JP2024047484A - プリフォームの製造方法及び複合材成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰの素材となるプリプレグテープを直線的な経路のみならず曲線的な経路に沿って積層できるようにすることである。
【解決手段】プリフォームの製造方法は、繊維強化プラスチックの素材であるプリフォームの製造方法において、複数のボビンから供給される複数のプリプレグテープを幅方向に並べて長さ方向に送り出すことが可能な自動繊維積層装置を用いて複数の第１のプリプレグテープを幅方向に間隔を空けて積層するステップと、積層された前記第１のプリプレグテープの前記間隔に前記自動繊維積層装置を用いて第２のプリプレグテープを積層するステップとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、プリフォームの製造方法及び複合材成形方法に関する。

ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材とも呼ばれる繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を成形するためには、シート状の繊維に未硬化の樹脂を含浸させたプリプレグのシートを積層した後、樹脂を硬化させることが必要となる。或いは、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維を積層した後、樹脂を含浸させて硬化させることが必要となる。繊維を積層した後、樹脂を含浸させるＦＲＰの成形方法は、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。

近年では、テープ状のプリプレグ又は繊維を自動的に積層する自動繊維積層（ＡＦＰ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）装置が市販されており（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）、ＡＦＰ装置で積層するためのプリプレグテープの他、ドライテープと呼ばれる樹脂を含浸させる前のテープ状の繊維も市販されている。

ＡＦＰ装置でプリプレグテープやドライテープ等のテープ材を積層する場合、複数のテープ材を同時に積層することにより、積層効率、すなわち単位時間当たりに積層されるテープ材の長さを向上することができる。このため、複数のテープ材を同時に積層できるように複数の積層ヘッドを備えたＡＦＰ装置も考案されている（例えば特許文献４及び特許文献５参照）。また、複数のプリプレグテープを同時に積層する多頭式ＡＦＰ装置において、隣接するプリプレグテープ間におけるオーバーラップ量を調整できるようにする技術も提案されている（例えば特許文献６及び特許文献７参照）。

特表２０１４－５１９９９５号公報 国際公開第２０１８－１６８２０２号明細書 特開２０１９－１５１７２６号公報 特表２０１１－５２７６４８号公報 特開２０２２－１３０１３３号公報 特開２０２０－０５９１４５号公報 特開２０２２－０４６３７９号公報

本発明は、ＦＲＰの素材となるプリプレグテープを直線的な経路のみならず曲線的な経路に沿って積層できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係るプリフォームの製造方法は、繊維強化プラスチックの素材であるプリフォームの製造方法において、複数のボビンから供給される複数のプリプレグテープを幅方向に並べて長さ方向に送り出すことが可能な自動繊維積層装置を用いて複数の第１のプリプレグテープを幅方向に間隔を空けて積層するステップと、積層された前記第１のプリプレグテープの前記間隔に前記自動繊維積層装置を用いて第２のプリプレグテープを積層するステップとを有する。

また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述したプリフォームの製造方法で製造されたプリフォームを用いて前記繊維強化プラスチックを成形するものである。

本発明の第１の実施形態に係るプリフォームの製造方法を説明するためのプリプレグテープの上面図。 従来のプリプレグテープの積層方法における問題点を説明する図。 複数のプリプレグテープを曲線的に積層する場合の例を示す図。 複数のプリプレグテープの幅を変化させながら積層する場合の例を示す図。 複数のプリプレグテープを２回に分けて同じ方向に積層する場合の例を示す図。 図１、図３、図４及び図５に示すプリプレグテープの積層を行うためのＡＦＰ装置の全体的な概略構成例を示す正面図。 図６に示すＡＦＰ装置の側面図。 図６に示す積層ヘッド内外における詳細構成例を示す側面図。 図８に示す積層ヘッドから制御装置による制御に依らずに間隔を空けて複数のプリプレグテープを送り出す方法を説明する図。 図８に示すコンパクションローラを含む積層ヘッドで図１に示すプリプレグテープの積層を行うための積層ヘッドの制御プログラムの一例を説明する図。 同時に積層するプリプレグテープの数を変更する場合の例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係るプリフォームの製造方法を説明するためのプリプレグテープの上面図。

本発明の実施形態に係るプリフォームの製造方法及び複合材成形方法について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（プリフォームの製造方法）
図１は本発明の第１の実施形態に係るプリフォームの製造方法を説明するためのプリプレグテープＴの上面図である。

プリプレグテープＴは、繊維に熱可塑性樹脂又は未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグをテープ状にしたものである。プリプレグテープＴを積層し、成形対象となるＣＦＲＰやＧＦＲＰ等のＦＲＰの形状に合わせた形状に賦形することによって、プリフォームを製作することができる。プリフォームはＦＲＰの素材となるプリプレグの積層体である。

従って、プリフォームを製作するためには、プリプレグテープＴを積層する作業が必要となるが、プリプレグテープＴを積層するための単純な形状を有する積層治具と、プリプレグテープＴの積層体を賦形するための複雑な形状を有する賦形治具を別々に準備し、積層治具に積層したプリプレグテープＴの積層体を賦形治具に載せ替えて賦形を行っても良いし、積層治具と賦形治具を共通にしても良い。つまり、プリプレグテープＴの積層と賦形を同時に行っても良いし、プリプレグテープＴを積層した後、賦形を行うようにしても良い。

