JP2009034941A - Ｆｒｐ成形体の製造方法及び製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】繊維の張力を低減したり、樹脂の粘度を高めることなく、高Ｖｆ化を抑制できるＦＲＰ成形体の製造方法及び製造システムを提供する。
【解決手段】ＦＲＰ成形体の製造方法は、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、熱硬化性の樹脂を繊維に含浸させる工程（ａ）と、中空の回転部材の内部を減圧しながら、樹脂を含浸した繊維を回転部材の周囲に巻き付けることにより、樹脂含浸繊維層を形成する工程（ｂ）とを備える。また、ＦＲＰ成形体の製造システムは、熱硬化性の樹脂を繊維に含浸させる樹脂含浸部３０と、回転部材としてのライナ５０を回転駆動する回転駆動部５３と、樹脂を含浸した繊維を回転部材の方向に導くことにより、回転部材の周囲に繊維を巻き付ける繊維束ガイド４０と、回転部材の内部を減圧する真空ポンプ６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）成形体を製造する方法及びシステムに関する。

近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度の確保や軽量化等の観点から、ＦＲＰ製のガスタンクが有力視されている。

ＦＲＰ製のガスタンクは、一般に、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、未硬化（液体状又はゲル状）の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維（例えば、炭素繊維）を、回転するライナ（内容器）の周囲に数層から数十層巻きつけることにより樹脂含浸繊維層を形成し、この層を加熱することにより樹脂を熱硬化させる。それにより、繊維及び熱硬化樹脂からなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層が形成される。

関連する技術として、特許文献１には、内殻の外面を覆うＦＲＰ補強層の巻付工程や熱処理工程において、内殻の内部を加圧状態とする耐圧容器の製造方法が開示されている。また、特許文献２には、内殻をその内側から治具によって支持しつつ内殻の外周壁に補強繊維を巻き付けるＦＲＰ製耐圧容器の製造方法が開示されている。
特開２０００−１８６７９９号公報 特開平１１−１４７２６２号公報

ところで、ＦＷ法によって作製されたＦＲＰ成形体においては、ＦＲＰ層の内で比較的外表面に近い側（以下、「外層」という）に比べて、内側、即ちライナに近い側（以下、「内層」という）の繊維体積含有率（fiber volume content：Ｖｆ）が高くなる傾向がある。ここで、繊維体積含有率とは、ＦＲＰ層の単位体積に占める繊維の割合のことである。以下において、繊維体積含有率が高くなる現象のことを「高Ｖｆ化」ともいう。

高Ｖｆ化の主な原因としては、樹脂含浸繊維のライナへ巻き付けが進み、積層量が増加するに従って、樹脂含浸繊維にかかる張力による巻き締め効果により、繊維に含浸させた樹脂が染み出してしまうことが挙げられる。また、ＦＷ工程（樹脂含浸繊維の巻き付け工程）の間に受ける遠心力により、樹脂がライナの外側に向かって染み出し易くなる。さらに、樹脂含浸繊維をライナに巻き付ける際には、繊維の張力によってライナが内側に凹むのを避けるために、ライナの内部を加圧するので、内側から外側に向けて、より樹脂が染み出し易くなる。

繊維からの樹脂の染み出しを抑制するために、例えば、樹脂含浸繊維の張力を小さくすると、タンクの強度は低下してしまう。或いは、樹脂の粘度を高くしても、樹脂が繊維に染み込み難くなるので、やはりタンクの強度がかえって低下してしまう。そのため、樹脂含浸繊維を巻いている途中での樹脂の染み出しを抑制することは困難であり、現状では、樹脂含浸繊維の張力を設定することにより、Ｖｆも成り行きで決まってしまう。

このような内層の高Ｖｆ化は、ガスタンクの使用圧力が高圧になるほど顕著となる。ガスタンクに強度を付与するために、樹脂含浸繊維を巻く層数を増やして、繊維強化プラスチック層を厚くする必要があるからである。しかしながら、ガスタンクにおいては内層に最も大きな応力がかかるため、内層のＶｆが高過ぎると疲労耐久性能が大幅に低下し、内層に亀裂が生じてしまうおそれがある。そのため、内層の高Ｖｆ化を抑制し、適切なＶｆを得られるＦＲＰ成形体の製造方法が望まれている。
しかしながら、特許文献１及び２には、ＦＲＰ層の高Ｖｆ化の問題については一切記載されていない。

そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、繊維の張力を低減したり、樹脂の粘度を高めることなく、高Ｖｆ化を抑制できるＦＲＰ成形体の製造方法及び製造システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、熱硬化性の樹脂を繊維に含浸させる工程（ａ）と、中空の回転部材の内部を減圧しながら、前記樹脂を含浸した繊維を前記回転部材の周囲に巻き付けることにより、樹脂含浸繊維層を形成する工程（ｂ）とを備える。
かかる構成とすることにより、回転部材の内部圧力が外部圧力よりも小さくなるので、この圧力差により、樹脂含浸繊維層における繊維からの樹脂の染み出しが抑制される。

ここで、工程（ｂ）において、前記回転部材の外部を加圧しながら前記回転部材の内部を減圧することにより、回転部材の内部と外部との間の圧力差が大きくなるので、繊維からの樹脂の染み出しがさらに抑制される。

また、工程（ｂ）においては、前記回転部材の収縮を抑制しながら、前記回転部材の内部を減圧することが望ましい。例えば、前記回転部材の内部を支持体によって支持しても良い。それにより、回転部材の内部と外部との圧力差や繊維の張力等による回転部材の変形を抑制することができる。

前記ＦＲＰ成形体の製造方法は、前記樹脂含浸繊維層を加熱することにより、前記樹脂含浸繊維層を熱硬化させる工程をさらに備えても良い。

さらに、熱硬化した前記樹脂含浸繊維層内から回転部材を取り出しても良く、この場合には、ライナレスのＦＲＰ成形体を作製することができる。

本発明の１つの観点に係るＦＲＰ成形体の製造システムは、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造するシステムであって、熱硬化性の樹脂を繊維に含浸させる樹脂含浸部と、回転部材を回転駆動する回転駆動部と、前記樹脂を含浸した繊維を前記回転部材の方向に導くことにより、前記回転部材の周囲に前記繊維を巻き付ける繊維ガイドと、前記回転部材の内部を減圧するポンプとを備える。
このように、ポンプを用いて回転部材の内部圧力を外部圧力よりも小さくするので、この圧力差により、回転部材の周囲に巻き付けられた繊維からの樹脂の染み出しが抑制される。

前記ＦＲＰ成形体の製造システムは、前記回転部材が配置されるチャンバと、前記チャンバ内を加圧する第２のポンプとをさらに備えても良い。それにより、回転部材の内部と外部との間の圧力差がさらに大きくなるので、繊維からの樹脂の染み出しがさらに抑制される。

また、前記ＦＲＰ成形体の製造システムは、前記回転部材を内部から支持する支持体をさらに備えても良い。それにより、回転部材の内部と外部との圧力差や繊維の張力による回転部材の変形を抑制することができる。この支持体は、折り畳み可能又は伸縮可能な構造を有することが望ましく、それにより、回転部材の内部から支持体を容易に取り出すことができる。

或いは、前記回転部材として、折り畳み可能又は伸縮可能な構造を有する回転部材を用いても良く、この場合には、回転部材の周囲に直接樹脂含浸繊維層を形成し、樹脂の熱硬化後に回転部材を取り出すことにより、ライナレスのＦＲＰ成形体を作製することができる。

本発明によれば、回転部材の内部圧力を外部圧力よりも小さくした状態で、回転部材の周囲に繊維を巻き付けるので、回転部材の内外の圧力差により、繊維からの樹脂の染み出しを抑えることができる。それにより、繊維の張力を低減したり、樹脂の粘度を高めることなく、ＦＲＰ層における高Ｖｆ化を抑制できるので、強度や耐久性の高いＦＲＰ成形体を作製することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法及びシステムについて説明する。図１に示すＦＲＰ成形体の製造システムは、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法により中空の回転部材（ワーク）の周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を形成するシステムであり、繊維束供給部１０と、張力測定器２０と、樹脂含浸部３０と、繊維束ガイド（アイロ）４０と、ワークとしてのライナ５０を回転駆動する回転駆動部５３と、真空ポンプ６０とを備えている。

繊維束供給部１０には、繊維束ｆ１〜ｆ３が巻き付けられた複数（図１においては３つ）のボビン１１ａ〜１１ｃが備えられている。繊維束ｆ１〜ｆ３としては、カーボン繊維や金属繊維等の導電性を有する繊維が用いられ、本実施形態においては、カーボン繊維の無撚りのマルチフィラメントを用いている。なお、マルチフィラメントは、フィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。
繊維束供給部１０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を調整して張力測定器２０に送り出す。張力測定器２０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を測定し、その測定結果を繊維束供給部１０にフィードバックする。

