JP6212146B2 - 複合材賦形装置及び複合材賦形方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、複合材賦形装置及び複合材賦形方法に関する。

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）等の複合材は、シート状のプリプレグを積層して加熱硬化することによって成形される。航空機部品である縦通材（ストリンガー）、桁（スパー）及び小骨（リブ）等の部品には、横断面の形状がＴ字型又はＩ字型の部品が存在する。この場合、平面状に積層したプリプレグの積層体、横断面がＬ字型又はＣ字型となるように積層したプリプレグの積層体及び横断面がＬ字型又はＣ字型に線対称な形状となるように積層したプリプレグの積層体が硬化前に組合される。

直角に折り曲げられたプリプレグの積層体の角はＲ面取りされた形状となる。従って、平面状のプリプレグの積層体の上に、直角に折り曲げられたプリプレグの積層体を対称に配置して突き合わせると、プリプレグの積層体間には横断面が概ね三角形の空隙が生じる。より具体的には、対称なＲ面取りに対応する２つの対称な円弧と直線で囲まれた形状を横断面形状とする空隙が、３つのプリプレグの積層体間に生じる。

そこで、３つのプリプレグの積層体間に生じる空隙がフィラー（充填材）によって充填される。通常は、フィラーもプリプレグの積層体として準備され、他のプリプレグの積層体とともに加熱硬化される。２つの対称な円弧と直線で囲まれた形状を横断面形状とする棒状のフィラーは、ヌードルフィラーと呼ばれる。ヌードルフィラーは、プリプレグを渦巻状に積層した丸棒状の素材を成形することによって製作される。

尚、一般に加熱硬化前におけるプリプレグの積層体に対する成形は、加熱硬化による複合材の成形と区別するために賦形と呼ばれる。そこで、以降では、プリプレグの積層体に対する成形を賦形と称する。

従来のプリプレグの積層体に対する賦形方法としては、賦形用の成形型（賦型）を用いる方法が一般的である。例えば、賦型にプリプレグの積層体を設置して真空圧で賦形する方法、押出成形機の口金（ダイ）を賦形後の形状に合わせた賦型としてプリプレグの積層体を押出成形することによって賦形する方法或いはローラをプリプレグの積層体に押し付けて賦形する方法などが知られている。

しかしながら、真空圧で賦形する方法は賦形時間が長いという問題がある。具体的には、真空圧で賦形する方法は賦形時間として数時間から１日程度を要する。加えて、ヌードルフィラーのような棒状のフィラーを賦形する場合には、フィラー全体の賦形が可能な賦型を準備することが必要となる。また、押出成形機を用いて賦形する場合には、賦形の抵抗が大きいためプリプレグの積層体を引き抜くための大掛かりな装置が必要となる。

一方、ヌードルフィラーの賦形装置として、平行に並べた２本のローラで棒状の素材を押し付ける装置も提案されている（例えば特許文献１参照）。この装置によれば、円柱状のローラと、ヌードルフィラーの形状に合わせた凹みを有するローラとの間に棒状の素材を挟んで送り出すことにより、ヌードルフィラーの賦形を行うことができる。

特開平４−２９９１１０号公報

しかしながら、ローラを用いてヌードルフィラーの賦形を行う場合には、押出成形機を用いて賦形する場合に比べて賦形の抵抗が小さくなるが、良好な品質で賦形することが困難であるという問題がある。このため、ローラを用いてヌードルフィラーの賦形を行った後に、賦型に素材を設置して真空圧で賦形することにより、賦形品質を向上させることが必要となる場合がある。

また、フィラーが充填される空隙の形状によっては、フィラーの横断面における形状を長さ方向に変化させることが必要となる場合がある。フィラーの横断面における形状が変化する場合には、従来のローラによる賦形は非現実的となる。このため、横断面形状が変化するフィラーの賦形は、一般的に横断面形状が長さ方向に変化する賦型を用いて行われる。或いは、大きさが異なる複数のローラやダイを用意して、階段状にフィラーの横断面形状を変化させる方法が考えられる。

しかしながら、大きさの異なる複数のローラやダイを用いてフィラーの賦形を行う場合には、フィラーの横断面形状を変化させる位置に合わせてローラやダイをそれぞれ配置することが必要になる。この場合、ローラやダイを用いてフィラーの賦形を行う地点がフィラーを供給する地点から離れることとなる。そのため、供給時に加熱されたフィラーが賦形時に冷めてしまい、賦形性が低下するという問題がある。このフィラーの温度の低下を回避するためには、ローラやダイを賦形中に緩めるための複雑な機構が必要となる。更に、大きさの異なる複数のローラやダイを用いてフィラーの賦形を行う場合には、フィラーの横断面形状を連続的に変化させることができないという問題もある。

このような背景から特に横断面形状が連続的に変化するフィラーを賦形する場合には、賦型を用いる方法以外に方法がない。しかしながら、賦型を用いてフィラーの賦形を行う場合には、常温では賦形時間が長くなるという問題がある。賦型を用いて短時間で賦形するためには、加熱炉等による加熱やプレス機又はオートクレーブ装置による加圧を併用することが必要にある。従って、従来の賦形方法では、横断面形状が変化するフィラーの賦形を短時間で行うためには、複数の設備を用いたり、複数の工程を実施する必要がある。

そこで、本発明は、Ｔ字型又はＩ字型等の横断面を有するプリプレグの積層体に生じる空隙を埋めるためのヌードルフィラーの賦形のように、棒状のプリプレグを素材とする賦形をより簡易に行うことができるようにすることを目的とする。

また、本発明の別の目的は、横断面形状が連続的に変化するフィラー等の賦形を、より簡易に行うことができるようにすることである。

本発明の実施形態に係る複合材賦形装置は、３つのローラ及び角度調整機構を備える。３つのローラは、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する。角度調整機構は、前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる。前記少なくとも１つのローラの、前記回転軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状は曲率が一定でない曲線であり、前記角度調整機構による前記回転軸の角度の変化によって、異なる曲率を有する曲面で前記積層体に順次圧力を負荷するように構成される。
また、本発明の実施形態に係る複合材賦形装置は、３つのローラ及び角度調整機構を備える。３つのローラは、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する。角度調整機構は、前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる。前記少なくとも１つのローラの、前記回転軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状は対数螺旋の一部であり、前記角度調整機構による前記回転軸の角度の変化によって、前記縦断面における形状が相似関係にある曲線となる異なる形状を有する曲面で前記積層体に順次圧力を負荷するように構成される。
また、本発明の実施形態に係る複合材賦形装置は、３つのローラ及び角度調整機構を備える。３つのローラは、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する。角度調整機構は、ロボットアーム又は一部のリンクが伸縮するリンク機構で前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる。
また、本発明の実施形態に係る複合材賦形装置は、３つのローラ及び角度調整機構を備える。３つのローラは、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する。角度調整機構は、前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる。前記３つのローラは、第１の軸を中心に回転する第１のローラと、前記第１の軸に対して傾斜する第２の軸を中心に回転する第２のローラと、前記第１の軸に垂直な面に関して前記第２の軸に対称となる第３の軸を中心に回転する第３のローラとで構成され、フィラーの横断面形状に対応する空隙が前記第１、第２及び第３のローラの間に形成されるように前記第１、第２及び第３のローラを配置した。

