JP2008239939A - プリフォーム作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の異なった内部組織による層からなるプリフォーム製品の作製を可能とし、多品種小ロットのプリフォーム製品の作製に対して、極めて効率的に適用が可能なプリフォーム作製装置を提供すること。
【解決手段】マンドレルＭのまわりに強化繊維材を積層状に形成してプリフォームＰｆを作製するプリフォーム作製装置ＰＭであって、強化繊維材を一方向あるいは複数方向に配列させたシート状材Ｓをマンドレルの軸線に対して０度方向に挿入するシート状材挿入装置１と、前記マンドレルの軸線に対する組角度が±θ度の組糸Ｙ、Ｙと、軸線に対する角度が０度の中央糸ｙとを選択的に組み合わせて組織するブレイディング装置２と、前記マンドレルのまわりにワインド材Ｗを巻回しながら層を形成するワインディング装置３とを、それぞれユニットとしてライン状に配置してなることを特徴とするプリフォーム作製装置。
【選択図】図３

Description

この発明は、繊維強化プラスチック（fiber reinforced plastics : 以下、ＦＲＰという）のプリフォームを作製するための装置であって、特に、少量多品種の高強度部品あるいは各種構造部材などのためのプリフォームの作製に効率的に適用されるプリフォーム作製装置に関するものである。

周知のように、ＦＲＰは、炭素繊維あるいはガラス繊維などの繊維素材を種々のプラスチックのマトリックスでかためて成形した複合材料であり、軽量で且つ強度が高いという特性を有するＦＲＰ組成物構造材として開発され、多産業分野において利用されてきている。このＦＲＰ組成物は、炭素繊維あるいはガラス繊維などの繊維素材をマンドレルのまわりに配列してチューブ状のプリフォーム組織体として作製されている。

従来、このＦＲＰ製プリフォームの作製は、そのほとんどが手作業で行われている。一方、定型的なプリフォーム製品を作製するにあたっては、シートの手積層法、ワインディング法、ブレイディング法あるいは引き抜き成形法などのプリフォーム作製方法が知られており、使用される素材の形態にしても繊維形態であったり、あるいはシート状形態であったりとまちまちであり、それぞれ一長一短があり、ある限られたスペックで使われているにすぎなかった。

一方、ＦＲＰ製プリフォームの作製のため、機械化されたプリフォーム作製装置として、例えば、特許文献１に開示されているような装置が提案されてきている。しかしながら、この装置は、ブレイダー機を用いて、マンドレルのまわりにブレイディング層を形成し、予め設計されるある定まった組織のブレイド製品を多量に作製する装置として適合するものである。

これに対して、従来からＦＲＰ製プリフォームの作製においては、多品種小ロットの場合もある。

特許第３４１９３２５号公報（図３）

そこで、この発明は、特に重要な要素として、少量多品種の高強度部品あるいは各種構造材としてのＦＲＰ製プリフォーム製品を製造するにあたって、種々の異なった内部組織による層からなるプリフォーム製品の作製を可能とし、多品種小ロットのプリフォーム製品の作製に対して、極めて効率的に適用が可能なプリフォーム作製装置を提供することにある。

この発明は、上記する目的を達成するにあたって、具体的には、マンドレルのまわりに強化繊維材を積層状に形成してプリフォームを作製するプリフォーム作製装置であって、強化繊維材を一方向あるいは複数方向に配列させたシート状材Ｓをマンドレルの軸線に対して０度方向に挿入するシート状材挿入装置と、前記マンドレルの軸線に対する組角度が±θ度の組糸Ｙ、Ｙとマンドレルの軸線に対する角度が０度の中央糸ｙとを選択的に組み合わせて組織するブレイディング装置と、前記マンドレルのまわりにワインド材Ｗを巻回しながら層を形成するワインディング装置とを、それぞれユニットとしてライン状に配置してなることを特徴とするプリフォーム作製装置を構成するものである。

