JP7145348B2 - 一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造方法及び設備 - Google Patents
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Description
ホットメルト樹脂塗布ガイドローラ、及び多段階で平行交互に直列配置された品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールからなる開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置を含み、1群の押出設備ダイヘッドは塗布の方式により押し出されたホットメルト樹脂をホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布し、厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を形成するものであり、ホットメルト樹脂塗布ガイドローラの回転により、1群のホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布された厚さが均一なホットメルト樹脂膜層が一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体に同期的に塗布される一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。
S1:クリールに配置される各束の繊維束の張力がそれぞれ設定可能な1群の糸掛け回転軸により、複数束の繊維を同期に一方向連続繊維予備カーディング装置に輸送し、オーブンを経て繊維束の嵩高処理を完成させる。
S2:繊維フラット化装置及び繊維摩擦帯電装置により複数束の連続繊維を均一にフラット化する。
S3:1群の押出設備ダイヘッドにより押出されたホットメルト樹脂をホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布し、厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を形成する。
S4:ホットメルト樹脂塗布ガイドローラの回転運動により、1群のホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布された厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を同期に一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体に塗布する。
S5:ホットメルト樹脂と予備融合した一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体が多段階で平行交互に直列配置された開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置に入り、ホットメルト樹脂と繊維との効率的な融合を実現する。
S6:ホットメルト樹脂と効果的に融合した後の一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体は、主牽引の駆動力の作用下で連続的に冷却、定型装置を経て巻き取られることで一方向連続繊維強化樹脂複合材料を形成する。
2、フラット化ユニット
21、第1群のフラット化ユニットモジュール
22、第2群のフラット化ユニットモジュール
23、第3群のフラット化ユニットモジュール
24、糸通し部材
25、背部補強部材
26、押上機構
3、押出溶融樹脂のダイヘッド
31、連続繊維の下部に設けられる押出溶融樹脂のダイヘッド
4、ホットメルト樹脂塗布ガイドローラ
41、連続繊維の下部に設けられるホットメルト樹脂塗布ガイドローラ
5、正品字状構造浸漬塗布ユニットモジュール
6、逆品字状構造浸漬塗布ユニットモジュール
7、冷却装置
80、クリール
81、カーディングフレーム
82、オーブン
83、繊維摩擦帯電装置
84、縁切りカッター
85、牽引装置
86、移行ローラ
87、巻取ローラ
88、摩擦部材
89、往復運動機構
90、下部支架
91、直線運動対偶
92、軸受座
93、スプロケット
94、ラック
95、上下調節装置
96、縦切断装置
97、横切断装置。
図4に示すように、複数ロールの連続繊維をクリール80に置き、そして各繊維をカーディングフレーム81に引いて複数の繊維束からなる一列の連続繊維1を形成し、その後、第1群のフラット化ユニットモジュール21と通して繊維を予備的にフラット化し、各本の糸の水平高さを同一水平面に制限する。さらに、複数の繊維束からなる一列の連続繊維1はオーブン82を通して嵩高になるため、さらなる糸展開に有利である。連続繊維1はオーブン82から出た後、第2群のフラット化ユニットモジュール22に入り、続いて繊維摩擦帯電装置83、第3群のフラット化ユニットモジュール23を通過し、このときの連続繊維1のフラット化性は理想的な状態に達し、樹脂との浸潤過程に供される。
各力をX軸に投影すると、F2cosθ=F1cosθ+Ffである 式(2)
各力をY軸に投影すると、F2sinθ+F1sinθ=FNである 式(3)
繊維がローラを通過した後の張力をローラを通過する前のk倍に定義すると、F2=kF1である 式(4)
クリール80に掛けられる複数ロールの連続繊維はカーディングフレーム81を経た後、一列の連続繊維1となり、3群のフラット化ユニットモジュール21,22,23、オーブン82及び繊維摩擦帯電装置83を経て一列のフラット化性及び均一性に優れた連続繊維1となり、押出機により押し出された熱可塑性溶融樹脂と共にホットメルト樹脂塗布ガイドローラ4及び多段階で平行交互に直列配置された開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置を経て十分に浸潤され、最後に冷却装置7を経て冷却され、縁切りカッター84を経て縁部が除去され、次に牽引装置85、移行ローラ86、巻取ローラ87を経て一方向連続繊維強化熱可塑性プリプレグテープロール製品が得られる。
一定の長さを有する薄片型一方向繊維強化樹脂体の製造
図12に示すように、実施例1、2と同じ製造方法により、牽引85を経て一方向連続繊維強化樹脂複合材料を得る。上記連続繊維とホットメルト樹脂とを効果的に融合した後の一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体は、主牽引85の駆動作用下で連続的に上記縦切断装置96を経て、一列の連続繊維とホットメルト樹脂融合ユニットをその幅方向に沿って均一に切断する。その後、上記横切断装置97により設定された長さで切断し、上記一定の長さを有する薄片型一方向繊維強化樹脂体を製造する。
Claims (12)
