WO2014171481A1 - 強化繊維シートの製造方法 - Google Patents

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    • B32B2250/20—All layers being fibrous or filamentary

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a reinforcing fiber sheet used for manufacturing a reinforcing fiber plastic, and an apparatus for manufacturing a reinforcing fiber sheet that realizes the manufacturing method.
  • Various methods are known as methods for producing preforms of reinforcing fibers used in the production of fiber-reinforced plastics. For example, a method is known in which a predetermined cut pattern is cut out from a fabric such as a woven fiber base material of a reinforcing fiber bundle, and a preform is shaped by pressing. In this method, the substrate portion outside the cut pattern is discarded. As a result, the yield of the base material for producing the preform is poor, and the cost for producing the preform is increased.
  • AFP Automated Fiber Placement
  • TFP Trimed Fiber Placement
  • Patent Document 1 reinforcing fiber bundles with a binder are arranged on a preform molding jig with a movable lamination head, and this arrangement operation is gradually repeated over a plurality of layers toward an upper layer.
  • Patent Document 2 discloses a preform manufacturing method in which a plurality of dry fiber rovings are supplied to and placed in a mold independently of each other at different speeds, and each can be cut independently. Yes.
  • a complex three-dimensional preform having a non-planar undulation can be produced directly from fiber roving.
  • Patent Document 1 it is very difficult to dispose on a fine unevenness or curved surface due to restrictions on the shape of the laminated head, particularly the width and diameter of the heating and pressure roller, while avoiding this. Therefore, even if you design and select a thin and slim head for the purpose, the number of reinforcing fiber bundles that can be supplied from the laminated head at one time to limit the head is limited to a few, at most, from one to several. As a result, the production capacity of the apparatus is greatly reduced, and a highly competitive process cannot be obtained. Further, in the method described in Patent Document 2, it is difficult to directly produce a three-dimensional preform having a fine uneven shape as long as a plurality of fiber rovings are pressed by a single roller.
  • the AFP device produces a thin and highly deformable reinforcing fiber preform with a flat or gentle three-dimensional shape that is relatively easy to manufacture. It is possible to create a three-dimensional preform mold that is actually shaped and then bond the preforms together to complete the preform. However, both high tracking ability to complex shapes and production efficiency are possible. The specific method of achieving this is not fully disclosed.
  • an object of the present invention is to provide a reinforcing fiber bundle that can be used in combination so that the shapeability can be particularly improved so that it can be shaped accurately and easily even in a three-dimensional shape having fine irregularities and curved surfaces.
  • An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for efficiently producing a new reinforcing fiber sheet for producing a preform capable of improving the yield.
  • a method for producing a reinforcing fiber sheet of the present invention has the following configuration. That is, In the method for manufacturing a reinforcing fiber sheet, in which a plurality of reinforcing fiber bundles having surfaces formed by aligning in one direction are joined together with a binder, the reinforcing fiber sheet includes the following steps (a) and (b): Manufacturing method.
  • the method for producing a reinforcing fiber sheet of the present invention is preferably made of a material having a stretchability of 150% or more.
  • the binder is preferably a fiber that is aligned in one direction.
  • the binder is preferably a nonwoven fabric made of short fibers and / or continuous fibers.
  • the binder is supplied by a melt spray method in which a resin is discharged from pores into the atmosphere.
  • the binder is preferably a film.
  • the method for producing a reinforcing fiber sheet of the present invention preferably includes a step of processing a plurality of cuts in the nonwoven fabric or the film.
  • the method for producing a reinforcing fiber sheet of the present invention preferably includes a step of processing a plurality of cuts in the reinforcing fiber sheet.
  • the flat plate is preferably a flat portion of a belt conveyor.
  • the reinforcing fiber bundle is fixed to the flat plate using an electrostatic adsorption force.
  • the reinforcing fiber bundle is preferably fixed to the flat plate using a suction force by air suction.
  • the reinforcing fiber bundle is preferably fixed to the flat plate by freezing water.
  • the method for producing a reinforcing fiber sheet according to the present invention is a step (c) of releasing the reinforcing fiber sheet from the flat plate by any of the methods of releasing electrostatic electrostatic discharge, peeling and heating and melting after the step (b). ) Is preferably included.
  • point bonding is performed at any of a plurality of positions in the bonding of the reinforcing fiber bundle and the binder.
  • a three-dimensional shape having fine irregularities and curved surfaces can be shaped accurately and easily, and the yield of reinforcing fiber bundles to be used is improved.
  • a reinforcing fiber sheet that can be produced can be produced efficiently.
  • the use of the reinforcing fiber sheet for preform production having excellent formability as described above enables easy and efficient shaping and molding with high accuracy. Is possible.
  • FIG. 1 shows a reinforcing fiber sheet manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • an electrostatic attraction belt conveyor 30 is first laid over the entire length of the apparatus, and the belt is provided with a built-in electrode 31 made of a thin metal conductor in a direction perpendicular to the belt length. It is equipped with a fixed pitch across.
  • This built-in electrode 31 is exposed to the outside of the belt in a staggered manner in the vicinity of both ends in the belt width direction, and feed electrodes 32 that are also installed in the vicinity of both left and right ends in the belt width direction are exposed to this exposed portion.
  • the two left and right power supply electrodes 32 are connected to the positive and negative poles of the high-voltage power source 33, respectively, whereby positive and negative charges are supplied to the built-in electrode 31 every other line. Electrostatic adsorption force is generated on the surface.
