JP2024066286A - 繊維の幅調整装置及び複合材成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ成形用のプリプレグテープ又はドライテープの幅を安定的に調整できるようにすることである。【解決手段】繊維の幅調整装置は、繊維強化プラスチックの素材となる、樹脂を含浸させる前又は樹脂を含浸させた後の繊維からなるテープの幅を調整する繊維の幅調整装置であって、前記テープを通すための、幅が徐々に減少する経路を形成する一対の壁面と、前記テープが前記経路から離脱する位置が変化するように前記経路を前記テープに対して相対移動させる移動機構と、前記経路内において前記テープを送り出す複数のローラとを有するものである。【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、繊維の幅調整装置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、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。

成形対象となるＦＲＰの形状に合わせて形状を付与した繊維の積層体はプリフォームと呼ばれる。プリフォームのうちＲＴＭ法によりＦＲＰを成形する場合に製作される樹脂を含浸させる前の繊維の積層体はドライプリフォームと呼ばれる。

より複雑な形状を有するＦＲＰを成形するためには、複雑な形状を有するプリフォームを製作することが必要となる。すなわち、ＦＲＰの素材となるプリプレグテープ又はドライテープをＦＲＰの形状に合わせて積層したプリフォームを製作することが必要となる。そこで、幅が徐々に減少する経路にプリプレグテープ又はドライテープを通すことによってプリプレグテープ又はドライテープの幅を変化させる幅調整装置が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

国際公開第２０１１／１１６１９１号明細書 特開２０２０－０９３４５４号公報

本発明は、ＦＲＰ成形用のプリプレグテープ又はドライテープの幅を安定的に調整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繊維の幅調整装置は、繊維強化プラスチックの素材となる、樹脂を含浸させる前又は樹脂を含浸させた後の繊維からなるテープの幅を調整する繊維の幅調整装置であって、前記テープを通すための、幅が徐々に減少する経路を形成する一対の壁面と、前記テープが前記経路から離脱する位置が変化するように前記経路を前記テープに対して相対移動させる移動機構と、前記経路内において前記テープを送り出す複数のローラとを有するものである。

また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述した繊維の幅調整装置を用いて前記テープの幅を調整するステップと、幅を調整した前記テープを積層することによってプリフォームを製作するステップと、前記プリフォームに含まれる前記樹脂を硬化することによって前記繊維強化プラスチックを製作するステップとを有するものである。

本発明の実施形態に係る繊維の幅調整装置を備えたＡＦＰ装置の構成例を示す図。 図１に示す幅調整装置の本体と移動機構の構成例を示す正面図。 図２に示す本体の右側面図。 図２に示す本体の下面図。 図２に示す本体の分解斜視図。 図１に示す幅調整装置でプリプレグテープの幅を変化させる方法を説明する図。 図２乃至４に示すテーパ幅区間の手前に配置されるローラの形状例を示す正面図。 図７に示すローラの縦断面図。 図７に示すローラの斜視図。 図２乃至４に示すテーパ幅区間の手前に表面がギザギザとなっているローラを配置しない場合に生じる問題点を説明する図。 図２乃至４に示すテーパ幅区間の手前に比較例１の形状を有するローラを配置した場合に生じる問題点を説明する図。 図２乃至４に示すテーパ幅区間の手前に比較例２の形状を有するローラを配置した場合に生じる問題点を説明する図。 図２乃至４に示すテーパ幅区間の手前に縦断面において適切な向きで表面がギザギザとなっているローラを配置した場合における効果を説明する図。 図１及び図６に示す引き出しローラの配置例を説明する図。

本発明の実施形態に係る繊維の幅調整装置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。

（繊維の幅調整装置の構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る繊維の幅調整装置を備えたＡＦＰ装置の構成例を示す図である。

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、熱可塑性樹脂又は未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の繊維であり、プリプレグテープＴはプリプレグをテープ状にしたものである。ＡＦＰ装置１は、テーブル２、テーブル２に向けてプリプレグテープＴを送り出す積層ヘッド３、送り機構４並びにＡＦＰ装置１の各構成要素を統括制御する制御装置５で構成することができる。

テーブル２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２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２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２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。

積層ヘッド３には、プリプレグテープＴの幅調整装置６の他、フィードローラ７、カッタ８及びコンパクションローラ９を設けることができる。幅調整装置６は、ボビン等から素材として供給されるプリプレグテープＴの幅を調整して送り出す装置である。

