JP6776849B2 - Manufacturing method and manufacturing equipment for carbon fiber reinforced plastic structure - Google Patents
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Description
本発明は、炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法及び製造装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
炭素繊維強化プラスチック構造体(CFRP:carbon fiber reinforced plastic)は、例えば、航空機、自動車用材料、及びスポーツ用品等の種々の分野で用いられている。 Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is used in various fields such as aircraft, automobile materials, and sports equipment.
CFRP構造体の一例として、内部に高圧のガス又は液体を貯蔵する高圧タンクが挙げられる。例えば、特許文献1では、燃料電池車両に搭載されるCFRP構造体としての高圧タンク(水素タンク)の製造方法が提案されている。特許文献1の製造方法では、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて、樹脂製等のライナーの外側に巻き付け、熱硬化性樹脂を硬化させることによって、当該ライナーの外側をCFRPで補強して水素タンクを製造する。 An example of a CFRP structure is a high-pressure tank that stores a high-pressure gas or liquid inside. For example, Patent Document 1 proposes a method for manufacturing a high-pressure tank (hydrogen tank) as a CFRP structure mounted on a fuel cell vehicle. In the manufacturing method of Patent Document 1, carbon fibers are impregnated with a thermosetting resin, wrapped around a liner made of resin or the like, and the thermosetting resin is cured to reinforce the outside of the liner with CFRP. Manufacture hydrogen tanks.
特許文献1では、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させるにあたり、複数の炭素繊維を所定密度で集合させてなる炭素繊維束(ロービング)をローラーの回転で引き出し繊維長方向に移動させながら、当該炭素繊維束に熱硬化樹脂を含浸させるいわゆるフィラメントワインディング法が行われている。 In Patent Document 1, when impregnating carbon fibers with a thermosetting resin, a carbon fiber bundle (roving) formed by assembling a plurality of carbon fibers at a predetermined density is pulled out by rotation of a roller and moved in the fiber length direction. A so-called filament winding method is performed in which a carbon fiber bundle is impregnated with a thermosetting resin.
上記フィラメントワインディング法において、CFRP構造体の強度を保つ上で、炭素繊維束を構成する各炭素繊維に適切に樹脂を含浸させることが重要であるが、上記特許文献1の等の従来の方法では炭素繊維束を移動させながら樹脂を含浸させるため、ローラーの送り速度や炭素繊維束の厚さ等の条件によっては必ずしも十分に樹脂を含浸させることができずに、製造されるCFRP構造体の強度に影響を与えることが考えられる。 In the filament winding method, in order to maintain the strength of the CFRP structure, it is important to appropriately impregnate each carbon fiber constituting the carbon fiber bundle with a resin, but in the conventional method such as Patent Document 1 described above, it is important. Since the resin is impregnated while moving the carbon fiber bundle, it is not always possible to sufficiently impregnate the resin depending on the conditions such as the feed rate of the roller and the thickness of the carbon fiber bundle, and the strength of the manufactured CFRP structure. It is possible to affect.
また、燃料電池車両に搭載されるCFRP構造体としての水素タンクなどおいては、内部に水素ガスを高圧状態で充填するので、その強度を可能な限り高くすることが望まれる。 Further, in a hydrogen tank or the like as a CFRP structure mounted on a fuel cell vehicle, hydrogen gas is filled inside in a high pressure state, so that it is desired to increase the strength as much as possible.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高い強度で炭素繊維強化プラスチック構造体を製造し得る製造方法及び製造装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus capable of manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure with higher strength.
本発明のある態様によれば、複数の単繊維からなる炭素繊維束を繊維長方向に搬送しながら樹脂を含浸させ、含浸させた樹脂を硬化させて成形する炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法が提供される。この製造方法は、炭素繊維束に対して開繊を実行する開繊工程と、開繊された炭素繊維束にプラズマ処理を施すプラズマ処理工程と、プラズマ処理された炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸工程と、を有する。そして、開繊工程における開繊後の前記炭素繊維束の幅である開繊幅を、炭素繊維束の搬送速度に応じて調節する。 According to an aspect of the present invention, a method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure in which a carbon fiber bundle composed of a plurality of single fibers is impregnated with a resin while being conveyed in the fiber length direction, and the impregnated resin is cured and molded. Is provided. In this production method, a fiber opening step of performing fiber opening on the carbon fiber bundle, a plasma treatment step of applying plasma treatment to the opened carbon fiber bundle, and impregnation of the plasma-treated carbon fiber bundle with resin. It has a resin impregnation step. Then, the opening width, which is the width of the carbon fiber bundle after opening in the fiber opening step, is adjusted according to the transport speed of the carbon fiber bundle.
本発明によれば、開繊及びその後のプラズマ処理を実行することで、より高い強度で炭素繊維強化プラスチック構造体を製造することができる。 According to the present invention, a carbon fiber reinforced plastic structure can be produced with higher strength by performing fiber opening and subsequent plasma treatment.
(第1実施形態)
以下、図面等を参照し、本発明の第1実施形態について説明する。なお、本実施形態では、CFRP構造体の一例である高圧タンクの製造方法について説明するが、本発明に係るCFRP構造体の製造方法は、高圧タンクの製造方法に限定されるものではない。
(First Embodiment)
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. In this embodiment, a method for manufacturing a high-pressure tank, which is an example of a CFRP structure, will be described, but the method for manufacturing a CFRP structure according to the present invention is not limited to the method for manufacturing a high-pressure tank.
図1は、本実施形態における高圧タンク製造装置の構成を説明する図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a high-pressure tank manufacturing apparatus according to the present embodiment.
図示のように、高圧タンク製造装置10は、ロービング12と、テンション調節装置14と、開繊装置16と、プラズマ処理装置18と、樹脂含浸装置20と、ライナー22と、コントローラ24と、を有する。
As shown in the figure, the high-pressure tank manufacturing apparatus 10 includes a roving 12, a
ロービング12は、炭素繊維束Cfbをボビンに巻回することで構成されている。炭素繊維束Cfbは、所定繊維径(例えば7μm程度)の単繊維Cfを多数(例えば1〜2万本以上)束ねて構成される。炭素繊維としては、例えばレーヨン系炭素繊維、ポリアクリルニトリル系炭素繊維、又はピッチ系炭素繊維等を用いることができる。
The
ロービング12は、転がり抵抗を任意に調節し得るブレーキローラ14aに支持され、炭素繊維束Cfbを搬送する方向(図の時計周り)に回転可能に構成されている。すなわち、本実施形態では、ブレーキローラ14aがテンション調節装置14の一部として機能している。
The