  • the plurality of reinforcing fiber bundles 11 drawn out from the plurality of reinforcing fiber bobbins 10 are guided to a fiber arrangement head 21 provided at the arm tip of the reinforcing fiber arrangement mechanism 20 constituted by an articulated robot.
  • the fiber placement head 21 has a function of individually feeding each reinforcing fiber bundle 11 at a desired timing, or cutting and stopping the feeding, and the reinforcing fiber placement mechanism 20 places the fiber placement head 21 at a predetermined position.
  • the reinforcing fiber bundle 11 is supplied and stopped as appropriate in accordance with the movement to the position. With these functions, the reinforcing fiber bundle 11 is arranged at a desired position where each fiber is required while being arranged substantially in parallel on the belt conveyor 30 in a plurality of units.
  • the reinforcing fiber bundle 11 By repeating the operation of newly arranging the reinforcing fiber bundle 11 in a position adjacent to the reinforcing fiber bundle 11 aligned in units of a plurality, substantially parallel to the already arranged reinforcing fiber bundle 11, the reinforcing fiber bundle 11 is
  • the pre-reinforced fiber sheet 12 arranged in a planar shape having a desired contour can be formed.
  • the reinforcing fiber bundles 11 when the reinforcing fiber bundles 11 are aligned, it does not necessarily need to be linear from the start point to the end point of each reinforcing fiber bundle 11, and the adjacent reinforcing fiber bundles 11 are substantially parallel in a microscopic region. As long as it is maintained, the reinforcing fiber bundle 11 may be arranged so as to be curved in an arc shape entirely and / or partially.
  • the binder supply mechanism 40 includes a nonwoven fabric roll 41 made of fibers that act as a binder, and a cutting mechanism 43.
  • the non-woven fabric 42 fed from the non-woven fabric roll 41 in accordance with the feed speed of the belt conveyor 30 is given a notch of a predetermined pattern by the action of the notching mechanism 43, and also has a cutting mechanism over the entire length in the width direction (not shown). By the action, it is selectively supplied onto the belt conveyor 30 as appropriate, particularly onto the preliminary reinforcing fiber sheet 12.
  • the point bonding mechanism 50 has an embossing roll 51 having a dot-like protrusion shape on the outer periphery of the cylinder.
  • the embossing roll 51 rotates in synchronization with the feed speed of the belt conveyor 30, and the embossing roll 51 itself is Since the nonwoven fabric 42 is heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the fibers constituting the nonwoven fabric 42, the nonwoven fabric 42 contacting the roll protrusions is softened as the embossing roll 51 rotates, so that the preliminary reinforcing fiber sheet 12 and the nonwoven fabric below are softened. 42 is adhered.
  • the binder is preferably a low-weight and highly deformable nonwoven fabric so that the deformation of the reinforcing fiber sheet 13 is not hindered in the preforming process described later. Placing it in position is a difficult task.
  • the cutting mechanism 60 has a cutting cutter 61.
  • the cutting cutter 61 is arranged on the XY axis direction parallel to the surface of the belt conveyor 30, the rotation ⁇ direction with respect to the axis to which the cutting cutter 61 is attached, and the surface of the belt conveyor 30.
  • the reinforcing fiber sheet 13 reaches the vicinity of the separation mechanism 70 further downstream. Since the feeding electrode 32 does not extend to this region, the electrostatic attraction force is lost on the belt conveyor 30 and the reinforcing fiber sheet 13 can be easily separated from the belt conveyor 30.
  • the pulling-off mechanism 70 composed of an articulated robot is provided with a suction head 71 having a vacuum suction function adapted to the shape of the completed reinforcing fiber sheet 13 at the tip of the arm, and the suction head 71 is connected to the reinforcing fiber sheet. 13, the reinforcing fiber sheet 13 is lifted up in a state where the reinforcing fiber sheet 13 is sucked, and the reinforcing fiber sheet 13 is pulled away from the belt conveyor 30.
  • the reinforcing fiber sheet 13 can be stocked on a tray or the like, or the reinforcing fiber sheet 13 can be transferred as it is onto the preform mold as it is.
  • a plurality of reinforcing fiber sheets 13 are laminated so that the strength and the like of the final product, which is a fiber reinforced resin molded product, can be expressed, and the final product is formed into a fiber reinforced resin molded product.
  • a reinforcing fiber preform (not shown) having a desired reinforcing fiber configuration and appearance shape is completed by placing the laminate on a preform mold having a similar shape and pressing the laminate with the preform mold. .
  • the reinforcing fiber bundles 11 arranged on the reinforcing fiber sheets 13 adjacent to the upper and lower layers are appropriately shifted from each other, such as 0 ° (reference angle), + 45 °, ⁇ 45 °, and 90 °.
  • a laminated state can be obtained.
  • the reinforcing fiber sheet 13 with such a shifted angle can be obtained by arranging the reinforcing fiber bundle 11 at a desired angle on the belt conveyor 30, or can be obtained at a specific angle on the belt conveyor 30. It is also possible to prepare the reinforcing fiber sheet 13 by arranging only, and to adjust the arrangement so that a desired angle is obtained when laminating.
  • the reference angle is defined as an angle formed by a reference direction, which will be described later, and a direction of the reinforcing fiber bundle 11 arranged in each reinforcing fiber sheet 13.
  • a predetermined direction can be appropriately set in advance, or can be the direction of the reinforcing fiber bundle 11 arranged on the first (lowermost) reinforcing fiber sheet 13.
