WO2021010084A1

WO2021010084A1 - 繊維散布ブースおよびそれを用いた強化繊維マット製造装置

Info

Publication number: WO2021010084A1
Application number: PCT/JP2020/023939
Authority: WO
Inventors: 河原好宏; 鈴木保
Original assignee: 東レ株式会社
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-01-21
Also published as: JPWO2021010084A1

Abstract

強化繊維束を散布して強化繊維マットを製造する強化繊維マット製造装置に用いられる繊維散布ブースであって、上方から落下する強化繊維束を分散する回転可能な分散ローラーと、前記分散ローラーの回転軸に垂直な方向に面方向を有する整流板とを内部に有する繊維散布ブース。また、シート材上に強化繊維束を散布して強化繊維マットを製造するための強化繊維マット製造装置であって、前記シート材の載置面の上方に前記繊維散布ブースが設置されてなる強化繊維マット製造装置。簡便な構造で、細束でかつ目付けムラの小さい強化繊維マットを製造することが可能な繊維散布ブースを提供する。

Description

繊維散布ブースおよびそれを用いた強化繊維マット製造装置

　本発明は、強化繊維マットを製造する強化繊維マット製造装置に用いられる繊維散布ブースに関するものである。

　強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチックは、比強度、比弾性率が高いことなど、優れた機械特性を持つことから広く産業用途で使用されている。その中でも複雑な形状に成形することを目的として、不連続の強化繊維束（例えば、炭素繊維）とマトリックス樹脂からなる成形材料を用いて、加熱、加圧成形により、所望形状の成形品を製造する技術が知られており、ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ　Ｍｏｌｄｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）やスタンパブルシートが主なものとして挙げられる。

　不連続の強化繊維束を用いた繊維強化プラスチックにおいて、強化繊維をランダムに分散させた強化繊維マットの性状は、機械特性に大きな影響を与える要因である。この強化繊維マット中の繊維束の太さや、目付けムラの程度により、繊維強化プラスチックの機械特性は大きく影響を受けるため、繊維束を所望の束太さに分散し、かつ分散された繊維束を均一に散布することは、優れた強化繊維マットを製造する上で重要である。

　また、昨今ではその優れた機械特性と成形のしやすさから、炭素繊維を用いたＳＭＣが、大量生産される自動車向けの材料として採用される事例も出てきている。しかし、さらなるＳＭＣの普及には、優れた機械特性を損なうことなく、低コスト化することが必須の状況である。

　一般的に、強化繊維束がより細束であるほど、また、より強化繊維マットの目付けムラが少ないほど、繊維強化プラスチックの機械特性は高くなることが知られている。より細束の強化繊維束を得る方法としては、以下の２つが考えられる。１つ目は、不連続に切断する前の連続繊維が巻かれたボビンに細い束のボビンを用いること、２つ目は、太い束のボビンから得た太束を分散して細束を得る方法である。

　２つの方法を比較した場合、既存の設備を用いつつ優れた機械特性を有する材料を製造するには、前者が容易な方法となる。しかし、一般に細束のボビンは太束のボビンに対してコストが高いため、低コスト化を進める上では、後者の太束を分散して細束を得る技術が有位である。

　太束の強化繊維束を分割して細束とした上で散布し、強化繊維マットを製造する技術として、特許文献１には、スパイクローラーを回転させ、強化繊維束に接触させることにより繊維束を分散させ、その後、回転するスラット（薄板）を連続的に回転させることで生成される乱流によって、スパイクローラーによって分散された繊維を調整する繊維散布ブース（成形箱体）が記載されている。

特表２０１６－５１８２７８号公報

　しかし、特許文献１のように回転するスラットを設置するためには、モーターやそれを駆動するための電気配線を設置する必要があり、繊維散布ブース自体の製造コストや、強化繊維マット製造装置の稼動コストが高くなる問題があった。

