JPWO2018155151A1 - 樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)ボビンから繊維束を繰り出す解舒工程と、
固定軸上で回転する巻芯に対し、巻付けヘッドが自在に移動し、繊維束を巻芯上に巻き付けることで製品を得る巻付け工程とを少なくとも有し、
前記解舒工程と前記巻付け工程との間に、前記解舒工程で繰り出された繊維束を前記巻付け工程へと誘導するガイド部材を備えた誘導工程を含む樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法であって、
前記誘導工程または前記巻付け工程のいずれかにおいて、繊維束に樹脂を含浸させる樹脂付着操作を実施するとともに、
前記巻付け工程において、巻芯上に樹脂含浸繊維束を巻き付ける巻付け操作を実施中の中間体における樹脂含浸繊維束層の繊維含有率Vf(%)を計算する繊維含有率計算操作をさらに実施し、
前記繊維含有率Vf(%)の値に応じて、
(i)前記樹脂付着操作における樹脂付着量
(ii)前記中間体への繊維束巻付け張力
(iii)前記中間体の外表面上に生じた余剰樹脂の除去量
(iv)前記中間体上の樹脂粘度
のいずれか1つ以上を制御することを特徴とする樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。
前記厚みtFRPを用いて前記繊維含有率計算操作を実施する、(1)に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。
前記巻付け操作を実施中の前記巻芯または前記中間体の外径を計測する外径計測操作を含み、
該外径計測操作によって計測された、第1時刻t1における前記巻芯または前記中間体の外径である第1外径d1と、前記第1時刻t1よりも後の第2時刻t2における前記中間体の外径である第2外径d2とを用いて、前記第1時刻t1から前記第2時刻t2までの間に形成された前記樹脂含浸繊維束層の厚みtFRPを計算する、(2)に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。
前記中間体の外表面上に生じた余剰樹脂層の厚みを計測する余剰樹脂層厚み計測操作をさらに含み、
前記第1外径d1と、前記第2外径d2と、前記余剰樹脂層厚み計測操作によって計測された前記第2時刻t2における余剰樹脂層の厚みtrとを用いて、前記第1時刻t1から前記第2時刻t2までの間に形成された前記樹脂含浸繊維束層の厚みtFRPを計算する、(3)に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。
<工程概要>
図1に示す実施例を用いて、本発明に係る樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法について説明する。本製造方法は少なくとも、樹脂の付着していない繊維束ボビン101から繊維束1を巻き出す解舒工程100と、前記解舒工程で巻き出された繊維束1を下流側の工程である巻付け工程300へと導く誘導工程200と、前記誘導工程200から導かれた繊維束1を、巻付けヘッド302を介して巻芯301上に巻き付けることで樹脂含浸繊維束巻取体304を得る巻付け工程300と、繊維束に樹脂を付着させる樹脂付着手段401と、から構成される。
以下、本明細書中に登場する“ガイド”または“ガイド部材”(例えば、解舒ガイド102や誘導ガイド201などのように表記する)とは、繊維束ボビン101から繰り出された繊維束1に接触させて用いられ、繊維束1に不必要なねじれや折り畳みを与えることなく、その高さや方向を変化させながら巻芯まで誘導して、巻芯に巻き付けることを目的として配置される部材の総称である。
解舒工程100は、繊維束ボビン101と解舒ガイド102とを少なくとも含んで構成される。
本製造手法に用いられる強化繊維としては、FRPの強化繊維として一般的に用いられているガラス繊維などの無機繊維、炭素繊維やアラミド繊維などの有機繊維など、種々の強化繊維を単体または複数種の組合せで使用することが可能であるが、炭素繊維またはガラス繊維を用いることが、得られる樹脂含浸繊維束巻取体の剛性および強度を高められるため好ましい。
誘導工程200は、解舒工程100で巻き出された繊維束1を、より下流側の工程である巻付け工程300へと誘導するための誘導ガイド201を少なくとも含んで構成される。
巻付け工程300は、巻付け対象物である巻芯301と、巻芯301に対して自在に移動可能な巻付けヘッド302と、誘導工程200から送られた繊維束1を巻芯301へと誘導するための巻付けガイド303と、を少なくとも含んで構成される。
