JP7045037B2

JP7045037B2 - 繊維シート集合体の製造装置

Info

Publication number: JP7045037B2
Application number: JP2018076168A
Authority: JP
Inventors: 潔鵜澤; 俊英関戸; 圭一山岡
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT); Shibuya Corp
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT); Shibuya Corp
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2038-04-11
Also published as: JP2019181820A

Description

本発明は繊維シート集合体の製造装置に関し、より詳しくは、樹脂によりテープ状に纏められた繊維シートを上下に積み重ねて不規則に配置させ、該繊維シートを加熱して繊維シート同士を接合することにより、複数の繊維シートからなる繊維シート集合体を形成する繊維シート集合体の製造装置に関する。

従来、繊維シート集合体の製造装置として、搬送コンベヤ上の短冊状の繊維シートを保持して移送するロボットと、該ロボットに保持された繊維シートにレーザ光を照射して加熱するレーザ発振器とを備えたものが知られている。（特許文献１）
上記ロボットは、搬送コンベヤ上の繊維シートを保持して該繊維シートをトレイ上にある下方側の繊維シートに重ね合わせる。その状態でロボットに保持された繊維シートにレーザ光が照射されて加熱されるとともに、該繊維シートが下方へ押圧され、それによりロボットに保持された繊維シートの一部が溶融して、下方側の繊維シートに溶着される。この積層作業が繰り返されて複数の繊維シートからなる繊維シート集合体が製造される。

また従来、上下に積み重なって不規則に配置された繊維シートを加熱して繊維シート同士を接合することにより、複数の繊維シートからなる繊維シート集合体を形成する繊維シート集合体の製造装置も知られている。（特許文献２）
特許文献２においては、その図１に示されているように、先ず布地１をスリッタ及びカッタ２により所定の形状に切断して繊維シート（布地パッチ）３を製造し、次に切断した繊維シート３をタンブラー４によって不規則にコンベヤベルト６上に落下させ、さらに該コンベヤベルト６上の不規則な状態の繊維シート３を吸引ヘッド８によって吸引している。
特許文献２においては、上記吸引ヘッド８によって吸引した繊維シート３をその後どのように処理するのかは具体的には記載されていないが、繊維シートを不規則に配置し、次に繊維シートを成形機の周りに層状に分布させ、さらに樹脂を活性化して繊維シート同士を接合するという工程が記載されている。したがって、上記吸引ヘッド８によって不規則な状態で吸引した繊維シートを成形機の周りに配置し、次にその状態で成形機により加熱して繊維シート同士を接合するようにしているものと解される。

特開２０１７－２１７８９５号公報特表２００６－５０１０８５号公報

特許文献１の製造装置においては、ロボットで保持した繊維シートをトレイ上にある下方側の繊維シートに重ね合わせ、その状態でレーザ光を加熱して繊維シート同士を接合するようにしているので、繊維シートの繊維方向を正確にコントロールした状態で確実に繊維シート同士を接合することができても、大量生産に向く製造装置ではなかった。
また特許文献２の製造装置においては、上記吸引ヘッド８によって不規則な状態で吸引した繊維シートを成形機の周りに配置してから、それを加熱するようにしているので、やはり大量生産に向く製造装置ではなかった。
本発明はそのような事情に鑑み、従来に比較して繊維シート集合体を大量生産することが可能な繊維シート集合体の製造装置を提供するものである。

請求項１の発明は、樹脂によりテープ状に纏められた繊維シートを供給する供給機構と、上記供給機構から供給された多数の繊維シートを搬送する搬送機構と、上記搬送機構によって搬送される多数の繊維シートに向けてレーザ光を照射するレーザ光照射機構とを備え、
上記供給機構は、駆動装置によって振動される振動フィーダを有し、当該振動フィーダの先端部より上記搬送機構上に繊維シートを落下させることによって上下に積み重なって不規則に配置された状態で繊維シートを搬送機構上に供給するようになっており、
上記レーザ光照射機構は、上記搬送機構上の繊維シートにレーザ光を照射して、上下に不規則に積み重なった上記繊維シート同士を接合することにより、複数の繊維シートからなる繊維シート集合体を形成することを特徴とするものである。

本発明においては、各繊維シートを上下に積み重なって不規則に配置された状態で上記搬送機構によって搬送させ、その状態で搬送機構上の繊維シートにレーザ光を照射することにより、上下に積み重なった上記繊維シート同士を接合させて繊維シート集合体を形成するようにしているので、従来の製造装置に比較して繊維シート集合体を大量に製造することが可能となる。