  • the direction of the reinforcing fiber bundle 11 is, for example, when the reinforcing fiber bundle 11 in the reinforcing fiber sheet 13 to be arranged is arranged substantially linearly, the longitudinal direction thereof, and the entire reinforcing fiber bundle 11 is substantially the same. When it is curved, it can be determined such as the tangential direction at the start / end points.
  • the reinforcing fiber sheet 13 constituting each layer is independent of the adjacent reinforcing fiber sheet 13, so that the reinforcing fiber bundle 11 in the reinforcing fiber sheet 13 of each layer is accompanied by the pressing operation.
  • the reinforcing fiber bundles 11 of the adjacent reinforcing fiber sheets 13 move in different directions and try to deform into different shapes when moving to a predetermined position and attempting to deform into a predetermined shape, the reinforcing fiber bundles 11 of each other
  • Each of the reinforcing fiber bundles 11 easily follows so as to have a desired shape as a whole of the laminated body without hindering the movement and deformation, and a preform can be made with high accuracy by a simple mold press mechanism.
  • the reinforcing fiber bundle 11 of the reinforcing fiber sheet 13 is bonded with a binder, for example, a thin non-woven fabric 42, which is extremely smaller than the yarn bundle of the reinforcing fiber bundle 11 itself, and the non-woven fabric 42 is dot-bonded to the reinforcing fiber bundle 11 in the form of dots.
  • a binder for example, a thin non-woven fabric 42, which is extremely smaller than the yarn bundle of the reinforcing fiber bundle 11 itself, and the non-woven fabric 42 is dot-bonded to the reinforcing fiber bundle 11 in the form of dots.
  • the nonwoven fabric 42 itself is cut so as to be easily deformed, the deformation performance of the reinforcing fiber sheet 13 is further enhanced.
  • the nonwoven fabric 42 mentioned as the embodiment of the binder may be made of short fibers, continuous fibers, or a mixture of both.
  • the binder is the nonwoven fabric 42, and films, fibers, and other various materials can be used.
  • a material obtained by a melt spray method in which a resin melted by a solvent or heat is injected into the air and solidified can be used.
  • FIG. 2 shows an apparatus for producing a reinforcing fiber sheet according to an embodiment of the present invention by a melt spray method. In this method, the reinforcing fiber bundle 11 disposed on the belt conveyor 30 is directly sprayed by the melt spray device 44 to form the binder 45, and the reinforcing fiber bundle 11 is fixed.
  • the amount of the binder is preferably 1/10 or less than that of the reinforcing fiber in terms of the basis weight.
  • a material used for the binder it is preferable to use a material having stretchability in consideration of the above deformation performance.
  • Specific materials include rubber, thermoplastic elastomer, or unstretched yarn such as nylon / polyester, but various materials can be applied as long as they have appropriate stretchability. .
  • it has a drawability of 200% or more and at least 150% or more with respect to the initial length, good deformation performance can be obtained.
  • the binder is applied thinly in the portion where the deformation amount of the base material is expected to be large and thick in the other portions.
  • a thick binder is applied to the periphery of the base material, and a thin center portion is applied to eliminate fraying from the periphery of the base material and maintain good deformability while maintaining the deformation performance of the central portion. It can also be considered.
  • the method of this patent particularly the method using melt spraying, is very easy to control.
  • the material of the reinforcing fiber bundle 11 is preferably a material having conductivity for adsorbing with electrostatic force, and particularly carbon fiber is a particularly preferable conductor because it is a good conductor and has high strength and high elastic modulus as a reinforcing fiber. .
  • carbon fiber is a particularly preferable conductor because it is a good conductor and has high strength and high elastic modulus as a reinforcing fiber.
  • electrostatic adsorption is possible by attaching a component such as a surfactant that lowers the electrical resistance to the surface of the fiber. It becomes.
  • the reinforcing fiber bundle 11 can be fixed by electrostatic force, it is also necessary to apply a component such as a thermoplastic tack material, which will be described later, to the reinforcing fiber bundle 11 which is necessary for fixing the reinforcing fiber bundle 11 on the belt conveyor 30.
  • a component such as a thermoplastic tack material, which will be described later
  • the cost of the reinforcing fiber bundle 11 can be greatly reduced, and a large heating system such as a laser irradiation device necessary for melting the thermoplastic tack material is not necessary, which can further contribute to cost reduction.
  • various materials such as a simple metal plate, a resin plate, and a resin film can be used in addition to the belt conveyor 30 described above.
  • the non-woven fabric can take various materials and forms such as continuous fibers and short fibers. In that case, it is a matter of course that a material having good adhesion to the reinforcing fiber is desirable, but the nonwoven fabric itself is a material having stretchability in order to realize the high shape followability aimed by the present invention. It is desirable.
  • the nonwoven fabric not also a method of imparting stretchability to the binder includes notching to the binder.
  • the pattern of the cuts 81 for example, a pattern in which cut portions as shown on the left side of FIG. At this time, it is preferable that the direction of the notch 81 is arranged in accordance with the direction of the reinforcing fiber bundle 82. With such a pattern, when a force is applied between the adjacent reinforcing fiber bundles 82, only the binder portion is deformed and exhibits elasticity as shown on the right side of FIG. This can contribute to follow-up performance.
  • various cutting patterns can be selected and applied in accordance with the desired stretchability and adhesion pattern.
  • fibers When fibers are used as the binder, it is possible to impart properties different from those of isotropic materials such as nonwoven fabrics and films by adhering them to the reinforcing fiber bundle in a form aligned in one direction.
  • isotropic materials such as nonwoven fabrics and films
  • the fibers serving as the binder do not have stretchability.