フィードローラ７はモータによって回転する動力付きのローラである。フィードローラ７は幅調整装置６で幅が調整されたプリプレグテープＴをコンパクションローラ９に向けて送り出すために設けられる。フィードローラ７のモータは、制御装置５で制御することができる。尚、フィードローラ７に代えて、或いはフィードローラ７に加えて、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。

カッタ８はプリプレグテープ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８の動作は、制御装置５で制御することができる。

コンパクションローラ９は、プリプレグテープＴにプリプレグテープＴの厚さ方向における圧力を付与しながらテーブル２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９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。

送り機構４は、積層ヘッド３をテーブル２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２側に積層位置を変えながら送り出す装置である。プリプレグテープＴのテーブル２側への送り出し方向は、積層ヘッド３の移動方向と逆方向となる。送り機構４は、積層ヘッド３の直交３軸方向への直線移動に加えて、積層ヘッド３の回転移動を行えるように構成しても良い。その場合、積層ヘッド３の筐体自体を回転させずに、積層ヘッド３に取付けたコンパクションローラ９を回転させるようにしても良い。また、積層ヘッド３の筐体自体を鉛直方向に移動させずに、積層ヘッド３に対してコンパクションローラ９を鉛直方向に移動させても良い。

積層ヘッド３やテーブル２を直線移動させるための送り機構４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送り機構４を構成することもできる。

また、積層ヘッド３を回転移動させるための回転機構を送り機構４に設ける場合には、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回転機構を構成することができる。積層ヘッド３を回転移動させるための機構としては、多関節ロボットを用いても良い。多関節ロボットのアームにエンドエフェクタとして積層ヘッド３を取付ける場合においても、積層ヘッド３はモータで回転するシャフトを含むリンク機構等で回転移動及び直線移動することになる。

プリプレグテープＴの先端がコンパクションローラ９に到達した後は、送り機構４で積層ヘッド３を相対移動させれば、動力を有するフィードローラ７でプリプレグテープＴに張力を与えなくても、コンパクションローラ９から付与される圧力によってプリプレグテープＴを送り出すことができる。このため、シリンダ機構等でフィードローラ７をプリプレグテープＴから退避できるようにしても良い。但し、プリプレグテープＴの張力を適度に確保するために、フィードローラ７をプリプレグテープＴと接触させ、フィードローラ７に対してプリプレグテープＴを滑らせるようにしても良い。

次に、幅調整装置６の詳細構成例について説明する。

幅調整装置６は、図１に示すように本体１０、移動機構１１及び引き出しローラ１２で構成することができる。本体１０はプリプレグテープＴの幅を調整するための機構である。移動機構１１は、本体１０を移動させる装置である。図１に示す例では、本体１０の外観が円筒状となっており、モータを備えた移動機構１１で円筒状の本体１０を円周方向に回転移動できるようになっている。引き出しローラ１２は本体１０からプリプレグテープＴを引き出して後段のフィードローラ７やコンパクションローラ９に送り出すためのローラである。

図２は図１に示す幅調整装置６の本体１０と移動機構１１の構成例を示す正面図、図３は図２に示す本体１０の右側面図、図４は図２に示す本体１０の下面図、図５は図２に示す本体１０の分解斜視図である。

幅調整装置６の本体１０は、プリプレグテープＴを通すための経路２０と、経路２０内においてプリプレグテープＴを送り出す複数のローラ２１を有する。経路２０は、一対の壁面２２と、複数のローラ２１によって形成される。また、経路２０は、幅が一定となっている入口側の一定幅区間２０Ａと、幅が徐々に減少する出口側のテーパ幅区間２０Ｂとを有する。

より具体的には、各ローラ２１は図５に示すように回転シャフトを中心に動力無しで回転自在にコロのように回転する円筒状のローラである。各ローラ２１は、円弧に沿って互いに回転軸が平行となるように配置される。また、図示された例では２枚の環状の板材が各ローラ２１を挟んで対向配置され、環状の板材の外側における縁が経路２０の壁面２２となっている。そして、環状の板材と同一の中心を有し、かつ環状の板材の外径よりも短い直径を有する円弧に沿って複数のローラ２１が配置されている。

従って、プリプレグテープＴの経路２０には連続的な面からなる底面は無く、複数のローラ２１の回転移動する曲面によって経路２０の底が形成される。また、ローラ２１間における干渉回避のため隣接するローラ２１間には隙間が設けられる。このため、経路２０の底は断続的となる。つまり、本体１０の経路２０は、溝の底面を複数のローラ２１に置換えた構造を有する。

