JP2015214771A - 強化繊維基材の切断方法、繊維強化樹脂の製造方法、繊維強化樹脂の切断方法、プリフォームおよび繊維強化樹脂 - Google Patents

Abstract

【課題】強化繊維基材に対する熱の影響を低減しつつ、高い寸法精度で強化繊維基材を切断する技術を提供する。【解決手段】炭素繊維等の強化繊維からなる糸を織り上げた強化繊維織布、あるいは、強化繊維織布を積層した積層材１０からなる強化繊維基材にレーザビームＬＢを照射することにより、強化繊維基材を切断する。このとき、レーザビームＬＢは、強化繊維基材が切断される切断線２０に複数回照射される。【選択図】図２

Description

この発明は、強化繊維基材および繊維強化樹脂を切断する技術に関し、特にレーザにより強化繊維基材および繊維強化樹脂を切断する技術に関する。

軽量で強度の高い素材として、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）が注目されており、近年では、航空宇宙分野のみならず自動車分野等の他の産業分野においても利用が拡大しつつある。このようなＣＦＲＰは、プリプレグ／オートクレーブ法等の種々の方法で成型されるが、中でも、樹脂注入成形（ＲＴＭ：Resin Transfer Molding）法は、生産性が高くコスト低減が容易で、かつ、複雑な形状への成形が容易な成型方法として期待されている。ＲＴＭ法では、炭素繊維からなるプリフォームを成形型内に装入した後、成形型内のプリフォームにマトリックス樹脂を含浸し硬化させることにより、所望の形状のＣＦＲＰが形成される。

ＲＴＭ法で使用されるプリフォームは、炭素繊維織布あるいは炭素繊維織布を積層した積層体からなる炭素繊維基材を、成形型の形状に合わせて切断することにより形成される。このプリフォームの形成に際して、炭素繊維基材を機械的に切断すると、切断部の炭素繊維の乱れが生じ、プリフォームの寸法精度が低下する虞がある。

プリフォームの寸法精度が低い場合、ＲＴＭ法によりＣＦＲＰを形成するに際して、種々の問題が発生する。例えば、プリフォームが成形型より小さいと、成形型の中でプリフォームがずれるとともに、プリフォームと成形型との間の隙間において樹脂の流れが速くなり、成形品の中央部に樹脂が十分に浸透しない可能性がある。一方、プリフォームが成形型より大きいと、繊維配向が歪み、成形品の強度に影響を与えるとともに、樹脂の流れが乱される可能性がある。そこで、より高い寸法精度でプリフォームを形成するため、レーザにより炭素繊維基材を切断することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１１／１１４５９２号パンフレット

しかしながら、レーザにより炭素繊維基材を切断した場合、レーザの熱で分解したサイジング材による切断部の周囲の汚染や、レーザの熱による炭素繊維の黒鉛化等、炭素繊維基材に熱の影響が発生する虞がある。この問題は、炭素繊維基材を切断する場合に限らず、ガラス繊維織布およびその積層体や、アラミド繊維織布およびその積層体等の種々の強化繊維基材を切断する場合にも、同様に発生する虞がある。また、レーザによりＣＦＲＰを切断する場合においても、レーザの熱によりマトリックス材の樹脂が分解・変質し、切断部に損傷が発生する虞がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、切断対象である強化繊維基材あるいは繊維強化樹脂に対する熱の影響を低減しつつ、高い寸法精度で切断対象を切断する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
強化繊維基材の切断方法であって、前記強化繊維基材が切断される切断線にレーザビームを複数回照射することによって前記強化繊維基材を切断するレーザビーム照射工程を含む、強化繊維基材の切断方法。

この適用例によれば、切断線にレーザビームを複数回照射することによって強化繊維基材を切断しているので、照射１回あたりのレーザビームの照射位置への熱の流入量を低減することができる。そのため、レーザの熱が強化繊維基材に与える影響を抑制することができる。また、レーザにより切断することで、より高い寸法精度で強化繊維基材を切断することが可能となる。

［適用例２］
前記レーザビーム照射工程は、前記切断線に沿って前記レーザビームを複数回走査することにより、前記切断線に前記レーザビームを複数回照射する、適用例１記載の強化繊維基材の切断方法

この適用例では、切断線へのレーザビームの照射をレーザビームの走査により行っているので、レーザビームの照射位置の移動速度を速くすることができる。そのため、レーザビームの出力をより高くして、強化繊維基材の切断に要する時間を短縮することができる。

［適用例３］
適用例１記載の強化繊維基材の切断方法であって、前記レーザビーム照射工程は、前記レーザビームの照射位置が、前記切断線上の切断点を含む線状領域を往復移動するように、前記レーザビームを走査する往復走査工程と、前記切断点を前記切断線に沿って移動させる切断点移動工程と、を含む、強化繊維基材の切断方法。

この適用例によれば、レーザビームの走査によりレーザビームの照射位置を往復移動させているので、レーザビームの照射位置の移動速度を速くすることができる。そのため、レーザビームの出力をより高くして、強化繊維基材の切断に要する時間を短縮することができる。また、切断点を移動させることにより、レーザビームの走査範囲よりも広い範囲で強化繊維基材を切断することが可能となる。

