JP2011501763A - プリプレグ材料屑の再利用方法 - Google Patents

Abstract

樹脂母材に埋め込まれた繊維部分から成る、細片形状の再利用可能なプリプレグ材料（ＤＷ）を製造する方法が記載されている。本方法によれば、平坦な屑（Ｓ）の投入物がプリプレグ出発材料から供給され、屑の全領域が記録される。そして、屑は所定の大きさの切断片（Ｓ２）となるように切断して細分化される。裏当て材料細片（ＳＷ）及び保護材料細片（ＰＷ）が供給される。その後、実質的に均一な層を切断片が形成するように、切断片が裏当て材料細片上にランダムに分布され、裏当て材料細片の送り速度は投入屑の記録された領域に応じて調節される。そして、保護材料細片が裏当て材料細片上に分布した切断片の上方に配置され、その後、再利用プリプレグ材料細片（ＤＷ）を形成するように全組立品が圧縮される。

Description

本発明は、一般的にはプリプレグ材料の機械加工分野に関する。

よく知られているように複合部品の機械加工ではプリプレグ材料切断の間に相当な量の廃棄物を生じる。実際には、「バイ・ツー・フライ」比（即ち、所与の部品生産用に購入した材料と実際に使用したものとの比）は、機械動作と製造する部品の種類により１．２：１から３．５：１の間でばらつく。

ほとんどの屑（その７０％超）は非重合材料の形態であり、その処分に多額の費用を要する。実際、非重合エポキシ樹脂を含むこの材料は特殊廃棄物として処理しなければならない。したがって、多額の原材料費（キログラム当たり約５０ユーロ）に加えて、処理に必要な費用がかかる。

この問題を考慮し、本発明は、樹脂母材に埋め込まれた繊維部分から成る、細片（ストリップ）形状の再利用可能なプリプレグ材料を製造する方法であって、
平坦な屑の投入物を粘着性樹脂母材に埋め込まれた連続繊維から成るプリプレグ出発材料から供給し、前記投入物の屑の全領域（面積）を記録すること、
前記屑を所定の大きさの切断片となるように切断して細分化すること、
裏当て材料細片及び保護材料細片を制御された送り速度で送って供給すること、
繊維が裏当て材料細片の表面に対してほぼ等方的に分布する実質的に均一な層を前記切断片が形成するように、前記切断片を前記裏当て材料細片上にランダムに分布させ、前記裏当て材料細片の送り速度を投入屑の記録された領域（面積）に応じて調節すること、
前記保護材料細片を裏当て材料細片上に分布した切断片の上方に配置すること、並びに
実質的に一定の面積重量（エリア・ウェイト）及び厚さを有する再利用プリプレグ材料細片を形成するように前記保護材料細片、切断片及び裏当て材料細片を圧縮すること
の段階を含む方法に関する。

したがって、本発明によれば、連続的な（一方向性の、又は織られた）繊維を有するプリプレグ材料を、同様にプリプレグであるが、ほぼ等方性特性で高い機械的特性の維持に十分な長さ（例えば約２０ｍｍ）の破断繊維を持つ再利用材料に変換する工程が提案される。そして、この材料は、一次構造航空部品（負荷のために材料の等方性を必要とする窓枠等）又は二次構造航空部品（システム支援部、空調部品等）を生産するために、所望の厚さとなるよう層状化し、従来の真空バッグ技術を用いて熱間成形し、重合することができる。

他の応用は、自動車産業、鉄道産業又はスポーツ用品の構造部品に関する。

最後に、機械加工し得る表面を圧延と重合によって生産するために上記材料を使用し、複合部品の層化と重合の工具を生産することが可能である。

本発明の方法の或る態様に関して指摘しておくべきことは、従来技術で、ほぼ等方的に樹脂母材中に分布した短繊維を含むプリプレグ材料の生産工程が知られていることである。この工程の例は、ＥＰ１１３４３１４号に記載されている。しかしながら、公知の工程は、プリプレグ材料の機械加工屑の再利用を考慮するものではない。

