JP2017124570A - 湾曲形状繊維積層体の製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】しわなどの欠陥が無く、長手方向に連続した湾曲形状繊維積層体を効率よく製造することを実現する、湾曲形状繊維積層体の製造方法および装置を提供すること。【解決手段】湾曲形状繊維積層体の製造方法であって、前記湾曲形状の周方向に沿う長手方向繊維束Ａを複数本それぞれ独立したボビンから引き出し、前記長手方向繊維束Ａの上に前記長手方向繊維束と交差する繊維束Ｂを配置した後、円錐ローラまたはカーブコンベヤの少なくとも一方を用いて面内方向湾曲形状に変形し、固定することを特徴とした、湾曲形状繊維積層体の製造方法。【選択図】 図１

Description

本発明は湾曲形状繊維積層体の製造方法および装置に関する。

近年、航空機や自動車などの輸送用機器では機体の軽量化を進めるために、比剛性や比強度に優れた繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略すことがある。）の適用が拡大している。

航空機の胴体や翼など主要構造体の多くは曲面を多く有する形状をしている。それらの多くは外板と桁材を組み合わせたセミ・モノコック構造が採用されており、曲面形状をした外板に沿わせるために桁材は長手方向に湾曲した形状が必要となる。

湾曲した桁材をＦＲＰで成形する方法としては、例えば特許文献１に示すようなプリプレグシートを湾曲形状に変形させながら積層し、プレス成形する方法が知られている。しかしながら、プリプレグシートは面内方向のせん断変形が困難であるため、湾曲形状に変形させる際に容易にしわが発生し、成形品の機械的強度の低下を引き起こすことがある。

この問題を解決するために、例えば特許文献２に示すように強化繊維テープを湾曲させながら載置することによる湾曲形状繊維積層体の製造方法が知られている。この方法により、シート形状のプリプレグシートを湾曲形状への変形させる必要がなくなることから、シワ発生のリスクが低下し機械的強度の優れる湾曲形状成形品を作成することが可能となった。

しかしながら、このような方法により作成される湾曲形状繊維積層体の長手方向の長さは、載置装置の大きさに制限を受けるため、長手方向に連続した湾曲形状繊維積層体を作成することができないという課題があった。

特開２００５−５９２６０号公報 特開２０１１−１４３６１０号公報

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決しようとするものであり、しわなどの欠陥が無く、さらに長手方向に連続した湾曲形状繊維積層体を効率よく製造することを実現する、湾曲形状繊維積層体の製造方法および装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用するものである。すなわち、
（１）湾曲形状の周方向に沿う長手方向繊維束Ａを複数本それぞれ独立したボビンから引き出し（引き出し工程）、前記長手方向繊維束Ａの上に前記長手方向繊維束と交差する繊維束Ｂを配置した後（配置工程）、円錐ローラまたはカーブコンベヤの少なくとも一方を用いて面内方向湾曲形状に変形し（面内方向変形工程）、固定すること（固定工程）を特徴とする湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（２）湾曲形状の周方向に沿う長手方向繊維束Ａを複数本それぞれ独立したボビンから引き出し（引き出し工程）、前記長手方向繊維束Ａを円錐ローラまたはカーブコンベヤの少なくとも一方を用いて面内方向湾曲形状に変形した後（面内方向変形工程）、前記長手方向繊維束と交差する繊維束Ｂを配置し（配置工程）、固定すること（固定工程）を特徴とする湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（３）前記長手方向繊維束Ａと交差する繊維束Ｂは、別工程で複数本整列させた後、前記長手方向繊維束Ａの上に搬送されることを特徴とする（１）または（２）に記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（４）前記長手方向繊維束Ａと交差する繊維束Ｂは、前記長手方向繊維束Ａの上に直接配置されることを特徴とする（１）または（２）に記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（５）前記固定工程が樹脂組成物による熱接着、ステッチ、タフティングにより選ばれる一つ以上の手段により行われることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（６）前記固定工程の前に、前記湾曲形状の周縁に沿って繊維積層体を折り曲げる工程（折り曲げ工程）を含む（１）〜（５）のいずれかに記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（７）前記長手方向繊維束Ａおよび交差繊維束Ｂは、表面の少なくとも一部に樹脂組成物が点状、線状または不連続状に付着していることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
（８）少なくとも、それぞれ独立したクリール、前記クリールから引き出された繊維束Ａ上に、該繊維束Ａと異なる方向に繊維束Ｂを配置する繊維配置手段、前記繊維束Ａおよび前記繊維束Ｂとを湾曲させ、所定の形状に変形させる変形手段、並びに、前記繊維束Ａおよび前記繊維束Ｂとを固定する固定手段とを具備した湾曲形状繊維積層体の製造装置。
である。

