(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばらの長尺補強繊維を分配する方法において、
補強繊維の連続長尺体を巻型の基端部（基端部は概ね円形の横断面を有する）に巻いて概ね円形のコイルを形成し、巻型は長さ方向軸線を有しており、
コイルを巻型の基端部から巻型の細長い部分まで軸方向に移動させ、この際、コイルの形状を概ね円形の形状から細長い形状に変化させるために概ね円形の横断面から細長い横断面まで徐々に変化する巻型の概ね滑らかな外面上でコイルを移動させ、
細長いコイルを切断してばらの長尺補強繊維を形成し、
ばらの長尺補強繊維を分配する、諸工程よりなることを特徴とするばらの長尺補強繊維を分配する方法。
【請求項２】
ばらの長尺補強繊維を分配する方法において、
補強繊維の連続長尺体を巻型の基端部（基端部は概ね円形の横断面を有する）に、この基端部と同じ周長の細長い横断面を有する巻型への巻き速度より少なくとも１０％大きい巻き速度で巻いて概ね円形のコイルを形成し、巻型は長さ方向軸線を有しており、
コイルを巻型の基端部から巻型の細長い部分まで移動させ、細長い部分は細長い横断面を有しており、コイルの形状を概ね円形の形状から細長い形状に変化させるために概ね円形の横断面から細長い横断面まで徐々に変化する巻型の概ね滑らかな外面上でコイルを移動させ、
細長いコイルを切断してばらの長尺補強繊維を形成し、
ばらの長尺補強繊維を互いに概ね平行に分配する、諸工程よりなることを特徴とするばらの長尺補強繊維を分配する方法。
【請求項３】
ばらの長尺補強繊維を分配する方法において、
補強繊維の連続長尺体を巻型の基端部（基端部は概ね円形の横断面を有する）に巻いて概ね円形のコイルを形成し、巻型は長さ方向軸線を有しており、
コイルを巻型の基端部から巻型の細長い部分まで移動させ、細長い部分は細長い横断面を有しており、コイルの形状を概ね円形の形状から細長い形状に変化させるために概ね円形の横断面から細長い横断面まで徐々に変化する巻型の概ね滑らかな外面上でコイルを移動させ、巻型は基端部と細長い部分との間で概ね一定の周長を有しており、
細長いコイルを切断してばらの長尺補強繊維を形成し、
ばらの長尺補強繊維を互いに概ね平行に分配する、諸工程よりなることを特徴とするばらの長尺補強繊維を分配する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は補強繊維を分配する方法に関し、詳細には、補強マット、補強予備成形体または他の種類の補強構造体を形成するためにばらの長さの補強繊維を分配する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
連続補強繊維をばらの長さの補強繊維へ切断する方法は様々な種類の補強構造体の製造に有用である。例えば、ばらの長さの補強繊維は混合繊維（例えば、熱可塑性繊維と混合された炭素繊維）製のマット、または繊維層から出来ている積層マットのような補強マットに使用することができる。
【０００３】
また、ばらの長さの補強繊維は補強予備成形体にも使用することができる。構造複合体または他の補強成形品は一般に樹脂トランスファー成形および構造樹脂射出成形により製造される。これらの成形方法は補強繊維を成形品の近似形状およびサイズである補強予備成形体へ予備成形し、次いで補強予備成形体をモールドに挿入することによってより効率的に行なわれてきた。工業レベルでの製造のために許容可能であるために、急速予備成形方法が必要とされる。予備成形体の製造では、補強糸または繊維よりなる連続長尺体を補強体ディスペンサー（またはチョッパー）に供給し、このディスペンサー（またはチョッパー）が連続繊維を切断して多くのばらの長さの繊維とし、これらのばらの長さの繊維を収集表面に付着させることが一般に実施されている。この方法は補強体ディスペンサーを収集表面の上方に設け、補強繊維を所定の所望パターンで付けるようにディスペンサーの移動をプログラミングすることによって自動化法で予備成形体を製造するのに使用することができる。