JP6579092B2 - トウプリプレグの製造方法及び検査方法 - Google Patents

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Description

本開示は、トウプリプレグに関する。
特許文献1は、トウにエポキシ樹脂を含浸させて、トウプリプレグを得る手法を開示している。
特開2015−98556号公報
上記の含浸に無水物系のエポキシ樹脂を用いると、材料費が安価になり、硬化させるための加熱時間が短時間で済むという利点がある。その一方で、硬化前のエポキシ樹脂に水分が浸透すると、エポキシ樹脂が変性する虞がある。この変性は、硬化不良を引き起こす場合がある。本開示は、上記を踏まえ、無水物系のエポキシ樹脂を含浸に用いる場合に、水分によるエポキシ樹脂の変性を抑制することを解決課題とする。
本開示の一形態は、無水物系のエポキシ樹脂を強化繊維に含浸させることによって、トウプリプレグを得る含浸工程と;前記トウプリプレグの特定面にレーザ光を照射することによって、前記特定面において前記エポキシ樹脂を硬化させる工程と;を含むトウプリプレグの製造方法である。この形態によれば、特定面において、無水物系のエポキシ樹脂が硬化するので、特定面から内部に水分が浸透することを防止できる。
上記形態において、前記含浸工程によって得られた前記トウプリプレグにおける前記エポキシ樹脂の含浸率が予め定められた下限値を下回っているかを、前記レーザ光の反射光のスペクトルに基づき判定する工程と;前記エポキシ樹脂の含浸率が前記下限値を下回っている場合、前記トウプリプレグの前記特定面の裏面に前記エポキシ樹脂を塗布する工程と;を更に含んでもよい。この形態によれば、含浸工程によって得られたトウプリプレグにおける含浸率が下限値を下回っていても、製造不良になることを回避できる。
上記形態において、前記エポキシ樹脂の含浸率が予め定められた上限値を上回っているかを、前記レーザ光の反射光のスペクトルに基づき判定する工程を更に含み;前記エポキシ樹脂の含浸率が前記上限値を上回っている場合、前記含浸工程において、前記エポキシ樹脂の含浸量を減少させてもよい。この形態によれば、製造不良を減らすことができる。
本開示の他の形態は;エポキシ樹脂を強化繊維に含浸させることによって、トウプリプレグを得る含浸工程と;前記トウプリプレグの特定面にレーザ光を照射する工程と;前記エポキシ樹脂の含浸率が予め定められた範囲内に収まっているかを、前記レーザ光の反射光のスペクトルに基づき判定する工程と;を含むトウプリプレグの検査方法である。この形態によれば、含浸工程における含浸量を、連続的に把握できる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記の方法を実現する製造装置の形態で実現できる。
トウプリプレグの製造装置の概略図。 樹脂塗布装置の斜視図。 図2の3−3断面図。 樹脂塗布装置による樹脂の塗布が中断されている様子を示す図。 トウプリプレグの第1面にレーザ光が照射される様子を示す図。 レーザ光のおおよその照射範囲を示す図。 含浸率制御処理を示すフローチャート。 受光部によって受光された反射スペクトルを示すグラフ。
図1は、トウプリプレグの製造装置10の概略を示す。製造装置10は、繰り出し装置20と、幅調整装置30と、樹脂含浸装置40と、熱風発生装置50と、幅調整装置60と、巻き取り装置70と、制御装置90と、発光部210と、受光部220とを備える。
繰り出し装置20は、ローラ(図示せず)に巻かれているトウCFを繰り出す。トウとは、繊維束のことである。本実施形態におけるトウCFを構成する各繊維は、炭素繊維を用いた強化繊維である。
幅調整装置30は、複数のローラ31〜34を備える。複数のローラ31〜34は、中央部の径が、両端の径よりも大きい。このためローラ31〜34を通過したトウCFは、薄く広がる。薄く広げられたトウCFには、樹脂塗布装置100,101(後述)によって塗布される樹脂Rの含浸が進行しやすくなる。
樹脂含浸装置40は、筐体内に、樹脂塗布装置100,101,102を備える。樹脂塗布装置100は、樹脂溜部110と、塗布ローラ80とを備える。樹脂塗布装置101は、樹脂溜部111と、塗布ローラ81を備える。樹脂塗布装置102は、樹脂溜部112と、塗布ローラ82を備える。
