JPWO2018021226A1 - プリフォームの製造装置、及びプリフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

三次元形状のプリフォームの製造に際して、シワの発生や繊維の蛇行、割れを抑制した、高品位なプリフォームを効率的に製造することができるプリフォームの製造装置及びプリフォームの製造方法を提供する。
当該製造装置は、所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するためのプリフォームの製造装置であって、所定の形状に対応する表面形状を有する固定型と、強化繊維基材を固定型の表面上に圧接するエンドエフェクタと、エンドエフェクタを移動させる制御部とを含む。

Description

本発明は、所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定形状に賦形するためのプリフォームの製造装置、及びプリフォームの製造方法に関する。
本願は、２０１６年７月２７日に日本に出願された特願２０１６−１４６８４２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、強化繊維基材、例えば強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させてなるシート状のプリプレグを成形型内で加熱、加圧することで、所定形状の繊維強化樹脂成形品を得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

そして、繊維強化樹脂成形品を製造する際、所望の繊維強化樹脂成形品の形状が曲面を含む三次元形状を有するような場合には、シート状の強化繊維基材又はプリプレグを、最終成形品の形状を考慮した所定形状になるように、上記技術により本成形に先立って予め賦形し、プリフォームを製造する技術も知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。

国際公開第０４／４８４３５号パンフレット 特開２００７−１２９８号公報 特開２００６−７４９２号公報

しかし、特に凹凸を有する、あるいは曲率が大きい等の複雑な三次元形状のプリフォームを製造する場合には、強化繊維基材、例えばシート状のプリプレグを賦形する際にシワの発生や繊維の蛇行が生じやすいという問題があった。

そこで本発明においては、所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るためのプリフォームの製造装置及びプリフォームの製造方法において、強化繊維基材、例えばシート状のプリプレグを賦形する際にシワの発生や繊維の蛇行、割れを抑制して、外観の良好なプリフォームを得ることを目的とする。

即ち、本発明は以下の態様を有する。

［１］所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するためのプリフォームの製造装置であって、
前記所定の形状に対応する表面形状を有する固定型と、
前記強化繊維基材を前記固定型の表面上に圧接するエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタを移動させる制御部とを含む、プリフォームの製造装置。

［２］前記制御部が、前記エンドエフェクタの固定型への圧接力を制御する機構を有する、［１］に記載のプリフォームの製造装置。
［３］前記エンドエフェクタが、圧接子保持部と、それぞれの圧接子の一部が前記圧接子保持部から突出するように前記圧接子保持部により保持された複数の圧接子とを備え、
前記複数の圧接子の少なくとも一部が、前記固定型からの反力により突出長が変化できるように前記圧接子保持部に保持されている、［１］又は［２］に記載のプリフォームの製造装置。
［４］前記エンドエフェクタを前記固定型の表面形状に沿って一方向に移動させた際に、前記エンドエフェクタの前記強化繊維基材上に投影される移動面の全てが実質的に圧接されるように前記複数の圧接子が前記エンドエフェクタに配置されている、［３］に記載のプリフォームの製造装置。

［５］前記制御部が、前記エンドエフェクタを移動させる際に、前記エンドエフェクタの進行方向のより後方側に配置された圧接子の前記突出長がより小さくなるように前記エンドエフェクタを傾斜させる機構を有する、［３］又は［４］に記載のプリフォームの製造装置。
［６］前記複数の圧接子のうちの一部の圧接子の先端形状が、他の圧接子の先端形状と異なる形状とされている、［３］〜［５］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。

［７］前記エンドエフェクタが、前記複数の圧接子の少なくとも一部を加熱するための加熱機構を備える、［３］〜［６］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
［８］前記強化繊維基材を加熱するための熱風の吹き出し装置を備える、［１］〜［７］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
［９］前記強化繊維基材を加熱するための熱線照射装置を備える、［１］〜［７］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
［１０］前記固定型が、前記強化繊維基材を加熱するための加熱機構を備える、［１］〜［９］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。

［１１］前記強化繊維基材を把持して張力を付与するための張力付与部を備える、［１］〜［１０］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
［１２］前記張力付与部が、前記強化繊維基材を賦形している間に、前記強化繊維基材における把持位置を変更できる、［１１］に記載のプリフォームの製造装置。

［１３］前記エンドエフェクタが、前記強化繊維基材と前記エンドエフェクタとの間にシートを供給する機構及び前記強化繊維基材と前記エンドエフェクタとの間に配置されたシートを回収する機構の一方又は両方を備える、［１］〜［１２］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。

［１４］所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するためのプリフォームの製造方法であって、
前記所定の形状に対応する表面形状を有する固定型の上に、前記強化繊維基材を配置し、
エンドエフェクタを移動させながら、前記エンドエフェクタで前記強化繊維基材を前記固定型の表面上に圧接することによって前記強化繊維基材を賦形することを含む、プリフォームの製造方法。

