JP6895038B2 - Manufacturing method and manufacturing equipment for composite sheet materials - Google Patents
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Description
本発明は、炭素繊維、ガラス繊維などの繊維材料にエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などの樹脂材料を含浸または溶着させシート状となった複合シート材料を得る製造方法及び製造装置に関する。 The present invention relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus for obtaining a composite sheet material in the form of a sheet by impregnating or welding a fiber material such as carbon fiber or glass fiber with a resin material such as an epoxy resin, a polyamide resin or a polyether ether ketone resin. ..
従来から、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料は、金属材料に比べて軽量で比強度、比剛性に優れ、樹脂材料のみに比べて高弾性かつ高強度である。このため、航空・宇宙分野、自動車分野、土木・建築分野、運動器具分野等の幅広い分野で注目されている材料である。 Conventionally, a fiber-reinforced composite material using a thermosetting resin or a thermoplastic resin as a matrix resin is lighter than a metal material, has excellent specific strength and specific rigidity, and has higher elasticity and higher strength than a resin material alone. is there. Therefore, it is a material that is attracting attention in a wide range of fields such as aerospace field, automobile field, civil engineering / building field, and exercise equipment field.
繊維強化複合材料の成形品は、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維からなる繊維材料にマトリックスとなる樹脂材料を溶着させたシート状の複合シート材料を種々の方向に積層させた積層物に形成して、前記積層物を加熱加圧成形などの方法により繊維材料にマトリックスとなる樹脂材料を含浸させた所要形状の積層成形体として製造するものが多い。 A molded product of a fiber-reinforced composite material is formed into a laminate in which a sheet-shaped composite sheet material obtained by welding a resin material as a matrix to a fiber material made of reinforcing fibers such as carbon fiber and glass fiber is laminated in various directions. Then, in many cases, the laminate is manufactured as a laminate molded body having a required shape by impregnating the fiber material with a resin material serving as a matrix by a method such as heat and pressure molding.
複合シート材料は、繊維材料の補強方向、繊維材料の状態そしてマトリックスとなる樹脂材料の繊維材料内の空隙への浸透の程度を示す含浸状態などから大別される。繊維材料の補強方向から見た場合、一方向強化シート材料、織物強化シート材料そして多軸強化シート材料などに大別される。また、繊維材料の状態からは、連続繊維形態によるもの、短繊維形態によるものなどに大別される。そして、樹脂材料の繊維材料への含浸状態からは、樹脂材料が繊維材料内の空隙にほとんど浸透していない未含浸、樹脂材料が繊維材料内の空隙に一部浸透する半含浸、樹脂材料が繊維材料内の空隙を充填するように浸透する含浸などに大別される。 The composite sheet material is roughly classified according to the reinforcing direction of the fiber material, the state of the fiber material, and the impregnated state indicating the degree of penetration of the resin material serving as a matrix into the voids in the fiber material. When viewed from the reinforcing direction of the fiber material, it is roughly classified into a unidirectional reinforcing sheet material, a woven fabric reinforcing sheet material, and a multi-axis reinforcing sheet material. Further, the state of the fiber material is roughly classified into a continuous fiber form and a short fiber form. Then, from the impregnated state of the resin material into the fiber material, the resin material is not impregnated so as to hardly penetrate into the voids in the fiber material, the resin material is semi-impregnated into the voids in the fiber material, and the resin material is partially impregnated. It is roughly classified into impregnation that penetrates so as to fill the voids in the fiber material.
繊維材料にマトリックスとなる樹脂材料を付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を製造するときほとんどの場合、加熱加圧を行う。このとき、加熱加圧を行う部分に樹脂材料が付着し、連続加工ができなくなることを防止するため、繊維材料及び樹脂材料の被成形材料と加熱加圧を行う部材の間には離型シート材を設ける。しかし、前記離型シート材などのような副資材は高価であり、また、離型シート材の有限長さから、複合シート材料の得られる長さは離型シート材の長さに影響され、長尺の複合シート材料を得ることが難しいといった課題がある。 When a composite sheet material is produced by adhering, semi-impregnating or impregnating a resin material to be a matrix to a fiber material, heating and pressurizing is performed in most cases. At this time, in order to prevent the resin material from adhering to the portion to be heated and pressed and the continuous processing cannot be performed, a release sheet is placed between the material to be molded of the fiber material and the resin material and the member to be heated and pressed. Provide materials. However, auxiliary materials such as the release sheet material are expensive, and due to the finite length of the release sheet material, the obtained length of the composite sheet material is affected by the length of the release sheet material. There is a problem that it is difficult to obtain a long composite sheet material.
