JP2007030336A - 繊維強化プラスチックの積層成形方法及び積層成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱操作を要せず、製造上及びコスト上の負担が小さく、かつ硬化性状に優れた積層成形体が得られるようにした繊維強化プラスチックの積層成形方法及び積層成形装置を提供する。
【解決手段】 繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂をエネルギー線硬化樹脂とし、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置によりエネルギー線を照射し、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記エネルギー線硬化樹脂を硬化させながら上記テープを積層成形するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層成形方法及び積層成形装置に関する。

航空機やロケット等に使用されるカーボンファイバ等を使った繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製品は、手作業で積層成形するのが一般的である。手作業による成形では製造コストが嵩むので、製造コストの低減、大型製品の高能率成形等の見地から、ファイバプレイスメント（Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）法と呼ばれる自動積層成形方法（装置）が開発されている。

このような装置では、繊維強化プラスチックテープをガスヒータで加熱しながら加圧ローラによって押し付けて位置を制御しながら、型の表面に張り付けていって複雑な形状の成形品をつくって行く。テープの張り付けが終ると、オートクレーブで加圧しながらガスヒータにより加熱し、所望の繊維強化プラスチック製品を得る。

しかし、従来のファイバプレイスメント方法を実施する自動積層成形装置（ＡＦＰ装置）では、貼り合わせに加熱が必要であり、硬化には型全体をも含む加熱が必須で、加工プロセスに時間を要し、加えてハンドリング性に欠けていた。したがって、製造工程上及びコスト上の負担を軽減することが望まれていた。
特開２００４−６６５９３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、加熱操作を要せず、製造上及びコスト上の負担が小さく、かつ硬化性状に優れた積層成形体が得られるようにした積層成形方法及び積層成形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、積層成形方法であり、繊維強化プラスチックテープを、加圧ローラを備えた可動積層ヘッドによって連続的に型の表面に供給し、上記テープを積層成形するファイバプレイスメント法による積層成形方法において、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂をエネルギー線硬化樹脂とし、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置によりエネルギー線を照射し、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記エネルギー線硬化樹脂を硬化させながら上記テープを積層成形するようにしたことを特徴とする。なお、上記可変に要する時間は、好ましくは０．１秒以内、さらに好ましくは０．０１秒以内である。

ここで、上記エネルギー線照射装置の光源としてＬＥＤを用いることが好適である。また、上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の照射幅が、上記繊維強化プラスチックテープの幅±１０％以内であるように制御することが好適である。また、上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の電流値によって制御するようにすることが好適である。また、上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の光量を上記テープの貼り合わせ操作に合わせて制御することが好適である。また、上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射時間によって制御することが好適である。この際、上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射スリット幅によって制御することもできる。

また、本発明は別の側面で、繊維強化プラスチックの積層成形装置であり、繊維強化プラスチックテープを連続的に型の表面に供給するための可動積層ヘッドを備え、該可動積層ヘッドが上記テープを積層成形するための加圧ローラを備え、ファイバプレイスメント法による積層成形を実施する積層成形装置において、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置を備え、該エネルギー線照射装置によってエネルギー線を照射することが可能であり、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂を構成するエネルギー線硬化樹脂を硬化させながら積層成形するようにしたことを特徴とする。なお、上記可変に要する時間は、好ましくは０．１秒以内、さらに好ましくは０．０１秒以内である。

また、上記エネルギー線照射装置の光源としてＬＥＤを備えることが好適である。また上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の照射幅が、上記繊維強化プラスチックテープの幅±１０％以内であるように制御可能であることが好適である。
また、上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の光量を上記テープの貼り合わせ操作に合わせて制御可能とすることが好適である。また、上記エネルギー線の光量をエネルギー線の電流値によって制御することが好適である。また、上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射時間によって制御することが好適である。この際、上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射スリット幅によって制御することが好適である。

本発明によれば、加熱操作を要せず、製造上及びコスト上の負担が小さく、かつ硬化性状に優れた積層成形体が得られるようにした積層成形方法及び積層成形装置が提供される。

以下に、本発明に係る積層成形方法及び積層成形装置について、その実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。

図１は、本発明に係る積層成形装置を含む積層成形システムについて、その一実施の形態を説明する概念図である。本実施の形態は、繊維強化プラスチックテープとして、ＣＦ（カーボンファイバー）を強化繊維材とし、これにマトリックス樹脂としてＵＶ（紫外線）硬化樹脂を含浸させた素材（プリプレグ、トウプレグといわれるもの）を採用している。

