JP5386947B2 - 繊維強化プラスチックパネル製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、繊維強化プラスチックパネル製造装置に係わり、更に詳しくは繊維補強基材の積層体に樹脂材料を含浸させる際、含浸状況を確実に把握できるようにした繊維強化プラスチックパネルの製造装置に関するものである。

近年、船舶の分野では大型船体の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）パネル化が進み、これに伴って大型の繊維強化プラスチックパネルが必要になってきた。繊維強化プラスチックパネル等の樹脂成型物を製造する方法は種々知られているが、オートクレーブ法による樹脂成型方法では、オートクレーブの大きさの制約があるため、十分に大きな繊維強化プラスチックパネルを製造することができない。

そこで、設備として大きさの制約が少なく、品質の向上やコスト低減も期待できる樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ）またはバキューム樹脂トランスファー成形法（ＶａＲＴＭ：Vacuum-assisted Resin Transfer Molding）による繊維強化プラスチックパネルの開発が進められている。このバキューム樹脂トランスファー成形法（ＶａＲＴＭ）は、常温プロセスで簡便に大型樹脂成型物を成型できる点で非常にメリットが大きく、風力発電機ブレード等の製造に適用されている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、この製造方法では、繊維補強基材を積層した積層体にモールド上で樹脂材料を含浸させる際に、積層体の内部や下部については目視では含浸状況を把握できないため、経験則等に基づいて含浸状況を判断しなければならないという問題があった。そのため、室温等の環境によっては含浸状況の判断を誤り、樹脂材料の含浸が不十分な状態で硬化させて製造不良になるという問題があった。
特表２０００−５０１６５９号公報 特表２００１−５１０７４８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に着目して案出されたもので、その目的は、繊維補強基材の積層体に樹脂材料を含浸させる際、含浸状況を確実に把握できるようにした繊維強化プラスチックパネルの製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の繊維強化プラスチックパネルの製造装置は、繊維補強基材を積層した積層体を載置するモールドと、このモールド上の積層体を覆うカバー部材と、この積層体を覆うカバー部材の内側の空気を吸引する吸引手段と、この積層体を覆うカバー部材の内側に樹脂材料を供給する樹脂供給手段とを備えた繊維強化プラスチックパネルの製造装置において、前記積層体の所定の位置に配置される導体箔から成るセンサと、このセンサの検知データにより損失係数および電気容量を測定する測定器と、この測定された測定結果を表示するモニタリング装置とを設けたことを特徴とするものである。

ここで、例えば、前記センサを、前記積層体を覆うカバー部材の内側に樹脂材料を供給する前に互いが通電しない状態で間隔をあけて平行または格子状に配置する。また、前記モールドを導電材により形成するとともに、前記センサが、前記積層体を覆うカバー部材の内側に樹脂材料を供給する前に、前記モールドと通電しない状態で間隔をあけて配置され、導電材により形成されたモールドを一方のセンサとして用いることもできる。前記センサを、前記積層体とカバー部材との間に配置される樹脂流路媒体に配設することもできる。前記センサが金属材料からなり、その幅が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下、厚さが１０μｍ〜１００μｍである仕様にすることもできる。

本発明によれば、樹脂材料を積層体に含浸させる際に、積層体の所定の位置において、樹脂材料の到達位置によって値が変化する電気容量および損失係数を、導体箔から成るセンサの検知データに基づいて測定器により測定し、この測定した測定結果をモニタリング装置に表示するので、この測定結果に基づいて樹脂材料の積層体に対する含浸状況を判断することができ、目視できない積層体の内部や下部での樹脂材料の含浸状況を確実に把握することが可能になる。