　本発明は、より簡便な構造で、細束でかつ目付けムラの小さい強化繊維マットを製造することが可能な繊維散布ブースを提供することを課題とする。

　上記課題を解決するための本発明は、下記の通りである。
（１）強化繊維束を散布して強化繊維マットを製造する強化繊維マット製造装置に用いられる繊維散布ブースであって：
　上方から落下する強化繊維束を分散する回転可能な分散ローラーと；
　前記分散ローラーの回転軸に垂直な方向に面方向を有する整流板と；
　を内部に有する繊維散布ブース。
（２）少なくとも前記分散ローラーの回転により描かれる円の高さ方向の範囲内に前記整流板が存在する、（１）に記載の繊維散布ブース。
（３）前記整流板の前記分散ローラーの回転軸方向から見た投影面積が、前記分散ローラーの回転により描かれる円の面積よりも大きい、（１）または（２）に記載の繊維散布ブース。
（４）前記整流板が、前記分散ローラーと接触する部分を除く略全面に設置されている、（２）または（３）に記載の繊維散布ブース。
（５）前記分散ローラーの回転軸方向から見て、前記回転軸を挟んだ水平方向の両側に前記整流板が設置されている、（１）～（４）のいずれかに記載の繊維散布ブース。
（６）前記整流板が前記分散ローラーの回転軸方向に複数配置されている、（１）～（５）のいずれかに記載の繊維散布ブース。
（７）前記整流板が２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下のピッチで略等間隔に配置されている、（６）に記載の繊維散布ブース。
（８）前記複数の整流板の自由端同士を連結する振動防止部材を有する、（６）または（７）に記載の繊維散布ブース。
（９）シート材上に強化繊維束を散布して強化繊維マットを製造するための強化繊維マット製造装置であって、前記シート材の載置面の上方に、（１）～（８）のいずれかに記載の繊維散布ブースが設置されてなる強化繊維マット製造装置。
（１０）前記シート材の載置面から前記整流板の最下端までの距離が２００ｍｍ～１０００ｍｍである、（９）に記載の強化繊維マット製造装置。

　本発明の繊維散布ブースを用いることで、細束でかつ目付けムラが小さい強化繊維マットを、低コストで製造することができる。

本発明の一実施態様に係る強化繊維マット製造装置の断面図である。図１の強化繊維マット製造装置の斜視図である。本発明の一実施態様に係る繊維散布ブースの底面図である。本発明の他の実施態様に係る繊維散布ブースにおける分散ローラーを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。本発明のさらに他の実施態様に係る繊維散布ブースにおける分散ローラーを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。図３の繊維散布ブースにおける分散ローラーの描く円Ｄを説明するための概念図である。図６における円Ｄの面積と整流板の面積の関係を説明するための概念図である。図３の繊維散布ブースの透過斜視図である。本発明のさらに他の実施態様に係る繊維散布ブースの底面図である。図３の繊維散布ブースにおける整流板の一変形例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図である。図３の繊維散布ブースにおける整流板の他の変形例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。図３の繊維散布ブースにおける整流板のさらに他の変形例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ方向矢視図である。

　以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。個々の実施形態の説明の中で付記させた図面中の符号は、理解を容易にするための配慮であって、各々の用語の意味を図面に示す実施形態に限定するものではない。従って、以下の実施形態についての説明は、同時に上位概念としての本発明の説明と解釈し得るものである。

　図１および図２は、本発明の繊維散布ブースを備えた強化繊維マットの製造装置の一実施形態を示しており、図１は装置側面からの断面図、図２は斜視図である。ここで、シート材上に均一に強化繊維束を堆積させるため、本装置は水平に設置されることが通常であるため、図１の上側を「上」、下方を「下」と表現する場合がある。さらに、特に断りがなければ、繊維散布ブースの「断面」は、図１に示す装置側面からの断面、すなわち分散ローラーの回転軸に垂直な方向の断面を指すものとする。

　図１に示す強化繊維マット製造装置において、装置の最上部には、強化繊維糸条１をガイドするガイドロール１０、その直下にニップロール１１とカッターロール１２が設置されている。図示しない動作機構によりニップロール１１とカッターロール１２とは互いに押付け合う、または離間する動作が可能である。

　ニップロール１１およびカッターロール１２の周囲およびその下方にはシューター２０が設置され、シューター２０の下端の開口部が繊維散布ブース３０と接続されている。繊維散布ブース３０内部には、繊維束を分割し、分散させる分散ローラー４０が設置されている。分散ローラー４０は、図示しない回転機構によって回転を与えられる回転軸４１と、回転軸４１から放射状に伸びる複数の棒状の突起部材４３を備えている。

　上述の装置を用いて強化繊維マットを製造する際は、ガイドロール１０を経由して強化繊維糸条１をニップロール１１に案内し、強化繊維糸条１は、図示しない動作機構により互いに押付けられたニップロール１１、カッターロール１２間にて切断され、切断された強化繊維束２となる。

