JP6935621B2

JP6935621B2 - プリプレグテープの積層装置及び積層方法

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Publication number: JP6935621B2
Application number: JP2018189771A
Authority: JP
Inventors: 和正川邊; 山田　耕平; 耕平山田; 慶一近藤; 寛史伊與; 慎替地
Original assignee: Fukui Prefecture
Current assignee: Fukui Prefecture
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2038-10-05
Also published as: JP2020059145A

Description

本発明は、プリプレグテープを用いて所望の形状に積層する積層装置に関する。

強化繊維材料及び樹脂材料とから構成される繊維強化複合材料は、軽量、高強度、高弾性率等の優れた特性を備えており、航空機、自動車、スポーツ関係用具といった幅広い分野で用いられている。繊維強化複合材料は、強化繊維材料及び樹脂材料が一体化したプリプレグの形態に加工されて成形加工に用いることが行われており、成形品の形状に合わせてプリプレグを複数層積層してプリプレグ積層体を得た後、プリプレグ積層体を加熱加圧成形して成形品を製造する加工技術が知られている。

プリプレグの積層技術に関しては、自動繊維積層（ＡＦＰ：ＡｕｔｏｍａｔｅｄＦｉｂｅｒＰｌａｃｅｍｅｎｔ）及び自動テープ積層（ＡＴＬ：ＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅＬａｙｉｎｇ）等の自動積層技術が開発されており、こうした自動化プロセスを導入することで、費用効果を高めた成形品の製造技術を実現することが可能となっている。

本発明者等は、これまで強化繊維材料である炭素繊維の開繊処理に関する技術の開発を進めてきており、炭素繊維等の繊維束を開繊によりテープ状に薄層化して樹脂材料を組み合せた薄層プリプレグテープを開発している。そして、こうした薄層プリプレグテープの積層成形に関する技術に関しても研究開発を進めてきており（特許文献１、非特許文献１参照）、こうした薄層プリプレグテープを積層成形した積層体では、通常の厚さのプリプレグテープを積層成形した同じ厚さの積層体に比べて耐衝撃性といった力学的特性が格段に向上することが確認されている。

特許第５７３６５６０号公報

Sunao Sugimoto et al, "MECHANICAL PROPERTIES OF THIN PLY CFRP WITH HIGH CAI STRENGTH", 14TH JAPAN INTERNATIONAL SAMPE SYMPOSIUM AND EXHIBITION, December 8, 2015.

プリプレグテープを積層成形した積層体については、例えば、厚さ４０μｍの薄層プリプレグテープを用いて３枚積層した積層体は厚さ１２０μｍの従来のプリプレグテープとほぼ同等の厚さとなるが、上述したように、積層体の力学的特性の方が優れていることは実験データ等で裏付けられている。こうした力学的特性の向上は、積層体中の強化繊維が薄層プリプレグテープ毎に引き揃えられているため、積層体中の強化繊維の真直性が向上していることが主な要因と考えられる。

また、薄層プリプレグテープは、優れたドレープ性を備えており、積層領域の形状に追従して変形することができ、搬送する際に生じる曲げや捩りといった変形に対しても柔軟に対応して元の形状に回復する特性を備えている。

そこで、本発明は、こうした薄層プリプレグテープの特性に基づいて高品質の積層体を効率よく自動積層することができるプリプレグテープの積層装置及び積層方法を提供することを目的とする。

本発明に係るプリプレグテープの積層装置は、複数のプリプレグテープを給送する給送部と、給送された複数の前記プリプレグテープを搬送する搬送部と、搬送された複数の前記プリプレグテープを基体表面の積層領域にそれぞれ接着させる積層ヘッド部と、前記積層ヘッド部を前記積層領域に対して相対移動させる移動部とを備えているプリプレグテープの積層装置において、前記積層ヘッド部は、積層動作方向に配列された複数のテープ積層部と、前記テープ積層部を前記プリプレグテープの幅方向に前記プリプレグテープの重なり度合いを位置調整する調整部とを備えている。さらに、前記搬送部は、前記テープ積層部の搬送方向上流側において前記プリプレグテープを前記テープ積層部に導入する調整ローラを備えており、前記調整ローラは、回転軸の軸方向が前記テープ積層部の位置調整方向と直交するように設定されている。さらに、前記搬送部は、前記プリプレグテープを前記調整ローラに搬送する搬送ローラを備えており、前記搬送ローラは、前記調整ローラに対して前記位置調整方向側に配置されている。さらに、前記テープ積層部は、前記プリプレグテープの幅方向にも配列されており、前記調整部は、前記プリプレグテープの幅方向での前記テープ積層部の間隔を調整して位置調整する。さらに、前記調整部は、前記プリプレグテープが全部又は部分的に重なり合うように前記テープ積層部を位置調整する。さらに、前記調整部は、前記プリプレグテープが重なり合うことなく幅方向に配列するように前記テープ積層部を位置調整可能である。さらに、前記テープ積層部の前記積層動作方向下流側には、幅方向に配列されて積層された前記プリプレグテープを同時に接着させる積層ローラを備えている。さらに、前記積層ローラは、複数の分割ローラを配置して構成されている。

本発明に係るプリプレグテープの積層方法は、複数のプリプレグテープを積層ヘッド部に搬送し、前記積層ヘッド部において積層動作方向に沿って配列された複数のテープ積層部により、前記テープ積層部を前記プリプレグテープの幅方向に前記プリプレグテープの重なり度合いを位置調整して基体表面の積層領域に前記プリプレグテープを重ね合せて接着させる積層動作を行い、積層された前記プリプレグテープを一体化させて成形する。さらに、前記プリプレグテープは、前記テープ積層部の搬送方向上流側に配置された調整ローラにより幅方向が位置調整方向と直交する方向となるように捩られながら前記テープ積層部に導入される。さらに、前記プリプレグテープは、前記調整ローラの搬送方向上流側で前記位置調整方向側に配置された搬送ローラにより前記調整ローラに搬送される。さらに、前記プリプレグテープが全部又は部分的に重なり合うように位置調整する。さらに、前記プリプレグテープが重なり合うことなく幅方向に配列するように位置調整可能である。さらに、前記プリプレグテープは、樹脂含浸状態での厚さが２０μｍ〜８０μｍである。

