JP6730347B2 - 繊維の幅調整装置、繊維の幅調整方法及び複合材成形方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、繊維の幅調整装置、繊維の幅調整方法及び複合材成形方法に関する。

従来、樹脂を繊維で強化した材料として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）等の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）が知られている。ＦＲＰは複合材とも呼ばれ、繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた状態で樹脂を加熱硬化することによって製作される。

より具体的には、複合材は、未硬化の熱硬化性樹脂を繊維に含浸させたシート状の素材であるプリプレグを積層して賦形し、賦形したプリプレグの積層体を加熱硬化することによって製作することができる。或いは、熱硬化性樹脂を含浸させる前のシート状の繊維を積層して賦形した後に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化するＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法も知られている。ＲＴＭ法のうち、真空引きを行って繊維に樹脂を含浸させる方法は、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれ、金型を利用して樹脂を含浸させる方法は、マッチドダイ（ｍａｔｃｈｅｄ−ｄｉｅ）ＲＴＭ法と呼ばれる。

ＲＴＭ法で複合材を製作する場合には、適切な幅と厚さを有するシート状の繊維を素材として製作することが必要となる。そこで、炭素繊維束やガラス繊維束等の強化繊維束を薄く均一に広げる技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

開繊は、０．００７ｍｍ程度の太さを有する繊維を１２，０００本から２４，０００本程度束ねることによって得られる繊維束を、ローラ等を用いて連続的に幅を広げながら薄くする作業である。近年では開繊によって得られるテープ状の繊維がドライテープ材という名称で販売されている。

また、シート状又は粉末状の熱可塑性バインダを付着させたドライテープ材も販売されている。このため、熱可塑性バインダを熱融着させることによってドライテープ材を仮留めしながら積層することができる。

国際公開第２０１０／１３７５２５号

しかしながら、開繊によって製作されるドライテープ材の幅と、ドライテープ材を構成する繊維の配向角及び間隔は均一となる。このため、繊維の配向角がラジアル方向となっている複合材、すなわち繊維強化方向が放射状となっている複合材を製作する場合には、複数のドライテープ材を隙間を空けてラジアル方向に配置するか、或いは逆に一部を重ねながら複数のドライテープ材を配置することが必要となる。

また、１枚のドライテープ材に含まれる繊維の向きは均一であるため、ドライテープ材の幅より狭い範囲では繊維の配向角をラジアル方向とすることができない。換言すれば、ドライテープ材が幅を有し、かつ繊維の配向角が一定である以上、繊維の向きには必ずラジアル方向に対する誤差が生じることになる。特に、開繊技術によって薄い目付のドライテープ材を製作することは可能であるが、厚さが薄く幅が広いドライテープ材しか製作することができない。このため、同じ繊維強化層内において繊維の配向角がラジアル方向となっている複合材を製作する場合には、繊維の配向角に生じる誤差が大きくなるという問題がある。

そこで本発明は、ＣＦＲＰやＧＦＲＰ等の複合材の素材として繊維の向き及び幅が変化するテープ状の繊維を製作できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る繊維の幅調整装置は、樹脂を含浸させた後又は樹脂を含浸させる前のシート状の繊維であって、繊維強化プラスチックの素材である前記シート状の繊維を挟み込んで前記シート状の繊維の厚さ方向に平行な回転軸を中心として回転し、前記シート状の繊維との間における摩擦力によって前記シート状の繊維を送り方向に送り出しながら前記厚さ方向及び前記送り方向に垂直な方向の成分を含む力を前記シート状の繊維に作用させることによって、前記繊維の幅が前記送り方向に向かって徐々に狭くなり、かつ前記繊維の配向角が放射状となる部分が生じるように前記シート状の繊維の幅とともに繊維の配向角を変化させる回転体を有するものである。

また、本発明の実施形態に係る繊維の幅調整方法は、上述した繊維の幅調整装置を用いて幅及び繊維の配向角が変化したシート状の繊維を製作するものである。

また、本発明の実施形態に係る繊維の幅調整方法は、樹脂を含浸させた後又は樹脂を含浸させる前のシート状の繊維であって、繊維強化プラスチックの素材である前記シート状の繊維を前記シート状の繊維の厚さ方向に平行な回転軸を中心として回転する回転体で挟み込むステップと、前記回転体を回転させ、前記回転体と前記シート状の繊維との間における摩擦力によって前記シート状の繊維を送り方向に送り出しながら前記厚さ方向及び前記送り方向に垂直な方向の成分を含む力を前記シート状の繊維に作用させることによって、幅が前記送り方向に向かって徐々に狭くなり、かつ前記繊維の配向角が放射状となった部分を含む前記シート状の繊維を製作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成形方法は、上述した繊維の幅調整方法で製作された前記シート状の繊維に含浸させた樹脂を加熱硬化することによって複合材を製作するものである。

また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述した繊維の幅調整方法で製作された前記シート状の繊維を積層するステップと、積層された前記シート状の繊維に含浸させた樹脂を加熱硬化することによって複合材を製作するステップとを有するものである。