　続いて、強化繊維束２はシューター２０内を落下し、シューター２０下端の開口部を通過して繊維散布ブース３０内に進入する。そして、回転する分散ローラー４０の突起部材４３と接触することで、接触前よりも細い細束強化繊維束３へと分割されるとともに、突起部材４３から受けた力、あるいは分散ローラー４０の回転により生じた気流によって、繊維散布ブース内の広い範囲に散布される。（なお、回転ローラーによって必ずしも全ての強化繊維束が細く分割されるとは限らないが、本明細書においては、便宜上回転ローラー設置部を通過した強化繊維束を総じて「細束強化繊維束」と呼称するものとする。）散布された細束強化繊維束３は、繊維散布ブース３０の下端の開口部を通過して繊維散布ブース３０外へ排出され、走行方向Ｙへ走行するシート材５０の上に落下して積み重なり、強化繊維マット４を形成する。

　本実施形態においては、分散ローラー４０は、図１および図３に示すように、回転軸４１から多数の突起部材４３が放射状に伸びるものであるが、分散ローラーの形状は特に限定されず、図４に示すように、回転軸４１を中心に固定された１対あるいはそれ以上の数の回転板４２の間に、回転軸４１と平行方向に張った複数の棒状部材４４を備えた形態や、図５に示すように、回転軸４１から板状部材４５を放射状に等間隔に配置し、固定された形態など、回転運動に起因して強化繊維束に作用し、強化繊維束を分割・分散することが可能な部材であれば特に限定されない。

　分散ローラー４０の回転方向は特に限定されないが、細束強化繊維束は回転方向（図１においては時計回り方向）の前方（図１においては回転軸の右側）に多く飛散する。そのため、分散ローラー４０に接触して弾き飛んだ細束強化繊維束３が繊維散布ブース３０のハウジングになるべく接触しないように、図１に示すように、分散ローラー４０の回転方向前方における回転軸４１から繊維散布ブース３０のハウジングまでの距離を、回転方向後方における回転軸４１からハウジングまでの距離より長く取ることが好ましい。弾き飛んだ細束強化繊維束３が繊維散布ブース３０のハウジングに衝突すると、細束強化繊維束３が回転軸４１の軸方向を向いてしまい、強化繊維マット４を構成する細束強化繊維束３のランダム性が失われやすくなる。従って、分散ローラー４０の回転方向前方における回転軸４１から繊維散布ブース３０のハウジングまでの距離は、細束強化繊維束３の弾き飛ぶ距離以上とすることが好ましい。

　ここで、一般に、分散ローラー４０の回転速度が大きいほど、強化繊維束をより細い束に分割することができる。一方、回転速度を大きくすると、分散ローラー４０の回転に伴って生じる随伴気流が強くなるため、繊維散布ブース３０内で気流の乱れが発生しやすくなる。乱れた気流が、分散ローラー４０の回転軸方向に流れた場合、細束強化繊維束３がその流れによって移動してしまうため、シート材５０に散布された際に、繊維の目付けムラの悪化につながってしまう。

　本発明の繊維散布ブースは、分散ローラーの回転軸に垂直な方向に面方向を有する整流板を内部に有する。すなわち、整流板は、中心平面が分散ローラーの回転軸と略垂直な方向（９０±１５°以内）の面に設置することができる。本実施形態においては、繊維散布ブース３０の内部に、分散ローラーの回転軸に垂直な方向に面方向を有する整流板３１ａ，３１ｂが、ハウジングから立設されるように設置されている。整流板３１ａ，３１ｂは、分散ローラー４０の回転によって発生する気流が回転軸４１の軸方向への流れを遮るよう設置されているため、分散した細束強化繊維束３の回転軸４１の軸方向への移動が抑制され、結果的に、形成される強化繊維マット４の幅方向の目付けムラを抑制することに繋がる。

　整流板３１（以下、整流板が複数存在する形態において、特定の整流板ではなく全ての整流板を包括的に説明する場合には、「３１」の符号で表す。）は、図６に示すように、繊維散布ブース４０の断面において、分散ローラー４０の回転により描かれる円Ｄの高さ方向の範囲内、すなわち、両方向矢印Ｋで示される範囲内に少なくとも存在することが好ましい。この範囲内に整流板が存在することで、分散ローラー４０によって分散された細束強化繊維束３が分散された直後に整流板３１で仕切られた空間に進入するため、分散ローラー４０の回転軸方向への気流の影響を効果的に抑制できる。