本発明は、プリプレグテープを重ね合せて積動動作を行うことで、プリプレグテープの積層形態を様々な形態に変化させて効率よく積層動作を行うことができ、積層領域に対してプリプレグテープの積層位置を調整して積層動作を行うことで、積層領域の形状に合わせて高品質の積層体を効率的に積層することが可能となる。

本発明に係るプリプレグテープの積層装置に関する概略構成図である。図１の矢印Ａ方向からみた搬送ローラ及び調整ローラの搬送動作を示す一部拡大図である。テープ積層部の積層動作に関する説明図である。１回の積層動作で形成した積層体の端部形状を示す断面図である。給送部において樹脂テープを薄層プリプレグテープに貼り合せて給送する場合の概略構成図である。給送部において樹脂テープを薄層プリプレグテープに貼り合せて給送する場合の別の概略構成図である。積層装置の別の実施形態に関する概略構成図である。図７の矢印Ｂ方向からみたマルチ積層部及び搬送部に関する一部拡大図である。マルチ積層部の積層位置の調整により積層動作に関する説明図である。マルチ積層部の積層位置の調整により積層動作に関する説明図である。マルチ積層部の積層位置の調整により積層動作に関する説明図である。積層ローラを複数の分割ローラで構成して配置した変形例に関する概略構成図である。分割ローラの配置レイアウトを示す説明図である。マルチ積層部において並列配置された複数のテープ積層部の間隔調整を行うための間隔調整機構の一例を示す概略構成図である。図１４に示すマルチ積層部の積層位置の調整による積層動作に関する説明図である。図１４に示すマルチ積層部の積層位置の調整による積層動作に関する説明図である。図１４に示すマルチ積層部の積層位置の調整による積層動作に関する説明図である。

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。

図１は、本発明に係るプリプレグテープの積層装置に関する概略構成図である。この例では、プリプレグテープとして、後述する薄層プリプレグテープを用いている。プリプレグテープの積層装置１は、複数の薄層プリプレグテープを給送する給送部２と、給送された複数の薄層プリプレグテープを搬送する搬送部３と、搬送された複数の薄層プリプレグテープを基体表面の積層領域にそれぞれ接着させる積層ヘッド部４と、積層ヘッド部４を積層領域に対して相対移動させる移動部５とを備えており、積層ヘッド部４は、積層動作方向に配列された複数のテープ積層部４ａ〜４ｃと、テープ積層部４ａ〜４ｃを薄層プリプレグテープの幅方向に位置調整する調整部４８とを備えている。調整部４８は、テープ積層部４ａ〜４ｃの積層位置を調整して、プリプレグテープを全部又は部分的に重ね合せたり、幅方向に重なり合うことなく配列するように積層位置を調整して積層動作を行うことができる。

給送部２は、クリルスタンド等の支持枠体（図示せず）に取り付けられた複数のボビンに薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３をそれぞれ巻き取ったロールＲ１〜Ｒ３をセットした給送部２１０、２２０及び２３０を備えている。薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３は、片面に貼り合わされている離型シートを剥離して巻取ロールＬ１〜Ｌ３に巻き取りながらロールＲ１〜Ｒ３より繰り出されて給送部２１０〜２３０から給送されるようになっている。

給送部２から給送された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３は、搬送部３により積層ヘッド部４に搬送されるようになる。搬送部３は、薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を並行してそれぞれテープ積層部４ａ〜４ｃに搬送するようになっており、調整部４８の側部に取り付けられた搬送ローラ３０ａ〜３０ｃ及び調整部４８の下部に取り付けられた調整ローラ３１ａ〜３１ｃを備えている。搬送ローラ３０ａ〜３０ｃは、給送部２から給送された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を調整部４８の側部から下方に向かって搬送するようになっており、調整ローラ３１ａ〜３１ｃは、下方に向かって搬送される
薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を調整部４８の下面側に引き込んだ後テープ積層部４ａ〜４ｃに向かって捩りながら導入されるように案内する。

図２は、図１の矢印Ａ方向からみた搬送ローラ３０ａ及び調整ローラ３１ａの搬送動作を示す一部拡大図である。なお、矢印Ａ方向と反対方向が積層ヘッド部４の積層動作方向を示している。調整ローラ３１ａは、テープ積層部４ａに対して薄層プリプレグテープの搬送方向上流側に配置されており、搬送ローラ３０ａは、調整ローラ３１ａに対して薄層プリプレグテープの搬送方向上流側に配置されている。

調整ローラ３１ａは、薄層プリプレグテープＴ１をテープ積層部４ａの積層動作方向に沿って導入するように位置調整するようになっているので、搬送ローラ３０ａにより下方に向かって搬送された薄層プリプレグテープＴ１をテープ積層部４ａに向かって確実に導入することができる。搬送ローラ３０ｂ及び調整ローラ３１ｂ並びに搬送ローラ３０ｃ及び調整ローラ３１ｃについても搬送ローラ３０ａ及び調整ローラ３１ａと同様に搬送動作を行うように設定されている。

薄層プリプレグテープは、後述するように、高いドレープ性を備えているため、テープ長方向に沿う軸を中心に回動させて捩じるように変形させた場合でもダメージを受けることがほとんどない。また、調整ローラ３１ａに張架された薄層プリプレグテープＴ１は、調整ローラ３１ａの回転軸の軸方向（図２では紙面と直交する方向）と直交する周方向に容易に搬送方向を変化させることができる。そのため、調整ローラ３１ａの軸方向をテープ積層部４ａの位置調整方向（紙面に沿う方向）と直交する方向に設定することで、調整ローラ３１ａに張架された薄層プリプレグテープＴ１の幅方向が位置調整方向と直交するようになり、テープ積層部４ａの位置調整動作に対して薄層プリプレグテープＴ１が搬送方向を容易に変化させて追従するようになる。こうして、積層ヘッド部４の位置調整に対して薄層プリプレグテープを追従させながら安定した導入動作を行うことが可能となる。