［適用例４］
ガルバノスキャナによって前記レーザビームの走査を行う、適用例２または３記載の強化繊維基材の切断方法。

ガルバノスキャナは、他の走査手段と比較してレーザビームの走査範囲を広くすることが容易である。そのため、ガルバノスキャナによってレーザビームを走査することにより、より広い範囲で強化繊維基材を切断することができる。また、ガルバノスキャナは、レーザビームを往復走査するのに適しているので、より容易にレーザビームの照射位置を往復移動させることができる。

［適用例５］
前記レーザビームは、パルスビームである、適用例１ないし４のいずれか記載の強化繊維基材の切断方法。

レーザビームをパルスビームとすることにより、レーザビームの出力を高くしても、レーザビーム照射位置への平均的な熱の流入量が低減される。そのため、強化繊維基材にレーザの熱が与える影響を、より効果的に抑制することができる。

［適用例６］
前記レーザビームの光源は、ＣＯ_２レーザである、適用例１ないし５のいずれか記載の強化繊維基材の切断方法。

ＣＯ_２レーザの波長は約１０μｍと長いため、強化繊維基材の熱吸収率は、より短い波長のレーザビームを照射する場合よりも高くなると考えられる。そのため、レーザビームの光源としてＣＯ_２レーザを用いることにより、より切断速度を速くすることができる。

［適用例７］
繊維強化樹脂の切断方法であって、レーザビームの照射位置が、前記繊維強化樹脂が切断される切断線上の切断点を含む線状領域を往復移動するように、前記レーザビームを走査する往復走査工程と、前記切断点を前記切断線に沿って移動させる切断点移動工程と、を含む、繊維強化樹脂の切断方法。

この適用例によれば、切断線にレーザビームを複数回照射することによって繊維強化樹脂を切断しているので、照射１回あたりのレーザビームの照射位置への熱の流入量を低減することができる。そのため、レーザの熱が繊維強化樹脂に与える影響を抑制することができる。また、レーザにより切断することで、より高い寸法精度で繊維強化樹脂を切断することが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、強化繊維基材の切断方法、その方法で製造されたプリフォーム、その方法を用いた繊維強化樹脂の製造方法、その製造方法で製造された繊維強化樹脂、および、繊維強化樹脂の切断方法、等の態様で実現することができる。

第１実施形態を適用したＣＦＲＰの成形工程を示す工程図。 第１実施形態において、積層織布を切断する様子を示す説明図。 積層織布が切断されて、プリフォームが切り出される過程を示す説明図。 試験片にレーザビームを照射した際の切断状況を示す写真。 レーザビームを複数回照射して切断した際の切断部の外観を示す写真。 レーザビームの照射回数を変えて試験片を切断した際の切断部付近の外観を示す写真。 円形に切断した際の試験片の外観を示す写真。 第２実施形態において、積層織布を切断する様子を示す説明図。 連続発振するＣＯ_２レーザを用いて切断した試験片の外観を示す写真。 パルス発振するＣＯ_２レーザを用いて切断した試験片の外観を示す写真。 プリプレグ積層体を切断した際の切断面の外観を示す写真。

以下、本発明を実施するための形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．炭素繊維強化樹脂の成形：
Ａ２．積層織布の切断：
Ａ３．第１実施形態の実施例：
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．積層織布の切断：
Ｂ２．第２実施形態の実施例：
Ｃ．第３実施形態：
Ｃ１．ＣＦＲＰの切断：
Ｃ２．第３実施形態の実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ１．炭素繊維強化樹脂の成形：
図１は、第１実施形態を適用した炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の成形工程を示す工程図である。このＣＦＲＰの成形工程は、樹脂注入成形（ＲＴＭ）法と呼ばれる。ＲＴＭ法によるＣＦＲＰの成形工程では、まず、図１（ａ）に示すように、複数枚の炭素繊維織布を積層した積層織布１０を切断線２０において切断する。これにより、所望の形状（図１の例では、円形）に切断されたプリフォーム３０が得られる。なお、積層織布１０の切断方法については、後述する。

次いで、得られたプリフォーム３０を、下部金型４０の上に配置する（図１（ｂ））。プリフォーム３０を下部金型４０の上に配置した後、図１（ｃ）に示すように、下部金型４０に上部金型５０を載せて型締めを行う。その後、上部金型５０に設けられた吸引孔５２から真空引きを行うとともに、注入孔５４から熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を注入して、熱硬化性樹脂をプリフォーム３０に含浸させる。熱硬化性樹脂の含浸後、金型４０，５０を加熱することにより、熱硬化性樹脂が硬化して、金型４０，５０の形状が転写されたＣＦＲＰ成形品３２が形成される。形成されたＣＦＲＰ成形品３２を金型４０，５０から取り外すこと（離型）により、ＣＦＲＰ成形品３２が得られる（図１（ｄ））。

なお、図１の例では、ＲＴＭ法によりＣＦＲＰの成形を行っているが、ＶａＲＴＭ法を用いてＣＦＲＰの成形を行うことも可能である。ＶａＲＴＭ法によるＣＦＲＰの成形工程では、まず、成形型の表面に配置されたプリフォームを覆うように、バッグフィルムを成形型に貼り付ける。次いで、バッグフィルムと成形型との間隙を真空引きするとともに、当該間隙に熱硬化性樹脂を注入し、熱硬化性樹脂をプリフォームに含浸させる。熱硬化性樹脂の含浸後、成形型、熱硬化性樹脂が含浸されたプリフォーム、および、バッグフィルムの全体を加熱することにより、熱硬化性樹脂が硬化し、ＣＦＲＰ成形品が得られる。

