JP5726371B2 - 強化繊維基材の積層装置及び強化繊維基材の積層方法 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維基材のシートを型上に積層する技術に関する。

炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）に例示される強化繊維基材を製造する方法として、プリプレグ工法が知られている。この工法では、炭素繊維やガラス繊維のシートに予め樹脂を含浸させた強化繊維基材（以下、プリプレグシートという）を用いる。プリプレグシートを複数層にわたって積層して成型し、樹脂を硬化することにより、強度部材が形成される。特許文献１〜５は、プリプレグ工法に関する先行技術文献である。

プリプレグ工法を適用することが可能な技術として、風車翼が挙げられる。風車翼の部材には、軽量且つ高い強度が要求されるため、強化繊維基材が好適に用いられる。

国際公開２０１１／０７８３３６号 特開２００５−２９７５１３号 特開２００５−３２９５９３号 特開２００６−２１８７２０号 特開２００８−２３８８０９号 特開２００７−２５５３６６号公報

複数層のプリプレグシートを積層する際、しわ等の欠陥を減らし、品質の高い繊維強化樹脂を製造する技術が望まれる。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の一側面において、強化繊維基材の積層装置は、シート状の強化繊維基材を供給するシート供給部（４、５、６）と、強化繊維基材（７）を型（１４）に押し付ける第１ローラ（９）と、第１ローラに対して強化繊維基材の供給経路の下流側に配置され、第１ローラに対して強化繊維基材の幅方向に見て両側にそれぞれ配置されて強化繊維基材を型に押し付ける第２ローラ（１０−１）と第３ローラ（１０−２）とを備える。

本発明の他の側面において、強化繊維基材の積層装置は更に、第１ローラに対して強化繊維基材の供給経路の上流側において、強化繊維基材の幅方向に全体にテンションを付与するテンションローラ（８）を備える。

本発明の更に他の側面において、第１ローラ、第２ローラ、及び第３ローラの各々は、強化繊維基材の搬送方向に平行な首振り軸を中心に首振り運動が可能である。

本発明の更に他の側面において、シート供給部は、強化繊維基材がロール状に巻き付けられる回転軸と、回転軸を回転させるために必要とされる強化繊維基材の引っ張り力を調節するトルク調節部とを備える。

本発明の一側面において、本発明の強化繊維基材の積層装置を用いた積層方法は、型を配置する工程と、型に対して積層装置を第１方向に移動しながら強化繊維基材を第１、第２、及び第３ローラで型に向けて押し付ける工程とを備える。

本発明により、強化繊維基材（プリプレグシート）を積層する際に、しわ等の欠陥を減らす技術が提供される。

積層装置の側面図である。 積層装置の上面図である。 積層装置のローラ配置を示す平面図である。 積層装置の断面図である。 積層装置の断面図である。 積層装置の断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。本実施形態では、積層装置の一例として、風力発電装置に用いられる風車翼を形成するための型である翼型上にプリプレグシートを積層する積層装置について説明する。翼型は、その長手方向に延在し、翼型の幅方向（翼断面における翼弦方向）には凹形状（下方に向かって凸となる形状）に湾曲している。図１は、本発明の一実施形態に係るプリプレグシート（強化繊維基材）の積層装置１を示す側面図である。図２は、その上面図である。

積層装置１は、複数の脚と、脚によって一定の高さに支持された水平面を形成する水平枠２−１とからなるテーブル状のフレーム２を備える。積層装置１は、その複数の脚が、上面に翼型１４が形成された台１３を跨ぐように配置される。すなわち、積層装置１の水平枠２−１が複数の脚によって翼型１４の上に配置される。フレーム２の各脚の下には車輪３が取り付けられる。車輪３によって、フレーム２は第１方向（ｙ軸方向）に可動である。第１方向とは、翼型１４の長手方向、すなわち、プリプレグシートの繰り出し方向を示す。

フレーム２の水平枠２−１の上に、プリプレグ材のシート７を供給する（繰り出す）シート供給部が設置される。シート供給部は、芯材５の周りにプリプレグ材のシート７が巻回されたロール状シート６を備える。ロール状シート６がｘ軸方向（シート７の幅方向、すなわち翼型１４の幅方向）を向く回転軸のまわりに回転することにより、シート７が繰り出される。繰り出されたシート７は、水平枠２−１に設けられたスペースを通して水平枠２−１の下部に導かれる。