こうした課題に対処するために、特許文献1では、離型シート材の代わりに2本の搬送用ベルトが対となって、加熱加圧ロール、次いで冷却ロールの間を走行する機構となっている装置によって、2本の搬送用ベルト間に繊維材料及び樹脂材料の被成形材料を挟み、繊維材料中に樹脂材料を含浸または半含浸させながら、連続して複合シート材料を製造する方法が記載されている。前記装置では、離型シート材に代わりに搬送用ベルトを用いているため、製造される複合シート材料の長さに制限はなく、長尺の複合シート材料を製造することが可能となった。
In order to deal with such a problem, in
特許文献1では、離型シート材の代わりに搬送用ベルトを用いるが、装置構成として、搬送用ベルトの内側に加熱加圧ロール及び冷却ロールを挿入し設置しなければならない。搬送用ベルトの内側にロールを挿入し設置するには、全てのロールを一度取り外すなどの工程が必要となり、時間を要する作業となっている。
In
また、搬送用ベルトから複合シート材料が離れて次工程に進まなければならないため、搬送用ベルトと複合シート材料が接触する部分には離型処理を施す必要がある。加熱温度が300度程度までは、フッ素系の離型処理が施された搬送用ベルトが市場には流通しているが、加熱温度が300度以上、特に400度前後になると、その温度に適した離型処理を施された搬送用ベルトが流通しておらず得ることが難しいといった課題がある。 Further, since the composite sheet material must be separated from the transport belt and proceed to the next process, it is necessary to perform a mold release process on the portion where the transport belt and the composite sheet material come into contact with each other. Fluorine-based demolding treatment belts are available on the market up to a heating temperature of about 300 degrees, but when the heating temperature is 300 degrees or higher, especially around 400 degrees, it is suitable for that temperature. There is a problem that it is difficult to obtain a transport belt that has been subjected to a mold release process because it is not distributed.
そこで、本発明は、離型シート材や搬送用ベルトなどの副資材を使用せず、繊維材料に樹脂材料を付着、半含浸または含浸させた長尺のシート状となった複合シート材料を得る製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention obtains a long sheet-like composite sheet material in which a resin material is attached to a fiber material, semi-impregnated or impregnated, without using an auxiliary material such as a release sheet material or a transport belt. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus.
本発明に係る複合シート材料の製造方法は、繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を成形する複合シート材料の製造方法において、成形領域において間隔を空けて配置された複数の加熱領域の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定し、前記冷却状態で前記加熱領域において前記被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を溶融させ、前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させる。さらに、前記被成形材料に対して前記成形領域を相対移動させ、前記被成形材料の相対移動に合わせて前記加熱領域で順次加熱加圧して前記被成形材料を成形処理する。さらに、前記加熱領域の周囲を前記冷却状態に設定する冷却処理部を前記被成形材料に接近又は接触もしくは接触後加圧させて冷却し、前記加熱領域を加熱加圧する加熱処理部を前記被成形材料に接触もしくは接触後加圧させて前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させ、前記加熱処理部を前記被成形材料から離間させた後前記冷却処理部を前記被成形材料から離間させる。さらに、前記成形領域を複数配置する。さらに、複数配置された前記成形領域のそれぞれの前記加熱領域において加圧力を調整して加熱加圧する。 In the method for producing a composite sheet material according to the present invention, a composite sheet material is formed by heating and pressurizing a material to be molded composed of a fiber material and a resin material to attach, semi-impregnate or impregnate the resin material to the fiber material. In the method for producing a sheet material, the periphery of a plurality of heating regions arranged at intervals in the molding region is set to a cooling state in which the temperature is lower than the melting temperature of the resin material, and the covering in the heating region in the cooling state. The molding material is heated and pressed to melt the resin material, and the resin material is attached to, semi-impregnated or impregnated with the fiber material. Further, the molding region is relatively moved with respect to the material to be molded, and the material to be molded is molded by sequentially heating and pressurizing the heating region in accordance with the relative movement of the material to be molded. Further, the heat treatment unit that sets the periphery of the heating region to the cooling state is cooled by approaching, contacting, or after contacting the material to be molded with pressure, and the heat treatment unit that heats and pressurizes the heating region is to be molded. The resin material is attached to, semi-impregnated or impregnated with the fiber material by contacting or after contacting the material, and after separating the heat-treated part from the material to be molded, the cooling-treated part is separated from the material to be molded. Separate. Further, a plurality of the molding regions are arranged. Further, the pressing force is adjusted in each of the heating regions of the plurality of molded regions to be heated and pressurized.
本発明に係る複合シート材料の製造装置は、繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を溶融させる加熱処理部を備え、溶融した前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を成形する複合シート材料の製造装置において、前記加熱処理部は、所定の間隔を空けて配置された複数の加熱体を備えており、前記加熱体の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定する冷却処理部と、前記加熱処理部及び前記冷却処理部を前記被成形材料の表面に対して接近又は離間する方向に移動させる動作処理部とを備えている。さらに、前記動作処理部は、前記冷却処理部を前記被成形材料の表面に接近又は接触もしくは接触後加圧させて表面を冷却状態に設定するとともに冷却状態に設定された前記被成形材料の表面に前記加熱処理部を接触させて加熱加圧するように設定する。さらに、前記被成形材料に対して少なくとも前記加熱処理部及び前記冷却処理部を相対移動させる移動部を備えている。さらに、前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が丸形状に形成されており、前記加熱面の面積が1000mm2以下である。さらに、前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が角形状に形成されており、前記加熱面の面積が1000mm2以下である。さらに、前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が細長形状に形成されており、前記加熱面の長辺長さが短辺長さの2倍以上で、かつ短辺長さが30mm以下である。 The apparatus for producing a composite sheet material according to the present invention includes a heat treatment unit that heats and pressurizes a material to be molded, which is composed of a fiber material and a resin material, to melt the resin material, and attaches the melted resin material to the fiber material. In a composite sheet material manufacturing apparatus for semi-impregnating or impregnating to form a composite sheet material, the heat treatment unit includes a plurality of heating bodies arranged at predetermined intervals, and is provided around the heating body. A cooling treatment unit that sets the temperature to a cooling state lower than the melting temperature of the resin material, and an operation process of moving the heat treatment unit and the cooling treatment unit in a direction approaching or separating from the surface of the material to be molded. It has a department. Further, the operation processing unit sets the surface to a cooled state by approaching, contacting, or after contacting the surface of the material to be molded with the cooling processing unit to set the surface in a cooled state, and the surface of the material to be molded is set to a cooled state. Is set to be brought into contact with the heat treatment unit to heat and pressurize. Further, it is provided with a moving portion that moves at least the heat treatment portion and the cooling treatment portion relative to the material to be molded. Further, in the heating body, the heating surface in contact with the material to be molded is formed in a round shape, and the area of the heating surface is 1000 mm 2 or less. Further, in the heating body, the heating surface in contact with the material to be molded is formed in a square shape, and the area of the heating surface is 1000 mm 2 or less. Further, in the heating body, the heating surface in contact with the material to be molded is formed in an elongated shape, the long side length of the heating surface is more than twice the short side length, and the short side length is 30 mm. It is as follows.