［１５］前記強化繊維基材と前記エンドエフェクタとの間にシートを配置した状態で前記強化繊維基材を賦形する、［１４］に記載のプリフォームの製造方法。
［１６］前記シートが熱可塑性樹脂フィルムである、［１５］に記載のプリフォームの製造方法。
［１７］前記シートの厚みが１５〜２００μｍの範囲にある、［１５］又は［１６］に記載のプリフォームの製造方法。
［１８］前記シートとして、切れ込みを有するシートを使用する、［１５］〜［１７］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造方法。
［１９］前記シートがエンドレス加工されている、［１５］〜［１８］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造方法。

［２０］［１４］〜［１９］のいずれか一項に記載のプリフォームの製造方法を利用して複数のプリフォームを連続的に製造する方法であって、
任意の強化繊維基材を賦形した後、固定型を取り換え、次の強化繊維基材を配置し、賦形する工程を繰り返す、プリフォームの製造方法。

本発明のプリフォームの製造装置及び本発明のプリフォームの製造方法によれば、特に三次元形状のプリフォームの製造に際して、固定型上に配置された強化繊維基材を均一に圧接することができ、固定型表面に対して略直角方向の強化繊維基材の圧接や、賦形しながらの強化繊維基材への張力付与も適宜可能であるため、シワの発生や繊維の蛇行、割れを抑制した、高品位なプリフォームを効率的に製造することができる。

本発明のプリフォームの製造装置の形態の一例を示す図である。 本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタの形態の一例を示す側面図である。なお、最も前方に位置する列の圧接子以外の圧接子の図示は省略されている。 本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタにおける圧接子の配置の状態の一例を示す、圧接子の保持方向から見た図である。図中の矢印は、エンドエフェクタの進行方向を示す。 本発明のプリフォームの製造装置の形態の一例を示す図である。 本発明のプリフォームの製造装置の形態の一例を示す図である。 本発明のプリフォームの製造装置の形態の一例を示す図である。 本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成する固定型の形態の一例を示す上面図及び側面図である。 本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタに保持される圧接子の形態の一例を示す正面図及び側面図である。 本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタにおける圧接子の配置の状態の一例を示す、圧接子の保持方向から見た図である。図中の矢印は、エンドエフェクタの進行方向を示す。 本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタがエンドレス加工されたシートの供給機構を備える態様の一例を示す図である。

＜プリフォームの製造装置＞
本発明のプリフォームの製造装置（以下、単に「製造装置」とも言う。）は、所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するための装置であり、強化繊維基材が所定の形状に賦形されることによりプリフォームが製造される。
即ち、本発明においてプリフォームとは、所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材が所定の形状に賦形されたものである。

本発明の製造装置は、強化繊維基材が賦形される所定の形状に対応する表面形状を有する固定型と、強化繊維基材を固定型の表面上に圧接するエンドエフェクタと、エンドエフェクタを移動させる制御部とを含む。

以下、本発明の製造装置の一態様を図面に沿って説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明のプリフォームの製造装置の形態の一例を示す図である。
本形態のプリフォームの製造装置１０は、固定型２と、固定型２の表面上に強化繊維基材３を圧接するエンドエフェクタ１と、エンドエフェクタ１を移動させる制御部４とを備える。

（固定型）
固定型は、強化繊維基材が賦形される所定の形状に対応する表面形状を有する。
即ち、固定型は目的とするプリフォームの形状に対応する表面形状を有しており、本発明の製造装置を用いてプリフォームを製造する際には、固定型上に強化繊維基材が配置される。

本発明の製造装置においては、制御部によってエンドエフェクタが固定型に強化繊維基材を圧接させることにより強化繊維基材が賦形される。従って、固定型は、強化繊維基材のエンドエフェクタによる圧接に十分耐えうる強度を有している必要があり、また、強化繊維基材の賦形を行っている間は十分に固定されている必要がある。

固定型の材質としては、特に限定されず、金属、ケミカルウッド等が挙げられる。中でも、材料が安価であること、及び加工が容易であることから、ケミカルウッドが好ましい。

なお、固定型は単軸レールや搬送ベルトなどによる搬送により移動可能なものであってもよい。固定型が移動可能なものである場合には、強化繊維基材を賦形した後、得られたプリフォームを脱型する前に移動させ、別の固定型を搬入し、次の強化繊維基材の配置及び賦形を行うことができ、これを繰り返すことにより、複数のプリフォームを連続して製造してもよい。
この場合、本発明の製造装置は固定型の搬送手段を備えていてもよく、得られたプリフォームの脱型と並行して、別の固定型を用いた、強化繊維基材の固定型への配置若しくはエンドエフェクタによる賦形、又はそれらの両方を行うことが好ましい。また、固定型と別の固定型は、表面形状が同一でも異なっていてもよい。

