したカーボン、
アラミド、グラファイト等のコンポジット材料で作られ
ることが多くなっている。なぜならば、このようなコン
ポジット構造体は適、当な強度やその他の満足すべき特
性を有するばかりでなく、金属で作られた同等物よりも
軽量だからである。
一般的に、このような構造体は、織糸、即ち略直角に交
差する経糸と緯糸による布帛構造体で構成されている。
通常、樹脂が前辺て含浸せしめられ、次いで布帛構造体
はコンポーネントマンドレル上に積層される。経糸と緯
糸とは９０°で交差しているので、ノズルコンポーネン
ト等を積層する際には、糸の角度が約±４５″となるよ
うに裁断される。このことによって、形成されるコンポ
ジット構造体内の繊維束の好適角度の選択は大幅に制限
を受ける。通常のように、経糸と緯糸の構成部材が両方
とも強度担持部材（均衡布帛）であり、交差角が４５″
以外の角度の場合には、経糸と緯糸の繊維束の対向角は
等しくなく、経糸繊維束か緯糸繊維束のどちらかが、最
適角度ではなくなる。一方、非強度担持緯糸材料（不均
衡布帛）を使用した場合には、屑物が生じ、コンポジッ
ト材料内の強度担持繊維材料の減少を招く。これに加え
て、織布工程において、繊維が真っ直ぐに延びないで湾
曲し、得られたコンポジットにおける繊維容積と応力性
能を低下させる。高い繊維容積は高い腐食耐性と応力性
能を与えるので好ましい。
更に、高い繊維容積は低いガス透過性を許容し、炭素−
炭素製の円筒等の処理を容易にする。例えば、典型的な
織布製のノズル構造体は、コンボジフトに対して約３５
〜４０％のｍ維容積を与える。
この繊維容積は約ｄ、％以上あることが望ましい。
上述の欠点と同じような幾つかの欠点のために、１９８
７年５月号のＰｌａｓｔｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの
第１７頁の”何故ニットによる補強材料は織られたロー
ビングに代わりつつあるか“Ｊ云う記事で述べられてい
るように、織られたロービングはニットのマトリックス
内に補強繊維が挿入されているニット補強材料によって
置き換えられるであろうことが示唆されている。このニ
ットを用いる技術は、補強繊維を平坦に積層することを
可能にし、これによって織られた繊維が互いに上下に交
差する個所に現れる屈曲を解消する利点をもたらし、且
つ繊維を一方向から三輪軸方向まで種々に配列すること
を可能にすると言われている。この工程では繊維をミシ
ン等で互いに縫い合わせることが必要なので、非常に労
働集約的で、従ってコストのかかる工程となる。自動化
された技術を用いる場合でも、この工程はコストのかか
るものとなる。
固体燃料のロケットモータ用のノズル部品は、一般的に
は樹脂含浸された炭素繊維織布をバイヤスカットした布
で巻かれる。得られたコンポジット材料は、通常、容積
的に見て約３８％の炭素繊維、１２％のカーボン充填材
、４０％のフェノール樹脂、１０％の空所を含んでいる
。この複合材料の内部表面は層面に対して±４５°の角
度を以て存在している経糸と緯糸を有する炭素繊維布帛
の層からなっている。使用に際し、この内部表面は高い
腐食力を及ぼす厳しい環境に曝されねばならない。この
±４５″の繊維指向角度はこの環境に対して最適な角度
ではなく、経糸が緯糸と９０’の位相のずれを有してい
るため、対向角が等しくなるように裁断された各線にお
ける繊維の指向角度が±４５°となる対角線方向のバイ
ヤスカットが採用されている。
費用の点に加えて、繊維材料のステッチングは隆起や畝
を生じて過剰なポケットができ、得られた部品の該ポケ
ット領域に早期の腐食をもたらす。
ノズルの内面は良好且つ均一な耐腐食性を有することが
望ましい。
フィラメントワインディング機はマンドレル上に所望の
角度で繊維材料のフィラメントを巻いて部品を形成する
ことが可能であるが、この工程は腐食性環境に曝される
ノズル等の構造体の形成には不適当である。なぜならば
、フィラメントがかなりの長さにわたって表面の湾曲に
従って積層させられた場合、該フィラメントは、通常、
剥がれたり又は崩れ落ちたり傾向を有するからである。
従って、この剥がれ傾向のない良好なノズル構造体を形
成するためには、フィラメントをかなりの長さにわたっ
て表面湾曲に沿う必要のないように比較的短くすること
が望ましい。
円筒状部品の製造の際にも、フィラメントワインディン
グが好適であるが、このフィラメントワインディング工
程は単一の部品を作るのに日数を要する。その上、超高
モジュラスの材料はフィラメントワインディングに使用
するにはもろ過ぎるので、フィラメントワインディング
は中、低モジュラスの材料に限定されることになる。更
に、フィラメントワインディング工程は、ワインディン
グ方向が逆転して別の経路を辿るマンドレルの端面に沿
って、逆転の”仮ドーム“が作られて材料の無駄が発生
する結果を生じる。その上、フィラメントワインディン
グ技術においては、通常、ノズル等の部品に沿う異なっ
た個所において異なったフィラメント角度に修正するこ
とは不可能である。
以下余白 〔発明が解決しようとする課題〕 それ故、本発明の目的は、改善された応力並びに腐食耐
性を有するロケットモータの放射状熱ガス接触部分等の
コンポジット部品を提供することにある。
本発明の他の目的は、繊維の配向が高品質用に最適化さ
れた非円筒状コンポジット構造体をワインディングする
ための方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、コンポジット製品がｄ、％以
上の高い繊維容積を有するようなワインディング方法を
提供することにある。
本発明の別の目的は、自動化可能な、労働集約的でない