さらに、導体箔から成るセンサを用いることにより、含浸する樹脂材料を検知する面積が増大して、測定時の外乱ノイズに対して誤差が生じ難くなり安定した測定が可能になる。

これにより、樹脂材料の含浸が不十分な状態の積層体を硬化させることを防止でき、高精度で品質の優れた繊維強化プラスチックパネルを製造することができる。

以下、添付図面に基づき本発明の繊維強化プラスチックパネルの製造装置を説明する。

図１〜図３に例示するように、本発明の繊維強化プラスチックパネルの製造装置（以下、製造装置という）を構成するモールド１上には、ゴム状弾性シート２が敷設され、このゴム状弾性シート２上に離型フィルム３ａを介して積層体４が載置されている。この積層体４は、ガラス繊維から成る繊維補強基材４ａが複数枚積層されて形成されている。

モールド１は金属、或いはＦＲＰ、石膏等の非金属により形成される。ゴム状弾性シート２は任意に敷設することができるが、金属製のモールド１を用いる場合にはゴム状弾性シート２を敷設することにより断熱効果および絶縁効果を得ることができる。

積層体４上には、離型フィルム３ｂ、樹脂流路媒体５及び樹脂材料Ｗ（主剤、硬化剤、促進剤）の供給チューブ６が順に配設され、これら全体を覆うカバー部材となるフィルム状のバキュームバッグ７が備わっている。このバキュームバッグ７の周縁部は、シールテープ８によりモールド１上に気密的に固定されている。樹脂流路媒体５とは、樹脂材料Ｗを積層体４に含浸させる際に、供給される樹脂材料Ｗの流れを円滑にする被覆部材であり、例えば、コンティニアスマット等を用いることができる。

バキュームバッグ７の内側に配置された供給チューブ６には、バキュームバッグ７の外側に配置された供給チューブ６がバキュームバッグ７を貫通して接続されている。これら供給チューブ６と樹脂材料Ｗの供給機構（例えば供給ポンプ）とにより、積層体４を覆うカバー部材の内側に樹脂材料Ｗを供給する樹脂供給手段が構成されている。

積層体４の下部近傍には、吸引機構（例えば吸引ポンプ）に接続された吸引パイプ９ａ、９ｂが配置されている。これら吸引パイプ９ａ、９ｂと吸引機構とにより、積層体４を覆うカバー部材の内側の空気を吸引する吸引手段が構成されている。

本発明では、繊維強化プラスチックパネルを製造する際、積層体４の上層から下層に至る全体に樹脂材料Ｗが均一に含浸されているか否かをモニタリングするために、積層体４の所定の位置に配置される導体箔から成るセンサ１０ａ、１０ｂを有している。このセンサ１０ａ、１０ｂは、バキュームバッグ７の外側まで延設されるリード線（導線）に接続されている。

センサ１０ａ、１０ｂの素材としては、銅、アルミニウム、鉄等の金属材料、炭素繊維を集束したもの等を例示することができ、電気抵抗が小さなものが好ましい。

センサ１０ａ、１０ｂの幅は、例えば、５ｍｍ以上２５ｍｍ以下にする。幅が５ｍｍ未満では面積が過小となり測定時の外乱ノイズの悪影響を回避し難く、２５ｍｍ超にしても幅の増大に見合うだけの外乱ノイズに対しての効果が期待できず、また、コストが増大する。

センサ１０ａ、１０ｂの厚さは、例えば、１ｍｍ以下にする。厚さが１ｍｍ超では積層体４の品質に悪影響が生じ易くなり、また、コストが増大する。センサ１０ａ、１０ｂの厚さは、導体箔の製造技術により制約を受けるが、入手容易性等を考慮すると、１０μｍ〜１００μｍとするのが好ましい。

この導体箔から成るセンサ１０ａ、１０ｂは、樹脂材料Ｗをバキュームバッグ７の内側に供給する前に、互いが通電しない状態で間隔をあけて積層体４の層間に平行に配設される。センサ１０ａ、１０ｂは、リード線を介して測定器１１（ＬＣＲメータ）に接続され、測定器１１はモニタリング装置１２に接続されている。

