JP3680041B2 - 繊維強化樹脂構造体の製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂構造体の製造装置、及び、その製造方法に関し、特に、多様な構造体の製造に好適である繊維強化樹脂構造体の製造装置、及び、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化樹脂（ＦＲＰ）の用途は、多方面に拡がっている。カーボン繊維ロッドは、釣り竿、ゴルフパターに有用に用いられている。多層化繊維強化樹脂は、ボート、ヨットのような船体構造に有用に用いられている。航空機の機体、風車の翼のような大型の構造物に対する繊維強化樹脂の利用が望まれる。
【０００３】
構造化物体の強度の保証又はその物性の安定のためには、繊維強化樹脂の中に泡、空洞が製造プロセスで生じて入り込むことがないことが重要である。型の中に敷かれている繊維層に流動性樹脂を流し込んでその繊維層に流動性樹脂を含浸させる工程で空洞を層中に生じさせない技術として、特開昭６０−８３８２６号で開示されているように、真空成形方法が知られている。型の内面と真空フィルムで閉じられるモールドキャビティーの中は一方側で真空引きが行われ他方側から流動性樹脂が注入され、キャビティーの中で空気は流動性樹脂により置換され、泡、空洞がない繊維強化樹脂構造体が製造される。
【０００４】
流動性がある樹脂が繊維層に空間的に均一に分散して配分されるように、真空成形技術が改良される必要がある。そのような改良技術として、米国特許第４，９０２，２１５号又は米国特許第５，９０４，９７２号が知られている。これらの公知技術の共通点は、図９に抽象化されて概念的に示されるように、型１０１と真空フィルム１０２との間に形成されるキャビティーに格子状穴を持つ構造特にナイロンネット１０３を敷き、図１０に示されるように、樹脂注入用ホース１０４に開けた多くの穴から流動性樹脂１０５を注入し、キャビティーの端部１０６から真空引き１０７を行い、ナイロンネット１０３の格子状網目を透過させて樹脂を基層の繊維マット１０８に含浸させることである。ナイロンネット１０３は、流動性樹脂の２次元の拡散均一性を与えるために用いられている。
【０００５】
中空化され軽量化されるが構造上強度が高い半円筒形状、扁平楕円体中空形状（の半分）のＦＲＰ製品を製造する場合には、流動速度が均一になり難く、図１０に示されるように、流動性樹脂が均一に流れず樹脂が繊維層に含浸されない未含浸部位１０８が発生しやすく、含浸欠陥が生じやすい。
【０００６】
注入される樹脂の流動性と拡散性とを同時的に改善することにより含浸欠陥の発生を抑制することが求められる。樹脂注入速度を速くすることにより製造サイクルを短縮することが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、樹脂注入速度の調整を容易にすることにより含浸欠陥の発生を抑制する繊維強化樹脂構造体の製造装置、及び、その製造方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、樹脂注入速度を速くすることにより製造サイクルを短縮することができる繊維強化樹脂構造体の製造装置、及び、その製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明による繊維強化樹脂構造体の製造装置は、第１型（２）と、第１型（２）とでキャビティー（３）を形成する第２型（１）と、キャビティー（３）の中で流動性樹脂の流れを１次元方向に案内する複数の案内通路（樋１２）と、案内通路（１２）に対向し案内通路（１２）の第１型（２）の側に配置され流れをその流れの方向に対して交叉する２次元方向（Ｂ１，Ｂ２）に拡散させる注入口群（１７）とから構成されている。注入口群は、キャビティー（３）の中で第１型（２）の面に形成される繊維層（９又は１０）の面に形成され、第２型（１）のキャビティー（３）を形成する面はそれの面の法線の方向に変形自在である。注入口群（１７）の要素である複数の注入口は１次元方向に配列されている。流動性樹脂は、真空化されるキャビティー（３）の中で第２型（１）の変形自在な面に押されて、繊維層（１０）に浸透する前に繊維層（１０）の面上で、障害物に邪魔されずに面内方向に概ね自由に流動して２次元的に拡散し、繊維層（１０）に均一に浸透する。第２型（１）として、透明樹脂フィルム又は透明樹脂シート（１２）が適正である。案内通路（１２）としては、塩化ビニール管の半割りが適正である。