また、本発明の好適な実施形態は、従属請求項に規定されている。

ここで、好適ではあるが非限定的な本発明の実施形態について、次のような添付図面を参照して説明する。
本発明の方法において出発材料として使用される典型的な屑の平面図である。 本発明によって得られる再利用プリプレグ材料の構造的配置を拡大して示す平面図である。 本発明の方法に使用できる切断機の概略正面図である。 本発明の方法を実行する装置を示す概略図である。 図４の装置の部品を示す概略平面図である。 図５の部品を示す概略正面図である。

ここで、プリプレグ材料の機械加工で生じる屑から細片状のプリプレグ材料を製造する方法について説明する。図１には典型的な屑が示されている。本発明の方法で得られる材料は、樹脂母材に埋め込まれた繊維部分を含んでいる。以下で説明する例では、特に非重合熱硬化性樹脂について述べる。

本発明の方法を実施するのに適した装置の例は、図３及び４に示されている。この装置は、処理の流れ方向上流側に切断機１０を含んでおり、これは図３の正面図でより詳細に示されている。

切断機１０は、屑Ｓ供給用流入斜面１２を処理の流れ方向上流側に備える送り台１１を含んでいる。このため、台１１と斜面１２の上面は、屑材料との接触が意図されているので、プリプレグ材料に対して非接着性の材料から成っており、切断の前後における台上での摺動を容易とし、切断をも容易とし、処理される材料の汚染を防止する。台１１と斜面１２の上面に使用される材料は、例えばポリエチレンである。流入斜面１２は、処理する材料の切断機１０への手動導入を容易にする。

図１は、切断機１０の入口で送り台１２上に配置された屑Ｓの平面図を示している。屑Ｓの送り方向は、矢印ｙ１で示されている。屑Ｓは、プリプレグ材料（ある程度の粘着性を有する樹脂、特に非重合熱硬化性樹脂を有するもの）から成り、連続繊維を有し、この繊維は一方向性の、又は織られた繊維の形態である。

また、切断機１０は、切断・駆動ローラ１３を含み、これは投入材料Ｓを送り台１１に沿って供給するよう設計され、屑Ｓの繊維を分離して所定幅の細片Ｓ１を生成する円形刃１３ａをも備えている。ローラ１３の軸１３ｂは、切断機１０の枠１４に回転可能に搭載され、原動機１３ｃにより回転駆動される。圧力シリンダ１３ｄも備えられ、ローラ１３上にあって円形刃１３ａに対して切断に必要な圧力をかける。シリンダ１３ｄは、枠１４上に遊動的に存在する軸１３ｅに搭載されている。

更に、圧力ローラ１５（図４でのみ図示）が切断ローラ１３の下流に配置され、台１１上で細片Ｓ１を押付けるよう設計され、切断動作を容易化している。圧力ローラ１５は、枠１５に結合された軸（不図示）で遊動する。

また、切断機１０は、材料Ｓ１の供給方向ｙに対して横に配置された回転刃１６を圧力ローラ１５の下流側に有している。この刃１６は、摺動具１６ｂに固定された支持具１６ａで回転自在に支持され、枠１４上の案内具１６ｃに沿って、供給方向ｙに対して横に移動可能である。摺動具１６ｂは、原動機（不図示）により平行移動される。摺動具１６ｂの動作により回転刃１６ｂが送り台１１上を転がる。回転刃１６ｂの横動作により細片Ｓ１が切断され、主に矩形の（屑端部から得られた断片を除く）切断片Ｓ２を生じる。

