JP2019130914A - 繊維束貼付方法および繊維強化プラスチック製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】予め所定長さ即ち貼付られる長さに切断した繊維束を、ＡＴＬヘッドによって加熱及び／又は加圧して貼り付けるにあたって、他の繊維束が受ける加熱源からの熱影響を低減することが出来る、繊維束貼付装置の提供。【解決手段】繊維束を加熱及び／又は加圧しながら被貼付面に１本づつ貼付けていく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、前記繊維束または前記被貼付面の少なくとも一方を加熱する加熱手段と、前記繊維束１本のみを保持及び／又は搬送可能な保持搬送手段とを少なくとも有し、前記貼付ヘッドによる前記繊維束の貼付動作中は、前記貼付ヘッドは、当該貼付中の前記繊維束のみを前記保持搬送手段によって保持及び／又は搬送す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り付けることにより、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製品を製造する装置及び技術に関わるものである。

予め樹脂が含浸された炭素繊維等の繊維束をテープ状に成形しそれを被貼付面に貼付けていく事で、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製品を製造する製造方法が知られている。これらには、比較的細幅の繊維束を貼付や単なる配列していくものをＡＦＰ（Ａｕｔｏ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）等と、比較的広幅の繊維束を貼付や単なる配列していくものをＡＴＬ（Ａｕｔｏ Ｔａｐｅ Ｌａｙｕｐ）等と呼称することも多いが、両者は厳密に区別されているわけではない。本発明は、貼付られる繊維束の幅に依らず、少なくとも加熱手段によって繊維束及び／又は被貼付面を加熱し、繊維束を被貼付面に貼付けていく製法を総称してＡＴＬ、その装置（繊維束貼付装置
）をＡＴＬ装置と呼ぶことにする。

ＡＴＬ装置において繊維束を被貼付面に貼付る動作に当たっては、繊維束の少なくとも一部を、少なくとも一時的に保持し、当該繊維束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／又は加圧しながら繊維束を貼付けていく、ＡＴＬヘッド（貼付ヘッド）を用いることが通常である。

加熱手段としては、レーザー、赤外線ランプなどの非接触の加熱手段を用いることが多い。加圧手段としては、繊維束を被貼付面との間に挟持しつつ、繊維束を非貼付面の法線方向に押し付ける、ローラ、シュー等の押圧部材を用いることが多い。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。

又、貼り付けられる繊維束は通常ボビンに巻かれた形態で供給されるのが通例であり、ＡＴＬ装置においてはボビンからの繊維束の巻出機構（クリールなどと称する）が必須となる。

この巻出機構の存在箇所によって、ＡＴＬ装置には大きく二通りの形態がある。ひとつは前述のＡＴＬヘッドそのものに巻出機構を搭載する形態（以下これを搭載型と呼び、図６にその一例を示す）であり、もうひとつ固定（据置）された巻出機構から、繊維束を巻出して搬送経路（いわゆる糸道）にそって、ＡＴＬヘッドにまで繊維束を供給する形態である（以下据置型と呼び、図７に一例を示す）。

尚、搭載型にせよ据置型にせよ、ボビンから巻き出された連続した繊維束は、被貼付面に所定長さ貼付られた後、貼付後端近傍を切断して当該貼付動作を完了するのが通例である。よってＡＴＬヘッド内に繊維束切断手段を有するのが通例である。

特表２０１４−５１１７８１号公報

搭載型のＡＴＬ装置30においては、ＡＴＬヘッド31自体が巻出機構32を備えて、ＡＴＬヘッド31内にボビン33が存在する、よって据置型のＡＴＬ装置40と比して複雑な搬送系（糸道45）が不要という利点がある（図６、図７参照）。

前述したようにＡＴＬヘッドは貼付動作に応じて被貼付面上をあらゆる方向に併進移動しつつ、且つそれ自体も被貼付面の法線方向に応じて首振り運動（回転または回動運動）する。したがって、据置かれた巻出機構42（クリール）から、あらゆる方向に移動及び回転するＡＴＬヘッド43に繊維束Ｄを供給する必要がある。さらに、繊維束Ｄがテープ状であるため糸道45における繊維束Ｄのひねり（ツイスト）には制限があり、テープ状を保ったまま、１回転以上ひねることなくＡＴＬヘッド43にまで繊維束Ｄを供給する必要があり、糸道45が長尺かつ複雑なものとなるという問題がある。

又、繊維束Ｄからのいわゆるケバ、脱落した含浸樹脂による糸道45の搬送部材の汚れ、詰まりなども長尺の糸道45ゆえ問題となることも多い。

特に、繊維束Ｄが熱硬化性の樹脂を含浸したもの（これをプリプレグテープと呼ぶことが多い）である場合、プリプレグテープはそれ自体が、その表面に粘着性、タック性を有しており、搬送部材への接触、摺動等も極力避けるのが好ましく、糸道45、搬送部材の構造が依り複雑なものとなるという問題もある。