テンション調節装置14は、搬送する炭素繊維束Cfbの張力を調節する装置である。具体的に、テンション調節装置14は、ブレーキローラ14aと、複数のガイドローラ14bと、を有している。ブレーキローラ14aは、コントローラ24からの指令信号に基づいてその転がり抵抗(ブレーキ力)が調節可能に構成されており、当該転がり抵抗の調節で炭素繊維束Cfbに対する張力(以下では、単に「テンションF」とも記載する)を調節することができる。ガイドローラ14bは、炭素繊維束Cfbを開繊装置16へ搬送する方向にガイドする。
The
開繊装置16は、搬送中の炭素繊維束Cfbに空気を吹き付けるエアガン等の空気噴射部16aを有する。この空気の吹き付けにより、炭素繊維束Cfbを構成する単繊維C中に空気を通過させることで、炭素繊維束Cfbを所定幅に拡げて、炭素繊維束Cfbの厚みを薄くすることができる。
The fiber-spreading
図2は、開繊装置16による開繊前後の炭素繊維束Cfbの変化を説明する図である。なお、図2では、搬送方向と直交する方向の炭素繊維束Cfbの概略断面を示している。図に示す開繊装置16による開繊によって、炭素繊維束Cfbはその幅が広がり、厚さが減少する。例えば、開繊装置16による開繊によって、幅約10mmで厚さ約0.2mmの炭素繊維束Cfbが、幅30〜50mm、厚さ約0.05mmとなる。以下では、開繊装置16による開繊の後の炭素繊維束Cfbを「開繊幅Ow」と記載する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a change in the carbon fiber bundle Cfb before and after opening the fiber by the
すなわち、開繊装置16による開繊で炭素繊維束Cfbを構成する単繊維Cfの相互距離(以下では、「繊維間距離L」とも記載する)が、広がることとなる。
That is, the mutual distance (hereinafter, also referred to as "interfiber distance L") of the single fibers Cf constituting the carbon fiber bundle Cfb by opening the fibers by the
また、本実施形態では、開繊幅Owは、炭素繊維束Cfbの搬送速度V及び空気噴射部16aによる噴射空気の流速により調節することができる。特に、空気噴射部16aは、コントローラ24からの指令信号に基づいて、噴射空気の流速を任意に調節可能となるように構成されている。すなわち、コントローラ24は、開繊前の炭素繊維束Cfbを構成する単繊維Cfの本数、厚さ、幅、及び搬送速度V等の種々の条件に応じて、所望の開繊幅Owに応じた空気噴射部16aによる噴射空気の目標流速を演算し、これに応じて噴射空気の流速を制御することで、炭素繊維束Cfbの開繊幅Owを所望の開繊幅Owに調節することができる。
Further, in the present embodiment, the opening width Ow can be adjusted by the transport speed V of the carbon fiber bundle Cfb and the flow velocity of the injected air by the
なお、例えば炭素繊維束Cfbに効率的に所望の流速の空気を吹き付けることができるように、空気噴射部16aに対して炭素繊維束Cfbを挟んだ反対側から、コントローラ24の指令に応じて任意の吸引力で空気を吸引可能な吸気ポンプ等の空気吸引装置を配置しても良い。
It should be noted that, for example, in order to efficiently blow air at a desired flow velocity to the carbon fiber bundle Cfb from the opposite side of the carbon fiber bundle Cfb with respect to the
プラズマ処理装置18は、開繊された炭素繊維束Cfbにプラズマを照射する。
The
図3は、プラズマ処理装置18の構成を説明する図である。図示のように、プラズマ処理装置18は、複数(図では3つ)の放電電極26及び対向電極28と、それぞれの放電電極26及び対向電極28に設けられる交流電源25と、それぞれの放電電極26と対向電極28の間に窒素等の不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射部30と、を有している。
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the
図に示すプラズマ処理装置18では、交流電源25から放電電極26に高周波電圧を印加することで、当該放電電極26と接地側の対向電極28との間の空気に含まれる酸素やオゾン等の分子が電離したプラズマ(酸素プラズマ等)が発生する。
In the
そして、発生したプラズマは、不活性ガス噴射部30から噴射された不活性ガスにより複数の微細な貫通孔を有する微細孔部32を介してプラズマ噴射口34に誘導され、プラズマ噴射口34から炭素繊維束Cfbに照射される。
Then, the generated plasma is guided to the
プラズマ噴射口34は、炭素繊維束Cfbの幅方向に沿って所定幅(例えば25mm)に亘っている。以下では、このプラズマ噴射口34の炭素繊維束Cfbの幅方向に沿った幅を「プラズマ幅」とも記載する。
The
このプラズマ処理装置18では、酸素プラズマ(酸素ラジカル)が炭素繊維束Cfbに照射されることで、当該酸素ラジカルが炭素繊維束Cfbの表面の水素原子や炭素原子と結合して水酸基やアルデヒド基等の炭素由来の官能基を生成する。これにより、炭素繊維束Cfbの表面が改質されることとなる。
In this
このようにプラズマ照射によって炭素繊維束Cfbの物性が改質されることで、樹脂含浸装置20により含浸される樹脂との化学結合が促進される。結果として、樹脂硬化後の炭素繊維束Cfbの強度が向上する。
By modifying the physical properties of the carbon fiber bundle Cfb by plasma irradiation in this way, the chemical bond with the resin impregnated by the
また、プラズマ処理装置18によって炭素繊維束Cfbに照射するプラズマの強度(以下では、単に「プラズマ強度Cp」とも記載する)は、コントローラ24により制御される。具体的に、コントローラ24は、交流電源25から放電電極26に印加される電圧の大きさ及び周波数、及び不活性ガス噴射部30からの不活性ガスの流速等を制御することで、プラズマ強度Cpを任意に制御することができる。
Further, the intensity of the plasma (hereinafter, also simply referred to as “plasma intensity Cp”) irradiated to the carbon fiber bundle Cfb by the
樹脂含浸装置20は、プラズマ処理装置18によってプラズマ処理された炭素繊維束Cfbに熱硬化性樹脂を含浸させる装置である。
The
具体的に、樹脂含浸装置20は、樹脂容器40と、樹脂容器40内の樹脂溶液を炭素繊維束Cfbに接触させるメインローラ42と、メインローラ42に付着している樹脂を均一にする樹脂均し機43と、ガイドローラ44a,44bと、を有している。
Specifically, the
樹脂容器40は、炭素繊維束Cfbに含浸させるマトリックス樹脂の溶液が貯留されている。このマトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂である。なお、エポキシ樹脂としては、例えば、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリエチルアンモニウムテトラフェニルボレート等のテトラフェニルボロン類を有効成分とするエポキシ樹脂が用いられる。
The
メインローラ42は、一部分が樹脂容器40内の樹脂溶液に浸漬されるように配置され、炭素繊維束Cfbに接触しつつ炭素繊維束Cfbの搬送方向に沿って回転(図1では、時計回り)するように構成されている。
The
樹脂均し機43は、炭素繊維束Cfbとメインローラ42が接触する部分の上流で、メインローラ42の表面に接触するように構成されている。すなわち、樹脂均し機43は、メインローラ42が樹脂溶液に浸漬してその表面に付着した樹脂を、該メインローラ42が炭素繊維束Cfbに接触する前の段階で均一にさせる装置である。
The
ガイドローラ44a,44bは、メインローラ42と炭素繊維束Cfbが好適に接触するように、炭素繊維束Cfbの搬送方向にガイドするローラーである。
The
ライナー22は、炭素繊維束Cfbの搬送方向に沿って巻き取る方向(図1では、時計回り)に任意の回転速度で回転可能なシャフト23に支持され、当該シャフト23の回転に伴い回転する。したがって、シャフト23の回転でライナーの周囲に炭素繊維束Cfbを巻き付けることができ、高圧タンクの基本構造を得ることができる。
The
ライナー22は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂材料などで構成される。ライナー22を構成する熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ABS樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、及びフッ素樹脂等が挙げられる。また、ライナー22を構成する熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。
The
さらに、本実施形態では、シャフト23は、コントローラ24の指令信号に基づいてその回転速度が調節される。そして、シャフト23の回転により、炭素繊維束Cfbが搬送方向に駆動される。すなわち、シャフト23の回転速度が炭素繊維束Cfbの搬送速度Vに相当し、コントローラ24により搬送速度Vの調節が可能である。
Further, in the present embodiment, the rotation speed of the
コントローラ24は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたコンピュータ、特にマイクロコンピュータで構成される。
The
そして、コントローラ24は、上記CPU等の各ハードウェア要素によって、テンション調節装置14のブレーキローラ14aのブレーキ力(テンションF)、開繊装置16の空気噴射部16aからの空気の流速等(開繊幅Ow)、プラズマ処理装置18の交流電源25の電圧の大きさ及び周波数や不活性ガスの噴射流速(プラズマ強度Cp)、及びシャフト23の回転速度(搬送速度V)を制御することができるようにプログラムされている。
Then, the
上記各構成を有する高圧タンク製造装置10を用いた実行される高圧タンク製造方法の流れを説明する。 The flow of the high-pressure tank manufacturing method executed by using the high-pressure tank manufacturing apparatus 10 having each of the above configurations will be described.
図4は、本実施形態の高圧タンク製造方法の流れを説明するフローチャートである。なお、本実施形態では、コントローラ24により、搬送速度Vを予め固定値に設定する。
FIG. 4 is a flowchart illustrating a flow of the high-pressure tank manufacturing method of the present embodiment. In this embodiment, the transport speed V is set to a fixed value in advance by the
図示のように、ステップS101において、開繊装置16によって炭素繊維束Cfbに開繊工程を実行する。具体的に、コントローラ24は、搬送速度Vに応じた所望の開繊幅Owとなるように開繊装置16を制御して開繊を行う。なお、開繊幅Owは、プラズマ照射及び樹脂の含浸を適切に実行する観点から定められる。
As shown in the figure, in step S101, the fiber-spreading
ステップS102において、開繊された炭素繊維束Cfbにプラズマ処理を施すプラズマ処理工程を実行する。 In step S102, a plasma treatment step of applying plasma treatment to the opened carbon fiber bundle Cfb is executed.