また、本発明の実施形態に係る複合材賦形方法は、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、３つのローラを用いて互いに異なる方向から圧力を負荷するステップと、ロボットアーム又は一部のリンクが伸縮するリンク機構で前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させることによって、賦形された前記プリプレグの積層体を生成するステップ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賦形方法は、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、３つのローラを用いて互いに異なる方向から圧力を負荷するステップと、前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させることによって、賦形された前記プリプレグの積層体を生成するステップとを有し、前記３つのローラを、第１の軸を中心に回転する第１のローラと、前記第１の軸に対して傾斜する第２の軸を中心に回転する第２のローラと、前記第１の軸に垂直な面に関して前記第２の軸に対称となる第３の軸を中心に回転する第３のローラとで構成し、フィラーの横断面形状に対応する空隙が前記第１、第２及び第３のローラの間に形成されるように前記第１、第２及び第３のローラを配置するものである。

本発明の第１の実施形態に係る複合材賦形装置の正面図。 図１に示す複合材賦形装置の斜視図。 図１に示す複合材賦形装置による賦形対象となるヌードルフィラーの形状を示す斜視図。 図１に示す第２の軸及び第３の軸の、第１の軸に対する傾斜角度を決定する方法を説明する図。 図４に示す角度で第１、第２及び第３のローラを押し付けることによって賦形されるヌードルフィラーの横断面図。 第２のローラ及び第３のローラの傾斜角度を変えた第１の例を示す図。 第２のローラ及び第３のローラの傾斜角度を変えた第２の例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る複合材賦形装置の正面図。 図８に示す複合材賦形装置のローラの向きを変えた状態を示す図。 図８に示す第２のローラの縁の形状及び第３のローラの縁の形状をそれぞれ決定するための対数螺旋の一例を示す図。 図８に示す第２のローラ及び第３のローラの制御方法の一例を説明する図。 本発明の第３の実施形態に係る複合材賦形装置の正面図。 図１２に示す複合材賦形装置のローラの向きを変えた状態を示す図。 ３つのローラの第１の変形例を示す図。 ３つのローラの第２の変形例を示す図。

本発明の実施形態に係る複合材賦形装置及び複合材賦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）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る複合材賦形装置の正面図、図２は図１に示す複合材賦形装置の斜視図、図３は図１に示す複合材賦形装置による賦形対象となるヌードルフィラーの形状を示す斜視図である。

複合材賦形装置１は、棒状に積層されたプリプレグの積層体を素材としてヌードルフィラーの賦形を行う装置である。ヌードルフィラーは、直角に折り曲げられた２つのプリプレグの積層体を対称に配置して突き合わせた状態で平板状又はやや湾曲した板状に積層されたプリプレグの積層体の上に設置した場合に生じる空隙を埋めるためのフィラーである。

従って、ヌードルフィラーは、図３に示すように、２つの対称な円弧と直線で囲まれた形状を横断面形状とする棒状のフィラーとなる。具体的には、ヌードルフィラーは、幅がＷで長さがＬの矩形の平面、横断面が円弧である第１の曲面、第１の曲面に対称な第２の曲面で囲まれた形状を有する。このため、ヌードルフィラーの高さＨは、第１の曲面と第２の曲面の交線と矩形の平面との間の距離となる。

ヌードルフィラーの素材としては、典型的には、プリプレグを渦巻き状に丸めることによって製作される概ね丸棒状のプリプレグの積層体が用いられる。ヌードルフィラーの賦形は、概ね丸棒状の素材に、幅がＷで長さがＬの平面、横断面が円弧である第１の曲面及び第１の曲面に対称な第２の曲面を形成する成形加工となる。

複合材賦形装置１は、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる角度で圧力を負荷する３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃと、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを回転させる回転機構３とを備える。３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、それぞれヌードルフィラーの１つの平面と２つの曲面を賦形するためのローラである。従って、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、互いに平行でない３つの軸ＡＸ１、ＡＸ２、ＡＸ３を中心に回転する。すなわち、２本の線対称な円弧と１本の直線で囲まれたヌードルフィラーの横断面形状に対応する空隙が第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの間に形成されるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃが配置される。

より具体的には、第１のローラ２Ａは、第１の軸ＡＸ１を中心に回転する。第２のローラ２Ｂは、第１の軸ＡＸ１に対して傾斜する第２の軸ＡＸ２を中心に回転する。第３のローラ２Ｃは、第１の軸ＡＸ１に対して傾斜し、かつ第１の軸ＡＸ１に垂直な面に関して第２の軸ＡＸ２に対称となる第３の軸ＡＸ３を中心に回転する。

第１のローラ２Ａは、幅がＷで長さがＬの平面を賦形するためのローラである。従って、第１のローラ２Ａを水平方向の第１の軸ＡＸ１を中心に回転する円筒形のローラとすることができる。第２のローラ２Ｂは、ヌードルフィラーの一方のＲ面取りに対応する曲面を賦形するためのローラである。従って、第２のローラ２Ｂを、円周部分の半径をヌードルフィラーのＲ面取りの半径とした円盤状のローラとすることができる。第３のローラ２Ｃは、ヌードルフィラーの他方のＲ面取りに対応する曲面を賦形するためのローラである。従って、第３のローラ２Ｃも、第２のローラ２Ｂと同様に、円周部分の半径をヌードルフィラーのＲ面取りの半径とした円盤状のローラとすることができる。

但し、ヌードルフィラーのＲ面取りは面対称となるため、上述したように、第２のローラ２Ｂの第２の軸ＡＸ２と、第３のローラ２Ｃの第３の軸ＡＸ３は、第１の軸ＡＸ１に垂直な面に関して互いに対称となる。第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の、第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度は、ヌードルフィラーの賦形に適した角度に決定することが重要である。ヌードルフィラーの賦形に適した第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の角度は、様々な観点から決定することができる。

第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の各傾斜角度の第１の決定方法として、丸棒状の素材の３つの面にできるだけ均一に圧力が負荷されるように各角度を決定するという方法が挙げられる。この場合、ヌードルフィラーの横断面形状を直角二等辺三角形と近似すると、直角を挟む２辺の底辺に対する傾斜角度が±４５度となることから第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３も第１の軸ＡＸ１に対して±４５度傾斜させるという角度の決定方法が考えられる。