　また、図６に示すように、整流板３１は分散ローラー４０の回転により描かれる円Ｄに接触しない範囲で、なるべく近い位置に（すなわち、Ｗａで示す距離がなるべく小さくなるように）設置されていることが好ましい。Ｗａは、３００ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１００ｍｍ以下で、さらに好ましくは３０ｍｍ以下である。Ｗａが小さいほど、分散ローラー４０の回転によって発生した気流が、回転軸４１の軸方向に移動することを効果的に抑制することができる。

　また、同断面を見た場合において、整流板３１の回転軸４１の軸方向から見た投影面積は、分散ローラー４０の回転により描かれる円Ｄの面積よりも大きいことが好ましい。すなわち、図７で示すように、繊維散布ブース３０を回転軸４１方向から見た整流板３１ａの投影面積Ｇａと整流板３１ｂの投影面積Ｇｂの面積の合計が円Ｄの面積よりも大きいことが好ましい。

　整流板３１の数は特に限定されず、製造しようとする強化繊維マットの幅に応じて適宜選択されるべきであるが、図３および図８に示すように、分散ローラー４０の回転軸方向に複数配置することが好ましい。図８においては、分散ローラー４０の回転方向側のハウジングから５枚の整流板３１ａ１～３１ａ５、分散ローラー４０の回転方向と反対側のハウジングから５枚の整流板３１ｂ１～３１ｂ５が、それぞれ立設されている。このように複数に整流板を配置することにより、より分散ローラー４０による気流の影響を抑制することが可能になる。

　図８においては、整流板３１ａ１～３１ａ５、および３１ｂ１～３１ｂ５は、それぞれ略等間隔で設置されている。分散ローラー４０の回転軸方向に複数の整流板を設置する場合、必ずしも等間隔である必要はないが、より均一に細束強化繊維束を分散させる観点からは、複数の整流板を略等間隔で設置することが好ましい。このように整流板を設置する際のピッチＰは、特に限定されないが、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが好ましい。

　さらに、図８に示す実施形態においては、分散ローラー４０の回転方向前方と、分散ローラー４０の回転軸方向後方のハウジングの両側に、整流板が設置されている。すなわち、分散ローラー４０の回転軸方向から見て、分散ローラー４０の回転軸を挟んだ水平方向の両側に整流板３１が設置されている。このように分散ローラーの両側に整流板を設置することで、繊維散布ブース内における分散ローラーの回転方向後方の空間における気流の影響も抑制することが可能である。ただし、整流板は分散ローラー４０の回転軸前方のみ（図６においては回転軸の右奥側のみ）に設けられていてもよい。

　また、繊維散布ブース３０の底面図として図９に示すように、整流板３１ａは、分散ローラー４０を挟んで反対側に設置している整流板３１ｂと、回転軸４１方向にずれて、いわゆる千鳥関係で配置されていてもよい。このように整流板が千鳥関係で配置されている場合であっても、図７で示すように、繊維散布ブース３０を回転軸４１方向から見た整流板３１ａの投影面積Ｇａと整流板３１ｂの投影面積Ｇｂの面積の合計が円Ｄの面積よりも大きいことが好ましい。

　図１０は、整流板３１の一変形例を示している。本実施形態の整流板３１ｃは、繊維散布ブース３０の断面において、分散ローラー４０と接触する部分を除く略全面に設置されている。言い換えると、整流板３１ｃには、繊維散布ブース３０の断面において、分散ローラーの回転領域をくり抜くよう配置された抜き穴３２が形成されている。このように設置することで、さらに気流の影響を小さく抑えることができる。さらに、図１１に示すように、分散ローラーが突起部材４３を備える場合には、さらに設置領域を拡大し、突起部材４３との接触を避けつつ、回転軸４１と接触する部分を除く略全面に整流板３１ｃを設置してもよい。

　図１２は、整流板３１ａに、振動防止部材３３を設置した例である。図１２に示す実施形態においては、整流板３１ａ、３１ｂは、その端部がハウジングに溶接等によって固定されることによりハウジングから立設する形で設置されているが、繊維散布ブース３０の下部にはハウジングが存在しないため、整流板３１ａ、３１ｂの下端部は固定されていない自由端となっている。そのため、振動防止部材３３が存在しない場合、装置の振動が整流板３１ａ、３１ｂに伝わって振動することによる耐久性の低下等が懸念される。図１２に示す実施形態において、振動防止部材３３は、複数の整流板３１ａを挟持する複数のスリット３６を備えた棒状の部材であり、整流板３１ａの下端におけるハウジングから離れた位置に設置し、複数の整流板３１を挟持しつつ連結することによって、整流板３１ａの振動を抑制している。振動防止部材３３は、本実施形態においては整流板３１の下端部に設置されているが、必ずしも下端部に設置する必要はなく、整流板の自由端、すなわちハウジング等に固定されていない端部同士を連結するものであれば特に限定されない。また、同様に本実施形態においては前方の整流板３１ａのみに振動防止部材が設置されているが、後方の整流板３１ｂに振動防止部材を設けることもできる。