（エンドエフェクタ）
エンドエフェクタは、固定型上に配置された強化繊維基材を固定型の表面上に圧接して、強化繊維基材を変形させる機能を有するものである。
強化繊維基材が、移動するエンドエフェクタによって固定型の表面上に圧接されて変形することにより、得られるプリフォームのシワの発生や繊維の蛇行、割れの抑制が可能となるとともに、短時間での効率的な賦形が可能となる。

図１におけるエンドエフェクタ１は、圧接子保持部９と、それぞれの圧接子６の一部が圧接子保持部９から突出するように圧接子保持部９に保持された複数の圧接子６と、制御部４と接続する制御部との接続部１２を備える。

図２は、本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタの形態の一例を示す側面図であり、図１におけるエンドエフェクタ１と同様に、圧接子保持部９と、それぞれの圧接子６の一部が圧接子保持部９から突出するように圧接子保持部９に保持された複数の圧接子６と、制御部４と接続する制御部との接続部１２を備え、複数の圧接子６の少なくとも一部は、固定型からの反力により突出長が変化できるように圧接子保持部９に保持されている。なお、ここで突出長とは、図２においてＡで示した部分の長さを意味する。また、図２においては、最も前方に位置する列の圧接子以外の圧接子の図示は省略されている。

具体的には、図２において、圧接子６の少なくとも一部はそれぞれバネ１１を有しており、強化繊維基材に接触することで固定型からの反力を受けると、その反力に応じて突出長を変化させることが可能となっている。これによってエンドエフェクタ１は、凹凸のある三次元型形状を有する固定型の表面形状に沿った動きをすることが可能となる。

圧接子の突出長を変化させる機構としては、上記のようにバネにより突出長を変化させる機構、位置センサーを用いて圧接子と固定型の位置関係を検出して、その突出長を制御する機構、力センサーにより圧接子にかかる反力を検出して、圧接子の位置をエアー制御若しくは電気制御して突出長を制御する機構が挙げられる。
中でも、バネにより圧接子の突出長を変化させる機構を採用することが、経済的に優れており好ましい。バネとしては、コイルバネや板バネを挙げることができる。

図３は、本発明のプリフォームの製造装置の一部を構成するエンドエフェクタにおける圧接子の配置の状態の一例を示す、圧接子の保持方向から見た図である。なお、図中の矢印はエンドエフェクタ１の進行方向を示す。

隣り合う圧接子６の間には間隔が空いており、圧接子が固定型を圧接する面は斑になるが、エンドエフェクタ１を固定型２の表面形状に沿って一方向（進行方向）に移動させた場合には、エンドエフェクタ１の強化繊維基材３上に投影される移動面の全てが実質的に圧接されるように、複数の圧接子６が配置されている。
即ち、エンドエフェクタの進行方向側の最前列に位置するいくつかの圧接子が、エンドエフェクタの進行方向と同じ方向に間隔を空けて強化繊維基材を圧接する。次いで、エンドエフェクタの進行方向から見たそれより後方の列に位置する圧接子が、上記の間隔を埋めるように強化繊維基材を圧接する。つまり、最前列の圧接子が隣り合う圧接子同士の間隔により圧接できなかった部分を、それより後列の圧接子が圧接する。複数の圧接子がこのようにエンドエフェクタに配置されることによって、エンドエフェクタの通過後には、上記の間隔が残されることなく、エンドエフェクタが通過した部分の強化繊維基材全体が圧接される。
これによって、得られるプリフォームのシワの発生や繊維の蛇行、割れのさらなる抑制が可能となる。

図３では、圧接子６の先端形状が円形となっているが、圧接子の先端形状は円形に限定されるわけではなく、三角形や図９に示すような四角形などの多角形であってもよく、楕円でもよい。また、圧接子の先端部分の縁が強化繊維基材やシートを傷つけないように丸みを帯びていたり、面取りがなされていたりすると好ましい。

移動するエンドエフェクタによって、強化繊維基材を圧接子が圧接することにより強化繊維基材を変形させるに際して、圧接子は図２に示すように、単なる棒状のものであって、強化繊維基材上を圧接子が滑る態様でもよいが、圧接子の先端に、例えば円柱体や球体等の回転体が取り付けられていてもよい。この回転体は、エンドエフェクタの移動に伴って回転してもよく、回転しなくてもよい。

しかし、回転体が抵抗なく回転すると圧接子と強化繊維基材との接触部分で充分な滑りが発生せず、強化繊維基材表面のシワを伸ばしにくくなる。従って、圧接子の先端に回転体が取り付けられる場合には、回転体の回転に適度な抵抗をつけることにより、エンドエフェクタが固定型の表面形状に沿って移動する際に、圧接子と強化繊維基材との接触部分で充分な滑りを発生させることで強化繊維基材表面のシワを伸ばしやすくしてもよい。