ロール状シート６は、例えば次のようにしてフレーム２に支持される。水平枠２−１の上に、支持部４が設置される。支持部４は、ｙ軸方向に並ぶ一対の支持ローラ４−１、４−２を、それぞれｘ軸方向を向く回転軸を中心に回転可能に支持する。このような一対の支持ローラ４−１、４−２が、ロール状シート６の幅方向の左右両側に設置される。一対の支持ローラ４−１、４−２の上に、ｘ軸方向を中心軸とする円筒形の芯材５が載せられることにより、ロール状シート６が、ｘ軸方向を向く回転軸Ｃ１を中心に回転可能に支持される。

フレーム２に、テンションローラ８が設置される。テンションローラ８は、シート７がロール状シート６から繰り出されてから、後述する押えローラ９、１０に到達するまでの間において、ロール状シート６に対して、翼型１４の方向に向かって張力を与える。

具体的な配置例として、図１及び図２では、テンションローラ８は水平枠２−１の下に、且つｙ軸方向にロール状シート６と押えローラ９、１０との間の位置に配置される。テンションローラ８は円筒形のローラを備える。そのローラは、バネ等によって鉛直方向下向きに付勢され、ｘ軸方向を向く回転軸を中心に回転可能である。そのローラにより、シート７は所定の張力を付与されつつ、下流側（押圧部側）に送られる。

テンションローラ８は、ｘ軸方向の長さがシート７の幅より大きい。従ってシート７は、その幅方向全域に渡りテンションローラ８によって張力を与えられる。これにより、シート７に均一に張力を与えることができる。

シート供給部は更に、回転軸５を中心にロール状シート５を回転させるために必要とされるプリプレグのシート７の引き出し力（繰り出し力）を調節するトルク調節部を備えることが望ましい。例えば、芯材５に調節可能な摩擦力を加えることにより、トルク調節を実現することができる。このような構成により、ロール状シート６から引き出されるシート７のテンションを調節することができる。

トルク調節部は、例えば次のように実現することができる。フレーム２に支持部１６が固定される。支持部１６に、押え部材１７が取り付けられる。押え部材１７は、例えばボルトの回転量によって鉛直方向の高さが調節できるように、支持部１６に取り付けられる。押え部材１７の一部は芯材５に接触し、押え部材１７の鉛直方向の高さを調節することによって、芯材５に対して調節可能な大きさの摩擦力を与えることにより、シート７の引き出し力を調節する。作業者は、シート７を押えローラ９、１０によって翼型１４上に押し付けた後のしわが最も少なくなるように、シート７の引き出し力を調節する。

テンションローラ８の更に下流側（ｙ軸負方向）に、シート供給部から供給されるシート７を翼型１４に押し付けるための押圧部が配置される。押圧部は、複数の押えローラを備える。図１には、押えローラ９、１０が描かれている。図３は、ローラ配置を示す平面図である。上流側の押えローラ９はシート７（翼型１４）の幅方向の中央付近に配置された第１ローラであり、図１における下流側の押えローラ１０は、プリプレグのシート７の幅方向に見て第１のローラの両側に配置された第２のローラ１０−１と第３のローラ１０−２を含む。すなわち押えローラ９は、シート７の供給方向の上流側から下流側に向かって、中央から両側に広がるＶ字型となるように配置される。各押えローラ９、１０は、型１４の膨らんだ形状に合わせて、幅方向の中央が膨らむ樽型の形状を有する。

押えローラ９、１０は水平枠２−１の下に配置される。各押えローラ９、１０は、支持棒１１−１によって、水平枠２−１の上に配置されたウエイト１２に接続される。支持棒１１−１は、以下のようにしてフレーム２に取り付けられる。フレーム２に、複数の支持棒１１−１の各々に対応するリニアブッシュが固定される。各リニアブッシュは、水平面内での移動ができないように、且つ鉛直方向に一定範囲内で自在に移動できるように、支持棒１１−１を保持する。リニアブッシュは、支持棒１１−１が鉛直方向に一定範囲を超えて移動することを妨げるストッパ機構を備える。