さらに、この発明において請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプリフォーム作製装置であって、ワインディング装置が、多数の糸条繊維を整列して前記マンドレルのまわりに供給するインラインワインディング装置を含むものからなることを特徴とするものである。

さらに、この発明において請求項３に記載の発明は、請求項１あるいは請求項２に記載のプリフォーム作製装置であって、作製するプリフォーム製品の仕様に応じて、前記各装置を適宜組み換え可能になしたことを特徴とするものである。

さらに、この発明において請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプリフォーム作製装置であって、前記各装置が、台車に搭載されており、レール手段を含む機体上に、該ユニットの配列方向に沿って移動し、位置決め可能な距離調整手段を含むものからなることを特徴とするものである。

さらに、この発明において請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のプリフォーム作製装置であって、前記各装置が、該装置の配列方向に交差する方向に沿って出し入れ可能であることを特徴とするものである。

この発明になるプリフォーム作製装置によれば、シート状材挿入装置、ブレイディング装置、ワインディング装置を、それぞれユニットとしてライン状に配置して構成したことにより、種々の異なった組織による層からなるプリフォーム製品を作製することができ、さらに、各ユニットを簡単に出し入れして組み換え可能にしたこと、および、各ユニットをその配列方向に沿って、移動し、位置決め可能にしたことにより、多品種小ロットのプリフォーム製品の作製に極めて効率的に適合するものであり、それらの点において極めて有効に作用する。

以下、この発明になるプリフォーム作製装置について、図面に示す具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明になるプリフォーム作製装置の全体的な構成の一例を示す概略的な側面図であり、図２は、その概略的な平面図であり、図３は、０度方向のシート状材挿入ユニットと、６０度方向のインラインワインダーユニットと、ブレイダーユニットとを組み合わせた構成例を示す概略的な斜視図であり、図４は、その概略的な側面図である。一方、図５は、この発明に適用される多連式ブレイダー装置の例を示す概略的な側断面図である。

まず、この発明になるプリフォーム作製装置ＰＭは、マンドレルのまわりに、例えば、炭素繊維などの強化繊維材を積層状に形成してプリフォームＰｆを作製するためのものである。このプリフォーム作製装置ＰＭは、基本的には、シート状材挿入装置１と、ブレイディング装置２と、ワインディング装置３とを含むものからなっている。上記する構成中、前記シート状材挿入装置１は、強化繊維材を一方向あるいは複数方向に配列させてシート状にしたシート状材Ｓを、マンドレルＭの軸線Ａｘに沿って０度方向に挿入し、該マンドレルＭのまわりに強化繊維材層を形成するものである。前記ブレイディング装置２は、前記マンドレルＭの軸線Ａｘに対する組角度が±θ度の組糸Ｙ、Ｙおよび軸線Ａｘに対する角度が０度の中央糸ｙとを選択的に組み合わせて、マンドレルＭのまわりにブレイディング層を組織するものである。前記ワインディング装置３は、前記マンドレルＭのまわりにワインド材Ｗを巻回しながら層を形成するものである。この発明では、前記シート状材挿入装置１と、ブレイディング装置２と、ワインディング装置３とを、それぞれユニットとしてライン状に配置したものからなっている。

前記プリフォーム作製装置ＰＭを構成するうちの前記シート状材挿入装置１は、例えば、図３に示すように、横断面矩形形状のマンドレルＭに対して、その四辺に長さ方向に沿って、強化繊維材を一方向に配列することによってシート状にしたシート状材Ｓ、あるいは複数方向に配列することによってシート状にしたシート状材Ｓをそれぞれ個別に積層して配列するためのものである。さらに、この発明において、異なる実施例として、前記シート状材Ｓは、所定の幅寸法にスリットしたものによって構成することもできる。図３に示す具体的な構成例によれば、前記シート状材挿入装置１は、マンドレルＭの上下面ａ、ｃの幅寸法にスリットされたシート状材Ｓａ、Ｓｃを巻き取った第１のパッケージＰａ、Ｐｃと、マンドレルＭの左右面ｂ、ｄの幅寸法にスリットされたシート状材Ｓｂ、Ｓｄを巻き取った第２のパッケージＰｂ、Ｐｄとを含むものからなっている。