本発明の第１の実施形態に係る繊維の幅調整装置の構成を示す斜視図。 図１に示す第１の回転体及び第２の回転体の上面図。 図２に示す第１の回転部材及び第２の回転部材の縁部分における拡大縦断面図。 図１に示す第１の回転体及び第２の回転体を回転させた状態を示す斜視図。 図１に示すドライテープ材にドライテープ材の幅方向における力のみを作用させてドライテープ材の幅を変化させる場合における問題点を説明する斜視図。 図２に示す第１の回転部材及び第２の回転部材の変形例を示す上面図。 （Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す第１の回転部材と、第２の回転部材の間における間隔を変化させることができるように弾性体を設けた例を示す第１の回転部材及び第２の回転部材の正面図。 （Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す第１の回転体及び第２の回転体を動力を利用せずに回転できるようにした例を示す斜視図。 図１に示す幅調整装置で製作されるドライテープ材を素材として成形することが可能な複合材の形状例を示す斜視図。 図９に示す複合材を製作するために繊維の配向角と幅が一定である従来のドライテープ材を用いた場合における問題点を説明する第１の上面図。 図９に示す複合材を製作するために繊維の配向角と幅が一定である従来のドライテープ材を用いた場合における問題点を説明する第２の上面図。 図１に示す幅調整装置で製作されたドライテープ材を用いて図９に示す複合材を成形する方法を説明する斜視図。 ＶａＲＴＭ法により図１２に示す治具に載置されたドライテープ材の積層体に樹脂を注入して加熱硬化することによって複合材を成形する方法を説明する横断面図。 マッチドダイＲＴＭ法により図１２に示す治具に載置されたドライテープ材の積層体に樹脂を注入して加熱硬化することによって複合材を成形する方法を説明する横断面図。 本発明の第２の実施形態に係る繊維の幅調整装置の構成を示す上面図。

本発明の実施形態に係る繊維の幅調整装置、繊維の幅調整方法及び複合材成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）
図１は本発明の第１の実施形態に係る繊維の幅調整装置の構成を示す斜視図である。

繊維の幅調整装置１は、予め開繊によってシート状に形成された繊維束の幅と繊維の配向角を調整する装置である。より具体的には、幅調整装置１は、シート状に形成された繊維束の幅と繊維の配向角を調整することによって、繊維の配向角が放射状となっており、繊維が広がる方向に向かって幅が広くなるテープ状の繊維を製作する装置である。

一方向に長いシート状の繊維、すなわちテープ状の繊維は、ドライテープ材Ｄと呼ばれる。ドライテープ材Ｄは、ＣＦＲＰやＧＦＲＰ等の複合材の素材として用いられる。ドライテープ材Ｄには、シート状、ネット状、不織布状又は粉末状の熱可塑性バインダを付着させたもの、粉末状又は液状の熱硬化性バインダを付着させたもの並びにバインダが付着されていないものが販売されているが、いずれを使用しても良い。

以降では、主として熱可塑性バインダを付着させたドライテープ材Ｄが幅調整装置１による幅の調整対象である場合を例に説明するが、熱硬化性バインダを付着させたドライテープ材Ｄやバインダが付着されていないドライテープ材Ｄを幅調整装置１による幅の調整対象としても良い。尚、熱硬化性バインダを付着させたドライテープ材Ｄを幅調整装置１による幅の調整対象とする場合には、幅調整装置１によって幅が調整された後に熱硬化性バインダを加熱装置で加熱硬化することによって、幅が調整されたドライテープ材Ｄを固定することができる。

幅調整装置１は、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを用いて構成することができる。第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂは、いずれもドライテープ材Ｄを挟み込んでドライテープ材Ｄの厚さ方向に平行な回転軸を中心として回転する回転体である。従って、第１の回転体２Ａは、ドライテープ材Ｄの上面に接触させて回転する第１の回転部材３Ａと、ドライテープ材Ｄの下面に接触させて回転する第２の回転部材４Ａとを有する。同様に第２の回転体２Ｂも、ドライテープ材Ｄの上面に接触させて回転する第１の回転部材３Ｂと、第１の回転部材３Ｂと離間配置され、ドライテープ材Ｄの下面に接触させて回転する第２の回転部材４Ｂとを有する。

すなわち、互いに離間配置された第１の回転体２Ａの第１の回転部材３Ａと第２の回転部材４Ａとの間にドライテープ材Ｄの一部が挟み込まれる。また、互いに離間配置された第２の回転体２Ｂの第１の回転部材３Ｂと第２の回転部材４Ｂとの間にドライテープ材Ｄの残りの部分が挟み込まれる。換言すれば、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂが、回転軸が平行となるように配置される。そして、平行に配置された第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの回転軸間において第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂでドライテープ材Ｄが挟み込まれる。

図１に示す例では、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂがそれぞれ一対の円盤状のローラ５で構成されている。すなわち、第１の回転体２Ａを構成する第１の回転部材３Ａと第２の回転部材４Ａが、回転中心が同一直線上である一対の円盤状のローラ５で構成されており、第２の回転体２Ｂを構成する第１の回転部材３Ｂと第２の回転部材４Ｂも、回転中心が同一直線上である一対の円盤状のローラ５で構成されている。そして、４つの円盤状のローラ５の端面側でドライテープ材Ｄが挟み込まれる構成となっている。

図２は図１に示す第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの上面図、図３は図２に示す第１の回転部材３Ａ及び第２の回転部材４Ａの縁部分における拡大縦断面図、図４は図１に示す第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させた状態を示す斜視図である。