一方、移動機構１１は、モータ１１Ａと回転シャフト１１Ｂで構成することができる。回転シャフト１１Ｂの一端は、円筒状の本体１０の中央に挿入され、本体１０に固定される。回転シャフト１１Ｂの他端はモータ１１Ａの出力シャフトと連結される。このため、モータ１１Ａからの動力によって本体１０を回転させることができる。また、モータ１１Ａの出力シャフトの回転量を制御装置５で制御することによって、本体１０の回転角度を制御することができる。

尚、図２に示す例ではモータ１１Ａの出力シャフトが回転シャフト１１Ｂと一体化されているがギアやプーリで移動するベルト等の機械要素を介してモータ１１Ａのトルクを回転シャフト１１Ｂに伝達するようにしても良い。また、回転シャフト１１Ｂにレバーを固定し、レバーの端部をモータで駆動する電動アクチュエータで往復移動させることによって回転シャフト１１Ｂを回転させるようにしても良い。

図６は図１に示す幅調整装置６でプリプレグテープＴの幅を変化させる方法を説明する図である。

図６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は幅調整装置６の本体１０に形成される経路２０にプリプレグテープＴを通し、かつ移動機構１１で本体１０を異なる回転角度で回転させた状態を示す。プリプレグテープＴは、定位置から本体１０の一定幅区間２０Ａに引き入れる一方、定位置にある引き出しローラ１２でテーパ幅区間２０Ｂから引き出すことができる。

図４に示すように一定幅区間２０Ａの幅は、テーパ幅区間２０Ｂの最大幅となっている。つまり、経路２０の幅は、途中から徐々に狭くなる。一定幅区間２０Ａの幅は、幅を調整する前のプリプレグテープＴの幅に合わせられる。一方、テーパ幅区間２０Ｂの幅は、幅の調整後におけるプリプレグテープＴがとり得る幅をカバーできるように決定される。

従って、図６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように定位置にある引き出しローラ１２に対して本体１０を移動機構１１で回転移動させれば、テーパ幅区間２０Ｂを含む経路２０が引き出しローラ１２によるプリプレグテープＴの引き出し位置に対して回転移動するため、プリプレグテープＴがテーパ幅区間２０Ｂから離脱する位置を変化させることができる。

その結果、プリプレグテープＴの幅を、プリプレグテープＴがテーパ幅区間２０Ｂから離脱する位置におけるテーパ幅区間２０Ｂの幅に対応する幅に狭めることができる。つまり、幅が徐々に狭くなる経路２０のテーパ幅区間２０ＢにプリプレグテープＴを通すことでプリプレグテープＴの幅を狭め、かつプリプレグテープＴがテーパ幅区間２０Ｂから離脱する位置を変化させることでプリプレグテープＴの幅を可変調整することができる。

より具体的には、図６（Ａ）に示すようにテーパ幅区間２０Ｂの影響を受けない位置でプリプレグテープＴを経路２０から離脱させれば、素材として幅調整装置６に供給されるプリプレグテープＴの幅を変化させずに引き出しローラ１２から送り出すことができる。一方、図６（Ｂ）に示すように本体１０を回転させ、テーパ幅区間２０Ｂの影響を受ける位置でプリプレグテープＴを経路２０から離脱させれば、素材として幅調整装置６に供給されるプリプレグテープＴの幅を狭めて引き出しローラ１２から送り出すことができる。また、図６（Ｃ）に示すように本体１０を更に回転させ、テーパ幅区間２０Ｂのより狭い位置でプリプレグテープＴを経路２０から離脱させれば、プリプレグテープＴの幅を更に狭くして引き出しローラ１２から送り出すことができる。

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。ＡＦＰ装置１の積層ヘッド３を回転させてプリプレグテープＴを曲線的にテーブル２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、幅が１／４インチであるプリプレグテープＴを使用する場合であれば、一定幅区間２０Ａの幅を６．３５ｍｍにすることができる。この場合、テーパ幅区間２０Ｂの最も狭い幅を３．１７５ｍｍ以下に設定すれば、１／４インチの幅を有するプリプレグテープＴを素材として幅が１／８インチのプリプレグテープＴを製作することが可能となる。

各ローラ２１の長さは経路２０の幅に合わせて決定することができる。一方、各ローラ２１の直径と間隔を小さくする程、プリプレグテープＴの幅を連続的に変化させることが容易となる。これは、各ローラ２１の直径と間隔が小さくなるほどプリプレグテープＴの経路２０が円弧に近づくためである。つまり、各ローラ２１の直径と間隔を小さくする程、プリプレグテープＴの経路２０を、底面を形成した場合における経路に近づけることができる。