本発明は、上記の構成を備えているので、離型シート材や搬送用ベルトなどの副資材を使用せず、繊維材料に樹脂材料を付着、半含浸または含浸させた長尺のシート状となった複合シート材料を得ることが可能となる。 Since the present invention has the above-mentioned structure, it can be formed as a long sheet in which a resin material is attached, semi-impregnated or impregnated with a fiber material without using an auxiliary material such as a release sheet material or a transport belt. It becomes possible to obtain the resulting composite sheet material.
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. Since the embodiments described below are preferable specific examples for carrying out the present invention, various technical restrictions are made, but the present invention clearly states that the invention is particularly limited in the following description. Unless otherwise specified, it is not limited to these forms.
図1は、本発明に係る複合シート材料の製造装置に関する概略側面図である。本発明の複合シート材料の製造装置1は少なくとも加熱処理部2、冷却処理部3、動作処理部4から構成される。
FIG. 1 is a schematic side view of an apparatus for manufacturing a composite sheet material according to the present invention. The composite sheet
図1の複合シート材料の製造装置1において、加熱処理部2は複数の加熱体21から構成されている。加熱体21は棒状のものであり、その断面形状は丸状、四角状などである。図1では、断面形状が丸状を採用している。そして、それぞれの加熱体21には、図示されていないが、ヒータと温度センサーがセットされ、ある定まった温度になるように制御されている。加熱温度の制御は、加熱体それぞれにヒータとセンサーを組み込み制御しても良いし、ある加熱体のみにセンサーを組み込み複数本を一括して制御してもよい。個々の制御方法は、精度の良い加熱が行えるが、装置コストが高くなる。一括の制御方法は、加熱温度にバラツキを生じる可能性があるが、装置コストが抑えられる。加熱温度は、樹脂材料が溶融する温度、または、加熱加圧したときに樹脂の粘度が下がり、樹脂材料が繊維材料に付着、半含浸または含浸できる状態になる温度に設定されていれば良い。加熱温度の目安としては樹脂のガラス転移温度(Tg)もしくは融点(Tm)の上下温度になる。
In the composite sheet
冷却処理部3は、一つの冷却体31から構成されている。板状の冷却体31に、加熱体21が通過できる通し穴を開けている。そして、冷却体31を冷却する方法として冷却用パイプ32を貫通させ、冷却エアー、または冷却水、または冷却オイルなどが循環できるようになっている。冷却温度は、樹脂材料が溶融しない温度、または、加熱加圧したときに冷却体31に樹脂材料が付着しない状態になる温度に設定されていれば良い。冷却温度としては樹脂のガラス転移温度(Tg)以下になるのが好ましい。冷却温度は循環するエアー、水、オイルの温度をセンサーなどで測定し、設定された温度に制御するようにすれば良い。なお、図1では一つの冷却体31によって、それぞれの加熱領域(加熱体21)の周囲が冷却状体に設定できるようにしているが、一つの加熱体21に一つの冷却体31を配置して制御することも可能である。
The cooling processing unit 3 is composed of one
動作処理部4は、加熱処理部2と冷却処理部3を昇
降させる機構である。加熱処理部2と冷却処理部3を昇降させるための加圧用シリンダー41、加圧用シリンダーの動作を正確に伝える加圧用ロッド42、加圧用シリンダー41を固定する固定板43、加熱処理部2と冷却処理部3の昇降する動作をスムースに精度良く行うためのガイド棒44、加熱処理部2と冷却処理部3を固定し、加圧用シリンダー41の動きを伝達する加圧板45、加圧板45の動きをそれぞれの加熱体21及び冷却体31に伝達するバネ46、そして、加熱処理部2及び冷却処理部3の加圧による移動量がある定まった量以上にならないようにする止め具47、48などから構成されている。
The
図2は、図1で示した複合シート材料の製造装置1を用いて、繊維材料Tと樹脂材料Rから複合シート材料Sを製造する説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram for manufacturing the composite sheet material S from the fiber material T and the resin material R by using the composite sheet
図2では、繊維材料Tの両表面に樹脂材料Rを配置し、その状態で一対の案内用ローラ61の間を通しながら重ね合わせて被成形材料Mとし、前記被成形材料Mを連続して搬送用ベルト63上に供給する。当該ベルト63は片方の案内用ローラ61と駆動用ローラ62によって張力が負荷され張った状態にある。そして、駆動用ローラ62が図示されない駆動機構によってある速度で回転することで当該ベルト63が駆動する機構となっている。なお、ベルトの材質は、金属でも樹脂でも構わない。また、ベルトの状態は、シート状、網状のどちらでも良い。
In FIG. 2, the resin material R is arranged on both surfaces of the fiber material T, and in that state, the resin material R is overlapped while passing between the pair of guide rollers 61 to form the material to be molded M, and the material M to be molded is continuously formed. It is supplied on the
図2(a)に示すように、前記被成形材料Mの上面に複合シート材料の製造装置1が配置される。つまり、搬送用ベルト63と複合シート材料の製造装置1の間に被成形材料Mが配置される構成となっている。そして、図2(a)に示す状態から、固定板43に固定された加圧用シリンダー41が動作し、加圧用ロッド42を下降させる、つまり、加熱処理部2及び冷却処理部3を被成形材料Mに加圧させる方向に動作する。加圧用ロッド42の下降により、加圧板45が下降する。このとき、加圧板45には固定板43に固定されたガイド棒44が通されているため加圧板45はスムースにかつ正確に下降する。そして、加圧板45が複数の加熱体21および一つの冷却体31に連結するバネ46を加圧することで、加熱体21と冷却体31を下降させる。