例えば、前記マンドレルＭの各面ａ、ｂ、ｃ、ｄ上にシート状材Ｓを積層状に設ける場合には、各パッケージをそれぞれ平行に巻き出せるように複数個設けておけばよい。前記各パッケージから巻き出されたシート状材Ｓは、押さえローラ５によって、前記マンドレルＭの各面に押さえ付けられるようになっている。この押さえローラ５により前記マンドレルＭの各面にシート状材Ｓを積層していく場合、シート状材Ｓのもつタック性を利用してマンドレルＭが進行方向に押し出されると、自動的にシート状材Ｓが引き出されていくものであって、特に、シート状材Ｓを送り出す駆動源は必要とすることはなく、矢印Ｙ１に沿って送り出されていく。

前記プリフォーム作製装置ＰＭを構成するうちのブレイディング装置２は、例えば、図５に示すような構成のものからなっている。この図５に示すブレイディング装置２は、複数のブレイダーユニットにより構成される多連式のものである。この発明では、複数のブレイダーユニットのうちの少なくとも一つのブレイダーユニットにより構成することができ、複数のブレイダーユニットを組み合わせた構成のものであってもよい。

このブレイディング装置２は、前記マンドレルＭの軸線Ａｘに対する組角度が±θ度の組糸Ｙ、Ｙと、該マンドレルＭの軸線Ａｘに対する角度が０度の中央糸ｙとを選択的に組み合わせて組織するための装置である。このブレイディング装置２は、図５に示すように、マンドレル自動供給装置（図示せず）と、縦型の複数のブレイダーユニットＢＲと、振れ防止具Ｏｓと、プリフォーム自動取出し装置Ｐｕとを、図中右側から順番に直列に配置してある。前記ブレイダーユニットＢＲは、図５に示すように、マンドレルＭのまわりに組紐組物層６を形成するための一対の組糸Ｙ、Ｙおよび中央糸ｙを繰り出すものである。

前記ブレイダーユニットＢＲは、マンドレルＭが通過する中心孔２１ａを有し且つ中心孔２１ａの外側に形成した波形の環状軌道（図示せず）の２条を有する垂直な軌道面２１と、これら環状軌道に案内されて相互に逆方向へ走行する２群の多数のボビンキャリアー２２と、軌道面２１から立設したボビンスタンドと、軌道面２１の環状軌道に囲まれた中心から立設した複数本の中央糸供給用の筒体２３とを備えている。

前記ボビンキャリアー２２は、前記マンドレルＭの表面で組角度±θ°で斜め交差する組糸Ｙ、Ｙを繰り出すものであり、前記組糸Ｙを巻いた組糸用ボビンＢがセットされる。前記ボビンスタンドは、前記マンドレルＭの表面にマンドレルの長手方向に沿わせて中央糸ｙを繰り出すためのものであり、前記中央糸ｙを巻いた中央糸用ボビンｂｏがセットされる。

マンドレルＭは、図５中、右側のチャック（図示せず）で一定速度でおくられながら、表面に複数本の組糸Ｙ、Ｙが交差するように巻き付けられ、これに中央糸ｙが組み合わされ組紐組物層６が形成される。

前記振れ防止具Ｏｓは、相互に接近する方向へ押圧された振れ防止ローラ２７、２７の二組を備えている。この振れ防止具Ｏｓは、各組のローラ２７、２７でマンドレルＭの蛇行を防止するものである。前記プリフォーム自動取出し装置Ｐｕは、振れ防止具Ｏｓを出たマンドレルＭの先端を把持しつつ、マンドレルＭを前方へ引き出すためのチャック２８を備えている。

