JP2018149729A - 繊維束貼付装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 予め樹脂が含浸された繊維束を被貼付面に貼付て繊維強化プラスチック成形品を製造するのに際して、輻射加熱手段の出力を下げることが可能となり、ひいてはその初期費やランニングコストを低減する繊維束貼付装置を提供すること。
【解決手段】 少なくとも一部に予め樹脂が含浸された繊維束を加熱及び／又は加圧しながら被被貼付面に貼付る貼付ヘッドを有する繊維束貼付装置であって、該貼付ヘッドは、該繊維束及び／又は該貼付面を加熱する複数種類の加熱手段を有し、該複数種類の加熱手段の少なくとも一つは輻射加熱手段であり、該複数種類の加熱手段の他の少なくとも一つは、熱風加熱手段であることを特長とする繊維束貼付装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、予め樹脂が含浸された繊維束を被貼付面に貼付ることにより、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形品を製造する装置及び技術に関わるものである。

炭素繊維等の繊維束に、予め樹脂を含浸させテープ状としたものをプリプレグテープ、ＵＤテープなどと呼ぶことが多い。厳密にではないが当該樹脂が半硬化の熱硬化性のものである場合はプリプレグテープ、熱可塑性のものである場合はＵＤテープと呼ぶることが多く、本明細書でもこの定義に依るものとする。

これらプリプレグテープ、ＵＤテープは、複合材成形に当たっての中間素材として用いられることが多い。

例えば、プリプレグテープ、ＵＤテープを一軸まわりに回転している芯材（マンドレルなどと呼ばれることが多い）に張力をかけながら巻き付けて行き、所望の外形形状となった段階でマンドレルから取り外して、成形を行う製法がある。これはテープワインディング、フィラメントワインディングと呼ばれる製法の一種である。

また、プリプレグテープ、ＵＤテープを加熱および加圧しながら、被貼付面に貼り付けていき、所望の形状の複合材の成形を行う製法がある。この製法は、ＡＴＬ（Ａｕｔｏ Ｔａｐｅ Ｌａｙｕｐ）、ＡＴＷ（Ａｕｔｏ Ｔａｐｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、ＡＦＰ（Ａｕｔｏ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）など種々の呼称があるが、本明細書に於いてはＡＴＬに統一する。そして、ＡＴＬに依る繊維束貼付装置をＡＴＬ装置と呼ぶこととする。

また、プリプレグテープ、ＵＤテープを被貼付面に対し１層のみ貼付る場合と、被貼付面上に複数層に渡って積層貼付する場合もある。尚、当然であるが、複数層の積層を行う場合、最下層を除いてプリプレグテープ、ＵＤテープは既に貼付られたこれらのうえにさらに重ねて貼付られることとなる。

前者の例として、熱可塑又は熱硬化性樹脂の成型品の部分的な補強や剛性向上、表面保護などの目的で所定の箇所に所定の長さのプリプレグテープ、ＵＤテープを貼付る場合がある。

後者の例として、テープワインディングなどの製法と同様に、プリプレグテープ、ＵＤテープをマンドレルに積層して何層も貼り付けていき、所望の厚み、形状となった段階でそれから取り外し、所望の形状を得る製法がある。
この様な製法で所望の形状が得られると、プリプレグテープの場合は完全硬化の為に、オートクレーブなどと称される減圧加熱槽によって加熱して熱硬化を完全なものとし、成型品が完成する。

ＵＤテープの場合には、熱可塑樹脂であるため後工程での加熱等は不要で、貼付工程のみで複合材としての成形が完成する場合が多い。

ＡＴＬ装置においては、プリプレグテープやＵＤテープを被貼付面に貼付る動作に当たっては、プリプレグテープやＵＤテープを少なくとも一時的に保持し、プリプレグテープやＵＤテープの被貼付経路に沿って被貼付面に対し相対的に移動しつつ、加熱及び加圧しながらプリプレグテープやＵＤテープを貼付けていく、ＡＴＬヘッドを用いることが多い。

また、被貼付面は自由曲面であることが望まれ、したがってＡＴＬヘッドの動作も３次元的な（併進、回転の）多自由度を要求されることが多い。従って、ＡＴＬヘッドは多関節ロボットに取り付けられたり、直交および回転移動系を組み合わた、いわゆるガントリ構造体に取り付けられることが多い。