また、テープ積層部４ａ〜４ｃが積層動作方向に沿って配列されているので、薄層プリプレグテープを積層動作方向に向かってテープ積層部４ａに導入するように調整ローラ３１ａの取付位置は限定されるようになる。そのため、搬送ローラ３０ａを調整ローラ３１ａの位置調整方向側である調整部４８の側部に取り付けることで、調整ローラ３１ａから搬送ローラ３０ａまでの搬送方向を積層動作方向から外れる方向に設定することができ、複数のテープ積層部が狭い間隔で配列された場合でも複数の薄層プリプレグテープをスムーズに導入することが可能となる。

テープ積層部４ａ〜４ｃは、積層動作方向に沿って所定間隔で配置されており、積層ヘッド部４は、積層動作方向に沿って配列された複数の積層位置で薄層プリプレグテープを積層するようになっている。そして、搬送部３から搬送された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を基体表面の積層領域に順次積層して加圧又は加熱加圧により接着一体化させるようになっている。そのため、薄層プリプレグテープを複数の積層位置において１回の積層動作で３枚同時に積層することができ、作業効率の向上を図ることが可能となる。また、薄層プリプレグテープの積層枚数を変化させることで積層成形する厚さをきめ細かく設定することができる。

テープ積層部４ａ〜４ｃは、積層された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を加圧又は加熱加圧して接着一体化するテープ積層ローラ４０ａ〜４０ｃ、テープ積層ローラ４０ａ〜４０ｃをそれぞれ支持する支持部材４１ａ〜４１ｃ、テープ積層ローラ４０ａ〜４０ｃの搬送方向上流側に配置された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３をガイドする一対のガイド部４２ａ〜４２ｃ及び４３ａ〜４３ｃ、ガイド部４２ａ〜４２ｃ及び４３ａ〜４３ｃの間に配置された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を切断するカッタ４４ａ〜４４ｃ、及び、カッタ４４ａ〜４４ｃの搬送方向上流側に配置されたニップローラ４５ａ〜４５ｃを備えている。ガイド部４２ａ〜４２ｃ及び４３ａ〜４３ｃは、内部に薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３が通過可能な隙間が形成されており、薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３が通過することでテープ面が積層領域の積層面に沿うように設定することができる。

薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３は、搬送部３からニップローラ４５ａ〜４５ｃにそれぞれ搬入されて挟持された状態でニップローラ４５ａ〜４５ｃを回転駆動してそれぞれ搬送される。搬送された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３は、ガイド部４２ａ〜４２ｃ及び４３ａ〜４３ｃを通過してテープ積層ローラ４０ａ〜４０ｃに向かうように案内されて基体表面の積層領域とテープ積層ローラ４０ａ〜４０ｃの間に導入される。薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３の導入速度に合わせてテープ積層部４ａ〜４ｃを移動させることで、薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を積層領域に圧着して接着固定する。成形する形状に合わせて薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を所定長さ分だけ積層する場合には、所定長さだけニップローラ４５ａ〜４５ｃが搬送動作を行いながらカッタ４４ａ〜４４ｃにより薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を切断することで、所定長さの薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を正確に積層することができる。

調整部４８は、テープ積層部４ａ〜４ｃを支持してそれぞれの積層位置の調整を行うとともにテープ積層部４ａ〜４ｃの積層位置の調整に合わせて調整ローラ３１ａ〜３１ｃの位置調整を行うようになっている。

移動部５は、積層ヘッド部４を移動させる多関節アーム部５０と、多関節アーム部５０を駆動制御する駆動部５１とを備えている。駆動部５１により多関節アーム部５０を駆動して積層ヘッド部４を基体表面に対して移動させ、積層ヘッド部４は、移動動作に応じてテープ積層部４ａ〜４ｃを積層領域に位置決めして積層動作を行う。

調整部４８は、例えば、テープ積層部４ａ〜４ｃが積層動作方向に沿って配列するように積層動作方向とは直交する方向（積層する薄層プリプレグテープの幅方向）に積層位置の調整を行い、薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３が全部又は部分的に重なり合う積層動作及び幅方向に重なり合うことなく配列する積層動作を行うように設定する。

図３は、テープ積層部４ａ〜４ｃの積層動作に関する説明図である。図３（ａ）では、テープ積層部４ａ〜４ｃが積層動作方向Ｓに沿って配列するように積層位置が調整されており、薄層プリプレグテープが全部重なり合うように設定されている。図３（ｂ）では、テープ積層部４ａ〜４ｃは薄層プリプレグテープの幅方向に所定幅だけずらすように積層位置が調整されており、薄層プリプレグテープが部分的に重なり合うように設定されている。図３（ｃ）では、テープ積層部４ａ〜４ｃは薄層プリプレグテープの幅方向にテープ幅分ずらすように積層位置が調整されており、薄層プリプレグテープが重なり合うことなく配列されるように設定されている。

このように、テープ積層部４ａ〜４ｃの積層位置を調整することで、１回の積層動作により積層する薄層プリプレグテープの厚さ及び積層範囲を調整することができる。また、積層動作中にテープ積層部を幅方向に移動させることで積層動作方向に対して傾斜させて積層させることも可能となり、基体表面の形状に合わせて重なり合う部分を変化させるように積層をきめ細かく調整することができる。

また、調整ローラ３１ａ〜３１ｃについても、テープ積層部４ａ〜４ｃの積層位置の調整に合わせて同じ方向に移動させて位置調整することで、位置調整が行われた場合でも薄層プリプレグテープを安定して搬送することができるようになる。テープ積層部及び調整ローラの位置調整手段としては、例えば、調整部４８内に、棒状の調整ネジ部材を架設し、調整ネジ部材に取付部材を位置調整可能に螺合させておき、取付部材にテープ積層部及び調整ローラをそれぞれ支持する支持部材を取付固定する。そして、調整ネジ部材を回転させることで、取付部材が調整ネジ部材の軸方向に移動して位置調整が行われ、それに連動してテープ積層部の積層位置の調整及び調整ローラの位置調整を精度よく行うことができる。

