JP7171464B2 - 成形装置及び成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維基材を成形する成形装置及び成形方法に関するものである。

従来、強化繊維基材を成形する場合、成形型を用いて成形することが一般的である。つまり、成形型を用いる場合、成形型の成形面上に強化繊維基材を配置して、強化繊維基材を硬化させることで、成形面に倣った強化繊維基材を成形している。一方で、成形型を用いずに、強化繊維基材を成形するものとしては、複合材料テープの上側に設けられる第１装入ユニットと、複合材料テープの下側に設けられる第２装入ユニットを有する繊維配置装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１７／０１５１７３１号明細書

成形型を用いずに強化繊維基材を成形する場合、例えば、特許文献１のように、強化繊維基材を床部に固定してしまうと、成形する形状に制限が出てしまい、所定の形状の強化繊維基材を成形することが困難となってしまう場合がある。

そこで、本発明は、成形型を用いることなく、強化繊維基材を所定の形状に好適に成形することができる成形装置及び成形方法を提供することを課題とする。

本発明の成形装置は、強化繊維基材を繰り出す繰出部と、繰り出される前記強化繊維基材の一部を固定する固定部と、前記繰出部から繰り出される前記強化繊維基材の一方の面に当接して、前記強化繊維基材を成形する第１の成形ヘッドと、前記第１の成形ヘッドに対向して設けられ、前記繰出部から繰り出される前記強化繊維基材の他方の面に当接して、前記強化繊維基材を成形する第２の成形ヘッドと、前記第１の成形ヘッド、前記第２の成形ヘッド及び前記強化繊維基材を相対的に移動させる移動部と、前記強化繊維基材を加熱して硬化させる加熱部と、を備える。

本発明の成形方法は、一部が固定された強化繊維基材の一方の面に当接する第１の成形ヘッドと、前記強化繊維基材の他方の面に当接する第２の成形ヘッドとを、前記強化繊維基材に対して相対的に移動させながら、前記強化繊維基材を加熱して硬化させる。

この構成によれば、固定部により強化繊維基材の一部を固定した状態において、繰出部から強化繊維基材を繰り出すことができる。そして、繰り出された強化繊維基材の両面を、第１の成形ヘッドと第２の成形ヘッドとで挟み込み、第１の成形ヘッド、第２の成形ヘッド及び強化繊維基材を相対的に移動させながら、加熱部により強化繊維基材を硬化させることができる。これにより、成形型を用いることなく、強化繊維基材を所定の形状に好適に成形することができる。なお、繰出部は、第１の成形ヘッド及び第２の成形ヘッドの少なくとも一方の成形ヘッドに一体に設けてもよいし、成形ヘッドとは別体に設けてもよい。また、固定部は、強化繊維基材の一部として、例えば、強化繊維基材の始端を固定する。

また、前記第１の成形ヘッド及び前記第２の成形ヘッドは、前記強化繊維基材の両面から挟み込んで加圧しながら、前記強化繊維基材を成形することが、好ましい。

この構成によれば、例えば、強化繊維基材が湾曲する形状であっても、強化繊維基材の両面から加圧した状態で、加熱部により加熱することできるため、強化繊維基材を適切に硬化させることができ、強化繊維基材を精度良く成形することができる。

また、前記第１の成形ヘッドは、前記強化繊維基材の一方の面に転接する第１の押圧ローラを有し、前記第２の成形ヘッドは、前記強化繊維基材の他方の面に転接する第２の押圧ローラを有することが、好ましい。

この構成によれば、繰出部から繰り出された強化繊維基材を、第１の押圧ローラ及び第２の押圧ローラを転接させながら成形することができるため、強化繊維基材をスムーズに成形することができる。なお、第１の押圧ローラと第２の押圧ローラとは、同じ大きさの径としてもよいし、異なる大きさの径としてもよい。