補強体ディスペンサーをロボット化したり自動化したりすることができ、このような補強体ディスペンサーは例えば自動工業におけるように大きい構造部品用の予備成形体を製造するものとして使用する公知技術である。（混合繊維よりなるマットまたは積層マットを製造するための補強繊維のディスペンサーは移動可能およびプログラミング可能にしてもよい）。代表的には、付着繊維に粉末化バインダを振りかけ、この付着繊維を第２有孔モールドで圧縮する。高温空気および圧力でバインダを硬化して補強繊維の予備成形体を製造し（この予備成形体は貯蔵したりこれに樹脂を付ける最終成形顧客に輸送したりすることができる）、代表的には樹脂射出方法を使用して樹脂混入予備成形体を成形して補強製品を製造する。
【０００４】
補強構造体についての技術的要件が増すので、補強繊維を分配して載置する新規な方法が必要とされている。１つの要件は補強繊維を以前使用されていたものより速い速度で供給することである。他の要件は補強繊維を所定の配向で載置することである。移動可能且つプログラミング可能な補強体ディスペンサーを可能にする補強体技術の進歩の結果、非常に洗練された繊維パターンおよび配向が要求された。補強構造体は正確には補強すべき最も弱い或いは最も応力のかかる位置で構造体の強さを向上させるための補強繊維の特定の量および配向で設計することができる。この新規な洗練により、しばしば、繊維を間隔の蜜な平行配列で収集表面に載置することの必要性がある。
【０００５】
間隔の蜜な平行の繊維を供給する先の試みは特に商業的作動に必要な高速では首尾よくはなかった。代表的な補強体ディスペンサーを高速で作動すると、その結果得られたばらの長さの補強繊維は平行で間隔の蜜な配向で首尾よく載置することができない。繊維を収集表面と概ね直角な方向に収集表面に向けて差し向けるが、この手順は繊維を平行且つ間隔蜜にする傾向がない。更に、代表的なノズル型補強体ディスペンサーは補強繊維を案内して切断刃と係合させ、切断後、ばらの長さの繊維を分配するために空気流を使用し、それにより乱流を収集表面に導いて繊維の配向を乱す。
【０００６】
また、以前の特許は繊維を平行配向において高速で分配するのに首尾よくはない補強繊維分配方法を述べている。例えば、米国特許第４，１６９，３９７号（ベーリング）およびロシア特許第１，６９４，７２４号（ジトミルスキー）は連続長さの補強繊維を円形巻型に巻いて円形コイルを形成し、次いで円形コイルを切断してばらの長さの補強繊維とすることを開示している。その結果得られた繊維を平行配向の代わりに無秩序配向で分配する。
【０００７】
先の試みとは対照的に、出願中の米国特許出願第０８／４１９，６２１号（１９９５年４月１０日出願）は繊維を平行配向において高速で首尾よく分配する補強繊維分配方法を開示している。この開示方法では、連続長さの補強繊維を巻型に細長いコイル状に巻き、次いで細長いコイルを切断してばらの長さの補強繊維としている。その結果生じた繊維を平行な配向で分配する。
【０００８】
しかしながら、工業レベルでの製造がより効率的であり得るように、繊維をより急速に分配し得る、平行な配向で補強繊維を分配する改良方法の必要性がまだある。また、脆すぎたり弱すぎたりして先の方法で破断なしに分配することができないような異なる種類の繊維を使用することができるように、繊維に対して穏やかである補強繊維を分配する改良方法の必要性がある。
【０００９】
（発明の開示）
上記目的ならびに（特に列挙はしない）他の目的は、ばらの長さの補強繊維を分配する方法において、（a）連続長さの補強繊維を巻型の基端部（基端部は概ね円形の横断面を有する）に巻いて概ね円形のコイルを形成し、（ｂ）コイルを巻型の基端部から巻型の細長い部分まで軸方向に移動させ、細長い部分は細長い横断面を有しており、コイルの形状を概ね円形の形状から細長い形状に変化させるために概ね円形の横断面から細長い横断面まで徐々に変化する巻型の概ね滑らかな外面上でコイルを移動させ、（ｃ）細長いコイルを切断してばらの長さの補強繊維を形成し、（ｄ）ばらの長さの補強繊維を分配する、諸工程よりなることを特徴とするばらの長さの補強繊維を分配する方法により達成される。