本発明によれば、しわなどの欠陥が無く、長手方向に連続した湾曲形状繊維積層体を効率よく作成することが可能となり、表面品位および機械強度に優れる湾曲形状繊維積層体を得ることができる。

本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の一実施態様を説明するための概略平面図である。 本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の一実施態様を説明するための概略側面図である。 本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の別の一実施態様を説明するための概略平面図である。 本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の別の一実施態様を説明するための概略平面図である。 本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の別の一実施態様を説明するための概略平面図である。 本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の別の一実施態様を説明するための概略平面図である。 本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法によって作成される湾曲形状繊維積層体の一例を説明するための概略平面図である。

以下、本発明の最良の実施形態の例を湾曲形状繊維積層体の製造装置を適用した場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。

図１において、長手方向繊維束Ａ１００はクリール２００から引き出され、引き揃えローラ２２０によって並行に引き揃えられる。長手方向繊維束Ａ１００と交差する繊維束Ｂ１１０は、上記長手方向繊維束Ａの引き出し工程とは別の場所で繊維束配置装置２１０によって所望の形状に複数本整列された後、並行に引き揃えられた長手方向繊維束Ａ１００の上に搬送される。長手方向繊維束Ａ１００および交差繊維束Ｂ１１０は円錐ローラ２３０によって面内方向に変形され仮固着繊維積層体１２０を形成し、折り曲げ装置２４０により３次元的形状が付与された後、形状固定装置２５０により最終目標形状である湾曲形状繊維積層体１３０が形成される。

得ようとする湾曲形状繊維積層体１３０の厚さが大きい場合等、長手方向繊維束Ａ１００が多量に必要な場合には、図２に示すように、クリール２００〜円錐ローラ２３０に至る製造工程を複数設置し、折り曲げ装置２４０の直前で積層一体化させることも可能である。なお、積層一体化させるタイミングは、図２に示すような折り曲げ装置２４０の直前に限定されるものではなく、長手方向繊維束Ａ１００の必要量、円錐ローラ２３０の変形許容量等によって適宜調整することができる。

また、図１に示す湾曲形状繊維積層体の製造装置以外にも、以下に述べるような態様を各種適用することができる。例えば、図３に示す製造装置において、長手方向繊維束Ａ１００はクリール２００から引き出され、引き揃えローラ２２０によって並行に引き揃えられる。長手方向繊維束Ａ１００と交差する繊維束Ｂ１１０は、長手方向繊維束Ａ１００の上に直接配置される。長手方向繊維束Ａ１００および交差繊維束Ｂ１１０は円錐ローラ２３０によって面内方向に変形され仮固着繊維積層体１２０を形成し、折り曲げ装置２４０により３次元的形状が付与された後、形状固定装置２５０により最終目標形状である湾曲形状繊維積層体１３０が形成される。

また、図４に示す製造装置において、長手方向繊維束Ａ１００はクリール２００から引き出され、引き揃えローラ２２０によって並行に引き揃えられた直後に円錐ローラ２３０によって湾曲形状に変形される。長手方向繊維束Ａ１００と交差する繊維束Ｂ１１０は、上記長手方向繊維束Ａの引き出し工程とは別の場所で繊維束配置装置２１０によって所望の形状に複数本整列された後、湾曲形状に引き揃えられた長手方向繊維束Ａ１００の上に搬送される。長手方向繊維束Ａ１００および交差繊維束Ｂ１１０は仮固着繊維積層体１２０を形成し、折り曲げ装置２４０により３次元的形状が付与された後、形状固定装置２５０により最終目標形状である湾曲形状繊維積層体１３０が形成される。