巻芯301は、製品形状や要求される機能に合わせて最適なものが選択される。例えば、中空パイプ部材の製造においては、樹脂含浸繊維束の巻付け処理後、あるいは熱硬化性樹脂使用時においては樹脂硬化工程の通過後に脱芯が可能な円筒状の巻芯や、加熱等によって溶融させることで脱芯が可能な各種形状の巻芯が使用可能である。圧力容器の製造においては、所定の収容物に対するシール性が確保された巻芯である、金属製あるいは樹脂製の各種ライナー部材を使用可能である。
樹脂付着手段401は、繊維束1に樹脂2を付着させるプロセスであるが、図1に示すように誘導工程200内、あるいは、図6に示すように巻付け工程300内(より好ましくは、巻付けヘッド302上)に備えることが可能である。図示されている含浸ローラ式による樹脂付着手段401は一例に過ぎず、他に、樹脂中に繊維束を直接通過させるディップ方式、含浸ダイに繊維束を引き込み、ダイ内部に別途計量された樹脂を吐出する定量吐出方式など、繊維束に所定量の樹脂を付着および含浸させることが目的である限りは、種々の樹脂付着手段が適用可能である。
樹脂2については液状のものが好ましく、最終製品の用途、仕様環境、製品要求特性に応じて、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化樹脂、またはポリアミド樹脂などの熱可塑樹脂が選択されるが、特に制約があるものではない。作業性やエネルギー消費量の観点からは、エポキシ樹脂など熱硬化樹脂のほうが、樹脂温度をおおむね低い状態で含浸工程を実施できるために、作業性がよく好ましい。
また図7に例示するように、樹脂付着手段401の通過後には、樹脂の含浸(浸透)をさらに促進する目的で設置される含浸促進手段501を含んでもよい。
繊維束1の走行速度に関しては、生産効率の観点から0.1〜300m/minの範囲が好ましい。走行速度が速すぎると樹脂含浸時間が確保されずに製品の品質が低下する恐れがある。また、繊維束1の走行抵抗が大きくなることや、単位時間あたりの繊維走行量が増えるため、毛羽の発生量が増えるなど、メンテナンスが追いつかずに糸切れなどのトラブルを引き起こす恐れがある。
本発明は、製造条件管理に用いる指標を、中間体における樹脂含浸繊維束層の繊維含有率Vf(%)とすることを特徴とする。繊維含有率Vf(%)の算出手段としては、中間体における繊維含有率を精度よく把握可能な手段である限り、特に制約があるものではない。例えば、X線など、樹脂含浸繊維束層内を透過・計測可能な手法等が挙げられるが、樹脂含浸繊維束層の厚みtFRP(mm)を用いて繊維含有率を算出することが、計測が比較的容易であり好ましい。
樹脂付着量が過多あるいは不足であると判断された場合、樹脂付着手段401における樹脂付着量を制御する。樹脂付着量の制御方法としては、樹脂付着手段401の方式に応じて異なるが、図示している含浸ロール方式の例においては、含浸ローラ403と掻き取り部材404との間の距離を増減することで、樹脂付着量の増減が可能である。
巻付け時の張力が、過多あるいは不足であると判断された場合、繊維束ボビン101の解舒時に付与される張力の増減や各工程内ガイド部材の構成を調節する等の手段によって制御することができる。また、別の張力調整機構(図示しない)を工程内に更に含んだ構成としてもよい。張力調整機構の種類としては特に制限があるものではなく、例えばダンサーロールや、ガイド部材の本数・高さ調節による機構など、種々の形態を選択可能である。
中間体における余剰樹脂量が過多であると判断された場合、余剰樹脂を除去するプロセスを巻付け処理に組み込むことで余剰樹脂量を制御することができる。
中間体における樹脂の絞り出し量が過多あるいは不足と判断された場合、中間体内の樹脂粘度を調整することで樹脂の絞り出し量を制御することができる。樹脂粘度の調整手段としては、樹脂粘度調整の目的が果たせる手法である限り、特に制限があるものではないが、中間体を加熱または冷却する手法が、実施が比較的容易であることから好ましい。
図8に、巻付け処理中の樹脂含浸繊維束層の厚みtFRP(mm)計測が可能な外径計測手段310をさらに含んだ、巻付け工程300の例を示す。
まず、巻付け処理における時刻t1において、図10(A)に例示するような中間体の外径d1(mm)を計測する。
背景で述べた通り、製品性能への寄与が大きいのは実際の樹脂含浸繊維束層11における繊維含有率Vf(%)であるが、先述の算出手法においては余剰樹脂層12も含まれた樹脂含浸繊維束層10における繊維含有率Vf(%)が算出される。実際の樹脂含浸繊維束層11のみの厚みを精度良く算出可能な、より好ましい構成は、図11に示すように余剰樹脂厚み計測手段320を更に含んで構成される。余剰樹脂厚み計測手段320は、図11に示されたように巻付けヘッド302上に固定された構成とする必要はなく、巻芯301の周囲に定置された構成としてもよい。余剰樹脂厚み計測手段320については、余剰樹脂層12の厚みのみ抽出することができる手段であり、製造設備の周囲にて巻付け処理中に稼動可能な手段であれば特に制限があるものではなく、超音波方式や光電方式など、種々の手段が適用可能である。
