WO2021199700A1

WO2021199700A1 - 繊維束貼り付け方法

Info

Publication number: WO2021199700A1
Application number: PCT/JP2021/004986
Authority: WO
Inventors: 潤稲垣
Original assignee: 東レエンジニアリング株式会社
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-10-07
Also published as: JP2021160130A

Abstract

短時間で繊維強化成形品を得ることができる繊維束貼り付け方法を提供する。具体的には、熱硬化性接着剤を用いて繊維束Ａを被貼付面上５ａに貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、繊維束Ａ及び／又は被貼付面５ａへの熱硬化性接着剤の塗布後、繊維束Ａを被貼付面５ａに押圧し、繊維束Ａを被貼付面５ａに貼り付けると同時に、繊維束Ａの少なくとも一部に熱硬化性接着剤を含侵させる。

Description

繊維束貼り付け方法

　本発明は、繊維束を被貼付面に貼り付けることにより、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）成形品などを製造する繊維束貼り付け方法に関する。

　炭素繊維などの繊維束をワークの被貼付面に貼り付けてゆくことで、所望の形状をした繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形品が製造できることが知られている。

　ＦＲＰ成形品の製法には、ＡＴＬ（Ａｕｔｏ　Ｔａｐｅ　Ｌａｙｕｐ）法、ＡＴＷ（Ａｕｔｏ　Ｔａｐｅ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）法、ＡＦＰ（Ａｕｔｏ　Ｆｉｂｅｒ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）法など種々の称呼があるが、これらの製法は厳密に区別されているものではない。本明細書においては、繊維束を押圧しながら被貼付面に貼り付けていく製法を総称してＡＴＬ法と記し、その装置（繊維束貼り付け装置）をＡＴＬ装置と記すこととする。

　特許文献１には、ＡＴＬ法を実施する施工法が開示されている。この施工法では、一般的にプリプレグテープ、ＵＤテープと呼ばれる、繊維束にあらかじめ樹脂を含浸させてテープ状に成形したものをＡＴＬヘッドのフィーダーから押圧手段へ搬送し、加熱および加圧しながら被貼付面へ貼り付ける繊維束貼付装置が開示されている。

特開２０１８－１４９７２９号公報

　しかしながら、特許文献１記載の繊維束貼付装置では、そもそもテープ状の繊維束を準備するために相当の時間を要するという問題があった。具体的には、繊維束に樹脂を含浸させる方法として代表的なものにＲＴＭ（Ｒｅｇｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）法があり、このＲＴＭ法では、あらかじめ準備した型内に繊維束を設置後、型を閉じ、型内に樹脂を注入して繊維束に含浸させる。この含浸が完了したら、冷却もしくは加熱によって樹脂を固め、その後離型することによって初めてテープ状の繊維束が完成する。このテープの製作時間を成形品の製作時間に加味すると、必要な時間内に繊維強化成形品を完成させることが困難となるおそれがあった。

　本発明は、上記問題点を鑑み、短時間で繊維強化成形品を得ることができる繊維束貼り付け方法を提供することを目的としている。

　上記課題を解決するために本発明の繊維束貼り付け方法は、熱硬化性接着剤を用いて繊維束を被貼付面上に貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、前記繊維束及び／又は前記被貼付面への前記熱硬化性接着剤の塗布後、前記繊維束を前記被貼付面に押圧し、前記繊維束を前記被貼付面に貼り付けると同時に、前記繊維束の少なくとも一部に前記熱硬化性接着剤を含侵させることを特長としている。

　本発明の繊維束貼り付け方法では、繊維束を被貼付面に押圧し、繊維束を被貼付面に貼り付けると同時に、繊維束の少なくとも一部に熱硬化性接着剤を含侵させることにより、ＲＴＭ法などの別工程で繊維束全体に樹脂を含浸させる手間を省略することができ、短時間で繊維強化成形品を得ることができる。