ワインディング方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、テープが積層用テーブルから
マンドレルまで殆ど又は全く人手を経ないで直接的に積
層されるテープワインディング方法を提供することにあ
る。
本発明の更に他の目的は、迅速な、自動化可能なテープ
ワインディング方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、低コストのコンポジット構造体を
もたらすワインディング方法を提供することを目的とす
る。
本発明の他の目的は、コンポジット構造体に高い構造強
度と剛性をもたらすワインディング方法を提供すること
を目的とする。
本発明の更に他の目的は、熱シンク制御改善のために繊
維密度が増加でき、繊維配向が最適化できるワインディ
ング方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、マトリックスの膨張・収縮並
びにガス放出によって生じるコンポジット構造体におけ
る冷却時の亀裂と炭化層の層間剥離を減少させることに
ある。
本発明の別の目的は、作業者の誤動作や誤判断に余り影
響されない方法を提供することによって、−貫して高品
質のコンポジット製品を製造可能な方法を提供すること
にある。
本発明の他の目的は、素朴で安価な、そして信鯨性に優
れたこれらの方法を実施するための装置を提供すること
にある。
本発明のこれらの目的、特色、利点は、添付の図面に示
された好適実施例によって更に詳細に説明されるであろ
う。
〔実施例〕
第１図及び第２図には、回転軸に沿ってスピンドル１２
を具えた略円筒状をなすマンドレル１０が示されている
。適当なマトリックス材料を含浸せしめられた連続繊維
材料のトウの帯１４が図示されている。トウ又は繊維束
工６の数は、通常、８から１６本程度であるが、約６４
本に達することもある。これらはトウの帯を形成するが
、その数はマンドレル１０の長さや直径によって決めら
れる。
第２図に符号２６で示されている一層以上の繊維材料は
、公知の適宜なフィラメントワインディング機械（図示
しない）を使用してマンドレル１０上にトウ帯１４を巻
くことによって、ポリエチレン、ナイロン等の適宜なプ
ラスチックフィルムの裏打ち材の上に準備される。本発
明によれば、トウ帯１４はマンドレル１０上に長手方向
にその円筒状表面２２を横断して一定の所定の角度を以
て巻かれている。この巻き付は角度はマンドレル１０の
回転軸に平行な線２０に対して図示の角度１８ａで表さ
れ、この角度は該材料で形成されたコンポジット部品内
の繊維材料の所望の配向に実質的に従っている。
マンドレルの長さと直径、並びに角１８ａの大きさに応
じて、トウ帯１４は第１図に示されているようにポーラ
巻き（ｐｏｌａｒ　ｗｉｎｄ）されたり、又は角１８ａ
が比較的大きい場合には螺旋巻きされたりする。ポーラ
巻きの場合には（これは平面巻きとしても知られている
）、トウ帯１４は当業者の熟知している公知のフィルム
ワインディング技術を用いて、所定の角度１８ａで円筒
状表面２２を横断してマンドレル上に載置される。かく
して、トウ帯１４は一方の端から他方の端までマンドレ
ル表面２２上に載置され、その後、各端面２４に沿って
スピンドル１２によって位置を維持されつつ、円筒状面
２２の外周の適宜な点に向かって載置され、次に再び円
筒状面２２を横断して載置される。このワインディング
は、Ｎ２６が第２図の交差繊維部分１６によって図示さ
れるように、ワインディングが相互に交差して円筒状面
２２を角１８ａを以て交互に反対方向に横断する交差巻
きが形成されるまで繰り返される。螺旋巻き法によれば
、角１８ａは充分に大きいので、ワインディングは円筒
状面２２上に留まり１、当業者が周知しているような螺
旋状の態様でその上に載置される。
これらポーラ巻きと螺旋巻きの両者共、当業者には周知
の技術である。
得られた繊維材料の層２６は、織られない、編まれない
、又ステッチングされない樹脂含浸された繊維束１６か
らなっている。第２図によれば、後述する意図した目的
に適した幅を有するテープ２８が、層２６を圧縮して空
気を押し出すための抑えローラ３２を具えたナイフスリ
ッタ３０等の適宜な裁断手段を用いて螺旋状に切り取ら
れている。このナイフスリッタ３０の進行速度は所望の
テープ巾に等しく、通常、２〜６インチ程度である。テ
ープの面内における縁３４又は３６に垂直な線３８に対
する繊維束１６の角度１８ｂは実質的に角１８ａに等し
いことになる。
このように、テープ２８内の繊維材料は、織られたり、
編まれたり、又はステッチングされたりしていない樹脂
含浸された繊維束１６である。費用がかかることの他に
、繊維材料のステッチングは隆起や畝を作り、これらは
繊維材料の適当な圧縮を無くして過剰のポケットを生じ
させ、得られた製品を腐食され易くする。本発明によれ
ば、テープ２８は後述するように適宜な樹脂を含浸され
、ステッチよりもこの樹脂の接着力を利用して材料フィ
ラメントを相互に保持し、前述のような望ましくない隆
起や空隙や畝を解消している。しかし、本発明によれば
、繊維束が相互に交差していることは望ましいことでは
あるが、必須のものではない。それ故、本発明の目的に
対しては、”横断テープ“とは織られず、編まれず、ス
テッチングされない樹脂含浸された繊維束であり、テー
プの面内で該テープの縁に対して垂直な線に関して所定
の角度をなし、該繊維束は前記テープ内の他の繊維束に
対して交差していてもいなくてもよいものとして定義さ
れる。所定の角度１８ｂは、この横断テープで作られた