図２に示すように第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂは、それぞれ円盤状のローラ５からなる２組の第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂで構成することができる。２組の第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂでドライテープ材Ｄの端部を挟み込み、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させると、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂとドライテープ材Ｄとの間における摩擦力によってドライテープ材Ｄの両側における縁部分にはドライテープ材Ｄの幅を狭める方向に力が作用する。一方、ドライテープ材Ｄの幅方向の中央部分にはドライテープ材Ｄの長さ方向に引っ張る張力が作用する。また、ドライテープ材Ｄの縁部分と、ドライテープ材Ｄの中央部分との間の部分では、ドライテープ材Ｄの幅を狭める方向における力成分と、ドライテープ材Ｄを長さ方向に引っ張る力成分を含む力が作用する。

このため、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させると、ドライテープ材Ｄの長さ方向を送り方向として送り出すことができる。そして、図４に示すようにドライテープ材Ｄを送り方向に送り出しながらドライテープ材Ｄの厚さ方向及びドライテープ材Ｄの送り方向の双方に垂直なドライテープ材Ｄの幅方向の成分を含む力をドライテープ材Ｄに作用させることによってドライテープ材Ｄの幅を変化させることができる。

尚、図２及び図３に例示されるように第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂをそれぞれ構成する円盤状のローラ５の表面に円環形状の凸部６を形成することができる。そうすると、ローラ５の端面全面ではなく凸部６の表面のみをドライテープ材Ｄに接触させることができる。すなわち、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂをそれぞれ凸部６を形成した円盤状のローラ５で構成し、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの各凸部６とドライテープ材Ｄとの間における摩擦力によってドライテープ材Ｄを送り方向に送り出しながら送り方向に垂直な方向の力をドライテープ材Ｄに作用させることができる。

このため、凸部６の表面の幅を調節することによって、適切な位置で適切な大きさの摩擦力がローラ５とドライテープ材Ｄとの間に生じるようにすることができる。そして、ローラ５の各凸部６とドライテープ材Ｄとの間における摩擦力によってドライテープ材Ｄを送り方向に送り出しながらドライテープ材Ｄの幅方向の成分を含む力をドライテープ材Ｄに作用させることができる。

ローラ５の表面に円環形状の凸部６を形成する場合、ドライテープ材Ｄの両サイドと接触する凸部６の位置Ａではドライテープ材Ｄの幅を狭くする方向、すなわちドライテープ材Ｄの長さ方向に垂直な幅方向における摩擦力の成分が最大となる。一方、円形の凸部６の、ドライテープ材Ｄの長さ方向と平行な接線との接点の位置Ｂではドライテープ材Ｄを送り出すための引張力のみが摩擦力としてドライテープ材Ｄに作用する。

ドライテープ材Ｄの中央部分には、引張力が作用しない部分を発生させないことが幅を変化させた後のドライテープ材Ｄの品質の向上に繋がる。換言すれば、ドライテープ材Ｄの中央部分における送り量を、両側における送り量よりも大きくすることが幅を変化させた後のドライテープ材Ｄの品質の向上に繋がる。

図５は図１に示すドライテープ材Ｄにドライテープ材Ｄの幅方向における力のみを作用させてドライテープ材Ｄの幅を変化させる場合における問題点を説明する斜視図である。

図５に示すように予め開繊されたドライテープ材Ｄの一端にドライテープ材Ｄの幅方向における力のみを作用させた場合、ドライテープ材Ｄの両側部分における繊維が傾斜又は湾曲するため、ドライテープ材Ｄの中央部分と両側部分との間において必要な繊維の長さに違いが生じる。しかしながら実際の繊維の長さは変化しないため、ドライテープ材Ｄの中央部分を構成する繊維に遊びが生じる。

このため、ドライテープ材Ｄの中央部分に遊びを発生させないためには、ドライテープ材Ｄに幅方向における力を作用させるのみならず、図１乃至図４に示すように第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂでドライテープ材Ｄを挟み込むことによって、ドライテープ材Ｄの中央部分をドライテープ材Ｄの長さ方向に引っ張る力を作用させることが重要である。これにより、ドライテープ材Ｄの幅を変化させつつドライテープ材Ｄの中央付近における繊維の遊びの発生を防止することができる。

ドライテープ材Ｄの中央部分に引張力を作用させるためには、図４に例示されるようにドライテープ材Ｄと接触させる円状の凸部６を各ローラ５の円周上に形成し、かつ第１の回転体２Ａの第１の回転部材３Ａを構成するローラ５と、第２の回転体２Ｂの第１の回転部材３Ｂを構成するローラ５とを互いに接触させて配置する一方、第１の回転体２Ａの第２の回転部材４Ａを構成するローラ５と、第２の回転体２Ｂの第２の回転部材４Ｂを構成するローラ５とを互いに接触させて配置することが望ましい。すなわち、互いに側面が接触する２つのローラ５の縁に凸部６を付けてローラ５の円周部分における凸部６のみをドライテープ材Ｄに接触させ、摩擦力によってローラ５を回転させることが望ましい。