このように、積層ヘッド部４の１回の積層動作で複数のテープ積層部により複数枚の薄層プリプレグテープを同時に積層することができるので、１回の積層動作で１枚ずつ積層する場合に比べて作業効率を格段に向上させることが可能となる。そして、１回の積層動作で薄層プリプレグテープを重ね合せて積層することで、成形形状に合わせて様々な厚さで積層することができる。

また、調整部４８は、テープ積層部４ａ〜４ｃをそれぞれ動作位置及び待機位置に設定することができ、テープ積層部４ａ〜４ｃを動作位置に設定することで、積層領域に当接して積層動作を行うようになり、積層領域から離間した待機位置に設定することで、積層動作を停止するようになる。そのため、積層枚数に応じてテープ積層部を適宜動作位置又は待機位置に設定して積層する厚さをきめ細かく設定することができる。また、テープ積層部毎に積層する長さを変化させることで、成形する曲面形状に合わせて部分的に積層枚数を変化させて積層成形することも可能となる。テープ積層部を動作位置及び待機位置に設定する位置設定手段としては、例えば、テープ積層部を支持する支持部材を２つの部材を関節部材により連結して構成し、関節部材を小型モータ等の駆動手段により回動させて位置設定を行うことができる。

積層動作により薄層プリプレグテープを同時に複数枚積層した積層体は、同じ厚さの従来のプリプレグテープと比べると、各薄層プリプレグテープ内で強化繊維材料が引き揃えられた状態で積層されており、厚さ方向の強化繊維材料の乱れが小さくなって強化繊維材料の真直性が向上している。そのため、積層体は、同じ厚さの従来のプリプレグテープに比べて引張特性、曲げ特性といった力学的特性で優れたものとなっている。そして、従来のプリプレグテープと同じ厚さの積層体を１回の積層動作で積層するので、従来と同様の作業効率で高品質の積層体を成形することができる。

また、薄層プリプレグテープは、優れたドレープ性を備えており、基体表面の積層領域の形状に追従して変形することができ、搬送する際に生じる曲げや捩りといった変形に対しても柔軟に対応して元の形状に回復する特性を備えているので、高品質の積層体を成形することが可能となる。そのため、搬送部及び積層ヘッド部において、積層ヘッド部の位置調整に対しても容易に追従して搬送することができ、また、部品を配列する際の設計自由度が大きくなり、複数の部品を小さいスペースに効率よく配置して装置をコンパクト化することができる。

また、上述したように、１回の積層動作で積層する薄層プリプレグテープの枚数を変化させることで厚さの異なる積層体を形成することができ、積層する形状に合わせて積層体の厚さを変化させることで、より正確な形状の積層体を得ることが可能となる。図４は、１回の積層動作で形成した積層体の端部形状を示す断面図である。図４（ａ）では、薄層プリプレグテープの端部の積層位置を所定長さごとにずらすことで、積層体の端部形状の厚さが次第に薄くなるように設定している。図４（ｂ）では、最上位の薄層プリプレグテープの端部が最も外側となるように積層位置をずらして設定することで、積層体の端部形状が最上位の薄層プリプレグテープで被覆されて厚さが連続して薄くなるように設定することができる。

また、給送部２において、予め複数の薄層プリプレグテープを重ね合せた積層テープを予備形成して供給することもできる。この場合、積層テープは、積層する薄層プリプレグテープの枚数を変化させて部分的に厚さを変化させることもでき、積層する形状に合わせてきめ細かく厚さを設定しながら積層ヘッド部において効率よく積層動作を行うことが可能となる。

例えば、３枚の
薄層プリプレグテープを重ね合せて供給する場合、３枚積層された積層テープ、２枚積層された積層テープ及び薄層プリプレグシート１枚からなるテープの３種類の厚さの異なる予備形成テープを得ることができる。なお、積層テープは、薄層プリプレグテープ同士が仮接着された状態となっているが、一体化された成形体とはならないように形成すればよい。

こうして予備形成された積層テープを他の薄層プリプレグテープとともに給送して積層ヘッド部で重ね合せたり、幅方向に配列する積層動作を行うことで、きめ細かく積層設計に対応することができる。

薄層プリプレグテープは、樹脂含浸状態での厚さを２０μｍ〜８０μｍに設定することが好ましい。薄層プリプレグテープの厚さを８０μｍ以下としたことで、積層された成形体は、引張特性では、デラミネーション（層間剥離）の発生が抑制される効果を得る。また、曲げ特性及び圧縮特性については、種々の方向に切り出した試験片の最大強度及び初期弾性率の差が少なくなり、擬似等方性が向上する効果を得る。さらに、疲労寿命が向上する効果も得ることができる。

薄層プリプレグテープの樹脂含浸状態での厚さは、薄いほど好ましく４０μｍ以下がより好ましい。しかし、厚さが２０μｍ以下の薄層プリプレグテープを製造することは難しい。例えば、汎用的な炭素繊維の直径は約７μｍであり、補強繊維材料に炭素繊維を使用した厚さ２０μｍ以下に作成しようとした場合、厚さ方向に３本以下で炭素繊維を分散させなければならず、製造することが難しい。さらに、マトリックスとなる樹脂材料も１０μｍ以下のシート状にしなければならず、テープの製造も難しく、連続して安定したプリプレグテープを得ることが難しい。よって、薄層プリプレグテープは２０μｍ以上で作成することが品質を一定に保つことからも望ましい。

薄層プリプレグテープに用いる強化繊維材料は、複数本の強化繊維により構成されている。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリオキシメチレン繊維、アロマティック・ポリアミド繊維等の繊維補強複合材料に用いられる高強度・高弾性率の無機繊維や有機繊維などが挙げられ、これらの繊維を複数組み合せてもよく、また繊度については特に限定されない。また、公知の空気開繊方法（例えば、特許第４７４０１３１号公報参照）により強化繊維材料を薄く均等に分散させて引き揃えたものを用いるとよい。