各押えローラ９、１０は、概ねｘ軸方向を向く回転軸を中心に回転するゴムスポンジ製のローラである。各押えローラ９、１０は、ウエイト１２の重量によってシート７に鉛直方向下向きに力を加える。すなわち、押えローラ９、１０は、プリプレグのシート７を翼型１４上に圧接する圧接ローラとしての機能を有する。

図４は、図１のＡ−Ａ´断面において積層装置１をｙ軸正方向から見た図である。図５は、図１のＢ−Ｂ´断面において積層装置１をｙ軸正方向から見た図である。図６は、図１のＣ−Ｃ´断面において積層装置１をｙ軸正方向から見た図である。図４〜図６の例では、型１４は、長手方向（ｙ軸方向）に垂直な断面が、幅方向（ｘ軸方向）の両端付近よりも中央付近でより深く窪む膨らんだ形状をしている。

図３〜図６に示される構造を備えた本実施形態の積層装置１においては、押えローラ部は、上流側に中央部に配置された１つのローラ９と、下流側にローラ９よりｘ軸方向（シート７の幅方向）の外側に配置された２つローラ１０−１、１０−２の、Ｖ字型に配置された３つのローラを備える。テンションローラ８は、シート７の全幅を覆うように、シート７よりもやや大きい幅を有する。

中央部のローラ９と、ｘ軸負方向の外側のローラ１０−１と、ｘ軸正方向の外側のローラ１０−２とは、以下のように配置される。ローラ１０−１のｘ軸負方向の端部は、シート７のｘ軸の負方向の端部に対して、ｘ軸方向に同じ位置となるか、シート７の端部よりも若干はみ出した位置となる。ローラ１０−２のｘ軸正方向の端部は、シート７のｘ軸の正方向の端部に対して、ｘ軸方向に同じ位置となるか、シート７の端部よりも若干はみ出した位置となる。更に、第１のローラ９の端部の一部分と、第２のローラ１０−１の端部の一部分とは、ｙ軸方向から見たときに重なる（図３のｘ１からｘ２までの部分）。第１のローラ９の端部の一部分と、第３のローラ１０−２の端部の一部分も、ｙ軸方向から見たときに重なる（図３のｘ３からｘ４までの部分）。その結果、ローラ９、１０−１、及び１０−２によってシート７の全幅が覆われる。

第１の押えローラ９がシート７の幅方向（ｘ軸方向）の中央部に配置される。その下流側に、第２の押えローラ１０−１が中央部に対してｘ軸負方向に一定のずれた位置に配置される。第２の押えローラ１０−１と搬送方向（ｙ軸方向）に同じ位置に、且つ中央部に対してｘ軸正方向に一定のずれた位置に、第３の押えローラ１０−２が配置される。第２の押えローラ１０−１と第３の押えローラ１０−２は、中心線Ｃ２（ｙ軸方向を向き且つ第１の押えローラ９の幅方向の中心を通る線）に対して、対称的に配置される。第１〜第３押えローラ９、１０−１、１０−２は、互いに同じ形状を有する。

本実施形態では３つのローラ９、１０−１、１０−２によるＶ字型のローラ配置が採用されている。しかしながら、それ以上のローラ、例えば５つのローラを翼型１４（またはシート７）の幅方向の中心を通る中心線に対して左右対称に配置し、シート７を中央付近から外側に向かって順に押し付けるようにしてもよい。

第１〜第３押えローラ９、１０−１、１０−２の各々は、搬送方向（ｙ軸方向）に平行な首振り軸である回転軸１５を中心として揺動する首振り運動が可能である。この動作により、樽型の各ローラは翼型１４のｚｘ断面の膨らんだ輪郭形状に追従して、翼型１４に概ね垂直な方向にシート７をプレスする。

このような構成を備えた積層装置１を用いたプリプレグシートの翼型１４上への積層方法は、以下のように行われる。上部に強化繊維基材の翼型１４が設けられた台１３が床面に設置される。例えば風車の翼のような長い構造物を製造する際、この台１３は、図のｙ軸方向を長手方向とする長い構造物となる。