ステップS103において、プラズマ処理された炭素繊維束Cfbに樹脂を含浸させる樹脂含浸工程を実行する。具体的には、上述のように、樹脂含浸装置20によって炭素繊維束Cfbに樹脂を含浸させる。
In step S103, a resin impregnation step of impregnating the plasma-treated carbon fiber bundle Cfb with the resin is performed. Specifically, as described above, the carbon fiber bundle Cfb is impregnated with the resin by the
ステップS104において、樹脂を含浸させた炭素繊維束Cfbをライナー22に巻き取り積層して、加熱処理等の所定の硬化処理を行う。これにより、ライナー22の周囲に補強層としての炭素繊維層が巻回されたCFRP構造体としての高圧タンクが成形される。
In step S104, the carbon fiber bundle Cfb impregnated with the resin is wound around the
したがって、本実施形態の高圧タンクの製造方法では、ステップS101の開繊工程で炭素繊維束Cfbを開繊することで、当該炭素繊維束Cfbを構成する複数の単繊維Cfの間の相互距離が広がり、且つ炭素繊維束Cfbの厚さも減少する。これにより、ステップS103の樹脂含浸工程において単繊維Cfの間に樹脂がより浸透しやすくなるため、各単繊維Cfに樹脂をより確実に含浸させることができる。したがって、樹脂の含浸が不十分であることに起因するボイドの発生等によって、完成品である高圧タンクの強度が低下することが抑制される。 Therefore, in the method for manufacturing a high-pressure tank of the present embodiment, by opening the carbon fiber bundle Cfb in the fiber opening step of step S101, the mutual distance between the plurality of single fibers Cf constituting the carbon fiber bundle Cfb is increased. It spreads and the thickness of the carbon fiber bundle Cfb is also reduced. This makes it easier for the resin to permeate between the single fibers Cf in the resin impregnation step of step S103, so that each single fiber Cf can be more reliably impregnated with the resin. Therefore, it is possible to prevent the strength of the high-pressure tank, which is a finished product, from being lowered due to the generation of voids due to insufficient impregnation of the resin.
また、ステップS102のプラズマ処理工程では、開繊によって単繊維Cfの間の相互距離が広がり、且つ炭素繊維束Cfbの厚さが減少した状態の炭素繊維束Cfbにプラズマ処理が行われる。これにより、プラズマ処理のプラズマ照射効率も高めることができる。これについてより具体的に説明する。 Further, in the plasma treatment step of step S102, plasma treatment is performed on the carbon fiber bundle Cfb in a state where the mutual distance between the single fibers Cf is widened by opening the fibers and the thickness of the carbon fiber bundle Cfb is reduced. As a result, the plasma irradiation efficiency of the plasma treatment can also be increased. This will be described more specifically.
図5Aは、未開繊の炭素繊維束に対するプラズマ照射の態様を説明する図である。また、図5Bは、開繊後の炭素繊維束に対するプラズマ照射の態様を説明する図である。 FIG. 5A is a diagram illustrating an mode of plasma irradiation on the unopened carbon fiber bundle. Further, FIG. 5B is a diagram illustrating an mode of plasma irradiation of the carbon fiber bundle after opening.
先ず、図5Aに示す未開繊の炭素繊維束Cfbは、単繊維Cfがまとまって断面略円形を構成するように密集している。 First, the unopened carbon fiber bundles Cfb shown in FIG. 5A are densely packed so that the single fibers Cf are grouped together to form a substantially circular cross section.
したがって、プラズマ処理で照射されるプラズマ(図の矢印で示す)は、当該円形の周にあたる表面部分、特にプラズマ噴射口34側の表面部分にあたる領域Aに存在する単繊維Cfには一定量は照射されるものの、他の部分では十分な照射量が確保されない。
Therefore, the plasma irradiated by the plasma treatment (indicated by the arrow in the figure) irradiates a certain amount of the single fiber Cf existing in the surface portion corresponding to the circumference of the circular circle, particularly the region A corresponding to the surface portion on the
特に、上記略円形の炭素繊維束Cfbの中心に近い部分に存在する単繊維Cfは、プラズマが炭素繊維束Cfbの表面部分の単繊維Cfに阻まれるため、十分な照射量を確保することがより難しい。 In particular, the single fiber Cf existing near the center of the substantially circular carbon fiber bundle Cfb can secure a sufficient irradiation amount because the plasma is blocked by the single fiber Cf on the surface portion of the carbon fiber bundle Cfb. More difficult.
一方で、図5Bに示す開繊後の炭素繊維束Cfbでは、未開繊の状態と比較して薄く幅広な形状となり、単繊維Cfの間の相互距離が広がり且つ厚さが減少している。したがって、開繊後の炭素繊維束Cfbは、照射されるプラズマ(図の矢印で示す)が、表面の単繊維Cfに十分に照射されつつも、表面の単繊維Cfの間を通過して、プラズマ噴射口34に対して反対側に存在する単繊維Cfにも十分に照射されることとなる。これにより、プラズマの照射効率が向上する。結果として、プラズマ処理の効率が向上することとなり、完成品である高圧タンクの強度を高めることができる。また、上述のように単繊維Cfの間の相互距離が広がることで、樹脂含浸装置20による樹脂の含浸も好適に実行することができる。
On the other hand, the carbon fiber bundle Cfb after opening shown in FIG. 5B has a thinner and wider shape as compared with the unopened state, and the mutual distance between the single fibers Cf is widened and the thickness is reduced. Therefore, in the carbon fiber bundle Cfb after opening, the irradiated plasma (indicated by the arrow in the figure) passes between the surface single fibers Cf while being sufficiently irradiated to the surface single fibers Cf. The single fiber Cf existing on the opposite side of the
したがって、本実施形態の高圧タンクの製造方法では、開繊工程における炭素繊維束Cfbの開繊で、炭素繊維束Cfbにより好適に樹脂を含浸させることができるとともに、その後のプラズマ処理のプラズマ照射効率も高めることができるので、得られる高圧タンクの強度の向上を図ることができる。 Therefore, in the method for manufacturing the high-pressure tank of the present embodiment, the carbon fiber bundle Cfb can be suitably impregnated with the resin by opening the carbon fiber bundle Cfb in the fiber opening step, and the plasma irradiation efficiency of the subsequent plasma treatment is achieved. Can also be increased, so that the strength of the obtained high-pressure tank can be improved.
さらに、本実施形態では、開繊によって炭素繊維束Cfbの厚さが減少していることによって、高圧タンクの補強層として要求される厚さを得るために、ライナー22に対する炭素繊維束Cfbの巻数が増大することとなる。すなわち、最終的に得られる高圧タンクにおいては、同じ厚さの補強層であっても、幅広で薄肉の炭素繊維束Cfbがライナー22に対してより多く巻回されている状態となる。これにより、例えば、高圧タンクの補強層にクラックを発生させ得る何らかの事象が生じた場合においても、当該クラックの進展を各炭素繊維束Cfbの境界でせき止めることができる。結果として、クラックが発生してもその長さを短く抑えることができるので、高圧タンクの強度の向上により一層資することとなる。
Further, in the present embodiment, since the thickness of the carbon fiber bundle Cfb is reduced by opening the fibers, the number of turns of the carbon fiber bundle Cfb with respect to the
以上説明した本実施形態における炭素繊維強化プラスチック構造体としての高圧タンクの製造方法によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the method for manufacturing a high-pressure tank as a carbon fiber reinforced plastic structure in the present embodiment described above, the following effects are obtained.
本実施形態によれば、複数の単繊維Cfからなる炭素繊維束Cfbを繊維長方向に搬送しながら樹脂を含浸させ、含浸させた樹脂を硬化させて成形する炭素繊維強化プラスチック構造体としての高圧タンクの製造方法が提供される。 According to the present embodiment, high pressure as a carbon fiber reinforced plastic structure formed by impregnating a resin while transporting a carbon fiber bundle Cfb composed of a plurality of single fibers Cf in the fiber length direction and curing the impregnated resin. A method of manufacturing the tank is provided.
この高圧タンクの製造方法は、炭素繊維束Cfbに対して開繊を実行する開繊工程(図4のステップS101)と、開繊された炭素繊維束Cfbにプラズマ処理を施すプラズマ処理工程(図4のステップS102)と、プラズマ処理された炭素繊維束Cfbに樹脂を含浸させる樹脂含浸工程(ステップS103)と、を有する。 The method for manufacturing this high-pressure tank includes a fiber-spreading step (step S101 in FIG. 4) for performing fiber opening on the carbon fiber bundle Cfb and a plasma processing step (FIG. 4) for plasma-treating the opened carbon fiber bundle Cfb. Step S102) of step 4 and a resin impregnation step (step S103) of impregnating the plasma-treated carbon fiber bundle Cfb with the resin.
これによれば、開繊工程で炭素繊維束Cfbを開繊することで、樹脂含浸工程における炭素繊維束Cfbへの樹脂の含浸をより好適に行うことができるとともに、その後のプラズマ処理におけるプラズマ照射効率も高めることができる。 According to this, by opening the carbon fiber bundle Cfb in the fiber opening step, it is possible to more preferably impregnate the carbon fiber bundle Cfb with the resin in the resin impregnation step, and plasma irradiation in the subsequent plasma treatment. Efficiency can also be increased.