本実施の形態に係る積層成形装置システムは、制御用プロセッサ（コンピュータ）１００、及び制御インターフェイス１０２を含む。制御用プロセッサ１００は、制御インターフェイス１０２を介して、加圧ローラ１０４を備えた可動積層ヘッド（図示せず）、及びエネルギー線照射装置１０６を制御することができるように構成されている。

さらに、エネルギー線照射装置１０６は、主な構成要素としてＬＥＤ電源装置１０８と、ＬＥＤモジュール１１０を備える。すなわち、紫外線ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として採用している。また、エネルギー線照射装置１０６は、少なくともＬＥＤモジュール１１０が可動積層ヘッドと連動可能であるように構成されている。ここで連動するとは、加圧ローラ１０４による繊維強化プラスチックテープの貼り合わせ操作に伴い、可動積層ヘッドに引き連れて、少なくとも移動して行くことをいう。
そして、積層成形装置システムには、さらに、速度センサ１１２、材料温度センサ１１４、及びＵＶ照度センサ１１６が、設けられている。
材料温度センサ１１４、及びＵＶ照度センサ１１６は、繊維強化プラスチックテープ１１８ａ、１１８ｂの貼り合わせ部位１１９の近傍に設置される。
加圧ローラ１０４を操作するための可動積層ヘッドの機械的構成は、従来のものを採用でき、ここではその説明を省略する。

図２は、上記ＬＥＤモジュール１１０の構成を説明するものである。本実施の形態に係るＬＥＤモジュール１１０では、３つのユニット１２０と、集光レンズ１２２とを遮光フェンス１２４で支持している。各々のユニット１２０は、正面から見て中央部分に２１の発光素子から成る発光部１２６を備えている［図２（ｂ）］。本実施の形態では、３つのユニット１２０は、２５ｍｍの幅をなし、ＬＥＤの発光面から焦点までは、約５０〜１００ｍｍ程度であり、焦点幅は約５〜１０ｍｍである。集光レンズ１２２は位置を前後に調整できるように構成されている。

本実施の形態では、従来の積層成形装置と同様に、可動積層ヘッドの加圧ローラ１０４によって、繊維強化プラスチックテープ１１８ａを押し付けて位置を制御しながら、型の表面に貼り付けて行く。なお、図では、繊維強化プラスチックテープ１１８ｂに貼り付けているが、最初のテープは、型に貼り付けられる。このような点で従来の積層成形装置（方法）と同様である。

本実施の形態では、このように貼り付け操作を実行する際、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂を構成するエネルギー線硬化樹脂を硬化させることにより貼り付け操作を実行する。そして、その際、貼り付け部位１１９にエネルギー線（紫外線）の照射を行なっている。これによって、繊維強化プラスチックテープのうち、貼り付け部位１１９の側にあるエネルギー線硬化樹脂の層のみが硬化する。したがって、図１でいうと、繊維強化プラスチックテープ１１８ａの未硬化層（上面）と、繊維強化プラスチックテープ１１８ｂの未硬化層（下面）とが、ほぼ未硬化のまま一体化し、強力に接着する。

一方、ＬＥＤモジュール１１０によって照射される紫外線の、照射される部位の任意の照度への可変に要する時間は、１秒以内である。なお、この時間は、好ましくは０．１秒以内、さらに好ましくは０．０１秒以内である。

発光量は、制御インターフェイス１０２を経た制御用プロセッサ１００からの、ＬＥＤ電源装置１０８に対する電流指示によって維持される。なお、可動積層ヘッドの動きも制御用プロセッサ１００によって制御されるので、加圧ローラ１０４の移動速度に合わせて発光量が維持される。

例えば、加圧ローラ１０４がある曲率を持った型面を移動する状態を、速度１０センサ１１２が検知すると、その情報が制御インターフェイス１０２を介して制御用プロセッサ１００に伝達される。そうするとその曲率に合わせて、ＬＥＤ電源装置１０８からの電流が変化するようにして材料の貼り合わせに必要な光量を一定に保つ。

また、本実施の形態では、繊維強化プラスチックテープを硬化前の巻き取り状態で冷却保持し、貼り合わせ部位１１９ないしはその直前で加熱するといったことも可能である。これによって、エネルギー線硬化樹脂の粘度を調整して、その滲み出しといったことを防ぐこともできる。材料温度センサ１１４では、貼りあわせ部位１１９等での材料の温度を検知し、そのような冷却・加熱装置を適切に制御することを可能にする。

また、ＵＶ照度センサ１１６からの情報により、貼りあわせ部位１１９での照射量が適切であるかを、制御インターフェイス１０２を介して監視することができ、ＬＥＤモジュール１１０からの発光量を適切に維持することができる。なおまた、貼り合わせ部位１１９における上記エネルギー線の照射幅が、繊維強化プラスチックテープの幅±１０％以内をカバーするようにする。