プリプレグテープＴの積層はＡＦＰ装置を用いて行うことができる。典型的なＡＦＰ装置には、プリプレグテープＴに厚さ方向に圧力を付与しながらプリプレグテープＴを送り出すコンパクションローラＲが備えられる。そして、コンパクションローラＲを取付けたＡＦＰ装置の積層ヘッドをテーブル及び下方に積層済みのプリプレグテープＴに対して相対移動させることによって、積層ヘッドの移動方向と逆方向にプリプレグテープＴを送り出すことができる。

コンパクションローラＲからは、図１に示すように、複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べて長さ方向に送り出すようにすることができる。そのためには、複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べて長さ方向に同時に送り出し、かつ共通のコンパクションローラＲで圧力をかけることが可能なＡＦＰ装置を用いれば良い。そのような構成を有するＡＦＰ装置としては、後述するＡＦＰ装置の他、特開２０２２－０４６３７９号公報に記載されているＡＦＰ装置、特開２０２２－１３０１３３号公報に記載されているＡＦＰ装置、日本国特願２０２２－００７４９９の出願書類に記載されているＡＦＰ装置及び日本国特願２０２２－０１３７７１の出願書類に記載されているＡＦＰ装置が挙げられる。

そして、複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べて長さ方向に送り出すことができるＡＦＰ装置を用いて、図１に示すように、複数の第１のプリプレグテープＴを幅方向に間隔を空けて積層した後、積層された第１のプリプレグテープＴの間隔に第２のプリプレグテープＴを積層することができる。すなわち、コンパクションローラＲを取付けたＡＦＰ装置の積層ヘッドをテーブル及び下方に積層済みのプリプレグテープＴに対して相対的に往復移動させ、往路と復路の２回に分けて、複数のプリプレグテープＴを幅方向に隙間なく積層することができる。尚、積層ヘッドが往路から復路に折り返す際には、第１のプリプレグテープＴがカッタで切断され、積層ヘッドが反転することになる。

そうすると、どのプリプレグテープＴも他のプリプレグテープＴと幅方向に接触していない状態で積層することが可能となる。このため、幅方向に隣接するプリプレグテープＴが粘着力によって一体化し、独立した送り速度で送り出すことができなくなることに起因する不具合を確実に回避することができる。

図２は従来のプリプレグテープＴの積層方法における問題点を説明する図である。

送り出し方向を変化させながら曲線的にプリプレグテープＴを積層するステアリング積層において、複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べて送り出せば、各プリプレグテープＴを互いに独立した送り出し速度で送り出すことが可能となるため、より曲率半径が小さい曲線に沿ってプリプレグテープＴを積層することができる。

しかしながら、図２に示すように幅方向に隣接するプリプレグテープＴが接触すると粘着力で一体化し、幅が広い１枚のプリプレグテープＴを送り出した場合と同様になってしまう。この場合、カーブの内側では皺が生じる一方、カーブの外側では過剰な張力やめくれが生じる恐れがある。すなわち、幅方向に隣接するプリプレグテープＴが接触すると曲率が大きい曲線に沿ったステアリング積層が困難となる。

そこで、図１に示すように、コンパクションローラＲを含む積層ヘッドの往路において、積層エリアに積層すべき複数のプリプレグテープＴの一部を互いに幅方向に間隔を空けて積層する一方、積層ヘッドの復路において、積層すべき複数のプリプレグテープＴの残りの一部を互いに幅方向に間隔を空けて積層することができる。これにより、プリプレグテープＴの積層中において、幅方向に隣接するプリプレグテープＴ同士の接触を確実に回避することができる。

積層ヘッドの往復動作による同一層内における全てのプリプレグテープＴの積層後において、幅方向に隣接するプリプレグテープＴ間のオーバーラップや隙間を回避することが必要な場合には、図１に例示されるように、積層ヘッドの往路において第１のプリプレグテープＴ同士の間隔を、第２のプリプレグテープＴの幅と一致させれば良い。すなわち、第２のプリプレグテープＴの１本分の幅と同じ間隔を空けて複数の第１のプリプレグテープＴを積層すれば良い。

但し、同一層内における全てのプリプレグテープＴの積層後において、幅方向に隣接するプリプレグテープＴ間のオーバーラップや隙間が許容される場合には、第１のプリプレグテープＴ同士の間隔を、第２のプリプレグテープＴの幅と一致させなくても良い。

図３は複数のプリプレグテープＴを曲線的に積層する場合の例を示す図である。

幅方向に隣接するプリプレグテープＴ同士の接触を積層中において回避できれば、各プリプレグテープＴを互いに独立した送り出し速度で送り出すことが可能となる。このため、図３に例示されるように、より曲率半径が小さい曲線に沿ってプリプレグテープＴを積層することが可能となる。すなわち、カーブの内側に積層されるプリプレグテープＴについては相対的に遅い送り出し速度で、カーブの外側に積層されるプリプレグテープＴについては相対的に速い送り出し速度で、それぞれ送り出しながら積層することができる。つまり、曲率が大きい曲線に沿ったステアリング積層が可能となる。

図４は複数のプリプレグテープＴの幅を変化させながら積層する場合の例を示す図である。

ＡＦＰ装置が各プリプレグテープＴの幅を変化させる機能を有している場合には、図４に例示されるように、複数のプリプレグテープＴを、幅を変化させながら積層することもできる。具体的には、図４に示すように、積層ヘッドの往路において複数の第１のプリプレグテープＴの幅を変化させながら幅が変化する間隔を空けて複数の第１のプリプレグテープＴを積層した後、幅が変化する第１のプリプレグテープＴの間隔に合わせて幅が変化する第２のプリプレグテープＴを、幅が変化する第１のプリプレグテープＴの間隔に積層することができる。