As shown in FIG. 2A, the composite sheet
図2(b)に示す状態は、加圧用シリンダー41が動作し、加圧用ロッド42を下降させることで、加圧板45が加熱体21と冷却体31を下降させるが、冷却体31と連結するガイド棒44の上部に取り付けられた止め具47が固定板43と接することで、それ以上冷却体31は下降しないようになっている。止め具の位置により、冷却体と被成形材料の間隔が決まる。
In the state shown in FIG. 2B, the pressurizing
図2(c)に示す状態は、加圧用シリンダー41が動作し、加圧用ロッド42を下降させることで、加圧板45がさらに下降し、バネ46を通して加熱体21を下降させ、加熱体21のみが被成形材料Mに接圧するようになっている。このとき、冷却体31がこれ以上下降しないのは、冷却体用の止め具47が固定板43と接しているからである。また、図では、複数の加熱体21が配置されており、かつ各加熱体21にはバネ46が配置されている。このようにすることで、加圧板45からの加圧力を各加熱体21はバネ46を通して受けるが、被成形材料Mを加圧するとき、被成形材料Mに厚さの差があった場合においても、各加熱体21はバネ46の作用により,加熱体の1本1本が被成形材料Mを加圧することが可能となっている。
In the state shown in FIG. 2C, the pressurizing
加熱体21が被成形材料Mに接触または加圧することで、被成形材料Mを構成する樹脂材料Rが軟化もしくは溶融して繊維材料Tに付着、半含浸または含浸し、被成形材料Mが複合シート材料Sに成形される。
When the
ここでは、付着とは、樹脂材料が繊維材料の表面に位置する繊維に引っ付いた状態であって、樹脂材料が繊維材料の内部にほとんど浸透していない状態のことを意味する。また、半含浸とは、樹脂材料が繊維材料の内部に一部浸透した状態であり、含浸とは、樹脂材料が繊維材料の内部に完全に浸透した状態のことを意味する。 Here, the adhesion means a state in which the resin material is attracted to the fiber located on the surface of the fiber material, and the resin material hardly penetrates into the inside of the fiber material. Further, semi-impregnation means a state in which the resin material partially permeates the inside of the fiber material, and impregnation means a state in which the resin material completely permeates the inside of the fiber material.
加熱体21が被成形材料Mに接触または加圧する時間、加圧する力、加熱体の温度などを制御することで付着、半含浸または含浸を制御することができる。例えば、加熱体の温度が樹脂の溶融温度よりも高く、被成形材料を加圧する力が大きく、そして加圧時間が十分に長ければ、樹脂材料が溶融して繊維材料の内部に完全に浸透することが可能となる。また、加熱体の温度を樹脂が溶融するかしない程度に設定し、被成形材料を短時間で加圧すると、樹脂材料が繊維材料の表面に付着することが可能となる。
Adhesion, semi-impregnation or impregnation can be controlled by controlling the time for the
そして、図示しないが、加圧用シリンダー41の動作により加圧用ロッド42を上昇させ、加圧板45を上昇させる。つまり、加熱処理部及び冷却処理部を複合シート材料から離間させる方向に動作する。加圧板45は、加熱体21及び冷却体31にそれぞれ連結する止め具48まで上昇し、さらに上昇すると、止め具48はガイド棒44に固定されているため、加熱体21及び冷却体31を上昇、つまり複合シート材料からさらに離間する方向に動作する。そして、図2(a)の状態になる。
Then, although not shown, the pressurizing
本発明の図2では、被成形材料Mの移動に応じて複合シート材料の製造装置1を移動させる移動部5を有している。移動部5は、複合シート材料の製造装置1を移動させる移動用シリンダー51、移動用シリンダーの動作を正確に伝える移動用ロッド52、加熱処理部2と冷却処理部3、動作処理部4が被成形材料Mの片面を移動できるための移動用レール53とスムースな移動を可能とする移動用ローラ54、移動用ロッド52の動作を加熱処理部2、冷却処理部3そして動作処理部4に正確に伝える連結ロッド55から構成されている。
In FIG. 2 of the present invention, there is a moving portion 5 that moves the composite sheet
移動部5の動作としては、例えば、被成形材料Mが連続して移動しているとき、加熱処理部2、冷却処理部3そして動作処理部4を被成形材料Mと同速に、同方向に移動するよう稼働し、加熱処理部2の加熱体21が複合シート材料Sから離間した瞬間に、加熱処理部2、冷却処理部3そして動作処理部4を所定の元の位置に移動させる。そして、その場所から、加熱処理部2、冷却処理部3そして動作処理部4を被成形材料Mと同速に、同方向に移動させる。この移動中に動作処理部4の稼働により、加熱処理部2、冷却処理部3を被成形材料Mに接近するよう下降させ、さらに、加熱体21を被成形材料Mに接圧させる動作を行う。
As the operation of the moving unit 5, for example, when the material M to be molded is continuously moving, the heat treatment unit 2, the cooling treatment unit 3, and the
なお、図2では、搬送用ベルトと複合シート材料の製造装置の間に被成形材料Mを配置し、前記被成形材料Mの片側から加熱加圧を行い、複合シート材料Sの製造を行っているが、被成形材料Mの両表面に複合シート材料の製造装置を配置し、前記被成形材料Mの両表面から加熱加圧を行い、複合シート材料Sを製造しても良い。 In FIG. 2, the material to be molded M is arranged between the transport belt and the apparatus for manufacturing the composite sheet material, and heating and pressurizing is performed from one side of the material M to be molded to manufacture the composite sheet material S. However, the composite sheet material manufacturing apparatus may be arranged on both surfaces of the material M to be molded, and heating and pressurizing may be performed from both surfaces of the material M to be molded to manufacture the composite sheet material S.