薄層プリプレグテープのマトリックスとなる樹脂材料としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂材料又はポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、さらにはこれら熱可塑性樹脂を２種類以上混合してポリマーアロイとした樹脂等の熱可塑性樹脂材料が挙げられる。特に、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂が好ましく用いられ、一般に硬化剤や硬化触媒と組み合せて用いられる。

薄層プリプレグテープは、強化繊維材料に熱硬化性樹脂材料又は熱可塑性樹脂材料を含浸させる公知のプリプレグ製造装置により製造することができる。また、熱可塑性樹脂材料を用いる場合、強化繊維材料をフィルム状となった熱可塑性樹脂材料に熱融着等により貼り合わせたテープ材を薄層プリプレグテープとして製造することができる。

以上説明した例では、複数のテープ積層部により１回の積層動作で薄層プリプレグテープを複数積層して積層体を形成するようにしているが、薄層プリプレグテープには樹脂テープを貼り合せて様々な構造の積層体を成形することもできる。この場合、樹脂テープは、熱可塑性繊維からなる不織布、フィルムといった素材や、不織布に熱硬化性樹脂を含浸させた素材等を用いて積層することができる。

図５は、給送部２において樹脂テープを薄層プリプレグテープに貼り合せて予備形成する場合の概略構成図である。予備形成部２０１は、複数のボビンに樹脂テープＴ４〜Ｔ６をそれぞれ巻き取ったロールＲ４〜Ｒ６をセットした給送部２４０、２５０及び２６０を備え、樹脂テープＴ４〜Ｔ６が各給送部から繰り出されて重なり合うように給送されるようになっている。

給送部２４０では、樹脂テープＴ４は、片面に貼り合わされている離型シートを剥離して巻取ロールＬ４に巻き取りながら繰り出されて接着部２４１に搬送されるようになっている。接着部２４１では、ヒートローラ及びプレスローラの間を樹脂テープＴ４が圧接されながら通過するようになっている。

給送部２５０では、樹脂テープＴ５は、片面に貼り合わされている離型シートを剥離して巻取ロールＬ５に巻き取りながら繰り出されて接着部２５１に搬送されるようになっている。接着部２５１では、ヒートローラ及びプレスローラの間を樹脂テープＴ５が圧接されながら通過して切断部２５２に搬送されるようになっている。切断部２５２は、カッタ及びカッタの両側に配置された一対のニップローラを備えており、樹脂テープＴ５は、ニップローラに挟持されて両ニップローラを回転駆動することで繰り出されるようになっている。また、切断部２５２に挿入された樹脂テープＴ５は、所定の切断位置で一対のニップローラにより挟持された状態でカッタにより切断されるようになっている。切断部２５２を通過した樹脂テープＴ５は、接着部２４１に挿入されてヒートローラ及びプレスローラの間を樹脂テープＴ４と重なり合うように通過して接着するようになる。

給送部２６０では、樹脂テープＴ６は、片面に貼り合わされている離型シートを剥離して巻取ロールＬ６に巻き取りながら繰り出されて接着部２６１に搬送されるようになっている。接着部２６１は、ヒートローラ及びプレスローラの間を樹脂テープＴ６が通過して切断部２６２に搬送されるようになっている。接着部２６１では、搬送方向下流側から別の樹脂テープが搬送されてこないため、ヒートローラ及びプレスローラの間は離間されて接着処理は行われないようになっている。切断部２６２では、切断部２５２と同様に、樹脂テープＴ６は、ニップローラに挟持されて両ニップローラを回転駆動することで繰り出され、所定の切断位置で一対のニップローラにより挟持されてカッタにより切断されるようになっている。切断部２６２を通過した樹脂テープＴ６は、接着部２５１に挿入されてヒートローラ及びプレスローラの間を樹脂テープＴ５と重なり合うように通過して接着しながら搬送されて、接着部２４１に搬送されるようになっている。

樹脂テープＴ６は給送されながら切断部２６２で所定の長さに切断されて接着部２５１で樹脂テープＴ５に積層されるようになり、樹脂テープＴ５は給送されながら切断部２５２で所定の長さに切断されて接着部２４１で樹脂テープＴ４に積層されるようになる。そして、積層された樹脂テープは、ロールＲ１から繰り出された薄層プリプレグテープとともに接着部２０のヒートローラ及びプレスローラの間を重なり合うように通過して接着しながら搬送される。

こうして、樹脂テープＴ６に樹脂テープＴ４及びＴ５を積層した３層テープ、樹脂テープＴ６に樹脂テープＴ４又はＴ５を積層した２層テープ、樹脂テープＴ６のみの１層テープの３種類の厚さの樹脂テープを薄層プリプレグテープを積層して給送することができる。

図６は、給送部２において樹脂テープを薄層プリプレグテープに貼り合せて予備形成する場合の別の概略構成図である。この例では、３枚の樹脂テープを重ね合せて厚さの異なる樹脂テープを形成することができるようになっている。この場合、樹脂テープは、離型シートに熱硬化性樹脂が塗布されたシート状の素材や、離型シートに熱可塑性樹脂パウダーを分散させた熱硬化性樹脂が塗布されたシート状の素材などを用いることができる。樹脂テープは、給送部２７０、２８０及び２９０において、両面に離型シートが貼り合されてそれぞれロールＲ７〜Ｒ９に巻き取られており、ロールＲ７から繰り出された樹脂テープは片面側の離型シートを剥離して巻取ロールＬ７ａに巻き取りながら給送されていき、ヒートローラ及びプレスローラからなる接着部２８１に挿入される。

接着部２８１では、ロールＲ８から繰り出された樹脂テープが片面側の離型シートを剥離して巻取ロールＬ８ａに巻き取りながら給送されて挿入される。そのため、接着部２８１では、給送部２７０からの樹脂テープと重ね合せられた２枚の樹脂テープが加熱加圧されて貼り合された後、残りの面側の離型シートを剥離して巻取ロールＬ８ｂに巻き取りながら給送されていき、接着部２９１に挿入される。