本発明の実施例を示す正面図。図１の平面図。レーザ照射機構１１を示す詳細図。レーザ光Ｌの照射状態を説明する平面図。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１、図２において、繊維シート１は単一方向のみに繊維が並ぶように配置された例えばカーボン繊維を熱可塑性樹脂でテープ状に纏めて成形されており、ホッパ２内に多数収容されている。
上記繊維シート１はいわゆるＵＤ（ＵｎｉＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ（単一方向配向））炭素繊維であり、単一方向のみに無数の炭素繊維が配置されており、それらをナイロン樹脂などの熱可塑性樹脂によりテープ状に纏めて成形されたものとなっている。
上記炭素繊維としては、東レ株式会社製トレカ（登録商標）Ｔ７００×１２Ｋ、長さ１０～５０ｍｍを用いることができ、また炭素繊維の他にも、ガラス繊維、ＳｉＣ繊維、ボロン繊維等を用いても良い。
また繊維シート１の熱可塑性樹脂としては、ナイロン樹脂の他、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＫＫ樹脂、ポリカーボネイト樹脂等もよく、半硬化のエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂等を用いても良い。
上記ホッパ２内の繊維シート１は、該ホッパ２の下端開口から所定量ずつ振動フィーダ３上に落下供給され、さらに該振動フィーダ３から搬送機構４上に落下供給されるようになっている。
上記振動フィーダ３はホッパ２の下方から搬送機構４に向けて下方に傾斜しており、図示しない駆動装置により搬送方向、直交方向、前後方向並びに上下方向に振動されて繊維シート１を搬送機構４に向けて前進させ、該振動フィーダ３の先端部より搬送機構４上に多数の繊維シート１を不規則な状態で、かつ層状に落下させることができるようになっている。
本実施例では上記ホッパ２と振動フィーダ３とによって、繊維シート１を搬送機構４に供給する供給機構５が構成されている。

上記搬送機構４は、上流側から下流側へ第１コンベヤ６、第２コンベヤ７および第３コンベヤ８を直列に配置した構成を備えており、上記振動フィーダ３からの繊維シート１は最上流側の第１コンベヤ６上に落下供給されるようになっている。
上記第１コンベヤ６は駆動ローラ９と従動ローラ１０との間に無端状に水平に掛け渡されており、上記駆動ローラ９は駆動モータ１１によって回転駆動されて、第１コンベヤ６の上側部分６ａの上面で繊維シート１を不規則に積層した状態で図１、図２の右方向に搬送することができるようになっている。
上記第１コンベヤ６の搬送方向中央部位置には、上記層状の繊維シート１を上下方向に圧縮押圧する上下各一対の押圧ローラ１５を設けてある。上下各一対の押圧ローラ１５はそれぞれ樹脂又は金属で構成してあり、両者間で繊維シート１とこれを載置した第１コンベヤ６の上側部分６ａとを挟んで層状の繊維シート１を圧縮押圧できるようになっている。
図示実施例では上下各一対の押圧ローラ１５を搬送方向に６組配置してあり、各押圧ローラ１５は図示しないギヤ又はチェーンとモータとで構成される駆動機構１６（図２）によって繊維シート１を搬送する方向に回転駆動されるようになっている。
上記６組の押圧ローラ１５は３組ずつを等間隔に配置してあり、かつ搬送方向上流側の３組の押圧ローラ１５と搬送方向下流側の３組の押圧ローラ１５との間は間隔を大きくとって、その大きな間隔を介してレーザ光照射機構１７から発振されたレーザ光Ｌを層状の繊維シート１の上面に照射することができるようにしてある。

上記レーザ光照射機構１７は、図３に示すように、レーザ発振器１８、コリメータ１９、ガルバノミラー２０およびｆθレンズ２１を１組として、これを４組備えており、レーザ発振器１８から発振されたレーザ光Ｌはコリメータ１９によって平行にされ、さらにガルバノミラー２０によって繊維シート１の搬送方向と直交する左右方向に振られるようになり、また上記ｆθレンズ２１はガルバノミラー２０によって振られたレーザ光Ｌの焦点ｆの位置を一定高さに保つようになっている。
上記レーザ発振器１８は、熱可塑性樹脂への吸収性が良好な８００ｎｍ～５μｍの波長域を有するレーザ光Ｌを発振することができるものが好ましく、ファイバーレーザ発振器や半導体レーザ発振器を用いることができる。またその出力は、熱可塑性樹脂の種類や、製造しようとする繊維シート集合体の厚さなどによって適宜選択すればよい。