そこで、機械的強度を確保することが可能な小径のローラ２１を僅かな間隔で配置することが望ましい。尚、実際に直径が４ｍｍから５ｍｍ程度の複数のローラ２１を配置した幅調整装置６を試作し、プリプレグテープＴの幅を安定的に変えられることを確認した。

図２乃至図６に示す幅調整装置６のようにプリプレグテープＴを通すための経路２０に底面を形成せずに複数のローラ２１を配置すると、プリプレグテープＴは経路２０に面接触ではなく線接触する。加えて、各ローラ２１は回転するため、プリプレグテープＴを各ローラ２１に対して滑らせる必要が無い。

その結果、プリプレグテープＴがタック（粘着性）により経路２０内の面に貼り付いて送り出せなくなる不具合を回避できる。また、プリプレグテープＴの送り速度を容易に変化させることができる。すなわち、摩擦によってプリプレグテープＴの送り速度が目的とする速度より減少することを回避できる。このため、ステアリング積層を行う場合に適切な送り速度の変化に対応することができる。加えて、プリプレグテープＴを各ローラ２１に十分な圧力で厚さ方向に押し付けることができる。このため、プリプレグテープＴの幅を、壁面２２の間隔に合わせて安定的に変化させることができる。

尚、図２乃至図５には複数のローラ２１を円弧に沿って配列した幅調整装置６の例を示したが、プリプレグテープＴの張力を維持しながら経路２０内を通すことができれば、楕円や放物線等の任意の曲線の一部に沿って複数のローラ２１を配置したり、多角形の頂点の位置に複数のローラ２１を配置したりするなど、ローラ２１の配置方法は任意である。換言すれば、プリプレグテープＴの厚さ方向に円弧状に湾曲しない経路２０を幅調整装置６の本体１０に形成しても良い。多角形の頂点の位置に複数のローラ２１を配置する場合にはプリプレグテープＴの幅を飛び飛びの幅に段階的に変化させるようにしても良い。但し、図２乃至図６に例示されるように複数のローラ２１を円弧に沿って配列すれば幅調整装置６の設計と製造が容易となり、かつプリプレグテープＴの幅を所望の幅に変化させることができる。

また、プリプレグテープＴがテーパ幅区間２０Ｂから離脱する位置が変化すれば、移動機構１１で幅調整装置６の本体１０を回転移動させるだけでなく本体１０を平行移動させたり、プリプレグテープＴを支持する他のローラの位置を本体１０に対して相対移動させたりしても良い。すなわち、プリプレグテープＴがテーパ幅区間２０Ｂから離脱する位置が変化するように、移動機構１１でプリプレグテープＴの経路２０をプリプレグテープＴに対して任意の軸方向に相対移動させることができる。従って、移動機構１１は、回転量を正確に制御できる電動モータ等のモータ１１Ａで回転する回転シャフト１１Ｂや電動モータで任意の軸方向に駆動する電動アクチュエータで構成することが実用的である。

プリプレグテープＴの経路２０の入口側にテーパ幅区間２０Ｂの移動距離よりも長い一定幅区間２０Ａを設けると、幅の調整前におけるプリプレグテープＴを一定幅区間２０Ａの異なる位置から経路２０に引き入れることが可能となる。すなわち、プリプレグテープＴの経路２０を幅が変化するテーパ幅区間２０Ｂのみにすると、本体１０と共に経路２０を移動させた場合に、プリプレグテープＴを経路２０に引き入れる位置もテーパ幅区間２０Ｂの幅に合わせて移動させるか、プリプレグテープＴの幅と異なる幅を有するテーパ幅区間２０Ｂの位置からプリプレグテープＴを経路２０に引き入れることが必要となる。

これに対して、幅の調整前におけるプリプレグテープＴの幅に合わせた一定幅区間２０Ａをテーパ幅区間２０Ｂよりも手前に形成し、一定幅区間２０ＡにもプリプレグテープＴを送り出すための複数のローラ２１を配置すれば、プリプレグテープＴを一定幅区間２０Ａの異なる位置から一定幅区間２０に引き入れる一方、プリプレグテープＴを定位置から経路２０に引き入れることが可能となる。

このため、図２乃至図６に示す例であれば、プリプレグテープＴの経路２０を形成する本体１０を回転体として移動機構１１で回転させるのみで、プリプレグテープＴを経路２０に引き入れて幅を変化させることができる。すなわち、プリプレグテープＴの経路２０への引き入れ位置と、プリプレグテープＴの経路２０からの引き出し位置を積層ヘッド３に対して移動させるために、プリプレグテープＴを回転移動させる必要が無い。その結果、移動機構１１をモータ１１Ａと回転シャフト１１Ｂからなるシンプルな構成にすることができる。