もちろん、第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴとの間において幅方向における隙間やオーバーラップが許容される場合には、第２のプリプレグテープＴの幅を、第１のプリプレグテープＴの間隔と一致させなくても良い。また、幅が変化する第１のプリプレグテープＴと、幅が変化する第２のプリプレグテープＴを、曲線に沿ってステアリング積層することもできる。

図５は複数のプリプレグテープＴを２回に分けて同じ方向に積層する場合の例を示す図である。

図１、図３及び図４には、積層ヘッドを往復移動させて第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴを積層する場合の例を示したが、積層ヘッドの干渉等によって積層ヘッドを往復移動できない場合には、図５に示すように、積層ヘッドを同じ方向に移動させて第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴを積層するようにしても良い。その場合には、第２のプリプレグテープＴを積層するための積層ヘッドの経路が、第１のプリプレグテープＴを積層するための積層ヘッドの経路からプリプレグテープＴの幅方向にシフトすることになる。

積層ヘッドを同じ方向に移動させて第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴを積層する場合においても、図３に示すような曲線に沿ったステアリング積層や図４に示すような幅が変化する第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴの積層が可能である。

但し、積層ヘッドを同じ方向に移動させて幅が変化する第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴの積層を行う場合には、積層終了位置における第１のプリプレグテープＴの幅と、積層開始位置における第２のプリプレグテープＴの幅が異なる場合がある。そのような場合には、第１のプリプレグテープＴの積層後に積層ヘッドをプリプレグテープＴの廃棄エリアに一旦移動させ、プリプレグテープＴの幅が目的とする第２のプリプレグテープＴの積層開始位置における幅となるまでプリプレグテープＴを廃棄することが必要となる。逆に、プリプレグテープＴの廃棄を回避するために、第２のプリプレグテープＴの積層開始位置における幅を、積層終了位置における第１のプリプレグテープＴの幅と一致させるようにしても良い。

次に、上述したプリプレグテープＴの積層を行うためのＡＦＰ装置の構成例について説明する。

図６は図１、図３、図４及び図５に示すプリプレグテープＴの積層を行うためのＡＦＰ装置１の全体的な概略構成例を示す正面図であり、図７は図６に示すＡＦＰ装置１の側面図である。

ＡＦＰ装置１は、ＦＲＰの素材であるプリプレグテープＴを積層することによってプリプレグテープＴの積層体を製作するための装置である。プリプレグは、未硬化の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の繊維である。

ＡＦＰ装置１は、積層ヘッド２を懸垂するガントリ３、テーブル４及び制御装置５で構成することができる。積層ヘッド２は、プリプレグテープＴを内部に収納し、プリプレグテープＴを吐出しながらテーブル４上に送り出す装置である。特に、積層ヘッド２は、複数のプリプレグテープＴを並列配置しながらテーブル４上に送り出す機能を有している。このため、積層ヘッド２には、複数のプリプレグテープＴのクリールスタンドが格納される。

テーブル４は、プリプレグテープＴを積層するための台である。テーブル４には、プリプレグテープＴを直接積層しても良いが、テーブル４に賦形型等の積層治具Ｊを載置し、積層治具Ｊの上にプリプレグテープＴを積層することが、プリプレグの積層体への形状付与や清掃の観点から実用的である。従って、テーブル４には、直接又は積層治具Ｊを介して間接的にプリプレグテープＴを積層することができる。

ガントリ３は、積層ヘッド２を支持する支柱３Ａ等の支持機構の他、積層ヘッド２を任意軸方向に移動させる送り機構６を備えている。送り機構６は、積層ヘッド２を送り動作させる装置である。すなわち、送り機構６が積層ヘッド２をテーブル４に対して相対移動させることによって、プリプレグテープＴをテーブル４側に積層位置を変えながら送り出すことができる。プリプレグテープＴのテーブル４側への送り出し方向は、積層ヘッド２の移動方向と逆方向となる。

送り機構６は、典型的な積層ヘッド２の直線移動に加えて、積層ヘッド２の回転移動を行えるように構成されている。従って、プリプレグテープＴを直線的又は曲線的に送り出すことができる。換言すれば、プリプレグテープＴの送り出し方向を変化させることができる。尚、積層ヘッド２の筐体自体を回転させずに、積層ヘッド２に取付けた部品を回転させるようにしても良い。

図６及び図７に示す例では、送り機構６が、水平方向及び鉛直方向を含むＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交３軸方向への平行移動に加えて、鉛直方向のＺ軸を回転軸とするＣ軸方向に積層ヘッド２を回転移動できるように構成されている。もちろん、テーブル４の表面に対して積層ヘッド２を傾斜させるチルト軸を設けても良い。また、積層ヘッド２の移動に加えて、或いは、積層ヘッド２の移動に代えて、テーブル４を送り機構６で積層ヘッド２に対して移動させるようにしても良い。

積層ヘッド２やテーブル４を直線移動させるための移動機構は、例えば、電動モータ、油圧モータ或いは空気圧モータ等のモータと、モータを回転させるための電気回路、油圧回路或いは空気圧回路等の回路に加えて、ギアの一種であるラック・アンド・ピニオン、ボールねじ或いは無限軌道（クローラ）等のモータの回転運動を直線運動に変換する所望の機械要素を用いて構成することができる。或いは、モータを使用せずに油圧回路とピストンで移動機構を構成することもできる。