  • deformation performance can be obtained by deformation of the binder itself against deformation in the direction in which the fiber serving as the binder is pulled.
  • the orientation direction of the reinforcing fiber bundle 91 is perpendicular to the orientation direction of the binder in the sense that the deformation of the binder is not hindered.
  • the deformation effect is not obtained at all, and the orientation direction of both is not particularly specified.
  • the fibrous binder that has been directly spun on the spot is reinforced.
  • the binder is cooled and solidified on the reinforcing fiber bundle. Bonding of the reinforcing fiber bundle and the binder is performed at the same time, which is efficient.
  • the binder material has good adhesion to the reinforcing fiber bundle, but in the sense that the present invention achieves the high shape following ability intended by the present invention, the fiber itself It is desirable for the material to be elastic.
  • the point bonding mechanism 50 In addition to the embossing roll 51 described above, various methods such as a laser irradiation method, ultrasonic welding, and high-frequency welding can be selected as the point bonding mechanism 50. If the reinforced fiber is a good conductive material such as carbon fiber, you can press the indenter with positive and negative electrodes at the tip to allow the electricity to flow directly to the reinforced fiber, and the equipment configuration In addition to being able to be simplified, it is an effective method with less thermal damage to the belt conveyor due to instantaneous heating.
  • the present invention is particularly suitable for the production of preforms and fiber-reinforced plastics having a three-dimensional shape, and can provide an optimum reinforcing fiber sheet used for the production.

Abstract

　一方向に引き揃えることで面を形成した複数の強化繊維束同士を、該強化繊維束に比べて極少ない量のバインダーにて繋ぎとめた、強化繊維シートの製造方法において、（ａ）任意長さの強化繊維を平板上の任意の位置に複数配置、固定する工程、（ｂ）バインダーを上記強化繊維の上に配置、接着する工程、（ｃ）強化繊維を、該平板から引き離す工程、の各工程を含む強化繊維シートの製造方法。　細かい凹凸や曲面の存在する３次元形状にも精度よくしかも容易に賦形できるように、とくに賦形性を向上することが可能な、併せて使用する強化繊維束の歩留まりの改善も可能なプリフォーム作製用の新しい強化繊維シートを効率的に生産する製造方法および製造装置を提供する。

Description

強化繊維シートの製造方法
　本発明は、強化繊維プラスチックの製造に供する強化繊維シートの製造方法、並びにその製造方法を実現する強化繊維シートの製造装置に関する。
　繊維強化プラスチックの製造に用いられる強化繊維のプリフォームを作製する方法として、種々の方法が知られている。例えば、強化繊維束の織物基材のような布帛から所定のカットパターンを切り出し、プレスによってプリフォームを賦形する方法が知られているが、この方法では、カットパターン外の基材部分を廃棄していることから、プリフォーム製造上の基材の歩留まりが悪く、プリフォーム製造コストが高くなることとなっていた。
　必要な場所のみに強化繊維束を配置する賦形方法として、ＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）やＴＦＰ（Ｔａｉｌｏｒｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）といった方法が知られているが、２次元形状やなだらかな３次元形状では任意の場所に強化繊維束を配置することはできるものの、従来のＡＦＰ、ＴＦＰでは複雑な３次元形状、例えば、比較的細かい凹凸や曲面の存在する３次元形状に精度よく賦形することは困難であった。
　例えば特許文献１には、移動可能な積層ヘッドでバインダー付きの強化繊維束をプリフォーム成形治具上に配列して、この配列作業を徐々に上の層に向かって複数層に渡って繰り返すことでプリフォームを製造する方法が開示されている.