一方、搭載型に於いては上記の据置型の問題は少ないものの、搭載型特有の別の問題が存在する。

まず第一は、ＡＴＬヘッド31自体が巻出機構32を搭載するため、それが大型で、重量物と成ることが多い。よってＡＴＬヘッド31を搭載する多関節ロボット35、ガントリも大型、高剛性のものが必要となり、結果ＡＴＬ装置30全体のコストアップに繋がる。また、ＡＴＬヘッド31に搭載できる繊維束（ボビン33）には限界があり、糸換え（ボビン交換）等の頻度が据置型に比べれば多くなるという問題が発生しやすい。これは生産装置としてのＡＴＬ装置の稼働率の低下という問題に繋がる。

さらに、もうひとつの問題は、加熱源からの繊維束への熱影響の問題である。ＡＴＬヘッド31は繊維束及び／または被貼付面の加熱手段を搭載しており、加熱手段としては赤外線ランプ８等の輻射熱源、或いは熱風ヒータなどが用いられることが多い。これらは稼働中それ自体も相当の発熱をするのが普通である。

また、加熱源としてレーザーを用いる場合もあり、この場合レーザー発振管自体はＡＴＬヘッド31外に設け、光ファイバ等でＡＴＬヘッド31にまでレーザー光を導光する形態が普通である。このため、輻射熱源や熱風ヒータに比べればＡＴＬヘッド31内での発熱は少ないが、それでもレンズ、反射板等の光学部材の発熱は存在する。

さらにいずれの加熱源を用いる場合でも、貼付動作即ち加熱源の発熱動作に伴い、加熱源からの熱が徐々にＡＴＬヘッド31内に蓄積し、雰囲気温度的にＡＴＬヘッド31自体が昇温、加熱されるという現象も起こりうる。

この結果、ＡＴＬヘッド31に搭載された貼付前の繊維束Ｅがこの熱影響を受けるという問題が発生する。繊維束Ｅが熱硬化性のプリプレグテープである場合、前述したプリプレグテープ自体の粘着性、タック性が温度によりより助長される場合がある。結果、巻出機構32から貼付までの間で搬送経路での摺動性が低下して搬送抵抗が増大したり、著しい場合には搬送経路に貼付いて搬送不良を起こすといった問題が発生する。さらに著しい場合には巻出機構32からの巻出し不良が発生したり、さらに過剰に加熱された場合には、熱硬化性である含浸樹脂の一部の硬化が始まり、プリプレグテープとしての特性の変化、劣化が発生する場合も発生する。

また、脱落した含浸樹脂に依る搬送経路面への汚れ等が助長されることも発生する。以上は熱硬化のプロプレグテープの場合であるが、熱可塑性の樹脂が含浸された繊維束（以下、便宜上これをＵＤテープとよぶ）の場合でも、温度に起因する問題が発生することがある。

一般にＵＤテープに含浸されている熱可塑性樹脂は常温では固体であり、よってプリプレグテープのようにその表面は粘着性やタック性を有しないのが普通である。しかしながら、ＵＤテープを貼付るにあたっては、少なくともＵＤテープに含浸されている熱可塑製樹脂をその軟化点や融点近傍にまで加熱する必要がある。

例えば、最も軟化点温度の低いポリプロピレン（以下ＰＰ）でも15０℃前後、多用されるナイロン系（ポリアミド系、以下ＰＡ）だと、ナイロン６で１８０℃前後、ナイロン６６系では２３０℃程度、さらに高耐熱性のポリフェニレンサルファイド（以下ＰＰＳ）では２８０℃程度の加熱が必要であるといわれている。

このため、容量の大きな加熱源を搭載する必要がある場合が多く、結果としてＡＴＬヘッド31内での加熱源からの繊維束Ｅへの熱影響も大きなものとなることが多かった。

以上説明した従来技術の課題に鑑みて、長尺の繊維束搬送経路を構築することなく、且つＡＴＬヘッドの大型化や重量化を抑制し、さらに、加熱源からの繊維束への熱影響を低減できるＡＴＬ装置が求められていた。

上記の課題に対し、この発明の第１の局面による繊維束貼付方法は、予め所定長さに裁断された繊維束を貼付ヘッドによって加熱及び／又は加圧しながら被貼付面に１本づつ貼付けていく繊維束貼付方法であって、貼付ヘッドによる繊維束の貼付動作中は、貼付ヘッドは、貼付中の繊維束のみを保持及び／又は搬送し、繊維束または被貼付面の少なくとも一方を加熱する。

上記第１の局面による繊維束貼付方法において、好ましくは、貼付ヘッドが、多関節ロボット又はガントリ構造体に取り付けられたものである。

上記第１の局面による繊維束貼付方法において、好ましくは、繊維束を収容しておく繊維束収容手段に収容された繊維束を貼付ヘッドに供給する。

上記第１の局面による繊維束貼付方法において、好ましくは、繊維束が、少なくとも一部に予め樹脂が含浸されたものである。

上記第１の局面による繊維束貼付方法において、好ましくは、繊維束が炭素繊維を含むものであり、樹脂が熱可塑性樹脂である。
この発明の第２の局面による繊維強化プラスチック製品の製造方法は、請求項１に記載の繊維束貼付方法により被貼付面に繊維束を貼付ける工程を含む。