テーパ幅区間２０Ｂよりも手前には、図３乃至図６に示すように表面の少なくとも一部が回転軸方向にギザギザとなっているローラ２３を配置することが望ましい。表面がギザギザとなっているローラ２３は本体１０と共に経路２０を移動させてもプリプレグテープＴが必ず通る一定幅区間２０Ａ内の位置に配置することができる。

図７は図２乃至４に示すテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置されるローラ２３の形状例を示す正面図、図８は図７に示すローラ２３の縦断面図、図９は図７に示すローラ２３の斜視図である。

図７乃至図９に示すように縦断面において表面が回転軸方向にギザギザとなっているローラ２３をテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置することが望ましい。ギザギザの表面は、ローラ２３の少なくとも一部の表面の形状を、回転軸方向において中央に向かって直径が大きくなる向きで複数の円錐台の側面を連結した形状とすることによって形成することが適切である。加えて、ローラ２３の回転軸方向における中央には環状の溝２４を形成することが適切である。

このような中央が凹んだ複数のテーパ付のローラ２３をテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置すると、幅の調整後におけるプリプレグテープＴの厚さが不均一となる不都合を回避することができる。すなわち、幅の調整後におけるプリプレグテープＴを均一な厚さにすることができる。

図１０は図２乃至４に示すテーパ幅区間２０Ｂの手前に表面がギザギザとなっているローラ２３を配置しない場合に生じる問題点を説明する図である。

直径が中央に向かって断続的に大きくなるギザギザ状の凹凸を有するローラ２３をテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置しない場合には、図１０に示すように縦断面において表面がフラットなローラ２１のみでプリプレグテープＴが送り出されることになる。この場合、プリプレグテープＴがテーパ幅区間２０Ｂを通ればプリプレグテープＴの幅が変化するものの、テーパ幅区間２０Ｂの壁面２２と接触するプリプレグテープＴの両端がめくれ上がり、プリプレグテープＴの横断面においてプリプレグテープＴの端部のみが厚くなる場合がある。すなわち、プリプレグテープＴの端部と中央部分との間において厚さが極端に不均一となってしまう場合がある。

図１１は図２乃至４に示すテーパ幅区間２０Ｂの手前に比較例１の形状を有するローラ３０を配置した場合に生じる問題点を説明する図である。

図１１に示すように表面がギザギザであっても回転軸方向に直径が増減する単純なギザギザ形状のローラ３０をテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置すると、ギザギザ形状のローラ３０でプリプレグテープＴの両端以外の部分に皺を発生させることができる。このため、テーパ幅区間２０Ｂにおいて、プリプレグテープＴの両端以外の部分を折り畳みながらプリプレグテープＴの幅を縮めることができる。

しかしながら、プリプレグテープＴが折り畳まれる向きが不規則となる。具体的には、プリプレグテープＴの横断面において、プリプレグテープＴの中央に向かって折り畳まれる部分と、プリプレグテープＴの端部に向かって折り畳まれる部分が生じる。このため、幅の調整後におけるプリプレグテープＴの厚さは依然として不均一となる恐れがある。

図１２は図２乃至４に示すテーパ幅区間２０Ｂの手前に比較例２の形状を有するローラ３１を配置した場合に生じる問題点を説明する図である。

図１２に示すように回転軸方向において両端に向かって直径が大きくなる向きで表面にギザギザを形成したローラ３１をテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置すると、ローラ３１の各山でプリプレグテープＴの両端以外の部分に皺を発生させることができる。このため、テーパ幅区間２０Ｂにおいて、プリプレグテープＴの皺を起点として両端以外の部分を折り畳みながらプリプレグテープＴの幅を縮めることができる。

しかしながら、プリプレグテープＴが折り畳まれる向きがプリプレグテープＴの端部に向かう向きとなる。その結果、プリプレグテープＴの横断面において、プリプレグテープＴの中央部分のみが薄くなるという問題が生じる。

図１３は図２乃至４に示すテーパ幅区間２０Ｂの手前に縦断面において適切な向きで表面がギザギザとなっているローラ２３を配置した場合における効果を説明する図である。

図１３に示すように回転軸方向において中央に向かって直径が大きくなる向きで表面にギザギザを形成し、かつ中央にはギザギザを形成せずに環状の溝２４を形成したローラ２３をテーパ幅区間２０Ｂの手前に配置すると、ローラ２３の各山でプリプレグテープＴの両端以外の部分に皺を発生させることができる。このため、テーパ幅区間２０Ｂにおいて、プリプレグテープＴの皺を起点として両端以外の部分を折り畳みながらプリプレグテープＴの幅を縮めることができる。