【００１０】
本発明の種々の目的および利点は好適な実施例の下記詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１に示すように、ロボットアーム１２に取付けられた補強体ディスペンサー１０は予備成形体表面のような収集表面にばらの長さの補強繊維１４を付着するように位置決めされている。代表的には、収集表面はスクリーンである。補強体ディスペンサー１０はロボット化されたり自動化されたりしなくてもよく、またこれが不動であって、収集表面が移動可能であってもよい。予備成形体製造方法を容易にするために、通常、真空源（図示せず）がスクリーンの下方に位置決めされる。ロボットアームには、これを収集表面の任意部分に隣接して、或いはその上方に位置決めすることができるように液圧装置（図示せず）または他の同様な装置が設けられている。アームの移動は、補強繊維の所望のパターンが収集表面に載置されるように所定のパターンに従ってコンピュータ（図示せず）により制御することができる。
【００１２】
図２および図３を参照すると、補強体ディスペンサー１０の構造および作動がより詳細に示されている。補強体ディスペンサー１０は概ね円筒形の外側ハウジング１８を有している。ハウジング内には、ロータ２０のような回転部材が回転可能に設けられている。ロータは概ね円筒形の入力端部２２および概ね円筒形の出力端部２４を有している。ロータはその入力端部を取囲んでいるモータ２６のような任意の適当な手段により回転される。供給通路２８がロータの入力端部の中心を通って長さ方向に、次いでその出力端部の外面に沿って延びている。ロービングのような連続補強繊維３０または糸が図示しない源から供給され、ロボットアームを通って補強体ディスペンサー１０に移送される。連続補強繊維はロボットの内側の供給通路を通って供給され、次いでロボットの下流端部の出口穴３２を通って出ていく。
【００１３】
ロボットの下流には、巻型３４が設けられており、ロボット２０の回転作用により補強繊維３０がこの巻型３４に巻かれる。図４および図５に最も良く示すように、巻型３４は概ね円形の横断面を有する基端部３６を有している。連続補強繊維は巻型の概ね円形の基端部に巻かれて概ね円形のループまたはコイル３８を形成する。語「概ね円形の」は最も長い直径L対最も短い直径Sの比が２：１より小さいことを意味している。例えば、完全な円は１：１のL：S比を有する。図示の実施例では、巻型の基端部は約１．１：１のL：S比を有しており、基端部に巻かれたコイルは実質的に同じL：S比を有している。図６は、巻型の基端部３６'が２：１より小さい約１．６：１のL：S比を有してので、いくらか長円形であるが、それでも概ね円形である別の実施例を示している。好ましくは、巻型の基端部は約１．８：１より大きくない、より好ましくは約１．５：１より大きくない、より好ましくは約１．３：１より大きくないL：S比、最適には、約１：１のL：S比を有している。
【００１４】
好ましくは、巻型の基端部はそれへの連続補強繊維の穏やかな巻きを確保するために少なくとも約１５ｍｍの最小半径（最も短い直径Sの２分の１）を有する。
【００１５】
概ね円形巻き方法は連続補強繊維では出願中の米国特許出願第０８／４１９６２１号に記載の巻き方法よりも穏やかである。その方法では、連続補強繊維を２つの平行ロッドに巻いて細長いコイルを形成している。連続補強繊維を２つのロッドに巻く際に固有の速度または引張り変化が生じ、その結果、繊維の張力の変化が生じる。また、連続補強繊維を比較的小さい直径を有するロッドに巻く際には、連続補強繊維に曲げ応力が作用する。概ね円形の巻きは、連続補強繊維の張力の変化および曲げ応力を回避するので、穏やかである。
【００１６】
概ね円形の巻型への穏やかな巻きによれば、連続補強繊維を破断なしに巻型に巻く際に高い速度が可能であり、それにより高い出力およびより効率的な生産を許容する。好適な実施例では、概ね円形の巻型への巻きにより、同じ周長を有する細長い巻型への最大の巻き速度と比較して、少なくとも約１０％の巻き速度の増大が許容され、より好ましくは少なくとも約２０％の巻き速度の増大が許容される。