それぞれの圧接子の先端形状は全てが同一の形状であってもよい。また、いくつかの種類の異なる先端形状を有する圧接子を同時に使用することもできる。即ち、複数の圧接子のうちの一部の圧接子の先端形状は、他の圧接子の先端形状と異なる形状とされていてもよい。
例えば、固定型の表面形状に含まれる細かい凹凸部に追従させるため、エンドエフェクタの外周部の圧接子の径を小さくするとともにそのピッチも小さくし、エンドエフェクタの中央部の圧接子の径を大きくするとともにそのピッチを大きくすることができる。

（制御部）
制御部は、エンドエフェクタを移動させる機能を有する。図１におけるプリフォームの製造装置において、制御部４はエンドエフェクタ１に接続されて、エンドエフェクタ１が強化繊維基材３を固定型２の表面上に圧接するように、エンドエフェクタ１を移動させる。
これにより、強化繊維基材は所定の形状のプリフォームとして賦形される。

また、制御部は、賦形の精度を向上させるために、エンドエフェクタの固定型への圧接力を制御する機構を有していてもよい。

なお、エンドエフェクタの固定型への圧接力は制御部によって制御することができるが、圧接子に使用するバネの圧縮長やバネ張力の調整等によっても制御することができ、いずれかの方法を用いて制御しても、複数の方法を併用して制御してもよい。

制御部は、図４に示すように、強化繊維基材３が固定型２の表面上に圧接するようにエンドエフェクタ１を移動させる際に、エンドエフェクタ１の進行方向のより後方側に配置された圧接子６の突出長がより小さくなるようにエンドエフェクタ１を傾斜させる機構を有していてもよい。なお、図４においては、図面左から右への方向が、エンドエフェクタ１の進行方向である。
これにより、エンドエフェクタが移動する際に、固定型を圧接する反力と摩擦抵抗との合力を圧接子の軸方向にかけることが可能となり、圧接子の突出長をスムーズに変化させることができる。そのため、得られるプリフォームの表面の平滑性をより高めることができ、さらに、圧接子の曲げ剛性を一般的なレベルより高める必要がなくなるため、装置のコスト面にも優れる。

エンドエフェクタの傾斜角度は、圧接子の材質、圧接子と強化繊維基材との摩擦係数、圧接子とシートとの摩擦係数、エンドエフェクタの圧接力等により、適宜検討して決定することができる。

制御部としては、例えば、６軸ロボットを用いることができるが、これに限定されるものではなく、スカラロボット、パラレルリンクロボット、７軸ロボットの他、単軸駆動レールや回転台を単体であるいは複数本組合せたものを使用することができる。
制御部として使用できる装置の選定にあたっては、経済性、精度、形状に対する適合性を考慮する必要があるが、中でも６軸あるいは７軸ロボットが、凹凸のある三次元型形状を有する固定型の表面形状に沿って、強化繊維基材が固定型の表面上に圧接するようにエンドエフェクタを移動させることができるので好ましい。

（その他の構成）
強化繊維基材を賦形する際には、後述する強化繊維基材を構成するマトリックス樹脂組成物や熱融着性バインダーの硬化温度以下又は軟化温度以上に加熱して強化繊維基材を軟化させるのが好ましい。

強化繊維基材の加熱方法としては、固定型上に配置する前に強化繊維基材をあらかじめ加熱する方法や、本発明の製造装置における固定型に強化繊維基材を加熱するための加熱機構を設けて強化繊維基材を加熱する方法が考えられる。

また、本発明の製造装置において、複数の圧接子の少なくとも一部を加熱するための加熱機構をエンドエフェクタが備えていてもよい。この態様としては、圧接子保持部に圧接子を加熱するための加熱機構が設けられている態様、圧接子の内部に圧接子自身を加熱するための加熱機構が設けられている態様等を挙げることができる。これらの態様によれば、少なくとも一部の圧接子が加熱されることにより、強化繊維基材のうち圧接される部分を選択に加熱することができる。

また、本発明の製造装置は、強化繊維基材を加熱するための熱風の吹き出し装置を備えていてもよい。
熱風の吹き出し装置は、エンドエフェクタを制御する制御部によって制御されてもよいし、他の制御機構によって制御されてもよい。熱風の吹き出し装置がエンドエフェクタの移動に伴って移動するように制御されることにより、熱風の吹き出し装置が強化繊維基材の圧接される部分を加熱することができるため好ましい。例えば、図５に示すように、強化繊維基材３を加熱するための熱風の吹き出し装置７をエンドエフェクタ１に設けることで、圧接子６で圧接する範囲を加熱することができる。

また、本発明の製造装置は、強化繊維基材を加熱するための熱線照射装置を備えていてもよい。
熱線照射装置は、エンドエフェクタを制御する制御部によって制御されてもよいし、他の制御機構によって制御されてもよい。熱線照射装置がエンドエフェクタの移動に伴って移動するように制御されることにより、熱線照射装置が強化繊維基材の圧接される部分を加熱することができるため好ましい。例えば、強化繊維基材を加熱するための熱線照射装置をエンドエフェクタに設けることで、圧接子で圧接する範囲を加熱することができる。