特表２０１４−５１１７８１号公報

さて、上記の様なＡＴＬヘッドにはプリプレグテープやＵＤテープ、または被貼付面をも加熱するための加熱手段が必要である。前述の通りＡＴＬヘッドは被貼付面に対して相対的に移動するものであるから、被貼付面の加熱に当たっては非接触の加熱が好ましい、
このため、この加熱源としては、非接触の特長を生かしてレーザーやＩＲランプなどの輻射光源が用いられることが多い。

しかしながら、レーザー光源は高出力かつ高エネルギー密度でその出力制御も容易という特長があるものの、発振管、光ファイバ（導光管）、光学系、電源、制御装置など含めて高価なものとならざるを得ず、また、発振管等定期交換部品も多く、初期費やランニングコストとも高価なものとなるという問題があった。

また、レーザー（に限らず波長が可視領域にある輻射光源）の場合、特に被貼付面の色や光沢度合いなど表面状態によってその吸収能が異なり。加熱効率が変わるという問題もある。

また、ＩＲランプはレーザー光源に比べればエネルギー密度が低いいため加熱効率も低い場合が多い。このことは貼付速度の向上が困難であるという問題に繋がっていた。したがって、十分な加熱効率（貼付速度）を得ようとすると、大出力のＩＲランプを使わざるを得ず、レーザー光源程ではないもののやはり高価なものとなるという問題があった。

一方、実質的に非接触の加熱方式として高温の気体による加熱（熱風加熱）がある。これはノズル等から高温の気流を被加熱物に拭き付け局所的な加熱を行うものである。この熱風加熱は構造が単純でレーザー光源、ＩＲランプに比べて大幅に安価ではあるものの、レーザー光源等の輻射加熱に比べると、被加熱物の加熱温度の制御性に劣るという問題がある。これは、電熱等の加熱源により気体が加熱され、それが被加熱物表面に吹き付けられて、被加熱物が加熱されるという２段階のエネルギー移動であるためである。

上記課題に鑑みて、本願発明に依れば、少なくとも一部に予め樹脂が含浸された繊維束を加熱及び／又は加圧しながら被被貼付面に貼付る貼付ヘッドを有する繊維束貼付装置であって、該貼付ヘッドは、該繊維束及び／又は該貼付面を加熱する複数種類の加熱手段を有し、該複数種類の加熱手段の少なくとも一つは輻射加熱手段であり、該複数種類の加熱手段の他の少なくとも一つは、熱風加熱手段であることを特長とする繊維束貼付装置が提供される。

本願発明の好ましい態様に於いては於いては、前記熱風加熱手段に依る前記繊維束及び／又は前記被貼付面の加熱負担割合が、前記輻射加熱手段のそれよりも大きいことを特長とする繊維束貼付装置が提供される。

本願発明の別の好ましい態様に於いては於いては、前記貼付ヘッドが、前記貼付面及び／又は前期繊維束の表面温度測定手段をさらに有し、該表面温度測定手段の測定結果に基き、前記輻射加熱手段の出力を制御する制御手段をさらに有することを特長とする繊維束貼付装置が提供される。

本願発明の別の態様に於いては於いては、前記熱風加熱手段より噴出せらるる熱風が不活性ガスを含むものであることを特長とする繊維束貼付装置が提供される。

本願発明のさらに別の態様に於いては於いては、前記繊維束が炭素繊維を含むものであること特長とする繊維束搬送装置が提供される。

本願発明のさらに別の態様に於いては於いては、前記樹脂が熱可塑性樹脂を含むものであること特長とする繊維束搬送装置が提供される。

請求項１および２に記載の発明においては、輻射加熱手段と熱風加熱手段を併用することにより、輻射加熱手段の出力を下げることが可能となり、ひいてはその初期費やランニングコストを低減できるという効果が得られる。

請求項３に記載の発明によっては、表面温度測定手段の測定結果に基き、制御性に優れる輻射加熱手段の出力を制御することにより、被加熱物の加熱制御性に優れたＡＴＬ装置が実現できる。