具体的には、プリプレグテープＴを表面がギザギザのローラ２３に押し当てながら送り出すと、ローラ２３の山と谷の周長が異なることから、プリプレグテープＴの張力に幅方向に差が生じる。プリプレグテープＴの張力に差が生じると、繊維が自然に張力の差が減少する方向に動こうとする。すなわち、円錐の側面にプリプレグテープＴを巻き付けた場合にプリプレグテープＴが当該円錐の横断面における半径が大きい方向に向進する効果が生じるのと同様に、ローラ２３の各谷を通過するプリプレグテープＴの部分が、それぞれ半径が大きくなる山に向かって向進する効果が生じる。

図１３に示すローラ２３の各山はローラ２３の中心に向かって一様に傾斜している。従って、プリプレグテープＴは幅方向における複数の位置から山が中心に向かって折り畳まれることになる。つまり、プリプレグテープＴの幅を狭める際の折れ目の起点をローラ２３のギザギザで複数作り、複数の位置で中心に向かって折り畳みながらプリプレグテープＴの幅を狭めることができる。

また、図１３に示すローラ２３の中央にはギザギザの山が無く、環状の溝２４が設けられている。このため、ローラ２３の中央ではプリプレグテープＴに折れ目が形成されず、ローラ２３の中央に最も近いギザギザの山で生じたプリプレグテープＴの山をプリプレグテープＴの中央に折り畳むことができる。つまり、ローラ２３の中央にギザギザの山を形成しないことによって、プリプレグテープＴの中央に、プリプレグテープＴの山を折り畳むためのスペースを形成することができる。

その結果、幅の調整後におけるプリプレグテープＴの厚さを均一にすることができる。すなわち、横断面において、厚さが均一となるようにプリプレグテープＴを幅方向に折り畳むことができる。

尚、経路２０内においてプリプレグテープＴを送り出すための各ローラ２１についてはプリプレグテープＴの貼り付きを防止する観点からプリプレグテープＴとの接触面積を線接触とみなせる程度に減少させることが好ましいが、表面がギザギザのローラ２３についてはプリプレグテープＴと接触させて十分な折り目を付けることが重要である。

そこで、表面がギザギザのローラ２３とプリプレグテープＴが十分な接触面積で接触するように、表面がギザギザのローラ２３と、プリプレグテープＴを送り出すための前後の各ローラ２１との間隔を、プリプレグテープＴを送り出すためのローラ２１の間隔よりも広くすることができる。換言すれば、表面がギザギザのローラ２３は、プリプレグテープＴを送り出すための複数のローラ２１のように密に配置する必要はない。

表面がギザギザのローラ２３で、長さ方向がプリプレグテープＴの長さ方向となっている複数の皺を形成すると、プリプレグテープＴはテーパ幅区間２０Ｂにおいて幅方向に折り畳まれて送り出されるが、プリプレグテープＴをテーパ幅区間２０Ｂから張力が働いている方向にそのまま引き出すと一旦縮まったプリプレグテープＴの幅が元の幅に戻ってしまう場合があることが確認された。

そこで、図１及び図６に示すように引き出しローラ１２で、幅が縮んだプリプレグテープＴに厚さ方向に圧力を負荷しながらテーパ幅区間２０ＢからプリプレグテープＴを引き出すことができる。引き出しローラ１２でプリプレグテープＴに圧力を十分にかけるためには、テーパ幅区間２０Ｂから離脱したプリプレグテープＴの送り出し方向を引き出しローラ１２で十分に変化させればよい。

図１４は図１及び図６に示す引き出しローラ１２の配置例を説明する図である。

図１４に示すように、テーパ幅区間２０Ｂから離脱したプリプレグテープＴの送り出し方向と、引き出しローラ１２に最も近い位置に移動させたローラ２１によるプリプレグテープＴの送り出し方向とのなす角度θが４５度以上１８０度以下、望ましくは９０度±５度となるようにテーパ幅区間２０Ｂから離脱したプリプレグテープＴを引き出しローラ１２で送り出すことができる。

テーパ幅区間２０Ｂから引き出したプリプレグテープＴの送り出し方向を引き出しローラ１２で変えると、プリプレグテープＴは厚さ方向に曲げられることになるが、プリプレグテープＴの張力でプリプレグテープＴが引き出しローラ１２に十分な圧力で厚さ方向に押し付けられる。その結果、図１３に示すように幅方向に折り畳まれて幅が縮んだプリプレグテープＴの折り目を圧着し、プリプレグテープＴの幅を固定することができる。すなわち、プリプレグテープＴの幅が元に戻る不具合を回避し、プリプレグテープＴの安定した幅の変更が可能となる。