【００１０】
案内通路（１２）は、粘性抵抗が大きい流動性樹脂を第１型（２）の成形面に沿って１次元的に流動しながらその１次元方向（Ａ）に直交する成分（Ｂ１，Ｂ２）を持って多数の注入口群から２次元方向に拡散し、注入口群（１７）から２次元方向に拡散し、全体として２次元面内で大域的に均等的に拡散する。粘性抵抗が大きい流動性樹脂は、第２型（１）を介して大気圧に押され真空化されるキャビティーに押し出されて拡散する。流動性樹脂は、第１型（２）の成形面に押し付けられて、面状の硬化樹脂に変容する。
【００１１】
第２型（１）は光透過性（公知）であり、作業員は樹脂の拡散の状況を見ながら、注入位置、注入圧力（注入後期で大気圧以下であることが好ましい）を自己の判断で制御して、その拡散の均一性を調整することができる。
【００１２】
案内通路（１２）は、半円筒状の管であり、管は繊維層に向かって開放されていることが重要である。注入口群は、案内通路（１２）が延びる方向に延びて案内通路（１２）に接合する接合体（１３）として構成され、成形工程の段取りを容易にする。注入口群の要素である注入口は、案内通路（１２）と接合体（１３）の間に形成される隙間（１７）として形成される。接合体（１３）は波面（１４）を有し、隙間（１７）は案内通路（１２）の両側の端面と波面（１４）との間に形成される。接合体（１３）は、１面が波面を持つ棒状の板として形成され、低コストで準備される。このような棒板は、透明シートとともに繰り返して用いられ得る。
【００１３】
繊維層（１０）は、通常は多層化されより強化される。繊維層（１０）は、格子状に繊維群が延びマトリックス状に織られているマトリックス繊維から形成される。２つの繊維層（１０）の間にサンドイッチ発泡体が介設されることが好ましい。
【００１４】
本発明による繊維強化樹脂構造体の製造方法は、第１型（２）に繊維層（１０）を形成する第１ステップと、繊維層（１０）の面に流動性性樹脂を供給する案内通路（１２）を配置する第２ステップと、案内通路（１２）と繊維層（１０）を第１型（２）との間にシート（１）で被覆して第１型（２）とシート（１）の間にキャビティー（３）を形成する第３ステップと、案内通路（１２）に流動性樹脂を導入する第４ステップと、案内通路（１２）から案内通路（１２）により案内されて流動する流動性樹脂の案内方向に対して２次元方向に流動性樹脂を拡散させる第５ステップと、流動性樹脂を繊維層（１０）に浸透させる第６ステップと、キャビティー（３）を低圧化する第７ステップとから構成されている（複数のこれらのステップは、順不同である。）。
【００１５】
第４ステップは、流動性樹脂をシート（１）を貫通させて流動性樹脂を案内通路（１２）に導入するステップである。案内通路（１２）と繊維層（１０）の間に凹凸面を有する板（１３）を配置するステップが有効に追加される。流動性樹脂は、案内通路（１２）と板（１３）の凹凸面との間に形成される複数の隙間から２次元方向に拡散する。この２次元方向は、既述の１次元方向の成分を有している。流動性樹脂は、第１型（２）を通して導入することは可能である。
【００１６】
第４ステップは、案内通路（１２）に流動性樹脂を複数位置で導入するステップである。導入口（４）の複数化は、拡散効率を向上させ、且つ、拡散による分散を均一化することができる。複数の導入口（４）のうちの任意の導入口の開閉制御によりその均一化が促進される。このようなステップに続いて、風車翼が形成される。本発明の成形方法は、大きい強度が要求され且つ大型である成形物体の成形であり、特に、速い生産速度が要求される成形物体の成形に適している。そのような成形物体として、航空機翼、特に、風車翼が好適に例示される。発電効率を高めることが求められる風車翼は、略円筒体が軸心線のまわりに捻られて製造される大型の構造体である。公知の製造方法と異なり、ネットを介さずに繊維積層（９）の表面を直接に流動して繊維積層に直接的に浸透し、均一拡散と浸透速度を上昇させる。風車翼のスケールを示すことは、本発明の実施のために示唆的である。風車翼の半径方向長さは３６ｍ以上であり、円周方向幅は３ｍ以上である。又は、風車翼の半径方向長さは５０ｍ以上であり、円周方向幅は１０ｍ以上である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による繊維強化樹脂構造体の製造装置の実施の形態は、真空用シートが不変形成形型とともに用いられる。その真空用シート（変形成形型）１は、図１に示されるように、不変形成形型２とによりキャビテイー３を構成する。キヤビティー３は、真空ポンプ（図示されず）により真空化される。真空用シート１は、透明又は半透明である。