　またＡＦＰの類の装置として、特許文献２には複数の乾燥繊維粗紡を異なる速度で、互いに独立させて型に供給、配置し、それぞれを独立して切断できるプリフォームの製造方法が開示されている。ここでは、非平面的な起伏のある複雑な３次元形状のプリフォームを繊維粗紡から直接製造できることを謳っている。
特開２０１１－５７７６７号公報 特表２０１１－５１６７５２号公報
　特許文献１に記載の方法では、積層ヘッドの形状的制約、特に加熱兼加圧ローラーの幅および直径の制約から、細かい凹凸や曲面に配置することは非常に難しく、一方で、これを回避するために積層ヘッド形状を小さくスリムなものを設計、選択したとしても、ヘッドをスリム化するために積層ヘッドから一度に供給できる強化繊維束の本数がせいぜい１本から数本までと少ない本数に制約されてしまうため、今度は装置の生産能力を大きく減少させてしまい、競争力の高いプロセスを得ることはできない。また、特許文献２に記載の方法では、複数の繊維粗紡を一つのローラーで加圧している限り、やはり細かい凹凸形状のある３次元プリフォームを直接的に製造することは困難であった。
　このＡＦＰの形状追従性の限界に配慮して、ＡＦＰ装置にては製作が比較的容易な平面もしくはなだらかな立体形状で、薄くて変形性の高い強化繊維プリフォームを製作し、これを複数セット重ねたうえで改めて実形状の３次元のプリフォーム成形型に沿わせ、互いのプリフォームを接着し、プリフォームを完成させる方法が考えられるが、複雑形状への高い追従性と生産効率の両方を達成した具体的な方法は、十分に開示されていない。
　そこで本発明の課題は、細かい凹凸や曲面の存在する３次元形状にも精度よくしかも容易に賦形できるように、とくに賦形性を向上することが可能な、併せて使用する強化繊維束の歩留まりの改善も可能なプリフォーム作製用の新しい強化繊維シートを効率的に生産する製造方法および製造装置を提供することにある。
　上記課題を解決するための、本発明の強化繊維シートの製造方法は、以下の構成を有する。すなわち、
一方向に引き揃えることで面を形成した複数の強化繊維束同士をバインダーにて繋ぎとめた、強化繊維シートの製造方法において、次の（ａ）および（ｂ）の工程を含む強化繊維シートの製造方法、である。
（ａ）所定長さの強化繊維束を平板上の所定位置に複数配置、固定する工程
（ｂ）バインダーを上記強化繊維束の上に配置、接着する工程
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記バインダーが、１５０％以上の延伸性を有する材質であることが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記バインダーが、一方向に引き揃えた繊維であることが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記バインダーが、短繊維および／または連続繊維からなる不織布であることが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記バインダーが、樹脂を細孔から大気中に吐出するメルトスプレー方式によって供給されることが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記バインダーが、フィルムであることが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記不織布又は前記フィルムに、複数の切り込みを加工する工程を含むことが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記強化繊維シートに、複数の切り込みを加工する工程を含むことが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、上記（ａ）の工程において、前記平板が、ベルトコンベアの平坦部であることが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、上記（ａ）の工程において、前記平板への前記強化繊維束の固定を、静電吸着力を用いて行うことが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、上記（ａ）の工程において、前記平板への前記強化繊維束の固定を、エア吸引による吸い付け力を用いて行うことが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、上記（ａ）の工程において、前記平板への前記強化繊維束の固定を、水の凍結により行うことが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、上記（ｂ）の工程の後、さらに静電吸着の解除、引き剥がし、加熱溶融のいずれかの方法により前記強化繊維シートを前記平板から引き離す工程（ｃ）を含むことが好ましい。
　本発明の強化繊維シートの製造方法は、前記強化繊維束と前記バインダーの接着において、任意の複数の位置を点接着することが好ましい。
　本発明に係るプリフォーム作製用の強化繊維シートの製造方法によれば、細かい凹凸や曲面の存在する３次元形状も精度よくしかも容易に賦形でき、併せて使用する強化繊維束の歩留まりを改善できる強化繊維シートを効率的に製造することができる。
　また、本発明に係るプリフォームの製造方法によれば、上記のような賦形性に優れたプリフォーム作製用強化繊維シートを用いるので、精度の高い賦形、成形を容易に効率よく行うことが可能になる。
本発明の一実施態様に係る強化繊維シート製造方法の概略構成図である。 本発明の一実施態様に係る強化繊維シート製造方法の概略構成図である。 本発明におけるバインダー切り込み加工の一実施態様を示す概略である。 本発明における繊維状バインダーの適用の一実施態様を示す概略図である。
　以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の一実施態様に係る強化繊維シートの製造装置を示している。図１においてまず、装置の全長に渡って静電吸着ベルトコンベア３０が敷かれており、そのベルトは内部に、ベルト長手に直行する方向に細長い金属導体からなる内蔵電極３１を、ベルト全周に渡って一定ピッチで備えている。この内蔵電極３１はベルト幅方向の両端部付近で、１本置き左右互い違いにベルトの外部に露出しており、同じくベルト幅方向の左右両端部付近に設置された給電電極３２がこの露出部に接触している。左右２本の給電電極３２は、高圧電源３３のプラスとマイナスの極にそれぞれ接続されており、これによって内蔵電極３１に１本置きでプラスとマイナスの電荷が供給されることになり、ベルトの表面に静電吸着力が発生する。