本願発明に依れば、予め所定長さ即ち貼付られる長さに切断した繊維束を、ＡＴＬヘッドによって加熱及び／又は加圧して貼り付けるにあたって、当該貼り付け動作中の繊維束のみをＡＴＬヘッド内に存在させることで、他の繊維束が長期にわたってＡＴＬヘッド内の加熱源近傍に存在し続けることがなくなり、加熱源からの熱影響を低減することが出来る。

さらに、予め繊維束を所定長さに切断して繊維束収容手段に収容しており、そこから繊維束供給手段によって１本づつＡＴＬヘッドに供給することで、長尺の繊維束搬送経路を構築することや、ＡＴＬヘッドの大型化や重量化の問題を回避することが可能となる。

本発明による第１の態様によるＡＴＬ装置全体を示す図である。 ＡＴＬヘッドの側面構成図である。 第１の態様によるＡＴＬ装置の貼付手順を説明図である 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。 本発明による第２の態様によるＡＴＬ装置全体を示す図である。 従来の技術に依るＡＴＬ装置を示す図である。 従来の技術に依るＡＴＬ装置を示す図である。

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は本願発明に依る第１の態様に依る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載置台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を有する裁断済みの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多関節ロボットを用いることが出来る。多関節ロボットのアーム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に加熱手段たる赤外線ランプ８、繊維束保持搬送手段たるフィーダ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を少なくとも有する。（図２を参照）
加熱源としては赤外線ランプ８に限らず、レーザー、熱風源など非接触の加熱手段を用いることが出来る。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、放射する赤外線を、図中Ｂで示す貼付ポイントより上流側、図中両矢印Ｃで示す領域に集光することでその領域内に存在する部材表面を加熱する。これにより、赤外線ランプ８は、当該領域の被加熱面５ａおよびＵＤテープＡの貼付面側を加熱することが出来る。

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とのあいだに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、押圧ローラの押圧源たるエアシリンダ10ｂを有する。

繊維束供給手段４は、予め所定長さに切断された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もこのタイミングに同期して点灯し、被貼付面５ａおよびＵＤテープＡの貼付面側の加熱を開始する。

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がその後端までは貼り終わると、赤外線ランプ８が消灯、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。

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（載置台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（載置台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、載置台への繊維束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。

図５は本願発明に関わる第２の態様によるＡＴＬ装置20を示す。ＡＴＬ20装置においては第１の態様におけるＡＴＬ装置１の多関節ロボット２の替わりに、ガントリ構造体21と直動ステージ22、回転テーブル23が用いられる。ワーク６は回転テーブル23上に載置される。尚、図５において、図１、図２と共通の部材に関して部番表記は省略している。

ＡＴＬ装置20においては、ＡＴＬヘッド３の貼付動作に関し、ｘ軸方向並進運動はガントリ軸21bが、y軸方向並進運動は直動ステージ22が、z軸方向並進運動はガントリ軸21ｎが受け持つ。回転運動に関しては、x軸回りを回転ジョイント24が、ｙ軸周りは回転ジョイント25が、z軸周りは回転ステージ26が受け持つ。 これにより、ＡＴＬヘッド３の貼付動作時の各軸並進、回転自由度を実現している。

ＡＴＬ装置20における貼付動作は、ＡＴＬ装置１と同様であり説明は省略する。

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 載置台
14 ピックアップハンド
15、16 ガントリ軸
17
20 ＡＴＬ装置
21 ガントリ構造体
21a,21b ガントリ軸
22 直動テーブル
23 回転テーブル
24,25 回転ジョイント
26 回転ステージ
30 ＡＴＬ装置
31 ＡＴＬヘッド
32 巻出機構
33 ボビン
35 多関節ロボット
40 ＡＴＬ装置

Claims (6)

1. 予め所定長さに裁断された繊維束を貼付ヘッドによって加熱及び／又は加圧しながら被貼付面に１本づつ貼付けていく繊維束貼付方法であって、前記貼付ヘッドによる前記繊維束の貼付動作中は、前記貼付ヘッドは、当該貼付中の前記繊維束のみを保持及び／又は搬送し、前記繊維束または前記被貼付面の少なくとも一方を加熱する、繊維束貼付方法。
2. 前記貼付ヘッドが、多関節ロボット又はガントリ構造体に取り付けられたものである、請求項１に記載の繊維束貼付方法。
3. 前記繊維束を収容しておく繊維束収容手段に収容された前記繊維束を前記貼付ヘッドに供給する、請求項１または２に記載の繊維束貼付方法。
4. 前記繊維束が、少なくとも一部に予め樹脂が含浸されたものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維束貼付方法。
5. 前記繊維束が炭素繊維を含むものであり、前記樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項４に記載の繊維束貼付方法。
6. 請求項１に記載の繊維束貼付方法により被貼付面に繊維束を貼付ける工程を含む、繊維強化プラスチック製品の製造方法。

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