本発明では、このセンサ１０ａ、１０ｂを用いて積層体４の所定の位置における損失係数および電気容量（静電容量）を測定器１１によって測定し、その測定結果がモニタリング装置１２に表示されるように構成されている。

損失係数とはいわゆるtanδであり、測定部位のエネルギ散逸の多さを示し、以下（１）式により表わせる。（１）式から分かるように損失係数は抵抗に比例するので、樹脂材料Ｗの含浸により抵抗が変化することにより損失係数の値が変化する。

尚、損失係数と抵抗とは比例関係にあるので、積層体４の所定の位置における抵抗を測定器１１によって測定し、その測定した抵抗値がモニタリング装置１２に表示されるように構成してもよい。

損失係数Ｄ＝Ｒｓ／｜Ｘｓ｜・・・（１）
Ｒｓ：測定部位のインピーダンスの実数部
Ｘｓ：測定部位のインピーダンスの虚数部

電気容量は、以下（２）式により表わせる。Ｓおよびｄの値はセンサを配置した時点で決定することになる。したがって、樹脂材料Ｗの含浸により誘電率εが変化することにより電気容量の値が変化する。

電気容量Ｃ＝ε（Ｓ／ｄ）・・・（２）
ε：測定部位の誘電率
Ｓ：測定部位（対向するセンサ）の面積
ｄ：測定部位（対向するセンサ）の間隔

次に、この製造装置を用いた繊維強化プラスチックパネルの製造方法について説明する。

まず、モールド１上に敷設したゴム状弾性シート２の上に、離型フィルム３ａを介在させて繊維補強基材４ａを積層した積層体４を載置する。この積層体４の所定の位置にセンサ１０ａ、１０ｂを互いが通電しないように配置する。例えば、センサ１０ａ、１０ｂは、積層体４の下層部（例えば、繊維補強基材４ａの下から３層〜４層目）の層間に、互いを平行に３０ｍｍ（２０ｍｍ〜５０ｍｍ）程度の間隔をあけて挿入する。

センサ１０ａ、１０ｂは、樹脂材料Ｗをバキュームバッグ７の内側に供給する前に互いを通電しない状態で配設できれば、積層体４の所定の位置となる任意の位置に配設することができる。例えば、積層体４とゴム状弾性シート２との間に配設することもできる。積層体４の全体に樹脂材料Ｗが含浸したことを把握するには、なるべく積層体４の下層部にセンサ１０ａ、１０ｂを配設することが好ましい。

次いで、積層体４上に、離型フィルム３ｂ、樹脂流路媒体５及び樹脂材料Ｗ（主剤，硬化剤，促進剤）の供給チューブ６を順に配設し、これら全体をバキュームバッグ７によって覆い、積層体４を略密閉空間に配置した状態にする。

次いで、吸引ポンプを稼働して吸引パイプ９ａ、９ｂを通じてバキュームバッグ７の内側の空気を吸引しつつ、供給チューブ６を通じて樹脂材料Ｗをバキュームバッグ７の内側に供給する。これにより、吸引パイプ９ａ、９ｂを通じて空気とともに余剰の樹脂材料Ｗが、バキュームバッグ７の内側から外側に排出され、これと同時に積層体４に樹脂材料Ｗが含浸されてゆく。

このように樹脂材料Ｗを積層体４に含浸させる過程において、センサ１０ａ、１０ｂの検知データに基づいてセンサ１０ａ、１０ｂ間の損失係数および電気容量を測定器１１によって測定し、この測定した損失係数および電気容量値をモニタリング装置１２に表示する。樹脂材料Ｗの含浸状況によってセンサ１０ａ、１０ｂ間の損失係数や電気容量値が変化するので、モニタリング装置１２に表示された測定結果損を監視することによって、樹脂材料Ｗの積層体４への含浸状況を把握することができる。

また、センサ１０ａ、１０ｂとして導線に比べて面積が大きい導体箔を用いているので、測定時の外乱ノイズ（例えば、モールドや成型品に接触することにより生じるノイズ）に対しても測定データに誤差が生じ難く安定した測定が可能になる。