強化繊維基材の加熱方法は、上記の中から必要に応じて適宜選択することができるが、中でも本発明の製造装置において、エンドエフェクタに熱風吹き出し装置又は熱線照射装置を設けて強化繊維基材を加熱する方法が、強化繊維基材の加熱部分を容易に制御することができ、強化繊維基材の賦形に際して軟化が必要な部分のみを選択的に加熱することができるため好ましい。

また、本発明の製造装置には、強化繊維基材を把持する把持装置と、把持装置を制御する把持装置制御機構からなる、強化繊維基材に張力を付与するための張力付与部を設けることができる。例えば、図６には、張力付与部の一部として、強化繊維基材３に張力を付与するために強化繊維基材３を把持する把持装置８が図示されている。
強化繊維基材を把持して張力を加えながら賦形を行うと、上述のマトリックス樹脂組成物や熱融着性バインダーの軟化時に、強化繊維基材を伸長させることができるので、得られるプリフォームのシワの発生や繊維の蛇行、割れのさらなる抑制が可能となる。

この張力付与部は、多軸ロボットにより制御されてもよい。多軸ロボットにより強化繊維基材を複数個所把持することで、賦形中の強化繊維基材への張力が最適な状態となるように、強化繊維基材への張力を制御することができ好ましい。また、強化繊維基材の所定の方向に所定の張力がかかるように、紐やワイヤー等で強化繊維基材を把持して引っ張る構成としてもよい。

把持装置８としては、特に限定されないが、多軸ロボットに取り付けて使用される各種ハンド、例えばエアチャックの他、マグネットを利用した挟み込み装置等が好ましく使用できる。

また、張力付与部は、エンドエフェクタと強化繊維基材の位置関係に応じて、強化繊維基材を賦形している間であっても、強化繊維基材に最適な張力がかかるように、強化繊維基材に張力を付与するための張力付与部の強化繊維基材における把持位置を変更できるようになっていてもよい。

また、本発明の製造装置は、強化繊維基材とエンドエフェクタとの間に、後述するシートを供給する機構、若しくは強化繊維基材とエンドエフェクタとの間に配置されたシートを回収する機構、又はそれら両方の機構を備えていてもよい。

なお、これらの機構は、エンドエフェクタを制御する制御部によって制御されてもよいし、他の制御機構によって制御されてもよい。これらの機構がエンドエフェクタの移動に伴って移動するように制御されることにより、強化繊維基材の圧接される部分とその周辺のみにシートを供給したり、強化繊維基材が圧接された部分とその周辺のシートを回収したりすることが容易にできる。

例えば、これらの機構をエンドエフェクタに設けることで、エンドエフェクタの移動に伴い、圧接される部分の強化繊維基材上にシートが容易に供給でき、エンドエフェクタの移動に伴い、圧接された部分の強化繊維基材上からシートが容易に回収できる。

強化繊維基材が圧接される部分とその周辺のみにシートを供給したり、そのシートを回収したりする場合、強化繊維基材の大きさに応じた大きな面積を有するシートを用意する必要がなくなるため好ましい。この場合、大きな面積を有するシートを供給したり回収したりする必要もなく、シートの供給や回収がより容易になる。

＜プリフォームの製造方法＞
本発明のプリフォームの製造方法（以下、単に「製造方法」とも言う。）は、所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するための方法であり、強化繊維基材が所定の形状に賦形されることによりプリフォームが製造される。
本発明の製造方法は、強化繊維基材が賦形される所定の形状に対応する表面形状を有する固定型の上に、強化繊維基材を配置し、エンドエフェクタを移動させながら、エンドエフェクタで強化繊維基材を固定型の表面上に圧接することによって強化繊維基材を賦形することを含む。

本発明の製造方法は、本発明の製造装置を用いて行うこともできる。また、本発明の製造方法に用いられる、固定型やエンドエフェクタ等は、本発明の製造装置における固定型やエンドエフェクタ等と同様である。

（固定型への強化繊維基材の配置）
本発明の製造方法において、所定の形状に賦形される強化繊維基材は、当該所定の形状に対応する表面形状を有する固定型の上に配置される。
強化繊維基材の固定型への配置は、人手によって行われてもよく、自動搬送装置等の機械を用いて行ってもよい。

［強化繊維基材］
本発明の製造方法に用いられる強化繊維基材としては、強化繊維にマトリックス樹脂組成物が含浸されたシート状のプリプレグが好適に用いられる。
シート状のプリプレグとしては、強化繊維が一方向に引き揃えられたＵＤプリプレグ、複数方向に配列した強化繊維が製織されたクロスプリプレグが挙げられ、特に、ＵＤプリプレグが好適である。また、ＵＤプリプレグを繊維方向が異なるように複数枚積層したものを用いるのがより好ましい。
この場合、本発明の製造方法によれば、プリプレグの圧縮成形用のプリフォームを製造することができる。

