JP2023112249A - 繊維層の加工方法および高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＦＲＰの層をより容易に所望の形状に成形できる技術を提供する。【解決手段】繊維層の加工方法は、熱硬化性の第１樹脂が含侵した炭素繊維が重なった構造を持つ繊維層を形成する繊維層形成工程と、熱硬化性の第２樹脂を繊維層の表面に配する樹脂配置工程と、繊維層を型に嵌めた状態で第１樹脂および第２樹脂を熱硬化させる熱硬化工程と、硬化した第２樹脂が配された繊維層を切削して、所望の形状に成形する切削工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、繊維層の加工方法および高圧タンクの製造方法に関する。

燃料電池システムに用いられる高圧タンクの製造において、フィラメントワインディング法によってＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化樹脂）の層が形成される工程を備える技術が知られている。特許文献１には、刃具によって、ＣＦＲＰの層を切削して、所望の形状に加工する技術が記載されている。

特開２０１６－２２３５６９号公報

しかし、ＣＦＲＰは切削が困難であり、ＣＦＲＰの層をより容易に所望の形状に成形できる技術が望まれていた。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、繊維層の加工方法が提供される。この加工方法は、熱硬化性の第１樹脂が含侵した炭素繊維が重なった構造を持つ前記繊維層を形成する繊維層形成工程と、熱硬化性の第２樹脂を前記繊維層の表面に配する樹脂配置工程と、前記繊維層を前記型に嵌めた状態で前記第１樹脂および前記第２樹脂を熱硬化させる熱硬化工程と、硬化した前記第２樹脂が配された前記繊維層を切削して、所望の形状に成形する切削工程と、を含む。
この形態の加工方法によれば、型に嵌めた状態で樹脂を熱硬化させるため、繊維層が賦形され、切削工程における切削部分を減らすことができる。そのため、繊維層を容易に所望の形状に成形できる。
（２）上記形態の加工方法において、前記繊維層形成工程は、前記第１樹脂が含侵した炭素繊維を、略円柱状を成すマンドレルに巻きつけて前記繊維層を形成する工程を含んでもよい。
このような態様とすれば、第１樹脂が含侵した炭素繊維をマンドレルに巻きつけることで繊維層を形成できる。
（３）上記形態の加工方法において、前記切削工程の後に、前記繊維層を前記マンドレルから外し、前記繊維層内にライナを嵌めるライナ設置工程と、を含んでもよい。
このような態様とすれば、繊維層を形成した後に、ライナを繊維層内に嵌めるため、繊維層の加工が容易にできる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、この形態の製造方法で製造された高圧タンク等の態様で実現することが可能である。

繊維層の加工方法の一例を示すフローチャートである。 繊維層形成工程の説明図である。 熱硬化工程の説明図である。 樹脂配置工程の説明図である。 切削工程の説明図である。 加工が完了した繊維層の説明図である。 第２実施形態における高圧タンクの製造方法の一例を示すフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態における熱硬化性の第１樹脂が含侵した炭素繊維であるＣＦＲＰが重なった構造を持つ繊維層の加工方法の一例を示すフローチャートである。第１樹脂は、例えば、エポキシや不飽和ポリエステル樹脂である。図２～図５は、加工方法における各工程の説明図である。本実施形態では、ＣＦＲＰの中空状のパイプを成形する。

まず、ステップＳ１００（図１参照）で、熱硬化性の第１樹脂が含侵した炭素繊維が重なった構造を持つ繊維層２００を形成する。この工程を「繊維層形成工程」ともいう。図２に示すように、本実施形態において、炭素繊維を１００００～４００００本程度束ね、エポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させることによって形成された繊維束を、略円柱状を成すマンドレル１００に巻き付けて繊維層２００を形成する。すなわち、フィラメントワインディング法によって繊維層２００を形成する。本実施形態において、繊維層２００は、４層形成される。

図２において破線で示される形状が、本実施形態において最終的に得ようとする所望の形状である。繊維層２００の端部は、上の層が下の層よりも短くなるように形成される。

ステップＳ１１０（図１参照）において、熱硬化性の第２樹脂を、ステップＳ１００で形成した繊維層２００の表面に配する。この工程を「樹脂配置工程」ともいう。第２樹脂は、第１樹脂と同じ樹脂を採用してもよく、異なる樹脂を採用してもよい。例えば、第１樹脂はエポキシ樹脂であり、第２樹脂は不飽和ポリエステル樹脂である。図３に示すように、繊維層２００の端部の各層の段差を埋めるように、第２樹脂Ｒ１が塗布によって配される。

図４に示すように、ステップＳ１２０（図１参照）において、繊維層２００を型３００に嵌めた状態で、ステップＳ１００で巻き付けた繊維層２００の繊維束の第１樹脂およびステップＳ１１０で配した第２樹脂Ｒ１を硬化する。この工程を「熱硬化工程」ともいう。より具体的には、熱ヒーターを備える熱硬化炉や、加熱コイルを用いた高周波誘電加熱式の熱硬化炉において、加熱によって熱硬化性樹脂を熱硬化させる。繊維層２００を型３００に嵌めることで、繊維層２００および第２樹脂Ｒ１が型３００の形に形成される。本実施形態において、繊維層２００の端部の段差の角部分は、型３００によって押しつぶされて、型３００の形に形成される。