引き出しローラ１２は、プリプレグテープＴの幅が元に戻らないうちにプリプレグテープＴに圧力を負荷できるように、テーパ幅区間２０Ｂの変動する出口に配置することが適切である、すなわち、プリプレグテープＴをテーパ幅区間２０Ｂから離脱させる位置に引き出しローラ１２を配置することが適切である、

そこで、図１４に示すように、半径が５ｍｍの引き出しローラ１２の回転中心と、引き出しローラ１２に最も近い位置に移動させたローラ２１の表面との間における距離Ｄが１０ｍｍ以下となるように引き出しローラ１２を配置した。その結果、プリプレグテープＴの幅が元に戻る不具合を回避できる効果が十分に得られることが確認された。

（複合材成形方法）
次に繊維の幅調整装置６を備えたＡＦＰ装置１を用いた複合材成形方法について説明する。

ＦＲＰの成形を行う場合には、まずプリプレグテープＴの積層と賦形によって、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。そのために、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Ｊ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Ｊに積層したプリプレグのテープ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Ｊと賦形治具を共通にしても良い。

プリプレグテープＴを積層治具Ｊに積層する作業は、図１に例示されるＡＦＰ装置１で行われる。そのために、プリプレグテープＴを巻き付けたボビンが積層ヘッド３の内部或いは積層ヘッド３の外部の所定の位置に配置されたクリールスタンドにセットされる。この時、プリプレグテープＴの先端はフィードローラ７で挟み込まれる。そして、制御装置５による制御下でＡＦＰ装置１を作動させるとフィードローラ７が回転する。これにより、プリプレグテープＴの先端が送り出される。

プリプレグテープＴの先端が積層治具Ｊの表面に到達すると制御装置５による統括制御下で送り機構４が駆動し、積層ヘッド３がプリプレグテープＴの送り出し方向と逆方向に移動する。このため、コンパクションローラ９が積層治具Ｊに対してプリプレグテープＴの送り出し方向と逆方向に移動し、プリプレグテープＴの先端がコンパクションローラ９と積層治具Ｊで挟み込まれる。すなわち、プリプレグテープＴの先端がコンパクションローラ９に到達する。

このため、積層ヘッド３を引続きプリプレグテープＴの送り出し方向と逆方向に移動させると、プリプレグテープＴは送り出し方向に送り出され、プリプレグテープＴの送り出し速度は、コンパクションローラ９から圧力を受けながら送り出されるプリプレグテープＴの速度、すなわちコンパクションローラ９及び積層ヘッド３に対するテーブル２及び積層治具Ｊの相対速度となる。

その後は制御装置５にインストールした制御プログラムで定義した経路に沿って積層ヘッド３を移動させることにより、積層治具Ｊ上にプリプレグテープＴを積層することができる。積層ヘッド３には、プリプレグテープＴの幅を調整する幅調整装置６が搭載されているため、制御プログラムでプリプレグテープＴの幅を指定しておけば、制御装置５で幅調整装置６の移動機構１１を制御することによってプリプレグテープＴの幅を変化させながらプリプレグテープＴを積層することができる。

具体例として、幅調整装置６の本体１０を移動機構１１で回転させながら積層ヘッド３をテーブル２及び積層治具Ｊに対して相対移動させれば、本体１０の回転角度に応じて連続的に幅が変化するプリプレグテープＴを積層することができる。また、プリプレグテープＴの積層を一旦中断して積層ヘッド３をプリプレグテープＴの廃棄エリアに退避させ、プリプレグテープＴの幅が目的となる幅になるまで幅調整装置６の本体１０を移動機構１１で回転させた後、プリプレグテープＴの積層を再開すれば、断続的に幅が変化するプリプレグテープＴを積層することができる。

このように幅調整装置６を用いてプリプレグテープＴの幅を調整し、幅を調整したプリプレグテープ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得られる。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。

プリフォームが製作されると、プリフォームを構成するプリプレグテープＴ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）
以上のような繊維の幅調整装置６及び複合材成形方法は、幅が徐々に減少するテーパ幅区間２０ＢからプリプレグテープＴが離脱する位置を変化させることにとってプリプレグテープＴの幅を変化させ、かつテーパ幅区間２０Ｂでは複数のローラ２１でプリプレグテープＴを送り出すようにしたものである。このため、繊維の幅調整装置６及び複合材成形方法によれば、テーパ幅区間２０ＢにおいてプリプレグテープＴを支障なく送り出すことができる。