また、凸部６を各ローラ５に形成しない場合においても、各ローラ５の端面がドライテープ材Ｄに接触することから、ドライテープ材Ｄの中央部分に引張力を作用させるために第１の回転体２Ａの第１の回転部材３Ａを構成するローラ５と、第２の回転体２Ｂの第１の回転部材３Ｂを構成するローラ５とを互いに接触させて配置する一方、第１の回転体２Ａの第２の回転部材４Ａを構成するローラ５と、第２の回転体２Ｂの第２の回転部材４Ｂを構成するローラ５とを互いに接触させて配置することが望ましい。

換言すれば、第１の回転体２Ａでドライテープ材Ｄの幅方向における中央部分までの半分を挟み込む一方、第２の回転体２Ｂでドライテープ材Ｄの幅方向における中央部分までの残りの半分を挟み込むことが幅を変化させた後のドライテープ材Ｄの品質向上に繋がる。

従って、各ローラ５の半径を、少なくとも挟み込む対象となるドライテープ材Ｄの幅の半分の長さ以上とすることが適切である。そうすると、第１の回転体２Ａの第１の回転部材３Ａと第２の回転部材４Ａに共通の第１の回転中心と、第２の回転体２Ｂの第１の回転部材３Ｂと第２の回転部材４Ｂに共通の第２の回転中心との間における距離を、ドライテープ材Ｄの幅以上にすることができる。そして、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂでドライテープ材Ｄの中央には張力を作用させる一方、ドライテープ材Ｄの両サイドにはドライテープ材Ｄの中央に向かうドライテープ材Ｄの幅方向の力成分を含む力を作用させることができる。

図６は図２に示す第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの変形例を示す上面図である。

第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂに凸部６を形成する場合、ドライテープ材Ｄと接触して力を作用させるのは凸部６となる。従って、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを、それぞれ円盤状のローラ５ではなく曲線状の凸部６を形成した一対の回転部材で構成しても良い。すなわち、円盤状でない第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂにそれぞれ曲線状の凸部６を形成することができる。そして、各凸部６とドライテープ材Ｄとの間における摩擦力によってドライテープ材Ｄを送り方向に送り出しながら送り方向に垂直な方向の力をドライテープ材Ｄに作用させることができる。

各凸部６の形状は、実際に試験を行って適切な形状に決定することができる。各凸部６の形状を円弧又は円弧の一部とすれば、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させても第１の回転体２Ａと第２の回転体２Ｂとの間において常に凸部６同士が接触し、ドライテープ材Ｄの中央部分に引張張力を作用させることができる。

一方、各凸部６の形状を放物線や楕円等の２次曲線或いはその他の曲線としても良い。すなわち、各凸部６の形状を円弧以外の曲線としても良い。その場合には、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させた場合においてドライテープ材Ｄの中央部分に引張張力を作用させることができるように第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの回転軸間の間隔を変えられるようにしても良い。

第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂで挟み込むことによってドライテープ材Ｄの幅を狭くすると、ドライテープ材Ｄの厚さが厚くなる。すなわち、ドライテープ材Ｄに幅方向の力と、送り方向における引張力を作用させても、繊維自体の太さと、繊維の間隔は変化しない。このため、ドライテープ材Ｄの両側における繊維がドライテープ材Ｄの幅方向に移動し、ドライテープ材Ｄの幅が狭くなる分だけ厚さが厚くなる。

そこで、第１の回転部材３Ａ、３Ｂと、第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間における間隔をドライテープ材Ｄの厚さに追従して変化させられるようにすることができる。

図７（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す第１の回転部材３Ａ、３Ｂと、第２の回転部材４Ａ、４Ｂの間における間隔を変化させることができるように弾性体２０を設けた例を示す第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの正面図である。

ドライテープ材Ｄの一端を２組の第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂで挟み込むと、図７（Ａ）に示すように第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間における間隔は、開繊されたドライテープ材Ｄの厚さとなる。

そして、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させると、図７（Ｂ）に示すようにドライテープ材Ｄの幅が狭くなる一方、厚さが僅かに厚くなる。そこで、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの少なくとも一方に、回転軸方向に伸縮するバネ等の弾性体２０を設けることができる。そうすると、ドライテープ材Ｄの厚さの変化に追従して第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間における間隔をドライテープ材Ｄの厚さに合わせることができる。

また、ドライテープ材Ｄの一端を第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間にセットしやすくするために、第１の回転部材３Ａ、３Ｂを退避位置に退避できるようにしても良い。具体的には、ドライテープ材Ｄの一端を第２の回転部材４Ａ、４Ｂの上に載置できるよう第１の回転部材３Ａ、３Ｂを上昇させ、ドライテープ材Ｄの一端を第２の回転部材４Ａ、４Ｂの上に載置した後は第１の回転部材３Ａ、３Ｂを下降させることによってドライテープ材Ｄの一端を第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間に挟み込むようにすることができる。第１の回転部材３Ａ、３Ｂを鉛直方向に移動させるための移動機構としては、例えば、ボールねじ、ラックアンドピニオン、シリンダ機構など、所望の機構を用いることができる。

尚、図示された例では、ドライテープ材Ｄの厚さ方向が鉛直方向となっており、第１の回転部材３Ａ、３Ｂがドライテープ材Ｄの上面に接触するように配置される一方、第２の回転部材４Ａ、４Ｂがドライテープ材Ｄの下面に接触するように配置されているが、ドライテープ材Ｄの厚さ方向が水平方向となるように第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂを配置してもよい。その場合には、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの回転軸が水平方向となる。