また、第１実施形態では、熱硬化性樹脂をプリフォームに含浸させた後、加熱することにより熱硬化性樹脂を硬化させてＣＦＲＰ成形品を得ているが、熱可塑性樹脂をプリフォームに含浸させることにより繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）の成形品を製造することも可能である。この場合、樹脂の注入の前に金型４０，５０を加熱する。そして、樹脂を注入してプリフォームに樹脂を含浸させた後、金型４０，５０を冷却することによりＣＦＲＴＰ成形品を得ることができる。

Ａ２．炭素繊維織布の切断：
図２は、第１実施形態において、切断装置６０により積層織布１０を切断する様子を示す説明図であり、図３は、積層織布１０が切断されて、プリフォーム３０（図１参照）が切り出される過程を示す説明図である。図３（ａ）は、切断を開始した時点における積層織布１０の状態を示し、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、切断をしている途中の時点における積層織布１０の状態を示している。なお、図２および図３（ｃ）は、同一時点における状態を示している。

切断装置６０は、図示しないレーザ光源と、ガルバノスキャナ１００と、Ｘ−Ｙ方向に移動可能なテーブル２１０と、テーブル２１０上に固定され積層織布１０が配置される受治具２２０と、を有している。第１実施形態においては、レーザ光源として、シングルモードファイバレーザを用いており、レーザビームＬＢとして、シングルモードファイバレーザをパルス発振させることにより射出されるパルスビームを用いている。受治具２２０は、積層織布１０を切断する際に発生する熱がテーブル２１０に伝達されるのを抑制する。これにより、積層織布１０からの熱の散逸による切断不良の発生と、散逸した熱によるテーブル２１０の損傷とが抑制される。なお、第１実施形態では、ガルバノスキャナ１００と、積層織布１０との位置関係を固定している。そのため、第１実施形態においては、Ｘ−Ｙ方向に移動可能なテーブル２１０に換えて、Ｘ方向およびＹ方向の少なくとも一方向が固定されたテーブルを用いても良い。

ガルバノスキャナ１００は、２つのガルバノミラー１１０，１２０と、ｆ−θレンズ１３０と、を有している。ガルバノミラー１１０，１２０は、ミラー１１２，１２２と、ホルダ１１４，１２４と、シャフト１１６，１２６と、図示しない駆動部と、をそれぞれ有している。駆動部は、シャフト１１６，１２６をその軸（一点鎖線で示す）を中心として回転させる。シャフト１１６，１２６が回転することにより、ホルダ１１４，１２４を介してシャフト１１６，１２６に取り付けられたミラー１１２，１２２の反射面１１８，１２８の向きが変化する。このように、反射面１１８，１２８の向きを変えることにより、ガルバノスキャナ１００に入射したレーザビームＬＢの方向が動的に変更（走査）される。２つのガルバノミラー１１０，１２０により走査されたレーザビームＬＢは、ｆ−θレンズ１３０により、積層織布１０上で収束され、レーザビームＬＢの微小なスポットＳＰが形成される。

切断の開始時点において、レーザ光源からレーザビームＬＢの射出が開始されると、図３（ａ）に示すように、積層織布１０上にレーザビームＬＢのスポットＳＰが形成される。レーザビームＬＢが照射されているスポットＳＰは、ガルバノミラー１１０，１２０（図２）を駆動制御してレーザビームＬＢを走査することにより、矢印に示すように、破線で示す目標とする切断線（目標切断線）２２に沿って移動する。レーザビームＬＢが照射されているスポットＳＰが移動することにより、目標切断線２２の各点にはレーザビームＬＢが照射され、結果として目標切断線２０の全体にレーザビームＬＢが照射されることになる。なお、以上の説明から明らかなように、スポットＳＰの移動方向は、目標切断線２２に沿った方向であるので、切断方向ともいうことができる。

図３（ｂ）は、スポットＳＰを目標切断線２２に沿って移動させることにより、スポットＳＰが切断の開始時点（図３（ａ））の位置に回帰してきた状態を示している。第１実施形態においては、１回のレーザビームＬＢの照射では積層織布１０が完全に切断されないように、レーザビームＬＢの出力（レーザ光源の出力）および走査速度（スポットＳＰの移動速度）を調整している。そのため、図３（ｂ）に示す時点において、スポットＳＰが移動した経路２４は、積層織布１０が完全に切断されていない半切断状態となっている。なお、このようにスポットＳＰの移動経路２４は、半切断状態の線状領域となるので、以下では、半切断線２４と呼ぶ。