樹脂含浸部３０は、未硬化の状態（液体又はゲル状）の熱硬化性の樹脂が貯留された樹脂槽３１と、繊維束ｆ１〜ｆ３を樹脂槽３１の所定の位置に案内する含浸ローラ３２〜３４とを備えており、繊維束ｆ１〜ｆ３に樹脂槽３１内の樹脂を含浸させる。熱硬化性の樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。

繊維束ガイド４０は、樹脂を含浸した繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これをワーク（図１においては、ライナ５０）に案内する。繊維束ガイド４０は、ワークの長手方向及びそれに垂直な方向に往復可能であり、且つ、ワークに対する角度を変更できるように回転可能な状態で設置されている。

ワークは、例えば、円筒等の回転体形状の型（マンドレル）やタンクを製造する場合の内容器（ライナ）等であり、金属や、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂によって形成されている。図１においては、ワークとして、口金５１が取り付けられた高圧ガスタンクのライナ５０を設置している。

ライナ５０は、その軸心を中心に回転可能となるように、支持部５４を介して回転駆動部５３に取り付けられている。回転駆動部５３は可変速モータを有しており、このモータによってライナ５０を回転駆動する。このようなライナ５０の回転運動と繊維束ガイド４０の往復運動とを同期させることにより、繊維束Ｆがライナ５０に所定のパターンで巻き付けられる。それにより、ライナ５０の周囲に樹脂含浸繊維層５２が形成される。繊維束Ｆの巻き方（パターン）については特に限定されず、例えば、フープ巻きやヘリカル巻きや、それらを組み合わせた巻き方であっても良い。
真空ポンプ６０は、ライナ５０に取り付けられており、ライナ５０の内部を排気する。

このＦＲＰ成形体の製造システムにおいては、ライナ５０の内部を真空ポンプ６０によって排気することにより、ライナ内部をライナ外部（大気圧）よりも減圧した状態で、繊維束Ｆをライナ５０に巻き付ける。その理由は、次の通りである。
一般的なフィラメント・ワインディング法においては、図２の（ｂ）に示すように、大気中においてライナ２００の内部を加圧しながら繊維の巻き付けを行う。この場合に、ライナ２００の内部は正圧となるので、ライナ２００の内部と外部との間の圧力差により、樹脂含浸繊維層２０１において、繊維に含浸した樹脂がライナ２００の外側に向かって染み出しやすくなる。

それに対して、本実施形態においては、ライナ５０の内部を減圧しながら繊維の巻き付けを行う。この場合には、図２の（ａ）に示すように、ライナ５０の内部は負圧となるので、樹脂含浸繊維層５２においては、繊維に含浸した樹脂の染み出しが抑制される。

このようにして樹脂含浸繊維層５２を形成した後で、ライナ５０を回転駆動部５３から取り外して加熱炉において加熱することにより、樹脂含浸繊維層５２を熱硬化させる。それにより、ＦＲＰ成形体が完成する。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システム及び方法について、図３を参照しながら説明する。
図３に示すＦＲＰ成形体の製造システムは、図１に示す製造システムに対して、ライナ５０が配置されるチャンバ７０と、チャンバ７０内を加圧する圧縮ポンプ７１とを追加したものである。その他の構成については、図１に示すものと同様である。
本実施形態においては、ライナ５０の内部を減圧すると共に、チャンバ７０内、即ち、ライナ５０の外部を加圧しながら樹脂含浸繊維層５２を形成する。

図４は、ライナの周囲に形成された樹脂含浸繊維層における樹脂の染み出し量を示している。図４の（ｂ）に示すように、ライナの内部を加圧しながら繊維の巻き付けを行う一般的なフィラメント・ワインディング法においては、ライナの外部圧力Ｐ_ATMに対して、ライナの内部圧力Ｐ₀が高くなるので、この圧力差（Ｐ₀−Ｐ_ATM＞０）のため、ある程度の樹脂の染み出しを避けることはできない。それに対して、図４の（ａ）に示すように、本実施形態においては、ライナの内部を減圧すると共にライナの外部を加圧するので、ライナの内部圧力Ｐ_INに対して、外部圧力Ｐ_OUTがより高くなるので、この大きな圧力差（Ｐ_OUT−Ｐ_IN＞０）により、繊維からの樹脂の染み出しを大幅に低減することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システム及び方法について、図５を参照しながら説明する。
本実施形態においては、図１又は図３に示すＦＲＰ成形体の製造システムにおいて、ライナ５０の内部を減圧し、或いは、ライナ５０に繊維束Ｆを巻きつけたときに、ライナ５０自体が収縮して変形しないように、その内部を支持体によって支持しながら樹脂含浸繊維層５２を形成する。