コンポジット構造体の回転軸と繊維束との間の所望の角
度に対応するように選択される。横断チー１２８は、マ
ンドレル１０から裁断された後に、図示しない適宜な裏
打ち材、例えばポリエチレンフィルム等の適宜なプラス
チックフィルムによって、第４図に符号４０で示されて
いる材料供給スプール上に巻取られる。
一層以上の樹脂含浸繊維材料の層２６がマンドレル１０
に適用され、これによって作られるコンポジット構造体
に必要な条件に応じて、異なる材料及び／又は繊維配向
からなる別の層が積層される。又、成る場合には螺旋巻
きとポーラ巻きの層とが混合して使用されることもある
。
第３図には、マンドレル４２上に横断テープ２８を巻き
付けてコンポジット部品を形成する方法が図示されてい
る。図面を判り易（するために、第３図においては、横
断テープは実際の配向から９０”回転して示されている
。横断テープ２８の巾は、作られるべき部品の特徴に応
じて変えられる。部品が熱ガス排出用のノズルのように
腐食性環境に曝される構造体である場合には、横断テー
プの巾は比較的狭く、例えば２インチであって、フィラ
メントは部品の表面の湾曲にかなりの長さにわたって沿
う必要がなくなり、これによって前述した剥がれ傾向“
が避けられる。部品が非円筒状である場合には、部品の
形状がテープの適用を困難にするので、これが腐食性環
境に曝されるかどうかに関係なく、横断テープは狭いも
のとならざるを得ない。部品が、例えば宇宙ステーショ
ンの柱用チューブのように、腐食性環境に曝されない円
筒状物体である場合には、横断テープ２８の巾は柱チュ
ーブの長さに等しく、例えば１５フイートであってもよ
い。この横断テープ２８は、通常、ｏ、ｏｏｓ〜０．０
３０インチの範囲の厚さを有するが、この厚さは作られ
る部品の特徴に応じて変えられる。第３図に示すように
、横断テープ２８をマンドレル４２に適用する直前に、
横断テープ２８は熱源４６によって加熱空気４７で適当
に加熱され、含浸樹脂が溶解され、ワインディング相互
間の良好な接着と緊密性が与えられる。横断テープ２８
が適用される際に、適当な圧縮力５０が加えられている
抑えローラ４８は、横断テープ２８をマンドレル４２上
に押し付け、そこから空気を解放する。装置５２は適宜
な冷却手段、例えば炭酸ガス４９等によって横断テープ
２日を冷却し、テープの浮き上がり、即ち表面からの持
ち上がりを防止し、且つ引き続くワインディング経路の
ための強固な基礎を提供する。
第４図は、ノズルの出ロコーンビレフト用のマンドレル
４２に対する横断テープ２８の適用を示す。公知の適宜
なテープワインディング装置が符号６８で示されている
。マンドレル４２は、マンドレル４２の回転軸６６に沿
ってテールストック支持体５６内に設置されたテールス
トック５４を具えている。動力は、歯５８内に設置され
た適宜なモータ（図示しない）によって装置！６８に供
給される。キャリフジ５９は、マンドレル４２の回転軸
６６に平行にプラットフォーム６２に沿って動くように
、テープリール４０を保持している。
符号ｄ、は交差キャリッジを示す。横断テープワインデ
ィング４４は、マンドレルの回転軸６６回りの矢印６４
方向の回転とキャリッジ５９のレール６２に沿う軸方向
の動きにつれて、供給リール４０からマンドレル４２に
適用される。
−回の通過、即ちマンドレル上の横断テープ４４の一層
によって部品が作られる場合もあるが、成る種の用途に
おいては、２層以上をマンドレル上に適用することが望
まれる。例えば、ノズルの半径方向の内周面はカーボン
等の耐腐食性繊維で形成されることが望ましい。しかし
、ノズルの外周面はガラス繊維等のより安価な繊維で作
られることが望ましい。
ワインディング４４によってノズルの出ロコーンビレフ
トが作られた後、該ビレットは圧縮され、オートクレー
ブ等の手段によって当業者に周知の技術にしたがって熱
処理され、その後でマンドレル４２は取り除かれ、得ら
れたビレットは所望の仕上げ製品となるように機械加工
される。
第４図に示すように、横断テープ２８は、９０〜９５％
の範囲で各層間にオーバラップするように巻き付けられ
、各ワインディングの一方の縁のみが、従って各繊維束
１６の一方の端のみが部品の表面に露出する所謂“屋根
板状ワインディングが形成され、腐食性環境に曝される
コンポジット及び／又はノズルのような非円筒状コンポ
ジットの場合にも層剥離が生ぜず、しかも露出繊維束の
端部が表面の方を向き、耐腐食性が改善されるように保
証される。“屋根板状ワインディングなる用語は、本明
細書中では、各ワインディングの一方の縁のみが製造さ
れる部品の表面に露出するように、先に載置されたワイ
ンディングの縁にオーバラップする繊維材料のワインデ
ィングを意味する。更に、横断テープ２８は部品の回転
軸に平行な線に対する繊維束のなす角が最良の結果を生
じるように最適化されているので、腐食性環境に曝され
る熱ガス排気用ノズルのコンポジットの少なくとも内面
部分の繊維束１６とノズルの回転軸に平行な線とのなす
所定の角度は、耐腐食性のために最適なるようにされる
ことが好ましい。この角度が何度であるかを決定するこ
とは本発明の目的ではないが、前述のようにこの角度は
通常の布帛ワインディングに使用されているような４５
゜ではないであろう０本明細書中で使用している“半径
方向”又は“放射状”なる用語は、部品又はこれが形成
されるマンドレルの回転軸に対して打ち向き又は外向き
の方向のことを称する意味である。
ノズルの半径方向の外周部分は、耐腐食性の目的として
は強度的にはそんなに丈夫なことは必要としないので、
本発明によれば、当業者公知の従来の、ワインディング
技術を用いて構造的にオーバーラツプされればよい。
