JP2007210102A - 繊維強化複合材料成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維に樹脂を含浸し、前記樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置において、樹脂の含浸不足を検知することである。
【解決手段】本発明に係る繊維強化複合材料成形装置１０は、炭素繊維等の繊維に、エポキシ樹脂等の樹脂を含浸し、前記樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であり、樹脂含浸装置２２が、樹脂が付着した繊維３６を、所定の幅を有する間隙に通して樹脂の含浸量を調整する樹脂含浸量調整手段と、樹脂含浸量調整手段により除かれた余分な樹脂の樹脂量を計測する樹脂量計測手段とを有し、計測した樹脂量から樹脂の含浸不足を検知する。また、本発明に係る繊維強化複合材料成形装置１０は、流量計により、樹脂含浸量調整手段により除かれた余分な樹脂の樹脂量を計測する手段を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材料成形装置に係り、特に、繊維に樹脂を含浸し、前記樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置に関する。

圧縮水素ガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等を貯蔵する、例えば、車両用の高圧タンク等には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。このような繊維強化複合材料には、例えば、強化繊維としての炭素繊維等に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂等を含浸させて成形した繊維強化複合材料が用いられる。そして、繊維強化複合材料を成形するための繊維強化複合材料成形装置には、例えば、フィラメントワインディング（Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｗｉｎｄｉｎｇ：ＦＷ）装置等が使用される。フィラメントワインディング装置は、樹脂槽等に溜められた樹脂を含浸した繊維が、高圧タンクのライナ等に連続して巻き付けられることにより繊維強化複合材料を成形する装置である。

そして、特許文献１には、フィラメントワインディング成形における樹脂量調節装置において、（ａ）樹脂が含浸された繊維をガイドする隆起状ガイド板と、（ｂ）該隆起状ガイド板に一定間隔をおいて設けられる壁状拘束板と、（ｃ）該壁状拘束板の間に位置し、前記繊維が通過する空隙断面積を設定する押し付け部材を具備することを特徴とする樹脂量調節装置が示されている。そして、同文献には、樹脂を過剰に含浸した繊維が空隙断面積の調節が可能な空隙を通過することにより、目標とする値まで樹脂を過剰に含浸した繊維の樹脂量を低下させることができることが示されている。

特開平５−２８６０４３号公報

ここで、例えば、樹脂槽等の中に溜められている樹脂の不足等が生じると、繊維に目標よりも少ない樹脂量が含浸されることや、繊維に樹脂がほとんど含浸されないことがある。そして、このような樹脂含浸不足の繊維を上述したような空隙に通しても、樹脂が過剰に含浸されていないために樹脂量を調節することができない場合がある。そのような樹脂含浸不足の繊維が、上述したフィラメントワインディング装置等により高圧タンクのライナ等に連続して巻き付けられて繊維強化複合材料が成形されると、成形された繊維強化複合材料の中に樹脂が欠損する部位が生じて均質な繊維強化複合材料が成形されず、耐圧性能が部分的に満足できない部位が高圧タンクに生じる場合がある。

そこで、本発明の目的は、樹脂の含浸不足を検知することができる繊維強化複合材料成形装置を提供することである。

本発明に係る繊維強化複合材料成形装置は、繊維に樹脂を含浸し、前記樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であって、樹脂含浸装置は、樹脂が付着した繊維を、所定の幅を有する間隙に通して樹脂の含浸量を調整する樹脂含浸量調整手段と、樹脂含浸量調整手段により除かれた余分な樹脂の樹脂量を計測する樹脂量計測手段とを有し、計測した樹脂量から樹脂の含浸不足を検知することを特徴とする。

本発明に係る繊維強化複合材料成形装置は、樹脂量計測手段が、流量計により樹脂量を計測することを特徴とする。

上記繊維強化複合材料成形装置によれば、除かれた余分な樹脂の樹脂量を計測することにより樹脂の含浸不足を検知することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、繊維強化複合材料成形装置１０の構成を示す図である。

繊維供給装置１２は、繊維強化複合材料に用いられる繊維１４等を送り出す機能を有している。繊維供給装置１２には、例えば、クリールスタンド（Ｃｒｅｅｌ Ｓｔａｎｄ）等を用いることができる。繊維供給装置１２は、繊維１４を巻くための複数のボビン１６と、繊維１４に負荷する張力を調整するための複数の繊維張力調整装置１８とを有している。