図３（ｂ）に示すように、スポットＳＰが切断の開始時点（図３（ａ））の位置に回帰してきた後、さらにスポットＳＰを半切断線２４に沿って移動させる。これにより、図３（ｃ）に示す時点において、スポットＳＰが移動した経路２６では、半切断線２４において半切断状態となっていた積層織布１０は、完全に切断される。なお、半切断線２４に沿って移動したスポットＳＰの経路２６は、積層織布１０が完全に切断された線状領域となるので、以下では、全切断線２６と呼ぶ。スポットＳＰが、再度、切断の開始時点（図３（ａ））におけるスポットＳＰの位置に回帰すると、全切断線２６が閉じて、全切断線２６の内外で積層織布１０が分離され、円形のプリフォーム３０（図１（ａ））が切り出される。なお、図３から明らかなように、目標切断線２２、半切断線２４および全切断線２６は、いずれも同一の線状領域となるので、これらを切断線２０と総称する。

図３の例では、スポットＳＰを切断線２０に沿って２回移動させること、すなわち、レーザビームＬＢを２回照射することにより、積層織布１０を完全に切断しているが、一般的には、レーザビームＬＢを切断線２０に沿って複数回照射することにより、積層織布１０を完全に切断すれば良い。このように、レーザビームＬＢを複数回照射して積層織布１０を切断することにより、照射１回あたりのレーザビームＬＢの照射位置（スポットＳＰの位置）への熱の流入量を抑制することができるので、プリフォーム３０に対する熱の影響を低減することができる。

なお、第１実施形態では、レーザビームＬＢの走査（すなわち、スポットＳＰの移動）に、ガルバノスキャナ１００を用いている。これにより、スポットＳＰの径（１０〜１００μｍ）に対して十分に高い精度でスポットＳＰの位置を調整することが可能となっている。但し、ガルバノスキャナ１００と同等以上の精度でスポットＳＰの位置を調整可能であれば、他の走査装置を用いることも可能である。このような走査装置としては、例えば、音響光学素子を使用した走査装置を用いることができる。但し、走査範囲を広くし、より大きなプリフォーム３０を得ることが容易である点で、ガルバノスキャナを用いるのが好ましい。

また、第１実施形態では、レーザビームＬＢを走査して積層織布１０上のスポットＳＰを移動させているが、スポットＳＰの位置を十分に高い精度で調整可能であれば、レーザビームＬＢを走査することなく、機械的にスポットＳＰを移動させるものとしても良い。この場合、テーブル２１０を移動させてもよく、積層織布１０にレーザビームＬＢを直接照射する照射ヘッドを移動させても良い。但し、スポットＳＰの移動速度をより速くすることができるので、レーザビームＬＢの出力をより高くして、積層織布１０の切断に要する時間を短縮することが可能である点で、レーザビームＬＢを走査するのが好ましい。また、一般的に、レーザビームＬＢを切断対象に直接照射する照射ヘッドにおいてレーザビームＬＢを収束させるレンズ（収束レンズ）の焦点距離は、走査装置の収束レンズの焦点距離よりも短い。このように、収束レンズの焦点距離が短くなると、Ｚ方向の位置が変化した際のスポットＳＰの径の変化量が大きくなる。そのため、スポットＳＰの径の変化を抑制することができる点で、レーザビームＬＢの走査によりスポットＳＰの移動を行うのがより好ましい。

第１実施形態では、レーザ光源として、シングルモードファイバレーザを用いているが、マルチモードファイバレーザを用いることも可能である。但し、シングルモードファイバレーザを用いる方が、レーザビームＬＢをより細く絞ることができる点で、マルチモードファイバレーザを用いるよりも好ましい。さらに、レーザ光源としては、ファイバレーザのほか、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等の高出力のレーザビームＬＢを射出可能な種々のレーザ光源を使用することができる。なお、ファイバレーザは、他のレーザ光源よりも射出されるレーザビームを光ファイバ内に通すことが容易であり、光学系の取り回しが容易となる。そのため、機械的にスポットＳＰを移動させる場合には、ファイバレーザを用いるのが好ましい。

ファイバレーザ以外のレーザ光源では、積層織布１０の熱吸収率が高い波長（約１０μｍ）のレーザビームＬＢを射出可能なＣＯ_２レーザを用いるのが好ましい。より好適には、レーザビームＬＢを細く絞ることで切断速度を速くすることができる、シングルモードでパルス発振が可能なＣＯ_２レーザが使用される。このような、ＣＯ_２レーザでは、パルス発振させることによりシングルモードで焦点のビーム径の小さなレーザビームＬＢが射出される。但し、一般的に、シングルモードでパルス発振が可能なＣＯ_２レーザは、射出されるレーザビームＬＢの出力に限界があるため、厚肉（例えば、厚さが４ｍｍ以上）の積層織布１０を切断するのは必ずしも容易ではない。そのため、シングルモードでパルス発振が可能なＣＯ_２レーザは、薄肉（例えば、厚さが４ｍｍ未満）の積層織布１０を高速切断するために用いるのが好ましい。

第１実施形態では、レーザビームＬＢとして、レーザ光源をパルス発振させることにより射出されるパルスビームを用いているが、レーザ光源を連続発振させることにより射出される連続ビームを用いても良い。但し、レーザビームＬＢの出力を高くしても、レーザビーム照射位置への平均的な熱の流入量が低減され、積層織布１０にレーザの熱が与える影響をより効果的に抑制することができる点で、パルスビームを用いるのが好ましい。なお、薄肉（例えば、厚さが４ｍｍ未満）の積層織布１０を切断する場合には、レーザビームＬＢの出力を低くすることが可能であるため、連続ビームを用いてもレーザビーム照射位置への平均的な熱の流入量を低減することができる。