第５図には、織られず、編まれず、ステッチングされず
、しかも樹脂等の適宜なマトリックス材料を含浸された
繊維束の層からなる略円筒状のロールを、マンドレル上
に形成するための別の方法と装置が図示され、横断テー
プはこのロールから前述の方法で裁断されている。第１
図及び第２図の方法、装置について述べた利点の他に、
この方法と装置はより薄い層を使用して、ワインディン
グの際に円筒状マンドレルの端面に生じる”仮ドーム“
と称する材料の無駄を少なくすることができる。符号７
０で示される装置は保持手段７２を具え、円筒状マンド
レル７４を回転軸又はスピンドル７８を中心に図示の方
向に回転するように保持する保持手段７２を具えている
。装置７０は更にコンベヤベルト８０を具え、該ベルト
は無端であり、織られず、編まれず、ステッチングされ
ず、且つ樹脂含浸された繊維束のコンポジット層８６（
通常、互いに反対角度をなす二層からなる）を支持し、
ステッチングされない樹脂含浸繊維束を矢印８２の方向
にマンドレル７４の方に動かし、層８６の形成と同時に
マンドレル上に巻き取っている。保持手段７２とベルト
８０は共通の支持体８８によって支えられ、一方、前記
支持体は脚９０に支えられている。ベルト８０の運動は
当業者に周知の適宜な駆動手段（図示しない）によって
行われる。
ベルト８０上にコンポジット層８６を形成するための装
置は符号９２で示されている。装置９２は、キャリッジ
９４と、ベルト８０を横断する方向１０２にレール９８
に沿ってキャリッジ９４を動かして樹脂含浸繊維束のト
ウ帯１００を載置させるためのモータ９６等の適宜な手
段を具えている。レール９８はその一端でキャリッジ１
０４に接続され、該キャリッジ１０４はモータ１０８に
よってレール１０６上を矢印１１０で示すようにベルト
８０の長さ方向に可動であり、これによってキャリッジ
９４と１０４の運動は図示でないコンピュータによって
ベルト８０の運動と連携してベルト８０上に所望の角度
１４８でトウ帯１００を載置する。キャリッジ１０４は
、レール９８をベルト８０の上方の適宜な高さの所定位
置に支持するための垂直延長部材１０５を有する。レー
ル９８は前記垂直延長部材１０５から片持ち式に水平方
向に延び、コンベヤベルト８０の巾方向にオ−バハング
している。レール１０６は複数の脚１１２等の適当な支
持手段によって支えられている。レール９８が片持ち式
に取付けられている延長部材１０５の上端は、溝１１７
内に位置するローラベアリング１１６によってフレーム
部材１１４に可動に支持されている。フレーム部材１１
４は二つ以上のブラケット１１８によってささえちれ、
該ブラケットは壁（図示しない）等の適宜な支持体に取
付けられている。このように、キャリッジ９４はベルト
８０の上方に横断方向にも長手方向にも可動に懸垂され
、これによってトウ帯１００はベルト８０に対して、従
って層８６がマンドレル上で転勤する場合にはマンドレ
ル７４の回転輪７８に平行な線に対して、角度１４８等
の任意の配向を以て載置される。
装置９２はキャリッジ９４の下方に懸垂されて垂直軸１
２４を中心に符号１２２０回転運動をなすハウジング１
２０をも具え、これによって該ハウジング１２０はトウ
帯１００が！！置されつつある方向と同じ方向を向くこ
とができる。作動中には通常は閉じているドア１２６の
−っは装置９２の作動状態を判り易くするために取り除
かれている。適当な裏打ち材１４０を持ったトウ帯１０
０は図示しない供給リールから巻き戻されてハウジング
の床１３４のスロット１３２を通じてガイドされつつベ
ルト８０の表面に達し、ここで適当に位置決めされ、ト
ウ帯１００に下向きの力を付与するように付勢された適
宜な圧縮部材１３６によって圧縮される。裏打ち材１４
０は床１３４のスロット１４６を通じてハウジング１２
０内に戻され、モータ１４４によって駆動されるテーク
アツプリール１４２上に巻かれる。
装置９２によって、ベルト８０の縁に垂直な線１５０に
対して所定の角度１４８をなすようにヘルド８０上ヘト
ウ帯１００をＲ置するには、コンベヤベルト８０の動き
とキャリッジ９４，１０４の動きをコンピュータ制御す
ると共に、ハウジング１２０を軸１２４を中心に適宜に
位置決めすることによって行われる。トウ帯１００の載
置パターンと暦数とは作られる部品の特性に応じて、当
業者に周知の工学的原理によって決定される。トウ帯１
００はベルト８０の一方の縁から他方の縁まで載置され
、その後、キャリッジ９４はトウ帯１００の載置を続行
しながら他方のベルトの縁を指向して反対方向に動かさ
れ、この工程が繰り返されて１ｉ８６が形成される。
樹脂含浸繊維束８４の層８６がコンベヤベルト上に形成
されるにつれて、該層は同時にベルト８０によって方向
８２を指向してマンドレル７４の方へ動かされ、ここで
方向７６に回転してマンドレル７４上に巻き取られる。
マンドレル７４の回転は、保持手段７２のハウジング内
に設置された図示しないモータ等の適宜な回転手段によ
って行われる。
トウ帯１００の載置に先立って、適当な裏打ち部材（図
示しない）がコンベヤベルト上に置かれ、トウ帯１００
はこの裏打ち部材の上に載置されるように準備されるこ
とが好ましい。層８６はこの裏打ち部材と共に又は無し
にマンドレル７４上に巻き取られる。
所望の角度１４８で配向した樹脂含浸繊維束の層８６の
所定の長さがマンドレル７４上に巻き上げられた後、必
要に応じて、マンドレルは保持手段７２から取り外され
るか、又はそのまま残される。特定の用途に使用される
所望の巾を有する一つ以上の横断テープ１５４を、マン
ドレルの軸７８に直交する方向に層８６を適宜な裁断手
段によってこれからカットすることもできる。第２図に