図５に示すように、補助マンドレル１００は、軸部１０１と、複数の骨格部材１０２と、内壁支持部１０３とを備えており、軸部１０１を中心に折り畳み可能な構造（例えば、傘構造）を有している。図５の（ａ）は、補助マンドレル１００を開いた状態を示しており、図５の（ｂ）は、補助マンドレル１００を折り畳んだ状態を示している。補助マンドレル１００は、折り畳んだ状態で、口金５１に設けられた貫通口を通ってライナ５０に出し入れされる。

複数の骨格部材１０２は、軸部１０１の軸方向の複数箇所に間隔をおいて取り付けられており、且つ、各取り付け位置においては、軸部１０１の周方向に間隔をおいて、軸１０１を囲むように取り付けられている。また、各骨格部材１０２は、軸部１０１に対して所定の角度の範囲内で可動となるように取り付けられている。

内壁支持部１０３は、ライナ５０の内壁に沿って配置される複数の部材によって形成されている。これらの複数の部材は、ライナ５０の内壁の全面を覆うように、面状の部材によって形成しても良いし、ライナ５０の内壁を網目状又は放射状又は格子状に覆うように、複数の棒状又はパイプ状の部材によって形成しても良い。また、これらの各部材は、骨格部材１０２の一端に取り付けられている。

図５の（ａ）に示すように、補助マンドレル１００を開くと、骨格部材１０２が軸部１０１に対して所定の角度で立ち上がった状態となる。例えば、ライナ５０の胴部（円柱形状の部分）の内側においては、複数の骨格部材１０２が軸部１０１に対して略垂直に立ち上がり、軸部１０１を中心とする放射状に広がる。また、ライナ５０の底部側（図においては左側）においては、複数の骨格部材１０２が配置に応じた角度で立ち上がり、複数の円錐面状に広がる。それにより、各骨格部材１０２の一端に取り付けられた内壁支持部１０３の複数の部材が、ライナ５０の内壁を覆うように曲面を形成すると共に、骨格部材１０２によってライナ５０の内壁側に押し付けられる。このとき、内壁支持部１０３は、ライナ５０の形状を維持するために、ライナ５０の内壁に密着していることが望ましい。そのために、例えば、各骨格部材１０２にバネ構造を設けても良い。

また、図５の（ｂ）に示すように、補助マンドレル１００を折り畳むと、骨格部材１０２は軸部１０１に沿うように倒れた状態となる。それにより、内壁支持部１０３を形成する複数の部材が、各々に取り付けられた骨格部材１０２と共に軸部１０１周辺に集合する。それにより、補助マンドレル１００の外径が口金５１に設けられた貫通口よりも小さくなるので、補助マンドレル１００が貫通口を通過できるようになる。

ライナ５０の周囲に樹脂含浸繊維層５２を形成する際には、まず、折り畳んだ状態の補助マンドレル１００をライナ５０内に挿入する。そして、補助マンドレル１００を開くことによりライナ５０を内側から支持し、真空ポンプ６０（図１、図３）によるライナ５０内の減圧と、圧縮ポンプ７１（図３）によるチャンバ７０内の加圧とを開始する。この状態で、樹脂を含浸した繊維束Ｆをライナ５０に巻き付ける。

繊維束Ｆの巻き付けが終了すると、ライナ５０を回転駆動部５３から取り外して加熱炉において加熱することにより、樹脂含浸繊維層５２を熱硬化させる。それにより、ＦＲＰ成形体が完成する。補助マンドレル１００をライナ５０から取り出すタイミングは、樹脂含浸繊維層５２の加熱前であっても、加熱後であっても良い。

以上説明した本実施形態においては、補助マンドレルにおいて骨格部材を折り畳む構造を採用しているが、補助マンドレルをライナから出し入れする際に、口金に設けられた貫通口を通行できる程度に補助マンドレルの径を小さくすることができれば、どのような構造を採用しても良い。例えば、伸縮可能な構造や、骨格部材自体を折り曲げる構造や、これらを組み合わせた構造を採用しても良い。また、繊維束の巻き付けの最中に補助マンドレルが変形しないように、それらの構造にストッパーを設けることが望ましい。或いは、補助マンドレルの一部を取り外し可能な構造にして、補助マンドレルをライナから出し入れできるようにしても良い。