一方、積層ヘッド２を回転移動させるための回転機構は、例えば、電動モータ、油圧モータ或いは空気圧モータ等のモータと、モータの動力で回転する回転シャフトを含む所望の機械要素で構成することができる。

制御装置５は、送り機構６及び積層ヘッド２を自動制御する装置である。例えば、送り機構６を制御することによってテーブル４に対する積層ヘッド２の相対的な空間位置及び回転移動量を数値（ＮＣ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）制御することができる。また、積層ヘッド２を制御することによって、積層ヘッド２からの複数のプリプレグテープＴの送り出しの開始と終了並びに切断を自動的に行うことができる。制御装置５は、ガントリ３に内蔵又は取付けることができるが、操作盤等のユーザインターフェースや重量物は、ガントリ３の外部に設置しても良い。

制御装置５で積層ヘッド２のＮＣ制御を行う場合には、制御装置５は、ＮＣプログラムを読込ませたコンピュータ等の電子回路で構成することができる。また、送り機構６が油圧式又は空気圧式である場合には、油圧回路又は空気圧回路を用いて制御装置５の一部を構成することができる。

図８は図６に示す積層ヘッド２内外における詳細構成例を示す側面図である。

積層ヘッド２は、上述したように複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べてテーブル４上に送り出す機能を有している。そのために、積層ヘッド２には、図８に例示されるように、複数のボビン１０、複数の幅調整装置１１、集合ローラ１２、テンションローラ１３、フィードローラ１４、カッタ１５及びコンパクションローラ１６を設けることができる。

ボビン１０は、一定の幅を有するプリプレグテープＴを巻き付けたプリプレグテープＴのクリールスタンドである。ボビン１０は、テーブル４上に送り出す可能性があるプリプレグテープＴの数だけ設けられる。尚、ボビン１０の一部を休止状態としたり、取外したりすることによってテーブル４上に送り出すプリプレグテープＴの数を減じるようにしても良い。また、ボビン１０間でプリプレグテープＴの幅を互いに異なる幅としても良い。

幅調整装置１１は、必要に応じてボビン１０の後段に設けられ、各ボビン１０から供給されるプリプレグテープＴの幅を所望の幅に変化させる装置である。例えば、特開２０２０－９３４５４号公報に開示されているプリプレグテープＴの幅を狭くする装置を幅調整装置１１として用いることができる。幅調整装置１１を配置すれば、ボビン１０から供給されるプリプレグテープＴの幅を所望の幅に変化させて供給することができる。一方、幅調整装置１１を配置しない場合には、幅が異なるプリプレグテープＴのボビン１０と交換することによって、異なる幅を有するプリプレグテープＴを供給することができる。

航空機用のプリプレグテープＴの幅は、単位をインチとして規格化されている場合が多い。上述したように積層ヘッド２を回転させてプリプレグテープＴを曲線的にテーブル４上に送り出すステアリング積層を行う場合には、プリプレグテープＴの幅を１／４インチ（６．３５ｍｍ）以下とすることが、プリプレグテープＴの積層体として製作されるプリフォームの品質を維持する観点から望ましいことがプリフォームの試作試験によって確認された。このため、幅調整装置１１を設けるか否かを問わず、幅が１／４インチであるプリプレグテープＴのボビン１０や幅が１／８インチであるプリプレグテープＴのボビン１０をセットすることができる。

一方、市販されている標準的なプリプレグテープＴの厚さは０．２ｍｍ～０．８ｍｍであり、０．０５ｍｍの厚さを有するプリプレグテープＴをプリフォームの試作試験用に使用した。技術的には、厚さが０．０２５ｍｍ程度まで薄いプリプレグテープＴの製作が可能であると考えられる。

ボビン１０及び幅調整装置１１にはプリプレグテープＴの脱落防止用の枠や壁面が設けられる。このため、ボビン１０及び幅調整装置１１の幅は、プリプレグテープＴの幅よりも広くなる。従って、複数のプリプレグテープＴを隙間なく並べて配置するためには、図８に示すように、隣接するプリプレグテープＴを供給するボビン１０及び幅調整装置１１の干渉を防止するために、隣接するプリプレグテープＴを供給するボビン１０及び幅調整装置１１をプリプレグテープＴの厚さ方向に異なる位置に配置することが必要となる。プリプレグテープＴの数が多い場合にはボビン１０及び幅調整装置１１を交互に配置するようにしても良い。或いは、プリプレグテープＴを捩って干渉が生じない位置に各ボビン１０及び幅調整装置１１を配置するようにしても良い。

集合ローラ１２は、プリプレグテープＴの厚さ方向に異なる位置から送り出される複数のプリプレグテープＴをプリプレグテープＴの厚さ方向に同じ位置に配置して送り出すための円筒状のローラである。換言すれば、集合ローラ１２は、異なる方向に送り出された複数のプリプレグテープＴを、長さ方向が概ね平行となるように配列して同一の送り出し方向に送り出すための円筒状のローラである。