また、前記第１の押圧ローラと前記第２の押圧ローラとは、前記強化繊維基材に対して所定のコンターを付与するローラとなっており、前記第１の押圧ローラ及び前記第２の押圧ローラのうち、一方の押圧ローラがクラウンローラとなっており、他方の押圧ローラが逆クラウンローラとなっていることが、好ましい。

この構成によれば、押圧ローラの軸方向に湾曲するコンター面を有する強化繊維基材を成形することができる。このため、例えば、強化繊維基材を繰り出す方向においても強化繊維基材を湾曲させる場合には、ダブルコンター面を有する強化繊維基材を成形することが可能となる。

また、成形後の前記強化繊維基材の品質を検査する検査部をさらに備えることが、好ましい。

この構成によれば、成形後の強化繊維基材を検査部によりすぐに検査することができるため、欠陥等の成形不良を迅速に検知することができる。

図１は、本実施形態に係る成形装置に関する模式図である。 図２は、本実施形態に係る成形装置により成形可能な成形品の一例を示す斜視図である。 図３は、本実施形態に係る成形装置により成形可能な成形品の一例を示す斜視図である。 図４は、本実施形態に係る成形装置により成形可能な成形品の一例を示す斜視図である。 図５は、本実施形態に係る成形装置のブロック図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
本実施形態に係る成形装置１０は、強化繊維基材を繰り出しながら硬化させることで、所定の三次元形状となる成形品を成形可能な成形装置となっており、成形型を使用しない装置となっている。また、成形装置１０は、強化繊維基材を複数回積層することで、積層体となる成形品を成形している。

図１は、本実施形態に係る成形装置に関する模式図である。図２から図４は、本実施形態に係る成形装置により成形可能な成形品の一例を示す斜視図である。図５は、本実施形態に係る成形装置のブロック図である。

ここで、成形装置１０で使用される強化繊維基材について説明する。強化繊維基材は、強化繊維に樹脂を含浸させたものであり、本実施形態では、例えば、ロール状に巻回された状態で後述の繰出部３５に配置されている。強化繊維としては、例えば、炭素繊維が用いられるが、炭素繊維に限定されず、その他のプラスチック繊維、ガラス繊維、天然繊維又は金属繊維でもよい。また、樹脂としては、熱可塑性樹脂が用いられるが、加熱することにより溶融する樹脂であれば特に限定されず、熱硬化性樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等である。また、強化繊維基材として、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた熱硬化プリプレグを用いてもよい。

図１及び図５に示すように、成形装置１０は、第１の成形部２１と、第２の成形部２２と、固定部２３と、品質検査部２４と、制御部２５とを備えている。成形装置１０は、第１の成形部２１と第２の成形部２２とが、強化繊維基材の両面から挟み込んで、強化繊維基材を成形している。

第１の成形部２１は、強化繊維基材の一方の面側（例えば、外面側）に設けられており、第１の成形ヘッド３１と、第１の移動アーム３２とを有している。第１の成形部２１は、強化繊維基材が所定の形状となるように、第１の移動アーム３２により第１の成形ヘッド３１を移動させる。

第１の成形ヘッド３１は、繰出部３５と、第１の押圧ローラ３６と、第１の駆動部３７と、第１の加熱部３８とを含んで構成されている。繰出部３５は、内部にロール状の強化繊維基材を保持しており、保持した強化繊維基材をＸ方向に連続的に繰り出すことが可能となっている。Ｘ方向は、例えば水平方向である。第１の押圧ローラ３６は、繰り出された強化繊維基材の一方の面に転接する。第１の押圧ローラ３６は、強化繊維基材を挟んで反対側（他方の面側）にある第２の成形部２２へ向かって、強化繊維基材を押圧する。第１の押圧ローラ３６は、例えば、軸方向（Ｙ方向）において直線状となるストレートローラが用いられる。なお、第１の押圧ローラ３６は、ストレートローラに特に限定されず、成形品に応じて種々のローラを適用してもよい。第１の駆動部３７は、第１の押圧ローラ３６を回転駆動させており、例えば、電動モータが用いられる。第１の駆動部３７は、制御部２５に電気的に接続されている。制御部２５は、第１の駆動部３７を制御することで、第１の押圧ローラ３６の回転動作を制御している。第１の加熱部３８は、第１の押圧ローラ３６の内部に設けられたヒータであり、第１の押圧ローラ３６を加熱する。このため、第１の加熱部３８は、第１の押圧ローラ３６を介して、強化繊維基材を加熱する。