　また、前記繊維束の前記被貼付面への押圧に先だって、及び／又は、押圧時に、前記繊維束及び前記被貼付面の少なくとも一方を加熱すると良い。

　こうすることにより、熱硬化性接着剤の硬化が開始し、熱硬化性接着剤が適当なタック性を有した状態で被貼付面に繊維束を貼り付けることができる。

　また、上記課題を解決するために本発明の繊維束貼り付け方法は、熱硬化性接着剤を用いて、少なくともその一部に熱可塑性樹脂があらかじめ含侵された繊維束を被貼付面上に押圧して貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、前記繊維束の前記被貼付面への押圧に先だって、及び／又は、押圧時に、前記繊維束及び前記被貼付面の少なくとも一方を、前記熱可塑性樹脂の融点温度以下に加熱することを特長としている。

　本発明の繊維束貼り付け方法では、熱硬化性接着剤の硬化とあらかじめ繊維束の少なくとも一部に含浸されている熱可塑性樹脂の軟化とがともに開始した状態であって、繊維束を被貼付面へ貼り付けるのに最適な状態にすることができる。

　また、前記繊維束及び前記被貼付面の少なくとも一方を、前記熱可塑性樹脂の融点温度以下に加熱することは、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以下に加熱することであると良い。

　こうすることにより、熱可塑性樹脂の組成が変わることが防がれ、熱可塑性樹脂の強度を維持することができる。

　本発明の繊維束貼り付け方法により、短時間で繊維強化成形品を得ることができる。

本発明の繊維束貼り付け方法を実施するためのＡＴＬ装置全体の概略構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態におけるＡＴＬヘッドの詳細を示す図である。本実施形態におけるＡＴＬ装置において繊維束をピックアップする様子を示す斜視図である。本発明の他の実施形態における、ＡＴＬヘッドの詳細を示す図である。本発明の他の実施形態における、ＡＴＬヘッドの詳細を示す図である。本発明の他の実施形態における、ＡＴＬヘッドの詳細を示す図である。

　以下、本発明の繊維束貼り付け方法を実施するための繊維束貼り付け装置を図面に基づいて説明する。

　図１は、実施の形態に係るＡＴＬ装置１（繊維束貼り付け装置）全体の概略構成を示す斜視図である。ＡＴＬ装置１は、多関節ロボット２、多関節ロボット２のアーム２ａの先端部分に取付けられたＡＴＬヘッド３、ＡＴＬヘッド３に繊維束Ａを供給・搬送する繊維束搬送手段４、繊維束Ａを載置しておく載置台１３、ワーク５を保持するワーク台６などを含んで構成されている。

　本実施形態におけるワーク５は、たとえば、熱可塑性樹脂の射出成型品からなり、その表面に炭素繊維からなるの繊維束Ａが貼り付けられて補強される。ワーク５の形状、及び繊維束Ａを貼り付ける位置、貼り付ける長さは設計により予め定められている。

　また、本実施形態では、繊維束Ａは炭素繊維がばらばらになることを防ぐために最小限の熱可塑性樹脂が含浸された状態であり、少なくとも繊維束Ａの一部には樹脂が含浸されていない領域である未含浸領域が存在している。すなわち、繊維束全体に樹脂が含浸された、いわゆるプリプレグテープやＵＤテープと呼ばれるものとは異なる。

　多関節ロボット２としては市販の汎用の産業用ロボットを用いることができる。多関節ロボット２のアーム２ａの先端部分にＡＴＬヘッド３が取り付けられている。

　図２は、ＡＴＬヘッド３の詳細を示す図である。

　ＡＴＬヘッド３は、図２に示すように、接着剤塗布手段７、加熱手段８、フィーダー９、および押圧手段１０を有している。フィーダー９から押圧手段１０の方へ送られる繊維束Ａのワーク５と対向する側の面に接着剤塗布手段７が熱硬化性接着剤を塗布し、それを加熱手段８が加熱する。この加熱された熱硬化性接着剤を有する繊維束Ａを押圧手段１０がワーク５の被貼付面５ａに押圧することにより、繊維束Ａがワーク５に貼り付けられる。