繊維１４には、高強度繊維または高弾性繊維である炭素繊維等を使用することができる。そして、炭素繊維には、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ：ＰＡＮ）系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維等が用いられる。勿論、他の条件次第では、繊維１４には、ガラス繊維またはアラミド繊維等を用いることができる。また、繊維１４の形態には、フィラメント、ヤーン、テープ、編組品等の形態を用いることができる。勿論、他の条件次第では、繊維１４の形態は、これらに限定されることはない。

繊維張力測定装置２０は、繊維供給装置１２から送り出された繊維１４に負荷された張力を測定する機能を有している。繊維張力測定装置２０には、一般的に、繊維１４の張力測定に用いられている張力測定装置を使用することができる。

樹脂含浸装置２２は、繊維張力測定装置２０により張力が測定された繊維１４に樹脂を含浸する機能を有している。図２は、樹脂含浸装置２２の構成を示す模式図であり、図２（Ａ）は、樹脂含浸装置２２を上面から見た模式図であり、図２（Ｂ）は、樹脂含浸装置２２を側面から見た模式図である。

樹脂槽２４は、繊維１４に含浸するための樹脂を溜める機能を有しており、樹脂含浸装置２２に配置される。樹脂には、熱硬化性樹脂である、例えば、エポキシ樹脂等を用いることができる。勿論、他の条件次第では、熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂に限定されることはなく、フェノール樹脂等の他の熱硬化性樹脂を用いることができる。樹脂槽２４には、硬化剤や溶剤等を含有したエポキシ樹脂等が液体の状態で溜められる。そして、樹脂槽２４には、樹脂の粘度等を調整するために、樹脂を加熱して樹脂温度を調節する機能を有する図示されないヒータ等の加熱装置が配置される。また、樹脂槽２４には、樹脂槽２４の中に溜められた樹脂の温度を測定する機能を有する図示されない熱電対等の樹脂温度センサが配置される。

樹脂含浸用ローラ２６は、樹脂槽２４の中の樹脂をローラ表面に付着させた後、付着させた樹脂を繊維１４に転写させる機能を有している。そして、樹脂含浸用ローラ２６は、ローラの下部が樹脂槽２４の中の樹脂に浸漬するようにして樹脂含浸装置２２に配置される。また、樹脂含浸用ローラ２６は、ローラをモータ等により回転させて、第１テンションローラ２８と歯車型の第２テンションローラ３０とで押さえられた繊維１４に樹脂槽２４中の樹脂を転写して付着させるための回転軸３２を備えている。

ブレード３４は、樹脂含浸用ローラ２６におけるローラ表面に付着した樹脂量を調整する機能を有しており、樹脂含浸装置２２に配置される。ブレード３４は、繊維１４に転写して付着させる樹脂が略一定となるようにするために、ブレード３４の先端と樹脂含浸用ローラ２６におけるローラ表面との間が所定の幅を有するようにして配置される。ブレード３４は、一般的に、ステンレス等の金属材料等により作製することができる。勿論、他の条件次第では、ブレードのかわりにヘラ等を使用してもよい。

樹脂含浸量調整装置３８は、樹脂が付着した繊維３６を、所定の幅を有する間隙に通して樹脂の含浸量を調整する機能を有する樹脂含浸量調整手段であって、樹脂含浸装置２２に配置される。図３は、樹脂含浸量調整装置３８を示す模式図であり、図３（Ａ）は、樹脂含浸量調整装置３８を側面から見た断面模式図であり、図３（Ｂ）は、樹脂含浸量調整装置３８をＡ方向から見た模式図である。

樹脂含浸量調整装置３８は、樹脂が付着した繊維３６の挿入側に第１スリット３９と、引き出し側に第２スリット４０とを有している。更に、樹脂含浸量調整装置３８は、第１スリット３９と第２スリット４０との間に、樹脂の含浸量を調整するための複数のローラ等が配置される空間である樹脂含浸量調整室４１を有している。そして、第１スリット３９と樹脂含浸量調整室４１、第２スリット４０と樹脂含浸量調整室４１とは、樹脂が付着した繊維３６を通すために連結されている。

第１スリット３９は、樹脂が付着した繊維３６の両端部に付着した余分な樹脂を除去する機能を有している。そして、第１スリット３９の幅は、樹脂が付着した繊維３６が第１スリット３９を通過するとき、樹脂が付着した繊維３６の両端部に付着した余分な樹脂が除去できるように定められる。また、第１スリット３９は、樹脂が付着した繊維３６ごとに配置される。例えば、図３（Ｂ）に示すように、樹脂が付着した繊維３６が３本ある場合には、３個の第１スリット３９が配置される。第１スリット３９の先端部には、樹脂が付着した繊維３６が第１スリット３９へ挿入されるときの抵抗を軽減等するために、テーパを設けてもよい。第２スリット４０の幅と数量とについても、第１スリット３９と同様に定めることができる。勿論、他の条件次第では、第２スリット４０は、これに限定されることはない。