【００１７】
また、穏やかな巻きによれば、それ以外では脆すぎて或いは弱すぎて破断なしに巻くことができない連続補強繊維を使用することができる。例えば、グラファイト繊維のような炭素繊維が、軽量かつ高い強度であるので、補強繊維として使用するのに望ましい。しかしながら、炭素繊維は比較的脆く且つ破断を受け易い。概ね円形の巻きによれば、炭素繊維を実質的な破断なしに巻くことができる。本発明の一実施例では、概ね円形の巻きにより、約０．９％と約１．５％との間の範囲の破断伸びを有する炭素繊維を使用することができる。
【００１８】
もちろん、本発明はより弱い或いはより脆い連続補強繊維の使用に限定されない。一般に、連続補強繊維は補強目的に適した任意の繊維材料であることができる。１つの適当な材料はオーエンスコーニング社（トレド、オハイオ州）から入手可能で集合ガラス繊維ロービングであるが、本発明では、ポリエステルおよびKevlar（登録商標）のような他の鉱物繊維および有機繊維を使用することができる。連続繊維は単一フィラメント（モノフィラメント）または多数のフィラメントよりなる糸であってもよいことは理解すべきである。体表的には、ガラス繊維ロービングは約２２００から約４８００テックスまでのいずれかよりなる（テックスはフィラメント１０００ｍあたりの１グラムと定義する）。ロービングは通常、各々が約２５ないし約１００テックスである複数の糸を組合わせることによって形成される。概ね円形の巻型への穏やかな巻きによれば、いずれの種類の繊維でも、細長い巻型への巻きと比較して、破断率が低減される。
【００１９】
図２ないし図４に示すように、巻型３４はロータの回転軸線と共直線であるのがよい長さ方向軸線４０を有している。連続補強繊維のコイル３８が巻型の基端部３６のまわりに位置決めされると、コイルを巻型の外面４２に沿って下方に（図２における下方右側、図３において右側）移動させる。（例示のために、図２におけるコイル３８は誇張厚さを有して示されている）。コイルを巻型に対して軸方向に移動させるのに任意の手段を使用することができる。図示の実施例では、コイルを一対の螺旋ばね４４（図２には示していない）により移動させる。ばねは巻型の上面および下面４８、５０の溝４６に回転可能に設けられている。ばね４４は、ロータの回転がばねの回転を引き起こすように一連のギアを介してロータ２０に作動連結されている。ばねの回転により、各ばねの表面をコイルに係合させ、コイルを巻型に対して軸方向下流に押圧する。コイルは巻型に沿って移動するにつれて間隔が蜜になるが、互いに概ね平行である。ばねの上方には、一対のガイド５４が設けられている。これらのガイドは巻型の両側で一対の側片５８間に延びる一対の横片５６に設けられている。（簡単化のために、ガイドおよび横片５６は図３には示していない）巻型に対して軸方向にコイルを移動させる他の適当な手段としては、コンベヤまたはベルト、または巻型を振動させ且つコイルを下方に移動させるのに重力を使用する振動装置がある。
【００２０】
図４に示すように、巻型３４は基端部３６のところで概ね円筒形であるが、軸方向に形状を変えており、漸次平になり且つ広くなるように徐々にテーパになっている。基端部の反対側では、巻型は細長い線形縁部を備えた排出端部６０を有している。下記にように、ばらの長さの補強繊維は巻型の排出端部から分配される。
【００２１】
巻型３４は基端部３６と排出端部６０との間に細長い部分６２を有している。図示の実施例では、細長い部分は基端部と排出端部との間距離の半分のところに位置決めされている。コイル３８は基端部から細長い部分まで軸方向下流に移動される。図７および図８に示すように、巻型の細長い部分６２は細長い横断面を有している。語「細長い」は最も長い直径L対最も短い直径Sの比が少なくとも２：１であることを意味している。図示の実施例では、巻型の細長い部分は約２．１５：１のL：S比を有している。
【００２２】