回転刃１６の動作は切断ローラ１３の回転と（したがって切断する材料の供給とも）協働しており、必要な大きさの切断片Ｓ２を得る。

機械１０への供給投入物となる屑Ｓの全領域を記録できる検知器２０、例えばデジタルビデオカメラが切断機１０の入口に備えられる。検知器２０で記録されたデータは制御装置２１で処理され、このデータは、後述する様式で本発明による工程の制御に用いられる。実際、屑は多様で制御不能の形状を有しているので、切断機１０に入れられる材料の各投入物は、材料の分量に関して先のものとは一般に異なっている。屑が切断機１０に１度に１つ、又は１度に所定数（１つの屑と他のものとの間に重なりがないと仮定）供給されるとすると、各投入物に対する信号は、占有している機械の（基準）投入領域ＩＡ（例えば投入斜面１２の上面領域）の百分率の量（すなわち分数）を示す。例えば、投入物が機械の投入領域（矩形と仮定）に等しい領域を有する１枚の矩形屑から成るとすると、百分率は明らかに１００％となる（機械の投入領域に一致するように準備された屑を想定）。他方、投入物が直角三角形状の屑から成り、隣辺がそれぞれ機械の投入領域の辺に等しい場合、占有率は５０％となる（直角に隣接する２つの辺が機械の投入領域の辺に一致するよう準備された屑を想定）。明らかなのは、投入物がより多くの屑から成る場合、占有される投入領域の百分率が屑の領域の和に依存することである。しかしながら、投入物が供給方向ｙ１に関して投入領域の長さを超える大きさを有する場合、検知器２０が連続して複数回の記録を行い、投入物の全長に及ぶようにすることが考えられる。それ故、このような動作方法で検知器を可能性のある自動供給システムと協働させ、ここに図示した例で表されている手動システムの代替案としてもよい。

したがって、本発明の方法では、切断片Ｓ２が移動裏当て材料細片ＳＷ上でランダムに分布し、結果的に図２に示されているような配置（各断片Ｓ２上に示された線は繊維の方向を示している）となることが考えられる。細片ＳＷの裏当て材料は、プリプレグ出発材料に一般に適した裏当てペーパであり、例えばポリエチレンである。切断片Ｓ２の裏当て材料細片ＳＷでのランダムな分布のため、繊維は、裏当て材料細片表面に対してほぼ等方的に分布している。

この分布を得るため、傾斜台又はホッパ２５と送風機２６とが切断機１０に関連付けられ、切断刃１６の下流側で送り台１１前端に配置されており、裏当て材料細片ＳＷは、送り台１１の前端下方を通り支持台２７で支持されるように配置されている。傾斜台２５は、送り台１１より前端下方に配置され、切断機１０の切断片Ｓ２を集めるように設計され、通常は側部案内用肩部（図５及び６をも参照）で境界がされた傾斜面を含んでいる。傾斜台２５は、切断片Ｓ２の移動方向に低くなる流動領域を持つように構成されている。傾斜台２５には裏当て材料細片ＳＷの供給方向ｙ２に対して横方向の運動が制御された速度で与えられており、この運動は図示の例では垂直軸ｚの回りの振動運動（矢印Ｔで図示）であり、原動機駆動手段（不図示）の制御下で得られる。傾斜台２５により、方向に関してはランダムであるが、単位表面積当たりの材料の分量に関しては均一な断片分布が可能となる。送風機２６は、傾斜台２５の上方で切断台１１の前端に配置され、低圧力の圧縮空気が供給されており、切断片Ｓ２集団上に送風し、傾斜台２５上に、次いで下にある裏当て材料細片ＳＷ上にランダムな方向で落下することを容易にする。この配置は繊維のランダム配置が狙いであり、送風機２６が無ければ、ほとんどの断片Ｓ２が当初の繊維方向を維持したままで傾斜台２５上に落下する。