さらに、図５に示す製造装置において、長手方向繊維束Ａ１００はクリール２００から引き出され、引き揃えローラ２２０によって並行に引き揃えられた直後に円錐ローラ２３０によって湾曲形状に変形される。長手方向繊維束Ａ１００と交差する繊維束Ｂ１１０は、上記長手方向繊維束Ａの上に直接配置される。長手方向繊維束Ａ１００および交差繊維束Ｂ１１０は仮固着繊維積層体１２０を形成し、折り曲げ装置２４０により３次元的形状が付与された後、形状固定装置２５０により最終目標形状である湾曲形状繊維積層体１３０が形成される。

本発明において長手方向繊維束Ａ（以下「繊維束Ａ」と記すことがある）および前記長手方向繊維束Ａと交差する繊維束Ｂ（以下「繊維束Ｂ」と記すことがある）とは、ボビンに巻かれた長繊維形態のものを用いることができる。繊維束Ａおよび繊維束Ｂは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの強化繊維であることが好ましく、中でも、炭素繊維は、比強度および非弾性率に優れ、さらに耐吸水性にも優れているので、特に好ましく用いられる。ただし２種類以上の強化繊維を含むことも可能である。

さらに繊維束Ａおよび繊維束Ｂの表面の少なくとも一部に樹脂組成物を付着させたものを用いることが好ましい。樹脂組成物は、常温では粘着性を有さないが加熱することにより軟化し、繊維束Ａおよび繊維束Ｂを固着できることが好ましい。具体的にはガラス転移温度が５０乃至２００度の範囲であることが好ましく、熱可塑性樹脂としては、ポリ酢酸ビニル、ポリカーボネイト、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロースなど、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などおよびそれらの混合物を使用することができる。

樹脂組成物の付着形態は、点状、線状または不連続状である方が、ＦＲＰ成形する際にマトリックス樹脂が含浸しやすいため好ましい。点状に付着させるためには、粉体形状の樹脂材料を強化繊維基材の表面に散布し熱融着させるとよい。また、線状または不連続線状に付着させるためには、不織布や織物などの連続繊維からなる布帛を基材の表面に貼り合わせた後、熱融着させるとよい。

また樹脂組成物の付着量は、２ｇ／ｍ^２未満であると繊維束Ａと繊維束Ｂの仮固着の際に十分な固着性が発現されない。一方、４０ｇ／ｍ^２より多いと、付着量が多すぎて繊維束が剛直となり、湾曲形状への変形工程の際にしわなどの欠陥が生じやすくなる。したがって２ｇ／ｍ^２以上４０ｇ／ｍ^２未満であることが好ましい。

繊維束Ａおよび繊維束Ｂの幅は特に限定されるものではないが、取り扱いの観点から１ｍｍ以上１００ｍｍ未満であることが好ましく、湾曲形状など複雑な形状への追従性を考慮した場合は２ｍｍ以上５０ｍｍ未満であることがより好ましい。

続いて、本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法の各工程について説明する。

（引き出し工程）
繊維束Ａの引き出し工程においては、クリール２００に架けられた複数の繊維束Ａ１００は、引き揃えローラ２２０に沿って引き出される。繊維束Ａの引き出し方向は特に限定されるものではなく、湾曲形状繊維積層体に要求される強度等に応じて適宜選択することができる。なかでも、複数の繊維束Ａ１００が、引き揃えローラ２２０に沿って並行に引き出されることが好ましい。このように引き揃えることで、長手方向に対して所望の強度を容易に発現することが可能となる。一方、図４や図５に示すように、引き揃えローラ２２０の直後に円錐ローラ２３０を設置する場合には、円錐ローラ２３０によって湾曲された繊維束Ａ１００は、湾曲した状態で並行（同心円状）であることも好ましい態様である。引き揃えローラ２２０は、変形工程の周長差に伴う繊維束Ａ１００それぞれの引き出し速度差に対応するため、１列ごとに独立して回転する溝付ローラを使用するのが好ましい。繊維束Ａは連続的または間欠的に引き出してもよい。引き出す動力としては、駆動ローラやコンベヤを用いることができるが、後の面内方向変形工程と同一装置にする場合、円錐ローラやカーブコンベヤが好ましく用いられる。