コイルは基端部３６と細長い部分６２との間で巻型３４の外面４２上を軸方向下流に移動される。巻型の外面は概ね滑らかであり、コイルの形状が概ね円形形状から細長い形状に徐々に変化するように概ね円形の横断面から細長い横断面へと徐々に変化している。図８に示すように、細長いコイル３８はこれが巻かれた巻型の細長い部分６２と実質的に同じL：S比を有している。巻型の変化している形状により、コイルが巻型の概ね円形の基端部に穏やかに巻かれ、次いで、コイルの形状が切断工程（以下に説明する）前に所望の細長い形状に変化している。コイルの細長い横断面により、コイルがばらの長さに切断され、これらのばらの長さが互いに平行に移動されて分配される。これは、初めに概ね円形のコイルを巻き、次いで切断工程の前にコイルを細長い形状に変更することを提案していない先の特許とは対照的である。先の特許に開示されている方法は平行繊維の代わりに無秩序な繊維を分配する。
【００２３】
巻型３４は基端部３６と細長い部分６２との間に概ね一定な周長（巻型の周囲の距離）を有している。図５において、概ね円形の基端部３６における巻型の周長Pは点Zから巻型の周囲をまわって点Zに戻るまでの距離である。図８では、細長い部分６２における巻型の周長P'は点Z'から巻型の周囲をまわって点Z'に戻るまでの距離である。巻型が基端部３６と細長い部分６２との間で平らで幅広くなるにつれて、細長い部分６２のところの周長P'は基端部における周長Pと実質的に同じままである。巻型の概ね一定の周長は巻型上においてコイルを移動させ、且つばらの長さの繊維へコイルを切断するために重要である。巻型の周長が基端部と細長い部分との間で減少されていれば、コイルは下流に移動されるにつれて巻型上でたわみ、コイルを移動させたり、コイルを間隔の蜜な平行関係に保つのが困難である。コイルは下流に移動されるときに僅かに伸ばされる。また、コイルはこれをばらの長さの繊維に切断するためにカッター（以下に説明する）に係合するときに僅かに伸ばされる。巻型の周長が基端部と細長い部分との間で増大されていれば、コイルは下流に移動するにつれて巻型のまわりに過度にきつくなり、コイルの移動が損なわれる。基端部と細長い部分との間で概ね一定の周長を有するのに加えて、巻型は好ましくは細長い部分と排出端部との間で概ね一定の周長を有する。
【００２４】
細長いコイル３８は巻型３４に対して軸方向に移動されてカッターに係合する。図２、図３および図７に示すように、カッターは一対の回転ナイフ６４よりなる。カッターは各細長いコイルに１つまたはそれ以上の切り込みを形成してばらの長さの補強繊維１４を形成する。補強繊維の代表的な長さは約１５ないし約１００ｍｍの範囲内である。カッターは細長いコイルをばらの繊維長さに切断することが可能な種類のものであればよい。カッターの例としては、加熱装置およびレーザがある。図示の実施例では、ナイフ６４が巻型の両側で巻型３４の空洞６６の内側に回転可能に設けられている。ロータ２０により回転駆動されるウォームギア６８が回転ナイフに連結された対応ギアに係合してナイフの回転を引き起こす。ナイフは巻型の両側で巻型の外面のスロット７２を通って延びている。巻型の外側でバックアップロールまたはコトロール７４がナイフに隣接して位置決めされており、これらのロール７４はコイルをナイフを横切って単に引っ張るのではなく切断の確保するように各コイル３８をナイフ６４に鋭く押し入れるように作用する。カッターとともに使用されるコトロールは周知であり、任意の適当な材料製であることができる。図示のコトロールは補強体ディスペンサーの側片内で回転可能に設けられている。
【００２５】
２つのナイフ６４の使用してコイルを切断する方法によれば、図２、図３および図７に示すように、コイル３８の各々から２つのばらの繊維１４が生じる。変更例として、たった１つのナイフを使用して各コイルからたった１つのばらの繊維を生じることもできる（図示せず）。このような場合、切断後のばらの長さの繊維を広げ、概ね平行な配向に整合させるようになっている変更ガイドプレート（図示せず）のような繊維取扱い装置が補強体ディスペンサーに設けられるのが有利である。
【００２６】