上記ｆθレンズ２１によるレーザ光Ｌの焦点ｆの位置は、第１コンベヤ６上の繊維シート１の上面よりも所定距離だけ離した上方位置に設定してあり、それによって繊維シート１および第１コンベヤ６を損傷させることがないようにしてある。
上記第１コンベヤ６はレーザ光Ｌによって損傷を受けることがないように金属製のベルトコンベヤによって構成することが好ましいが、上述したようにレーザ光Ｌの焦点ｆの位置を第１コンベヤ６の上面から離してあるので、耐熱性のある樹脂やゴムのベルトコンベヤによって構成してもよい。
上記４つのレーザ発振器１８は、いずれも第１コンベヤ６による繊維シート１の搬送と同期してレーザ光Ｌを発振するようになっており、また各ガルバノミラー２０もそれらと同期して作動されるようになっている。
これにより図４に示すように、レーザ光Ｌは前進される繊維シート１に対して４列でそれぞれジグザグ状に照射されるようになり、これによって各繊維シート１の熱可塑性樹脂が溶融されて各繊維シート１同士が相互に接着されて繊維シート集合体１Ａが形成されるようになる。
この際、層状の繊維シート１は上流側の３組の押圧ローラ１５によって相互に押圧されているので、上記レーザ光Ｌを照射することによって密着した状態で接着されるようになり、またレーザ光Ｌの照射後も下流側の３組の押圧ローラ１５によって継続して相互に押圧されるので、確実に密着した状態で接着されるようになる。

上述したように、レーザ光Ｌは繊維シート１に対して４列でそれぞれジグザグ状に照射されるが、本実施例では所定の長さ分の領域だけレーザ光Ｌを繊維シート１に照射したら、レーザ光Ｌを照射しない領域Ｚを設けるようにしており、この照射しない領域Ｚによって搬送方向前後の照射領域部分すなわち接着領域部分を相互に分割することができるようにしている。これにより所定長さの照射領域部分による所定長さの繊維シート集合体１Ａが得られるようになる。
なお、図４に示す実施例では４列のジグザグ状の照射位置を幅方向（搬送方向と直交する方向）で相互に所要の間隔をあけるように設定しているが、互いに密着もしくは重合するようにレーザ光Ｌを照射してもよい。また４つのレーザ発振器１８を設けることなく、１つのレーザ発振器１８からのレーザ光を分光して複数のガルバノミラー２０に導くようにしてもよい。

次に、上記搬送機構４を構成する第２コンベヤ７は第１コンベヤ６の下流側に連続して設けてあり、該第２コンベヤ７は第１コンベヤ６によって搬送されてきた繊維シート１若しくは繊維シート集合体１Ａの上面を吸着保持して搬送することができるようになっている。
第２コンベヤ７は駆動ローラ２５と従動ローラ２６との間に無端状に水平に掛け渡されており、第２コンベヤ７の下側部分７ｂが第１コンベヤ６によって搬送されてきた繊維シート集合体１Ａの上面の高さに一致するように配置してある。
上記第２コンベヤ７は吸引穴が多数形成されたベルトコンベヤ又はメッシュコンベヤから構成されており、第２コンベヤ７の上側部分７ａと下側部分７ｂとの間に吸引ボックス２７を設けて該吸引ボックス２７の下面を第２コンベヤ７の下側部分７ｂの上面に摺接するように配置してある。
上記吸引ボックス２７内には負圧源３０（図２）から負圧を導入するとともに、吸引ボックス２７の下面に多数の吸引穴を形成し、それによって第２コンベヤ７の下側部分７ｂの下面に繊維シート１を吸着保持できるようにしてある。すなわち上記吸引ボックス２７と負圧源３０とによって、レーザ光が照射された繊維シート１の上面のみを保持して搬送する上面保持手段を構成してある。
上記駆動ローラ２５は駆動モータ２８によって回転駆動されて、第２コンベヤ７の下側部分７ｂに吸着保持した繊維シート１を図１、図２の右方向に搬送することができるようになっている。

上記第２コンベヤ７の下方には回収ボックス２９を設けてあり、上記第２コンベヤ７の下側部分７ｂに吸着保持されて搬送される繊維シート集合体１Ａから、上記レーザ光Ｌによって接着されなかった繊維シート１を落下させて回収ボックス２９で回収できるようにしてある。
この際、上述したレーザ光Ｌを照射しない領域Ｚから落下される繊維シート１も回収ボックス２９で回収するようになっており、該領域Ｚから繊維シート１を落下させることにより、搬送方向に連続した繊維シート１を所定長さの繊維シート集合体１Ａに分割させることができるようになっている。
なお、上記吸引ボックス２７に該吸引ボックス２７を振動させる振動手段を設けたりエアを吹き付けたりして、接着されていない繊維シート１を良好に振るい落とすことができるようにすることが好ましい。また、回収ボックス２９で回収した繊維シート１は、図示しない搬送手段によってホッパ２に循環供給することができるようにしてもよい。