なお、本実施の形態による積層成形方法による場合はもとより、本発明では、貼り合わせの完了した積層成形体をすみやかに脱型することができる。脱型した状態で加熱によるアフターキュアリングを行なうこともできる。このキュアリングでは、型を伴っておらず、従来の型を伴う加熱に比してはるかにハンドリング性がよい。

本実施の形態では、紫外線ＬＥＤを用いたＬＥＤモジュールを採用しており、ＵＶランプを採用することに比べ、応答特性がよくリアルタイムに発光量を最適に維持することができる。したがって、安定した貼り付け操作を実行することができ、積層成形体の品質が安定する。かつ、従来のような加熱操作による積層成形方法（装置）に比べ、加熱操作を要せず、製造上及びコスト上の負担が小さくて済む。
なお、エネルギー線照射装置で用いる光源としては、本発明の目的に沿う限り、ランプとしては、水銀ランプ、メタルハライドランプ、無電極ランプ（例えばフュージョンＵＶランプ）、ＬＥＤ等を利用することもできる。
また、貼り合わせ部位への近接した照射を行うため、ガラスファーバーを用いてＵＶを貼り合わせ面の近接部まで導光することも可能である。
本発明では、光源からの光をより有効に利用するため、集光することが好ましい。集光の方法としては、図１の実施の形態のようなレンズ集光によるものの他、凹面鏡、反射板、集光板等の種々の集光方法を単独、又は組み合わせて利用することが可能である。

本実施の形態で、繊維強化プラスチックテープで採用される強化繊維の材質としＣＦとしたが、特に限定されるものはなく、例えば、ガラス繊維（ＧＦ）、アラミド繊維等を採用することもできる。ただし、ＣＦ（炭素繊維）は、遮光性が高く、本発明で、未硬化層を残す観点からすると有利である。なお、レジンコンテントは、３０ｗｔ％〜５５ｗｔ％が好適であり、さらには３５ｗｔ％〜４０ｗｔ％が好適である。

繊維強化プラスチックテープで採用されるエネルギー線硬化樹脂としては、紫外線（ＵＶ）硬化樹脂に限らず、他のエネルギー線硬化樹脂でもよい。
ＵＶ硬化樹脂としては、ラジカル重合性樹脂組成物、カチオン重合性樹脂組成物又はこれらの混合樹脂組成物を採用することができる。

さらに、連鎖硬化型の樹脂組成物も採用することができる。「連鎖硬化型の樹脂組成物」とは、ＵＶ（紫外線）等のエネルギー線により硬化を開始し、硬化の際、自己の硬化反応熱をも利用した連鎖硬化を伴って硬化する樹脂組成物である。
すなわち、連鎖硬化型の樹脂組成物では、エネルギー線をいったん照射すると、照射された部位で硬化が起こり、次にこの硬化発熱により連鎖硬化に移行する。これによって、エネルギー線の到達の有無や遮蔽物等に無関係に硬化が可能であるため、エネルギー線の届かない深部にまで、すみやかに硬化をする挙動を示す。例えば、板厚１ｃｍのＣＦＲＰを３分で硬化可能である。

このような連鎖硬化型の樹脂組成物としては、特開平１１−１９３３２２号公報に記載されたカチオン系光・熱重合開始剤系成分と、カチオン系光重合開始剤との重量比を特定割合で含む樹脂組成物を採用することができる。この樹脂組成物は、例えば、板厚１ｃｍのＣＦＲＰを３分で硬化可能である。
このような連鎖硬化型の樹脂組成物を用いても、ＣＦのＶｆ（体積含有率）が４１％以上となると、繊維強化プラスチックテープ・プレプリグの片面に紫外線を照射しても、裏面までは、硬化しないように設定することができる。
このような連鎖硬化型の樹脂組成物を採用すれば、カチオン系光・熱重合開始剤系成分の存在により、前記したアフターキュアが短時間で済むという利点がある。
なお、エネルギー線硬化樹脂に増感剤、増殖剤を転嫁することもできる。
また、本発明では、貼り付け部位への導光の手段としてガラスファイバーによるものも採用できる。

また、エネルギー線照射装置での光量は、照射時間の制御の他、照射スリット幅の制御によっても実行することができる。
上記実施の形態について説明したように、繊維強化プラスチックテープを冷却保持し、貼り付け部位で加熱することができる。