　複数個の強化繊維ボビン１０から引き出された複数の強化繊維束１１は、多関節ロボットから構成される強化繊維配置機構２０のアーム先端に装備された繊維配置ヘッド２１に導かれる。繊維配置ヘッド２１は、所望のタイミングで各々の強化繊維束１１を個別に送り出し、または切断して送りを停止する機能を有しており、強化繊維配置機構２０が繊維配置ヘッド２１を所定の位置に移動させるのに合わせて、適宜強化繊維束１１を供給、停止する。これらの機能により強化繊維束１１は、複数本単位でベルトコンベア３０上に略平行に引き揃えられながら、各繊維が必要とされる所望の位置に配置される。配置された強化繊維束１１は、静電吸着力によってベルトコンベア３０上に固定されるため、一度載置された強化繊維束１１が載置する面から離れて捲れ上がったりするトラブルがなく、強化繊維束１１の配置作業はスムーズに実行される。
　複数本単位で引き揃えられた強化繊維束１１と隣接する位置に、既に配置された強化繊維束１１と略平行に新たに強化繊維束１１を配置する作業を繰り返すことで、強化繊維束１１を所望の輪郭を持った平面形状に配置した、予備強化繊維シート１２を形成することができる。
　ここで、強化繊維束１１を引き揃える際、各強化繊維束１１の始点から終点まで必ずしも直線状であることを要せず、隣接する強化繊維束１１同士が微視的な領域で略並行を保っているのであれば、強化繊維束１１は、全体および／または部分的に円弧状に湾曲するように配置されていてもよい。
　次に、ベルトコンベア３０を下流（図１の右側方向）に送ることで、強化繊維配置機構２０の付近には、強化繊維束１１の配置されていないベルト面が現れ、一方でベルトコンベア３０上に配置された予備強化繊維シート１２は、下流のバインダー供給機構４０の付近に到達する。
　バインダー供給機構４０は、バインダーとして作用する繊維からなる不織布ロール４１、および切り込み加工機構４３を備えたものである。ベルトコンベア３０の送り速度に合わせて、不織布ロール４１から繰り出された不織布４２が、切り込み加工機構４３の作用によって所定のパターンの切り込みを与えられながら、また、図示しない幅方向全長に渡る裁断機構の作用によって、適宜ベルトコンベア３０上、特に予備強化繊維シート１２の上に選択的に供給されてゆく。
　次に予備強化繊維シート１２は、更に下流の点接着機構５０の付近に到達する。点接着機構５０は、円筒の外周にドット状の突起形状を持つエンボスロール５１を有し、このエンボスロール５１はベルトコンベア３０の送り速度に同期して回転するとともに、このエンボスロール５１自身が、不織布４２を構成する繊維のガラス転移温度以上の温度に加熱されているため、エンボスロール５１の回転に伴ってロール突起部に接触する不織布４２を軟化させて、下の予備強化繊維シート１２と不織布４２を接着する。これにより、本技術が目的とする、略平行に配置された複数の強化繊維束１１同士を、これら強化繊維束１１に比べて極少ない量のバインダーにて繋ぎとめた、強化繊維シート１３ができあがる。
　このように、まず複数の強化繊維束１１を平板状のベルトコンベア３０上に載置、固定したあとで、その上から強化繊維束１１同士をつなぐバインダーを付与することで、シート状のバインダーの上に強化繊維束１１を配置する方式に比べて、強化繊維束１１を載置する面の性状が安定しているので、載置作業のミスが少なく、よって処理速度を限界まで高めることができ、装置の作業効率を高めることができる。そもそもバインダーは、後述するプリフォーム工程で強化繊維シート１３の変形を阻害することがないように、低目付で変形性の高い不織布が好まれるので、その上に強化繊維束１１を高速で正確な位置に置いてゆくことは、難度が高い作業である。
　次に、強化繊維シート１３は、更に下流の裁断機構６０付近に到達する。裁断機構６０は裁断カッター６１を有し、裁断カッター６１は、ベルトコンベア３０の表面に平行なＸ－Ｙ軸方向、裁断カッター６１が取り付けられた軸に対する回転θ方向、およびベルトコンベア３０の表面に垂直なＺ方向に自在に位置を変えることで、強化繊維束１１の外側にはみ出した不要な不織布４２をカッターで所望形状に切断できる。
　次に、強化繊維シート１３は、更に下流の引き離し機構７０付近に到達する。給電電極３２はこの領域にまで延設されていないため、ベルトコンベア３０上は静電吸着力を失い、強化繊維シート１３をベルトコンベア３０から容易に引き離せる状態にある。ここで、多関節ロボットからなる引き離し機構７０は、アームの先端に、完成した強化繊維シート１３の形状に適合する真空吸着機能を持った吸着ヘッド７１を備えており、吸着ヘッド７１を強化繊維シート１３に接近させるとともに接触させ、強化繊維シート１３を吸い付けた状態で上に持ち上げて、ベルトコンベア３０から強化繊維シート１３を引き離す。
　この後は、一旦強化繊維シート１３をトレー等にストックするか、このままプリフォーム成形型の上に強化繊維シート１３を移載する等、適宜選択することができる。いずれの場合であっても、最終製品である繊維強化樹脂成形体としての強度等を発現できるように、強化繊維シート１３を複数枚積層して、最終製品である繊維強化樹脂成形体の形状に準ずる形状を持つプリフォーム成形型に載置し、この積層体をプリフォーム成形型でプレスすることで、所望の強化繊維構成と外観形状を持った強化繊維プリフォーム（図示せず）が完成する。積層するにあたり、上下層に隣接する各強化繊維シート１３に配置した強化繊維束１１が、各層間で、０°（基準角度）、＋４５°、－４５°、９０°というように互いに適宜ずらした積層状態にすることができる。このような角度をずらした強化繊維シート１３は、ベルトコンベア３０上で強化繊維束１１を所望の角度に配置して強化繊維シート１３を得ることもできるし、ベルトコンベア３０上では特定の角度にのみ配置して強化繊維シート１３を作製し、積層する際に所望の角度になるように配置を調整することもできる。