このブレイディング装置２によって組織される組紐組物層６は、マンドレルＭの軸線Ａｘに対する組角度が±θ°の組糸Ｙ、Ｙと、軸線Ａｘに対する角度が０°の中央糸ｙによって組織される。この組糸Ｙ、Ｙと中央糸ｙとは、図５に示すように、マンドレルＭのまわりに選択的に組み合わされ、マンドレルＭに沿って組物筒状プリフォームとして製織される。この発明において、好ましい実施例によれば、前記組糸Ｙ、Ｙおよび中央糸ｙの素材としては、炭素繊維などを主体とするＣＦＲＰ用繊維素材であることが有効である。

例えば、図５に示すような４連のブレイダーユニットＢＲにより組織される組紐組物層は、４層の組物層によって構成され、それらは、内側から第１層の組物層、第２層の組物層、第３層の組物層、第４層の組物層からなっている。前記第１層の組物層〜第４層の組物層に関して、組糸に対して中央糸を選択的に組織することができる。

さらに、この発明では、複数層の組物層における組糸４、４の組角度±θ°（ただし、組角度θ°は、０°＜θ°＜９０°）を選択的に変更することができ、比較的大きい組角度、例えば、θ＝±６０°の組糸Ｙ、Ｙによって組織し、軸線に対する角度が０°の中央糸ｙについて、比較的少ないか、あるいは全く用いずに組織することもできる。中央糸ｙのない構成になる組物層によれば、軸方向衝撃圧力を受けた際、拡がり防止作用を担う組物層を形成する。このような組物層は、組糸Ｙ、Ｙのみによって組織されるもので、軸線に対する角度が０°の中央糸を有しておらず、軸方向の弾性率が低く、破断歪の大きい層構造を形成する。一方、これに対して、軸線に対する組角度±θ°が比較的小さい、例えば、θ＝±１５°の組糸Ｙ、Ｙと、軸線に対する角度が０°の中央糸ｙとによって組織されるものは、軸方向衝撃圧力を受けた際に、軸方向の強度向上を担う組物層を形成するものである。このような組物層は、組糸Ｙ、Ｙ並びに軸線に対する角度が０°の中央糸ｙによって組織されるもので、軸方向の弾性率が高い層構造を形成する。

一般的に、ＦＲＰ組成物の積層構造体において、軸方向の弾性率を規定する要因は、前記組糸の組角度±θ°、前記中央糸の有無並びに前記組糸に対する前記中央糸の割合の選択的な組み合わせによって得られる。例えば、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸の組角度±θ°の設定によって調整されるものであり、組糸の組角度±θ°が小さい場合には高く、組糸の組角度±θ°が大きい場合には低い。また、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸に対して前記中央糸を組み込むか否か、要するに、前記中央糸の有無によって調整されるものであり、前記組糸に対して中央糸を組み入れた場合には高く、前記中央糸を有しない場合には低い。さらにまた、当該ＦＲＰ組成物の積層構造体における各組物層の軸方向弾性率は、前記組糸に対する前記中央糸の割合によって調整されるものであり、前記組糸に対する中央糸の割合が多い場合には高く、前記組糸に対する中央糸の割合が少ない場合には低い。

次に、前記プリフォーム作製装置ＰＭを構成するうちのワインディング装置３は、例えば、少数の糸条繊維Ｗを整列してマンドレルＭのまわりに供給するワインディング装置に対し、多数の糸条繊維Ｗを整列して前記マンドレルＭのまわりに供給するインラインワインディング装置４とを含むものからなっている。このワインディング装置３による糸条繊維Ｗは、前記マンドレルＭのまわりに螺旋状に巻回され、プリフォーム組織層を形成する。このワインディング装置３による糸条繊維Ｗの挿入角度は、前記マンドレルＭの軸線Ａｘに対して適宜変更することができる。前記ワインディング装置３では、帯状繊維を用いることもできる。