但し、図示されるように第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの回転軸が鉛直方向となるように第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂを配置すれば、ドライテープ材Ｄの一端を第２の回転部材４Ａ、４Ｂの上に載置できるので、ドライテープ材Ｄの落下を防止するためのガイド等が不要となる。

第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの回転は、モータ等の動力を備えた回転機構を用いて自動的に行っても良いし、手動で行うようにしても良い。第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂの回転速度は、摩擦力によってドライテープ材Ｄを送り方向に送り出すことが可能な速度に決定することが必要である。従って、第１の回転体２Ａと、第２の回転体２Ｂとを同じ回転速度で互いに逆方向に回転させることが必要となる。

そこで、単一のモータの出力軸にギアや動力伝達ベルト等を介して第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの各回転シャフトを連結し、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを等速で互いに逆回転させるようにしてもよい。もちろん、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂにそれぞれ個別にモータを連結してもよい。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを動力を利用せずに回転できるようにした例を示す斜視図である。

図８（Ａ）に示すように、ドライテープ材Ｄ側と逆側における第１の回転部材３Ａ、３Ｂの端面、すなわち第１の回転部材３Ａ、３Ｂの上面側に円筒状の部分３０を形成することができる。

そして、円筒状の部分３０の形状を、端面の位置が第１の回転部材３Ａ、３Ｂに向かって起伏する形状とすることができる。より具体的には、円筒状の部分３０の端面の形状を、第１の回転部材３Ａ、３Ｂから最も離れた位置から徐々に第１の回転部材３Ａ、３Ｂに向かって接近していく形状とすることができる。第１の回転部材３Ａ、３Ｂから最も離れた位置にある円筒状の部分３０の端面、すなわち円筒状の部分３０の最高点の数は１つであっても良いし複数であっても良い。図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、円筒状の部分３０の最高点の数は２つとなっている。

他方、第１の回転部材３Ａ、３Ｂに形成される円筒状の部分３０の端面とフィットする端面を有する円筒状の押し当て部材３１を準備することができる。そして、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ、円筒状の部分３０及び円筒状の押し当て部材３１に回転シャフト３２を隙間ばめの公差で回転可能に挿入することができる。

そうすると、図８（Ｂ）に示すように円筒状の押し当て部材３１を回転シャフト３２の長さ方向に沿ってスライドさせるのみで第１の回転部材３Ａ、３Ｂを回転させることができる。具体的には、円筒状の押し当て部材３１の端面と、第１の回転部材３Ａ、３Ｂに形成される円筒状の部分３０の端面が互いに第１の回転部材３Ａ、３Ｂの回転方向にシフトするように円筒状の押し当て部材３１の回転方向における位相を決定した後、円筒状の押し当て部材３１の端面を第１の回転部材３Ａ、３Ｂに形成される円筒状の部分３０の端面に押し当てると、第１の回転部材３Ａ、３Ｂに形成される円筒状の部分３０は、円筒状の部分３０の端面が押し当て部材３１の端面とフィットするように回転する。その結果、円筒状の部分３０と一体化した第１の回転部材３Ａ、３Ｂを回転させることができる。

尚、第２の回転部材４Ａ、４Ｂについても同様なメカニズムによって動力を用いることなく作業者の手動で回転させることができる。

ドライテープ材Ｄの一端を第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂで挟み込み、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させると、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂとドライテープ材Ｄとの間における摩擦力によって上述したように幅が変化したドライテープ材Ｄを製作することができる。すなわち、ドライテープ材Ｄを送り方向に送り出しながらドライテープ材Ｄの厚さ方向及び送り方向に垂直な方向の成分を含む力をドライテープ材Ｄに作用させることによって幅が変化したドライテープ材Ｄを製作することができる。

但し、第１の回転部材３Ａ、３Ｂと第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間における距離がドライテープ材Ｄの厚さに応じて大きくなったとしても変化の量は僅かである。従って、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの回転軸よりもドライテープ材Ｄの送り出し方向側に送り出された部分の両端には、第１の回転部材３Ａ、３Ｂ及び第２の回転部材４Ａ、４Ｂとの間における摩擦力によってドライテープ材Ｄを広げる力が作用する場合がある。その場合、ドライテープ材Ｄの送り出し方向における端部は広げられて再び薄くなる。

つまり、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを回転させることによって幅が変化したドライテープ材Ｄには、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂからドライテープ材Ｄの厚さ方向及び送り方向に垂直な方向の成分を含む力を受けることによって幅が狭くなった後に広がった部分が生じる場合がある。そのような場合には、幅が狭くなった後に広がったドライテープ材Ｄの部分を切断して廃棄することによって、端部に近いほど幅が狭いドライテープ材Ｄを製作することができる。また、このようにして製作されたドライテープ材Ｄを構成する繊維の配向角は放射状となる。

熱可塑性バインダを含む開繊後のドライテープ材Ｄを用いて幅が変化したドライテープ材Ｄを製作する場合には、図１及び図４に例示されるように第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂでドライテープ材Ｄを挟み込む前にドライテープ材Ｄを加熱装置３３で加熱することが、幅を変化させた後におけるドライテープ材Ｄの幅をできるだけ保持する観点から好ましい。すなわち、ドライテープ材Ｄに熱可塑性バインダが含まれている場合には、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの、ドライテープ材Ｄの送り方向における前方側に加熱装置３３を設置することが望ましい。