接着部２９１では、ロールＲ９から繰り出された樹脂テープが片面側の離型シートを剥離して巻取ロールＬ９ａに巻き取りながら給送されて挿入される。そのため、接着部２９１では、接着部２８１からの貼り合せテープと樹脂テープが重ね合された状態で加熱加圧されて貼り合された後、残りの面側の離型シートを剥離して巻取ロールＬ９ｂに巻き取りながら給送されていき、接着部２０に挿入される。

接着部２０では、接着部２９１からの３枚の貼り合せテープとロールＲ１から繰り出された薄層テープが重ね合された状態で加熱加圧されて貼り合された後、残りの面側の離型シートを剥離して巻取ロールＬ７ｂに巻き取りながら給送されていく。そのた、片面側に樹脂テープが貼り合された薄層プリプレグテープを予備形成して積層ヘッド部に給送することができる。給送部２８０及び２９０では、接着部２８１及び２９１において、ヒートローラ及びプレスローラを離間させた状態に設定することで、樹脂テープの貼り合せを停止することができ、２枚又は３枚の貼り合せテープ及び１枚の樹脂テープを必要に応じて予備形成して厚さの異なる樹脂テープを薄層プリプレグテープに貼り合せることが可能となる。

図７は、プリプレグテープの積層装置に関する別の実施形態を示す概略構成図である。この例では、テープ積層部として、幅方向に配列された複数枚の薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を同時に積層する複数のマルチ積層部を備えている。複数のマルチ積層部により積層動作方向に沿って複数の積層位置が設定されており、幅方向に配列された薄層プリプレグテープＴ１〜Ｔ３を１回の積層動作により同時に積層することができる。

図７に記載された積層装置１’では、積層ヘッド部４’は、３つのマルチ積層部４Ａ〜４Ｃが調整部４８’に取り付けられており、移動部５’に積層ヘッド部４’が取り付けられている。マルチ積層部４Ａには、給送部２Ａ及び搬送部３Ａから複数枚の薄層プリプレグテープＴ１が幅方向に並列して搬入されるようになっており、同様に、マルチ積層部４Ｂには、給送部２Ｂ及び搬送部３Ｂから、マルチ積層部４Ｃには、給送部２Ｃ及び搬送部３Ｃから、それぞれ複数枚の薄層プリプレグテープＴ２及びＴ３が並列搬送されて搬入されるようになっている。給送部２Ａ〜２Ｃは、上述した給送部２と同様に、複数枚の薄層プリプレグテープＴ２及びＴ３をロールから繰り出して幅方向に並列しながら給送するようになっている。

図８は、図７の矢印Ｂ方向からみたマルチ積層部４Ａ及び搬送部３Ａに関する一部拡大図である。搬送部３Ａは、給送部２Ａから並列して給送される複数枚の薄層プリプレグテープＴ１を２つに分けて調整部４８’の両側部に取り付けられた一対の搬送ローラ３０Ａに搬送し、搬送ローラ３０Ａにより並列搬送された薄層プリプレグテープＴ１は、個別に搬送ローラ３１Ａ及び３２Ａに案内されて調整部４８’の側方から下方に回り込むように搬送される。搬送ローラ３１Ａ及び３２Ａは、回転軸の軸方向が搬送ローラ３０Ａと直交する方向となるように調整部４８’に対して図示せぬ取付部材に取り付けられており、薄層プリプレグテープＴ１は搬送ローラ３０Ａから捩れるように搬送ローラ３１Ａに案内されるようになる。そのため、薄層プリプレグテープＴ１が調整部４８’の側部及び下部の表面と略平行と
なるように搬送されて調整部４８’と不用意に接触しないようになっている。

薄層プリプレグテープＴ１は、搬送ローラ３２Ａから調整ローラ３３Ａに案内される。調整ローラ３３Ａは、調整部４８’の下方に位置調整可能に取り付けられており、調整部４８’の両側から２つに分けて搬送されてきた複数枚の薄層プリプレグテープＴ１を合流させて下方のマルチ積層部４Ａに向かって幅方向に並列配置しながら案内するようになっている。マルチ積層部４Ａでは、上述したテープ積層部４ａと同様に、各薄層プリプレグテープＴ１が一対のガイド部を通過して圧接部４０Ａにセットされるようになっている。圧接部４０Ａは、並列配置された薄層プリプレグテープＴ１全体の幅方向の長さよりも長い圧接部材を備えており、圧接部材の積層領域に対向する圧接面は曲面状に形成されている。そのため、薄層プリプレグテープＴ１は圧接面に沿って積層領域にスムーズに案内されて密着するようになる。圧接部４０Ａは、バネ等の弾性部材により圧接部材を付勢して圧接面が積層領域に押圧されて摺接するように設定されており、薄層プリプレグテープＴ１は積層領域に圧着することで仮接着されるようになる。

また、一対のガイド部の間には、テープ積層部４ａと同様に、ニップローラ及びカッタが配置されており、ニップローラにより薄層プリプレグテープＴ１を圧接部４０Ａに向かって引き出して積層動作を行い、カッタにより薄層プリプレグテープＴ１を所定の長さで切断するようになっている。複数枚の薄層プリプレグテープＴ１は、圧接部４０Ａの基体表面に対する圧接面に幅方向に隙間なく配列するように引き出されて、圧接部４０Ａの圧接動作により基体表面に圧接されて積層されるようになっている。したがって、幅広い積層領域を複数枚の薄層プリプレグテープＴ１で一度に積層することができるようになる。