一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３は、樹脂が付着した繊維３６をローラの間に通して、樹脂が付着した繊維３６の厚み方向の樹脂量を調整する機能を有しており、樹脂含浸量調整室４１に配置される。そして、樹脂含浸量調整室４１には、例えば、図３（Ａ）に示すように、一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３を５組配置することができる。勿論、他の条件次第では、樹脂含浸量調整室４１に配置される一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の数は、５組に限定されることはない。

一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３において、一方の樹脂含浸量調整用ローラ４２と他方の樹脂含浸量調整用ローラ４３とは、所定の幅を有する間隙を設けて配置される。ここで、所定の幅は、一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間に樹脂が付着した繊維３６を通したときに、樹脂が付着した繊維３６の厚さ方向における余分な樹脂を除去できるように定められる。それにより、樹脂が付着した繊維３６が一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の所定の幅を有する間隙を通過するとき、樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３が各々回転し、樹脂が付着した繊維３６における厚み方向の余分な樹脂を取り除くことができる。

間隙制御用サーボシリンダ４４は、一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙の幅を調整する機能を有しており、樹脂含浸量調整装置３８に配置される。間隙制御用サーボシリンダ４４には、例えば、電動サーボシリンダ等を用いることができる。そして、間隙制御用サーボシリンダ４４のロッド４５は、図３（Ａ）に示すように、樹脂含浸量調整室４１と連結したロット挿入口から挿入され、樹脂含浸量調整用ローラ４２を支持している支持部材４６に取り付けられる。それにより、間隙制御用サーボシリンダ４４は、間隙制御用サーボシリンダ４４のロッド４５を上下させることにより支持部材４６を上下させて、一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙を調整することができる。例えば、一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙を小さくすることで樹脂含浸量を少なくし、一対の樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙を大きくすることで樹脂含浸量を多くすることができる。

樹脂排出口４７は、樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３により取り除かれた余分な樹脂４８を排出する機能を有しており、樹脂含浸量調整室４１に配置される。また、樹脂案内部４９は、樹脂排出口４７から排出された余分な樹脂４８を案内して排出し、排出された余分な樹脂４８を樹脂槽２４に回収する等の機能を有しており、樹脂含浸量調整装置３８に配置される。そして、樹脂案内部４９は、図３（Ｂ）に示すように、樹脂が付着した繊維３６ごとに配置される。

流量計５０は、樹脂含浸量調整装置３８により除かれた余分な樹脂４８の樹脂量を計測する機能を有する樹脂量計測手段であって、樹脂含浸装置２２に配置される。流量計５０には、図３（Ａ）または図３（Ｂ）に示すように、非接触式流量計を用いることができる。そして、非接触式流量計には、超音波流量計等を用いることができる。勿論、他の条件次第では、樹脂量計測手段には、非接触式距離センサ等を用いることもできる。流量計５０は、樹脂が付着した繊維３６ごとに配置される。そして、各々の流量計５０により、図３（Ａ）または図３（Ｂ）に示すように、樹脂含浸量調整装置３８の樹脂排出口４７から流れて排出されている余分な樹脂４８の樹脂量が、樹脂が付着した繊維３６ごとに計測される。

再び、図２に戻り、繊維案内部材５１は、樹脂含浸量調整装置３８から引き出されて、第２テンションローラ３０を介して送られた樹脂を含浸した繊維５２を案内する機能を有しており、樹脂含浸装置２２に配置される。繊維案内部材５１と繊維案内部材５１との間隔は、各々の樹脂を含浸した繊維５２が通過することができるように定められる。繊維案内部材５１は、一般的に、ステンレス等の金属材料等により作製することができる。

再び、図１に戻り、制御装置５４は、繊維張力測定装置２０と、樹脂槽２４に配置される樹脂温度センサと、樹脂含浸量調整装置３８に配置される間隙制御用サーボシリンダ４４と、樹脂含浸装置２２に配置される流量計５０等とにリード線とコネクタ等を用いて接続される。制御装置５４は、繊維張力測定装置２０から出力される繊維１４の張力データの電気信号を入力し、繊維１４の張力を制御することができる機能を有している。そして、制御装置５４は、樹脂槽２４に配置された樹脂温度センサから出力される樹脂温度データの電気信号を入力し、樹脂温度を制御することができる機能を有している。また、制御装置５４は、間隙制御用サーボシリンダ４４から出力される樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙データの電気信号を入力して、樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙を制御することができる機能を有している。