強化繊維基材の厚みは、０．１ｍｍ〜５．０ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍがより好ましい。強化繊維基材の厚みが前記下限値以上であれば、その厚みが薄すぎて、得られるプリフォームの形状保持が困難となったり、割れたりしにくい。また、強化繊維基材の厚みが前記上限値以下であれば、その厚みが厚すぎて、賦形が困難となり、得られるプリフォームにシワや繊維の蛇行、割れが発生しやすくなることを抑えやすい。

また、プリプレグを繊維方向が異なるように複数枚積層したものを用いる場合、それぞれのプリプレグの厚みとして、０．０３〜１ｍｍであることが好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることがより好ましい。
強化繊維基材若しくはプリプレグの厚みは、外側マイクロメーターやペーパマイクロメーターによって測定することができる。

また、本発明に用いられる強化繊維基材の大きさとしては、幅が０．１〜２ｍ、長さが０．１〜２００ｍであるシート状のプリプレグを例示することができる。

本発明に用いられる強化繊維基材を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも、比強度及び比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。

本発明の一つの態様として、強化繊維基材中の強化繊維の含有量は、強化繊維基材の１００質量％のうち、５０〜８０質量％であり、６５〜７５質量％であることが好ましい。

また、本発明に用いられる強化繊維基材を構成するマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができる。樹脂としては、熱硬化性樹脂のみを用いてもよく、熱可塑性樹脂のみを用いてもよく、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の両方を用いてもよいが、得られるプリフォームの外観や生産性に優れることから、熱硬化性樹脂が好ましい。

熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂などが挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂などが挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

なお、強化繊維基材は、使用するマトリックス樹脂に適合する硬化剤、内部離型剤、脱泡剤等の各種添加剤を含んでもよい。

本発明の製造方法に用いられる強化繊維基材としては、強化繊維のファブリック及びノンクリンプファブリック、並びに、これらの積層物を熱融着性バインダーにて層間を固定したものを用いることもできる。
この場合、本発明の製造方法によれば、ＲＴＭ（レジントランスファーモールディング）成形用のプリフォームを製造することができる。

（エンドエフェクタを用いた強化繊維基材の賦形）
本発明の製造方法において、固定型の上に配置された強化繊維基材は、移動するエンドエフェクタによって固定型の表面上に圧接されて賦形される。

強化繊維基材の賦形は、強化繊維基材とエンドエフェクタとの間にシートを配置した状態で行われることが好ましい。
強化繊維基材上をエンドエフェクタが移動すると、圧接子の材質や圧接力によっては、強化繊維基材中の強化繊維の配向が乱れたり、その表面に凹凸状の跡が残ったりする不具合が発生することがある。これらの不具合を抑制するため、図１、図５、図６に示すように、強化繊維基材３とエンドエフェクタ１との間にシート５を配置した状態で強化繊維基材３を賦形することが好ましい。

［シート］
シートの材質は特に限定されないが、強化繊維基材の賦形条件下における柔軟性と耐久性に優れる点から、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレンなどの熱可塑性樹脂フィルムを用いることが好ましい。

シートの厚みは、シート材質によって異なるが、シートの柔軟性が得られる範囲であれば特に限定されず、例えば、１５μｍ〜２００μｍの範囲である。一般的な熱可塑性樹脂フィルムであれば、１５μｍ〜２００μｍの範囲とするのが、得られるプリフォームのシワの発生や繊維の蛇行、割れの抑制に優れ、好ましい。また、２５μｍ〜１００μｍの範囲とするのが、シートの耐久性との両立が可能となるため、さらに好ましい。

さらに、シートに所定のパターンの切れ込みを入れて強化繊維基材の賦形を行うこともでき、これによって、シートの変形限界に影響されることなく、より複雑な形状の強化繊維基材の賦形への適用が可能となる。
所定のパターンの切れ込みとしては、シートの変形限界を適度に開放できる切れ込みパターンであればよく、例えば、強化繊維基材を賦形する際の伸長方向に対して略垂直な方向の切れ込みを挙げることができ、これにより強化繊維基材の賦形を抑制することなくシートが変形可能となる。
切れ込みのピッチは、シートの硬さや変更のしやすさによる異なる。即ち、シートが柔らかく、変形し易ければピッチを大きくし、シートが硬く、変形しにくければピッチを小さくすることが好ましい。不必要に切れ込みを長くすると、シート間の距離が大きく開きやすくなり、強化繊維基材とエンドエフェクタがシートを介さずに直接接触する可能性が高くなる。従って、切れ込みの長さは必要十分な長さにすることが好ましく、賦形する強化繊維基材の形状に応じて、適宜試行錯誤することで切れ込みの長さを設定することができる。