樹脂溜部110,111,112はそれぞれ、樹脂Rを貯留する。樹脂Rは、未硬化の無水物系エポキシ樹脂である。樹脂Rには、硬化剤が含まれている。本実施形態における硬化剤は、約60℃以上になると、樹脂Rを硬化させる。
塗布ローラ80は、トウCFの第1面に樹脂Rを塗布するために回転する。塗布ローラ81は、トウCFの第2面に樹脂Rを塗布するために回転する。塗布ローラ81は、搬送方向における塗布ローラ80の下流に位置する。塗布ローラ82については後述する。
熱風発生装置50は、約50℃の熱風を発生し、樹脂含浸装置40の内部に供給する。熱風の供給によって、樹脂溜部110,111,112に貯留される樹脂Rの温度が約50℃になる。この温度制御によって、硬化剤による硬化の進行を回避しつつ、樹脂Rの粘度が低下する。このように粘度が低下することによって、第1面および第2面に塗布された樹脂Rの含浸が進行する。
樹脂塗布装置100に搬入されたトウCFは、上記した樹脂塗布装置101,102の動作によってトウプリプレグTPに変化し、樹脂含浸装置40から一旦、搬出される。搬出されたトウプリプレグTPは、幅調整装置60に搬入される。
幅調整装置60は、複数のローラ61,62を備える。複数のローラ61,62は、中央部の径が、両端の径よりも小さい。トウプリプレグTPは、ローラ61,62を通過すると、厚みが厚くなり、幅が狭くなる。
発光部210は、幅調整装置60から搬出されたトウプリプレグTPに向けて、レーザ光を発光する。発光されたレーザ光は、トウプリプレグTPの第1面TP1(符号は図5)に照射される。トウプリプレグTPの第1面TP1は、トウCFの第1面に対応する。第1面TP1は、特定面とも呼ぶ。トウプリプレグTPの第2面TP2(符号は図5)は、トウCFの第2面に対応する。
受光部220は、トウプリプレグTPの第1面TP1において反射した光を受光し、反射スペクトルの情報として制御装置90に入力する。レーザ光の作用、及び反射スペクトルについては後述する。レーザ光が照射された後、トウプリプレグTPは、再び樹脂含浸装置40内に搬入され、樹脂塗布装置102に送られる。
樹脂塗布装置102の塗布ローラ82は、トウプリプレグTPの第2面TP2に樹脂Rを塗布する機能を有する。但し、樹脂塗布装置102は、原則として樹脂Rの塗布を実行せず、樹脂塗布装置100,101による含浸量が不足している場合に塗布を実行する。
巻き取り装置70は、樹脂塗布装置102を通過したトウプリプレグTPを、ボビン(図示せず)に巻き取る。ボビンに巻き取られたトウプリプレグTPは、高圧タンクの製造に用いられる。なお、この高圧タンクの製造は、ライナに巻き付けられたトウプリプレグTPを150℃程度に加熱する工程を含む。この工程において樹脂Rが硬化し、トウプリプレグTPの強度が高くなる。このようにして、高圧タンクの部品として要求される強度が得られる。
制御装置90は、受光部220からの反射スペクトルを取得し、樹脂塗布装置100,101,102に制御信号を送信する。制御装置90の詳しい動作については後述する。
図2は、樹脂塗布装置101の斜視図である。以下、樹脂塗布装置100,101,102によって塗布される樹脂量の制御について説明する。樹脂塗布装置100,101,102は、ほぼ同じ構成を有しているので、樹脂塗布装置101を代表として説明する。但し、樹脂塗布装置102は、先述したように樹脂Rの塗布を実行しない場合があるので、その点については後述する。
樹脂塗布装置101は、樹脂溜部111と塗布ローラ81とに加え、ブレード111dを備える。
樹脂溜部111の輪郭は、おおよそ6面体である。樹脂溜部111は、4つの側面のうち三方が、側板111aと側板111cと背面板111bで囲われている。樹脂溜部111の底部には底板111eが設けられている。樹脂溜部111の上面および1つの側面は、開放されている。
塗布ローラ81は、ローラ面81sを有する。塗布ローラ81は、ローラ面81sが樹脂溜部111の開放された側面に沿って回転するように、樹脂溜部111に隣接して配置されている。これにより、2つの側板111a,111c、背面板111b、底板111e、およびローラ面81sに囲まれて、樹脂Rを貯留するための空間が形成される。この空間から、ローラ面81s上に樹脂Rが供給されて、ローラ面81sに接触するトウCFに樹脂Rが塗布される。
底板111eの上には、ブレード111dが配置されている。ブレード111dは、ギャップ(ブレードギャップG(図3)とも呼ぶ)を挟んで塗布ローラ81のローラ面81sに対向して配置される。ブレードギャップGの大きさを調節することにより、ローラ面81sの付着する樹脂Rの厚みを、ひいては樹脂Rの質量を調整することができる。