示す螺旋状カットと異なり、第５図のテープ１５４は順
次に別々の長さでマンドレル７４からカットされる。こ
のようにして得られた一種類以上の長さの横断テープは
砲扱と輸送の便を図るためにリール上に巻かれ、例えば
第４図のノズル出ロコーンビレフトのワインディング等
の所望の目的に使用される。しかし、巻き上げ並びに巻
き戻し工程での繊維の挫屈を防止するために、予め裁断
された横断テープは平らに積層されることが好ましい。
第５図の装置７０を使用する別の工程によれば、マンド
レル７４は取り外し可能な部品マンドレルであり、繊維
束の層８６がマンドレル７４上に巻き上げられた後、コ
ンポジット製品は圧縮されて熱処理され、次いでマンド
レルは取り外され、コンポジット製品は当業者に周知の
技術によって機械加工される。
装置９２は図示のものに限定されるものではなく、テー
プをＳＩｉ置するための公知の如何なるものでもよく、
例えば、カリフォルニア州、トランス（Ｔｏｒｒａｎｃ
ｅ）のゴールズヮージー・エンジニアリング社（Ｇｏｌ
ｄｓｗｏｒｔｈｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐ
ａｎｙ　Ｉｎｃ、）から市販されているＡｃｃｅｓｓ　
Ａｔ１ａｓ　１１等も使用可能である。
宇宙ステーションの柱チューブ等の小さな円筒状部品や
、ロケットモータのケース等の大きな円筒状部品等のよ
うに、狭い巾のテープを屋根板状に積層する必要のない
製造法の場合には、部品の長さと同じ巾を有する横断テ
ープその他の適当な樹脂含浸繊維材料のテープがマンド
レルに施与され、従来のワインディング工程に比して高
い生産速度が達成できる。第６図と第７図に符号２００
で示された装置は、マトリックスを含浸せしめられた繊
維材料２０２のテープをマンドレル上に巻き取るための
装置であり、該テープは宇宙ステーションの柱チューブ
等の小さい直径の部品の長さと同じ、例えば２０又は３
０フイートの巾を有する。マンドレル２０４は、固定さ
れた位置に軸２３４を中心に回転するように、少なくと
も３つの圧縮駆動ローラ２０６によって保持されている
。
前記ローラ２０６はマンドレル２０４の外周に位置し、
このマンドレルを回転可能に支持している。
ローラの一つ２０６ａの端にはアーム持ち上げ手段２０
８が取付けられ、該手段は、ローラ２０６の回転を許容
し、後述するようにマンドレル２０４の全長にわたって
圧力を平均化させ、マンドレル２０４を迅速に他のマン
ドレルと交換して円筒状部品の生産の効率化を図るよう
にローラ２０６を持ち上げてマンドレル２０４から遠ざ
けるためのスプリング２１１を具えた端部軸受２１０を
有する。他の二つのローラ２０６ｂは、一端に同じよう
な軸受２１０を具えた、ローラ２０６ｂの他端近傍に公
知の手段で取付けられた部材２０９によって所定位置に
保持されている。
フットペダル弁（図示しない）によって作動せしめられ
る空気駆動モータ２１２等の適宜な駆動手段がベルト２
１４等の接続手段によって各ローラ２０６ｂの一端に設
置されてこれを回転させ、ローラ２０６ａ、２０６ｂが
マンドレル２０４の全長にわたって接触していることか
らマンドレル２０４が駆動される。
アーム持ち上げ手段２０８は、駆動ローラ２０６ａの一
端に取付けられてそこから半径方向に外向きにビーム２
１６まで延在する部材２１５を具え、該部材はローラ２
０６ａの長手方向に沿って軸方向に延びている。
前記ビーム２１６の長さ方向に約１０〜１４インチ程度
隔てて、ローラ２０６ａの半径方向に内側に延びて該ロ
ーラ２０６ａと係合する複数の空気圧手段２１８が、ロ
ーラ群２０６上の圧力を均一化するために設けられてい
る。ローラ２０６ａに係合するように各加圧手段２１８
には一対のローラ２２０が連結され、均一化された圧力
が、マンドレル２０４に対して均一な圧力を適用してそ
の上の荷重が充分に均等となりマンドレルの位置を維持
できるように、公知の手段（図示しない）によって前記
加圧手段２１８の全部に対して適用される。第６図に示
すように、このような空気加圧手段が他のローラ２０６
ｂにも設けられている。
しかし、この他のローラ２０６による反作用の力は、ス
プリング荷重の端部軸受２１０によって各ローラ２０６
ａ、２０６ｂ上に幾らかの遊びが存在する程度に均等化
されればよいので、本発明によればローラ２０６の一つ
がこの加圧手段２１８に接触しさえすればよい。
テーブル等の支持部材２２２が所定の位置に設置され、
マンドレル２０４の長さに沿ってこれに隣接する表面２
２４を提供し、実質的にマンドレルの長さに等しい長さ
を有する適宜なマトリックス含浸繊維材料等のテープ２
０２を、駆動ローラ２０６とマンドレル２０４の間の位
置２２８に支持し供給し、駆動ローラ２０６によってマ
ンドレル２０４が回転するにつれて該テープをマンドレ
ル２０４上に巻き上げる。このテープ２０２は繊維束２
２６を有し、又、適宜な裏打ち材又は剥離フィルム２３
０を具えている。このフィルム２３０は先端部２３１を
有し、テープ２０２がマンドレル２０４に巻きつけられ
るにつれて、テープ２０２から分離されて符号２３２で
示すようにマンドレル２０４から引き出される。このテ
ープ２０２は、第５図に符号９２で示されたような適当
な自動化されたテープ積層機械によって装置２００用に
作製される。前記表面２２４は搬送ベルト面であり、こ
の上で、第５図に示すように、テープは巻き上げのため
にマンドレル２０４の方へ搬送されるのと同時に製作さ
れる。
宇宙で使用される宇宙ステーション用柱チューブ等の高
衝撃耐性を有する部品には、繊維２２６に含浸させるた
めの樹脂として熱可塑性樹脂を使用することが望ましい