Ａ３．第１実施形態の実施例：
［試験片の準備］
第１実施形態の切断方法により切断した積層織布の状態を評価するため、切断対象の積層織布１０（図１（ａ））に相当する試験片を準備した。具体的には、まず、積層織布（試験片）を構成する炭素繊維織布として、１２０００本の長い炭素繊維のフィラメントを束ねた糸を平織に織り上げた炭素繊維織布を準備した。準備した炭素繊維織布は、厚さが０．２２ｍｍで、重量が２１０ｇ／ｍ^２であった。次いで、準備した炭素繊維織布を複数枚積層して、試験片を得た。炭素繊維織布の積層枚数は、８枚および１６枚とした。なお、以下では、炭素繊維織布の積層枚数を明示する場合、積層枚数が８枚の試験片を「８プライの試験片」と呼び、積層枚数が１６枚の試験片を「１６プライの試験片」と呼ぶ。

［レーザビームの照射回数と積層織布の切断状況］
レーザビームの照射回数と、積層織布の切断状況との関係を評価した。照射回数と切断状況との関係の評価は、１６プライの試験片に、予め設定した回数だけレーザビームを直線状に照射し、レーザビーム照射後の試験片の外観を観察することによって行った。レーザ光源としては、シングルモードファイバレーザを用い、１５００Ｈｚのパルス周波数でパルス発振させた。また、レーザビームの出力は５００Ｗとし、スポットの移動速度（レーザビームの走査速度）は７５０ｍｍ／ｍｉｎとした。

図４は、試験片にレーザビームを照射した際の切断状況を示す写真である。図４（ａ）ないし図４（ｃ）は、それぞれ、レーザビームを１回ないし３回照射したときの試験片の側面外観を示す写真である。図４（ａ）ないし図４（ｃ）において、矢印は、レーザビームの照射位置、すなわち、切断線（切断部）の位置を示している。

図４（ａ）に示すように、レーザビームを１回照射した試験片では、レーザビームの照射面（以下、単に「照射面」とも呼ぶ）側の表層部分のみしか切断されていなかった。また、図４（ｂ）に示すように、レーザビームを２回照射した試験片においても、切断された領域は深くなったものの、試験片は完全には切断されなかった。一方、レーザビームを３回照射した試験片では、図４（ｃ）に示すように、試験片は完全に切断された。なお、図４（ａ）ないし図４（ｃ）では、矢印で示す切断部が毛羽立っているようにみえるが、この毛羽立ちは、側面の外観を観察した際に発生したものであり、切断したままの状態では、切断部に繊維の乱れは生じなかった。

［切断部の形態評価］
レーザビームを複数回照射して積層織布を切断した際の、切断部の形態を評価した。評価は、８プライの試験片に２回レーザビームを照射して試験片を切断した後、照射面と、切断部の断面（切断面）との外観を観察することにより行った。レーザ光源の種類とその発振条件、レーザビームの出力、および、レーザビームの走査速度は、照射回数と切断状況との関係を評価した際と同じである。

図５は、レーザビームを複数回照射して切断した際の切断部の外観を示す写真である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、照射面の外観、および、切断面の外観を示している。図５（ａ）から分かるように、切断部に繊維の乱れは生じなかった。また、試験片には、２回レーザビームを照射しているものの、切断幅の拡がりは見られず、ガルバノスキャナ１００（図２）によるレーザビームＬＢの走査精度は、十分に高いことが確認できた。さらに、図５（ｂ）に示すように、切断面では炭素繊維が密集し、切断部に繊維の乱れが生じていないことが確認できた。

［熱の影響の評価］
レーザビームを照射して切断した際の、積層織布に与えられる熱の影響を評価した。評価は、８プライの試験片を用いて、比較例としてレーザビームを１回照射して試験片を切断した場合と、実施例としてレーザビームを２回照射して試験片を切断した場合とで、切断部付近の照射面に現れる外観の変化を観察することにより行った。レーザ光源の種類とその発振条件、および、レーザビームの出力は、照射回数と切断状況との関係を評価した際と同一とした。レーザビームの走査速度は、レーザビームを１回照射して切断した際には、１回の照射で試験片が完全に切断できるように、４００ｍｍ／ｍｉｎとした。一方、レーザビームを２回照射して切断した際には、照射回数と切断状況との関係を評価した際と同じ７５０ｍｍ／ｍｉｎとした。

図６は、レーザビームの照射回数を変えて試験片を切断した際の切断部付近の外観を示す写真である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、レーザビームを１回照射して切断した試験片（比較例）と、レーザビームを２回照射して切断した試験片（実施例）との切断部付近の照射面の外観を示している。図６（ａ）および図６（ｂ）から分かるように、切断部の近傍で変色が見られる領域の拡がりは、レーザビームを１回照射して切断した比較例よりも、レーザビームを２回照射して切断した実施例の方が狭くなった。このことから、レーザビームを複数回照射して積層織布を切断することにより、プリフォームに対する熱の影響が低減されることを確認できた。