集合ローラ１２の前段に幅調整装置１１を設ける場合には、異なる幅を有する複数のプリプレグテープＴが集合ローラ１２に送り出されることになる。このため、幅方向に隣接するプリプレグテープＴの中心位置における間隔を一定にすると、幅方向に隣接するプリプレグテープＴの縁の間における隙間の幅が変化することになる。そこで、特願２０２２－００７４９９の出願書類に開示されているテープ送給装置を集合ローラ１２の前段に設け、幅調整装置１１から送り出されるプリプレグテープＴの幅に応じてプリプレグテープＴの中心位置における間隔を調整できるようにしても良い。

テンションローラ１３は、集合ローラ１２から同一方向に送り出された複数のプリプレグテープＴにテンションをかけることによってプリプレグテープＴの弛みを防止するための円筒状のローラである。テンションローラ１３と、各プリプレグテープＴとの接触によって、各プリプレグテープＴの進行方向を変化させれば、各プリプレグテープＴにテンションを掛けることができる。

フィードローラ１４は、同一方向に送り出された複数のプリプレグテープＴをプリプレグテープＴの長さ方向に送り出すための動力を有するローラである。フィードローラ１４は、動力を有する円筒状の動力ローラ１４Ａと、動力の無い円筒状のサポートローラ１４Ｂで構成することができる。動力ローラ１４Ａの回転シャフトにはモータ１４Ｃの出力シャフトが連結される。このため、動力ローラ１４Ａはモータ１４Ｃの動力で回転する。サポートローラ１４Ｂは、動力ローラ１４Ａとの間で複数のプリプレグテープＴを挟み込むためのローラである。

もちろん、複数のプリプレグテープＴを挟み込む２つのローラの双方をモータで回転させるようにしても良い。また、動力ローラ１４Ａの回転シャフトとモータ１４Ｃの出力シャフトとの間には、ギアの他、ワンウェイクラッチを連結しても良い。

フィードローラ１４を駆動させるモータ１４Ｃは、制御装置５で制御することができる。このため、モータ１４Ｃの回転開始と回転停止の制御によって、プリプレグテープＴの送り出しの開始と終了を制御することができる。

カッタ１５は、同一方向に送り出された複数のプリプレグテープＴの積層が完了した際に、プリプレグテープＴを切断するための工具である。カッタ１５の動作は、制御装置５で制御することができる。

図８に示す例では、カッタ１５が回転することによってカッタ１５の刃１５Ａを各プリプレグテープＴに接触させる回転式となっているが、カッタ１５を平行移動させることによって、カッタ１５の刃１５Ａを各プリプレグテープＴに接触させるようにしても良い。また、カッタ１５の刃１５Ａとの間で各プリプレグテープＴを挟み込むための円筒状のローラ１５Ｂを設けることができる。

コンパクションローラ１６は、同一方向に送り出された複数のプリプレグテープＴに各プリプレグテープＴの厚さ方向における圧力を付与しながらテーブル４に向けて送り出すための円筒状のローラである。１層目のプリプレグテープＴはコンパクションローラ１６で積層治具Ｊに押付けられることになり、２層目以降のプリプレグテープＴは厚さ方向に隣接する下方の積層済みのプリプレグテープＴに押付けられることになる。従って、コンパクションローラ１６は、幅方向に配列された複数のプリプレグテープＴを、積層治具Ｊ又は厚さ方向に隣接する複数のプリプレグテープＴに押付けながら送り出すローラである。

プリプレグテープＴの積層枚数が増えると、新たに積層するプリプレグテープＴの高さは徐々に高くなる。このため、コンパクションローラ１６は鉛直方向にも移動させる必要がある。コンパクションローラ１６の鉛直方向における位置は、送り機構６で積層ヘッド２を鉛直方向に平行移動させることによって調整することができる。但し、コンパクションローラ１６を積層ヘッド２に対して相対的に上下移動させる駆動軸を設けても良い。

同一方向に送り出された複数のプリプレグテープＴをコンパクションローラ１６でテーブル４に対して水平方向に相対移動させれば、コンパクションローラ１６の移動方向と逆方向に複数のプリプレグテープＴを送り出すことができる。複数のプリプレグテープＴを水平方向に送り出すためには、コンパクションローラ１６の回転軸が水平方向となるようにコンパクションローラ１６を配置することが必要となる。これに対して、各プリプレグテープＴは捩ることが可能であるため、集合ローラ１２等の他のローラについては、干渉回避等のために回転軸を水平方向に対して傾斜させても良い。

各プリプレグテープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、動力を有するフィードローラ１４で各プリプレグテープＴに張力を与えなくてもコンパクションローラ１６から付与される圧力によって各プリプレグテープＴを送り出すことができる。そして、各プリプレグテープＴの送り出し速度は、必然的にコンパクションローラ１６から送り出されるプリプレグテープＴの速度となる。従って、各プリプレグテープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、フィードローラ１４で各プリプレグテープＴに過剰な張力を与えることは各プリプレグテープＴの弛みや突っ張りの原因となり、好ましくない。

そこで、フィードローラ１４の動力ローラ１４Ａには、図８に例示されるシリンダ機構１４Ｄ或いはラック・アンド・ピニオンやボールねじ等の往復移動する機械要素を連結し、各プリプレグテープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、動力ローラ１４Ａを各プリプレグテープＴから退避できるようにすることができる。
但し、各テープＴの張力を適度に確保するために、フィードローラ１４を各テープＴと接触させ、フィードローラ１４に対して各テープＴを滑らせるようにしても良い。また、フィードローラ１４に代えて、或いはフィードローラ１４に加えて、日本国特願２０２２－０１３７７１の出願書類に開示されているベルトコンベアや吸引チャック付きのベルトコンベアを用いても良い。