マルチ積層部４Ｂ及び４Ｃについても、上述したマルチ積層部４Ａと同様に構成されており、マルチ積層部４Ａ〜４Ｃを積層動作方向に所定間隔を空けて配列することで、一回の積層動作により幅広い積層領域を複数枚の薄層プリプレグテープで一挙に積層することができる。マルチ積層部４Ａ〜４Ｃの積層動作方向の下流側には、積層ローラ４６が調整部４８’に支持部材４７を介して取り付けられている。積層ローラ４６は、積層動作により仮接着された薄層プリプレグテープ全体の幅の長さよりも長い円柱状に形成されており、積層された薄層プリプレグテープを加圧又は加熱加圧して確実に接着させるようになっている。このように、複数のマルチ積層部により複数の薄層プリプレグテープを仮接着した後積層ローラにより複数の薄層プリプレグテープをまとめて接着させて積層成形しているので、積層ヘッド部の構成をコンパクト化することができる。上述した例では、３つのマルチ積層部を設けているが、４つ以上のマルチ積層部を設けた場合でも、積層されて仮接着された薄層プリプレグテープを積層ローラにより一括して確実に積層成形することが可能となる。

調整部４８’では、マルチ積層部４Ａを圧接部４０Ａに配列された薄層プリプレグテープの幅方向である位置調整方向Ｍに移動させて積層位置の調整を行い、マルチ積層部４Ａの積層位置の調整動作に合わせて調整ローラ３３Ａを同じ方向に移動させて位置調整を行うようになっている。こうした位置調整手段としては、上述した調整部４８と同様の手段を用いることができる。マルチ積層部４Ｂ及び４Ｃについてもマルチ積層部４Ａと同様の位置調整手段により位置調整方向Ｍに個別に移動して積層位置の調整を行うようになっている。そのため、各マルチ積層部が積層する薄層プリプレグテープが完全に重なり合った状態で積層する積層動作以外に、積層する薄層プリプレグテープを幅方向にずらして積層動作を行うこともできる。

図９から図１１は、マルチ積層部の積層位置の調整により積層動作に関する説明図である。各図（ａ）は、積層された厚さ方向の断面を示す模式図であり、各図（ｂ）は、マルチ積層部４Ａ〜４Ｃの積層動作により積層状態を示す説明図である。図９では、マルチ積層部４Ａ〜４Ｃは、積層動作方向Ｓに沿って所定間隔で配列されており、積層する薄層プリプレグテープが完全に重なり合うように幅方向に積層位置の調整がなされている。図１０では、マルチ積層部４Ａ〜４Ｃは、積層する薄層プリプレグテープが幅方向にずれて互いに一部だけ重なり合うように積層位置の調整がなされている。こうして積層成形された場合、薄層プリプレグテープの境界線が各層でずれるようになり、各層の境界線が揃っている場合に比べて強度的に均質化した積層成形物を得ることができる。図１１では、マルチ積層部４Ａ〜４Ｃは、積層する薄層プリプレグテープが互いに重なり合わないように積層位置の調整がなされており、１回の積層動作で、より広範囲の積層領域を積層することが可能となって作業効率の向上を図ることができる。

図７に示す例では、１つの積層ローラにより接着させるようにしているが、積層領域が凹凸形状となっている場合には、１つの積層ローラでは積層領域に対して追従して積層動作を行うことが難しくなる。そのため、積層ローラを複数の分割ローラで構成することで積層領域の形状に合わせて積層動作を容易に行うようにしてもよい。

図１２は、積層ローラを複数の分割ローラで構成して配置した変形例に関する概略構成図である。この例では、積層ローラとして分割ローラ４６ａ及び４６ｂを２段にずらして配置するようにしている。分割ローラ４６ａ及び４６ｂは、積層ローラ４６と同様に、支持部材４７ａ及び４７ｂを介して調整部４８’に取り付けられている。図１３は、分割ローラの配置レイアウトを示す説明図である。積層動作方向Ｓに対して、上流側に分割ローラ４６ａが所定の間隔を空けて配置されており、下流側に分割ローラ４６ｂが分割ローラ４６ａの間に所定の間隔を空けて配置されている。そのため、積層動作方向Ｓに分割ローラ４６ａ及び４６ｂが移動した場合に、分割ローラの間に隙間が生じることなく積層動作を行うことができる。また、積層領域に凹凸形状がある場合でも凹凸形状に合わせて分割ローラを個別に上下動させて追従させることが可能で、積層動作に使用しない一部の分割ローラを待機位置に移動させておくこともできる。

図７に示す例では、マルチ積層部は、複数枚の薄層プリプレグテープを積層ローラにより一括して接着させるようにしているが、図１に示すように、テープ積層ローラを薄層プリプレグテープ毎に取り付けてテープ積層部に構成し、薄層プリプレグテープを個別に積層するように構成することもできる。このように、複数のテープ積層部を薄層プリプレグテープの幅方向に並列配置して個別に積層動作を行うようにすることで、テープ積層部の間隔を調整して薄層プリプレグテープの積層動作を行うことができる。

図１４は、並列配置された複数のテープ積層部の間隔調整を行うための間隔調整機構の一例を示す概略構成図である。この例では、調整部４８’は、円筒状の回転体４８ａ’、回転体４８ａ’を軸支する回転軸体４８ｂ’、回転体４８ａ’の表面に形成された複数の間隔調整用溝４８ｃ’及び間隔調整用溝４８ｃ’にそれぞれ摺動可能に嵌合した複数の支持体４８ｄ’を備えている。

間隔調整用溝４８ｃ’は、支持体４８ｄ’の間隔を等間隔で拡大縮小しながら回転軸体４８ｂ’の軸方向に沿って移動するように形成されている。支持体４８ｄ’は、ガイドバー４８ｅ’により回転軸体４８ｂ’の軸方向にのみ移動するように規制されており、そのため回転体４８ａ’を回転動作させることで、支持体４８ｄ’を等間隔に保持した状態で移動させることができる。

なお、こうした間隔調整機構としては、上述した以外の機構を用いることもでき、特に限定されない。例えば、マジックハンド等に使用されるリンク機構の軸支部分に支持体を取り付けてリンク機構を伸縮動作させることで、等間隔を保持した状態で支持体の間隔を調整することができる。