したがって、樹脂の含浸が不十分であることに起因するボイドの発生等による高圧タンクの強度低下を抑制できるとともに、炭素繊維束Cfbを構成する各単繊維Cfにより確実にプラズマを照射することができる。結果として、得られる高圧タンクの強度をより向上させることができる。 Therefore, it is possible to suppress a decrease in the strength of the high-pressure tank due to the generation of voids due to insufficient impregnation of the resin, and it is possible to reliably irradiate plasma with each single fiber Cf constituting the carbon fiber bundle Cfb. .. As a result, the strength of the obtained high-pressure tank can be further improved.
さらに、本実施形態では、開繊によって炭素繊維束Cfbの厚さが減少していることによって、高圧タンクの補強層として要求される厚さを得るために、炭素繊維束Cfbの巻数が増大することとなる。すなわち、最終的に得られる高圧タンクにおいては、同じ厚さの炭素繊維層であっても、幅広で薄肉の炭素繊維束Cfbがより多く巻回されている状態となるので、当該高圧タンクの強度がより向上することとなる。 Further, in the present embodiment, the thickness of the carbon fiber bundle Cfb is reduced by the opening of the fiber, so that the number of turns of the carbon fiber bundle Cfb is increased in order to obtain the thickness required as the reinforcing layer of the high pressure tank. It will be. That is, in the finally obtained high-pressure tank, even if the carbon fiber layers have the same thickness, the wide and thin carbon fiber bundle Cfb is wound more, so that the strength of the high-pressure tank is increased. Will be improved further.
また、本実施形態の高圧タンクの製造方法は、複数の単繊維Cfからなる炭素繊維束Cfbを繊維長方向に搬送しながら樹脂を含浸させ、該樹脂含浸後に成形して高圧タンクを製造する高圧タンク製造装置10により実行される。 Further, in the method for manufacturing a high-pressure tank of the present embodiment, a high-pressure tank is manufactured by impregnating a resin while transporting a carbon fiber bundle Cfb composed of a plurality of single fibers Cf in the fiber length direction and molding after the resin impregnation. It is executed by the tank manufacturing apparatus 10.
この高圧タンク製造装置10は、搬送される炭素繊維束CfbのテンションFを調節する張力調節装置としてのテンション調節装置14と、炭素繊維束Cfbに対して開繊を実行する開繊装置16と、開繊された炭素繊維束Cfbにプラズマ処理を実行するプラズマ処理装置18と、プラズマ処理された炭素繊維束Cfbに樹脂を含浸させる樹脂含浸装置20と、炭素繊維束Cfbの搬送速度Vに応じて、テンション調節装置14、開繊装置16、プラズマ処理装置18、及び樹脂含浸装置20を制御するコントローラ24と、を有する。
The high-pressure tank manufacturing apparatus 10 includes a
これにより、この高圧タンク製造装置10により、テンションF、開繊幅Ow、及びプラズマ強度Cpを調節して炭素繊維束Cfbへのプラズマ照射量Pや樹脂含浸量Iを好適に制御しつつ、本実施形態の高圧タンクの製造方法を実行することができる。 As a result, the high-pressure tank manufacturing apparatus 10 adjusts the tension F, the opening width Ow, and the plasma intensity Cp to appropriately control the plasma irradiation amount P and the resin impregnation amount I on the carbon fiber bundle Cfb. The method of manufacturing a high pressure tank of the embodiment can be carried out.
したがって、例えば、高圧タンクの生産性を向上させるべく、搬送速度Vを相対的に高く設定したとしても、当該搬送速度Vに応じてプラズマ照射量P及び樹脂含浸量Iを適切に確保することができるので、一定水準の強度を有する高圧タンクを低コストに製造することができる。 Therefore, for example, even if the transport speed V is set relatively high in order to improve the productivity of the high-pressure tank, the plasma irradiation amount P and the resin impregnation amount I can be appropriately secured according to the transport speed V. Therefore, a high-pressure tank having a certain level of strength can be manufactured at low cost.
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described. The same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施形態では、コントローラ24は、搬送速度Vを設定(固定)し、当該搬送速度Vに対して、炭素繊維束Cfbに照射されるプラズマ照射量Pが一定となるように開繊幅Ow及びプラズマ強度Cpを制御する。
In the present embodiment, the
ここで、プラズマ照射量Pは、下記の式(1)により定められる。
ここで、繊維間距離Lは、幅方向において隣接する単繊維Cfの間の平均的な間隔を意味する。繊維間距離Lは、単繊維Cfの本数N、開繊後の炭素繊維束Cfbの厚さBb、及び幅(開繊幅Ow)から算出することができる。 Here, the interfiber distance L means an average distance between adjacent single fibers Cf in the width direction. The interfiber distance L can be calculated from the number N of single fibers Cf, the thickness Bb of the carbon fiber bundle Cfb after opening, and the width (opening width Ow).
繊維間距離Lは、例えば、炭素繊維束Cfbの厚さ方向において単繊維Cfは相互に接していて、当該厚さ方向における隣接する単繊維Cfの間の間隔をゼロと仮定すると、以下の式(2)により算出することができる。
また、式(1)のプラズマ照射時間tpは、搬送速度Vに基づいて求めることができる。すなわち、搬送速度Vに応じて、炭素繊維束Cfbがプラズマ処理装置18におけるプラズマ照射領域(プラズマ噴射口34のカバー領域)を通過する時間が定まるので、これをプラズマ照射時間tpとすることができる。したがって、搬送速度Vが大きくなるほど、プラズマ照射時間tpは短くなる。
Further, the plasma irradiation time tp of the formula (1) can be obtained based on the transport speed V. That is, since the time for the carbon fiber bundle Cfb to pass through the plasma irradiation region (cover region of the plasma injection port 34) in the
したがって、本実施形態では、コントローラ24は、上記式(1)及び式(2)により定まるプラズマ照射量Pが、予め定められる搬送速度Vに対して略一定値を取るように、開繊幅Ow、及びプラズマ強度Cpを調節する。
Therefore, in the present embodiment, the
より詳細には、コントローラ24は、予め定められる搬送速度Vに基づいて、プラズマ照射量Pが略一定値となるように、開繊幅Owの目標値(以下、「目標開繊幅Ow_t」とも記載する)とプラズマ強度Cpの目標値(以下、「目標プラズマ強度Cp_t」とも記載する)を定める。そして、コントローラ24は、開繊幅Ow及びプラズマ強度Cpが、それぞれ、目標開繊幅Ow_t及び目標プラズマ強度Cp_tに近づくように、プラズマ処理装置18及び樹脂含浸装置20を制御する。
More specifically, the
図6は、設定される搬送速度Vの大きさに対する開繊幅Ow、プラズマ強度Cp、及びプラズマ照射量Pの関係を示すグラフである。特に、図6(a)は開繊幅Owを表し、図6(b)はプラズマ強度Cpを表し、図6(c)はプラズマ照射量Pを表している。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the spread width Ow, the plasma intensity Cp, and the plasma irradiation amount P with respect to the set transport speed V. In particular, FIG. 6A shows the spread width Ow, FIG. 6B shows the plasma intensity Cp, and FIG. 6C shows the plasma irradiation amount P.