図2では、被成形材料Mとして、繊維材料Tの表面に樹脂材料Rを配置している。繊維材料Tとは、炭素繊維束、ガラス繊維束、アラミド繊維束などの強化繊維束を複数本並べて一方向に引き揃えたシート状のもの、前記強化繊維束を製織、製編した布状のもの、または前記強化繊維束を短繊維にして絡めた不織布状のものなどである。なお、これらの材料を単一、または組み合わせて繊維材料Tとして構成し使用しても良い。 In FIG. 2, the resin material R is arranged on the surface of the fiber material T as the material M to be molded. The fiber material T is a sheet-like material in which a plurality of reinforcing fiber bundles such as carbon fiber bundles, glass fiber bundles, and aramid fiber bundles are arranged and aligned in one direction, and a cloth-like material obtained by weaving and knitting the reinforcing fiber bundles. It is a non-woven material in which the reinforcing fiber bundle is made into short fibers and entwined. It should be noted that these materials may be used alone or in combination to form the fiber material T.
樹脂材料Rとしては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリアミド(PA)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの熱可塑性樹脂などである。そして、その形態は、フィルム、不織布などがある。 Examples of the resin material R include thermosetting resins such as epoxy resin and unsaturated polyester resin, or polyamide (PA), polycarbonate (PC), polyphenylene sulfide (PPS), polyethersulfone (PES), and polyether. Thermoplastic resins such as imide (PEI) and polyetheretherketone (PEEK). The form includes a film, a non-woven fabric, and the like.
被成形材料Mとしては、繊維と樹脂が既に一体化、つまり、繊維束中に樹脂が含浸または半含浸状態にあるシート状のものを複数枚、同方向または異方向に重ねた状態のものであっても良いし、繊維束中に樹脂が含浸または半含浸したプリプレグシートを短冊形状に切断し、前記短冊形状をシート状にばらまいた擬似等方の積層材であっても良い。 The material M to be molded is a state in which fibers and resin are already integrated, that is, a plurality of sheets in which the resin is impregnated or semi-impregnated in the fiber bundle are stacked in the same direction or in different directions. It may be a pseudo-isotropic laminate in which a prepreg sheet impregnated or semi-impregnated with a resin in a fiber bundle is cut into a strip shape and the strip shape is scattered in a sheet shape.
図3は図1で説明した複合シート材料の製造装置の加熱処理部と冷却処理部の関係についてである。図3では、加熱体21の被成形材料Mに接触する部分からみた図である。加熱体21の周りには冷却体31が配置されている。
FIG. 3 shows the relationship between the heat treatment section and the cooling treatment section of the composite sheet material manufacturing apparatus described with reference to FIG. FIG. 3 is a view seen from a portion of the
加熱体21により加熱領域が設定され、その周囲を冷却体31により冷却状態に設定されている。図3(a)では加熱体21の被成形材料に接する加熱面が丸形状、図3(b)では加熱体21の被成形材料に接する加熱面が四角形状、そして、図3(c)では加熱体21の被成形材料に接する加熱面が細長形状である。図3(a)、(b)のように加熱体の周囲を取り囲むように冷却状態が設定されても良いし、図3(C)のように、細長形状の加熱体の長辺に沿って冷却状態が設定されても良い。
A heating region is set by the
加熱体の加熱面が被成形材料Mに接触し加圧することで樹脂材料Rが溶融し繊維材料Tに付着、半含浸または含浸し、その後、加熱体が被成形材料Mから離間するが、このとき、加熱体の加熱面の周囲に冷却状態を設定することで、溶融した樹脂、または繊維が加熱体の加熱面に付着することが防止される。そして、加熱体の加熱面の面積が広くなってしまうと樹脂が溶融するまたは軟化する面積が広くなり、加熱体の加熱面に樹脂や繊維が付着し易くなってしまう。 When the heated surface of the heated body comes into contact with the material M to be molded and pressurized, the resin material R melts and adheres to the fiber material T, is semi-impregnated or impregnated, and then the heated body is separated from the material M to be molded. At this time, by setting the cooling state around the heating surface of the heating body, it is possible to prevent the molten resin or fiber from adhering to the heating surface of the heating body. When the area of the heated surface of the heating body is increased, the area where the resin is melted or softened becomes large, and the resin and fibers are likely to adhere to the heating surface of the heating body.