。プラテンテーブル上でマンドレルを回転させてコンポ
ジット部品を作ることは、熱可塑性樹脂の場合には不適
当である。なぜならば、樹脂含浸された繊維材料をマン
ドレル上で巻き上げながら樹脂を充分に加熱することは
難しいからである。マンドレル２０４上で樹脂含浸繊維
材料２０２を巻き上げながら充分な熱を与えて樹脂を軟
化させ、オーブン内での熱処理を省略することが望まし
い。本発明によれば、回転するマンドレル２０４は一定
の位置を保っているので、マンドレル２０４の長さに沿
って所定間隔で設置されたアーム持ち上げ手段２０８の
アーム２４０に取付けられた複数の固定超音波ヘッド２
３６によって、マンドレル２０４に巻き上げ中に充分な
熱を供給して樹脂含浸テープ又は繊維材料２０２を溶解
させて一体化することが可能である。各超音波ヘッドは
約２００００ヘルツ程度の振動数で振動し、更に、材料
を付加的に圧縮するための圧縮装置２３８が設けられて
いる。第６図に示すように、同じような超音波ヘッドが
部材２０９に関しても設置されている。
樹脂含浸繊維材料２０２がマンドレル２０４上に巻き上
げられ、繊維材料の溶解と圧縮とが生じた後、アーム持
ち上げ手段２０８が上昇してローラ２０６ａをマンドレ
ル２０４から離し、その時点でマンドレルとその上に巻
かれたコンポジット部品とは装置２００から取り外され
、更に圧縮や熱処理を受け、必要に応じてマンドレル２
０４が取り外されてコンポジット部品の機械加工が行わ
れる。マンドレル２０４を交換するには、ローラ２０６
ａをこれから持ち上げるために加圧手段２１８上の油圧
はゼロにされる。新マンドレルは直ちに装置２００に挿
入され、もう一つのコンポジット部品の製作が続行され
て大量生産が達成できる。マンドレル２０４上に巻き上
げられている繊維束の層２０２を圧縮・熱処理する工程
、マンドレルの取り外し、並びに得られたコンポジット
部品の機械加工は、全て当業者に公知の原理に基づく工
程であり、製造されるコンポジット部品の特性に応じて
適宜に選択される。
第８図は宇宙ステーション用の柱チューブ等の小さいコ
ンポジット部品のための工程サイクルを示す。マンドレ
ル２０４がテープワインダ２００内で巻き上げられると
、運搬車２４２に載せられてオーブン又は雌型オートク
レーブ２４４に挿入される。ここでコンポジット部品は
適当に公知の原理に基づいて加熱・冷却される。次いで
、マンドレル２０４は引き抜かれ、新たなコンポジット
部品の製造のためにテープワインディングを繰り返され
る。このようにして製造されたコンポジット部品の必要
に応じてそれぞれ機械加工される。
第９図は、第６図の加圧手段２１８の別の実施例を示す
。第９図に示す加圧手段２５０は、駆動ローラ２０６を
部分的に囲繞するヨーク２５２を有し、これによってロ
ーラ２０６はマンドレル２０４から持ち上げられる位置
を制御され（第６図のスプリング荷重の端部軸受２１０
による装置２００に対する機能）、ヨークの内面に所定
間隔で設置された軸受２５４によって、駆動ローラ２０
６に圧力を及ぼすと共に回転自在に保持され、第６図に
おけるスプリング荷重の端部軸受２１０を省略している
。
第１０図は別の実施例にかかる装置３００を示し、ロケ
ットモータケースや発射缶等のように、これの製造のた
めには第６図の装置が巨大になり過ぎて不適当な大きな
円筒状コンポジット部品を形成する方法を示している。
テープ載置機械３０２は片持ち式に支持されたレール３
０３を具えている。この機械は第５図のテープ載置機械
９２と似たものであっても、又は異なったものであって
もよい。このやり方においては、一層以上のマトリック
ス含浸繊維材料３０４が無端ベルト３０８によって供給
リール３１０から搬送される裏打ち材又は剥離フィルム
３０６上に重ねられる。
ベルト３０８上での一層以上の樹脂含浸繊維材料３０４
の積層と同時に、該フィルムは作られるコンポジット部
品の長さに等しい長さを有する円筒状マンドレル３１４
まで搬送される。従って、繊維材料３０４はコンポジッ
ト部品の長さに等しいｉｌとなるように積層される。搬
送ベルト３０８は繊維材料３０４の層がプラテン又はテ
ーブル３１２上で積層されるように支持されている。
マンドレル３１４は、矢印３１６の方向に回転するよう
に、モータ駆動される歯車３２８等の適宜な手段によっ
て駆動される。マンドレル３１４がその軸３１８を中心
に回転するにつれて該マンドレル上に樹脂含浸繊維材料
３０４が巻き上げられると、剥離フィルムは取り除かれ
てテークアツプリール３２０上に巻き取られる。その間
に、無端ベルト３０８はプラテンまで戻り、ローラ３２
２とベルト張力を調整するための従来型の油圧テンショ
ン装置３２４によってサイクルを繰り返す。
第６図に関連して説明したように、形成されるコンポジ
ット部品に高い衝撃耐性を与える必要がある場合には、
熱可塑性樹脂を用いることを要する。そのために、テー
プ３０４がマンドレル３１４に巻かれる際に、充分な熱
を与えてこの熱可塑性樹脂を溶解しなければならない。
回転中でもマンドレル３１４は一定の位置を維持してい
るので、この熱は適宜なスプリング荷重の固定の超音波
ホーン３２６から供給することができる。このホーンは
第６図の超音波ヘッド２３６と同種のものであり、マン
ドレル上にテープを適当に圧縮する機能を有することも
できる。しかし、熱可塑性樹脂を使用する必要のない場
合には、テープ３０４を圧縮するために空気軸受や加圧
ローラ等の適宜な手段を設けることも可能である。テー
プ３０４がマンドレル３１４上に巻き上げられた後、該
テープは圧縮され、熱処理され、次いでマンドレルが取
り外され、前述のように機械加工される。