台１３を跨ぐようにテーブル状の積層装置１が配置される。最初に、翼型１４の長手方向の端部から積層を開始できるように、積層装置１のｙ軸方向の位置を開始位置に調節する。ロール状シート６からシート７を引き出し、テンションローラ８及び押えローラ９、１０と翼型１４の間にシート７を挟む。ロール状シート６からシート７を押えローラ９、１０の方に引き出しながらフレーム２をｙ軸方向（第１方向）に移動することにより、翼型１４に沿ってシート７が配置されていく。

シート７は、テンションローラ８によって所定の張力を付与される。この時点では、まだシート７は翼型１４に押し付けられない。次に、テンションローラ８で所定の張力を付与されたシート７は、幅方向の中央付近に位置する押えローラ９によって、その中央付近が翼型１４に押し付けられる。その後、押えローラ１０−１、１０−２が抑えローラ９よりも幅方向に外側でシート７を翼型１４に押し付ける。押えローラ１０−１、１０−２によってシート７に圧力を掛ける過程でしわが発生した場合、そのしわは、Ｖ字型に配置されたローラによって幅方向の中央付近から外側に押し出される。このようにＶ字型に配置されたローラによってシート７の中央から外側に向けて順に押し広げるような動作により、シワの発生を防いでシート７を翼型１４に沿って張ることができる。

一層分のシート７を翼型１４に張り終えると、積層装置１を再び開始位置に戻し、次の層のシート７を積層する。この動作を繰り返し、所定数のシート７が積層された構造体を成形する。このプリプレグの積層体を硬化することにより、強化繊維基材の構造物が製造される。本実施形態により、スパーキャップその他の風車翼を構成する部材などの構造体を製造することができる。

Claims (5)

1. シート状の強化繊維基材を供給するシート供給部と、
   前記強化繊維基材を特定の長手方向に長い構造を有する型に押し付ける第１ローラと、
   前記第１ローラに対して前記強化繊維基材の供給経路の下流側に配置され、前記第１ローラに対して前記強化繊維基材の幅方向に見て両側にそれぞれ配置されて前記強化繊維基材を前記型に押し付ける第２ローラと第３ローラと、
   移動手段と
   を具備する強化繊維基材の積層装置であって、
   前記移動手段が、前記強化繊維基材を前記型に積層する際に当該積層装置の全体を前記型の前記長手方向に移動させるように構成された
   強化繊維基材の積層装置。
2. 請求項１に記載された強化繊維基材の積層装置であって、
   更に、前記第１ローラに対して前記強化繊維基材の供給経路の上流側において、前記強化繊維基材の幅方向に全体にテンションを付与するテンションローラ
   を具備する強化繊維基材の積層装置。
3. シート状の強化繊維基材を供給するシート供給部と、
   前記強化繊維基材を型に押し付ける第１ローラと、
   前記第１ローラに対して前記強化繊維基材の供給経路の下流側に配置され、前記第１ローラに対して前記強化繊維基材の幅方向に見て両側にそれぞれ配置されて前記強化繊維基材を前記型に押し付ける第２ローラと第３ローラとを具備し、
   前記第１ローラ、前記第２ローラ、及び前記第３ローラの各々は、前記強化繊維基材の搬送方向に平行な首振り軸を中心に首振り運動が可能である
   強化繊維基材の積層装置。
4. 請求項１に記載された強化繊維基材の積層装置であって、
   前記シート供給部は、前記強化繊維基材がロール状に巻き付けられる回転軸と、
   前記回転軸を回転させるために必要とされる前記強化繊維基材の引っ張り力を調節するトルク調節部とを具備する
   強化繊維基材の積層装置。
5. 請求項１に記載された強化繊維基材の積層装置を用い、
   前記型を配置する工程と、
   前記型に対して前記積層装置の全体を前記型の前記長手方向に移動しながら前記強化繊維基材を前記第１、第２、及び第３ローラで前記型に向けて押し付ける工程と
   を具備する強化繊維基材の積層方法。

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