図3は、図2に示す3−3断面の一部を示す。図3では、側板111a、背面板111b、および底板111eは省略されている。図3では、ブレード111dと塗布ローラ81との間のギャップを、ブレードギャップGとして示している。
樹脂塗布装置101は、ボールネジ116とモータ117とを備える。ボールネジ116は、一端がモータ117に接続されると共に、他端がブレード111dに接続されている。そして、ボールネジ116は、モータ117が回転すると、モータ117の回転運動を直線運動に変換してブレード111dに伝える。この結果、ブレード111dは、ブレードギャップGが変化するように移動する。
このようにブレードギャップGが増大すると、塗布ローラ81の表面に付着する樹脂Rの量が増加する。その結果、トウCFに塗布される樹脂Rの量が増加する。逆にブレードギャップGが減少すると、塗布ローラ81の表面に付着する樹脂Rの量が減少する。その結果、トウCFに塗布される樹脂Rの量が減少する。モータ117は、制御装置90からの駆動信号によって駆動される。
ブレードギャップGを調節する際には、調節の精度を確保するために、ブレードギャップGの大きさを求めるのが好ましい。ブレードギャップGの大きさは、位置センサを設けて実測してもよいし、推定値を用いてもよい。
ブレードギャップGを測定する場合、例えば、ブレード111dを位置制御用ステージ上に取り付け、位置センサとしてのリニアスケールをステージ内に組み込んでもよい。
ブレードギャップGの大きさを推定する場合、モータ117の回転量を利用してもよい。モータ117の回転量とブレード111dの移動量との関係を予め求めて記憶しておき、モータ117の回転量を実測すれば、ブレードギャップGの大きさを推定できる。
図4は、樹脂塗布装置102による樹脂Rの塗布が中断されている様子を示す。樹脂塗布装置102は、先述したように、塗布ローラ82の表面に塗布される樹脂Rの量をゼロにすることができる機構を有している。具体的には、樹脂塗布装置102は、樹脂溜部112が塗布ローラ82から遠ざかるように移動することによって、塗布ローラ82への樹脂Rの供給を中断させることができる機構が設けられている。
樹脂塗布装置102には、塗布ローラ82への樹脂Rの供給を中断した場合に、樹脂Rが漏れ出るのを防ぐ可動式の側壁92が設けられている。側壁92は、塗布ローラ82の表面に樹脂Rを塗布する場合には、塗布の妨げにならないように退避する。上記の樹脂溜部112の移動、及び側壁92の移動は、制御装置90からの制御信号によって制御される。
図5は、トウプリプレグTPの第1面TP1にレーザ光が照射される様子を示す。図5は、トウプリプレグTPの側面を示す。図5では、図1とは異なり、トウプリプレグTPの厚みNが示されている。そして、図5では、トウプリプレグTPを構成する強化繊維Fが示されている。
発光部210が発光するレーザ光の波長は、600nm〜800nmである。図5に示すように、トウプリプレグTPの搬送方向をX方向プラス向き、第2面TP2から第1面TP1への向きをZ方向プラス向きと定義する。X方向およびZ方向は、ほぼ直交する。Y方向は、X方向およびZ方向から、右手系によって定まる。
図6は、レーザ光のおおよその照射範囲Sを示す。照射範囲Sは、おおよそ円形状である。照射範囲Sの直径は、トウプリプレグTPの幅Kよりも少し小さい。
レーザ光の照射は、トウプリプレグTPの温度を局所的に上昇させる。最も温度が高くなる部位は、照射範囲S内、且つ、第1面TP1の最表面である。そして、この部位から、主にX−Y平面方向に熱が伝わるので、照射範囲S外、且つ、第1面TP1の最表面における温度も上昇する。この結果、第1面TP1は、幅方向全体に亘って60℃以上に達する。
第1面TP1の温度が60℃以上に達すると、第1面TP1において硬化剤による硬化が進行する。この結果、樹脂塗布装置102に搬入されるトウプリプレグTPは、第1面TP1が硬化している。
第1面TP1が硬化すると、雰囲気中の水分が、第1面TP1からトウプリプレグTPの内部に浸透することを防止できる。無水物系のエポキシ樹脂は、硬化する前に水分と反応すると変性する。この変性は、高圧タンクの製造工程において、硬化不良を引き起こす場合がある。このため、トウプリプレグTPの表面積の半分近くを占める第1面TP1から水分が浸透することが防止されると、上記の変性の進行を遅らせることができる。