上述したＡＦＰ装置１を用いると、複数のボビン１０から供給される複数のプリプレグテープＴを幅方向に隙間なく並べて長さ方向に同時に送り出し、かつ共通のコンパクションローラ１６で圧力をかけることができる。また、幅調整装置１１を設けることにより、複数のボビン１０から供給される複数のプリプレグテープＴを、それぞれ幅を変化させながら幅方向に並べて長さ方向に送り出すことが可能となる。

このため、プリプレグテープＴの一部の送り出しを停止すれば、幅方向に間隔を空けて複数のプリプレグテープＴを送り出すことができる。選択したプリプレグテープＴの停止は、制御装置５で必要な構成要素を制御することによって行うことができる。例えば、ボビン１０又は幅調整装置１１にプリプレグテープＴの送り出しを停止する機能を設け、制御装置５で制御するようにしても良い。

或いは、プリプレグテープＴの送り出しを停止させるブレーキをプリプレグテープＴごとに設け、ブレーキのオン状態とオフ状態の切換制御を制御装置５で行うようにしても良い。尚、日本国特願２０２２－０１３７７１の出願書類に開示されているプリプレグテープＴのブレーキを採用し、制御装置５でブレーキを制御するようにしても良い。

但し、プリプレグテープＴの間隔が、送り出しを停止するプリプレグテープＴの幅と同じである場合には、制御装置５による制御に依らずに作業者のマニュアルで一部のプリプレグテープＴの送り出しを停止することもできる。

図９は図８に示す積層ヘッド２から制御装置５による制御に依らずに間隔を空けて複数のプリプレグテープＴを送り出す方法を説明する図である。

図９に示すようにＡＦＰ装置１から隙間なく送り出すための複数のプリプレグテープＴの一部をＡＦＰ装置１に取付けないことにより、第１のプリプレグテープＴ及び第２のプリプレグテープＴにそれぞれ間隔を空けることができる。より具体的には、図９に示すように幅方向に隣接するプリプレグテープＴを供給するための２つのボビン１０の一方をＡＦＰ装置１に取付けないことにより、上述したように第１のプリプレグテープＴ及び第２のプリプレグテープＴにそれぞれ間隔を空けることができる。

図９に示す例では、幅が等しいプリプレグテープＴを幅方向に隙間なく供給するための６つのボビン１０をセットできるようになっているが、飛び飛びの位置にある３つのボビン１０が取付けられておらず、取付けられた３つのボビン１０から幅方向に間隔を空けてプリプレグテープＴを供給できるようになっている。このように、幅が等しい複数のプリプレグテープＴを幅方向に隙間なく供給できるＡＦＰ装置１の場合には、幅方向に１つ置きにプリプレグテープＴのボビン１０をセットすることによってプリプレグテープＴに間隔を空けることができる。

このように作業者による手作業でプリプレグテープＴに間隔を空けるようにすれば、制御装置５にインストールされる制御プログラムの作成を容易にすることができる。具体的には、プリプレグテープＴの送り出しの停止と送り出しの停止対象となるプリプレグテープＴを特定するための制御信号の作成が不要となるのみならず、積層ヘッド２を往復移動させて第１のプリプレグテープＴ及び第２のプリプレグテープＴを積層する場合であれば、積層ヘッド２の往路と復路を同一の線上にすることができる。

図１０は図８に示すコンパクションローラ１６を含む積層ヘッド２で図１に示すプリプレグテープＴの積層を行うための積層ヘッド２の制御プログラムの一例を説明する図である。

図１０に示すようにＡＦＰ装置１に備えられる積層ヘッド２を積層ヘッド２の反転を伴って往復移動させることができる。そして、積層ヘッド２の往路において複数の第１のプリプレグテープＴを積層することができる。一方、積層ヘッド２の反転後における積層ヘッド２の復路において複数の第１のプリプレグテープＴの数と同じ数の複数の第２のプリプレグテープＴを第１のプリプレグテープＴの間隔と同じ幅方向における間隔で複数の第１のプリプレグテープＴと互い違いに積層することができる。

この場合、積層後における複数の第１のプリプレグテープＴと、積層後における複数の第２のプリプレグテープＴは、幅方向において中央に積層される第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴの境界線に関して互いに線対称となる。従って、幅方向において中央に積層される第１のプリプレグテープＴと第２のプリプレグテープＴの境界線を積層ヘッド２の移動経路として定義すれば、積層ヘッド２の往路と復路を同一の線Ｌ上にすることができる。そうすると、積層ヘッド２の制御プログラムを作成するために用いられる積層ヘッド２の移動経路を定義するための線Ｌを積層ヘッド２の往路と復路で共通にすることができる。このため、制御装置５にインストールされる制御プログラムの作成を容易にすることができる。

作業者が特定のプリプレグテープＴを供給するためのボビン１０を積層ヘッド２に取付けないことによってプリプレグテープＴの送り出しを停止する場合には、ＡＦＰ装置１の制御装置５が一部のプリプレグテープＴの送り出しが停止されていることを認識せずに複数のプリプレグテープＴが積層ヘッド２から間隔を空けて送り出されることになるが、制御装置５の制御下においてプリプレグテープＴの送り出しを停止することもできる。すなわち、制御装置５にインストールされる制御プログラムでプリプレグテープＴを選択し、選択したプリプレグテープＴの送り出しの停止と開始をカッタ１５による切断を伴って行うことができる。