本実施形態の制御では、設定される搬送速度Vに応じて、2つの制御モードI及び制御モードIIが切り替えられる。コントローラ24は、制御モードIと制御モードIIの切り替えを、搬送速度Vと所定の閾値Vthとの大小関係を基準に実行する。
In the control of the present embodiment, the two control modes I and the control mode II are switched according to the set transfer speed V. The
なお、本実施形態において、閾値Vthは、制御モードIにおいてプラズマ照射量Pを一定にすべく搬送速度Vが大きくなるにつれて大きく設定される目標開繊幅Ow_tが、プラズマ処理装置18のプラズマ噴射口34の幅(プラズマを照射可能な幅)に相当する開繊幅上限値Owmaxに到達する際の搬送速度Vの値として定義される。
In the present embodiment, the threshold Vth is set larger as the transport speed V increases in order to keep the plasma irradiation amount P constant in the control mode I. The target fiber opening width Ow_t is set to the plasma injection port of the
したがって、コントローラ24は、搬送速度Vが閾値Vth未満である場合には、制御モードIの制御を実行し、搬送速度Vが閾値Vth以上である場合には、制御モードIIの制御モードを選択する。以下、制御モードI及び制御モードIIの詳細を説明する。
Therefore, the
(i)制御モードI
コントローラ24は、設定される搬送速度Vが大きいほど、目標開繊幅Ow_tを大きく定めて開繊幅Owを大きくする(図6(a)参照)。これは、既に説明したように搬送速度Vが大きいほどプラズマ照射時間tpが短くなるため、開繊幅Owを大きくして、炭素繊維束Cfbに対するプラズマの照射領域を広げプラズマ照射量Pを略一定に維持するためである(図6(c)参照)。なお、この場合、目標プラズマ強度Cp_tは略一定値に設定し、プラズマ強度Cpを略一定に保つ(図6(b)参照)。
(I) Control mode I
The
(ii)制御モードII
コントローラ24は、搬送速度Vの大きさにかかわらず目標開繊幅Ow_tを開繊幅上限値Owmaxとして演算する。すなわち、開繊幅Owを一定値の開繊幅上限値Owmaxに固定する(図6(a)参照)。
(Ii) Control mode II
The
ここで、制御モードIIでは、制御モードIのように設定される搬送速度Vが大きいほど開繊幅Owを大きくしてしまうと、開繊幅Owが開繊幅上限値Owmaxを超えることとなる。すなわち、開繊幅Owがプラズマ処理装置18のプラズマ噴射口34の幅を超えてしまうので、炭素繊維束Cfbがプラズマ照射可能領域を超えて幅方向に広がってしまう。
Here, in the control mode II, if the spread width Ow is increased as the transport speed V set as in the control mode I is larger, the spread width Ow exceeds the spread width upper limit value Owmax. .. That is, since the opening width Ow exceeds the width of the
したがって、本実施形態では、炭素繊維束Cfbの幅をプラズマ照射可能な幅の範囲内に収めるべく、制御モードIIにおいて、コントローラ24は、搬送速度Vの変化にかかわらず、開繊幅Owを開繊幅上限値Owmaxに固定する。
Therefore, in the present embodiment, in the control mode II, the
一方で、このように開繊幅Owを固定とすると、設定される搬送速度Vが大きくなるにしたがいプラズマ照射時間tpが減少してプラズマ照射量Pが減少してしまう。そこで、本実施形態では、この場合もプラズマ照射量Pを減少させることなく一定に保つべく、設定される搬送速度Vが大きいほどプラズマ強度Cpを大きくする(図6(b)参照)。 On the other hand, when the spread width Ow is fixed in this way, the plasma irradiation time tp decreases and the plasma irradiation amount P decreases as the set transport speed V increases. Therefore, in this embodiment as well, in order to keep the plasma irradiation amount P constant without decreasing it, the plasma intensity Cp is increased as the set transfer speed V is larger (see FIG. 6B).
以上説明した制御モードI及び制御モードIIにおける制御によって、搬送速度Vの大きさにかかわらず、プラズマ照射量Pを所望の一定値に調節することができる(図6(c)参照)。 By the control in the control mode I and the control mode II described above, the plasma irradiation amount P can be adjusted to a desired constant value regardless of the magnitude of the transport speed V (see FIG. 6C).
以上説明した本実施形態における炭素繊維強化プラスチック構造体としての高圧タンクの製造方法によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the method for manufacturing a high-pressure tank as a carbon fiber reinforced plastic structure in the present embodiment described above, the following effects are obtained.
本実施形態では、開繊工程における開繊後の炭素繊維束の幅である開繊幅Owを、炭素繊維束Cfbの搬送速度Vに応じて調節する。これにより、プラズマ処理工程におけるプラズマ照射時間が変化した場合であっても、これに合わせて開繊幅Owを調節することで、プラズマ照射量Pを適切に調節することができる。 In the present embodiment, the opening width Ow, which is the width of the carbon fiber bundle after opening in the fiber opening step, is adjusted according to the transport speed V of the carbon fiber bundle Cfb. As a result, even when the plasma irradiation time in the plasma processing step changes, the plasma irradiation amount P can be appropriately adjusted by adjusting the spread width Ow according to the change.
特に、本実施形態では、開繊幅Owを、搬送速度Vが大きいほど大きくする。これにより、搬送速度Vが相対的に大きく、プラズマ照射時間が相対的に短くなる場合であっても、炭素繊維束Cfbに対するプラズマ照射領域を広げることができる。結果として、搬送速度Vを相対的に大きくしても、所望のプラズマ照射量を確保することができる。 In particular, in the present embodiment, the opening width Ow is increased as the transport speed V is increased. As a result, even when the transport speed V is relatively large and the plasma irradiation time is relatively short, the plasma irradiation region for the carbon fiber bundle Cfb can be widened. As a result, the desired plasma irradiation amount can be secured even if the transport speed V is relatively increased.
また、本実施形態では、プラズマ処理工程において炭素繊維束Cfbに照射するプラズマの強度であるプラズマ強度Cpを、炭素繊維束Cfbの搬送速度Vに応じて調節する。これにより、搬送速度Vが相対的に大きく、プラズマ照射時間tpが相対的に短くなる場合であっても、プラズマ強度Cpを大きくして、プラズマ照射量Pを大きくすることができる(式(1)参照)。結果として、搬送速度Vを相対的に大きくしても、所望のプラズマ照射量Pを確保することができる。 Further, in the present embodiment, the plasma intensity Cp, which is the intensity of the plasma irradiated to the carbon fiber bundle Cfb in the plasma treatment step, is adjusted according to the transport speed V of the carbon fiber bundle Cfb. As a result, even when the transport speed V is relatively large and the plasma irradiation time tp is relatively short, the plasma intensity Cp can be increased and the plasma irradiation amount P can be increased (Equation (1). )reference). As a result, the desired plasma irradiation amount P can be secured even if the transport speed V is relatively increased.
より具体的には、プラズマ強度Cpを、搬送速度Vの大きさにかかわらず炭素繊維束Cfbに照射されるプラズマの量(プラズマ照射量P)が略一定に保たれるように調節する。すなわち、プラズマ強度Cpを制御してプラズマ照射量Pを搬送速度Vに依らない略一定値に調節することができる。 More specifically, the plasma intensity Cp is adjusted so that the amount of plasma (plasma irradiation amount P) irradiated to the carbon fiber bundle Cfb is kept substantially constant regardless of the magnitude of the transport speed V. That is, the plasma intensity Cp can be controlled to adjust the plasma irradiation amount P to a substantially constant value regardless of the transport speed V.
より具体的に、本実施形態では、炭素繊維束Cfbの搬送速度Vが所定の閾値Vth未満である場合には、搬送速度Vが大きいほど開繊幅Owを大きくし、炭素繊維束Cfbの搬送速度Vが閾値Vth以上である場合には、搬送速度Vが大きいほどプラズマ強度Cpを大きくする(図6(b)参照)。 More specifically, in the present embodiment, when the transport speed V of the carbon fiber bundle Cfb is less than a predetermined threshold value Vth, the larger the transport speed V, the larger the opening width Ow, and the transport of the carbon fiber bundle Cfb. When the velocity V is equal to or higher than the threshold value Vth, the plasma intensity Cp increases as the transport velocity V increases (see FIG. 6B).
したがって、搬送速度Vが閾値Vth未満、すなわち開繊幅Owが開繊幅上限値Owmax未満の場合(図6の制御モードI)は、設定される搬送速度Vが大きくなるほど開繊幅Owを大きくしてプラズマ照射領域を広げ、プラズマ強度Cpを変えることなく所望のプラズマ照射量Pを確保することができる(図6(c))。一方で、搬送速度Vが閾値Vth以上、すなわち開繊幅Owが開繊幅上限値Owmaxに到達している場合(図6の制御モードII)には、設定される搬送速度Vが大きいほどプラズマ強度Cpを大きくすることで(図6(b))、開繊幅Owを開繊幅上限値Owmaxに固定しつつも所望のプラズマ照射量Pを確保することができる(図6(c))。 Therefore, when the transport speed V is less than the threshold value Vth, that is, when the spread width Ow is less than the spread width upper limit value Owmax (control mode I in FIG. 6), the larger the set transport speed V, the larger the spread width Ow. Therefore, the plasma irradiation region can be widened, and a desired plasma irradiation amount P can be secured without changing the plasma intensity Cp (FIG. 6 (c)). On the other hand, when the transport speed V is equal to or higher than the threshold value Vth, that is, when the spread width Ow reaches the spread width upper limit value Owmax (control mode II in FIG. 6), the larger the set transport speed V, the more plasma By increasing the intensity Cp (FIG. 6 (b)), it is possible to secure the desired plasma irradiation amount P while fixing the spread width Ow to the upper limit value Owmax of the spread width (FIG. 6 (c)). ..