一方、接触式の計測方法については、巻尺を樹脂含浸繊維束巻取体304に巻き付けて円周長から外径を計算する方法などが挙げられるが、短時間で計測が可能な点で、挟み込み式外径計測方法が好ましい態様である。
本発明は、明細書における実施形態にのみ縛られるものではなく、同様の技術思想に基づいて定められた実施形態である限り、各種部材の選定や配置を変更して実施が可能なものである。
2:樹脂
10:樹脂含浸繊維束層
11:実際の樹脂含浸繊維束層
12:余剰樹脂層
51、52、53、54:ガイド部材の例
55:中心軸
100:解舒工程
101:繊維束ボビン
102:解舒ガイド
200:誘導工程
201:誘導ガイド
300:巻付け工程
301:巻芯
302:巻付けヘッド
303:巻付けガイド
304:樹脂含浸繊維束巻取体
310:外径計測手段
311:送光部
312:受光部
313:遮られる光線
314:遮られない光線
320:余剰樹脂層厚み計測手段
321:入射波
322:反射波
323:入射光
324:第1反射光
325:第2反射光
330:超音波厚み計
331:レーザー膜厚計
340:挟み込み式外径計測手段
341:計測ヘッド
401:樹脂付着手段
402:樹脂バス
403:含浸ローラ
404:掻き取り部材
410:含浸ガイド
501:樹脂含浸促進手段
502:含浸ガイド
F:繊維束への反力
M:繊維束の走行方向
θ:ガイド部材の中心軸と繊維束の走行方向とがなす角度
Vf:樹脂含浸繊維束層の繊維含有率
tFRP:樹脂含浸繊維束層の厚み
tr:余剰樹脂厚み
t1、t2:第1(第2)時刻
d1、d2:第1(第2)時刻における中間体の外径
Claims (6)
- ボビンから繊維束を繰り出す解舒工程と、
固定軸上で回転する巻芯に対し、巻付けヘッドが自在に移動し、繊維束を巻芯上に巻き付けることで製品を得る巻付け工程とを少なくとも有し、
前記解舒工程と前記巻付け工程との間に、前記解舒工程で繰り出された繊維束を前記巻付け工程へと誘導するガイド部材を備えた誘導工程を含む樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法であって、
前記誘導工程または前記巻付け工程のいずれかにおいて、繊維束に樹脂を含浸させる樹脂付着操作を実施するとともに、
前記巻付け工程において、巻芯上に樹脂含浸繊維束を巻き付ける巻付け操作を実施中の中間体における樹脂含浸繊維束層の繊維含有率Vf(%)を計算する繊維含有率計算操作をさらに実施し、
前記繊維含有率Vf(%)の値に応じて、
(i)前記樹脂付着操作における樹脂付着量
(ii)前記中間体への繊維束巻付け張力
(iii)前記中間体の外表面上に生じた余剰樹脂の除去量
(iv)前記中間体上の樹脂粘度
のいずれか1つ以上を制御することを特徴とする樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。 - 前記中間体における前記樹脂含浸繊維束層の厚みtFRPを計算する樹脂含浸繊維束層厚み計算操作をさらに実施し、
前記厚みtFRPを用いて前記繊維含有率計算操作を実施する、請求項1に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。 - 前記樹脂含浸繊維束層厚み計算操作は、
前記巻付け操作を実施中の前記巻芯または前記中間体の外径を計測する外径計測操作を含み、
該外径計測操作によって計測された、第1時刻t1における前記巻芯または前記中間体の外径である第1外径d1と、前記第1時刻t1よりも後の第2時刻t2における前記中間体の外径である第2外径d2とを用いて、前記第1時刻t1から前記第2時刻t2までの間に形成された前記樹脂含浸繊維束層の厚みtFRPを計算する、請求項2に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。 - 前記樹脂含浸繊維束層厚み計算操作は、
前記中間体の外表面上に生じた余剰樹脂層の厚みを計測する余剰樹脂層厚み計測操作をさらに含み、
前記第1外径d1と、前記第2外径d2と、前記余剰樹脂層厚み計測操作によって計測された前記第2時刻t2における余剰樹脂層の厚みtrとを用いて、前記第1時刻t1から前記第2時刻t2までの間に形成された前記樹脂含浸繊維束層の厚みtFRPを計算する、請求項3に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。 - 前記余剰樹脂厚み計測操作が光電手段または超音波手段を用いて実施される、請求項4に記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。
- 前記外径計測操作が光電手段を用いて実施される、請求項3〜5のいずれかに記載の樹脂含浸繊維束巻取体の製造方法。
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