発明者等が検討した結果、加熱体の加熱面が丸形状の場合、面積で約800mm2以下、直径では約30mm以下のとき、さらには直径約3mm〜15mmの範囲にあることが好ましい。直径3mm以下であれば樹脂への加熱加圧の面積が狭く、樹脂材料Rの繊維材料Tへの付着、半含浸または含浸が不十分となる。直径15mm以下であれば、加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。 As a result of examination by the inventors, when the heating surface of the heating body is round, the area is about 800 mm 2 or less, the diameter is about 30 mm or less, and the diameter is preferably in the range of about 3 mm to 15 mm. If the diameter is 3 mm or less, the area of heating and pressurizing the resin is narrow, and the adhesion, semi-impregnation or impregnation of the resin material R to the fiber material T becomes insufficient. If the diameter is 15 mm or less, the resin and fibers can be more reliably prevented from adhering to the heating surface of the heating body.
加熱体の加熱面が四角形状の場合、面積で約900mm2以下、たて×よこの長さでは約30mm以下×30mm以下で、さらには一辺の長さが約3mm〜15mmの範囲であることが好ましい。一辺の長さが3mm以下であれば樹脂の付着、半含浸または含浸の面積が狭く、樹脂材料Rの繊維材料Tへの付着、半含浸または含浸が不十分となる。一辺の長さが15mm以下であれば、加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。 When the heating surface of the heating body is square, the area should be about 900 mm 2 or less, the length of vertical x horizontal should be about 30 mm or less x 30 mm or less, and the length of one side should be in the range of about 3 mm to 15 mm. Is preferable. If the length of one side is 3 mm or less, the area of resin adhesion, semi-impregnation or impregnation is narrow, and the adhesion, semi-impregnation or impregnation of the resin material R to the fiber material T becomes insufficient. When the length of one side is 15 mm or less, it is possible to more reliably prevent the resin and fibers from adhering to the heating surface of the heating body.
加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。加熱体が細長形状の場合、当該形状の長辺長さが短辺長さの2倍以上あって、かつ短辺長さが30mm以下、さらには長さが約3mm〜15mmの範囲であることが好ましい。短辺長さが3mm以下であれば樹脂の付着、半含浸または含浸面積が狭く、樹脂材料Rの繊維材料Tへの付着、半含浸または含浸が不十分となる。短辺長さが15mm以下であれば、加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。 It is possible to more reliably prevent resin and fibers from adhering to the heating surface of the heating body. When the heated body has an elongated shape, the long side length of the shape is at least twice the short side length, the short side length is 30 mm or less, and the length is in the range of about 3 mm to 15 mm. Is preferable. If the short side length is 3 mm or less, the resin adhesion, semi-impregnation or impregnation area is narrow, and the resin material R adhesion to the fiber material T, semi-impregnation or impregnation is insufficient. When the short side length is 15 mm or less, the resin and fibers can be more reliably prevented from adhering to the heating surface of the heating body.
加熱体21と冷却体31の隙間は、加熱体21と冷却体31の隙間が広いほど、被成形材料Mの樹脂材料Rが加熱体からの熱を受け溶融し加熱体21の加熱面の面積より広く溶融状態となってしまう。樹脂の溶融面積が広くなることで加熱体21の加熱面に溶融樹脂が付着し易くなってしまう。しかし、加熱体21と冷却体31の隙間が狭くなりすぎると、冷却体31に影響され、加熱体21の設定温度を維持し難くなってしまう。また、加熱体21の上昇下降などの移動が冷却体31に接触し、加熱体21のスムースで正確な移動が阻害される可能性がある。よって、発明者等が検討した結果、加熱体21と冷却体31の隙間は、0.1mm〜10mmの範囲、さらには0.5mm〜2mmの範囲に設定されているのが好ましい。
As for the gap between the
なお、図3(a)、(b)では、加熱体21の周囲には途切れることなく冷却状態が構成されているが、加熱体により設定される周囲を途切れながら、冷却状態を構成していても良い。
In addition, in FIGS. 3A and 3B, the cooling state is configured without interruption around the
図4は、図1で説明した複合シート材料の製造装置の加熱処理部と冷却処理部の関係についてである。一つの冷却体31に複数の通し穴を設け、その通し穴に加熱体21を配置
したものである。図4では加熱体21として、その断面形状が四角形のものを用いている。