或いは、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃによりそれぞれ圧縮される素材の距離ができるだけ等しくなるように、第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の、第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を決定するという方法も考えられる。

図４は図１に示す第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の、第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を決定する方法を説明する図であり、図５は図４に示す角度で第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを押し付けることによって賦形されるヌードルフィラーの横断面図である。

図４に示すように、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接する内接円を考えると、内接円の中心から各ローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとの接点までの距離までは等しくなる。従って、内接円の中心と各ローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃとの接点とを結ぶ各線分の角度で、各ローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃをそれぞれ素材に押し当てれば、素材の３つの面が圧縮される最大距離は、いずれも圧縮前における素材の半径と、圧縮後における素材の半径との差となる。このため、図５に示すように素材の３つの面に均一に圧縮力を負荷できると考えられる。

この場合、内接円の半径をＲ１とし、第１及び第２のローラ２Ａ、２Ｂの先端における半径及びヌードルフィラーのＲ面取りの半径をＲ２とすると、三平方の定理より（Ｒ１＋Ｒ２）^２＝Ｒ２^２＋（Ｒ２−Ｒ１）^２となるので４Ｒ１＝Ｒ２の関係が成立する。従って、第１のローラ２Ａの表面と、第２のローラ２Ｂを押し当てる方向とのなす角度θ１は、式（１）からθ１＝３６．８７度となる。
ｃｏｓθ１＝Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝４Ｒ１／（Ｒ１＋４Ｒ１）＝４／５ （１）

第１のローラ２Ａに対して第２のローラ２Ｂを押し当てる角度θ１の測定方向を正方向とすると、同様に、第１のローラ２Ａの表面と、第３のローラ２Ｃを押し当てる方向とのなす角度θ２は、θ２＝−３６．８７度となる。つまり、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｂの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度を、−９０度＋３６．８７度＝−５３．１３度とし、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｃの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度を、＋５３．１３度とすれば、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃによりそれぞれ圧縮される素材の最大距離を同等にすることができる。

実際には、製造誤差が生じるため、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の各傾斜角度を、±５３．１３度に対して所定の公差内となる角度に設計すればよいことになる。

尚、フィラーの形状が、横断面が線対称とならない形状であっても、同様に、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに接する内接円の半径と、圧縮前における素材の半径との差が、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃによる最大圧縮距離となるように、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の各傾斜角度を決定することができる。

ヌードルフィラーの横断面形状を直角二等辺三角形と近似して第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を±４５度とする方法と、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃによる素材の最大圧縮距離が同等となるように第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を±５３．１３度とする方法のいずれが妥当であるか調べるために、実際に第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を、±３０度、±４５度及び±６０度としてヌードルフィラーの賦形試験を行った。

その結果、第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を、±６０度とした場合に最も小さい動力でヌードルフィラーの賦形が可能であり、かつ最も均一にヌードルフィラーを賦形できることが確認できた。また、第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の第１の軸ＡＸ１に対する傾斜角度を、±４５度とした場合においても、従来の真空圧で賦形する方法と同等な品質でヌードルフィラーを賦形できることが確認できた。

以上の賦形試験の結果から、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が４５度以上６０度以下となるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配置すること、換言すれば、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃを押し付ける方向の第１のローラ２Ａの表面に対する角度θ１、θ２の絶対値を３０度以上４５度以下とすることが、素材の３つの面に均一に圧縮力を負荷する観点から好適である。特に、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の各傾斜角度を、±５３．１３度に対して所定の公差内となる角度とすること、つまり第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃを押し付ける方向の第１のローラ２Ａの表面に対する角度θ１、θ２を±３６．８７度とすることがより好適であると考えられる。

一方、賦形試験の結果、第１のローラ２Ａによって賦形されるヌードルフィラーの平坦な下面の平坦度は、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が小さい程、良好になることが確認された。つまり、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃを押し当てる角度θ１、θ２を、鉛直方向に近づける程、ヌードルフィラーの下面の平坦度を向上させることができる。但し、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃを押し当てる角度θ１、θ２を、極端に鉛直方向に近づけると、ヌードルフィラーの内部における層の均一性は低下する。

従って、第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の各傾斜角度の第２の決定方法として、ヌードルフィラーの下面の平坦度を向上させる観点から、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が１０度以上４０度以下となるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配置する方法が挙げられる。つまり、ヌードルフィラーの下面の平坦度を向上させるためには、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃを押し当てる角度θ１、θ２の絶対値を、５０度以上９０度以下とすることが好適である。

以上のように、ヌードルフィラーの内部における層の均一性及びヌードルフィラーの下面における平坦度のいずれを重視するかによって、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度の好適な範囲が変わることになる。

第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの具体的な形状及びサイズは、ヌードルフィラーのサイズに応じて決定することができる。例えば、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの端部における半径は、それぞれヌードルフィラーのＲ面取り部分における半径とすればよい。また、第１のローラ２Ａの長さは、少なくともヌードルフィラーの下面をカバーできる長さとされる。

第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの直径については任意の長さにすることができる。但し、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの直径を長くする程、各ローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの１回転当たりの素材の送り量を長くできるため、素材の送り速度を増加させることができる。

第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、ヌードルフィラーの素材となるプリプレグの積層体に対して離型性を有することが望ましい。実際に、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン及びナイロン６，６を素材として離型性の確認を行った結果、ポリウレタンは離型性が低く、ポリテトラフルオロエチレン及びナイロン６，６は離型性が良好であることが確認された。特に、ポリテトラフルオロエチレンの離型性が最も良好であることが確認された。

従って、プリプレグとの離型性の確保の観点からは、ナイロン６，６又はポリテトラフルオロエチレンがローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの素材として好適である。このため、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの少なくとも１つの表面層を、ナイロン６，６又はポリテトラフルオロエチレンを素材として構成することが望ましい。尚、ローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ全体を離型性を有する素材で構成せずに、ローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの表面を離型性を有するナイロン６，６又はポリテトラフルオロエチレン等のフィルムやテープで覆うようにしてもよい。ナイロンは、脂肪族骨格を含むポリアミドの総称であり、ナイロン６，６は、分子構造が｛ＣＯ−（ＣＨ_２）_４−ＣＯ−ＮＨ−（ＣＨ_２）_６−ＮＨ｝_ｎで表されるナイロンである。

回転機構３は、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを回転させるための装置である。従って、回転機構３は、スタンド４に、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１を受けるための第１の軸受５Ａ、第２のローラ２Ｂの第２の軸ＡＸ２を受けるための第２の軸受５Ｂ及び第３のローラ２Ｃの第３の軸ＡＸ３を受けるための第３の軸受５Ｃを設けて構成することができる。