一方、第1面TP1以外、つまり第2面TP2及びトウプリプレグTPの内部は、殆ど硬化していない。よって、トウプリプレグTP全体の柔軟性は十分に残っている。このため、巻き取り装置70は、トウプリプレグTPをボビンに巻き付けることができる。
なお、樹脂塗布装置102が、第1面TP1ではなく第2面TP2に樹脂Rを塗布するのは、第1面TP1に樹脂Rを塗布しても、第1面TP1が硬化しているため含浸が進行しないからである。
図7は、含浸率制御処理を示すフローチャートである。含浸率制御処理は、製造装置10によるトウプリプレグTPの製造中、制御装置90によって繰り返し実行される。
まず、制御装置90は、含浸率が下限値を下回っているかを推定する(S410)。含浸率とは、トウプリプレグTPに含まれる樹脂の質量を、トウプリプレグTP全体の質量で除算して得られる値である。ここでいう下限値とは、含浸率の適正範囲の下限値のことである。適正範囲の下限値および上限値は、予め実験によって定められている。以下、含浸率の取得について説明する。
図8は、受光部220によって受光された反射スペクトルを例示するグラフである。縦軸は強度、横軸は波長を示す。図8に示すように、波長W1及び波長W0においてピークが出現する。波長W1における強度を、強度J1と呼ぶ。波長W0における強度を、強度J0と呼ぶ。
本実施形態の場合、強度J1は、トウプリプレグTPに含まれるエポキシ樹脂の質量と相関がある。強度J0は、トウプリプレグTPの強化繊維Fの質量と相関がある。このため、強度比J1/J0を取得することによって、含浸率を推定することができる。具体的には、強度比J1/J0と、他の手法で測定した含浸率との対応関係を、実験によって多数取得しておくことで、強度比J1/J0から含浸率を推定できるようになる。
含浸率を測定する他の手法は、所定長さのトウCFの質量と、このトウCFに塗布する樹脂Rとの質量を把握して、含浸を実施することで実現できる。この手法は、製造装置10を用いてもよいし、手作業などで実施してもよい。
S410では、強度比J1/J0の値が、適正範囲の下限値未満の含浸率を示しているか否かを判定する。
含浸率が適正範囲の下限値を下回っている場合(S410,YES)、制御装置90は、樹脂塗布装置102に制御信号を送信して、トウプリプレグTPの第2面TP2に樹脂Rを塗布する(S420)。そして、制御装置90は、樹脂塗布装置100,101を制御して、トウCFに樹脂Rを塗布する量を増やす(S430)。
一方、含浸率が適正範囲の下限値以上の場合(S410,NO)、制御装置90は、樹脂塗布装置102による樹脂Rの塗布を中断する(S440)。なお、S410でNOと判定した時点で、樹脂塗布装置102による塗布が中断されていた状態であった場合は、S440をスキップする。
続いて、制御装置90は、含浸率が上限値を上回っているかを推定する(S450)。この上限値とは、適正範囲の下限値よりも大きく、適正範囲の上限値よりも小さい値である。S450における判定基準として適正範囲の上限値を採用しないのは、適正範囲の上限値を上回ってしまうと、不良品になるからである。
これに対し、S410における判定基準として、適正範囲の下限値が採用されているのは、適正範囲の下限値を下回っても、樹脂塗布装置102を用いて含浸率を増大させることで、不良品になることを回避できるからである。
含浸率が上限値を上回っている場合(S450,YES)、制御装置90は、樹脂塗布装置100,101を制御して、トウCFに樹脂Rを塗布する量を減らす(S460)。
含浸率が上限値を上回っていない場合(S450,NO)、S410に戻る。S430又はS460を終えた後も、S410に戻る。
以上に説明した本実施形態は、レーザ光の照射を利用することによって、3つの効果を得ることできる点において優れている。1つ目の効果は、先述したように、第1面TP1の硬化をもたらすことによって、トウプリプレグTPが水分によって変性することを抑制できることである。
2つ目の効果は、先述したように、反射光のスペクトルを取得することによって、連続的に含浸率を把握できる点である。さらには、連続的に含浸量を把握することによって、含浸率が適正範囲に収まるように、樹脂塗布装置100,101,102を制御することができるようになる。