図１及び図４に示す例では、ドライテープ材Ｄの上面側と下面側の双方に平面で接触する加熱装置３３が配置されている。このため、ドライテープ材Ｄを両面から加熱することができるのみならず、ドライテープ材Ｄを加熱装置３３で挟み込んでガイドすることができる。

第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂと、加熱装置３３との間における距離を試験等によって適切に決定すれば、図４に例示されるように第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂから受けた力によって幅が変化したドライテープ材Ｄに含まれる熱可塑性バインダを加熱装置３３から瞬間的に与えられる熱で溶融させることができる。すなわち、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂで挟まれたドライテープ材Ｄの部分における幅が変化すれば、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂで挟まれていないドライテープ材Ｄの部分における幅も追従して変化する。このため、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの前方側に配置された加熱装置３３で、幅が変化したドライテープ材Ｄに含まれる熱可塑性バインダを溶融させることができる。

その後、幅が変化した後のドライテープ材Ｄを空冷して熱可塑性バインダを硬化させれば、ドライテープ材Ｄの幅を保持することができる。すなわち、調整された開繊度合を有するドライテープ材Ｄを熱可塑性バインダで固定することができる。

このような繊維の幅調整方法で製作されたドライテープ材Ｄを用いると、繊維の配向角が放射状となっている複合材を成形することが可能となる。

図９は図１に示す幅調整装置１で製作されるドライテープ材Ｄを素材として成形することが可能な複合材の形状例を示す斜視図である。

例えば図９に示すようにウェブ４０にフランジ４１を形成した形状を有する複合材４２において、ウェブ４０の形状が半径が大きい扇型から半径が小さい扇型を切り取った形状である場合には、繊維の配向角をラジアル方向とすることが好ましい場合がある。そのような場合には、繊維の配向角が放射状となっているドライテープ材Ｄを素材として複合材４２を製作することができる。

図１０は図９に示す複合材４２を製作するために繊維の配向角と幅が一定である従来のドライテープ材Ｄ０を用いた場合における問題点を説明する第１の上面図であり、図１１は図９に示す複合材４２を製作するために繊維の配向角と幅が一定である従来のドライテープ材Ｄ０を用いた場合における問題点を説明する第２の上面図である。

繊維の配向角と幅が一定である従来のドライテープ材Ｄ０を用いて半径が大きい扇型から半径が小さい扇型を切り取った形状を有するウェブ４０を製作するためには、図１０に示すように外側に隙間を空けてドライテープ材Ｄ０を配置するか、或いは、図１１に示すように内側を重複させて配置せざるを得ない。

図１０に示すように外側に隙間を空けてドライテープ材Ｄ０を配置すると、複合材４２の強度上における品質低下に繋がる。逆に、図１１に示すようにドライテープ材Ｄ０を重ねると、素材の無駄が生じる。しかも１枚のドライテープ材Ｄ０を構成する繊維の配向角はドライテープ材Ｄ０の長さ方向となっているため、実際に長さ方向がラジアルとなる繊維はごく一部となる。すなわち、繊維の配向角にはラジアル方向に対して必ず誤差が生じる。

図１２は図１に示す幅調整装置１で製作されたドライテープ材Ｄを用いて図９に示す複合材４２を成形する方法を説明する斜視図である。

図１に示す幅調整装置１で製作されたドライテープ材Ｄは、繊維の配向角が放射状となっており、かつ幅が一方の端部から他方の端部に向かって徐々に狭くなっている。従って、図９に示すウェブ４０にフランジ４１を形成した複合材４２にフィットする形状を有する治具５０に、隙間や重複を発生させることなくドライテープ材Ｄを敷きつめることができる。

しかも、ドライテープ材Ｄを構成する繊維の配向角をラジアル方向に合わせれば、繊維の配向角がラジアル方向となっている複合材４２を製作することができる。すなわち、繊維の配向角について誤差のない複合材４２を製作することができる。

ドライテープ材Ｄを素材として複合材４２を製作する場合には、図１２に例示されるような治具５０にドライテープ材Ｄが積層される。そして、ドライテープ材Ｄの積層体に熱硬化性樹脂を含浸させる工程が実施される。ドライテープ材Ｄの積層は作業者が手作業で行っても良いし、自動積層装置で行っても良い。また、ドライテープ材Ｄに熱可塑性バインダが含まれている場合には、加熱装置で熱可塑性バインダを溶着させることによってドライテープ材Ｄを仮留めしながら積層しても良い。

図１３はＶａＲＴＭ法により図１２に示す治具５０に載置されたドライテープ材Ｄの積層体に樹脂を注入して加熱硬化することによって複合材４２を成形する方法を説明する横断面図であり、図１４はマッチドダイＲＴＭ法により図１２に示す治具５０に載置されたドライテープ材Ｄの積層体に樹脂を注入して加熱硬化することによって複合材４２を成形する方法を説明する横断面図である。

ＶａＲＴＭ法で複合材４２を成形する場合には、図１３に示すように複合材４２の成形用の型となる治具５０の上に載置されているドライテープ材Ｄの積層体がバギングフィルム６０で覆われ、バギングフィルム６０の縁がシーラント６１で治具５０に貼着される。そして、バギングフィルム６０で密閉された領域が真空装置６２によって減圧される。すなわち、真空装置６２による真空引きによってドライテープ材Ｄの積層体がバギングされる。