このような、第１の成形ヘッド３１は、繰出部３５から繰り出された強化繊維基材の一方の面に第１の押圧ローラ３６が転接し、第１の押圧ローラ３６により強化繊維基材を他方の面側に押圧する。また、第１の成形ヘッド３１は、第１の駆動部３７により第１の押圧ローラ３６を回転させながら、第１の加熱部３８により強化繊維基材を加熱する。

第１の移動アーム３２は、例えば、多軸アーム型ロボットであり、第１の成形ヘッド３１を、鉛直方向となるＺ方向と、水平方向となるＺ方向とを含むＸＺ面内において、所定の位置に移動させる。第１の移動アーム３２は、強化繊維基材が所定の形状となるように、第１の成形ヘッド３１を移動させている。なお、第１の移動アーム３２は、ＸＹＺの三次元において第１の成形ヘッド３１を移動させてもよい。

第２の成形部２２は、強化繊維基材の他方の面側（例えば、内面側）に設けられており、第２の成形ヘッド４１と、第２の移動アーム４２とを有している。第２の成形部２２は、第１の成形部２１と同様に、強化繊維基材が所定の形状となるように、第２の移動アーム４２により第２の成形ヘッド４１を移動させる。

第２の成形ヘッド４１は、第２の押圧ローラ４６と、第２の駆動部４７と、第２の加熱部４８とを含んで構成されている。第２の押圧ローラ４６は、繰り出された強化繊維基材の他方の面に転接する。第２の押圧ローラ４６は、強化繊維基材を挟んで反対側（一方の面側）にある第１の成形部２１へ向かって、強化繊維基材を押圧する。第２の押圧ローラ４６は、第１の押圧ローラ３６と相補的な形状となるように、例えば、軸方向（Ｙ方向）において直線状となるストレートローラが用いられる。なお、第２の押圧ローラ４６も、第１の押圧ローラ３６と同様に、ストレートローラに特に限定されず、成形品に応じて種々のローラを適用してもよい。

ここで、第１の押圧ローラ３６と第２の押圧ローラ４６とは、異なる直径となっており、例えば、第２の押圧ローラ４６は、第１の押圧ローラ３６に比して大径となっている。なお、第１の押圧ローラ３６と第２の押圧ローラ４６とは、同じ大きさの径としてもよいし、第１の押圧ローラ３６を第２の押圧ローラ４６に比して大径としてもよい。また、第１の押圧ローラ３６と第２の押圧ローラ４６とは、金属を用いた金属ローラとなっている。

第２の駆動部４７は、第２の押圧ローラ４６を回転駆動させており、例えば、電動モータが用いられる。第２の駆動部４７は、制御部２５に電気的に接続されている。制御部２５は、第２の駆動部４７を制御することで、第２の押圧ローラ４６の回転動作を制御している。このとき、制御部２５は、第１の駆動部３７と第２の駆動部４７とを協調制御することで、第１の押圧ローラ３６と第２の押圧ローラ４６との回転動作を同期させてもよい。第２の加熱部４８は、第２の押圧ローラ４６の内部に設けられたヒータであり、第２の押圧ローラ４６を加熱する。このため、第２の加熱部４８は、第２の押圧ローラ４６を介して、強化繊維基材を加熱する。