この場合、積層ヘッド２の往路と復路のみならず、積層ヘッド２の移動中においても、送り出されるプリプレグテープＴの数を変えることができる。このため、間隔を空けた複数のプリプレグテープＴの２回に分けた積層を、幅方向に隣接するプリプレグテープＴ間の接触が好ましくないステアリング積層に限定して行うようにしても良い。

図１１は同時に積層するプリプレグテープＴの数を変更する場合の例を示す図である。

図１１の上方に示すように積層ヘッド２が直線的に移動する場合や曲率が閾値未満の小さな曲線に沿って曲線的に移動する場合には、複数のプリプレグテープＴを幅方向に隙間なく送り出すことができる。つまり、積層ヘッド２の移動を２回に分けずに１回の移動で同一層内における複数のプリプレグテープＴを積層することができる。

一方、図１１の中央に示すように曲率が閾値以上の曲線に沿って曲線的に積層ヘッド２が移動する場合には、幅方向に隙間なく送り出すための複数のプリプレグテープＴの一部の送り出しを停止することにより、間隔を空けて複数の第１のプリプレグテープＴを積層することができる。プリプレグテープＴの送り出しの停止は、例えば、制御装置５の制御によってカッタ１５でプリプレグテープＴを切断する一方、ボビン１０又は幅調整装置１１の作動を停止させたり、プリプレグテープＴの送り出しを停止させるためのブレーキをオンに切換えたりすることによって自動的に行うことができる。

更に、図１１の下方に示すように第１のプリプレグテープＴの間隔を埋めるために積層ヘッド２を往復移動させ、第２のプリプレグテープＴを積層することができる。幅方向において飛び飛びの位置にあるプリプレグテープＴを制御装置５の制御によって選択的に送り出す場合には、積層ヘッド２の往路と復路との間で送り出すプリプレグテープＴの数を変えることができる。このため、最終的に奇数本のプリプレグテープＴを隙間なく配置することが可能となる。

これは、図１に示すように積層ヘッド２を直線的に移動させる場合や、図５に示すように積層ヘッド２を同じ方向に移動させる場合においても同様である。尚、図１１に示す例では、曲線に沿ってステアリング積層を行うための積層ヘッド２の往路において３本の第１のプリプレグテープＴが間隔を空けて積層されており、積層ヘッド２の復路において２本の第２のプリプレグテープＴが間隔を空けて積層されている。

プリプレグテープＴの積層は制御装置５による制御下での積層ヘッド２の移動によって層ごとに順次行われ、全ての層におけるプリプレグテープＴの積層が完了すると、プリプレグテープＴの積層体が得られる。

湾曲したウェブとフランジを有する航空機部品のように製作対象となるＦＲＰの形状が複雑である場合には、積層治具Ｊに積層されたプリプレグテープＴの積層体にＦＲＰの形状に対応する形状を付与することが必要となる場合がある。その場合には、プリプレグテープＴの積層工程に続いて、プリプレグテープＴの積層体に形状を付与する賦形工程が実施される。

プリプレグテープＴの積層体の賦形は、加熱装置による加熱と加圧によって行うことができる。加圧は、プレス機による賦形型の押し当てやバギングによる大気圧の負荷によって行うことができる。積層治具Ｊが賦形型を兼ねていない場合には、プリプレグテープＴの積層体が積層治具Ｊから賦形型に載せ替えられる。逆に、積層治具Ｊが賦形型を兼ねている場合には、プリプレグテープＴの積層体を載置した積層治具Ｊがバギングやプレス機等によって賦形工程を実施するためのエリアに搬送される。

プリプレグテープＴの積層体の賦形が完了すると、成形後のＦＲＰの形状に対応する形状を有するプリフォームが製作される。また、航空機のパネルのようにＦＲＰの形状が単純であり、賦形用の形状を有する積層治具ＪにプリプレグテープＴを積層するのみでプリフォームが製作される場合には、プリプレグテープＴの積層と賦形が同時に行われることになる。

（複合材成形方法）
上述したプリフォームの製造方法で製造されたプリフォームを用いてＦＲＰを成形する場合には、プリフォームに含まれる樹脂の硬化が行われる。すなわち、積層及び賦形後におけるプリプレグテープＴに予め含浸させておいた樹脂の硬化工程が実施される。これにより、目的とする形状を有するＦＲＰを成形することができる。

樹脂が熱硬化性樹脂であれば樹脂の硬化工程はオーブンやオートクレーブ装置等の加熱装置を用いた樹脂の加熱となる。一方、樹脂が熱可塑性樹脂であれば樹脂の硬化工程は加熱装置で一旦樹脂を加熱して溶融させた後、空冷等で樹脂を冷却する工程となる。また、樹脂の硬化に先立って、プリフォームを他のプリフォームや中間硬化した他のＦＲＰと組合せる組立工程を実施したり、プリフォームの上にＲＴＭ法で成形するための別のドライプリフォームを載置して樹脂を注入したりしても良い。

プリフォームに含まれる樹脂を硬化することによってＦＲＰを成形するための成形治具についても積層治具Ｊ又は賦形治具と共通にしても良いし、別に準備してプリフォームを載せ替えるようにしても良い。
（効果）