本発明にかかる樹脂含浸繊維材料を使用すれば樹脂の接
着によって繊維束が相互に保持されるので、繊維束のス
テッチング、製織、製編等によって繊維束固定する必要
がなくなる。この予備含浸によって、高い温度耐性を有
する樹脂の使用が可能になる。なぜならば、予備含浸に
よらなければこれらの樹脂はフィラメントを濡らすには
余りにも粘性が高過ぎるからである。
本明細書において、“繊維材料”、“トウ帯”。
“繊維束”と云う用語はフィラメント材料に限定される
ものではない。これらのエレメントは通常の円形断面又
は偏平なリボン状のフィラメント状物又は繊維状物を意
味する。偏平状物の場合、所謂帯状の範嗜のものでもよ
い。しかし、本明細書中では帯（バンド）とは、リボン
状をなす個々のエレメントの他に、複数のフィラメント
が横並びに接合して形成されたエレメントをも含む。即
ち、トウ帯又は繊維束の層を形成する材料は通常考えら
れているような円形断面のフィラメントからリボン状の
帯の形状に構成されたものであってもよい。そしてこれ
らの帯は単一の部材がらなっていても、又は複数のフィ
ラメントからなっていてもかまわない。製造されるコン
ボジフト部品の特性。
値段２品質を含むタイプに応じて、特定の繊維材料が選
択されるべきである。本発明によれば、使用されるフィ
ラメント材料のタイプは、これに限定されるものではな
いが、ガラス繊維、カーボン繊維、グラファイト繊維、
アラミド繊維等である。
多くの用途においてガラス繊維のロービングがその低コ
ストの故に好ましいが、宇宙用途及びロケットモータケ
ースやノズルの用途には、カーボンやグラファイトロー
ビングが望ましい。なぜならば、このタイプのロービン
グは低い膨張収縮率と高い弾性モジュラス、並びに高い
繊維強度を有するからである。
樹脂の種類も製品の特性、コスト、品質に応じて選択さ
れるべきである。この樹脂は天然のものでも合成のもの
でもよいが、収縮が少なく、従って歪みの小さいエポキ
シ樹脂が好ましい。前述のように、高い衝撃耐性の必要
な場合には、フェノール樹脂等の熱可塑性樹脂が好まし
い。宇宙用途等の高い品質の製品が求められている用途
には、このエポキシは高温処理・高機能を有するエポキ
シ、即ち４００　”Ｆ以上のガラス転移点を有するチバ
ガイギー社のアラルダイト（Ａｒａｌｄｉｔｅ）　Ｍｙ
７２０又は７２１等が好ましく　、ＢＩｓｍａｌｅｉｍ
ｉｄｅとの混合物が特に好ましい。
本明細書中の“樹脂”と云う用語は、セラミックや金属
等の、繊維材料が埋入される樹脂以外の適当な他のマト
リックス材料をも含む意味で使用されている。
本発明は以上述べた実施例に限定されるものではなく、
これに基づいて当業者がなし得る変形、修正等も含むも
のである。
【図面の簡単な説明】
第１図と第２図は、本発明による横断テープを準備する
ための迅速且つ低廉な一連の方法を概略的に示す図、 第３図は、マンドレル上へ横断テープを巻きつけて本発
明のコンポシフト部品を形成する方法を示す概略図、 第４図は、マンドレル上に横断テープを巻きつけて本発
明のノズルを形成する方法を示す斜視図、第５図は、本
発明の横断テープを作るための装置と別の方法・を示す
斜視図、 第６図は、マンドレル上にテープを巻きつけて小さな円
筒状コンポジット部品を形成するための装置と方法を示
す斜視図、 第７図は、マンドレルを中心にテープの巻きつけを示す
第６図の装置の拡大側面図、 第８図は、本発明の円筒状部品の製造を示す概略図、 第９図は、第６図の装置のヨークの別の例の側面図、 第１０図は、本発明の大きな円筒状コンポジット部品を
巻き上げるための方法と装置の別の実施例を示す概略図
である。 １０・・・マンドレル、　　　　１２・・・スピンドル
、１４・・・トウ帯、　　　　　　１６・・・繊維束、
２２・・・円筒面、　　　　　　１８ａ・・・巻きつけ
角、２６・・・層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、ａ、マトリックス材料を含浸した少なくとも一つの
    繊維束を、マンドレルの回転軸に平行な線に対して所定
    の角度を以て略円筒状をなすマンドレル上に巻きつけて
    、織られたり、編まれたり、ステッチされたりしない少
    なくとも一層の樹脂含浸繊維束の層を形成し、 ｂ、前記層がマンドレル上にある間に、該層から一対の
    縁を有する横断テープを裁断し、前記繊維束が前記縁の
    間に延在して横断テープの面で前記横断テープの縁と直
    交する線に対して前記所定の角度に実質的に等しい角度
    をなし、 ｃ、前記横断テープを部品マンドレル上に巻きつけ、 ｄ、巻かれた横断テープを圧縮・熱処理し、ｅ、該マン
    ドレルを取り除く各ステップからなるコンポジット部品
    の製造方法。 ２、少なくとも一層の繊維束を巻きつける前記ステップ
    が、マンドレルの回転中にマンドレルの長手方向へ繊維
    束を巻きつけることであり、層からの横断テープの裁断
    のステップが該層からの螺旋状裁断である請求項１記載
    の方法。 ３、少なくとも一層の繊維束を巻きつける前記ステップ
    が、マンドレルを一定の位置に維持しながらこれを回転
    させ、搬送ベルト上にコンポジット層を形成し、該搬送
    ベルトを移動させて前記コンポジット層をマンドレルの
    方へ搬送し、前記搬送ベルト上でコンポジット層を形成
    しながら該コンポジット層をマンドレル上に巻き上げる
    ことである請求項１記載の方法。 ４、横断テープを部品マンドレル上に巻きつける前記ス
    テップが、該部品マンドレル上へ屋根板状に積層された