第２の移動アーム４２は、第１の移動アーム３２と同様に、多軸アーム型ロボットであり、第２の成形ヘッド４１を、鉛直方向となるＺ方向と、水平方向となるＺ方向とを含むＸＺ面内において、所定の位置に移動させる。第２の移動アーム４２は、強化繊維基材が所定の形状となるように、第２の成形ヘッド４１を移動させている。なお、第２の移動アーム４２も、第１の移動アーム３２と同様に、ＸＹＺの三次元において第２の成形ヘッド４１を移動させてもよい。

固定部２３は、強化繊維基材の少なくとも一部を固定するものであり、例えば、繰出部３５から繰り出される強化繊維基材の始端を固定している。この固定部２３は、強化繊維基材を所定の形状に成形する際の基準となる位置となっている。成形装置１０は、固定部２３の位置を基準として、所定の形状となる強化繊維基材を成形している。固定部２３は、強化繊維基材の始端を挟み込んで固定してもよいし、強化繊維基材の始端を貼着して固定してもよく、固定の態様については、特に限定されない。また、固定部２３は、固定された強化繊維基材がいずれの方向に向くことを許容しており、図１では、鉛直方向（Ｚ方向）の上方側に向くように強化繊維基材を固定している。

品質検査部２４は、硬化後の強化繊維基材の品質を検査するものであり、例えば、超音波を用いた非破壊検査となっている。品質検査部２４は、送信部５１と受信部５２とを含んで構成されている。送信部５１は、第１の成形ヘッド３１に設けられ、受信部５２は、第２の成形ヘッド４１または第２の移動アーム４２に設けられる、品質検査部２４は、制御部２５に接続されており、制御部２５は、品質検査部２４の検査結果に基づいて、成形の良否を判定している。

制御部２５は、第１の成形部２１及び第２の成形部２２を制御すると共に、品質検査部２４による成形後の強化繊維基材の品質検査を行っている。制御部２５は、第１の成形部２１と第２の成形部２２とを協調制御することで、強化繊維基材を所定の形状に成形している。例えば、制御部２５は、第２の成形ヘッド４１が第１の成形ヘッド３１に追従するように、第１の移動アーム３２及び第２の移動アーム４２を制御している。なお、制御部２５は、強化繊維基材を所定の形状とするために、第２の成形ヘッド４１の移動を停止させた状態で、第１の成形ヘッド３１を移動させてもよい。また、制御部２５は、第１の成形ヘッド３１の移動を停止させた状態で、第２の成形ヘッド４１を移動させてもよい。さらに、制御部２５は、第１の成形ヘッド３１を移動させつつ、第２の成形ヘッド４１を移動させてもよい。このように、第１の移動アーム３２と第２の移動アーム４２とは、第１の成形ヘッド３１、第２の成形ヘッド４１及び強化繊維基材を相対的に移動させる移動部として機能している。

また、制御部２５は、第１の加熱部３８及び第２の加熱部４８を加熱制御することで、強化繊維基材を両側から加熱している。このように、第１の加熱部３８及び第２の加熱部４８は、強化繊維基材を加熱して硬化させる加熱部として機能している。

このような成形装置１０により成形品を成形する場合、固定部２３に強化繊維基材の始端を固定し、固定部２３を基準として、第１の成形部２１及び第２の成形部２２により、強化繊維基材を所定の形状に成形する。成形後、成形装置１０は、強化繊維基材を裁断し、成形後の強化繊維基材に対して、再度、強化繊維基材を積層して、強化繊維基材を所定の形状に成形する。そして、成形装置１０は、所定の積層数だけ、強化繊維基材を積層することで、成形品を成形する。なお、成形装置１０は、強化繊維基材の成形時において、品質検査部２４により強化繊維基材の成形不良であると判定すると、成形不良と判定された部分に対して、第１の成形部２１及び第２の成形部２２による成形をし直す。このため、成形装置１０は、成形品の成形途中において、発生した成形不良を解消することが可能となる。