　なお、図１２に示す実施形態においては、繊維散布ブース３０は、断面においてその上端から中段に向けて徐々に幅が広くなっている。言い換えれば、繊維散布ブース３０のハウジングは、上方が狭く、中段に向けて徐々に広くなるよう傾斜が設けられている。このように形成することで、細束強化繊維束の分散を阻害することなく、繊維散布ブース全体を小型化することができる。図１２においては、繊維分散ローラー４０の片側（図１２における右側）のみにこのような傾斜が設けられているが、両側にこのような傾斜を設けることもできる。

　上記の繊維分散ブースは、図１に示すように、強化繊維マットの製造装置において、シート材５０の載置面の上方に設置される。このとき、シート材５０の載置面から整流板３１の最下端までの距離Ｈが小さすぎると整流板の直下に繊維が散布されにくくなる。また、逆に距離Ｈが大きすぎると、軽い強化繊維は落下してゆく間に繊維散布ブース３０の直下から外へはみ出して散布されやすくなり、いずれにせよ強化繊維マットに目付けムラが生じやすくなる。そこで、シート材５０の載置面から整流板の最下端までの距離は、２００ｍｍ～１０００ｍｍであることが好ましく、より好ましくは２００ｍｍ～８００ｍｍ、更に好ましくは２００ｍｍ～６００ｍｍである。

　なお、シート材としては表面に強化繊維マットを形成することが可能な限り特に限定されず、材質も樹脂、金属に限定しないが、樹脂製フィルムや、金属製の鎖で面を構成したチェーンシートや、金属製の金網で構成したメッシュシート、また、単なる金属シート等を用いることができる。

１　：強化繊維糸条
２　：強化繊維束
３　：細束強化繊維束
４　：強化繊維マット
１０：ガイドロール
１１：ニップロール
１２：カッターロール
２０：シューター
３０：繊維散布ブース
３１、３１ａ～３１ｃ、３１ａ１～３１ａ５、３１ｂ１～３１ｂ５：整流板
３２：抜き穴
３３：振動防止部材
３６：スリット
４０：分散ローラー
４１：回転軸
４２：回転板
４３：突起部材
４４：棒状部材
４５：板状部材
５０：シート材

Claims

　強化繊維束を散布して強化繊維マットを製造する強化繊維マット製造装置に用いられる繊維散布ブースであって：
　上方から落下する強化繊維束を分散する回転可能な分散ローラーと；
　前記分散ローラーの回転軸に垂直な方向に面方向を有する整流板と；
　を内部に有する繊維散布ブース。
　少なくとも前記分散ローラーの回転により描かれる円の高さ方向の範囲内に前記整流板が存在する、請求項１に記載の繊維散布ブース。
　前記整流板の前記分散ローラーの回転軸方向から見た投影面積が、前記分散ローラーの回転により描かれる円の面積よりも大きい、請求項１または２に記載の繊維散布ブース。
　前記整流板が、前記分散ローラーと接触する部分を除く略全面に設置されている、請求項２または３に記載の繊維散布ブース。
　前記分散ローラーの回転軸方向から見て、前記回転軸を挟んだ水平方向の両側に前記整流板が設置されている、請求項１～４のいずれかに記載の繊維散布ブース。
　前記整流板が前記分散ローラーの回転軸方向に複数配置されている、請求項１～５のいずれかに記載の繊維散布ブース。
　前記整流板が２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下のピッチで略等間隔に配置されている、請求項６に記載の繊維散布ブース。
　前記複数の整流板の自由端同士を連結する振動防止部材を有する、請求項６または７に記載の繊維散布ブース。
　シート材上に強化繊維束を散布して強化繊維マットを製造するための強化繊維マット製造装置であって、前記シート材の載置面の上方に、請求項１～８のいずれかに記載の繊維散布ブースが設置されてなる強化繊維マット製造装置。
　前記シート材の載置面から前記整流板の最下端までの距離が２００ｍｍ～１０００ｍｍである、請求項９に記載の強化繊維マット製造装置。