更に、制御装置５４は、流量計５０から出力される樹脂量データの電気信号を入力して、基準となる所定の樹脂量が排出されているか否かを検知することができる機能を有している。そして、制御装置５４は、流量計５０で計測された樹脂量と基準となる樹脂量とを比較して、流量計５０で計測された樹脂量が基準となる樹脂量よりも少ない場合には、異常信号を出力することができる機能を有している。そして、かかる制御装置５４は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成することができる。また、制御装置５４と接続されたデータロガ５６には、上述した繊維１４の張力データ、樹脂温度データ、樹脂含浸量調整用ローラ４２，４３の間の間隙データまたは樹脂量データ等が記憶される。

フィラメントワインディング装置６０は、樹脂含浸装置２２から送り出された樹脂を含浸した繊維５２を、巻回部材である型または心金であるマンドレル（Ｍａｎｄｒｅｌ）６２等に巻回して巻き付ける機能を有している。そして、フィラメントワインディング装置６０は、樹脂を含浸した繊維５２を、マンドレル６２等を回転させて巻き付けるための回転装置を備えている。また、フィラメントワインディング装置６０は、樹脂を含浸した繊維５２をマンドレル６２等の円周方向や軸方向に巻き付けることができ、例えば、マンドレル６２等の回転軸方向に対して略垂直に巻き付けるフープ巻き（Ｈｏｏｐ Ｗｉｎｄｉｎｇ）やマンドレル６２等の回転軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻き（Ｈｅｌｉｃａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）等により巻き付けることができる。例えば、繊維強化複合材料を用いて高圧タンクを製造する場合には、ポリアミド樹脂等により成形された樹脂ライナまたはアルミニウム等により成形された金属ライナ等に、フィラメントワインディング装置６０により、樹脂を含浸した繊維５２が巻き付けられる。

そして、上述したマンドレルまたはライナ等に巻き付けた樹脂を含浸した繊維５２を、図示されない樹脂硬化炉等で加熱することにより樹脂を硬化させて、繊維強化複合材料が成形される。

次に、上記構成における繊維強化複合材料成形装置１０の作用について説明する。繊維供給装置１２のボビン１６から、例えば、炭素繊維である繊維１４が繰り出される。ボビン１６から繰り出された繊維１４は、繊維張力調整装置１８により所定の張力に調整されて繊維供給装置１２から送り出される。

繊維供給装置１２から送り出された繊維１４は、繊維張力測定装置２０により繊維１４に負荷されている張力が測定される。ここで、繊維張力測定装置２０により測定された繊維１４の張力データは、繊維張力測定装置２０から制御装置５４へ出力され、データロガ５６に記憶されて保存される。また、繊維１４に、例えば、基準となる所定の張力が負荷されていない場合には、制御装置５４が、張力の異常を検知して異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置１０が停止する。

繊維張力測定装置２０を通過した繊維１４は、樹脂含浸装置２２に送り出される。樹脂含浸装置２２における樹脂槽２４の中には、例えば、エポキシ樹脂である液状の樹脂が溜められている。樹脂の温度は、熱電対等の樹脂温度センサにより測定される。そして、樹脂温度データは、樹脂温度センサからから制御装置５４へ出力され、データロガ５６に記憶されて保存される。また、樹脂温度が、例えば、設定された樹脂温度でない場合には、制御装置５４が樹脂温度の異常を検知して、異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置１０が停止する。

樹脂含浸用ローラ２６は、回転することにより樹脂槽２４に溜められた樹脂と接触し、ローラ表面に樹脂が付着する。そして、ブレード３４により余分な樹脂が除去されて、樹脂含浸用ローラ２６のローラ表面に付着した樹脂の樹脂量が調整される。第１テンションローラ２８と第２テンションローラ３０とにより押さえられた繊維１４は、樹脂が付着した樹脂含浸用ローラ２６と接触することにより、樹脂含浸用ローラ２６に付着した樹脂が転写されて付着する。

樹脂が付着した繊維３６は、樹脂含浸量調整装置３８における第１スリット３９を通過することにより、樹脂が付着した繊維３６の両端部に付着した余分な樹脂が除去される。そして、樹脂が付着した繊維３６は、間隙制御用サーボシリンダ４４により調整された樹脂含浸量制御用ローラ４２，４３の間における所定の幅を有する間隙を通ることにより、樹脂が付着した繊維３６の厚み方向における余分な樹脂が除去される。それにより、適正な樹脂量の樹脂が繊維１４に含浸され第２スリット４０から引き出される。