請求項４に記載の発明によっては、熱風が不活性ガスを含むものであるため、多くは可燃物である、被加熱面や繊維束が発火の危険性を低減できる。

請求項５及び６の発明においては、炭素繊維や熱可塑性のＵＤテープに適用できるＡＴＬ装置が実現できる。

本願発明に依るＡＴＬ装置の一実施態様を示す図である。 ＡＴＬヘッドの構成を示す図である。 本願発明に依るＡＴＬ装置の貼付動作を説明する図である。 繊維束供給手段からＡＴＬヘッドへの繊維束の受け渡しを説明する図である。 ＡＴＬヘッドとワークの相対位置関係を示す図である。 ＡＴＬヘッドとワークの相対位置関係を示す図である。

以下図１以下参照して、本願発明の実施態様を説明する。

図１は本願発明に依るＡＴＬ装置１の全体を示す図である。ＡＴＬ装置１は多関節ロボット２、多関節ロボットのアーム２ａ先端に設けられたＡＴＬヘッド３、ＡＴＬヘッド３に予め切断された繊維束Ａを供給する繊維束供給手段４、繊維束Ａを収容する繊維束収容手段たる供給台13、被貼付面５ａを有するワーク５、ワーク５を載持するワーク台６等からなる。

本実施態様に於いてワーク５は熱可塑性樹脂の射出成型品で、その表面に同じ熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維束から成る裁断済みのＵＤテープＡを貼付けて、ワーク５を補強することが貼付の目的である。当然の如く、ワーク５の形状、及び、ＵＤテープＡを貼り付ける位置、貼付る長さは設計的に予め定まっている。

多関節ロボット２としては市販の汎用産業用ロボットを用いることが出来る。多関節ロボット２のアーム２ａ先端にＡＴＬヘッド３が取り付けられる。

ＡＴＬヘッド３は、ベース材７に輻射加熱手段たる赤外線ランプ８と熱風加熱手段たる熱風ノズル18、フィーダ９、繊維束をワーク５の被貼付面５ａとの間に挟持押圧しつつ繊維束を被貼付面５ａに貼り付ける押圧手段10、非接触の温度センサ17等を有している。（図２も参照）熱風ノズル18はそれ自体にヒータを内蔵しており、図示しない供給系から供給された窒素ガスを加熱しノズル先端より噴出する。尚窒素ガスの替わりに炭酸ガスを用いることも出来る。

赤外線ランプ８は、図示しない反射板やレンズ等の光学系を有し、図２中Ｂで示す貼付ポイントのやや上流側を狙い、図中両矢印Ｃで示す領域に赤外線を集光することでその領域内に存在する被貼付面５ａを主として加熱する。

熱風ノズル18はその先端より所定温度、所定流量の加熱窒素ガスを噴出する。図５に示すように貼付ポイントＢよりもやや上流、凡そ図中矢印Ｅで示す領域に加熱窒素ガスが噴出され、熱風ノズル18も主として被貼付面５ａを加熱する。

ＵＤテープＡを保持搬送するフィーダー９内は、１組の搬送ベルト対11を有し、ＵＤテープＡは搬送ベルト11a、11b間を挟持搬送される。搬送ベルト11a、11b内にもヒーター12a、12bが存在し、搬送ベルト11a、11bを所定温度に予熱することが出来る。予熱された搬送ベルト11a、11b間をＵＤテープＡが搬送されることで、ＵＤテープＡが貼付ポイントＢに到達する前に、所定温度にまでＵＤテープＡを予備加熱することも可能である。尚この予備加熱は必須のものではなく、ＵＤテープＡやワーク５の材質、厚さ等によっては不要の場合もある。

押圧手段10は、被貼付面５ａとの間にＵＤテープＡを挟持押圧しつつＵＤテープＡを被貼付面５ａに貼付る押圧ローラ10a、押圧ローラ10aの押圧源たるエアシリンダ10ｂを具備する。

繊維束供給手段４は、予め所定長さに裁断されたＵＤテープＡが積載される供給台13（繊維束収容手段に相当）、供給台13からＵＤテープＡを１本ずつピックアップするピックアップハンド14、ピックアップハンド14を鉛直方向および水平方向に移動させるガントリ軸15及び16とから成る。

ピックアップハンド14は、真空吸着チャック14ａを複数有し、該真空吸着チャック14ａにより供給台13上に積載されたＵＤテープＡを１本だけピックアップする。

次に、図３を用い本ＡＴＬ装置１に依るＵＤテープＡの貼付動作を順に説明する。尚貼付動作の説明に直接関係のない部材に関しては部番表記を省略している。

まず図３に示す様に、ガントリ軸15及び16の動作により、ピックアップハンド14が、供給台13上のＵＤテープＡを１本だけピックアップする。このとき図３でわかるようにＵＤテープＡの両端（少なくとも一端）が、ピックアップハンド14の両端より延在方向に突き出た状態で、真空チャック14ａがＵＤテープＡを吸着しピックアップする。