第１の軸受５Ａは、円筒状の第１のローラ２Ａから両側に突出した第１の軸ＡＸ１を、第１のローラ２Ａの両側の２箇所で受ける構造を有している。第２の軸受５Ｂ及び第３の軸受５Ｃは、それぞれ円板状の第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３を所定の傾斜角度で受ける構造を有している。

第１の軸受５Ａ、第２の軸受５Ｂ及び第３の軸受５Ｃには、ベアリングよりも無給油ブッシュを用いることが望ましい。すなわち、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、それぞれ無給油ブッシュを軸受として回転するように構成されることが望ましい。これは、無給油ブッシュを軸受として使用すれば、プリプレグの賦形のために、使用が望ましくない油の使用を回避できるためである。加えて、無給油ブッシュを使用すれば、給油作業も不要にすることができる。

更に、回転機構３には、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの少なくとも１つに回転動力を与えるためのハンドル６が設けられる。図示された例では、第１のローラ２Ａの回転軸となる水平方向の第１の軸ＡＸ１にハンドル６が連結されている。従って、ハンドル６を回転させると第１の軸ＡＸ１を中心に第１のローラ２Ａが回転する。

第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの間の空隙に素材が挟まっている状態では、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃと素材との間における摩擦力によって、第１のローラ２Ａが回転すると第２及び第３のローラ２Ｂ、２Ｃも回転する。従って、ハンドル６を回転させると、素材を押し出しながら第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを回転させることができる。これにより、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用いて互いに異なる角度で圧力を負荷することができる。その結果、棒状に積層されたプリプレグの積層体を図５に示すように賦形することができる。すなわち、ヌードルフィラーの賦形を行うことができる。

上述したように、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの好適な傾斜角度は、ヌードルフィラーの均一性を重視するか或いはヌードルフィラーの下面における平坦度を重視するかによって異なる。

そこで、複合材賦形装置１には、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度を変えるための傾斜角度調節機構７を設けることができる。図示された例では、置換式の傾斜角度調節機構７に第２の軸受５Ｂ及び第３の軸受５Ｃが取付けられている。

傾斜角度調節機構７は、レバー付のボルト７Ａとブロック７Ｂとで構成することができる。ブロック７Ｂは、レバー付のボルト７Ａでスタンド４に固定することができる。ブロック７Ｂには、第２の軸受５Ｂ及び第３の軸受５Ｃをセットするための傾斜面が形成されている。ブロック７Ｂに形成される傾斜面の傾斜角度は、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度となっている。このため、傾斜角度が異なる傾斜面を形成した複数のブロック７Ｂを準備することにより、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を変えることができる。

図６は第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を変えた第１の例を示す図であり、図７は第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を変えた第２の例を示す図である。

図６及び図７に示すように、傾斜角度が異なる傾斜面を形成したブロック７Ｂをスタンド４に固定し、ブロック７Ｂに第２の軸受５Ｂ及び第３の軸受５Ｃをセットすることができる。これにより、第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３をブロック７Ｂの傾斜面に対して垂直な向きにセットすることができる。すなわち、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を所定の角度にセットすることができる。

尚、図示される例に限らず、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を微調整できるように連続的に可変させることが可能な傾斜角度調節機構を複合材賦形装置１に設けてもよい。或いは、第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を好適な傾斜角度に断続的に可変させることが可能な傾斜角度調節機構を複合材賦形装置１に設けてもよい。

つまり以上のような複合材賦形装置１及び複合材賦形方法は、所定の角度で３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配置し、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃで異なる３方向から素材を圧縮することによりヌードルフィラー等のプリプレグの賦形を行うようにしたものである。

（効果）
このため、複合材賦形装置１及び複合材賦形方法によれば、従来よりも簡易な構成かつ短時間で高品質なプリプレグの賦形を行うことができる。例えば、フィラーの形状に合わせた特殊な形状を有する２つのローラを用いて鉛直方向にのみ変位を付与することによってフィラーの賦形を行う従来の方法では十分な品質が得られず、真空圧で賦形する必要が生じる場合があった。これに対して、複合材賦形装置１及び複合材賦形方法によれば、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用いて３方向からより均一に圧力を付与できるため十分な品質でフィラーを賦形することができる。このため、真空圧による賦形が不要となる。また、押出成形機等の大規模な装置も不要である。

また、圧力がより均一になる角度で、３つのローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを素材に押し付けることにより、より小さい動力でフィラーの賦形を行うことができる。これは、ローラ２Ｂ、２Ｃの角度を変化させた賦形試験によっても確認されている。

（第２の実施形態）
（構成及び機能）
図８は本発明の第２の実施形態に係る複合材賦形装置の正面図であり、図９は、図８に示す複合材賦形装置のローラの向きを変えた状態を示す図である。

図８に示された第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａでは、第２及び第３のローラ２Ｄ、２Ｅの形状と、第２及び第３のローラ２Ｄ、２Ｅの回転軸の角度を変化させる角度調整機構１０を設けた点が第１の実施形態における複合材賦形装置１と相違する。第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における複合材賦形装置１と実質的に異ならないため主要な構成要素のみを図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａも、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する第１、第２及び第３の３つのローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅを備えている。プリプレグの積層体と接触する第１のローラ２Ａの部分における縦断面の形状は第１の実施形態と同様に直線状となっている。

但し、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２を含む縦断面における、プリプレグの積層体に圧力を負荷する第２のローラ２Ｄの部分の形状は曲率が一定でない曲線となっている。同様に、第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３を含む縦断面における、プリプレグの積層体に圧力を負荷する第３のローラ２Ｅの部分の形状も、曲率が一定でない曲線となっている。

従って、第２のローラ２Ｄがプリプレグの積層体に圧力を負荷する方向を変化させることによって、プリプレグの積層体と接触する第２のローラ２Ｄの部分を変えれば、プリプレグの積層体を第２のローラ２Ｄの縁の曲率に対応する形状に賦形することができる。同様に、第３のローラ２Ｅがプリプレグの積層体に圧力を負荷する方向を変化させることによって、プリプレグの積層体と接触する第３のローラ２Ｅの部分を変えれば、プリプレグの積層体を第３のローラ２Ｅの縁の曲率に対応する形状に賦形することができる。

棒状のプリプレグの積層体と接触して圧力を負荷する第２のローラ２Ｄの縁の断面形状及び第３のローラ２Ｅの縁の断面形状をそれぞれ決定するための曲率が一定でない曲線の実用的な一例としては、対数螺旋が挙げられる。