　ここで基準角度は、後述する基準の方向と、各強化繊維シート１３に配置した強化繊維束１１の方向との成す角度として規定される。基準の方向とは、あらかじめ所定の方向を適宜設定するか、１枚目（最下層）の強化繊維シート１３に配置された強化繊維束１１の方向とすることができる。強化繊維束１１の方向は、例えば、配置しようとする強化繊維シート１３における強化繊維束１１が実質的に直線状に配置されている場合はその長手方向、強化繊維束１１の全体が実質的に湾曲している場合は始点／終点における接線方向、等のように定めることができる。
　この強化繊維プリフォームを成形する際に、各層を構成する強化繊維シート１３は、隣接する強化繊維シート１３と独立しているため、プレス動作に伴い各層の強化繊維シート１３における強化繊維束１１が所定の位置に移動し、所定の形状に変形しようとする際に、隣接する強化繊維シート１３の強化繊維束１１が異なる向きに移動し、異なる形状に変形しようとしても、互いの強化繊維束１１の移動、変形を阻害することなく、積層体全体として所望の形状となるようにそれぞれの強化繊維束１１が容易に追従し、簡素な型プレス機構で精度よくプリフォームを作り上げることができる。
　強化繊維シート１３の強化繊維束１１は、強化繊維束１１自身の糸束よりも極少ない量のバインダー、たとえば薄い不織布４２で接合され、その不織布４２が強化繊維束１１とドット状に点接着されている上、不織布４２自身に変形し易いように切り込みを入れているため、強化繊維シート１３の変形性能は更に高いものとなる。
　なお、バインダーの実施形態として挙げた不織布４２は、短繊維からなるものでも連続繊維からなるものでも良く、あるいは双方が混在したものでも良い。またバインダーは、不織布４２であることは必須ではなく、フィルムや、繊維その他様々な材料を用いることが出来る。また、溶剤や熱によって溶融させた樹脂を空気中に噴射し、固化させるメルトスプレー方式によって得られる材料を用いることも出来る。図２にメルトスプレー方式による本発明の一実施態様に係る強化繊維シートの製造装置を示す。この方式ではベルトコンベア３０上に配置された強化繊維束１１にメルトスプレー装置４４にて直接スプレーしてバインダー４５を形成し、強化繊維束１１を固定する。
　またこれ以外にも、別工程にてあらかじめ不織布状にメルトスプレーにてバインダー形成したものを準備しておき、それを強化繊維束１１に貼り付けるなどの方法が考えられる。バインダーの量は、目付の比で強化繊維のそれより１０分の１以下であることが好ましい。
　また、バインダーに用いる材質としては、上記の変形性能を考慮すると、延伸性を有する材質を用いることが好ましい。具体的な材質としてはゴム、熱可塑エラストマー、またはナイロン・ポリエステル等の未延伸糸などが挙げられるが、適度な延伸性を有するものであればこれらに限らず様々な材質を適用することが出来る。また、延伸性としては当初の長さに対して２００％以上、少なくとも１５０％以上の延伸性を有するものであれば、良好な変形性能を得ることが出来る。
　また、バインダーの付与量については、厚く付与すれば強化繊維束同士が強固に固着されハンドリング性が向上し、薄くすれば強化繊維束同士の固着が弱くなり上記変形性能が増加する。相反するこれらの特性を両立させるために、基材の変形量が大きくなると予想される部分においてはバインダーを薄く、その他の部分には厚く付与するということが考えられる。同様の考えとして、基材周囲部分には厚くバインダー付与し、中央部分は薄く付与することにより基材の周囲からのほつれをなくし良好なハンドリング性を持たせながら、中央部分の変形性能を維持するといったことも考えられる。このように、状況に応じてバインダーの付着量を場所毎に任意にコントロールする際も、本特許の方式、特にメルトスプレーによる方式であれば非常にコントロールが容易である。
　強化繊維束１１の材質は、静電気力で吸着するための導電性を有する材質が好ましく、特に炭素繊維は良好な導体であるうえ、強化繊維としての高強度、高弾性率を持つため、特に好ましい。ただし、ガラス繊維やケブラー繊維のように、繊維自体が導電体でないものを用いた場合でも、繊維の表面に電気抵抗を下げる界面活性剤のような成分を付着させることで、静電吸着が可能となる。また、静電気力で強化繊維束１１を固定できれば、強化繊維束１１をベルトコンベア３０上に一端固定するために必要な、後述する熱可塑性タック材等の成分を強化繊維束１１に付与する必要もなく、強化繊維束１１のコストを下げることに大きく寄与できるうえ、熱可塑タック材を溶かすために必要な、レーザー照射装置等の大掛かりな加熱システムも不要となり、さらにコストダウンに寄与できる。
　強化繊維束１１を最初に載置する平面としては、上述したベルトコンベア３０以外にも、単なる金属板や樹脂板、樹脂フィルムなど様々な素材を用いることが出来る。
　それらの素材に合わせた形で、強化繊維束１１の固定方法としては上記に挙げた静電吸着のほか、エアの吸い込みによる吸引接着や、低温を用いた凍結固着、また針等の突起物に繊維をひっかけて固定する等、様々な手法を単体あるいは組み合わせて採用することができる。また、粘着物質を用いた単純な接着による手法をとることも可能であるが、その場合常温で粘着性のあるものは取り扱いが困難となるため、加熱溶融時のみ粘着性を発現する熱可塑タック材を用いるのが望ましい。この場合、タック材の加熱溶融のために赤外線ヒーター等、さらに高速化するにはレーザー照射装置等の大掛かりな加熱システムが必要となる。
　また、固定方法の種類によっては、後の引き剥がし工程における強化繊維と平板との分離が随意に実施できないことが考えられ、その場合引き剥がしのための機構が必要となる。スクレーパーによる掻き取りや吸着機構による引っ張り、突起物による固定であれば突起物を退避させる等、物理的に分離する方法や、凍結固着された強化繊維に対して加熱溶融するなどの固定方法に応じた固定解除手法等、様々な方法をとることが出来る。
　バインダーとして不織布を用いる場合、不織布の材質としては連続繊維、短繊維様々な物質、形態のものをとることができる。その際、強化繊維との接着性が良好なものが望ましいのはもちろんであるが、本発明が目的とする高い形状追従性を実現する意味で、不織布自体が伸縮性を有するような素材であることが望ましい。