次に、本発明の第４の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システム及び方法について説明する。
本実施形態においては、図１又は図３に示すＦＲＰ成形体の製造システムにおいて、繊維束Ｆを巻き付けるワークとして、ライナ５０の替わりに、図６に示す折り畳み式マンドレル１１０を用いる。

折り畳み式マンドレル１１０は、軸部１１１と、骨格部材１１２と、壁部１１３とを備えており、軸部１１１を中心に折り畳み可能な構造（例えば、傘構造）を有している。図６の（ａ）は、折り畳み式マンドレル１１０を開いた状態を示しており、図６の（ｂ）は、折り畳み式マンドレル１１０を閉じた状態を示している。なお、折り畳み式マンドレル１１０の折り畳み構造については、図５に示す補助マンドレル１００と同様である。

本実施形態においては、図６の（ａ）に示すように、折り畳み式マンドレル１１０に口金８０を取り付け、これをワークとして、図１又は図３に示すライナ５０の替わりに回転駆動部５３に取り付ける。そして、システムを駆動して、折り畳み式マンドレル１１０の周囲及び口金８０の円周方向の周囲に、樹脂を含浸した繊維束Ｆを直接巻き付けることにより、樹脂含浸繊維層８１を形成する。その後、折り畳み式マンドレル１１０を回転駆動部５３から取り外して加熱炉において加熱することにより、樹脂含浸繊維層８１を熱硬化させる。そのようにして形成されたＦＲＰ層８２から、折り畳み式マンドレル１１０を折り畳んで取り出す。それにより、ライナレスのガスタンクが完成する。

なお、本実施形態においても、第３の実施形態と同様に、マンドレルの構造としては、口金に設けられた貫通口を通行できる程度にマンドレルの径を小さくすることができれば、折り畳み構造や伸縮構造等のどのような構造を採用しても構わない。或いは、マンドレルの一部を取り外しできる構造としても良い。

本発明の第１の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システムの構成を示す模式図である。 ライナの内部及び外部の圧力の状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システムの構成を示す模式図である。 ライナの内部及び外部の圧力と樹脂の染み出し量を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

ｆ１〜ｆ３、Ｆ…繊維束、３０…樹脂含浸部、４０…繊維束ガイド、５０…ライナ、５２…樹脂含浸繊維層、５３…回転駆動部、６０…真空ポンプ、７０…チャンバ、７１…圧縮ポンプ、８１…樹脂含浸繊維層、８２…ＦＲＰ層、１００…補助マンドレル、１０２、１１２…骨格部材、１０３…内壁支持部、１１０…折り畳み式マンドレル、１１３…壁部

Claims (11)

1. フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、
   熱硬化性の樹脂を繊維に含浸させる工程（ａ）と、
   中空の回転部材の内部を減圧しながら、前記樹脂を含浸した繊維を前記回転部材の周囲に巻き付けることにより、樹脂含浸繊維層を形成する工程（ｂ）と、
   を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。
2. 工程（ｂ）は、前記回転部材の外部を加圧しながら前記回転部材の内部を減圧することを含む、請求項１記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
3. 工程（ｂ）は、前記回転部材の収縮を抑制しながら、前記回転部材の内部を減圧することを含む、請求項１又は２記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
4. 工程（ｂ）が、前記回転部材の内部を支持体によって支持することを含む、請求項３記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
5. 前記樹脂含浸繊維層を加熱することにより、前記樹脂含浸繊維層を熱硬化させる工程（ｃ）をさらに備える請求項１〜４のいずれか１項記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
6. 工程（ｃ）の後で、前記回転部材を熱硬化した前記樹脂含浸繊維層内から取り出す工程をさらに備える、請求項５記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
7. フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造するシステムであって、
   熱硬化性の樹脂を繊維に含浸させる樹脂含浸部と、
   回転部材を回転駆動する回転駆動部と、
   前記樹脂を含浸した繊維を前記回転部材の方向に導くことにより、前記回転部材の周囲に前記繊維を巻き付ける繊維ガイドと、
   前記回転部材の内部を減圧するポンプと、
   を備えるＦＲＰ成形体の製造システム。
8. 前記回転部材が配置されるチャンバと、
   前記チャンバ内を加圧する第２のポンプと、
   をさらに備える請求項７記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
9. 前記回転部材を内部から支持する支持体をさらに備える請求項７又は８記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
10. 前記支持体が、折り畳み可能又は伸縮可能な構造を有する、請求項９記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
11. 前記回転部材として、折り畳み可能又は伸縮可能な構造を有する回転部材が配置される、請求項７又は８記載のＦＲＰ成形体の製造システム。

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