図１０は、図８に示す第２のローラ２Ｄの縁の形状及び第３のローラ２Ｅの縁の形状をそれぞれ決定するための対数螺旋の一例を示す図である。

対数螺旋は、原点からの距離をｒ、基準方向に対する角度をφとする極座標（ｒ、φ）において、式（１）で定義される曲線である。
ｒ＝Ｂ^φ （１）
但し、式（１）においてＢは１ではない正の係数である。式（１）で定義される対数螺旋の係数Ｂを定めて極座標（ｒ、φ）にプロットすると図１０に示すような渦巻状の曲線が描かれる。

対数螺旋は自己相似の特性を持つ。すなわち、対数螺旋から切り取った複数の曲線は、中心角が一定であれば相似の関係となる。例えば、９０度の角度をなす２つの直線の交点を極座標（ｒ、φ）の原点に合わせ、対数螺旋と２つの直線との交点の間における対数螺旋を切り取って得られる曲線は、２つの直線を原点を中心に回転させると相似形に拡大又は縮小される。つまり、互いに９０度の角度をなし、かつ原点を通る２つの直線で、対数螺旋の異なる部分を切り取ると、互いに相似の関係にある複数の曲線が得られる。この関係は、対数螺旋から曲線を切出すための２つの直線のなす角度が９０度でない場合においても同様である。

そこで、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２を含む縦断面における、プリプレグの積層体に圧力を負荷する部分の第２のローラ２Ｄの形状及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３を含む縦断面における、プリプレグの積層体に圧力を負荷する第３のローラ２Ｅの部分の形状を、それぞれ対数螺旋の一部とすることができる。

この場合、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅを互いに接触させながら、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度並びに第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度をそれぞれ第１の軸ＡＸ１に垂直な平面に関して対称となるように変化させれば、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅの間に形成される空隙の形状を相似関係を維持しながら拡大及び縮小することが可能となる。つまり、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの面対称性を維持させながら、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの傾斜角度を変化させると、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅの間に形成される空隙の拡大及び縮小が可能となる。

そこで、複合材賦形装置１Ａには、第２及び第３のローラ２Ｄ、２Ｅの第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の角度を連続的又は断続的に変化させる角度調整機構１０が備えられる。

具体的には、角度調整機構１０は、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度をそれぞれ変化させる機能を有している。このため、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度を素材ごとに変化させれば、異なる横断面形状を有する複数のヌードルフィラーを、共通の複合材賦形装置１Ａを用いて製作することができる。

特に、第２及び第３のローラ２Ｄ、２Ｅの各縁の断面形状を対数螺旋とすれば、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの傾斜角度を変化させることによって賦形を行うための空隙の形状を相似関係を維持しつつ自由に拡大及び縮小することができる。従って、相似関係を有し、かつ大きさが異なる複数のヌードルフィラーを共通の複合材賦形装置１Ａを用いて製作することが可能となる。

一方、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度を、フィラーの賦形中に連続的に変化させれば、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅの間に横断面の形状が一定でないヌードルフィラーの横断面形状に対応する空隙を順次形成させることが可能となる。すなわち、第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅの間に形成される空隙の形状を時間的に変化させることができる。

従って、対数螺旋の係数Ｂ及び対数螺旋の一部として切り取られる曲線の長さは、賦形後におけるヌードルフィラーの形状に合わせて決定することができる。例えば、横断面形状が一定で異なるサイズを有する複数のヌードルフィラーを複合材賦形装置１Ａで製作する場合であれば、各ヌードルフィラーのＲ面取りのサイズがカバーされるように対数螺旋の係数Ｂを決定することができる。一方、横断面形状が相似関係を維持しながら変化するヌードルフィラーを複合材賦形装置１Ａで製作する場合であれば、ヌードルフィラーの変化するＲ面取りのサイズがカバーされるように対数螺旋の係数Ｂを決定することができる。これは、対数螺旋の一部として切り取られる曲線の長さについても同様である。

更に、第１の実施形態において説明したように、ヌードルフィラーの下面の平坦度を向上させる観点から、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が１０度以上４０度以下となるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅを配置することが好適である。従って、ヌードルフィラーの下面の平坦度を重視する場合には、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が１０度以上４０度以下の範囲で調整されるように第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各縁における断面形状、すなわち、対数螺旋の係数Ｂや曲線の長さ等を決定することができる。

一方、素材の３つの面に均一に圧縮力を負荷する観点から、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が４５度以上６０度以下となるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｄ、２Ｅを配置することが好適である。従って、ヌードルフィラーの内部における品質を重視する場合には、第１の軸ＡＸ１に対する第２の軸ＡＸ２及び第３の軸ＡＸ３の傾斜角度が４５度以上６０度以下の範囲で調整されるように第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各縁における断面形状、すなわち、対数螺旋の係数Ｂや曲線の長さ等を決定することができる。

横断面形状が一定でサイズが異なる複数のヌードルフィラーにそれぞれ鋭利な稜線を形成するためには、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅを互いに接触させながら、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度並びに第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度をそれぞれ断続的に変化させることが重要である。

一方、横断面形状が変化するヌードルフィラーに鋭利な稜線を形成するためには、上述したように、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅを互いに接触させながら、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度並びに第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度をそれぞれ連続的に変化させることが重要である。

また、横断面形状が線対称性を維持しながら変化するヌードルフィラーを製作するためには、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度並びに第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度を、面対称性が維持されるように変化させることが重要である。

従って、角度調整機構１０は、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度のみならず、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の位置及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の位置についても移動させることができるように構成される。つまり、角度調整機構１０は、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の回転移動及び平行移動を行うことができるように構成される。

具体例として、図示されるように角度調整機構１０を、一部のリンク１１Ａが伸縮するリンク機構１１で構成することができる。図示された例では、５つのリンク１１Ａが４つのジョイント１１Ｂで回転自在に連結されている。より具体的には、固定台座１２として機能する移動しないリンク１１Ａに、２つの固定端としてジョイント１１Ｂが固定されている。固定端となる２つのジョイント１１Ｂの一方には、リンク１１Ａとして伸縮可能な２本のリニアアクチュエータ１３の各一端が回転自在に連結されている。また、固定端となる２つのジョイント１１Ｂの他方には、リンク１１Ａとして伸縮可能な１本のリニアアクチュエータ１３の一端が回転自在に連結されている。

他方、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２又は第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の軸受と一体化した可動台座１４に２つのジョイント１１Ｂが固定されている。そして、固定台座１２に固定された一方のジョイント１１Ｂと、可動台座１４に固定された一方のジョイント１１Ｂとが、リニアアクチュエータ１３で連結される。また、固定台座１２に固定された他方のジョイント１１Ｂと、可動台座１４に固定された他方のジョイント１１Ｂも、リニアアクチュエータ１３で連結される。更に、対角線となる位置に、残りのリニアアクチュエータ１３が配置される。すなわち、５節のリンク１１Ａのうち、固定台座１２と可動台座１４との間を連結する３つのリンク１１Ａが伸縮可能なリニアアクチュエータ１３となっている。