　また不織布に限らずバインダーに伸縮性を付与する方法として、バインダーへの切り込み付与が挙げられる。切り込み８１のパターンとしては、例えば図３の左側に示すような切り込み箇所を千鳥型に配置したパターンが挙げられる。この際、切り込み８１の方向を強化繊維束８２の方向に合わせて配置するのが良い。このようなパターンであれば、隣接する強化繊維束８２間に力を受けた場合、図３の右側のようにバインダー部分のみが変形し伸縮性を発揮するため、結果として強化繊維シート１３の形状追従性に寄与することが出来る。これ以外にも、狙いとする伸縮性や接着パターンに合わせる形で、様々な切り込みパターンを選択し、適用することが出来る。
　バインダーとして繊維を用いる場合においては、ある一方向に引き揃えた形で強化繊維束に接着させることにより、不織布やフィルム等の等方性材料とは異なる特性を付与することが可能となる。例えば図４の左側に示すように、バインダーとなる繊維を一方向に引き揃えて配置し、強化繊維束９１をすだれ状につなぎ止めた形状にした場合、バインダーとなる繊維が伸縮性能を有せば、図４の右側に示すように、バインダーとなる繊維が引っ張られる方向への変形に対してはバインダー自身が変形することにより変形性能を得ることが出来る。この際、強化繊維束９１の配向方向はバインダーの配向方向に対して垂直であることが、バインダーの変形を阻害しない意味で望ましいが、垂直以外の角度でも上記のようなバインダー変形による基材の変形効果が全く得られないわけではなく、両者の配向方向は特に規定されるものではない。
　繊維状のバインダーを一方向に引き揃えて付与する方法としては、あらかじめ繊維として準備したバインダーを引出装置により強化繊維束に配置しておく方法の他、その場で直接紡糸した繊維状バインダーを強化繊維束に配置する方法が挙げられ、特にスパンボンド法のように半溶融状態の熱可塑性樹脂バインダーを強化繊維束上に配置する方法によれば、バインダーが強化繊維束上で冷却固化することにより強化繊維束とバインダーの接着も同時に行われ効率的である。繊維をバインダーとする場合においても、バインダー材質は強化繊維束との接着性が良好なものが望ましいのはもちろんであるが、本発明が目的とする高い形状追従性を実現する意味で、繊維自体が伸縮性を有するような素材であることが望ましい。
　また、点接着機構５０としては、上述したエンボスロール５１以外にも、レーザー照射による方法や、超音波溶着、高周波溶着等、さまざまな方法が選択できる。強化繊維が炭素繊維等の良好な導電性の材料の場合は、先端にプラスとマイナスの電極を設けた圧子を押し付けることで、強化繊維に局所的に直接電気を流すことができ、設備構成を単純化できる上に、瞬時加熱のためにベルトコンベアへの熱的なダメージが少なく、有効な方法である。
　本発明は、とくに３次元形状を有するプリフォームや繊維強化プラスチックの製造に好適なものであり、その製造に用いて最適な強化繊維シートを提供できる。
１０　強化繊維ボビン
１１　強化繊維束
１２　予備強化繊維シート
１３　強化繊維シート
２０　強化繊維配置機構
２１　繊維配置ヘッド
３０　静電吸着ベルトコンベア
３１　内蔵電極
３２　給電電極
３３　高圧電源
４０　バインダー供給機構
４１　不織布ロール
４２　不織布
４３　切り込み加工機構
４４　メルトスプレー装置
４５　バインダー（メルトスプレー）
５０　点接着機構
５１　エンボスロール
６０　裁断機構
６１　裁断カッター
７０　引き離し機構
７１　吸着ヘッド
８０　バインダー
８１　切り込み
８２　強化繊維束
９０　バインダー（繊維状）
９１　強化繊維束

Claims (14)

  1. 一方向に引き揃えることで面を形成した複数の強化繊維束同士をバインダーにて繋ぎとめた、強化繊維シートの製造方法において、次の（ａ）および（ｂ）の工程を含む強化繊維シートの製造方法。
    （ａ）所定長さの強化繊維束を平板上の所定位置に複数配置、固定する工程
    （ｂ）バインダーを上記強化繊維束の上に配置、接着する工程。
  2. 前記バインダーが、１５０％以上の延伸性を有する材質である請求項１に記載の強化繊維シートの製造方法。
  3. 前記バインダーが、一方向に引き揃えた繊維である請求項１または２に記載の強化繊維シートの製造方法。
  4. 前記バインダーが、短繊維および／または連続繊維からなる不織布である請求項１または２に記載の強化繊維シートの製造方法。
  5. 前記バインダーが、樹脂を細孔から大気中に吐出するメルトスプレー方式によって供給される請求項１、２、４のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  6. 前記バインダーが、フィルムである請求項１または２に記載の強化繊維シートの製造方法。
  7. 前記不織布又は前記フィルムに、複数の切り込みを加工する工程を含む、請求項４または６に記載の強化繊維シートの製造方法。
  8. 前記強化繊維シートに、複数の切り込みを加工する工程を含む、請求項１～６のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  9. 上記（ａ）の工程において、前記平板が、ベルトコンベアの平坦部である請求項１～８のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  10. 上記（ａ）の工程において、前記平板への前記強化繊維束の固定を、静電吸着力を用いて行う請求項１～９のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  11. 上記（ａ）の工程において、前記平板への前記強化繊維束の固定を、エア吸引による吸い付け力を用いて行う請求項１～９のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  12. 上記（ａ）の工程において、前記平板への前記強化繊維束の固定を、水の凍結により行う請求項１～９のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  13. 上記（ｂ）の工程の後、さらに静電吸着の解除、引き剥がし、加熱溶融のいずれかの方法により前記強化繊維シートを前記平板から引き離す工程（ｃ）を含む請求項１～１２のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
  14. 前記強化繊維束と前記バインダーの接着において、任意の複数の位置を点接着する請求項１～１３のいずれかに記載の強化繊維シートの製造方法。
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