回転体４８ａ’は、回転軸体４８ｂ’に中心軸に沿って移動可能に取り付けられており、軸方向に位置調整可能となっている。支持体４８ｄ’には、テープ積層部がそれぞれ取り付けられており、図１４では、マルチ積層部４Ａ’の各テープ積層部がそれぞれ支持体４８ｄ’に取り付けられている。そのため、回転体４８ａ’の軸方向の位置調整によりマルチ積層部４Ａ’全体の積層位置の調整が行われ、回転体４８ａ’の回転動作により各テープ積層部の間隔調整が行われて各テープ積層部の積層位置の調整が行われる。マルチ積層部４Ｂ’及び４Ｃ’についても、マルチ積層部４Ａ’と同様に、各テープ積層部の積層位置の調整が行われるようになっている。

図１５から図１７は、図１４に示すマルチ積層部の積層位置の調整により積層動作に関する説明図である。各図（ａ）は、積層された厚さ方向の断面を示す模式図であり、各図（ｂ）は、マルチ積層部４Ａ’〜４Ｃ’の積層動作により積層状態を示す説明図である。図１５では、マルチ積層部４Ａ’〜４Ｃ’は、積層動作方向Ｓに沿って所定間隔で配列されており、積層する薄層プリプレグテープが完全に重なり合うように幅方向に積層位置の調整がなされている。図１６では、マルチ積層部４Ａ’〜４Ｃ’は、薄層プリプレグテープの幅の半分だけ間隔を空けるようにテープ積層部の積層位置を調整し、積層する薄層プリプレグテープが幅方向に半分ずつずれて互いに一部だけ重なり合うようになっている。こうして積層成形された場合、薄層プリプレグテープは、全体として薄層プりプレグテープを２層分積層した状態となっている。図１７では、マルチ積層部４Ａ’〜４Ｃ’は、薄層プリプレグテープの幅の２倍の間隔を空けるようにテープ積層部の積層位置を調整して積層する薄層プリプレグテープが互いに重なり合わないようになっており、１回の積層動作で、より広範囲の積層領域を積層することが可能となって作業効率の向上を図ることができる。

以上説明したように、薄層プリプレグテープを重ね合せて積動動作を行い、薄層プリプレグテープの積層位置を調整することで、薄層プリプレグテープの積層形態を様々な形態に変化させることが可能となり、積層領域の形状に合わせてきめ細かく積層することができる。なお、薄層プリプレグテープを重ね合せる積層位置で固定して積層動作を行うこともでき、重ね合せる枚数に応じて積層する厚さをきめ細かく設定することが可能となる。

１・・・プリプレグテープの積層装置、２・・・給送部、３・・・搬送部、４・・・積層ヘッド部、５・・・移動部

Claims

複数のプリプレグテープを給送する給送部と、給送された複数の前記プリプレグテープを搬送する搬送部と、搬送された複数の前記プリプレグテープを基体表面の積層領域にそれぞれ接着させる積層ヘッド部と、前記積層ヘッド部を前記積層領域に対して相対移動させる移動部とを備えているプリプレグテープの積層装置において、前記積層ヘッド部は、積層動作方向に配列された複数のテープ積層部と、前記テープ積層部を前記プリプレグテープの幅方向に前記プリプレグテープの重なり度合いを調整するように位置調整する調整部とを備えているプリプレグテープの積層装置。
前記搬送部は、前記テープ積層部の搬送方向上流側において前記プリプレグテープを前記テープ積層部に導入する調整ローラを備えており、前記調整ローラは、回転軸の軸方向が前記テープ積層部の位置調整方向と直交するように設定されている請求項１に記載の積層装置。
前記搬送部は、前記プリプレグテープを前記調整ローラに搬送する搬送ローラを備えており、前記搬送ローラは、前記調整ローラに対して前記位置調整方向側に配置されている請求項２に記載の積層装置。
前記テープ積層部は、前記プリプレグテープの幅方向にも配列されており、前記調整部は、前記プリプレグテープの幅方向での前記テープ積層部の間隔を調整して位置調整する請求項１から３のいずれかに記載の積層装置。
前記調整部は、前記プリプレグテープが全部又は部分的に重なり合うように前記テープ積層部を位置調整可能である請求項１から４のいずれかに記載の積層装置。
前記調整部は、前記プリプレグテープが重なり合うことなく幅方向に配列するように前記テープ積層部を位置調整可能である請求項１から４のいずれかに記載の積層装置。
前記テープ積層部の前記積層動作方向下流側には、幅方向に配列されて積層された前記プリプレグテープを同時に接着させる積層ローラを備えている請求項１から６のいずれかに記載の積層装置。
前記積層ローラは、複数の分割ローラを配置して構成されている請求項７に記載の積層装置。
複数のプリプレグテープを積層ヘッド部に搬送し、前記積層ヘッド部において積層動作方向に沿って配列された複数のテープ積層部により、前記テープ積層部を前記プリプレグテープの幅方向に前記プリプレグテープの重なり度合いを調整するように位置調整して基体表面の積層領域に前記プリプレグテープを重ね合せて接着させる積層動作を行い、積層された前記プリプレグテープを一体化させて成形するプリプレグテープの積層方法。
前記プリプレグテープは、前記テープ積層部の搬送方向上流側に配置された調整ローラにより幅方向が位置調整方向と直交する方向となるように捩られながら前記テープ積層部に導入される請求項９に記載の積層方法。
前記プリプレグテープは、前記調整ローラの搬送方向上流側で前記位置調整方向側に配置された搬送ローラにより前記調整ローラに搬送される請求項１０に記載の積層方法。
前記プリプレグテープが全部又は部分的に重なり合うように位置調整する請求項９から１１のいずれかに記載の積層方法。
前記プリプレグテープが重なり合うことなく幅方向に配列するように位置調整可能である請求項９から１１のいずれかに記載の積層方法。
前記プリプレグテープは、樹脂含浸状態での厚さが２０μｍ〜８０μｍである請求項９から１３のいずれかに記載の積層方法。