このようなリニアアクチュエータ１３を組込んだリンク機構１１を用いると、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２を受ける可動台座１４の傾斜と平行移動とを同時に行うことが可能となる。同様に、第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３を受ける可動台座１４の傾斜と平行移動とを同時に行うことも可能となる。すなわち、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅを互いに接触させながら、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度並びに第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度をそれぞれ連続的に変化させることが可能となる。

横断面形状が一定でないヌードルフィラーを製作する場合には、ヌードルフィラーの賦形中に第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の回転移動及び平行移動が角度調整機構１０によって実行されることになる。この場合、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の回転速度及び移動速度は、素材として送り込まれるプリプレグの積層体の送り速度と、ヌードルフィラーの横断面形状の変化率によって定まることになる。

そこで、コンピュータ等の電子回路で構成された制御装置１５で、角度調整機構１０の動作及び素材の送り速度を自動制御することができる。素材の送り速度は、例えば、第１のローラ２Ａの回転速度として制御装置１５により自動制御することができる。第１のローラ２Ａの回転速度を制御する場合には、第１のローラ２Ａの回転軸を回転させるためのモータの回転数を制御装置１５からの制御信号で調節できるようにすることができる。或いは、ギアを設け、制御装置１５からの制御信号でギアチェンジを行うことができるようにしてもよい。但し、素材の送り速度を固定値として、可変設定できないようにしてもよい。

角度調整機構１０の動作の制御は、素材として供給されるプリプレグの積層体を長さ方向に送り出す速度と、賦形後における積層体の３次元形状を表す設計情報とに基づいて行うことができる。すなわち、プリプレグの積層体の送り出す速度と、賦形後における積層体の３次元形状を表す設計情報とに基づいて、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置を制御装置１５からの制御信号で自動制御することができる。

従って、制御装置１５は、プリプレグの積層体が、設計された賦形後の３次元形状となるように、理想的なヌードルフィラーの３次元モデルに基づいて、積層体の送り速度と連動して第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置を制御できるように構成されている。

第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置は、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅが互いに接触するように制御装置１５によって制御される。

図１１は、図８に示す第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの制御方法の一例を説明する図である。

図１１に示すように、第１のローラ２Ａの表面と第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅとの２箇所の接点を通るＸ軸と、Ｘ軸に垂直で第２のローラ２Ｄと第３のローラ２Ｅと間における接点を通るＹ軸を定義することができる。

そうすると、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの縁の横断面に形成される曲線が、Ｘ軸及びＹ軸の双方に接するように、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置を制御すれば良いことになる。すなわち、第２のローラ２Ｄの先端及び第３のローラ２Ｅの先端がＸ軸を含む水平面と、Ｙ軸を含む鉛直面に常に接するように、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置を制御すれば良いことになる。

従って、幾何学的に、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置の各制御値並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置の各制御値を求めることができる。

特に、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各縁の横断面に形成される曲線が対数螺旋の一部となっている場合には、図１１に示すＸＹ座標系において、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの先端を形成する対数螺旋がＸ軸及びＹ軸の双方に常に接するように、対数螺旋を回転移動させれば良いことになる。

図１１に示すように回転軸が鉛直方向であるＹ軸と平行となるように傾斜角度及び位置が決定された第２のローラ２Ｄの縁を形成する対数螺旋の中心をＯ_０、当該対数螺旋とＹ軸との接点をａ_０、当該対数螺旋とＸ軸との接点をｂ_０とすると、対数螺旋の中心Ｏ_０とＹ軸上の接点ａ_０とを結ぶ線分ＬＡ_０と、対数螺旋の中心Ｏ_０とＸ軸上の接点ｂ_０とを結ぶ線分ＬＢ_０とのなす角度は９０度となる。同様に、回転軸が鉛直方向から角度θだけ傾斜するように傾斜角度及び位置が決定された第２のローラ２Ｄの縁を形成する対数螺旋の中心をＯ_θ、当該対数螺旋とＹ軸との接点の位置をａ_θ、当該対数螺旋とＸ軸との接点の位置をｂ_θとすると、対数螺旋の中心Ｏ_θとＹ軸上の接点ａ_θとを結ぶ線分ＬＡ_θと、対数螺旋の中心Ｏ_θとＸ軸上の接点ｂ_θとを結ぶ線分ＬＢ_θとのなす角度も９０度となる。

この時、対数螺旋の性質から、線分ＬＡ_０、線分ＬＢ_０、Ｘ軸及びＹ軸で囲まれた四角形と、線分ＬＡ_θ、線分ＬＢ_θ、Ｘ軸及びＹ軸で囲まれた四角形とは、互いに相似の関係となる。従って、対数螺旋の中心Ｏ_θが、常にＸＹ座標系の原点Ｏを通る同一直線上となるように、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び位置並びに第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度及び位置を制御すれば良いことになる。

尚、対数螺旋の中心Ｏ_θが通る直線の傾きαは、式（２−１）に示す計算によって式（２−２）に示すように、対数螺旋の１ではない正の係数Ｂによって求めることができる。
ｔａｎα＝ＬＢ_θ／ＬＡ_θ＝Ｂ^θ／Ｂ^{θ−π／２}＝Ｂ^π／２ （２−１）
∴ α＝ｔａｎ^−１（Ｂ^π／２） （２−２）

また、対数螺旋の中心Ｏ_θとＹ軸上の接点とを結ぶ線分ＬＡ_θ、対数螺旋の中心Ｏ_θとＸ軸上の接点とを結ぶ線分ＬＢ_θ、Ｘ軸及びＹ軸で囲まれる四角形の面積は、鉛直方向に対する第２のローラ２Ｄの回転軸の傾斜角度θと反比例の関係にある。従って、対数螺旋の中心Ｏ_θと原点Ｏとの間における距離をｘとするためには、距離ｘの２乗ｘ^２が第２のローラ２Ｄの回転軸の傾斜角度θと反比例の関係となるように、傾斜角度θを制御すれば良いことになる。

このような制御装置１５による制御を角度調整機構１０に対して行うと、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの隙間における横断面形状が連続的に変化するように、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの回転軸の傾斜角度及び位置を連続的に変化させることができる。特に、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各縁の横断面に形成される曲線が対数螺旋の一部となっている場合には、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの隙間における横断面形状を相似形に連続的に変化させることができる。