（配置工程）
繊維束Ｂの配置工程において、図１および図４では繊維束Ａの引き出し工程とは別の場所で繊維束Ｂ１１０を複数本整列させた後に引き揃えられた繊維束Ａ１００の上に配置する例を示している。この場合、繊維束Ｂ１１０を整列させる繊維束配置装置２１０は、繊維束を自動的に配置するヘッドが２次元平面上を自由に動くことができ、所望の位置や角度に正確に繊維束Ｂを整列させることができるオートメーションファイバープレイスメント装置（ＡＦＰ）を好ましく用いることができる。繊維束配置装置２１０装置により複数本整列させられた繊維束Ｂ１１０は、吸引搬送装置や静電吸着板など（図示せず）を用いることによって、整列させた形態を崩すことなく引き揃えられた繊維束Ａ１００の上に配置することができる。

図３および図５は、引き揃えられた繊維束Ａ１００の上に繊維束Ｂ１１０を直接配置する例を示している。「直接配置」とは繊維束Ａの引き出し工程と同じ場所で配置工程を行うことであり、この場合、繊維束Ｂ１１０を整列させる繊維束配置装置２１０は、引き揃えられた繊維束Ａ１００の上を決められた軌跡に沿ってヘッドが往復し、１本ずつもしくは複数本同時に繊維束Ｂ１１０を配置する比較的単純な装置を用いることができる。

また図１および図３は、面内方向変形工程の前に繊維束Ｂ１１０の配置工程を行う例を示しており、繊維束Ｂ１１０は変形工程での周長差を考慮した形状に整列および配置することが好ましい。

図４および図５は、面内方向変形工程の後に繊維束Ｂ１１０の配置工程を行う例を示しており、湾曲形状に引き揃えられた繊維束Ａ１００の形状を崩さないために、カーブドコンベヤ２６０上で繊維束Ｂ１１０の配置を行い、その後に円筒ホットローラ２３０でプレスすることで仮固着繊維積層体１２０を形成することが好ましい。

また図６は、上記の繊維束Ｂの配置方法を組み合わせた例の一つを示している。このことにより異なる配向の繊維束Ｂを配置したり、また図７に示すように繊維束Ｂ１１０を補いたい部分に配置することも可能である。

（面内方向変形工程）
面内方向変形工程において、図１および図３では、繊維束Ａ１００とその上に配置された繊維束Ｂ１１０を同時に円錐ローラ２３０によって面内方向湾曲形状に変形することができる。繊維束Ａ１００は、湾曲させようとする仮固着繊維積層体１２０の周方向に沿うように、円弧状に配置することが好ましく、繊維束Ａ１００を複数配置する場合には、同心円状となるように並行に配置することが好ましい。このように配置すると、面内方向において撓み等が生じることなく、繊維束Ａ１００の長手方向に沿って所望の強度等を容易に発現することが可能となる。この際、円筒ローラ２３０がホットローラであると、繊維束Ａおよび繊維束Ｂの表面の少なくとも一部に付着した樹脂組成物が融解・固着することで形態安定性が増した仮固着繊維積層体１２０を形成することから好ましい。

図３および図５では繊維束Ａ１００のみの変形であり、湾曲形状に引き揃えられた繊維束Ａ１００の形状を崩さないために、カーブドコンベヤ２６０を併用することが好ましい。また湾曲形状に引き揃えられた繊維束Ａ１００上に繊維束Ｂ１１０を配置した後は円筒ホットローラ２３０でプレスすることで仮固着繊維積層体１２０を形成することが好ましい。