樹脂含浸量制御用ローラ４２，４３により除去された余分な樹脂４８は、樹脂含浸量調整装置３８の樹脂排出口４７から樹脂案内部４９に案内されて排出され、樹脂槽２４へ回収される。そして、排出された余分な樹脂４８の樹脂量は、流量計５０により計測される。流量計５０により計測された樹脂の樹脂量データは、流量計５０から制御装置５４へ出力され、データロガ５６に記憶されて保存される。

ここで、樹脂含浸用ローラ２６により転写されて繊維１４に付着した樹脂量が略一定であれば、略一定の余分な樹脂４８の樹脂量が排出される。そして、例えば、樹脂槽２４の中の樹脂が不足していた場合や、樹脂槽２４の中の樹脂が空の状態である場合には、樹脂含浸用ローラ２６により転写されて繊維１４に付着した樹脂量が、正常の場合より少なくなるので、排出される余分な樹脂４８の樹脂量も正常の場合より少なくなる。したがって、排出された余分な樹脂４８の樹脂量が、正常の場合における基準となる樹脂量よりも少ない場合には、繊維１４に適正な樹脂量の樹脂が含浸されていないと判断して、制御装置５４から異常信号等が出力される。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置１０が停止する。

樹脂を含浸した繊維５２は、第２テンションローラ３０を介した後、繊維案内部材５１に案内されて、フィラメントワインディング装置６０へ送り出される。樹脂を含浸した繊維５２は、フィラメントワインディング装置６０により、マンドレル６２または高圧タンクのライナ等にフープ巻き等により巻き付けられる。その後、マンドレル６２またはライナ等に巻き付けた樹脂を含浸した繊維５２を樹脂硬化炉で加熱することにより、樹脂を硬化させて繊維強化複合材料が成形される。

なお、上記構成における繊維強化複合材料成形装置では、樹脂含浸用ローラを用いて繊維に樹脂を転写させて付着させたが、他の条件次第では、樹脂槽の樹脂の中に繊維を浸漬させることにより、繊維に樹脂を付着させることもできる。

以上、上記構成における繊維強化複合材料成形装置によれば、樹脂含浸量調整装置により除かれた余分な樹脂の樹脂量を流量計等により計測することで、計測した樹脂量から繊維に対する樹脂の含浸不足を検知することができる。

また、上記構成における繊維強化複合材料成形装置によれば、樹脂含浸量調整装置により除かれた余分な樹脂の樹脂量を常時監視する等により、樹脂含浸不足の繊維がマンドレル等に巻き付けられる前に、樹脂の含浸不足を検知することができる。そして、含浸不足を検知した時点で、繊維強化複合材料成形装置を停止させる等により、樹脂含浸不足の繊維が巻き付けられるのを抑制することができる。したがって、上記繊維強化複合材料成形装置によれば、繊維に樹脂をより均一に含浸して繊維強化複合材料を成形することができる。

本発明における実施の形態である繊維強化複合材料成形装置１０の構成を示す模式図である。 本発明における実施の形態である樹脂含浸装置２２の構成を示す模式図である。 本発明における実施の形態である樹脂含浸量調整装置３８の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 繊維強化複合材料成形装置、１２ 繊維供給装置、１４ 繊維、１６ ボビン、１８ 繊維張力調整装置、２０ 繊維張力測定装置、２２ 樹脂含浸装置、２４ 樹脂槽、２６ 樹脂含浸用ローラ ２８ 第１テンションローラ、３０ 第２テンションローラ、３２ 回転軸、３４ ブレード、３６ 樹脂が付着した繊維、３８ 樹脂含浸量調整装置、３９ 第１スリット、４０ 第２スリット、４１ 樹脂含浸量調整室、４２，４３ 樹脂含浸量調整用ローラ、４４ 間隙制御用サーボシリンダ、４５ ロッド、４６ 支持部材、４７ 樹脂排出口、４９ 樹脂案内部、５０ 流量計、５１ 繊維案内部材、５２ 樹脂を含浸した繊維、５４ 制御装置、５６ データロガ、６０ フィラメントワインディング装置、６２ マンドレル。

Claims (2)

1. 繊維に樹脂を含浸し、前記樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であって、
   樹脂含浸装置は、
   樹脂が付着した繊維を、所定の幅を有する間隙に通して樹脂の含浸量を調整する樹脂含浸量調整手段と、
   樹脂含浸量調整手段により除かれた余分な樹脂の樹脂量を計測する樹脂量計測手段と、
   を有し、
   計測した樹脂量から樹脂の含浸不足を検知することを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
2. 請求項１に記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
   樹脂量計測手段は、流量計により樹脂量を計測することを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。

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