好ましくは、連続補強繊維１０はカッターに係合する前に巻型３４に少なくとも５回巻かれる（すなわち、少なくとも５つのコイル３８を形成するように巻かれる）。連続補強繊維を切断する前に少なくとも５つのコイルを巻くことにより、繊維の滑りを防ぐ。
【００２７】
図１ないし図３に示すように、細長いコイル３８をナイフにより切断してばらの長さの補強繊維を形成した後、これらの繊維をばね４４により軸方向下流に移動させる。これらの繊維１４を巻型３４の上面４８および下面５９上で２つの流れで移動させる。上面および下面は巻型の胚珠端部６０まで繊維を移動させ易くするために滑らかであり、且つ平らになっている。ガイド５４は繊維を下流に移動させる際に巻型の上面および下面に隣接して繊維を保持する。巻型が排出端部のところの縁部までテーパであるので、繊維の２つの流れは排出端部のところで１点に集まり、合流して間隔の密な概ね平行な繊維の単一の流れになる。巻型の上面４８および下面５０はこれらが排出端部のところで繊維１４の長さとほぼ同じくら幅広いように排出端部６０の方向に幅広くなっている。この形状により、繊維が排出端部に接近するにつれて繊維をまっすぐ且つ平行に保つのを助ける。繊維は巻型の排出端部から分配される。繊維のばらの長尺体は概ね平行で蜜な間隔で収集表面１６に載置される。好ましくは、ばらの長さの繊維は巻型に対して軸方向に分配されるが、バッフルまたはエアジェットを使用してばらの長さの繊維を他の方向に分配することができる。ばらの長さの繊維は、これらがコイル３８を切断することによって形成されるので、分配されると、巻型の長さ方向軸線４９と概ね直角に配向され、収集表面と概ね平行になる。
【００２８】
任意だが、ばらの長さの補強繊維を分配する前に任意の適当な手段によりばらの長さの補強繊維に樹脂を混入することができる。この樹脂はポリエステル、エポキシまたはポリウレタン樹脂のような熱硬化性樹脂であることができる。樹脂はニリム（登録商標）樹脂などの熱可塑性樹脂でもよい。
【００２９】
本発明は予備成形体に使用するためのばらの長さの補強繊維を分配する方法として例示するが、本発明は混合繊維または積層繊維で作られたマットのような他の補強構造体の製造にも有用であることは理解すべきである。図面に示した補強体ディスペンサーはロータの回転作用により連続補強繊維が巻かれる不動巻型を有するが、変更設計（図示せず）では、巻型を回転することができ、ロータを不動にしてもよい。この構成は巻型に連続補強繊維を巻いてコイルにする同じ結果をもたらす。また、巻型およびロータの両方を回転可能にもうける、連続補強繊維を巻型にコイル状に巻くのに異なる速度で巻型およびロータを回転させることもできる。
【００３０】
本発明の作動の原理および態様をその好適な実施例で説明した。しかしながら、本発明はその範囲を逸脱することなしに詳細に例示して説明したもの以外にも実施し得ることは気づくべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明ロボットアームに取付けられ、本発明の方法によりばらの長さの補強繊維を収集表面に付着させる補強体ディスペンサーを示す斜視図である。
【図２】  図１の補強体ディスペンサーの斜視図である。
【図３】  図２の線３−３に沿った補強体ディスペンサーの横断面図である。
【図４】  図１の補強体ディスペンサーの巻型の斜視図である。
【図５】  巻型に巻かれた繊維コイルを示す図４の線５−５に沿った巻型の基端部の外面の横断面図である。
【図６】  巻型の別の実施例の基端部の外面の横断面図である。
【図７】  巻型の細長い部分を有する図２の線７−７に沿った補強体ディスペンサーの横断面図である。
【図８】  巻型に巻かれた繊維コイルを示す図７の巻型の細長い部分の外面の横断面図である。（簡単化のために、外面はこの図では外筒として示してある。）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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