【００１８】
真空用シート１には、図２に示されるように、複数の樹脂注入口４が配置されている。真空用シート１と樹脂注入口４は密着していて、真空用シート１と樹脂注入口４との間で空気漏れはない。フレキシブルである樹脂供給ホースの注入口端５は、樹脂注入口４に着脱自在である。注入口端５が樹脂注入口４に差し込まれれば樹脂注入口４と注入口端５が導通し、注入口端５が樹脂注入口４から抜かれれば樹脂注入口４と注入口端５が導通しない形式のカップリングが用いられることが好ましい。
【００１９】
図３〜図５と図１とは、本発明による繊維強化樹脂構造体の製造方法の実施の形態を示している。不変形成形型２は、図３に示されるように、工場の床面６に載置されている。不変形成形型２には、半円筒面状の凹面７が形成されている。図４に示されるように、凹面７に離型剤が塗られ離型剤層８が凹面７に形成されている。
【００２０】
図５に示されるように、離型剤層８に繊維で形成される繊維積層９が形成される。繊維積層９は、図６に示されるように、複数層の繊維層１０と複数層の発泡樹脂層１１とが複合して多層化した積層構造を有している。繊維層１０の繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、炭素チューブが用いられる。
【００２１】
繊維積層９の最上層の層面に、複数の樹脂拡散促進注入口群形成樋１２が配列される。複数の樹脂分散促進注入口群形成樋１２は、同一円筒面上に略等間隔で円周方向に並び、それぞれに軸方向に延びている。樹脂拡散促進注入口群形成樋１２と繊維積層９との間に、それぞれに樋受け１３が介設されて配置される。１つの樹脂拡散促進注入口群形成樋１２に対して、１つの樋受け１３が配置されている。樋受け１３は、繊維積層９の上面に接着剤で軽く固定される。
【００２２】
樋受け１３は、図７に示されるように、それの上面側が波面１４に又は凹凸面状に形成されている。半割り状の（半円筒状の）樹脂拡散促進注入口群形成樋１２の両端面は、樋受け１３の波面１４に対して接平面１５を形成している。接平面１５は、繊維積層９の面にあり軸方向に向く直線１６に対して平行ではなく、小さい角度で傾斜していることが好ましい。樹脂拡散促進注入口群形成樋１２と樋受け１３との間に形成される複数の隙間の集合である注入口群１７の１つ１つの隙間の断面積は、互いに同じでなく、少しずつ異なっていることが好ましい。隣り合う波面の頂点領域の間隔Ｄｊは、同じでなく異なっていることが好ましい。断面積又は間隔のこのように相違は、樹脂拡散促進注入口群形成樋１２の中に導入される流動性樹脂が隙間１７から流出する量を調整して均一化する。凹凸面は、滑らかな波面に限られず、断面上で三角形を形成するジグザグ面に代替され得る。樋１２と樋受け１３とは一体化され得る。この場合、そのような樋受けに多数の穴が開けられて、注入口群の注入口１７が形成され得る。
【００２３】
繊維積層９を形成する多層形成工程の次の工程は、繊維積層９と樹脂拡散促進注入口群形成樋１２の上側に真空用シート１を被せる手作業のシート被覆工程である。不変形成形型２の両側上面にシール帯１８を置いて、繊維積層９と樹脂拡散促進注入口群形成樋１２とシール帯１８の上側に真空用シート１が載せられる。図示されない吸引口から空気を吸い込むことにより、真空用シート１と凹面７との間の空気が吸引されて排出され、真空用シート１と凹面７の間にキヤビティー３が形成される。
【００２４】
シート被覆工程の次の工程は、キヤビティー３に流動性樹脂を注入する注入工程である。図２に示される樹脂注入口４は、図８に示されるように、１本の樹脂拡散促進注入口群形成樋１２に１箇所又は複数箇所に配置されて設けられている。樹脂注入口４から導入される流動性樹脂は、樹脂拡散促進注入口群形成樋１２の中で軸方向Ａに両方向に流れる。流動性樹脂は、樹脂拡散促進注入口群形成樋１２から強い粘性抵抗を受けて樹脂拡散促進注入口群形成樋１２の中で流れながら、軸方向Ａと凹面７の法線に直交する両方向Ｂ１，Ｂ２に押し出されてキヤビティー３に注入される。
【００２５】