これにより、任意に設定される搬送速度Vに応じて、所望のプラズマ照射量Pをより確実に確保することができ、高強度の高圧タンクの製造により資することとなる。特に、プラズマ照射量Pを略一定に保つように開繊幅Ow及びプラズマ強度Cpを調節しているので、搬送されている炭素繊維束Cfbに均一にプラズマ処理を施すことができ、結果として、高圧タンクの強度にかかる製品バラツキ等を抑制してより安定した高品質の高圧タンクの製造を図ることができる。 As a result, the desired plasma irradiation amount P can be more reliably secured according to the transport speed V arbitrarily set, which contributes to the production of a high-intensity high-pressure tank. In particular, since the spread width Ow and the plasma intensity Cp are adjusted so that the plasma irradiation amount P is kept substantially constant, the conveyed carbon fiber bundle Cfb can be uniformly subjected to plasma treatment, and as a result, the plasma treatment can be performed uniformly. It is possible to suppress product variations on the strength of the high-pressure tank and to manufacture a more stable and high-quality high-pressure tank.
なお、本実施形態の閾値Vthは、開繊幅上限値Owmaxは、プラズマ処理におけるプラズマを照射可能な領域の大きさから定まる開繊幅Owの上限値(開繊幅上限値Owmax)に基づいて設定される。これにより、任意に設定される搬送速度Vに応じて、プラズマ照射が可能となる最大の大きさまで開繊幅Owを増加させることが許容されるので、開繊によるプラズマ照射領域の増大効果を最大限利用することができる。 The threshold value Vth of the present embodiment is based on the upper limit value of the opening width Ow (the upper limit value of the opening width Owmax) determined by the size of the region where plasma can be irradiated in the plasma treatment. Set. As a result, it is permissible to increase the spread width Ow to the maximum size at which plasma irradiation is possible according to the transport speed V arbitrarily set, so that the effect of increasing the plasma irradiation region by spread is maximized. It can be used for a limited time.
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について説明する。なお、第2実施形態と同様の要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Third Embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described. The same elements as those in the second embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施形態では、コントローラ24は、搬送速度Vを設定(固定)し、当該搬送速度Vに対して、炭素繊維束Cfbに照射されるプラズマ照射量P及び炭素繊維束Cfbに対する樹脂含浸量Iが一定となるように開繊幅Ow、プラズマ強度Cp、及びテンションFを制御する。
In the present embodiment, the
ここで、樹脂含浸量Iは、下記の式(3)により定められる。
ここで、樹脂接触時間tiは、炭素繊維束Cfbに樹脂含浸装置20のメインローラ42が接触する時間である。樹脂接触時間tiは、搬送速度Vに基づいて求めることができる。すなわち、搬送速度Vに応じて、メインローラ42が炭素繊維束Cfbに接触する時間が定まるので、これを樹脂接触時間tiとすることができる。搬送速度Vが大きくなるほど、樹脂接触時間tiは短くなる。
Here, the resin contact time ti is the time during which the
したがって、本実施形態では、コントローラ24は、第2実施形態において予め定められた搬送速度Vに応じてプラズマ照射量Pを一定とすべく調節された開繊幅Owに合わせて、適宜、テンションFを調節することによって樹脂含浸量Iが略一定となるように調節する。
Therefore, in the present embodiment, the
より詳細には、コントローラ24は、上記搬送速度Vに基づいて、樹脂含浸量Iが略一定となるように、テンションFの目標値(以下、「目標テンションF_t」とも記載する)を定める。そして、コントローラ24は、テンションFが目標テンションF_tに近づくように、テンション調節装置14を制御する。
More specifically, the
図7は、設定される搬送速度Vの大きさに対する開繊幅Ow、プラズマ強度Cp、プラズマ照射量P、テンションF、及び樹脂含浸量Iの関係を示すグラフである。特に、図7(a)は開繊幅Owを表し、図7(b)はプラズマ強度Cpを表し、図7(c)はプラズマ照射量Pを表し、図7(d)はテンションFを表し、図7(e)は樹脂含浸量Iを表している。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the spread width Ow, the plasma intensity Cp, the plasma irradiation amount P, the tension F, and the resin impregnation amount I with respect to the set transport speed V. In particular, FIG. 7 (a) represents the spread width Ow, FIG. 7 (b) represents the plasma intensity Cp, FIG. 7 (c) represents the plasma irradiation amount P, and FIG. 7 (d) represents the tension F. , FIG. 7 (e) shows the resin impregnation amount I.
図示のように、本実施形態でも第2実施形態と同様に、搬送速度Vが閾値Vth未満である場合には、制御モードIの制御を実行し、搬送速度Vが閾値Vth以上である場合には、制御モードIIの制御を実行する。以下、制御モードI及び制御モードIIの詳細を説明する。 As shown in the figure, similarly to the second embodiment, when the transfer speed V is less than the threshold value Vth, the control of the control mode I is executed, and when the transfer speed V is equal to or more than the threshold value Vth. Performs control of control mode II. The details of the control mode I and the control mode II will be described below.
(i)制御モードI
コントローラ24は、第2実施形態と同様にプラズマ照射量Pを略一定に維持する観点から、設定される搬送速度Vが大きいほど、目標開繊幅Ow_tを大きく定めて開繊幅Owを大きくする(図7(a)参照)とともに、目標プラズマ強度Cp_tは略一定値に設定して、プラズマ強度Cpを略一定に保つ(図7(b)参照)。
(I) Control mode I
From the viewpoint of maintaining the plasma irradiation amount P substantially constant in the
ここで、本実施形態では、設定される搬送速度Vが大きくなるにつれて、樹脂接触時間tiも短くなる。しかしながら、上述のようにプラズマ照射量Pを略一定に維持する観点から開繊幅Owを大きくしているので、樹脂含浸装置20のメインローラ42が接触する領域が広がる。したがって、樹脂接触時間tiが短くなっても、樹脂含浸量Iを略一定に保つことができる(図7(e)参照)。
Here, in the present embodiment, as the set transfer speed V increases, the resin contact time ti also decreases. However, since the fiber opening width Ow is increased from the viewpoint of maintaining the plasma irradiation amount P substantially constant as described above, the area in contact with the
すなわち、本実施形態では、プラズマ照射量Pを略一定に保つことを意図して搬送速度Vの増大に応じ開繊幅Owを大きくする制御によって、プラズマ照射量Pだけでなく、樹脂含浸量Iも略一定に保つことができる。なお、この場合、目標テンションF_tは略一定値に設定し、テンションFは一定に制御する(図7(b)参照)。 That is, in the present embodiment, not only the plasma irradiation amount P but also the resin impregnation amount I is controlled by increasing the opening width Ow according to the increase in the transport speed V with the intention of keeping the plasma irradiation amount P substantially constant. Can be kept almost constant. In this case, the target tension F_t is set to a substantially constant value, and the tension F is controlled to be constant (see FIG. 7B).
(ii)制御モードII
第2実施形態と同様に、コントローラ24は、搬送速度Vの変化にかかわらず、開繊幅Owを開繊幅上限値Owmaxに固定する(図7(a)参照)一方で、設定される搬送速度Vが大きいほどプラズマ強度Cpを大きくしてプラズマ照射量Pを所望の一定値に調節している(図7(c)参照)。
(Ii) Control mode II
Similar to the second embodiment, the
さらに、本実施形態では、搬送速度Vにかかわらず開繊幅Owを固定すると、設定される搬送速度Vが大きくなるにしたがい樹脂接触時間tiが短くなり樹脂含浸量Iが減少してしまう。そこで、本実施形態では、この場合も樹脂含浸量Iも減少させることなく一定に保つべく、設定される搬送速度Vが大きいほどテンションFを大きくする(図7(d))。 Further, in the present embodiment, if the spread width Ow is fixed regardless of the transport speed V, the resin contact time ti becomes shorter and the resin impregnation amount I decreases as the set transport speed V increases. Therefore, in this embodiment as well, in order to keep the resin impregnation amount I constant without reducing it, the tension F is increased as the set transport speed V is larger (FIG. 7 (d)).
以上説明した制御モードI及び制御モードIIにおける制御によって、搬送速度Vの大きさにかかわらず、プラズマ照射量P及び樹脂含浸量Iの双方を、それぞれの所定の一定値に調節することができる。 By the control in the control mode I and the control mode II described above, both the plasma irradiation amount P and the resin impregnation amount I can be adjusted to their respective predetermined constant values regardless of the magnitude of the transport speed V.
以上説明した本実施形態における炭素繊維強化プラスチック構造体としての高圧タンクの製造方法によれば、以下の作用効果を奏する。 According to the method for manufacturing a high-pressure tank as a carbon fiber reinforced plastic structure in the present embodiment described above, the following effects are obtained.