3つ目の効果は、フィラメントワインディングにおける生産性の向上である。先述したように、トウプリプレグTPは、高圧タンクの製造に用いられる。具体的には、トウプリプレグTPは、高圧タンクの構成要素であるライナの外周に対して巻き付けられた後、加熱工程によって硬化する。この巻き付けの工程は、周知のフィラメントワインディング法によって実現される。
ところで、トウプリプレグTPを構成する強化繊維Fは、欠損を含む場合がある。この欠損とは、強化繊維Fの途切れのことである。トウプリプレグTPは、多数の強化繊維Fが束ねられて構成され、且つ、上記のように硬化するので、多少の欠損が含まれていても強度上の問題は殆ど生じない。
但し、欠損がトウプリプレグTPの表面に存在すると、フィラメントワインディングに用いられる通糸ローラなどに引っ掛かることがある。このような引っ掛かりが生じると、生産性の低下につながる。
上記のように引っ掛かりが生じやすい通糸ローラ等に接触する部位を、第1面TP1にすることによって、引っ掛かりを抑制することができる。なぜなら、第1面TP1においては、強化繊維Fの欠損が生じていても、その欠損を、硬化した樹脂が埋め合わせているからである。
なお、上記2つ目および3つ目の効果は、他の形態として無水物系でないエポキシ樹脂を用いる場合にも得られる。
本開示は、本明細書の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。
10…製造装置
20…繰り出し装置
30…幅調整装置
31…ローラ
32…ローラ
33…ローラ
34…ローラ
40…樹脂含浸装置
50…熱風発生装置
60…幅調整装置
61…ローラ
62…ローラ
70…巻き取り装置
80…塗布ローラ
81…塗布ローラ
81s…ローラ面
82…塗布ローラ
90…制御装置
92…側壁
100…樹脂塗布装置
101…樹脂塗布装置
102…樹脂塗布装置
110…樹脂溜部
111…樹脂溜部
111a…側板
111b…背面板
111c…側板
111d…ブレード
111e…底板
112…樹脂溜部
116…ボールネジ
117…モータ
210…発光部
220…受光部
CF…トウ
F…強化繊維
G…ブレードギャップ
R…樹脂
S…照射範囲
TP…トウプリプレグ
TP1…第1面(特定面)
TP2…第2面

Claims (5)

  1. 無水物系のエポキシ樹脂を強化繊維に含浸させることによって、トウプリプレグを得る含浸工程と、
    前記トウプリプレグの特定面にレーザ光を照射することによって、前記特定面において前記エポキシ樹脂を硬化させる工程と、
    前記含浸工程によって得られた前記トウプリプレグにおける前記エポキシ樹脂の含浸率が予め定められた下限値を下回っているかを、前記レーザ光の反射光のスペクトルに基づき判定する工程と、
    前記エポキシ樹脂の含浸率が前記下限値を下回っている場合、前記トウプリプレグの前記特定面の裏面に前記エポキシ樹脂を塗布する工程と、
    を含むトウプリプレグの製造方法。
  2. 前記エポキシ樹脂の含浸率が予め定められた上限値を上回っているかを、前記レーザ光の反射光のスペクトルに基づき判定する工程を更に含み、
    前記エポキシ樹脂の含浸率が前記上限値を上回っている場合、前記含浸工程において、前記エポキシ樹脂の含浸量を減少させる
    請求項1に記載のトウプリプレグの製造方法。
  3. エポキシ樹脂を強化繊維に含浸させることによって、トウプリプレグを得る含浸工程と、
    前記トウプリプレグの特定面にレーザ光を照射する工程と、前記レーザ光の反射光のスペクトルは波長W0およびW1を含み、
    前記エポキシ樹脂の含浸率が予め定められた範囲内に収まっているかを、前記反射光のスペクトルに含まれる前記波長W1および前記波長W0のそれぞれの強度J1および強度J0の強度比J1/J0を用いて判定する工程と、を含み、前記強度J1はトウプリプレグのエポキシ樹脂の質量と相関を有し、前記強度J0はトウプリプレグの強化繊維の質量との相関を有する、
    トウプリプレグの検査方法。
  4. 前記エポキシ樹脂の含浸率が前記範囲の下限値を下回っている場合、前記トウプリプレグの前記特定面の裏面に前記エポキシ樹脂を塗布する工程を更に含む
    請求項に記載の検査方法。
  5. 前記エポキシ樹脂の含浸率が前記範囲の上限値を上回っている場合、前記含浸工程において、前記エポキシ樹脂の含浸量を減少させる
    請求項又は請求項に記載の検査方法。
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