次にピックアップハンド14が受渡位置にまで移動する。受渡位置においてピックアップハンド14が保持するＵＤテープＡをＡＴＬヘッド３内のフィーダー９に受け渡す。尚、受け渡し位置は、ガントリ軸15および16によるピックアップハンド14の可動領域と、多関節ロボット２に依るＡＴＬヘッド３の可動領域の共通領域内であれば特にその位置に制限はない。

受け渡し位置において、図４に模式的に示す様にＡＴＬヘッド３内のフィーダー９の挿入口20に、ピックアップハンド14が保持するＵＤテープＡの一端が若干挿入される様に、に多関節ロボット２が動作する。ＵＤテープＡの一端が所定長さまでフィーダ９に挿入されると、真空チャック14ａの吸着が加除され、ＵＤテープＡがＡＴＬヘッド３に受け渡される。同時にフィーダー９が作動し、ＵＤテープＡを所定の待機位置まで搬送する。

再び多関節ロボット２を動作させ貼付開始位置までＡＴＬヘッド３を移動させる。続けて多関節ロボット２を動作させ、押圧ローラ10aを被貼付面５ａに押し付ける。このとき、押圧ローラ10aが被貼付面５ａに接触するタイミングに合わせてフィーダー９が動作し、丁度ＵＤテープＡの先端が押圧ローラ10aと被貼付面５ａ間に挟まるようにＵＤテープＡを搬送する。このとき、赤外線ランプ８と熱風ノズル18もこのタイミングに同期して点灯及び動作開始し、被貼付面５ａの加熱を開始する。

ＡＴＬヘッド３はＵＤテープＡの貼付経路に沿って、ワーク５の貼付面５ａ上を移動及び首振り動作しつつＵＤテープＡを被貼付面５ａに貼り付けていく。（図１に示す状態である）その間もフィーダ９は作動しておりＵＤテープＡを貼付ポイントＢに向けて搬送、供給する。

ＵＤテープＡがその後端まで貼り終わると、赤外線ランプ８が消灯、熱風ノズル18の動作が停止し、多関節ロボット１の動作により押圧ローラ10aと被貼付面５ａの押圧が解除され、１本のＵＤテープＡの貼付が完了する。

以下、同じ動作が繰り返され、被貼付面５ａ上にＵＤテープＡが貼付られていく。

さて、ＡＴＬヘッド３は、その押圧ローラ10aが常に貼付面５ａに対し直交する方向（法線方向）からＵＤテープＡを介して非貼付面５aを押圧する様にいわゆる首振り運動する（図６参照）。従って図６に示すように、ワーク５の貼付面５ａの凹凸（傾斜方向)によって、ワーク５とＡＴＬヘッド３の相対位置関係が変化する。このため、赤外線ランプ８や熱風ノズル18から貼付面５aまでの距離も若干変化する。よって、わずかではあるが赤外線ランプ８からの赤外線やノズル18からの熱風に依る加熱効率、具体的には非貼付面５aの加熱到達温度が変化する。

加熱到達温度は非接触の温度センサ17で測定しており、該温度センサ17の出力を、赤外線ランプ８の出力制御装置や熱風ノズル18の制御装置（いずれも図示せず）にフィードバックしてそれらの出力を調整し、加熱到達温度の変化分を補償することは原理的には可能である。

しかし前述したように、熱風ノズル18は被加熱物の加熱温度の制御性に劣るという問題がある。このため、熱風ノズル18に温度測定結果をフィードバックして加熱到達温度の変化を補償しようとしても十分な応答性が得られない場合が多い。

したがって、温度センサ17の温度測定結果は応答性に優れる赤外線ランプ８にのみ、または、優先的にフォードバックさせて赤外ランプ８の出力を制御することで、加熱到達温度の変化を補償する。

さらに、本態様に於いては加熱源として熱風加熱手段たる熱風ノズル18と輻射加熱手段たる赤外線ランプ８を併用して、主として被貼付面５ａ表面を加熱しているわけであるが、その加熱の負担割合は、熱風ノズル18のそれが赤外線ランプ８のそれよりも大きくしておくとよい。