（折り曲げ工程）
折り曲げ工程では、仮固着繊維積層体１２０を１層もしくは図２に示すように複数層を折り曲げ装置２４０に導入し、Ｃ型・Ｉ型・Ｌ型・Ｔ型・Ｚ型など種々の桁材形状に折り曲げ、３次元的形状を付与することができる。折り曲げる形状は特に限定されるものではないが、仮固着繊維積層体１２０の周縁部に沿って折り曲げると、上記のような立体的形状を成形することができる。

（固定工程）
最後に、形状固定工程では、樹脂組成物による熱接着、ステッチ、タフティングにより選ばれる一つ以上の手段により行われることで、最終目標形状である湾曲形状繊維積層体を形成することができる。熱接着ではホットローラのような比較的簡便な装置を用いることができ、ステッチやタフティングでは面外方向の補強効果も得ることができる。

本発明の湾曲形状繊維積層体の製造方法および装置は、長手方向に連続した湾曲形状繊維積層体を製造することに好適なものである。例えば、航空機の胴体フレームやストリンガーに限らず、自動車構造部材や建材などの分野に応用可能であるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。

１００ 長手方向繊維束Ａ
１１０ 交差繊維束Ｂ
１２０ 仮固着繊維積層体
１３０ 湾曲形状繊維積層体
２００ クリール
２１０ 繊維束配置装置
２２０ 引き揃えローラ
２３０ 円錐ローラ
２４０ 折り曲げ装置
２５０ 形状固定装置
２６０ カーブコンベア

Claims (8)

1. 湾曲形状の周方向に沿う長手方向繊維束Ａを複数本それぞれ独立したボビンから引き出し（引き出し工程）、前記長手方向繊維束Ａの上に前記長手方向繊維束と交差する繊維束Ｂを配置した後（配置工程）、円錐ローラまたはカーブコンベヤの少なくとも一方を用いて面内方向湾曲形状に変形し（面内方向変形工程）、固定すること（固定工程）を特徴とする湾曲形状繊維積層体の製造方法。
2. 湾曲形状の周方向に沿う長手方向繊維束Ａを複数本それぞれ独立したボビンから引き出し（引き出し工程）、前記長手方向繊維束Ａを円錐ローラまたはカーブコンベヤの少なくとも一方を用いて面内方向湾曲形状に変形した後（面内方向変形工程）、前記長手方向繊維束と交差する繊維束Ｂを配置し（配置工程）、固定すること（固定工程）を特徴とする湾曲形状繊維積層体の製造方法。
3. 前記長手方向繊維束Ａと交差する繊維束Ｂは、別工程で複数本整列させた後、前記長手方向繊維束Ａの上に搬送されることを特徴とする請求項１または２に記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
4. 前記長手方向繊維束Ａと交差する繊維束Ｂは、前記長手方向繊維束Ａの上に直接配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
5. 前記固定工程が樹脂組成物による熱接着、ステッチ、タフティングにより選ばれる一つ以上の手段により行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
6. 前記固定工程の前に、前記湾曲形状の周縁に沿って繊維積層体を折り曲げる工程（折り曲げ工程）を含む請求項１〜５のいずれかに記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
7. 前記長手方向繊維束Ａおよび交差繊維束Ｂは、表面の少なくとも一部に樹脂組成物が点状、線状または不連続状に付着していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の湾曲形状繊維積層体の製造方法。
8. 少なくとも、それぞれ独立したクリール、前記クリールから引き出された繊維束Ａ上に、該繊維束Ａと異なる方向に繊維束Ｂを配置する繊維配置手段、前記繊維束Ａおよび前記繊維束Ｂとを湾曲させ、所定の形状に変形させる変形手段、並びに、前記繊維束Ａおよび前記繊維束Ｂとを固定する固定手段とを具備した湾曲形状繊維積層体の製造装置。