　接着剤塗布手段７は、図示しない連結プレートを介して押圧手段１０と連結されており、繊維束Ａの送り出し経路においてフィーダー９と加熱手段８の間に位置している。

　接着剤塗布手段７は、フィーダー９から押圧手段１０へ搬送される繊維束Ａに対向する面に繊維束Ａの幅と同等の幅の開口を有しており、図示しない接着剤供給手段から配管７ａを介して供給された接着剤をこの開口から繊維束Ａに塗布する。なお、本説明ではこの接着剤塗布手段７のように繊維束Ａへ接着剤を塗布する手段を対繊維束塗布手段とも呼ぶ。

　接着剤塗布手段７が繊維束Ａへ塗布する接着剤は熱硬化性接着剤であり、たとえばエポキシ系、ウレタン系、ポリエステル系などがある。この中でも、たとえばエポキシ系の熱硬化性接着剤は、所定の温度までの昇温をトリガーとして発熱反応を生じ、自己の反応熱により硬化反応が促進する特性を有する。

　また、本実施形態では、上記の通り少なくとも繊維束Ａの一部には樹脂が含浸されていない領域である未含浸領域が存在している。この場合、この熱硬化性接着剤の塗布によって、ワーク５への繊維束Ａの貼り付け可能な状態の確立と繊維束Ａへの樹脂（熱硬化性接着剤）の含浸を同時に行うことができる。

　加熱手段８は、図示しない連結プレートを介して押圧手段１０と連結されており、繊維束Ａの送り出し経路において接着剤塗布手段７と押圧手段１０の間に位置している。

　加熱手段８は、反射板やレンズ等の光学系（図示せず）を備えており、押圧手段１０の手前で、押圧手段１０による押圧貼り付け動作に先立って、繊維束Ａに塗布された熱硬化性接着剤を輻射エネルギーによって非接触で加熱する。なお、本説明では加熱手段８のように繊維束Ａに塗布された接着剤を加熱するものを繊維束加熱手段とも呼ぶ。

　加熱手段８のケースには図示しない非接触の温度センサが取付けられている。この温度センサにより繊維束Ａの温度を計測し、この計測値をもとに、図示しない制御部によって加熱手段８の出力が制御され、繊維束Ａの温度（熱硬化性接着剤の温度）が貼り付けに最適な所定の温度に維持される。本実施形態では、加熱手段８は輻射エネルギーにより対象物を加熱するものであり、たとえば熱風方式と比較すると容易に温度を制御することができる。

　ここで、繊維束Ａの少なくとも一部に熱可塑性樹脂があらかじめ含浸されている場合は、熱硬化性接着剤の硬化温度が熱可塑性樹脂の融点より低くなるように熱硬化性接着剤および熱可塑性樹脂を選択し、加熱手段８によって繊維束Ａを熱硬化性接着剤の硬化温度と熱可塑性樹脂の融点の間の温度まで加熱すると良い。このように加熱することにより、熱硬化性接着剤は硬化が開始し、熱可塑性樹脂は融解はしないものの軟化が開始するという状態となる。また、この場合、加熱温度はこの熱可塑性樹脂のガラス転移温度より低い温度であることが好ましい。

　フィーダー９は、ＡＴＬヘッド３における繊維束Ａの搬送装置であって、図示しない連結プレートを介して押圧手段１０と連結されており、１組のローラーによって繊維束Ａを挟持し、このローラーが回転駆動することにより押圧手段１０の押圧ローラ１０ａに向けて繊維束Ａを送り出す。

　なお、フィーダー９は、１組の搬送ベルトを内蔵し、これら搬送ベルトで繊維束Ａを挟持して搬送しても良い。この際、搬送ベルトの内部にはヒータが配置され、搬送ベルトを所定温度に予熱することができるように構成され、繊維束Ａを予備加熱するようになっていても良い。

　押圧手段１０は、押圧ローラ１０ａが、ローラ支持部１０ｂを介してベース部１０ｃに取付けられて構成されている。押圧ローラ１０ａは、繊維束Ａを被貼付面５ａに押し付けるもので、ローラ支持部１０ｂ内には、押圧ローラ１０ａに圧力を付与するエアシリンダであるシリンダ部１０ｄが配置されている。