そして、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅで３方向から単純な棒状のプリプレグの積層体に圧力を負荷することによって、横断面形状が連続的に変化するプリプレグの積層体を製作することができる。特に、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各縁の横断面に形成される曲線が対数螺旋の一部となっている場合には、横断面形状が相似形に連続的に変化するプリプレグの積層体を製作することができる。

以上のような第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａは、素材に圧力を負荷するための縁の断面形状が、曲率が一定でない対数螺旋等の曲線となっている第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅを対向配置し、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅと、平坦な面を形成するための第１のローラ２Ａとの間に形成される隙間で、ヌードルフィラーを賦形するようにしたものである。加えて、第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａは、賦形中又は賦形前後において第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各回転軸の角度を変化させることができるように角度調整機構１０を設けたものである。

（効果）
このため、第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａによれば、異なる横断面形状を有する複数のフィラーを製作することができる。また、横断面の形状が一定でないフィラーを製作することもできる。特に、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの縁の断面形状を対数螺旋とすれば、互いに相似関係にある複数のフィラーを製作することができる。また、横断面形状が相似形に変化するフィラーを製作することもできる。すなわち、長さ方向における横断面の形状が異なり、かつ長さ方向の異なる位置における複数の横断面形状が互いに相似関係にあるフィラーを製作することが可能となる。

その結果、従来のように成形型や複数のダイ又はローラを使用することなく、横断面形状が変化するフィラーを賦形することができる。特に、多段式の複数のダイ又はローラを使用しても製作することができなかった横断面形状が連続的に変化するフィラーを単一の工程で製作することが可能となる。

（第３の実施形態）
図１２は本発明の第３の実施形態に係る複合材賦形装置の正面図であり、図１３は、図１２に示す複合材賦形装置のローラの向きを変えた状態を示す図である。

図１２に示された第３の実施形態における複合材賦形装置１Ｂでは、角度調整機構１０Ａの構成が第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａと相違する。第３の実施形態における複合材賦形装置１Ｂの他の構成及び作用については第２の実施形態における複合材賦形装置１Ａと実質的に異ならないため主要な構成要素のみを図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第３の実施形態における複合材賦形装置１Ｂの角度調整機構１０Ａは、複数の関節を有するロボットアーム２０で構成される。第２の実施形態において説明した通り、第１のローラ２Ａ、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅを互いに接触させながら、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各回転軸の向きを変えるためには、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各回転軸の回転移動と、各回転軸の平行移動の双方を組合わせて行うことが必要となる。

そこで、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の軸受と一体化した可動台座１４を、ロボットアーム２０の先端に固定することができる。同様に、第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の軸受と一体化した可動台座１４を、別のロボットアーム２０の先端に固定することができる。そして、各ロボットアーム２０を、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各回転軸をそれぞれ同一平面上において回転移動及び平行移動させることができるように構成することができる。

その場合、各ロボットアーム２０には、回転軸方向が平行な少なくとも２つの回転関節（回転ジョイント）２０Ａが設けられることになる。各回転関節２０Ａの回転軸は、第２のローラ２Ｄ及び第３のローラ２Ｅの各回転軸を回転移動させるための回転軸と平行となる。すなわち、各ロボットアーム２０は、先端のアーム２０Ｂを同一平面内において平行移動及び回転移動させることが可能な少なくとも２次元のアームとなる。

各ロボットアーム２０は、制御装置１５Ａによって制御される。制御装置１５Ａによる各ロボットアーム２０の制御方法は、制御対象軸が異なるだけで、実質的に第２の実施形態における制御装置１５による角度調整機構１０の制御と同様である。

以上のような第３の実施形態における複合材賦形装置１Ｂは、第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２及び第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の水平方向に対する傾斜角度及び位置をロボットアーム２０で変更できるようにしたものである。

このため、第３の実施形態における複合材賦形装置１Ｂによれば、第２の実施形態と同様な効果を得ることができる。加えて、第２の実施形態のような特殊で複雑な構造を有する角度調整機構１０を製作せずに、汎用性の高い部品を組立てて容易に構成することが可能なロボットアーム２０で角度調整機構１０Ａを構成することができる。

（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、各実施形態における特徴を互いに組合わせてもよい。具体例として、第１の実施形態に例示したような素材と接触する部分の縦断面における形状が円弧である第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を第２又は第３の実施形態に例示される角度調整機構１０、１０Ａを用いて変更できるようにしてもよい。その場合、賦形対象ごとに第２のローラ２Ｂ及び第３のローラ２Ｃの傾斜角度を変更することが可能となる。このため、例えば、フィラーの下面の平坦度を向上させることを重視する場合には、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度がそれぞれ１０度以上４０度以下となるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配置する一方、素材の３つの面に均一に圧縮力を負荷することを重視する場合には、第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第２のローラ２Ｄの第２の軸ＡＸ２の傾斜角度及び第１のローラ２Ａの第１の軸ＡＸ１に対する第３のローラ２Ｅの第３の軸ＡＸ３の傾斜角度がそれぞれ４５度以上６０度以下となるように第１、第２及び第３のローラ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配置することができる。

また、各実施形態におけるローラの形状や向きを、賦形後におけるプリプレグの積層体の形状に合わせて変えてもよい。

図１４は、３つのローラの第１の変形例を示す図である。

横断面の形状が三角形であるフィラーを賦形する場合であれば、図１４に示すように、回転軸が同一平面上において互いに異なる向きとなるように３つの円柱状のローラ２Ｆを配置することができる。すなわち、素材と接触する部分における縦断面の形状が直線形状である３つのローラ２Ｆを互いに異なる向きで各回転軸が同一平面上となるように配置することができる。そして、３つの円柱状のローラ２Ｆの各曲面で素材に圧力を負荷するようにすることができる。

図１５は、３つのローラの第２の変形例を示す図である。

横断面の形状が２つの線分と１つの円弧で囲まれた形状である場合には、図１５に示すように、回転軸が同一平面上において互いに異なる向きとなるように２つの円柱状のローラ２Ｆと、縦断面の縁が曲線形状となる１つの円板状のローラ２Ｇとを配置することができる。そして、２つの円柱状のローラ２Ｆと、１つの円板状のローラ２Ｇの各曲面で素材に圧力を負荷するようにすることができる。

図１４及び図１５に示す例に限らず、円柱状又は円板状の３つのローラを賦形後におけるプリプレグの積層体の形状に合わせて配置することができる。例えば、異なる半径のＲ面取りを有するフィラーを賦形する場合であれば、Ｒ面取りの半径に応じた異なる曲面形状を有する２つ又は３つの円板状のローラを配置すればよい。

また、ローラの形状に関わらず、３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させることが可能な、一部のリンク１１Ａが伸縮するリンク機構１１やロボットアーム２０等の第２又は第３の実施形態に例示されるような角度調整機構を複合材賦形装置に設けることもできる。