- ホットメルト樹脂塗布ガイドローラ、及び多段階で平行交互に直列配置された品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールからなる開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置、ロールプレス浸漬塗布装置の前のフラット化装置、及び繊維摩擦帯電装置を含み、
1群の押出設備ダイヘッドは押出の方式によりホットメルト樹脂をホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布し、厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を形成するものであり、
ホットメルト樹脂塗布ガイドローラは独立して駆動され、その回転速度が独立して設定され、ホットメルト樹脂塗布ガイドローラの回転により、1群のホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布された厚さが均一なホットメルト樹脂膜層が一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体に同期的に塗布され、ホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面の線速度はそのローラ面を通過する繊維体の進行速度よりも遅く、
ホットメルト樹脂と予備融合された一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体は多段階で平行交互に直列配置された品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールからなる開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置に入り、ホットメルト樹脂と繊維との十分で効率的な融合を実現し、
各品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールにおいて、3群の浸漬塗布ローラが品字状構造に配列され、配列の形態には、正品字状構造と逆品字状構造が含まれ、正品字浸漬塗布ユニットモジュールの頂部浸漬塗布ローラ及び逆品字浸漬塗布ユニットモジュールの底部浸漬塗布ローラの位置を調整することにより、各浸漬塗布ユニットモジュールの3群の浸漬塗布ローラ間の中心距離を調整し、同一の正品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールの頂部浸漬塗布ローラと隣接する2群の浸漬塗布ローラのローラ面との隙間、又は同一の逆品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールの底部浸漬塗布ローラと隣接する2群の浸漬塗布ローラのローラ面との間の隙間の設定範囲は0.1~15mmであり、
フラット化ユニットモジュールは、3群の部材からなり、そのうちの2群は位置が固定した部材であり、1群は位置が調整可能な部材であり、V字型構造に配置され、各群の部材は、糸通し部材及び背部補強部材を含み、V字型構造の底部の前記糸通し部材は上下移動することにより3群の部材間の中心距離を調整し、繊維と前記3群の部材のうちそれぞれの部材との接触角を変化させ、繊維の張力を調整することができ、
繊維摩擦帯電装置は、繊維体材料と異なる材料で作製された摩擦部材を含むことを特徴とする、一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。 - 一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体の上、下両側には、それぞれ1群のホットメルト樹脂塗布ガイドローラ及び1群の押出設備ダイヘッド装置が設けられ、それぞれ上、下ホットメルト樹脂塗布ガイドローラにより対応する1群の押出設備ダイヘッドによって提供されるホットメルト樹脂をホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラに塗布し、厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を形成し、
上、下ホットメルト樹脂塗布ガイドローラの回転により、それぞれ上、下ホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布された厚さが均一なホットメルト樹脂膜層が一方向に連続的に均一にフラット化された繊維体の上、下両側に塗布され、
上、下両側にそれぞれホットメルト樹脂が塗布された一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体は多段階で平行交互に直列配置された品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールからなる開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置に入り、ホットメルト樹脂と繊維体との十分で効率的な融合を実現することを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。 - 一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体の下部にのみ1群のホットメルト樹脂押出設備ダイヘッド装置が設けられ、
上部ホットメルト樹脂塗布ガイドローラの回転により、ホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラに塗布された厚さが均一なホットメルト樹脂膜層は一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体の上部側に塗布され、一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体の下部に設けられる1群の押出設備ダイヘッドにより、ホットメルト樹脂は一方向に連続的に均一にフラット化された繊維体の下部側に均一に押し出されて塗布されることを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。 - 押出設備ダイヘッドの出口リップの基準面はホットメルト樹脂塗布ガイドローラの軸線に平行であり、ホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面を基準とし、押出設備ダイヘッドの出口リップとホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面との間の隙間設定範囲が0.1~10mm、押出設備ダイヘッドと水平面との夾角設定範囲が10~150°であるように押出設備ダイヘッドの位置を設定することを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。