　図１に示す繊維束搬送手段４は、予め所定長さに裁断された繊維束Ａが積載される載置台１３、載置台１３から繊維束Ａを１本ずつピックアップするピックアップハンド１４、ピックアップハンド１４を鉛直方向および水平方向に移動させるガントリ軸１５、１６を含んで構成されている。

　ピックアップハンド１４は、真空吸着チャック１４ａを複数個備え、この真空吸着チャック１４ａにより載置台１３上に積載された繊維束Ａを１本ずつピックアップする。

　繊維束Ａが貼付けられるワーク５は、様々な形状（３次元形状）を有している。そのため、ＡＴＬヘッド３では、繊維束Ａに対する押圧ローラ１０ａの押圧状態を一定に保つため、押圧ローラ１０ａがワーク５の被貼付面５ａの接線方向に直交する方向（法線方向）から被貼付面５ａを押圧するように、ＡＴＬヘッド３の姿勢（傾き）を制御する。例えば、ワーク５に対するＡＴＬヘッド３の姿勢制御は、ワーク５の３次元設計データに基づいて実施されるようになっている。

　次に、図１乃至３に基づいてＡＴＬ装置１による繊維束Ａの貼付動作を説明する。

　まず、ＡＴＬ装置１が始動すると、ガントリ軸１５、１６が動作し、図３に示すように、載置台１３上の繊維束Ａをピックアップハンド１４が１本だけピックアップする。このとき、繊維束Ａの両端（少なくとも一端）が、ピックアップハンド１４の両端より長さ方向に突き出た状態で、真空チャック１４ａが繊維束Ａを吸着しピックアップする。

　次に、ピックアップハンド１４が受渡し位置まで移動する。受渡し位置においてピックアップハンド１４が保持する繊維束ＡをＡＴＬヘッド３内のフィーダー９に受け渡す。受け渡し位置は、ガントリ軸１５、１６によるピックアップハンド１４の可動領域と、多関節ロボット２によるＡＴＬヘッド３の可動領域の共通領域内であればよく、その位置に特に制限はない。

　受渡し位置において、ＡＴＬヘッド３内のフィーダー９の上部挿入口（図示せず）に、ピックアップハンド１４が保持する繊維束Ａの一端が若干挿入されるように多関節ロボット２が動作し、フィーダー９はお辞儀動作をする。

　繊維束Ａの一端が所定長さ分フィーダー９に挿入されると、真空チャック１４ａの吸着が解除され、繊維束ＡがＡＴＬヘッド３に受け渡される。同時にフィーダー９が作動し、繊維束Ａを所定の待機位置まで搬送する。

　次に多関節ロボット２が動作し、貼付開始位置までＡＴＬヘッド３が移動する。続けて多関節ロボット２が動作し、押圧ローラ１０ａが被貼付面５ａに押し付けられる。

　このとき、押圧ローラ１０ａが被貼付面５ａに接触するタイミングに合わせてフィーダー９が動作し、丁度繊維束Ａの先端が押圧ローラ１０ａと被貼付面５ａとの間に挟まるように繊維束Ａを搬送する。

　また、このとき、図２に示すように接着剤塗布手段７および加熱手段８が動作し、フィーダー９によって押圧ローラ１０ａへ搬送される繊維束Ａに熱硬化性接着剤を塗布し、加熱する。

　そして、図１に示すように、ＡＴＬヘッド３が繊維束Ａの貼付経路に沿ってワーク５の貼付面５ａ上を移動及び首振り動作をしつつ、繊維束Ａを被貼付面５ａに貼り付けていく。その間もフィーダー９は作動しており、繊維束Ａを搬送、供給する。また、接着剤塗布手段７および加熱手段８が繊維束Ａに熱硬化性接着剤を塗布し、加熱する。

　繊維束Ａが後端まで被貼付面５ａに貼り終えられると、接着剤塗布手段７および加熱手段８の動作が停止し、多関節ロボット２の動作により押圧ローラ１０ａによる被貼付面５ａへの押圧が解除され、１本の繊維束Ａの貼付が完了する。