これは端的に説明すると被貼付面５ａを室温から２００℃加熱する必要があるときに、例えば１５０℃相当分を熱風ノズル18等の熱風加熱手段で、残り５０℃相当分を赤外線ランプ８等の輻射加熱手段が負担するように、各々の出力を設定することを意味する。
この様に比較的安価な熱風加熱手段の負担割合を大きくして、高価な輻射加熱手段の負担割合を小さくすれば、比較的安価な低出力の輻射加熱手段を使用することができ、結果装置全体のコストアップが抑制できる。

この様な負担割合の設定によるは結果装置全体のコストアップの抑制効果は、被貼付面が白色系、高光沢など、輻射エネルギーの吸収の低い表面を持つものの場合に特に効果的である。

なお、この負担割合は、例えば、同一条件（速度、ワーク、ＵＤテープなど）で貼付動作を行い、輻射加熱手段のみを作動させたときの到達温度と、熱風加熱手段のみを作動させたときの到達温度を測定、比較することにより決定できる。
本態様においては、繊維束供給手段４にガントリ構造体を用いているが、代わりに多関節ロボットを用いても構わない。

さて、本願発明においては、予め繊維束を所定長さに裁断する裁断工程が必要であるが、これは各種公知の裁断装置が使用できる。さらに、ＡＴＬヘッド３内に裁断機構が不要であるので、ＡＴＬヘッド３の軽量化、簡素化にも繋がり好適である。

繊維束収容手段（供給台13）への裁断した繊維束Ａの供給工程も必要であるが、これは人手で行っても構わないし、また、各種公知の自動搬送装置、機構とを用いるとよい。

通常斯様なロボット等を用いた組立装置に於いては、作業員の安全確保等の為当該ロボットの可動範囲を安全柵等で囲うのが通例である。このとき、本願発明に関して、例えば、繊維束収容手段（供給台13）をその安全柵等の外側に配置し、且つ、安全柵等に自動開閉式の扉部材等を設け、安全柵内部に設けた繊維束供給手段が、当該扉部材を介して繊維束Ａをピックアップ等するようにしてもよい。この様にすれば、供給台への繊維束Ａの供給を人手で行うときに、ＡＴＬ装置１の貼付動作を停止する必要がなくなるという利点が得られ好適である。

１ ＡＴＬ装置
２ 多関節ロボット
３ ＡＴＬヘッド
４ 繊維束供給手段
５ ワーク
６ ワーク台
７ ベース材
８ 赤外線ランプ
９ フィーダー
10 押圧部材
10a 押圧ローラ
11 搬送ベルト対
11a,11b 搬送ベルト
12a,12b ヒータ
13 供給台
14 ピックアップハンド
15、16 ガントリ軸
17 温度センサ
18 熱風ノズル

Claims (6)

1. 少なくとも一部に予め樹脂が含浸された繊維束を加熱及び／又は加圧しながら被貼付面に貼付る貼付ヘッドを有する繊維束貼付装置であって、該貼付ヘッドは、該繊維束及び／又は該被貼付面を加熱する複数種類の加熱手段を有し、該複数種類の加熱手段の少なくとも一つは輻射加熱手段であり、該複数種類の加熱手段の他の少なくとも一つは、熱風加熱手段であることを特長とする繊維束貼付装置。
2. 前記熱風加熱手段に依る前記繊維束及び／又は前記貼付面の加熱負担割合が、前記輻射加熱手段のそれよりも大きいことを特長とする請求項１に記載の繊維束貼付装置。
3. 前記貼付ヘッドが、前記貼付面及び／又は前期繊維束の表面温度測定手段をさらに有し、該表面温度測定手段の測定結果に基き、前記輻射加熱手段の出力を制御する制御手段をさらに有することを特長とする請求項１又は２に記載の繊維束貼付装置。
4. 前記熱風加熱手段より噴出せらるる熱風が不活性ガスを含むものであることを特長とする請求項１乃至３のいずれかに記載の繊維束貼付装置。
5. 前記繊維束が炭素繊維を含むものであること特長とする請求項１乃至４のいずれかに記載の繊維束搬送装置。
6. 前記樹脂が熱可塑性樹脂を含むものであること特長とする請求項１乃至５のいずれかに記載の繊維束搬送装置。

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