［レーザビームの複数回照射によるプリフォームの形成］
１６プライの試験片にレーザビームを複数回照射することにより、プリフォームが形成できることを確認した。具体的には、直径が３０ｍｍの円形の切断線に沿って、レーザビームを３回照射し、試験片を円形に切断した。レーザ光源の種類とその発振条件、および、レーザビームの出力と走査速度は、照射回数と切断状況との関係を評価した際と同じである。

図７は、円形に切断した際の試験片の外観を示す写真である。図７（ａ）は、切断線の外側の外観を示し、図７（ｂ）は、切断線の内側の外観を示している。図７（ａ）および図７（ｂ）から分かるように、切断線の内外のいずれにおいても、切断部の形態は良好な状態であることが確認できた。また、ガルバノスキャナ１００（図２）でレーザビームを走査することにより、高い寸法精度で積層織布を切断することが可能であることが確認できた。

このように、レーザビームを複数回照射して積層織布を切断することにより、切断対象の積層織布に対する熱の影響と、切断部の繊維の乱れを抑制としつつ、高い寸法精度で積層織布を切断することが可能であることが確認できた。また、ガルバノミラーを用いて、十分に高い精度でレーザビームを走査することにより、切断幅の拡がりを抑制することが可能であることが確認できた。

Ｂ１．炭素繊維織布の切断：
図８は、第２実施形態において、第１実施形態と同一の切断装置６０により積層織布１０を切断する様子を示す説明図である。第２実施形態は、切断線２０ａの形状が異なっている点と、テーブル２１０を移動させている点と、ガルバノスキャナ１００によるレーザビームＬＢの走査態様が異なっている点とで、第１実施形態と異なっている。他の点は、第１実施形態と同じである。なお、図８では、図示の便宜上、閉じた切断線２０ａの一部分のみを図示している。

第２実施形態では、ガルバノスキャナ１００のシャフト１１６，１２６を駆動制御してミラー１１２，１２２の少なくとも一方を回転振動させている。これにより、レーザビームＬＢの照射位置であるスポット（図示しない）は、切断線２０ａ上の切断点ＣＰを中心とし、切断線２０ａの接線方向（切断方向）に伸びる直線領域内で往復振動（往復移動）する。スポットを直線領域（以下、「往復領域」とも呼ぶ）内で往復振動させると、切断点ＣＰの近傍ではレーザビームＬＢが複数回照射されるので、積層織布１０が完全に切断される。そして、切断点ＣＰが目標切断線２２ａに沿って移動するようにテーブル２１０を移動させると、切断点ＣＰの移動した経路では、積層織布１０が完全に切断されるので、全切断線２６ａが形成される。なお、第２実施形態では、スポットを直線状の往復領域内で往復振動させているが、往復領域は、切断点ＣＰを含む線状領域であれば、直線状でなくとも良い。例えば、切断点ＣＰ近傍における切断線２０ａの一部分を往復領域とすることも可能である。また、切断点ＣＰは、往復領域内に位置していればよく、必ずしも往復領域の中間点である必要はない。

第２実施形態では、往復領域内におけるスポットをガルバノスキャナ１００により往復振動させている。そのため、往復振動の半周期分だけレーザビームＬＢを照射した場合、すなわち、レーザビームＬＢを１回照射した場合に、積層織布１０が切断されない程度までスポットの移動速度を速くすることができる。このように、１回のレーザビームＬＢの照射では積層織布１０が切断されない程度までスポットの移動速度を速くすることにより、スポットＳＰの位置、すなわち、レーザビームＬＢの照射位置への熱の流入量を抑制することができるので、プリフォームへの熱の影響を低減することができる。

このように、第２実施形態においても、レーザビームＬＢを複数回照射して積層織布１０を切断している。そのため、レーザビームＬＢの照射位置への熱の流入量を抑制することができるので、プリフォームに対する熱の影響を低減することができる。また、第２実施形態においても、レーザビームＬＢにより積層織布１０を切断しているので、高い寸法精度で積層織布１０を切断することが可能となる。

第２実施形態では、切断点ＣＰを、テーブル２１０を移動させることにより移動させている。一般に、テーブル２１０等の機械的移動装置の移動範囲は、ガルバノスキャナ１００等の走査装置によるレーザビームＬＢの走査範囲よりも広い。そのため、第２実施形態は、より広い範囲にレーザビームＬＢを照射して、より大きなプリフォームを切り出すことができる点で第１実施形態よりも好ましい。一方、第１実施形態は、ガルバノスキャナ１００によるレーザビームＬＢの走査のみでプリフォームを切り出すことができるので、制御がより容易となる点で、第２実施形態よりも好ましい。

なお、第２実施形態においても、ガルバノスキャナ１００に換えて、音響光学素子を使用した走査装置等の種々の走査装置を用いてレーザビームＬＢを走査しても良い。但し、ガルバノスキャナ１００は、その構造部の構造上、所定の方向（原点方向）を中心として往復走査することが容易にできる。そのため、レーザビームＬＢの走査は、ガルバノスキャナ１００を用いて行うのが好ましい。また、第２実施形態では、切断点ＣＰを移動させるためにテーブル２１０を移動させているが、テーブル２１０を移動させる代わりに、ガルバノスキャナ１００を移動させるものとしても良い。