損失係数の具体的な測定結果は、図４、図５に示すとおりである。このデータは、４層構造で長さ約１２００ｍｍ、幅約３００ｍｍの積層体４を用いて、下から１層目と２層目の間に導体箔から成るセンサ１０ａ、１０ｂを配置して測定した際の結果である。センサ１０ａ、１０ｂは、長さ約１２００ｍｍ、幅約２０ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍの銅製の導体箔であり、互いを５０ｍｍの間隔をあけて対向させて配置し、長手方向一方側から他方側に樹脂材料Ｗを供給して含浸させた。計測周波数は１００ｋＨｚである。図４には、樹脂材料Ｗの供給側となる積層体４の一端を基準にして、樹脂材料Ｗが長手方向に含浸した（到達した）距離を併せて記載している。

図４、図５に示すように、樹脂材料Ｗが含浸するに連れて損失係数が変化するので、測定した損失係数に基づいて樹脂材料Ｗの含浸状況を確実に把握することが可能になる。例えば、測定した損失係数が予め設定した基準値に達した場合に、積層体４におけるその所定の位置では、樹脂材料Ｗが積層体４に均一に含浸したと判断するようにする。しかも、図５に例示するように、損失係数は樹脂材料Ｗの含浸距離に対してほぼリニアに変化し、判断指標としてリニアリティに優れている。さらに、センサ１０ａ、１０ｂとして導体箔を用いることにより、図４、図５に示すように測定値のばらつきが少なくなっており、より高い精度で樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することが可能になる。

したがって本発明では、目視することが不可能な積層体４の内部や下部であっても樹脂材料Ｗの含浸状況を確実に把握できるので、樹脂材料Ｗの含浸が不十分な状態の積層体を硬化させるような製造不良を防止できる。そのため、高精度で品質の優れた繊維強化プラスチックパネルを製造することができるようになる。

尚、センサ１０ａ、１０ｂは、２本の導体箔に限らず、３本以上の導体箔にしてもよい。センサとして３本以上の導体箔を配置した場合は、これら複数本の導体箔の中、選択した２本の導体箔間の損失係数を測定する。これにより、積層体４の所定の位置における樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することができる。

センサ１０ａ、１０ｂに接続したリード線は、積層体４が硬化した後、積層体４の端面の位置で切断する。積層体４の内部にセンサ１０ａ、１０ｂが残存したままとなるが、過大なサイズでなければ繊維強化プラスチックパネルの性能、機能に特に影響を与えるものとはならない。

損失係数を測定する際の計測周波数としては、例えば、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚを用いる。この範囲の周波数では、損失係数が周波数特性の影響を受けずに精度のよい測定値を得ることができる。

上記のように損失係数のみを測定し、その損失係数を樹脂材料Ｗの積層体４への含浸状況を把握する判断指標として用いることもできるが、本発明では、損失係数に加えて電気容量を判断指標にする。

図４および図５に示した損失係数と同時に、センサ１０ａ、１０ｂの検知データに基づいて測定した電気容量Ｃの測定結果を図６、図７に示す。図６には、樹脂材料Ｗの供給側となる積層体４の一端を基準にして、樹脂材料Ｗが長手方向に含浸した（到達した）距離を併せて記載している。

図５と図７を比較すると、判断指標として損失係数は電気容量に比べて含浸距離に対するリニアリティに優れていることが分かる。しかしながら、損失係数の値は図４に示すように、樹脂材料Ｗがゲル化してから硬化する間ではほとんど変化しない。

一方、電気容量の値は図６に示すように、樹脂材料Ｗがゲル化してから硬化する間において値が変化する（図６では値が低下している）ので、ゲル化から硬化する間においては電気容量を判断指標として用いることにより、樹脂材料Ｗの状態をより詳細に把握することが可能になる。