次に、図２から図４を参照して、成形品の一例について説明する。図２の成形品は、Ｙ方向において直線状の形状となっており、ＸＺ面内において所定の形状となる成形品であり、いわゆるシングルコンター面を有する成形品となっている。図２の成形品を成形する場合、成形装置１０において、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１に設けられる第１の押圧ローラ３６及び第２の押圧ローラ４６は、ストレートローラとなっている。そして、成形装置１０は、ＸＺ面内において、所定のコンターとなるように、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１を、第１の移動アーム３２及び第２の移動アーム４２により移動させる。そして、成形装置１０は、所定の積層数だけ、強化繊維基材を積層することで、図２に示す成形品を成形する。

図３の成形品は、Ｙ方向において直線状の形状となっており、ＸＺ面内において山谷形状となる成形品となっている。図３の成形品を成形する場合、成形装置１０において、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１に設けられる第１の押圧ローラ３６及び第２の押圧ローラ４６は、ストレートローラとなっている。そして、成形装置１０は、ＸＺ面内において、山谷形状となるように、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１を、第１の移動アーム３２及び第２の移動アーム４２により移動させる。そして、成形装置１０は、所定の積層数だけ、強化繊維基材を積層することで、図３に示す成形品を成形する。

図４の成形品は、半球形状となる成形品となっている。図４の成形品を成形する場合、成形装置１０において、第１の成形ヘッド３１に設けられる第１の押圧ローラ３６は、逆クラウンローラとなっており、第２の成形ヘッド４１に設けられる第２の押圧ローラ４６は、クラウンローラとなっている。そして、成形装置１０は、半球の外球面上に沿うように、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１を、第１の移動アーム３２及び第２の移動アーム４２により移動させる。そして、成形装置１０は、強化繊維基材を繰り出す方向を異ならせながら、所定の積層数だけ、強化繊維基材を積層することで、図４に示す成形品を成形する。つまり、図４の成形品では、図２及び図３のように、強化繊維基材をＸ方向に沿ってのみ繰り出すのではなく、強化繊維基材をＹ方向を含む方向に沿って繰り出している。

なお、成形品としては、図示は省略するが、例えば、ＹＺ面内において所定のコンターとなり、ＸＺ面内において所定のコンターとなる、いわゆるダブルコンター面を有する成形品を成形してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、固定部２３により強化繊維基材の一部を固定した状態において、繰出部３５から強化繊維基材を繰り出すことができる。そして、繰り出された強化繊維基材の両面を、第１の成形ヘッド３１と第２の成形ヘッド４１とで挟み込み、第１の成形ヘッド３１、第２の成形ヘッド４１及び強化繊維基材を相対的に移動させながら、第１の加熱部３８及び第２の加熱部４８により強化繊維基材を硬化させることができる。これにより、成形型を用いることなく、強化繊維基材を所定の形状に好適に成形することができる。

また、本実施形態によれば、第１の押圧ローラ３６及び第２の押圧ローラ４６により、強化繊維基材の両面から加圧した状態で、第１の加熱部３８及び第２の加熱部４８により強化繊維基材を加熱することできる。このため、強化繊維基材を適切に硬化させることができ、強化繊維基材を精度良く成形することができる。

また、本実施形態によれば、繰出部３５から繰り出された強化繊維基材を、第１の押圧ローラ３６及び第２の押圧ローラ４６を転接させながら成形することができるため、強化繊維基材をスムーズに成形することができる。

また、本実施形態によれば、第１の押圧ローラ３６及び第２の押圧ローラ４６として、逆クラウンローラ及びクラウンローラを用いることにより、押圧ローラの軸方向に湾曲するコンター面を有する強化繊維基材を成形することができる。このため、例えば、強化繊維基材を繰り出す方向においても強化繊維基材を湾曲させる場合には、ダブルコンター面を有する強化繊維基材を成形することが可能となる。