シートは、強化繊維基材の全体を覆うように配置され、強化繊維基材の全体の賦形が完了した後に回収されてもよいが、エンドエフェクタの進行に伴って、強化繊維基材の圧接される部分とその周辺のみに部分的にシートを連続的に供給し、その箇所の賦形が完了した後、その箇所のシートを連続的に回収してもよい。
エンドエフェクタの進行に伴ってシートを連続的に供給し、連続的に回収することにより、強化繊維基材と略同一の面積を有するシートを用意する必要がなくなり、大きな面積を有するシートを供給及び回収する煩雑さも回避することができる。

また、シートはエンドレス加工され、循環する構造とすることもできる。シートがエンドレス加工され、循環する構造の一例としては、図１０に示したように、強化繊維基材３をエンドエフェクタ１が圧接する際に、常に強化繊維基材３とエンドエフェクタ１との間にシートが配置されるように、環状に加工されたシート５が、複数の圧接子６を覆うようにエンドエフェクタ１に備えられた態様を挙げることができる。
エンドエフェクタに備えられたシートは、エンドエフェクタの移動に伴い、圧接される部分の強化繊維基材上に供給され、エンドエフェクタの移動に伴い、圧接された部分の強化繊維基材上から回収される。

エンドエフェクタに備えられ、エンドレス加工されたシートは、エンドエフェクタの移動に伴って送り出されてもよいし、送り出されなくてもよい。
エンドレス加工されたシートがエンドエフェクタの移動に伴って送り出される場合、シワの発生や繊維の蛇行、割れを抑制する観点から、強化繊維基材とシートとの間に滑りがない速度で環状のシートが送り出されることが好ましい。
エンドレス加工されたシートがエンドエフェクタの移動に伴って送り出されない場合、環状のシートの送り出し、及び未使用の送り出されたシート部分での一定面積の強化繊維基材の賦形を繰り返してもよい。

（その他の態様）
なお、固定型が単軸レールや搬送ベルトなどによる搬送により移動可能なものである場合には、固定型を取り替えることにより、固定型に強化繊維基材を配置する工程、及びエンドエフェクタを用いて強化繊維基材を賦形する工程を含む本発明のプリフォームの製造方法と、それに続く、得られたプリフォームの脱型工程を、場所を変えて行うことが可能となる。この場合、これらの工程を連続的に同時進行で行うことにより生産性の向上を図ることができる。

たとえば、複数のプリフォームを連続的に製造する場合には、本発明のプリフォームの製造方法により製造されたプリフォームが載置された固定型を移動させ、移動させた固定型があった場所に別の固定型を設置し、その別の固定型を用いて本発明のプリフォームの製造方法を繰り返すことができる。

即ち、本発明の製造方法に続いて、得られたプリフォームが載置された固定型（「第一の固定型」とも言う。）を移動させ、第一の固定型が固定されていた場所に別の固定型（「第二の固定型」とも言う。）を設置し、第一の固定型に載置されたプリフォームを脱型する（脱型には、第一の固定型の移動、得られたプリフォームの冷却、及び得られたプリフォームの第一の固定型からの分離を含む。）と同時に、第二の固定型の上に強化繊維基材を配置し、若しくは第二の固定型の上に強化繊維基材を配置し、エンドエフェクタを移動させながら、エンドエフェクタで強化繊維基材を第二の固定型の表面上に圧接することによって強化繊維基材を賦形することができる。

また、固定型が搬送により移動可能なものであれば、上記の第一の固定型と第二の固定型は同一形状の固定型である必要がなく、異なる形状の固定型を第一の固定型及び第二の固定型として用いることが可能となり、いわゆる混流生産が可能となる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例１）
三菱ケミカル社製プリプレグ（品番：ＴＲ３５０Ｇ２５０Ｓ、炭素繊維目付：２５０ｇ／ｍ^２、トータル目付：３７３ｇ／ｍ^２）を所定の形状にパターンカットし、０°／９０°の積層を行い、強化繊維基材とした。
得られた強化繊維基材を用いて、図６に記載の構成にて強化繊維基材の賦形を行った。
ここで、固定型としては、図７に記載の形状のものを用いた。また、シートとしては、三菱樹脂社製ポリエステルフィルム（ダイアホイル（登録商標）ＭＲＦ−７５）を用い、図７の固定型の上部の曲率部分に配置されるシート部分に、シートの右側の端部から固定型の上部の曲率部分を超えるように、２０ｍｍピッチの切れ込みを入れて配置した。
制御部としてＹＡＳＫＡＷＡ社製６軸ロボット（ＭＯＲＴＭＡＮ−２０）を用い、エンドエフェクタと熱風発生機からダクトを繋げた熱風発生口を連動させ、圧接子が固定型の表面形状に沿って圧接しながら移動するように製造装置を制御し、強化繊維基材（パターンカットしたプリプレグ）を賦形してプリフォームを製造した。この時に把持装置にて強化繊維基材の端部を保持することで、固定型の表面形状に沿う方向に張力を掛けられる状態として、エンドエフェクタの動きに連動させて把持装置の把持位置を変更して強化繊維基材に張力を掛けた。
この結果、シワがなく、繊維の蛇行や割れのない、外観が良好な、高品位なプリフォームを得ることができた。得られたプリフォームを高圧プレス機で本成形することにより、高品位な繊維強化樹脂成形品が得られる。