裏当て材料細片ＳＷの送り速度は巻回ローラ３０の回転速度で決定され、以下で更に具体的に説明するように、最終的にはその回りに細片が他の部品と共に巻回される。巻回ローラ３０は原動機３１によって回転駆動される。他端では裏当て細片が遊動的に搭載された供給リールから巻き戻される。供給リールから出る細片は支持台２７にある遊動シリンダ３３によって案内される。裏当て材料細片ＳＷの送り速度は、投入屑の記録領域に依存するが、切断片Ｓ２が細片ＳＷの供給方向においても実質的に均一な層を形成するように調整される。このために、制御装置２１は、検知器２０で利用可能となったデータに基づき巻回ローラ３０を駆動する原動機３１を制御する。この対策が必要なのは、上記のように処理する屑Ｓが種々の幾何学的形状（通常は矩形と三角形の組合わせ）と種々の大きさを有しているためである。特に制御装置で処理されるデータが切断機における投入領域ＩＡの屑投入物占有百分率で構成される場合、巻回ローラ３０の原動機３１は、占有百分率が１００％に等しいか又はこれに近いとき巻回ローラ３０に対して最大速度を設定し、これが１００％より小さい（換言すれば、巻回ローラの速度、したがって細片の速度が占有率の単調増加関数である）とき占有百分率に応じて（例えば、比例して）減速するように制御できる。

更に、本発明の方法では、裏当て材料細片ＳＷ上に分布した切断片Ｓ２の上方に保護材料細片ＰＷを配置することが考えられる。この細片に適した材料は、プリプレグ材と同じ目的で用いられるもの、例えばポリエチレンである。

そして、保護材料細片ＰＷは、切断片Ｓ２及び裏当て材料細片ＳＷと共に支持台２７上で圧縮され、その長さ方向で実質的に一定の面積重量及び厚みを有する再利用プリプレグ材料細片ＤＷが形成される。

前記圧縮は、支持台２７上に保護材料細片ＰＷ、切断片Ｓ２及び裏当て材料細片ＳＷが供給されている間にこれらを支持台上で押圧する圧縮ローラ３４によって行われる。このため、圧縮ローラ３４は遊動的に搭載されているが、下の細片に所望の圧力をかけることができるよう配置されている。圧縮により種々の切断片Ｓ２が可能な限り密着した再利用材料層に統合され、その結果再利用材料ロールの形態に巻き上げ可能な組立品を得ることができる。

最後に、このように形成された再利用プリプレグ材料細片ＤＷは、巻回ローラ３０の回りに巻回される。圧縮ローラ３４の下流側でプリプレグ材料細片ＤＷの一部となる保護材料細片ＰＷの送り速度は、そのため巻回ローラ３０の回転速度によっても決定される。

他端では、保護細片ＰＷは遊動搭載供給リール３５から巻き戻される。供給リール３５から出る細片は、遊動シリンダ３６により圧縮ローラ３４方向へ案内される。圧縮ローラ３４の下流側には、プリプレグ材料細片ＤＷを巻回ローラ３０に導くために、更に遊動シリンダ３７が備えられている。

切断及び巻回工程の最後に、ロール形態で密封防湿プラスチック包装材料で適切に包装して得られた材料を元のプリプレグ材料と同じように冷蔵庫中に格納してもよい。

特に、室温露出残り時間と材料期間満了に関して得られる材料追跡可能性を保証するために、次の手順が採用される。
− 屑を再利用するロールのバッチを規定すること
− 残り露出時間が最も短いロールを識別すること − これが屑から得たロールの残りの露出時間となる
− 期間満了日が最も近いロールを識別すること − これが屑から得たロールの期間満了日となる
− これらのデータを元のロールに関する文書から得られたデータと共に屑から得られたロールの追跡可能性の文書にすること

使用時には、材料は、解凍され巻き戻されて出発プリプレグ材料と同様に層状にされる。特に、成形工具上に直接層状化してもよいが、予め層状化して平坦な積層体にし、加熱と真空を用いる工程により成形工具上に熱間成形することもできる。