角度調整機構を設ける場合には、少なくとも１つのローラの、回転軸を含む縦断面における積層体に圧力を負荷する部分の形状を、曲率が一定でない曲線とすることができる。これにより、角度調整機構によるローラの回転軸の角度の変化によって、異なる曲率を有する曲面で積層体に順次圧力を負荷することが可能となる。特に、曲率が一定でない曲線を、対数螺旋の一部とすれば、縦断面における形状が相似関係にある曲線となる異なる形状を有するローラの曲面で積層体に順次圧力を負荷することが可能となる。

例えば、棒状に積層されたプリプレグの積層体に、３つのローラを用いて互いに異なる方向から圧力を負荷し、３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させることによって、横断面の形状が一定でないプリプレグの積層体を生成することが可能となる。

もちろん、楕円の一部、双曲線の一部、指数関数の一部、対数関数の一部、三角関数の一部、放物線等の高次関数の一部を、ローラの、回転軸を含む縦断面における積層体に圧力を負荷する部分の形状とすることによって、長さ方向に横断面の形状が変化するフィラーや様々な横断面形状を有するフィラーを賦形することもできる。

１、１Ａ、１Ｂ 複合材賦形装置
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ ローラ
３ 回転機構
４ スタンド
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 軸受
６ ハンドル
７ 傾斜角度調節機構
７Ａ レバー付のボルト
７Ｂ ブロック
１０、１０Ａ 角度調整機構
１１ リンク機構
１１Ａ リンク
１１Ｂ ジョイント
１２ 固定台座
１３ リニアアクチュエータ
１４ 可動台座
１５、１５Ａ 制御装置
２０ ロボットアーム
２０Ａ 回転関節（回転ジョイント）
２０Ｂ 先端のアーム
ＡＸ１、ＡＸ２、ＡＸ３ 軸

Claims (12)

1. 棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する３つのローラと、
   前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる角度調整機構と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのローラの、前記回転軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状は曲率が一定でない曲線であり、前記角度調整機構による前記回転軸の角度の変化によって、異なる曲率を有する曲面で前記積層体に順次圧力を負荷するように構成される複合材賦形装置。
2. 棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する３つのローラと、
   前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる角度調整機構と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのローラの、前記回転軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状は対数螺旋の一部であり、前記角度調整機構による前記回転軸の角度の変化によって、前記縦断面における形状が相似関係にある曲線となる異なる形状を有する曲面で前記積層体に順次圧力を負荷するように構成される複合材賦形装置。
3. 棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する３つのローラと、
   ロボットアーム又は一部のリンクが伸縮するリンク機構で前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる角度調整機構と、
   を備える複合材賦形装置。
4. 棒状に積層されたプリプレグの積層体に、互いに異なる方向から圧力を負荷する３つのローラと、
   前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させる角度調整機構と、
   を備え、
   前記３つのローラは、
   第１の軸を中心に回転する第１のローラと、
   前記第１の軸に対して傾斜する第２の軸を中心に回転する第２のローラと、
   前記第１の軸に垂直な面に関して前記第２の軸に対称となる第３の軸を中心に回転する第３のローラとで構成され、
   フィラーの横断面形状に対応する空隙が前記第１、第２及び第３のローラの間に形成されるように前記第１、第２及び第３のローラを配置した複合材賦形装置。
5. 前記３つのローラは、
   第１の軸を中心に回転する第１のローラと、
   前記第１の軸に対して傾斜する第２の軸を中心に回転する第２のローラと、
   前記第１の軸に垂直な面に関して前記第２の軸に対称となる第３の軸を中心に回転する第３のローラとで構成され、
   フィラーの横断面形状に対応する空隙が前記第１、第２及び第３のローラの間に形成されるように前記第１、第２及び第３のローラを配置した請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合材賦形装置。
6. 前記角度調整機構は、前記第２のローラ及び前記第３のローラを接触させながら、前記第１の軸に対する前記第２の軸の傾斜角度及び前記第１の軸に対する前記第３の軸の傾斜角度をそれぞれ変化させるように構成される請求項４又は５記載の複合材賦形装置。
7. 前記第２のローラの前記第２の軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状及び前記第３のローラの前記第３の軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状はそれぞれ曲率が一定でない曲線であり、
   前記角度調整機構は、前記第１の軸に対する前記第２の軸の傾斜角度及び前記第１の軸に対する前記第３の軸の傾斜角度をそれぞれ変化させることによって、前記第１、第２及び第３のローラの間に形成される空隙の形状を時間的に変化させるように構成される請求項６記載の複合材賦形装置。
8. 前記第２のローラの前記第２の軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状及び前記第３のローラの前記第３の軸を含む縦断面における前記積層体に圧力を負荷する部分の形状はそれぞれ対数螺旋の一部であり、
   前記角度調整機構は、前記第１の軸に対する前記第２の軸の傾斜角度及び前記第１の軸に対する前記第３の軸の傾斜角度をそれぞれ変化させることによって、前記第１、第２及び第３のローラの間に横断面の形状が一定でないヌードルフィラーの横断面形状に対応する空隙を順次形成させるように構成される請求項６又は７記載の複合材賦形装置。
9. 前記角度調整機構は、賦形後における前記積層体の３次元形状を表す設計情報と、前記積層体を長さ方向に送り出す速度とに基づいて、前記第２の軸の傾斜角度及び位置並びに前記第３の軸の傾斜角度及び位置を自動制御するように構成される請求項６乃至８のいずれか１項に記載の複合材賦形装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の複合材賦形装置を用いて前記積層体の賦形を行うことによって、賦形された前記プリプレグの積層体を生成する複合材賦形方法。
11. 棒状に積層されたプリプレグの積層体に、３つのローラを用いて互いに異なる方向から圧力を負荷するステップと、
    ロボットアーム又は一部のリンクが伸縮するリンク機構で前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させることによって、賦形された前記プリプレグの積層体を生成するステップと、
    を有する複合材賦形方法。
12. 棒状に積層されたプリプレグの積層体に、３つのローラを用いて互いに異なる方向から圧力を負荷するステップと、
    前記３つのローラの少なくとも１つのローラの回転軸の角度を連続的に変化させることによって、賦形された前記プリプレグの積層体を生成するステップと、
    を有し、
    前記３つのローラを、
    第１の軸を中心に回転する第１のローラと、
    前記第１の軸に対して傾斜する第２の軸を中心に回転する第２のローラと、
    前記第１の軸に垂直な面に関して前記第２の軸に対称となる第３の軸を中心に回転する第３のローラとで構成し、
    フィラーの横断面形状に対応する空隙が前記第１、第２及び第３のローラの間に形成されるように前記第１、第２及び第３のローラを配置する複合材賦形方法。

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