一方、マッチドダイＲＴＭ法で複合材４２を成形する場合には、図１４に示すように複合材４２の成形用の下型となる治具５０と上型６３との間に形成される空間にドライテープ材Ｄの積層体が配置される。そして、治具５０と上型６３との間に形成される空間の真空引きが真空装置６２によって行われる。

真空引きが完了すると、図１３に示すようにバギングフィルム６０を用いてバギングする場合或いは図１４に示すように上型６３を用いる場合のいずれにおいても、樹脂注入装置６４から熱硬化性樹脂が注入される。すなわち、バギングフィルム６０で覆われた領域又は治具５０と上型６３との間における領域に樹脂注入装置６４から樹脂が注入される。これにより、ドライテープ材Ｄの積層体に樹脂を含浸させることができる。尚、複合材４２の形状に合わせて賦形された樹脂を含浸させる前におけるドライテープ材Ｄの積層体はドライプリフォームと呼ばれる。

また、必要に応じて樹脂に流動性が得られるように樹脂注入装置６４において樹脂が加熱される。また、樹脂が加熱された状態で注入される場合には、樹脂の温度が低下しないように、治具５０に加熱装置を内蔵して樹脂を加熱するようにしても良い。治具５０に加熱装置を内蔵する場合には、例えば、加熱蒸気、熱風又は熱水等の加熱流体を流す配管を治具５０に内蔵することができる。或いは、電気式のヒーターを治具５０に内蔵しても良い。また、図１４に示すように上型６３を用いる場合には上型６３に加熱装置を内蔵しても良い。

次に、ドライテープ材Ｄの積層体に含浸させた熱硬化性樹脂の加熱硬化が行われる。具体的には、図１３又は図１４に示すように加熱装置６５によって、樹脂が硬化する温度まで加熱される。これにより、樹脂が硬化し、成形後における複合材４２を製作することができる。すなわち、図９に例示されるようなウェブ４０とフランジ４１を有する複合材４２を成形することができる。

尚、上述した例では複合材４２を構成するマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂である場合について説明したが、マトリックス樹脂を熱可塑性樹脂としても良い。マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする複合材の公知の製法で複合材４２を製作することができる。

複合材４２の組成に限らず、形状についても上述した例に限らず所望の形状を有する複合材４２を製作対象とすることができる。すなわち、ウェブ４０とフランジ４１を有する複合材４２はもちろん、同様に繊維の配向角が放射状となっている複合材を成形する場合においても幅調整装置１で繊維の配向角と幅が調整されたドライテープ材Ｄを素材として用いることができる。また、テープ状の繊維に限らず、２方向の幅を有するシート状の繊維を対象として幅調整装置１で幅及び繊維の配向角を調整することもできる。

更に、樹脂を含浸させる前のテープ状又はシート状の繊維のみならず、樹脂を含浸させた後のテープ状又はシート状の繊維を対象として幅調整装置１で幅及び繊維の配向角を調整することもできる。樹脂を含浸させた後のシート状の繊維はプリプレグと呼ばれる。

プリプレグを複合材の素材とする場合には、複合材の成形治具にプリプレグを積層して賦形し、賦形後におけるプリプレグの積層体を加圧下において加熱硬化することによって複合材を成形することができる。プリプレグの積層体の加圧はバギングフィルムを用いたバギングや上型の使用によって行うことができる。

以上のような繊維の幅調整装置１、繊維の幅調整方法及び複合材成形方法は、シート状の繊維を第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂで挟み込んで回転させることによって、シート状の繊維の幅と配向角を調節できるようにしたものである。

（効果）
このため、繊維の幅調整装置１、繊維の幅調整方法及び複合材成形方法によれば、繊維の配向角が放射状となっているドライプリフォーム及び複合材を製作することが可能となる。特に、従来の開繊技術では一定厚のテープ状の繊維しか製作することができないが、所望の幅や厚さに変化するテープ状の繊維を製作することができる。

（第２の実施形態）
図１５は本発明の第２の実施形態に係る繊維の幅調整装置の構成を示す上面図である。

図１５に示された第２の実施形態における繊維の幅調整装置１Ａは、第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂを設ける代わりに、単一の回転体２とドライテープ材Ｄのガイド７０を設けた構成が第１の実施形態における繊維の幅調整装置１と相違する。第２の実施形態における繊維の幅調整装置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繊維の幅調整装置１と実質的に異ならないため回転体２とガイド７０の上面図のみ図示し、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。

幅調整装置１Ａは、壁面状のガイド７０に回転体２を接触又は近接させて構成することもできる。回転体２は、第１の実施形態と同様に、ドライテープ材Ｄを挟み込む第１の回転部材３と第２の回転部材４とを有する。このため、第１の回転部材３と第２の回転部材４が壁面状のガイド７０に接触又は近接させて配置される。そして、ドライテープ材Ｄは、回転体２の回転軸と、壁面状のガイド７０との間において、第１の回転部材３及び第２の回転部材４で挟み込まれる。