- 浸漬塗布ユニットモジュールの浸漬塗布ローラの中心距離を調整することにより、一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体と前記浸漬塗布ローラとの接触角を調整し、一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体と正品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールの頂部浸漬塗布ローラとの接触角、又は逆品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールの底部浸漬塗布ローラとの接触角の設定範囲は15~180°であり、
ユニットモジュールの浸漬塗布ローラの中心距離を調整し、ユニットモジュールの浸漬塗布ローラ間の隙間を設定することにより、一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体とホットメルト樹脂との効率的な融合に必要な適切な繊維張力、及びホットメルト樹脂が緊密に配列された繊維の間に入る圧力が得られることを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。 - ホットメルト樹脂塗布ガイドローラ、及び各段の浸漬塗布ユニットモジュールを構成する各群の浸漬塗布ローラには内蔵加熱構造が設けられ、内蔵加熱構造は浸漬塗布ローラの内部に挿入される管状電気加熱素子、又は浸漬塗布ローラの内蔵通路を通過する液体加熱媒介であることを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。
- 各浸漬塗布ユニットモジュールの正品字状頂部又は逆品字状底部の浸漬塗布ローラの両端にある軸頭回転支持対偶は、それぞれ直線移動可能な直線移動伝動対偶装置に接続されることにより、各群の品字状ユニットモジュールにおける3本の浸漬塗布ローラの中心距離の独立調整が実現され、各群の浸漬塗布ローラは、その伝動側の軸頭がスプロケット又はギアにより回転運動を伝達することを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。
- 多段階で平行交互に直列配置された品字状構造浸漬塗布ユニットモジュールからなる開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置の上部及び下部には、それぞれ複数群の放射型加熱装置が設けられることを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。
- 糸通し部材の背部には補強部材が設けられ、背部に設けられる補強部材に内蔵される押上部材により幾何学的母線の垂直方向における糸通し部材の押上程度を調整してそれを固定し、幾何学的母線の垂直方向における糸通し部材の押上程度を調整し、生産ライン設備のプロセス中線を基準とする設定値の範囲は0.05~5.0mmであり、
少なくとも2群の押上機構がさらに設けられ、前記押上機構は前記補強部材により支持され、糸通し部材の幾何学的曲面の押上程度を調整し、糸通し部材と補強部材とを接続して固定し、
糸通し部材と、複数束の繊維束からなる一列の連続繊維とが一定の接触角で接触する領域の適切な断面の幾何的曲線は、半円形、部分円弧形、完全な円形を含み、
糸通し部材には内蔵加熱素子が設けられ、内蔵加熱素子は、糸通し部材の内部に挿入される管式電気加熱素子、又は液体加熱媒介が糸通し部材の通路を流れることにより加熱を行うものであることを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。 - 前記摩擦部材の材料は、銅、鋼又はアルミニウム合金を含み、セラミック、ナイロン又は硬質ゴムをさらに含み、
前記摩擦部材はアクチュエータにより、一方向に連続的にフラット化された一列の繊維糸の表面に対して繰り返し接触して摩擦運動を行い、摩擦運動により一方向に連続的にフラット化された一列の繊維体における隣接する繊維糸の間に発生する同じ電荷間の斥力により、前記一列の一方向連続繊維糸の均一なフラット化をさらに実施し、
一方向に連続的にフラット化された一列の繊維糸の表面と接触する前記摩擦部材のヘッドの幾何学的構造は、球面体、半球面体、球欠、円柱体、半円柱体又は小半円柱体を含み、
前記アクチュエータは、電気、空気圧又は油圧を動力とする駆動素子を含むことを特徴とする、請求項1に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備。 - 以下のS1からS6を含む請求項1から10のいずれか1項に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造設備を用いる製造方法であって、
S1:クリールに配置される各束の繊維束の張力がそれぞれ設定可能な1群の糸掛け回転軸により、複数束の繊維を同期に一方向連続繊維予備カーディング装置に輸送し、オーブンを経て繊維束の嵩高処理を完成させ、
S2:繊維フラット化装置の張力作用により、複数束に配列される連続繊維糸束は糸通し部材に突出する幾何体の表面に沿って均一に展開し、繊維摩擦帯電装置により繊維糸間に発生する同じ電荷間の斥力により複数束に配列される連続繊維糸束をさらに均一にフラット化し、
S3:1群の押出設備ダイヘッドにより押出されたホットメルト樹脂をホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布し、厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を形成し、
S4:ホットメルト樹脂塗布ガイドローラの回転運動により、1群のホットメルト樹脂塗布ガイドローラのローラ面に塗布された厚さが均一なホットメルト樹脂膜層を同期に一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体に塗布し、
S5:ホットメルト樹脂と予備融合した一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体が多段階で平行交互に直列配置された開放型連続繊維とホットメルト樹脂ロールプレス浸漬塗布装置に入り、ホットメルト樹脂と繊維との効率的な融合を実現し、
S6:ホットメルト樹脂と効果的に融合した後の一方向に連続的に均一にフラット化された一列の繊維体は、主牽引の駆動力の作用下で連続的に冷却、定型装置を経て巻き取られることで一方向連続繊維強化樹脂複合材料を形成することを特徴とする、製造方法。 - S6において、連続繊維とホットメルト樹脂が効果的に融合した後の繊維体が冷却定型された後に、牽引により縦切断装置を経ることにより、連続繊維とホットメルト樹脂融合ユニットがその幅方向に沿って均一に切断され、そして、横切断装置を経て所定の長さで切断されることにより、一定の長さを有する薄片型一方向繊維強化樹脂体が製造されることを特徴とする、請求項11に記載の一方向連続繊維強化熱可塑性複合材料の製造方法。
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