Ｂ２．第２実施形態の実施例：
［切断した積層織布の状態評価］
第２実施形態の切断方法で切断した積層織布の状態を評価した。評価では、第１実施形態の実施例と同様にして準備した８プライの試験片（積層織布）を、直線状に切断した。レーザビームＬＢ（図８）の光源としては、連続発振するＣＯ_２レーザを用い、レーザビームＬＢの出力を２５０Ｗに調整した。そして、試験片を５ｍｍ／ｓで一方向に移動させるとともに、ガルバノスキャナ１００により、レーザビームＬＢのスポットを試験片の移動方向に沿って振幅１０ｍｍ、振動数１Ｈｚで往復振動させた。また、比較のため、スポットを往復振動させずに試験片を切断した。

図９は、連続発振するＣＯ_２レーザを用いて切断した試験片の外観を示す写真である。図９（ａ）は、切断部近傍における照射面の外観を示している。図９（ｂ）および図９（ｃ）は、それぞれ、スポットを往復振動させなかった場合（振動無）と、スポットを往復振動させた場合（振動有）とにおける切断部の側面の外観を示している。図９（ａ）から分かるように、切断部の近傍で変色が見られる領域の拡がりは、スポットを往復振動させなかった場合よりも、スポットを往復振動させた場合の方が狭くなった。このことから、スポットを往復振動させることにより、プリフォームに対する熱の影響が低減されることが確認できた。また、図９（ｂ）および図９（ｃ）から分かるように、スポットを往復振動させた場合においても、スポットを往復振動させなかった場合と同様に、完全に試験片を切断できることが確認できた。

図１０は、パルス発振するＣＯ_２レーザを用いて切断した試験片の外観を示す写真である。図１０（ａ）は、切断部近傍における照射面の外観を示し、図１０（ｂ）は、切断部の側面の外観を示している。図１０に示す試験片の切断条件は、ＣＯ_２レーザをパルス発振させている点と、レーザビームの出力を５００Ｗとした点で、図９に示す試験片の切断条件と異なっている。他の点は、図９に示す試験片の切断条件と同じである。なお、ＣＯ_２レーザのパルス発振条件は、パルス周波数を１５００Ｈｚとし、パルス幅を０．２μｓとした。

図１０（ａ）から分かるように、切断部の近傍で変色が見られる領域の拡がりは、スポットを往復振動させなかった場合よりも、スポットを往復振動させた場合の方が狭くなった。このことから、スポットを往復振動させることにより、プリフォームに対する熱の影響を低減されることが確認できた。また、往復振動の有無にかかわらず、ＣＯ_２レーザをパルス発振させることにより、連続発振させた場合よりも、変色領域の拡がりが狭く、プリフォームに対する熱の影響をより低減できることが分かった。これは、レーザビームをパルスとしたために、レーザビームの出力が高いにもかかわらず、平均的な熱の流入量が低減されたためと考えられる。また、図１０（ｂ）から分かるように、スポットを往復振動させた場合においても、スポットを往復振動させなかった場合と同様に、完全に試験片を切断できることが確認できた。

Ｃ１．ＣＦＲＰの切断：
第３実施形態は、積層織布１０（図８）の代わりにＣＦＲＰを切断する点で第２実施形態と異なっている。他の点は、第２実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。第３実施形態においても、スポットを往復振動させて、１回のレーザビームＬＢの照射ではＣＦＲＰが切断されない程度までスポットの移動速度を速くすることにより、スポットＳＰの位置、すなわち、レーザビームＬＢの照射位置への熱の流入量を抑制することができるので、ＣＦＲＰへの熱の影響を低減することができる。

また、第３実施形態における切断の対象は、炭素繊維を強化繊維として用い、マトリックス材として熱硬化性樹脂を用いたＣＦＲＰに限らず、種々の繊維強化樹脂としても良い。本発明は、例えば、炭素繊維を強化繊維として用い、マトリックス材として熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）、ガラス繊維を強化繊維として用い、マトリックス材として熱硬化性あるいは熱可塑性を用いたガラス繊維強化樹脂、および、アラミド繊維を強化繊維として用い、マトリックス材として熱硬化性あるいは熱可塑性を用いたアラミド繊維強化樹脂の切断に適用することも可能である。

Ｃ２．第３実施形態の実施例：
［試験片の準備］
第３実施形態の切断方法により切断したＣＦＲＰの状態を評価するため、切断対象のＣＦＲＰに相当する試験片を準備した。具体的には、まず、厚さが０．２ｍｍの炭素繊維が一方向に配列されたプリプレグを準備した。次いで、準備したプリプレグを、隣接するプリプレグの炭素繊維方向が互いに異なるように８枚積層して、疑似等方的なプリプレグの積層体（プリプレグ積層体）を得た。そして、得られたプリプレグ積層体を、厚さが０．２ｍｍのアルミ板で挟み込むことにより、試験片を得た。

［熱の影響の評価］
レーザビームを照射して切断した際の、熱の影響を評価した。評価は、比較例としてレーザビームをスポットを往復振動させずに切断した場合と、スポットを往復振動させて切断した場合とで、試験片の切断面に現れる外観の変化を観察することにより行った。レーザ光源としては、連続発振するシングルモードファイバレーザを用い、レーザビームの出力を２５０Ｗに調整した。そして、試験片を１０ｍｍ／ｓで一方向に移動させるとともに、ガルバノスキャナにより、レーザビームのスポットを試験片の移動方向に沿って振幅１０ｍｍ、振動数１Ｈｚで往復振動させた。また、比較のため、スポットを往復振動させずに試験片を切断した。