ステップＳ１３０（図１参照）において、ステップＳ１２０で硬化した第２樹脂Ｒ１が配された繊維層２００を切削して、所望の形状に成形する。この工程を「切削工程」ともいう。図５に示すように、刃具４００で繊維層２００を所望の形状に切削する。なお、「硬化した第２樹脂Ｒ１が配された繊維層２００を切削」は、第２樹脂Ｒ１のみを切削する場合も含む。すなわち、切削工程は、硬化された第２樹脂Ｒ１のみを切削してもよい。

図６は、加工が完了した繊維層２００の説明図である。一点鎖線は、切削工程において切削した部分を示している。

以上で説明した本実施形態の繊維層２００の加工方法によれば、型３００に嵌めた状態で第１樹脂および第２樹脂Ｒ１を熱硬化させるため、繊維層２００が賦形され、切削工程における切削部分を減らすことができる。また、繊維層２００の端部の各層の段差を第２樹脂Ｒ１によって埋めることで、繊維層２００のみで最終的に得ようとする所望の形状にする場合に比べて、繊維層２００を最終的に得ようとする所望の形状よりも過度に大きく形成することを抑制できる。そのため、切削時における刃具４００の移動量を抑制できる。従って、繊維層２００を容易に所望の形状に成形できる。更に、切削工程における切削部分を減らすことができるため、切削工具の刃具４００の摩耗を抑制できる。また、繊維層２００を覆う第２樹脂Ｒ１のみで所望の形状を形成する態様に比べて、強度を高めることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における高圧タンクの製造方法の一例を示すフローチャートである。高圧タンクの製造方法は、ステップＳ１３０の切削工程の後にステップＳ１４０のライナ設置工程を備える点が第１実施形態における加工方法と異なり、ステップＳ１００～Ｓ１３０の工程は第１実施形態と同じである。

ステップＳ１４０において、繊維層２００をマンドレル１００から外し、繊維層２００内にライナを嵌める。この工程を「ライナ設置工程」ともいう。ライナは、円筒部と円筒部の両端に設けられた二つのドーム部とを有する部材である。ライナは、例えばポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂によって形成されている。なお、本実施形態においては、ライナは樹脂製としたが、金属製であってもよい。ライナは、例えば、円柱部の両端に口金が装着済みのドーム部を溶着して準備される。

ステップＳ１４０の処理の後に、ライナのドーム部に繊維層２００を形成してもよい。また、繊維層２００の外表面に、高圧タンクの強度を向上させるための保護層が形成されていてもよい。保護層は、例えば、ガラス繊維強化プラスチックにより形成可能である。

以上で説明した本実施形態の高圧タンクの製造方法によれば、繊維層２００を形成した後に、ライナを繊維層２００内に嵌めるため、ライナ上に繊維層２００を形成した状態で繊維層２００の加工を行う場合よりも、繊維層２００の加工が容易にできる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上述した実施形態において、ＣＦＲＰの中空状のパイプを成形している。これに限らず、車両のダッシュボードやインストルメントパネルを成形してもよい。より具体的には、上述した実施形態において、繊維層２００形成工程では、マンドレル１００に第１樹脂が含侵した炭素繊維を巻きつけて、繊維層２００を形成している。これに限らず、第１樹脂が含侵した炭素繊維によって形成されたシート状の繊維を、ダッシュボード等の成形したい製品の形状を有する金型に配置して、繊維層２００を形成してもよい。

（Ｃ２）上述した実施形態において、繊維層２００は４層形成されている。これに限らず、繊維層２００は５層以上形成されてもよく、３層以下形成されてもよい。

（Ｃ３）上述した実施形態において、樹脂配置工程では、繊維層２００の表面に第２樹脂Ｒ１を塗布してから、型３００に嵌めている。これに限らず、型３００に繊維層２００を嵌めた後、型３００に設けられた開口部から、型３００と繊維層２００との間に第２樹脂Ｒ１を注入してもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１００…マンドレル、２００…繊維層、３００…型、４００…刃具、Ｒ１…第２樹脂

Claims (3)

1. 繊維層の加工方法であって、
   熱硬化性の第１樹脂が含侵した炭素繊維が重なった構造を持つ前記繊維層を形成する繊維層形成工程と、
   熱硬化性の第２樹脂を前記繊維層の表面に配する樹脂配置工程と、
   前記繊維層を型に嵌めた状態で前記第１樹脂および前記第２樹脂を熱硬化させる熱硬化工程と、
   硬化した前記第２樹脂が配された前記繊維層を切削して、所望の形状に成形する切削工程と、を含む、加工方法。
2. 請求項１に記載の加工方法であって、
   前記繊維層形成工程は、前記第１樹脂が含侵した炭素繊維を、略円柱状を成すマンドレルに巻きつけて前記繊維層を形成する工程を含む、加工方法。
3. 請求項２に記載の加工方法を用いた高圧タンクの製造方法であって、
   前記切削工程の後に、前記繊維層を前記マンドレルから外し、前記繊維層内にライナを嵌めるライナ設置工程と、を含む、高圧タンクの製造方法。

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