以上のプリフォームの製造方法及び複合材成形方法は、複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べて間隔を空けて同時に積層できるようにし、プリプレグテープＴ間に埋めるべき間隔が生じた場合にはその後のプリプレグテープＴの積層で当該間隔を埋めるようにしたものである。

このため、プリフォームの製造方法及び複合材成形方法によれば、複数のプリプレグテープＴを幅方向に並べて互いに接触させずに送り出すことができる。その結果、幅方向に並べて送り出される複数のプリプレグテープＴを互いに独立した送り出し速度で送り出すことができる。このため、曲率が大きい曲線に沿ったプリプレグテープＴのステアリング積層が容易となる。

しかも、同一層内の同一の積層エリアにおけるプリプレグテープＴの積層を２回に分けて行うことによって、複数のプリプレグテープＴを積層エリアに隙間無く敷き詰めることが可能である。つまり、幅方向に隣接するプリプレグテープＴを互いに接触させず、かつ隙間も発生させずに積層エリアに積層することが可能となる。

また、各プリプレグテープＴの幅及び間隔を断続的に変更することによって、幅方向に隙間なく積層される複数のプリプレグテープＴ全体の幅を変化させることはもちろん、各プリプレグテープＴ自体の幅を連続的に変化させながら積層することもできる。このため、プリプレグテープＴの可変幅ステアリング積層が可能となる。

（第２の実施形態）
図１２は本発明の第２の実施形態に係るプリフォームの製造方法を説明するためのプリプレグテープＴの上面図である。

図１２に示された第２の実施形態におけるプリフォームの製造方法では、幅方向に間隔を空けて並べ、同時に長さ方向に送り出される複数のプリプレグテープＴに、異なる複数のコンパクションローラＲで圧力をかけるようにした点が第１の実施形態におけるプリフォームの製造方法と相違する。第２の実施形態におけるプリフォームの製造方法の他の特徴については第１の実施形態におけるプリフォームの製造方法と実質的に異ならないためプリプレグテープＴの上面図の一例のみ図示し、同様の特徴については説明を省略する。

図１２に例示されるように幅方向に間隔を空けて並べ、同時に長さ方向に送り出される第１及び第２の複数のプリプレグテープＴに、異なる複数のコンパクションローラＲで圧力をかけるようにしても良い。この場合、各プリプレグテープＴは、幅方向のみならず長さ方向にも異なる位置から同時に送り出されることになる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ ＡＦＰ装置
２ 積層ヘッド
３ ガントリ
３Ａ 支柱
４ テーブル
５ 制御装置
６ 送り機構
１０ ボビン
１１ 幅調整装置
１２ 集合ローラ
１３ テンションローラ
１４ フィードローラ
１４Ａ 動力ローラ
１４Ｂ サポートローラ
１４Ｃ モータ
１４Ｄ シリンダ機構
１５ カッタ
１５Ａ 刃
１５Ｂ ローラ
１６ コンパクションローラ
Ｒ コンパクションローラ
Ｔ プリプレグテープ

Claims (5)

1. 繊維強化プラスチックの素材であるプリフォームの製造方法において、
   複数のボビンから供給される複数のプリプレグテープを幅方向に並べて長さ方向に送り出すことが可能な自動繊維積層装置を用いて複数の第１のプリプレグテープを幅方向に間隔を空けて積層するステップと、
   積層された前記第１のプリプレグテープの前記間隔に前記自動繊維積層装置を用いて第２のプリプレグテープを積層するステップと、
   を有するプリフォームの製造方法。
2. 複数のボビンから供給される複数のプリプレグテープを幅方向に隙間なく並べて長さ方向に同時に送り出し、かつ共通のローラで圧力をかけることが可能な自動繊維積層装置を使用し、前記隙間なく送り出すための複数のプリプレグテープの一部を前記自動繊維積層装置に取付けないことにより、又は、前記隙間なく送り出すための複数のプリプレグテープの一部の送り出しを停止することにより、前記第１のプリプレグテープに前記間隔を空ける請求項１記載のプリフォームの製造方法。
3. 前記自動繊維積層装置に備えられる積層ヘッドを前記積層ヘッドの反転を伴って往復移動させ、前記積層ヘッドの往路において前記複数の第１のプリプレグテープを積層する一方、前記積層ヘッドの反転後における前記積層ヘッドの復路において前記複数の第１のプリプレグテープの数と同じ数の複数の前記第２のプリプレグテープを前記第１のプリプレグテープの間隔と同じ幅方向における間隔で前記複数の第１のプリプレグテープと互い違いに積層し、
   前記積層ヘッドの制御プログラムを作成するために用いられる前記積層ヘッドの移動経路を定義するための線を前記積層ヘッドの往路と復路で共通にする請求項１記載のプリフォームの製造方法。
4. 複数のボビンから供給される複数のプリプレグテープを、それぞれ幅を変化させながら幅方向に並べて長さ方向に送り出すことが可能な自動繊維積層装置を用いて前記複数の第１のプリプレグテープの幅を変化させながら幅が変化する間隔を空けて前記複数の第１のプリプレグテープを積層し、
   前記幅が変化する間隔に合わせて幅が変化する第２のプリプレグテープを、前記自動繊維積層装置を用いて前記幅が変化する間隔に積層する請求項１記載のプリフォームの製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプリフォームの製造方法で製造されたプリフォームを用いて前記繊維強化プラスチックを成形する複合材成形方法。

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