FIG. 4 shows the relationship between the heat treatment section and the cooling treatment section of the composite sheet material manufacturing apparatus described with reference to FIG. A plurality of through holes are provided in one
図4のようにすることで、各加熱体21により得られる加熱領域の周囲には、冷却体が構成される。そして、冷却体31を冷却するために、冷却体31には冷却用パイプ32が通されており、片方から、冷却水または冷却オイルを流し、もう一方のパイプから前記冷却水または冷却オイルを排出し、冷却水の循環を行うことで一定の温度になるよう制御している。
By doing so as shown in FIG. 4, a cooling body is formed around the heating region obtained by each
複数の加熱体21は縦方向、横方向に一定の間隔で配置されているが、千鳥状に配置されても良い。また、図4では、加熱体の加熱面は四角形状であったが、丸形状や細長形状であって、複数配置されていても良い。図4では、一つの冷却体を用いているが、各加熱体に一つの冷却体を設け、その組み合わせを複数配置させても良い。
The plurality of
図5は図1および図2で説明した複合シート材料の製造装置1とは別の構成の装置である。図1および図2では、加熱体21の先端部分が冷却体31の底面つまり被成形材料Mと対面する側の面から飛び出した位置になっているが、図5では、加熱体21の先端部分が冷却体31の中に位置している。
FIG. 5 is an apparatus having a configuration different from that of the composite sheet
この状態から、固定板43に固定された加圧用シリンダー41を動作させ、加圧用ロッド42を下降させる、つまり、加熱処理部2及び冷却処理部3を被成形材料Mに加圧させる方向に動作させる。加圧用ロッド42の下降により、加圧板45が下降し、加熱体21および冷却体31も下降する。このとき、ガイド棒44に取り付けられる止め具47の位置を固定板43と十分な間隔をもって取り付けることで、冷却体31は被成形材料Mに接するまで下降させることができ、さらには加圧用シリンダー41の動作により、冷却体31を被成形材料Mに押し付け、加圧することが可能となる。
From this state, the pressurizing
冷却体31が被成形材料Mに接触または加圧した状態で、さらに加圧用シリンダー41の動作により加圧板45を下降させると、バネ46を通して加熱体21はさらに下降し、被成形材料Mに接圧するようになる。加熱体21が被成形材料Mに接触または加圧することで、被成形材料Mを構成する樹脂材料Rが軟化もしくは溶融して繊維材料Tに付着、半含浸または含浸し、被成形材料Mは複合シート材料Sに成形される。なお、このとき、冷却体31を押し込むバネ46はさらに縮み、被成形材料Mをしっかりと押さえ込むことができている。
When the
そして、加圧用シリンダー41を動作させ加圧用ロッド42を上昇させ、加圧板45を上昇させる、つまり、加熱処理部2および冷却処理部3を複合シート材料Sから離間させる方向に動作すると、加圧板45は、加熱体21および冷却体31にそれぞれ連結する止め具48まで上昇するが、このとき、冷却体31を押し込むバネ46の押し込み量と、加熱体21を押し込むバネ46の押し込み量に差があり、冷却体31を押し込むバネ46の方がより縮んでいるため、加熱体21の方が冷却体31より先に複合シート材料Sから離間する。冷却体31を複合シート材料Sに接圧させた状態で、加熱体21を複合シート材料Sから離間させることは、加熱体の加熱面に樹脂や繊維を付着させること、および繊維を蛇行させることをより防ぐことが可能となる
Then, when the pressurizing
なお、図5では、冷却体31が断熱板33に取り付けられて冷却処理部3として構成されている。断熱板33を設けることで、加熱体21および冷却体31それぞれが熱の影響を受け難くなり、それぞれが設定温度に対して制御し易くなる。
In FIG. 5, the cooling
図6は図1、図2および図5で説明した複合シート材料の製造装置1とは別の構成の装置である。図1、図2および図5では加熱体21は、図示されていないが、ヒータと温度センサーがセットされ、ある定まった温度になるように制御される機構となっていたが、図6の実施形態では複数の加熱体21を加熱板22に接触させて加熱する方法が採用されている。
FIG. 6 is an apparatus having a configuration different from that of the composite sheet
複数の加熱体21が配列され、それぞれが加熱板22と冷却体31を貫通するようにセットされている。加熱板22と冷却体31の間には断熱板32が配置され加熱板22と冷却体31の間で熱移動がないようになっている。そして、加熱板22と断熱板32の間は冷却体31と被成形材料Mとの間隔以上の隙間が設けられるようにセットされている。
A plurality of
そして、加熱体21がバネ46により加熱板22に接触しており、加熱体21は加熱板22によって加熱されるようになっている。なお、加熱体21の加熱板22と接触する部分を大きくすることで、加熱体21を安定的に短時間で加熱するようにしている。また、図示はされていないが、加熱体21の先端に温度センサーを設け、加熱体21が所定の温度になるよう、加熱板22は中に組み込まれた棒ヒータ23によって加熱されている。なお、加熱体21に設けられる温度センサーは全ての加熱体21に設置しても良いし、代表的な部分に位置する加熱体21のみに設置しても良い。図6のように加熱板22を設け複数の加熱体21を加熱することにより、装置コストを低減することが可能となる。
Then, the
この状態から、固定板43に固定された加圧用シリンダー41を動作させ、加圧用ロッド42を下降させる、つまり、加熱処理部2および冷却処理部3を被成形材料Mに加圧させる方向に動作させると、まず、断熱板32を押し込むバネ46を通して冷却体31が被成形材料Mに接し加圧する。そして、冷却体31が被成形材料Mを加圧した状態で、加圧用シリンダー41により加圧板45を下降させると、加熱体21を押し込むバネ46を通して加熱体21はさらに下降し、被成形材料Mに接圧するようになる。加熱体21が被成形材料Mに接触または加圧することで、被成形材料Mを構成する樹脂材料Rが軟化もしくは溶融して繊維材料Tに付着、半含浸または含浸し、被成形材料Mは複合シート材料Sに成形される。
From this state, the pressurizing
そして、加圧用シリンダー41を動作させ加圧用ロッド42を上昇させ、加圧板45を上昇させる、つまり、加熱処理部2および冷却処理部3を複合シート材料Sから離間させる方向に動作すると、まず、加熱体21が複合シート材料Sから離間し、次いで冷却体31が複合シート材料Sから離間する。冷却体31を複合シート材料Sに接圧させた状態で、加熱体21を複合シート材料Sから離間させることは、加熱体の表面に樹脂や繊維を付着させること、および繊維を蛇行させることをより防ぐことが可能となる
Then, when the pressurizing
〈製造装置〉 図5に示す製造装置により複合シート材料を製造した。図7に示すように、複合シート材料の製造装置の加熱体21は冷却体31に貫通しており、複合シート材料の走行方向に間隔30mmピッチで10本、幅方向に間隔50mmピッチで6本、千鳥状に並べて配置されている。冷却体31において、加熱体21と加熱体21の間には冷却用パイプが貫通し、冷却水が循環している。複数の加熱体21のうち、ある加熱体21の先端には熱電対がセットされ、複数の加熱体21の温度制御がなされている。なお、加熱体21の先端は円形状で、直径は5mmとなっている。