図１１は、試験片（プリプレグ積層体）を切断した際の切断面の外観を示す写真である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ、比較例としてスポットを往復振動させずに（振動無）切断した試験片と、実施例としてスポットを往復振動させて（振動有）切断した試験片との切断面の外観を示している。図１１（ａ）および図１１（ｂ）から分かるように、スポットの往復振動の有無にかかわらず、レーザビームの照射によりプリプレグ積層体は完全に切断された。一方、矢印で示す熱影響部の大きさは、スポットを往復振動させることにより小さくなった。このことから、スポットを往復振動させることにより、プリプレグ積層体（ＣＦＲＰ）に対する熱の影響が低減されることが確認できた。

このように、第３実施形態では、スポットを往復振動させることにより、レーザビームの照射位置への熱の流入量が抑制されるので、レーザビームを照射して切断する際の、切断対象であるＣＦＲＰに対する熱の影響を低減することができる。また、第３実施形態においても、レーザビームによりＣＦＲＰを切断しているので、高い寸法精度でＣＦＲＰを切断することが可能となる。

Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記各実施形態や各実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
第１および第２実施形態では、閉じた切断線２０，２０ａ（図２および図８）に沿って積層織布１０（図１）を切断することによりプリフォームを切り出している。しかしながら、本発明は、プリフォームを得るために閉じた切断線２０，２０ａに沿って切断する場合に限らず、積層織布を切断する場合一般に適用可能である。本発明は、例えば、積層織布の不要部分を除去するために、その周辺部の一部を切断する場合や、３次元的な形状を形成しやすくするためのプリフォーム中に切れ目を入れる場合、さらに、プリフォームを切り出すための積層織布を準備する際に、当該積層織布を予め適当な大きさに切断する場合等、種々の場合に適用することが可能である。

Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施形態では、切断対象を複数枚の炭素繊維織布を積層した積層織布１０（図１）としているが、切断対象は、この限りでない。第１および第２実施形態は、例えば、積層していない炭素繊維織布や、ガラス繊維の糸を織り上げたガラス繊維織布およびその積層体や、アラミド繊維の糸を織り上げたアラミド繊維織布およびその積層体等の、種々の強化繊維基材の切断に適用することも可能である。

１０…積層織布
２０，２０ａ…切断線
２２，２２ａ…目標切断線
２４…半切断線
２６，２６ａ…全切断線
３０…プリフォーム
３２…ＣＦＲＰ成形品
４０…下部金型
５０…上部金型
５２…吸引孔
５４…注入孔
６０…切断装置
１００…ガルバノスキャナ
１１０，１２０…ガルバノミラー
１１２，１２２…ミラー
１１４，１２４…ホルダ
１１６，１２６…シャフト
１１８，１２８…反射面
１３０…ｆ−θレンズ
２１０…テーブル
２２０…受治具
ＣＰ…切断点
ＬＢ…レーザビーム
ＳＰ…スポット

Claims (10)

1. 強化繊維基材の切断方法であって、
   前記強化繊維基材が切断される切断線にレーザビームを複数回照射することによって前記強化繊維基材を切断するレーザビーム照射工程を含む、
   強化繊維基材の切断方法。
2. 前記レーザビーム照射工程は、前記切断線に沿って前記レーザビームを複数回走査することにより、前記切断線に前記レーザビームを複数回照射する、請求項１記載の強化繊維基材の切断方法
3. 請求項１記載の強化繊維基材の切断方法であって、
   前記レーザビーム照射工程は、
   前記レーザビームの照射位置が、前記切断線上の切断点を含む線状領域を往復移動するように、前記レーザビームを走査する往復走査工程と、
   前記切断点を前記切断線に沿って移動させる切断点移動工程と、
   を含む、
   強化繊維基材の切断方法。
4. ガルバノスキャナによって前記レーザビームの走査を行う、請求項２または３記載の強化繊維基材の切断方法。
5. 前記レーザビームは、パルスビームである、請求項１ないし４のいずれか記載の強化繊維基材の切断方法。
6. 前記レーザビームの光源は、ＣＯ_２レーザである、請求項１ないし５のいずれか記載の強化繊維基材の切断方法。
7. 繊維強化樹脂の製造方法であって、
   請求項１ないし６のいずれか記載の方法により前記強化繊維基材を切断して、プリフォームを形成する工程と、
   前記プリフォームに樹脂を含浸させる工程と、
   を含む、
   繊維強化樹脂の製造方法。
8. 請求項１ないし６のいずれか記載の方法により前記強化繊維基材を切断して得られ、繊維強化樹脂の補強材として利用されるプリフォーム。
9. 請求項８記載のプリフォームと、マトリックス材としての樹脂と、を有する繊維強化樹脂。
10. 繊維強化樹脂の切断方法であって、
    レーザビームの照射位置が、前記繊維強化樹脂が切断される切断線上の切断点を含む線状領域を往復移動するように、前記レーザビームを走査する往復走査工程と、
    前記切断点を前記切断線に沿って移動させる切断点移動工程と、
    を含む、
    繊維強化樹脂の切断方法。