従って、壁面状のガイド７０でドライテープ材Ｄの一方の縁がガイドされる。そして、壁面状のガイド７０側におけるドライテープ材Ｄの縁には回転体２から張力が作用する。他方、壁面状のガイド７０から離れた側におけるドライテープ材Ｄの縁には、回転体２からドライテープ材Ｄの幅を狭める方向における力成分を含む力が作用する。このため、回転体２を回転させることによってドライテープ材Ｄの幅と繊維の配向角を変化させることができる。

以上の第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、第２の実施形態では回転体２の数が１つであるため、回転体２の制御や操作が容易となる。特に第２の実施形態では第１の実施形態のような第１の回転体２Ａ及び第２の回転体２Ｂの回転速度を一致させるためのメカニズムが不要となる。

（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。

１、１Ａ 繊維の幅調整装置
２ 回転体
２Ａ 第１の回転体
２Ｂ 第２の回転体
３、３Ａ、３Ｂ 第１の回転部材
４、４Ａ、４Ｂ 第２の回転部材
５ ローラ
６ 凸部
２０ 弾性体
３０ 円筒状の部分
３１ 押し当て部材
３２ 回転シャフト
３３ 加熱装置
４０ ウェブ
４１ フランジ
４２ 複合材
５０ 治具
６０ バギングフィルム
６１ シーラント
６２ 真空装置
６３ 上型
６４ 樹脂注入装置
６５ 加熱装置
７０ ガイド
Ａ、Ｂ 凸部の位置
Ｄ ドライテープ材
Ｄ０ 従来のドライテープ材

Claims (12)

1. 樹脂を含浸させた後又は樹脂を含浸させる前のシート状の繊維であって、繊維強化プラスチックの素材である前記シート状の繊維を挟み込んで前記シート状の繊維の厚さ方向に平行な回転軸を中心として回転し、前記シート状の繊維との間における摩擦力によって前記シート状の繊維を送り方向に送り出しながら前記厚さ方向及び前記送り方向に垂直な方向の成分を含む力を前記シート状の繊維に作用させることによって、前記繊維の幅が前記送り方向に向かって徐々に狭くなり、かつ前記繊維の配向角が放射状となる部分が生じるように前記シート状の繊維の幅とともに繊維の配向角を変化させる回転体を有する繊維の幅調整装置。
2. 前記回転体は、
   前記シート状の繊維の上面に接触させて回転する第１の回転部材と、
   前記第１の回転部材と離間配置され、前記シート状の繊維の下面に接触させて回転する第２の回転部材と、
   を有する請求項１記載の繊維の幅調整装置。
3. 前記第１の回転部材と、前記第２の回転部材との間における間隔を前記シート状の繊維の厚さに追従して変化させる弾性体を更に有する請求項２記載の繊維の幅調整装置。
4. ２つの前記回転体を回転軸が平行となるように配置し、平行に配置された前記回転軸間において前記２つの回転体で前記シート状の繊維を挟み込むようにした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の繊維の幅調整装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の繊維の幅調整装置を用いて幅及び繊維の配向角が変化したシート状の繊維を製作する繊維の幅調整方法。
6. 樹脂を含浸させた後又は樹脂を含浸させる前のシート状の繊維であって、繊維強化プラスチックの素材である前記シート状の繊維を前記シート状の繊維の厚さ方向に平行な回転軸を中心として回転する回転体で挟み込むステップと、
   前記回転体を回転させ、前記回転体と前記シート状の繊維との間における摩擦力によって前記シート状の繊維を送り方向に送り出しながら前記厚さ方向及び前記送り方向に垂直な方向の成分を含む力を前記シート状の繊維に作用させることによって、幅が前記送り方向に向かって徐々に狭くなり、かつ前記繊維の配向角が放射状となった部分を含む前記シート状の繊維を製作するステップと、
   を有する繊維の幅調整方法。
7. 前記シート状の繊維のうち、前記回転体から前記厚さ方向及び前記送り方向に垂直な方向の成分を含む力を受けることによって幅が狭くなった後に広がった部分を切断することによって端部に近いほど幅が狭い前記シート状の繊維を製作する請求項５又は６記載の繊維の幅調整方法。
8. 前記回転体をそれぞれ円形の凸部を形成した一対の円盤状のローラで構成し、前記ローラの各凸部と前記シート状の繊維との間における摩擦力によって前記シート状の繊維を前記送り方向に送り出しながら前記力を前記シート状の繊維に作用させる請求項５乃至７のいずれか１項に記載の繊維の幅調整方法。
9. 前記回転体をそれぞれ曲線に沿う凸部を形成した一対の回転部材で構成し、前記回転部材の各凸部と前記シート状の繊維との間における摩擦力によって前記シート状の繊維を前記送り方向に送り出しながら前記力を前記シート状の繊維に作用させる請求項５乃至７のいずれか１項に記載の繊維の幅調整方法。
10. 熱可塑性バインダを含むシート状の繊維を用い、前記回転体で前記シート状の繊維を挟み込む前に前記シート状の繊維を加熱装置で加熱する請求項５乃至９のいずれか１項に記載の繊維の幅調整方法。
11. 請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の繊維の幅調整方法で製作された前記シート状の繊維に含浸させた樹脂を加熱硬化することによって複合材を製作する複合材成形方法。
12. 請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の繊維の幅調整方法で製作された前記シート状の繊維を積層するステップと、
    積層された前記シート状の繊維に含浸させた樹脂を加熱硬化することによって複合材を製作するステップと、
    を有する複合材成形方法。

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