（実施例２）
図８に記載したような板バネ状の圧接子を、図９に記載したように配列したエンドエフェクタを用いて、実施例１と同様の条件でプリフォームを製造した。
この結果、シワがなく、繊維の蛇行や割れのない、外観が良好な、高品位なプリフォームを得ることができた。得られたプリフォームを高圧プレス機で本成形することにより、高品位な繊維強化樹脂成形品が得られる。

本発明の製造装置及び本発明の製造方法によれば、凹凸を有する、あるいは曲率が大きい等の複雑な三次元形状のプリフォームを、シワの発生や繊維の蛇行、割れを抑制して、高品位に製造することができる。

１：エンドエフェクタ
１０：製造装置
１１：バネ
１２：制御部との接続部
２：固定型
３：強化繊維基材
４：制御部
５：シート
６：圧接子
７：熱風吹き出し装置
８：把持装置
９：圧接子保持部
Ａ：（圧接子の）突出長

Claims (20)

1. 所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するためのプリフォームの製造装置であって、
   前記所定の形状に対応する表面形状を有する固定型と、
   前記強化繊維基材を前記固定型の表面上に圧接するエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタを移動させる制御部とを含む、プリフォームの製造装置。
2. 前記制御部が、前記エンドエフェクタの固定型への圧接力を制御する機構を有する、請求項１に記載のプリフォームの製造装置。
3. 前記エンドエフェクタが、圧接子保持部と、それぞれの圧接子の一部が前記圧接子保持部から突出するように前記圧接子保持部により保持された複数の圧接子とを備え、
   前記複数の圧接子の少なくとも一部が、前記固定型からの反力により突出長が変化できるように前記圧接子保持部に保持されている、請求項１又は２に記載のプリフォームの製造装置。
4. 前記エンドエフェクタを前記固定型の表面形状に沿って一方向に移動させた際に、前記エンドエフェクタの前記強化繊維基材上に投影される移動面の全てが実質的に圧接されるように前記複数の圧接子が前記エンドエフェクタに配置されている、請求項３に記載のプリフォームの製造装置。
5. 前記制御部が、前記エンドエフェクタを移動させる際に、前記エンドエフェクタの進行方向のより後方側に配置された圧接子の前記突出長がより小さくなるように前記エンドエフェクタを傾斜させる機構を有する、請求項３又は４に記載のプリフォームの製造装置。
6. 前記複数の圧接子のうちの一部の圧接子の先端形状が、他の圧接子の先端形状と異なる形状とされている、請求項３〜５のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
7. 前記エンドエフェクタが、前記複数の圧接子の少なくとも一部を加熱するための加熱機構を備える、請求項３〜６のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
8. 前記強化繊維基材を加熱するための熱風の吹き出し装置を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
9. 前記強化繊維基材を加熱するための熱線照射装置を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
10. 前記固定型が、前記強化繊維基材を加熱するための加熱機構を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
11. 前記強化繊維基材を把持して張力を付与するための張力付与部を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
12. 前記張力付与部が、前記強化繊維基材を賦形している間に、前記強化繊維基材における把持位置を変更できる、請求項１１に記載のプリフォームの製造装置。
13. 前記エンドエフェクタが、前記強化繊維基材と前記エンドエフェクタとの間にシートを供給する機構及び前記強化繊維基材と前記エンドエフェクタとの間に配置されたシートを回収する機構の一方又は両方を備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプリフォームの製造装置。
14. 所望の形状の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、強化繊維基材を所定の形状に賦形するためのプリフォームの製造方法であって、
    前記所定の形状に対応する表面形状を有する固定型の上に、前記強化繊維基材を配置し、
    エンドエフェクタを移動させながら、前記エンドエフェクタで前記強化繊維基材を前記固定型の表面上に圧接することによって前記強化繊維基材を賦形することを含む、プリフォームの製造方法。
15. 前記強化繊維基材と前記エンドエフェクタとの間にシートを配置した状態で前記強化繊維基材を賦形する、請求項１４に記載のプリフォームの製造方法。
16. 前記シートが熱可塑性樹脂フィルムである、請求項１５に記載のプリフォームの製造方法。
17. 前記シートの厚みが１５〜２００μｍの範囲にある、請求項１５又は１６に記載のプリフォームの製造方法。
18. 前記シートとして、切れ込みを有するシートを使用する、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のプリフォームの製造方法。
19. 前記シートがエンドレス加工されている、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のプリフォームの製造方法。
20. 請求項１４〜１９のいずれか一項に記載のプリフォームの製造方法を利用して複数のプリフォームを連続的に製造する方法であって、
    任意の強化繊維基材を賦形した後、固定型を取り換え、次の強化繊維基材を配置し、賦形する工程を繰り返す、プリフォームの製造方法。

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