この発明になるプリフォーム作製装置ＰＭは、上記シート状材挿入装置１と、ブレイディング装置２と、ワインディング装置３とを、それぞれユニットとして構成したものからなっており、作製するプリフォーム製品の仕様に応じて、選択的組合せによりライン状に配置することによって構成されている。

前記プリフォーム作製装置ＰＭにおける各ユニットは、台車７に対して分離可能に搭載されている。前記各ユニットを個別に搭載する台車７は、機体８に設けてあるレール手段９上を走行するように構成されており、該ユニットの配列方向に沿って移動し、位置決め可能な距離調整手段１０を含むものからなっている。

前記各ユニットは、図２において矢印Ｙ２で示すように、該ユニットの配列方向に交差する方向に沿って出し入れ可能に構成しておくこともできる。この場合、前記機体８に設けてあるレール手段９に対して、台車７を残して、ユニットだけを出し入れするように構成したものであってもよい。

図１は、この発明になるプリフォーム作製装置の全体的な構成の一例を示す概略的な側面図である。 図２は、その概略的な平面図である。 図３は、０度方向のシート状材挿入ユニットと、６０度方向のインラインワインダーユニットと、ブレイダーユニットとを組み合わせた構成例を示す概略的な斜視図である。 図４は、その概略的な側面図である。 図５は、この発明に適用される多連式ブレイダー装置の例を示す概略的な側断面図である。

符号の説明

ＰＭ プリフォーム作製装置
Ｓ シート状材
Ｍ マンドレル
Ａｘ マンドレルの軸線
１ シート状材挿入装置
２ ブレイディング装置
３ ワインディング装置
４ インラインワインディング装置
５ 押さえローラ
６ 組紐組物層
７ 台車
８ 機体
９ レール手段
１０ 距離調整手段
Ｐｆ プリフォーム
Ｙ、Ｙ ±θ度の組糸
ｙ 中央糸
Ｗ ワインド材
Ｐａ、Ｐｃ 第１のパッケージ
Ｐｂ、Ｐｄ 第２のパッケージ
ＢＲ ブレイダーユニット
Ｏｓ 振れ防止具
Ｐｕ プリフォーム自動取出し装置
２１ 垂直な軌道面
２１ａ 中心孔
２２ ボビンキャリアー
２３ 中央糸供給用の筒体
Ｂ 組糸用ボビン
ｂｏ 中央糸用ボビン
２７ 振れ防止ローラ
２８ チャック

Claims (5)

1. マンドレルのまわりに強化繊維材を積層状に形成してプリフォームを作製するプリフォーム作製装置であって、強化繊維材を一方向あるいは複数方向に配列させたシート状材Ｓをマンドレルの軸線に対して０度方向に挿入するシート状材挿入装置と、前記マンドレルの軸線に対する組角度が±θ度の組糸Ｙ、Ｙとマンドレルの軸線に対する角度が０度の中央糸ｙとを選択的に組み合わせて組織するブレイディング装置と、前記マンドレルのまわりにワインド材Ｗを巻回しながら層を形成するワインディング装置とを、それぞれユニットとしてライン状に配置してなることを特徴とするプリフォーム作製装置。
2. 前記ワインディング装置が、多数の糸条繊維を整列して前記マンドレルのまわりに供給するインラインワインディング装置を含むものからなることを特徴とする請求項１に記載のプリフォーム作製装置。
3. 作製するプリフォーム製品の仕様に応じて、前記各装置を適宜組み換え可能になしたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のプリフォーム作製装置。
4. 前記各装置が、台車に搭載されており、レール手段を含む機体上に、該ユニットの配列方向に沿って移動し、位置決め可能な距離調整手段を含むものからなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプリフォーム作製装置。
5. 前記各装置が、該装置の配列方向に交差する方向に沿って出し入れ可能であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のプリフォーム作製装置。

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