センサ１０ａ、１０ｂとして導体箔を用いることにより、電気容量の測定値についても図６、図７に示すように測定値のばらつきが少なくなっており、より高い精度で樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することが可能になる。

したがって、損失係数と電気容量の両者を判断指標にすることによって、樹脂材料Ｗの含浸状況を一段と明確に把握することが可能になる。

図８に製造装置の別の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図３に例示した実施形態に対してセンサ１０ａ、１０ｂのみを替えたものなので、その相違点のみを説明する。

この製造装置では、積層体４を覆うバキュームバッグ７の内側に樹脂材料Ｗを供給する前に複数本の導体箔が、互いが通電しない状態で格子状に積層体４の所定の位置に配置されている。これら複数本の導体箔が、センサ１０ａ〜１０ｈ（この実施形態では８本）になる。そして、樹脂材料Ｗを積層体４に含浸させる際に、これら複数本の導体箔の中、交差する２本の導体箔を順次選択し、その選択した２本の導体箔間の損失係数および電気容量を測定する。この測定した損失係数および電気容量値に基づいて、その交差する位置での樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することができる。

この製造装置によれば、格子状に配置された導体箔の導体箔どうしが交差するすべての位置で損失係数および電気容量を測定し、その測定した損失係数および電気容量値に基づいて樹脂材料Ｗが含浸した部分（位置）、含浸していない部分（位置）を判断することができる。したがって、樹脂材料Ｗの含浸が不十分な部分（位置）を容易に特定することができる。

この実施形態では、格子状に配置された複数本の導体箔（センサ１０ａ〜１０ｈ）の中、平行する２本の導体箔を順次選択し、その選択した２本の導線間の損失係数および電気容量を測定する。この測定結果に基づいて、その平行する導体箔間での樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することができる。

図９に製造装置のさらに別の実施形態を示す。この実施形態も、図１〜図３に例示した実施形態に対してセンサ１０ａ、１０ｂのみを替えたものなので、その相違点のみを説明する。

この製造装置では、モールド１が金属等の導電材により形成され、モールド１と測定器１１とはリード線１３により接続されている。このモールド１は、一方のセンサとして用いられる。また、積層体４を覆うバキュームバッグ７の内側に樹脂材料Ｗを供給する前に、モールド１と通電しない状態で間隔をあけて積層体４の所定の位置に導体箔が配置されている。この導体箔が他方のセンサ１０ａ、１０ｂ（この実施形態では２本）となる。

この実施形態では、モールド１を一方のセンサとして用いるので、他方のセンサ１０ａ、１０ｂとなる導体箔は、少なくも１本あればよい。センサとして複数本の導体箔を配置する場合は、樹脂材料Ｗを供給する前に互いが通電しない状態に配置する。

そして、樹脂材料Ｗを積層体４に含浸させる際に、積層体４の所定の位置に配置した導体箔から選択した１本の導体箔とモールド１との間の損失係数および電気容量を測定する。この測定結果に基づいて、その交差する位置での樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することができる。

この実施形態においても、図８に例示したように樹脂材料Ｗを供給する前に複数本の導体箔を、互いが通電しない状態で格子状に積層体４の所定の位置に配置し、これら導体箔を他方のセンサとして用いることもできる。

図１０に別の実施形態の製造装置を構成する樹脂流路媒体５を示す。この実施形態も、図１〜図３に例示した実施形態に対してセンサ１０ａ、１０ｂのみを替えたものなので、その相違点のみを説明する。

この製造装置では、図２に示したように積層体４とバキュームバッグ７との間に配置される樹脂流路媒体５に複数本の導体箔を、互いが通電しないように平行に或いは交差するように配設している。この複数本の導体箔がセンサ１０ａ、１０ｂとなる。そして、導体箔の間の損失係数および電気容量を測定して樹脂材料Ｗの含浸状況を把握する。