    複数のワインディングを形成することである請求項１記
    載の方法。 ５、マトリックス材料を含浸し、ノズルの回転軸に平行
    な線に対して所定の角度を以て延在する繊維束からなる
    横断テープの屋根板状の複数のワインディングを含む半
    径方向に内向きに積層された熱ガス排出用ノズル部材。 ６、前記繊維束がカーボン並びにグラファイトからなる
    群から選ばれた材料から構成されている請求項５記載の
    ノズル部材。 ７、前記マトリックス材料が４００°Ｆ以上のガラス転
    移点を有する請求項５記載のノズル部材。 ８、横断テープが形成されるように、織られたり、編ま
    れたり、ステッチングされたりしていない樹脂含浸繊維
    束の層から略円筒状のロールを形成する装置であって、
    略円筒状のマンドレルを回転軸を中心に回転自在に一定
    の位置に保持する手段、織られたり、編まれたり、ステ
    ッチングされたりしないマトリックス含浸繊維束のコン
    ポジット層を支持して前記マンドレルに搬送し、該層を
    形成しながら前記マンドレル上に巻き上げる手段、及び
    前記搬送ベルト手段の上に前記コンポジット層を形成す
    る手段を具えた装置。 ９、ａ、円筒状の部品マンドレルを固定位置にあるその
    回転軸を中心に回転させ、 ｂ、マンドレル材料を含浸した少なくとも一層の繊維束
    の層を搬送ベルト上に形成し、 ｃ、前記繊維束の層を搬送ベルト上で形成しながら該層
    を回転するマンドレルの方へ搬送してその上に巻き上げ
    、 ｄ、マンドレル上に巻き上げられている繊維束層を圧縮
    し且つ熱処理し、 ｅ、該マンドレルを除去する 各ステップからなる円筒状コンポジット部品の形成方法
    。 １０、請求項９に、更に熱可塑性樹脂の群中から前記マ
    トリックス材料を選択し、それがマンドレル上で巻き上
    げられている間に繊維束層を加熱して該層内のマトリッ
    クス材料を溶解させるステップを付加する方法。 １１、搬送ベルト上に少なくとも一層の繊維束の層を形
    成する前記ステップが、横断テープの層を形成するステ
    ップを含む請求項９記載の方法。 １２、ａ、固定位置にある回転軸を中心として円筒状の
    部品マンドレルを回転させ、 ｂ、少なくとも１本のマトリックスを含浸した繊維束の
    横断テープを前記マンドレルへ供給して、該マンドレル
    上で巻き上げ、 ｃ、前記マンドレル上で巻き上げられた横断テープを圧
    縮・熱処理し、 ｄ、前記マンドレルを取り除く 各ステップを含む円筒状コンポジット部品の形成方法。 １３、請求項１２に、更に熱可塑性樹脂の群からマトリ
    ックスを選択し、マンドレル上で繊維束の層を加熱して
    それがマンドレル上で巻き上げられる間に繊維束の層を
    熱処理するステップを付加する方法。 １４、少なくとも３つのローラ手段、該ローラ手段を円
    筒状部品マンドレルの外周に所定の間隔で位置せしめて
    、マンドレルを固定位置に係合・支持する手段、前記ロ
    ーラ手段を回転させてマンドレルをその回転軸を中心に
    回転させる手段、及びマトリックスを含浸した繊維束の
    層を所定位置に支持し、前記マンドレルと前記ローラ手
    段との間に供給して前記マンドレルに巻きつける手段を
    具えた円筒状コンポジット部品の形成装置。 １５、請求項１４に、更に前記層が前記マンドレルに巻
    きつけられている間に、該層中のマトリックス材料を加
    熱する手段を付加した装置。 １６、請求項１４に、更に前記ローラ手段に圧力を加え
    る手段と、前記ローラ手段に対して加えられた圧力をそ
    の全長にわたって均一化するための手段とを付加した装
    置。 １７、前記ローラ位置決め手段が、前記ローラ手段の少
    なくとも一つの全長にわたって延在し且つこれから隔た
    った支持手段と、前記少なくとも一つのローラ手段の全
    長にわたって所定の間隔で設置され且つ前記支持手段に
    取付けられた複数のヨーク手段とを具え、該ヨーク手段
    の端部は前記少なくとも一つのローラ手段を部分的に囲
    繞して該ローラ手段を所定の位置に保持し、前記端部は
    前記少なくとも一つのローラ手段の回転を許容するよう
    に軸受手段を具えている請求項１４記載の装置。 １８、請求項１７に、更に前記ヨーク手段を通じて前記
    ローラ手段に圧力を加える手段と、前記ローラ手段に加
    えられた圧力をローラの全長にわたって均一化するため
    の手段とを付加した装置。 １９、円筒状の部品マンドレルをその回転軸を中心に回
    転自在に固定位置に支持する手段、マンドレル上に巻き
    上げるためにマトリックス含浸繊維束の層を所定位置に
    支持する搬送ベルト手段、及び該搬送ベルト手段が繊維
    束の層をマンドレル上に巻き上げるために搬送している
    間に、該搬送ベルト手段上に前記繊維束の層を形成する
    手段を具えた円筒状コンポジット部品の形成装置。 ２０、請求項１９に、更に前記層がマンドレルへ巻きつ
    けられている間に前記層内のマトリックスを加熱・熱処
    理するための手段を付加した装置。
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EP0276169A2 (en) 1988-07-27
US4938824A (en) 1990-07-03

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