上述のようにして分離されて第２コンベヤ７によって搬送される繊維シート集合体１Ａは、該第２コンベヤ７から第３コンベヤ８に受け渡される。
上記第３コンベヤ８は第１コンベヤ６と同様に、駆動ローラ３３と従動ローラ３４との間に無端状に水平に掛け渡されており、上記駆動ローラ３３は駆動モータ３５によって回転駆動されて、第３コンベヤ８の上面で繊維シート集合体１Ａを図１、図２の右方向に搬送することができるようになっている。
上記第３コンベヤ８の下流側には、ロボットなどの搬出機構３６を設けてあり、該搬出機構３６は第３コンベヤ８によって搬送されてきた繊維シート集合体１Ａを吸着保持して第３コンベヤ８に隣接させて設けた回収テーブル３７上に搬出することができるようになっている。

なお、上記回収テーブル３７は、繊維シート集合体１Ａを処理する図示しない処理装置に繊維シート集合体１Ａを供給する供給コンベヤであってもよく、或いは搬出機構３６を省略して、第３コンベヤ８を上記供給コンベヤとして用いることも可能である。
また、上記実施例ではレーザ光Ｌを照射しない領域Ｚを設けるようにしているが、その代わりにカッタを設けて連続した繊維シート集合体１Ａを切断するようにしてもよく、或いは上記振動フィーダ３よる供給を一時的に停止して、予めピッチをあけた状態で繊維シート１を供給するようにしてもよい。
さらに上記実施例では複数の押圧ローラ１５によって層状の繊維シート１を押圧圧縮させるようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば第１コンベヤ６に同期追従するプッシャを設けてもよい。すなわち該プッシャを第１コンベヤ６の搬送方向に同期させて移動させながら下降させて繊維シートを押圧させ、次に上昇させて元の下降開始位置まで復帰させてこれを繰り返すようにしてもよい。

１繊維シート４搬送機構
５供給機構１５押圧ローラ
１７レーザ光照射機構２７吸引ボックス（上面保持手段）
Ｌレーザ光Ｚ領域

Claims

樹脂によりテープ状に纏められた繊維シートを供給する供給機構と、上記供給機構から供給された多数の繊維シートを搬送する搬送機構と、上記搬送機構によって搬送される多数の繊維シートに向けてレーザ光を照射するレーザ光照射機構とを備え、
上記供給機構は、駆動装置によって振動される振動フィーダを有し、当該振動フィーダの先端部より上記搬送機構上に繊維シートを落下させることによって上下に積み重なって不規則に配置された状態で繊維シートを搬送機構上に供給するようになっており、
上記レーザ光照射機構は、上記搬送機構上の繊維シートにレーザ光を照射して、上下に不規則に積み重なった上記繊維シート同士を接合することにより、複数の繊維シートからなる繊維シート集合体を形成することを特徴とする繊維シート集合体の製造装置。
上記繊維シートの搬送方向に沿って上記レーザ光照射機構によって繊維シートにレーザ光を照射する領域とレーザ光照射機構によってレーザ光を照射しない領域とが設けられるようになっており、該レーザ光を照射しない領域によって搬送方向に分割された所要長さの繊維シート集合体が形成されることを特徴とする請求項１に記載の繊維シート集合体の製造装置。
上記搬送機構は、上記レーザ光照射機構の下流側に、レーザ光が照射された繊維シートの上面のみを保持して搬送する上面保持手段を備えており、該上面保持手段で繊維シート集合体を搬送する間に、上記繊維シート集合体の下面から未接合の繊維シートが脱落されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の繊維シート集合体の製造装置。
上記搬送機構の搬送経路に沿って上記レーザ光の照射位置の隣接上流位置および隣接下流位置に、上記搬送機構上の層状の繊維シートを圧縮押圧する押圧手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の繊維シート集合体の製造装置。
上記押圧手段は、上記搬送機構の搬送方向に直交させて配置した複数の押圧ローラから構成され、
上記レーザ光照射機構は、上記複数の押圧ローラ間に設けられた間隙から上記レーザ光を繊維シートに向けて照射することを特徴とする請求項４に記載の繊維シート集合体の製造装置。