この実施形態によれば、樹脂流路媒体５を配置することでセンサの配置が完了するので、作業を簡素化することができる。また、樹脂流路媒体５は、樹脂材料Ｗを積層体４に含浸させた後は、積層体４と分離させて除去する副資材なので、積層体４の内部にセンサ１０ａ、１０ｂとして用いた導体箔が残存することもない。

図１０に示すようなセンサ１０ａ、１０ｂを配設した樹脂流路媒体５は、図９に示したようにモールド１を金属等の導電材により形成した場合にも用いることができる。この場合は、樹脂流路媒体５に配設した導体箔とモールド１との間の損失係数または電気容量の少なくとも一方を測定して樹脂材料Ｗの含浸状況を把握する。尚、この場合には、樹脂流路媒体５にはセンサとなる導体箔を少なくとも１本配設すればよい。

また、上述したすべての実施形態において、損失係数に代えて抵抗を測定し、この測定した抵抗値に基づいて樹脂材料Ｗの含浸状況を把握することもできる。

本発明の繊維強化プラスチックパネルの製造装置の概略構成図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図２の繊維補強基材を積層した積層体の拡大断面図である。 樹脂材料を積層体に含浸させる過程での積層体の所定の位置における損失係数Ｄの経時変化を示すグラフ図である。 積層体の所定の位置における樹脂材料の含浸距離と損失係数Ｄとの関係を示すグラフ図である。 樹脂材料を積層体に含浸させる過程での積層体の所定の位置における電気容量Ｃの経時変化を示すグラフ図である。 積層体の所定の位置における樹脂材料の含浸距離と電気容量Ｃとの関係を示すグラフ図である。 繊維強化プラスチックパネルの製造装置の別の実施形態を例示する概略構成図である。 繊維強化プラスチックパネルの製造装置の別の実施形態を例示する概略構成図である。 繊維強化プラスチックパネルの製造装置の別の実施形態を構成する樹脂流路媒体を例示する斜視図である。

符号の説明

１ モールド
２ ゴム状弾性シート
３ａ、３ｂ 離型フィルム
４ 積層体
４ａ 繊維補強基材
５ 樹脂流路媒体
６ 供給チューブ
７ バキュームバッグ
８ シールテープ
９ａ、９ｂ 吸引パイプ
１０ａ〜１０ｈ センサ
１１ 測定器（ＬＣＲメータ）
１２ モニタリング装置
１３ リード線
Ｗ 樹脂材料

Claims (5)

1. 繊維補強基材を積層した積層体を載置するモールドと、このモールド上の積層体を覆うカバー部材と、この積層体を覆うカバー部材の内側の空気を吸引する吸引手段と、この積層体を覆うカバー部材の内側に樹脂材料を供給する樹脂供給手段とを備えた繊維強化プラスチックパネルの製造装置において、前記積層体の所定の位置に配置される導体箔から成るセンサと、このセンサの検知データにより損失係数および電気容量を測定する測定器と、この測定された測定結果を表示するモニタリング装置とを設けた繊維強化プラスチックパネルの製造装置。
2. 前記センサが、前記積層体を覆うカバー部材の内側に樹脂材料を供給する前に互いが通電しない状態で間隔をあけて平行または格子状に配置される請求項１に記載の繊維強化プラスチックパネルの製造装置。
3. 前記モールドを導電材により形成するとともに、前記センサが、前記積層体を覆うカバー部材の内側に樹脂材料を供給する前に、前記モールドと通電しない状態で間隔をあけて配置され、導電材により形成されたモールドを一方のセンサとして用いる請求項１または２に記載の繊維強化プラスチックパネルの製造装置。
4. 前記センサが、前記積層体とカバー部材との間に配置される樹脂流路媒体に配設される請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックパネルの製造装置。
5. 前記センサが金属材料からなり、その幅が５ｍｍ以上２５ｍｍ以下、厚さが１０μｍ〜１００μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化プラスチックパネルの製造装置。

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