例えば、特開２０２０－０９３４５４号公報に記載されている従来の幅調整装置のように幅が徐々に狭くなる経路に連続的な底面を設けると、プリプレグテープを底面に対して滑らせることが必要となる。その場合、経路の底面とプリプレグテープとの間における摩擦熱によってプリプレグテープに含まれる樹脂が軟化し、プリプレグテープが底面に貼り付いてしまう場合がある。

これに対して、幅調整装置６のテーパ幅区間２０Ｂを含むプリプレグテープＴの経路２０には連続的な底面が無く、プリプレグテープＴと線接触する位置が常に変化する複数のローラ２１でプリプレグテープＴが送り出される。このため、従来の幅調整装置のようにプリプレグテープが底面に貼り付いてしまう不具合を回避することができる。

また、適切な向きのギザギザと中央の溝２４を形成したローラ２３を幅調整装置６のテーパ幅区間２０Ｂよりも手前に配置することによって、テーパ幅区間２０ＢにおいてプリプレグテープＴを均一に幅方向に折り畳むことが可能となる。その結果、幅の調整後におけるプリプレグテープＴの厚さを均一にすることができる。

一方、幅調整装置６のテーパ幅区間２０ＢからプリプレグテープＴを引き出す位置には、プリプレグテープＴに圧力を負荷する引き出しローラ１２を配置することによって、幅方向に折り畳まれたプリプレグテープＴが元に戻らないように圧着することができる。その結果、テーパ幅区間２０Ｂにおいて狭まったプリプレグテープＴの幅を維持することができる。

（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。

例えば上述した実施形態では、樹脂を含浸させた後の繊維をテープ状にしたプリプレグテープＴが積層対象である場合について説明したが、樹脂を含浸させる前の繊維をテープ状にしたドライテープが積層対象であっても良い。ドライテープを積層し、ＦＲＰの形状に合わせて賦形したドライテープの積層体はドライプリフォームと呼ばれる。

ドライプリフォームを素材としてＦＲＰを成形する場合には、ＲＴＭ法によってＦＲＰが成形される。具体的には、樹脂を硬化させる工程に先立ってドライプリフォームに未硬化の樹脂を注入することによって繊維を未硬化の樹脂で含浸させる工程が実施される。

１ 自動繊維積層（ＡＦＰ）装置
２ テーブル
３ 積層ヘッド
４ 送り機構
５ 制御装置
６ 幅調整装置
７ フィードローラ
８ カッタ
９ コンパクションローラ
１０ 本体
１１ 移動機構
１１Ａ モータ
１１Ｂ 回転シャフト
１２ 引き出しローラ
２０ 経路
２０Ａ 一定幅区間
２０Ｂ テーパ幅区間
２１ ローラ
２２ 壁面
２３ ローラ
２４ 溝
３０ ローラ
３１ ローラ
Ｊ 積層治具
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となる、樹脂を含浸させる前又は樹脂を含浸させた後の繊維からなるテープの幅を調整する繊維の幅調整装置であって、
   前記テープを通すための、幅が徐々に減少する経路を形成する一対の壁面と、
   前記テープが前記経路から離脱する位置が変化するように前記経路を前記テープに対して相対移動させる移動機構と、
   前記経路内において前記テープを送り出す複数のローラと、
   を有する繊維の幅調整装置。
2. 前記幅が徐々に減少する経路よりも手前に幅が一定の経路を形成して前記幅が一定の経路内において前記テープを送り出す複数のローラを更に配置し、
   前記幅が徐々に減少する経路と前記幅が一定の経路を前記移動機構で回転移動させる一方、前記テープを回転移動させずに前記幅が一定の経路の異なる位置から前記幅が一定の経路に引き入れるようにした請求項１記載の繊維の幅調整装置。
3. 前記経路よりも手前に、少なくとも一部の表面の形状を、回転軸方向において中央に向かって直径が大きくなる向きで複数の円錐台の側面を連結した形状とすることによって、表面の少なくとも一部が前記回転軸方向にギザギザとなっているローラを配置した請求項１記載の繊維の幅調整装置。
4. 前記テープを前記経路から離脱させる位置に前記テープの送り出し方向を変えて送り出すローラを配置した請求項１記載の繊維の幅調整装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の繊維の幅調整装置を用いて前記テープの幅を調整するステップと、
   幅を調整した前記テープを積層するステップと、
   積層した前記テープに含まれる前記樹脂を硬化することによって前記繊維強化プラスチックを製作するステップと、
   を有する複合材成形方法。

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