また、他の実施の形態として、強化材繊維を含浸せずに保持し、エネルギー線の照射直前にエネルギー線硬化樹脂に浸漬し、温度調整を行なうようにすることも可能である。また、この際スプレーによりエネルギー線硬化樹脂を噴霧することも可能である。
繊維強化プラスチックテープの加熱方法としては、ＣＦを強化繊維とする場合には、このＣＦに通電して行なうことも可能である。この際、一部ニクロム線を採用しての加熱も可能である。

本発明に係る積層成形方法によって得られる積層成形体は、航空機、ロケットなどの翼、胴体等の曲面を持つ製品に適用することができる。

図１は、本発明に係る積層成形方法及び装置を適用した積層成形システムの一実施の形態を説明する概念図である。 図１の実施の形態で採用するＬＥＤモジュールを説明する概念図である。

符号の説明

１００ 制御用プロセッサ
１０２ 制御インターフェイス
１０４ 加圧ローラ
１０６ エネルギー線照射装置
１０８ ＬＥＤ電源装置
１１０ ＬＥＤモジュール
１１２ 速度センサ
１１４ 材料温度センサ
１１６ ＵＶ照度センサ
１１８ａ 繊維強化プラスチックテープ
１１８ｂ 繊維強化プラスチックテープ
１２０ ユニット
１２２ 集光レンズ
１２４ 遮光フェンス
１２６ 発光部

Claims (14)

1. 繊維強化プラスチックテープを、加圧ローラを備えた可動積層ヘッドによって連続的に型の表面に供給し、上記テープを積層成形するファイバプレイスメント法による積層成形方法において、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂をエネルギー線硬化樹脂とし、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置によりエネルギー線を照射し、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記エネルギー線硬化樹脂を硬化させながら上記テープを積層成形するようにしたことを特徴とする繊維強化プラスチックの積層成形方法。
2. 繊維強化プラスチックテープを、加圧ローラを備えた可動積層ヘッドによって連続的に型の表面に供給し、上記テープを積層成形するファイバプレイスメント法による積層成形方法において、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂をエネルギー線硬化樹脂とし、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置によりエネルギー線を照射し、該エネルギー線照射装置の光源としてＬＥＤを用い、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記エネルギー線硬化樹脂を硬化させながら上記テープを積層成形するようにしたことを特徴とする繊維強化プラスチックの積層成形方法。
3. 上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の照射幅が、上記繊維強化プラスチックテープの幅±１０％以内であるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載された繊維強化プラスチックの積層成形方法。
4. 上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の光量を、上記テープの貼り合わせ操作に合わせて制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形方法。
5. 上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の電流値によって制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜４に記載のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形方法。
6. 上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射時間によって制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形方法。
7. 上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射スリット幅によって制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形方法。
8. 繊維強化プラスチックテープを連続的に型の表面に供給するための可動積層ヘッドを備え、該可動積層ヘッドが上記テープを積層成形するための加圧ローラを備え、ファイバプレイスメント法による積層成形を実施する積層成形装置において、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置を備え、該エネルギー線照射装置によってエネルギー線を照射することが可能であり、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂を構成するエネルギー線硬化樹脂を硬化させながら積層成形するようにしたことを特徴とする繊維強化プラスチックの積層成形装置。
9. 繊維強化プラスチックテープを連続的に型の表面に供給するための可動積層ヘッドを備え、該可動積層ヘッドが上記テープを積層成形するための加圧ローラを備え、ファイバプレイスメント法による積層成形を実施する積層成形装置において、上記可動積層ヘッドと連動するエネルギー線照射装置を備え、該エネルギー線照射装置によってエネルギー線を照射することが可能であり、該エネルギー線照射装置の光源としてＬＥＤを備え、エネルギー線を照射される部位の任意の照度への可変に要する時間が１秒以内であり、上記繊維強化プラスチックテープのマトリックス樹脂を構成するエネルギー線硬化樹脂を硬化させながら積層成形するようにしたことを特徴とする繊維強化プラスチックの積層成形装置。
10. 上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の照射幅が、上記繊維強化プラスチックテープの幅±１０％以内であるように制御可能であることを特徴とする請求項８又は９に記載された繊維強化プラスチックの積層成形装置。
11. 上記貼り合わせ部位における上記エネルギー線の光量を上記テープの貼り合わせ操作に合わせて制御可能であることを特徴とする請求項８〜９のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形装置。
12. 上記エネルギー線の光量をエネルギー線の電流値によって制御するようにしたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかにに記載された繊維強化プラスチックの積層成形装置
13. 上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射時間によって制御することを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形装置。
14. 上記エネルギー線の光量を、エネルギー線の照射スリット幅によって制御することを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載された繊維強化プラスチックの積層成形装置。

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