また、本実施形態によれば、品質検査部２４を設けることにより、成形後の強化繊維基材をすぐに検査することができるため、欠陥等の成形不良を迅速に検知することができる。

なお、本実施形態では、繰出部３５を、第１の成形ヘッド３１に一体に設けたが、この構成に特に限定されない。繰出部３５は、第２の成形ヘッド４１に一体に設けてもよいし、成形ヘッド３１，４１とは別体に設けてもよい。なお、繰出部３５を別体に設ける場合、予め繰出部３５から強化繊維基材を繰り出しておいてもよい。同様に、第１の加熱部３８を第１の成形ヘッド３１に一体に設け、第２の加熱部４８を第２の成形ヘッド４１に一体に設けたが、成形ヘッド３１，４１とは別体に設けてもよい。

また、本実施形態では、固定部２３が、強化繊維基材の一部として、例えば、強化繊維基材の始端を固定したが、強化繊維基材の他の部位を固定してもよく、特に限定されない。

また、本実施形態では、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１を、第１の移動アーム３２及び第２の移動アーム４２を用いて移動させたが、第１の成形ヘッド３１及び第２の成形ヘッド４１を移動させることが可能であれば、移動アームに特に限定されない。

１０ 成形装置
２１ 第１の成形部
２２ 第２の成形部
２３ 固定部
２４ 品質検査部
２５ 制御部
３１ 第１の成形ヘッド
３２ 第１の移動アーム
３５ 繰出部
３６ 第１の押圧ローラ
３７ 第１の駆動部
３８ 第１の加熱部
４１ 第２の成形ヘッド
４２ 第２の移動アーム
４６ 第２の押圧ローラ
４７ 第２の駆動部
４８ 第２の加熱部
５１ 送信部
５２ 受信部

Claims (6)

1. 加熱することで溶融する樹脂が含侵された強化繊維である強化繊維基材を繰り出す繰出部と、
   繰り出される前記強化繊維基材の一部を固定する固定部と、
   前記繰出部から繰り出される前記強化繊維基材の一方の面に当接して、前記強化繊維基材を成形する第１の成形ヘッドと、
   前記第１の成形ヘッドに対向して設けられ、前記繰出部から繰り出される前記強化繊維基材の他方の面に当接して、前記強化繊維基材を成形する第２の成形ヘッドと、
   前記第１の成形ヘッド、前記第２の成形ヘッド及び前記強化繊維基材を相対的に移動させる移動部と、
   前記強化繊維基材を加熱する加熱部と、を備え、
   前記固定部は、前記強化繊維基材がいずれの方向に向くことを許容するように、前記強化繊維基材を固定する成形装置。
2. 前記第１の成形ヘッド及び前記第２の成形ヘッドは、前記強化繊維基材の両面から挟み込んで加圧しながら、前記強化繊維基材を成形する請求項１に記載の成形装置。
3. 前記第１の成形ヘッドは、前記強化繊維基材の一方の面に転接する第１の押圧ローラを有し、
   前記第２の成形ヘッドは、前記強化繊維基材の他方の面に転接する第２の押圧ローラを有する請求項１または２に記載の成形装置。
4. 前記第１の押圧ローラと前記第２の押圧ローラとは、前記強化繊維基材に対して所定のコンターを付与するローラとなっており、
   前記第１の押圧ローラ及び前記第２の押圧ローラのうち、一方の押圧ローラがクラウンローラとなっており、他方の押圧ローラが逆クラウンローラとなっている請求項３に記載の成形装置。
5. 成形後の前記強化繊維基材の品質を検査する検査部をさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の成形装置。
6. 一部が固定された強化繊維基材の一方の面に当接する第１の成形ヘッドと、前記強化繊維基材の他方の面に当接する第２の成形ヘッドとを、前記強化繊維基材に対して相対的に移動させながら、前記強化繊維基材を加熱し、
   前記強化繊維基材は、加熱することで溶融する樹脂が含侵された強化繊維であり、いずれの方向に向くことを許容するように固定される成形方法。

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