<Manufacturing equipment> A composite sheet material was manufactured by the manufacturing equipment shown in FIG. As shown in FIG. 7, the
〈使用材料および被成形材料〉 使用材料として、繊維材料に炭素繊維束(三菱ケミカル株式会社製;TR50S−15K−GF 15 000本/束 単糸直径7μm)を、樹脂材料に熱可塑性樹脂材料 PA6樹脂フィルム(三菱ケミカル株式会社製;ダイアミロン 厚さ20μm)を用い、特開2016−027956の実施例1のセミプリプレグシート材の製造方法により、PA6樹脂フィルムの両表面に繊維目付け約43g/m2が半含浸した幅180mmのセミプリプレグシートを製造し、前記セミプリプレグシートを厚さ方向に5枚、連続して重ねたシートを被成形材料とした。 <Materials used and materials to be molded> As materials used, carbon fiber bundles (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; TR50S-15K-GF 15,000 / bundle single yarn diameter 7 μm) are used as fiber materials, and thermoplastic resin material PA6 is used as resin materials. Using a resin film (manufactured by Mitsubishi Chemical Co., Ltd .; Diamilon thickness 20 μm), fiber graining of about 43 g / m on both surfaces of the PA6 resin film by the method for producing a semi-prepreg sheet material of Example 1 of JP2016-027956 A semi-prepreg sheet having a width of 180 mm, which was semi-impregnated with 2, was produced, and five sheets of the semi-prepreg sheets in the thickness direction were continuously stacked as a material to be molded.
〈製造条件〉 複合シート材料の製造装置の加熱体21の先端を300度になるように温度制御した。被成形材料は搬送ベルトにより3m/minの速度で走行させた。複合シート材料の製造装置は、加熱処理部と冷却処理部が下降し、被成形材料に接触・接圧している間は被成形材料と同速で移動し、その後、加熱処理部と冷却処理部を上昇させ初期位置に戻すという動作を繰り返すように設定した。繰り返しは6秒で1サイクルとした。なお、加熱処理部が被成形材料に接触・接圧する時間は2秒とした。また、加熱体21が被成形材料を加圧する力は約20Nになるようにバネを選定した。
<Manufacturing Conditions> The temperature of the tip of the
〈複合シート材料の製造状態〉 本製造を実施したところ、複合シート材料の製造装置の加熱体が被成形材料に接圧し、離間する繰り返し動作がスムースに実施されることを確認できた。また、製造中、加熱体に炭素繊維や樹脂が付着するトラブルはなく、連続した複合シート材料を製造するとことを確認した。また、製造された複合シート材料の状態を確認した結果、5枚重ねたセミプリプレグシートは加熱体によって接圧された部分において、炭素繊維束中に樹脂が含浸した状態になっており、シートとして一体化した状態となっていることが確認できた。 <Manufacturing state of composite sheet material> When this production was carried out, it was confirmed that the heated body of the composite sheet material manufacturing apparatus contacted the material to be molded and repeatedly separated from each other smoothly. In addition, it was confirmed that there was no problem of carbon fibers and resin adhering to the heated body during the production, and that a continuous composite sheet material was produced. In addition, as a result of checking the state of the manufactured composite sheet material, the semi-prepreg sheet in which five sheets were stacked was in a state where the carbon fiber bundle was impregnated with resin at the portion contacted by the heating body, and as a sheet. It was confirmed that they were integrated.
1 複合シート材料の製造装置2 加熱処理部21 加熱体22 加熱板23 棒ヒーター3 冷却処理部31 冷却体32 冷却用パイプ33 断熱板4 動作処理部41 加圧用シリンダー42 加圧用ロッド43 固定板44 ガイド棒45 加圧板46 バネ47、48 止め具5 移動部51 移動用シリンダー52 移動用ロッド53 移動用レール54 移動用ローラ55 連結ロッド6 シート搬送部61 案内用ローラ62 駆動用ローラ63 搬送用ベルトT 繊維材料R 樹脂材料M 被成形材料S 複合シート材料
1 Composite sheet material manufacturing equipment 2
Claims (11)
装置。 The operation processing unit sets the surface in a cooled state by approaching, contacting, or after contacting the surface of the material to be molded with the cooling processing unit to set the surface to a cooled state, and the surface of the material to be molded is set to a cooled state. The apparatus for producing a composite sheet material according to claim 6, wherein the heat treatment unit is brought into contact with the heat treatment unit to be set to heat and pressurize.
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