材料が限られた大きさの断片から成り（発明者達は一辺２０ｍｍの正方形断片を用いた多数の試験を行った）、したがって限られた繊維長を有するという事実のため、長繊維プリプレグ材料の使用では得ることができない複雑な形状を持つ部分を形成することが可能である。明らかに、再利用材料で得られた製品が持つ構造的特性は、長繊維プリプレグ材料で得られたものよりも低品質ではあるが、場合と用途によっては満足できるものである。

同一材料を部品又は工具の形成に用いることができ、最終形状は表面の機械的なフライス加工によって得られる。実際、破断繊維のランダム配置で得られる等方性のため、連続繊維材料巻回部分の機械加工の場合に起こる過度な残留応力の解放をせずに材料を除去することができる。

真空バッグ調整工程及び再利用材料の圧力釜（オートクレーブ）硬化工程は、元の材料の場合と同一である。

上述の方法は、プリプレグ熱硬化性材料に関して説明した。しかしながら、本発明は、室温で所定の粘着性を持つ或る種のプリプレグ熱可塑性材料にも適用可能である。現在では、この条件を満足し、そのため本発明の方法を用いて再利用できる非晶質熱可塑性フィルム層を持つ材料が商業的に利用可能である。

Claims (8)

1. 樹脂母材に埋め込まれた繊維部分から成る、細片形状の再利用可能なプリプレグ材料（ＤＷ）を製造する方法であって、
   平坦な屑（Ｓ）の投入物を粘着性樹脂母材に埋め込まれた連続繊維から成るプリプレグ出発材料から供給し、前記投入物の屑の全領域を記録すること、
   前記屑を所定の大きさの切断片（Ｓ２）となるように切断して細分化すること、
   裏当て材料細片（ＳＷ）及び保護材料細片（ＰＷ）を制御された送り速度で送って供給すること、
   繊維が裏当て材料細片の表面に対してほぼ等方的に分布する実質的に均一な層を前記切断片が形成するように、前記切断片を前記裏当て材料細片上にランダムに分布させ、前記裏当て材料細片の送り速度を到来する屑の記録された領域に応じて調節すること、
   前記保護材料細片を裏当て材料細片上に分布した切断片の上方に配置すること、並びに
   実質的に一定の面積重量及び厚さを有する再利用プリプレグ材料細片（ＤＷ）を形成するように前記保護材料細片、切断片及び裏当て材料細片を圧縮すること
   の段階を含む方法。
2. 前記細分化の段階が、送られてくる前記屑を平行細片（Ｓ１）に切断すること及びその後で前記細片を横方向に切断し前記切断片を得ることを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記屑が円形刃（１３ａ）を備える切断駆動ローラ（１３）によって送り台（１１）に沿って摺動され、該ローラが前記屑を輸送すると同時にこれを平行細片に切断し、前記細片が屑の送り方向（ｙ１）に対して横方向に移動可能な回転刃（１６）により横方向に切断される、請求項２記載の方法。
4. 裏当て材料細片上の切断片の前記ランダムな分布が、切断片を集めるよう設計され裏当て材料細片（ＳＷ）送り方向（ｙ２）に対して横方向に交互運動できる重力輸送手段（２５）によって、更に切断片（Ｓ２）上に吹き付けるよう設計され重力輸送手段上と次にその下の裏当て材料細片（ＳＷ）上でランダムな方向に落下することを促進する送風機（２６）によって行われる、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記再利用プリプレグ細片が原動機駆動巻回ローラ（３０）の回りに巻回され、裏当て材料細片の送り速度が巻回ローラ回転速度の調節によって調節される、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 投入物における屑の全領域が光学的に記録される、請求項１ないし５記載の方法。
7. 前記投入物における屑の全領域の記録は投入物で占有される投入基準領域（ＩＡ）の割合を示す信号を生じ、裏当て材料細片の送り速度は、前記占有の割合が約１に等しいとき最大値となり、１より小さいとき占有の割合の単調増加関数となるように制御される、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 前記樹脂が非重合熱硬化性樹脂である、請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。

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