本実施形態では、搬送される炭素繊維束Cfbの張力(テンションF)を、搬送速度Vに応じて調節する。これにより、搬送速度Vが相対的に大きく、樹脂含浸工程における樹脂接触時間tiが相対的に短い場合であっても、テンションFを大きくして、樹脂含浸量Iを大きくすることができる(式(3)参照)。結果として、搬送速度Vを相対的に大きくしても、所望の樹脂含浸量Iを確保することができる。 In the present embodiment, the tension (tension F) of the carbon fiber bundle Cfb to be transported is adjusted according to the transport speed V. As a result, even when the transport speed V is relatively large and the resin contact time ti in the resin impregnation step is relatively short, the tension F can be increased and the resin impregnation amount I can be increased (formula). (See (3)). As a result, the desired resin impregnation amount I can be secured even if the transport speed V is relatively increased.
さらに、本実施形態においては、炭素繊維束Cfbの搬送速度Vが所定の閾値Vth未満である場合には、炭素繊維束CfbのテンションFを略一定に維持し(図7(d)の制御モードI)、搬送速度Vが閾値Vth以上である場合には、搬送速度Vが大きいほどテンションFを大きくする(図7(d)の制御モードII)。 Further, in the present embodiment, when the transport speed V of the carbon fiber bundle Cfb is less than a predetermined threshold value Vth, the tension F of the carbon fiber bundle Cfb is maintained substantially constant (control mode of FIG. 7D). I) When the transport speed V is equal to or higher than the threshold value Vth, the tension F is increased as the transport speed V is larger (control mode II in FIG. 7D).
したがって、本実施形態では、搬送速度Vが閾値Vth未満、すなわち開繊幅Owが開繊幅上限値Owmax未満の場合(図7の制御モードI)は、設定される搬送速度Vの大きさにかかわらず、炭素繊維束CfbのテンションFを略一定に維持する。一方、搬送速度Vが閾値Vth以上、すなわち開繊幅Owが開繊幅上限値Owmaxに到達している場合(図7の制御モードII)には、設定される搬送速度Vが大きいほどテンションFを大きくする(図7(d))。 Therefore, in the present embodiment, when the transport speed V is less than the threshold value Vth, that is, when the spread width Ow is less than the spread width upper limit value Owmax (control mode I in FIG. 7), the magnitude of the set transport speed V is set. Regardless, the tension F of the carbon fiber bundle Cfb is maintained substantially constant. On the other hand, when the transport speed V is equal to or higher than the threshold value Vth, that is, when the spread width Ow reaches the spread width upper limit value Owmax (control mode II in FIG. 7), the larger the set transport speed V, the more the tension F. Is increased (FIG. 7 (d)).
これにより、任意に設定される搬送速度Vに応じて、所望の樹脂含浸量Iをより確実に確保することができ、ボイド等の発生が抑制された高強度の高圧タンクの製造により資することとなる。特に、樹脂含浸量Iを略一定に保つようにテンションFを調節しているので、搬送されている炭素繊維束Cfbへの樹脂の含浸をより好適に実行することができ、結果として、高圧タンクの強度にかかる製品バラツキ等を抑制してより安定した高品質の高圧タンクの製造を図ることができる。 As a result, the desired resin impregnation amount I can be more reliably secured according to the transport speed V arbitrarily set, which contributes to the production of a high-strength high-pressure tank in which the generation of voids and the like is suppressed. Become. In particular, since the tension F is adjusted so as to keep the resin impregnation amount I substantially constant, it is possible to more preferably impregnate the conveyed carbon fiber bundle Cfb with the resin, and as a result, the high-pressure tank. It is possible to manufacture a more stable and high-quality high-pressure tank by suppressing product variations related to the strength of the resin.
さらに、本実施形態では、搬送速度Vが閾値Vth未満の場合(図7の制御モードI)には、プラズマ照射量Pを略一定に保つ観点から、搬送速度Vが大きくなるにつれて開繊幅Owが大きくなるように制御している(図7(a)参照)。したがって、この場合には、テンションFを一定に調節するだけで、テンションFに対する特別な制御を行うことなく、樹脂含浸量Iを略一定に維持することができる(図7(d)及び図7(e))。すなわち、本実施形態では、プラズマ照射量Pを略一定に保つ観点の開繊幅Owの制御によって、樹脂含浸量Iを略一定にする効果も得ることができる。 Further, in the present embodiment, when the transport speed V is less than the threshold value Vth (control mode I in FIG. 7), the fiber opening width Ow increases as the transport speed V increases from the viewpoint of keeping the plasma irradiation amount P substantially constant. Is controlled to be large (see FIG. 7A). Therefore, in this case, the resin impregnation amount I can be kept substantially constant by simply adjusting the tension F to be constant without performing special control on the tension F (FIGS. 7 (d) and 7). (E)). That is, in the present embodiment, the effect of making the resin impregnation amount I substantially constant can be obtained by controlling the fiber opening width Ow from the viewpoint of keeping the plasma irradiation amount P substantially constant.
一方で、搬送速度Vが閾値Vth以上である場合(図7の制御モードII)は、開繊幅Owが開繊幅上限値Owmaxに固定されているが(図7(a))、搬送速度Vが大きくなるにつれてテンションFを大きくすることによって、開繊幅Owが開繊幅上限値Owmaxに維持された状態であっても、樹脂含浸量Iを一定に保つことができる(図7(e))。 On the other hand, when the transport speed V is equal to or higher than the threshold value Vth (control mode II in FIG. 7), the spread width Ow is fixed to the spread width upper limit value Owmax (FIG. 7 (a)), but the transport speed By increasing the tension F as V increases, the resin impregnation amount I can be kept constant even when the spread width Ow is maintained at the spread width upper limit value Owmax (FIG. 7 (e). )).
なお、本発明は上述の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 It is clear that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made within the scope of its technical idea.
例えば、プラズマ処理装置18の対向電極28は、放電電極26に対して、プラズマ照射対象物である炭素繊維束Cfbを挟んで反対側に配置するようにしても良い。また、開繊についても、本実施形態の開繊装置16による空気の吹き付けに限られず、所定の開繊ローラーを用いた開繊等の他の種々の方法を採用しても良い。
For example, the
さらに、本実施形態における炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法では、単繊維Cfを断面略円形状に集合させた炭素繊維束Cfbを搬送させ、これにプラズマ処理や開繊を行うようにしている。しかしながら、単繊維Cfを断面略矩形状に集合させた炭素繊維束Cfbを搬送させて、プラズマ処理や開繊を行うようにしても良い。これにより、炭素繊維束Cfbの矩形を構成する平面部分に対して、プラズマを照射させるとともに樹脂を接触させることができるので、プラズマ照射効率や樹脂含浸の効率を向上させることができる。 Further, in the method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure in the present embodiment, a carbon fiber bundle Cfb in which single fibers Cf are assembled in a substantially circular cross section is conveyed, and plasma treatment or fiber opening is performed on the carbon fiber bundle Cfb. .. However, a carbon fiber bundle Cfb in which single fibers Cf are assembled in a substantially rectangular cross section may be conveyed to perform plasma treatment or fiber opening. As a result, the flat surface portion forming the rectangle of the carbon fiber bundle Cfb can be irradiated with plasma and brought into contact with the resin, so that the plasma irradiation efficiency and the resin impregnation efficiency can be improved.
また、搬送速度Vに応じたテンションF、開繊幅Ow、及びプラズマ強度Cpの調節は、上記第2実施形態や第3実施形態で説明した例に限定されるものではない。例えば、搬送速度Vが閾値Vth未満である制御モードIにおいて、プラズマ照射量Pを所望の値とすべく開繊幅Owを調節する構成に代えて、又はこれとともにプラズマ強度Cp自体を変化させるようにしても良い。 Further, the adjustment of the tension F, the spread width Ow, and the plasma intensity Cp according to the transport speed V is not limited to the examples described in the second embodiment and the third embodiment. For example, in the control mode I in which the transport speed V is less than the threshold value Vth, the plasma intensity Cp itself is changed in place of the configuration in which the spread width Ow is adjusted so that the plasma irradiation amount P is a desired value. You can do it.
さらに、第2実施形態及び第3実施形態の制御に代えて、例えば、テンションF、開繊幅Ow、及びプラズマ強度Cpの少なくとも何れか一つを固定値に設定し、コントローラ24によって搬送速度Vを調節することで、プラズマ照射量Pや樹脂含浸量Iを所望の値に制御しても良い。
Further, instead of the control of the second embodiment and the third embodiment, for example, at least one of the tension F, the spread width Ow, and the plasma intensity Cp is set to a fixed value, and the transfer speed V is set by the
また、本実施形態で説明したプラズマ照射量Pや樹脂含浸量Iを一定にする制御に限られず、状況に応じて、搬送速度Vの値に応じて変動するプラズマ照射量Pや樹脂含浸量Iの目標値を定め、当該変動する目標値にプラズマ照射量Pや樹脂含浸量Iを制御すべく、テンションF、開繊幅Ow、及びプラズマ強度Cpの少なくとも何れか1つを調節するようにしても良い。 Further, the control is not limited to the control that keeps the plasma irradiation amount P and the resin impregnation amount I described in the present embodiment constant, and the plasma irradiation amount P and the resin impregnation amount I that fluctuate according to the value of the transport speed V depending on the situation. In order to set the target value of the above and control the plasma irradiation amount P and the resin impregnation amount I to the fluctuating target value, at least one of the tension F, the spread width Ow, and the plasma intensity Cp is adjusted. Is also good.