キヤビティー３は真空状態であり、流動性樹脂は真空用シート１を介して大気圧を受けて円滑にキヤビティー３に侵入する。隣り合う注入口群１７から押し出される流動性樹脂の複流は、拡散し且つ混ざり合い、更に、大気圧に押されて、繊維積層９に染み込むように深層まで浸透する。樹脂拡散促進注入口群形成樋１２から注入された流動性樹脂は２次元的に拡散し、次に、３次元的に拡散して、繊維積層９の中に均等に浸透し、空気は抜かれ、繊維積層９と繊維積層９に浸透した樹脂とから構成される繊維強化樹脂は気泡を含まない。このように高拡散率で浸透する流動性樹脂の浸透速度は速く、生産サイクルが短縮される。
【００２６】
このように形成された繊維強化樹脂は、真空用シート１を介して大気圧に押されながら、自然に、又は、積極的加熱環境で硬化して、硬い繊維強化樹脂構造体に変容する。
【００２７】
注入工程では、１本の樹脂拡散促進注入口群形成樋１２の複数の注入口４の開閉度を制御して、全体的に流れ量を均一化することができる。その制御は、作業員が透明シート１の外側から流れ状況を見ながら判断することが望ましい。実施の既述の形態のＦＲＰ構造体は、完全半円筒として記述されているが、樹脂成形技術特にインサート射出成形技術の一般的特徴として、多様に複合化される内外曲面を持つ複雑なＦＲＰ構造体の成形が可能である。そのようなＦＲＰ成形方法は、硬さと弾性（柔軟性）が同時に要求されるボート、ヨット、船舶、車体、航空機機体、船舶回転翼、風車のような曲面形成構造体のために有益に利用され得る。
【００２８】
本発明による繊維強化樹脂構造体の製造装置は、拡散均一性がよく、次世代風車のような大型又は超大型の構造体の成形に特に好適である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による繊維強化樹脂構造体の製造装置、及び、その製造方法は、３次元的に均一に流動性樹脂を拡散させて構造強化を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による繊維強化樹脂構造体の製造装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の一部の詳細を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明による繊維強化樹脂構造体の製造方法の工程を示す断面図である。
【図４】図４は、図２の工程の次の工程を示す断面図である。
【図５】図５は、図３の工程の次の工程を示す断面図である。
【図６】図６は、積層構造を示す断面図である。
【図７】図７は、側面断面図である。
【図８】図８は、図１の平面図である。
【図９】図９は、公知の成形装置を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図９の側面断面図である。
【符号の説明】
１…第１型（シート、透明シート）
２…第１型
３…キャビティー
９又は１０…繊維層
１２…案内通路
１３…接合体（板）
１４…波面
１７…注入口群（注入口、隙間）
Ａ１…次元方向
Ｂ１，Ｂ２…２次元方向

Claims (5)

1. 第１型と、
   前記第１型とでキャビティーを形成する第２型と、
   前記キャビティーの中で流動性樹脂の流れを１次元方向に案内する複数の案内通路と、
   前記案内通路と前記流動性性樹脂の含浸対象である繊維積層との間に介設され前記案内通路に接合面を共有して接合する接合体とを具え、前記接合体は波面を形成し、前記接合面と前記波面の間は注入口群として形成され、前記注入口群は、前記案内通路に対向し前記案内通路の前記第１型の側に配置され前記流れを前記流れの方向に対して交叉する２次元方向に拡散させる複数の注入口の集合であり、前記注入口群の要素である複数の前記注入口は前記１次元方向に配列され、前記複数の注入口は前記案内通路に共通に導通し、前記１次元方向に隣り合う２つの前記注入口の断面積は互いに異なり、
   前記第２型の前記キャビティーを形成する面はそれの面の法線の方向に変形自在であり、
   前記キャビティーは真空化され、
   前記案内通路と前記接合体の組の複数が前記２次元方向に配列される
   繊維強化樹脂構造体の製造装置。
2. 前記第２型は光透過性である
   請求項１の繊維強化樹脂構造体の製造装置。
3. 前記案内通路は、半円筒状の管であり、前記管は前記繊維層に向かって開放されている
   請求項１又は２の繊維強化樹脂構造体の製造装置。
4. 前記波面は滑らかである
   請求項１の維強化樹脂構造体の製造装置。
5. 前記繊維層は多層化されている
   請求項１〜４から選択される１請求項の繊維強化樹脂構造体の製造装置。

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