また、第3実施形態では、第2実施形態の制御にしたがい所望のプラズマ照射量Pを得るべく調節される開繊幅Owをベースとして、樹脂含浸量Iを所望の値に調整すべくテンションFを調節した。しかしながら、逆に、樹脂含浸量Iを所望の値とすべく開繊幅Owを調節し、この調節された開繊幅Owをベースとして、所望のプラズマ照射量Pを得るべくプラズマ強度Cpを調節しても良い。 Further, in the third embodiment, the tension F is adjusted to adjust the resin impregnation amount I to a desired value based on the spread width Ow adjusted to obtain the desired plasma irradiation amount P according to the control of the second embodiment. Was adjusted. However, conversely, the spread width Ow is adjusted so that the resin impregnation amount I is a desired value, and the plasma intensity Cp is adjusted to obtain a desired plasma irradiation amount P based on the adjusted spread width Ow. You may.
さらに、上記第2実施形態及び第3実施形態では、搬送速度Vの閾値Vth(図6又は図7参照)を、開繊幅Owがプラズマ噴射口34の幅に相当する開繊幅上限値Owmaxに達するときの搬送速度Vとして定められている。しかしながら、他の基準で閾値Vthを定めても良い。例えば、上述のように、所望の樹脂含浸量Iを得るべく開繊幅Owを調節するようにして、開繊幅Owが樹脂含浸装置20において樹脂と接触することが可能である幅の上限(メインローラ42の幅等)に達するときの搬送速度Vを閾値Vthと定めても良い。
Further, in the second embodiment and the third embodiment, the threshold value Vth of the transport speed V (see FIG. 6 or 7) is set to the opening width upper limit value Owmax in which the opening width Ow corresponds to the width of the
また、上記第2実施形態及び第3実施形態では、開繊幅上限値Owmaxはプラズマ噴射口34の幅に相当する値としているが、炭素繊維束Cfbの全領域により確実にプラズマを照射する観点から、開繊幅上限値Owmaxをプラズマ噴射口34の幅よりも所定量小さく設定しても良い。
Further, in the second embodiment and the third embodiment, the opening width upper limit value Owmax is set to a value corresponding to the width of the
さらに、本発明の製造方法及び製造装置は、上記実施形態の高圧タンクの製造に限られず、航空機、自動車用材料、及びスポーツ用品等の他の種々の用途で用いられるCFRP構造体の製造に適用することができる。 Further, the manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention are not limited to the manufacturing of the high-pressure tank of the above embodiment, and are applied to the manufacturing of CFRP structures used in various other applications such as aircraft, automobile materials, and sports equipment. can do.
10 高圧タンク製造装置
12 ロービング
14 テンション調節装置
14a ブレーキローラ
14b ガイドローラ
16 開繊装置
16a 空気噴射部
18 プラズマ処理装置
20 樹脂含浸装置
22 巻き取りボビン
24 コントローラ
25 交流電源
26 放電電極
28 対向電極
30 不活性ガス噴射部
32 微細孔部
34 プラズマ噴射口
40 樹脂容器
42 メインローラ
43 樹脂均し機
44a,44b ガイドローラ
10 High-pressure
Claims (9)
前記炭素繊維束に対して開繊を実行する開繊工程と、
前記開繊された前記炭素繊維束にプラズマ処理を施すプラズマ処理工程と、
前記プラズマ処理された前記炭素繊維束に前記樹脂を含浸させる樹脂含浸工程と、
を有し、
前記開繊工程における開繊後の前記炭素繊維束の幅である開繊幅を、前記炭素繊維束の搬送速度に応じて調節する、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 A method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure, which is formed by impregnating a resin while transporting a carbon fiber bundle composed of a plurality of single fibers in the fiber length direction and curing the impregnated resin.
A fiber opening step of performing fiber opening on the carbon fiber bundle and
A plasma treatment step of applying plasma treatment to the opened carbon fiber bundle, and
A resin impregnation step of impregnating the plasma-treated carbon fiber bundle with the resin,
Have a,
The opening width, which is the width of the carbon fiber bundle after opening in the opening step, is adjusted according to the transport speed of the carbon fiber bundle.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
前記開繊幅を、前記炭素繊維束の搬送速度が大きいほど大きくする、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to claim 1 .
The opening width is increased as the transport speed of the carbon fiber bundle increases.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
前記プラズマ処理工程において前記炭素繊維束に照射するプラズマの強度であるプラズマ強度を、前記炭素繊維束の搬送速度に応じて調節する、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to claim 1 or 2 .
The plasma intensity, which is the intensity of the plasma irradiating the carbon fiber bundle in the plasma treatment step, is adjusted according to the transport speed of the carbon fiber bundle.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
前記プラズマ強度を、前記炭素繊維束の搬送速度の大きさにかかわらず前記炭素繊維束に照射されるプラズマ照射量が略一定に保たれるように調節する、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to claim 3 .
The plasma intensity is adjusted so that the amount of plasma irradiation applied to the carbon fiber bundle is kept substantially constant regardless of the magnitude of the transport speed of the carbon fiber bundle.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
前記炭素繊維束の搬送速度が所定の閾値未満である場合には、前記炭素繊維束の搬送速度が大きいほど前記開繊幅を大きくし、
前記炭素繊維束の搬送速度が前記閾値以上である場合には、前記炭素繊維束の搬送速度が大きいほど前記プラズマ強度を大きくする、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to claim 4 .
When the transport speed of the carbon fiber bundle is less than a predetermined threshold value, the larger the transport speed of the carbon fiber bundle, the larger the spread width.
When the transport speed of the carbon fiber bundle is equal to or higher than the threshold value, the higher the transport speed of the carbon fiber bundle, the higher the plasma intensity.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
前記閾値は、前記プラズマ処理におけるプラズマを照射可能な領域の大きさから定まる前記開繊幅の上限値に基づいて設定される、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to claim 5 .
The threshold value is set based on the upper limit value of the spread width determined from the size of the region where plasma can be irradiated in the plasma treatment.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
搬送される前記炭素繊維束の張力を、前記炭素繊維束の搬送速度に応じて調節する、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to any one of claims 2 to 6 .
The tension of the carbon fiber bundle to be transported is adjusted according to the transport speed of the carbon fiber bundle.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
前記炭素繊維束の搬送速度が所定の閾値未満である場合には、前記炭素繊維束の張力を略一定に維持し、
前記炭素繊維束の搬送速度が前記閾値以上である場合には、前記炭素繊維束の搬送速度が大きいほど前記炭素繊維束の張力を大きくする、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造方法。 The method for producing a carbon fiber reinforced plastic structure according to claim 7 .
When the transport speed of the carbon fiber bundle is less than a predetermined threshold value, the tension of the carbon fiber bundle is maintained substantially constant.
When the transport speed of the carbon fiber bundle is equal to or higher than the threshold value, the higher the transport speed of the carbon fiber bundle, the greater the tension of the carbon fiber bundle.
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic structure.
搬送される前記炭素繊維束の張力を調節する張力調節装置と、
前記炭素繊維束に対して開繊を実行する開繊装置と、
前記開繊された前記炭素繊維束にプラズマ処理を実行するプラズマ処理装置と、
前記プラズマ処理された前記炭素繊維束に前記樹脂を含浸させる樹脂含浸装置と、
前記炭素繊維束の搬送速度に応じて、前記張力調節装置、前記開繊装置、及び前記プラズマ処理装置を制御するコントローラと、
を有する、
炭素繊維強化プラスチック構造体の製造装置。 Manufacture of a carbon fiber reinforced plastic structure for producing a carbon fiber reinforced plastic structure formed by impregnating a resin while transporting a carbon fiber bundle composed of a plurality of single fibers in the fiber length direction and curing the impregnated resin. It ’s a device,
A tension adjusting device that adjusts the tension of the carbon fiber bundle to be transported, and
A fiber opening device that performs fiber opening on the carbon fiber bundle,
A plasma processing apparatus that executes plasma processing on the opened carbon fiber bundle, and
A resin impregnation device for impregnating the plasma-treated carbon fiber bundle with the resin,
A controller that controls the tension adjusting device, the fiber opening device, and the plasma processing device according to the transport speed of the carbon fiber bundle.
Have,
Manufacturing equipment for carbon fiber reinforced plastic structures.
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