　以下、同じ動作が繰り返され、被貼付面５ａ上に繊維束Ａが貼り付けられていく。

　次に、本発明の繊維束貼り付け方法による効果を説明する。

　本発明の繊維束貼り付け方法は、熱硬化性接着剤を用いて繊維束Ａを被貼付面５ａ上に貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、繊維束Ａ及び／又は被貼付面５ａへの熱硬化性接着剤の塗布後、繊維束Ａを被貼付面５ａに押圧し、繊維束Ａを被貼付面５ａに貼り付けると同時に、繊維束Ａの少なくとも一部に熱硬化性接着剤を含侵させることを特長としている。

　本発明の繊維束貼り付け方法では、繊維束Ａを被貼付面５ａに押圧し、繊維束Ａを被貼付面５ａに貼り付けると同時に、繊維束Ａの少なくとも一部に熱硬化性接着剤を含侵させることにより、繊維束Ａの未含浸部分に熱硬化性接着剤が含浸するため、ＲＴＭ法などの別工程で繊維束Ａ全体に樹脂を含浸させる手間を省略することができ、短時間で繊維強化成形品を得ることができる。

　また、繊維束Ａの被貼付面５ａへの押圧に先だって、及び／又は、押圧時に、繊維束Ａ及び被貼付面５ａの少なくとも一方を加熱することにより、熱硬化性接着剤の硬化が開始し、熱硬化性接着剤が適当なタック性を有した状態で被貼付面５ａに繊維束Ａを貼り付けることができる。

　また、本発明の繊維束貼り付け方法は、熱硬化性接着剤を用いて、少なくともその一部に熱可塑性樹脂があらかじめ含侵された繊維束Ａを被貼付面５ａ上に押圧して貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、繊維束Ａの被貼付面５ａへの押圧に先だって、及び／又は、押圧時に、繊維束Ａ及び被貼付面５ａの少なくとも一方を、熱可塑性樹脂の融点温度以下に加熱することを特長としている。

　本発明の繊維束貼り付け方法では、熱硬化性接着剤の硬化とあらかじめ繊維束Ａの少なくとも一部に含浸されている熱可塑性樹脂の軟化とがともに開始した状態であって、繊維束Ａを被貼付面５ａへ貼り付けるのに最適な状態にすることができる。

　また、繊維束Ａ及び被貼付面５ａの少なくとも一方を、熱可塑性樹脂の融点温度以下に加熱することは、熱可塑性樹脂のガラス転移温度以下に加熱することにより、熱可塑性樹脂の組成が変わることが防がれ、熱可塑性樹脂の強度を維持することができる。

　以上の繊維束貼り付け方法により、短時間で繊維強化成形品を得ることが可能である。

　ここで、本発明の繊維束貼り付け方法は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、上記実施の形態では、加熱手段は繊維束加熱手段である加熱手段８のみであるが、図４に示すように被貼付面５ａを加熱する被貼付面加熱手段である加熱手段８１が設けられていても良い。この被貼付面加熱手段は、図４の加熱手段８１にように繊維束Ａが貼り付けられる前の被貼付面５ａを加熱する位置にあっても良く、また、図５の加熱手段８２のように繊維束Ａが貼り付けられた後の被貼付面５ａおよび繊維束Ａを加熱する位置にあっても良い。

　また、上記の実施形態では、ＡＴＬヘッド３は対繊維束塗布手段である接着剤塗布手段７および繊維束加熱手段である加熱手段を有し、押圧ローラ１０ａに到達するより手前で繊維束Ａへの熱硬化性接着剤の含浸を開始させているが、これに代わり、図６に示すように被貼付面５ａへ熱硬化性接着剤を塗布する対被貼付面塗布手段である接着剤塗布手段７１およびその熱硬化性接着剤を加熱する被貼付面加熱手段である加熱手段８３が設けられ、押圧ローラ１０ａによって繊維束Ａが押圧される瞬間から貼付面５ａ上の熱硬化性接着剤が繊維束Ａに含浸される形態であっても良い。また、繊維束Ａ側および被貼付面５ａ側の両方に接着剤塗布手段および加熱手段が設けられていても良い。

　また、上記実施の形態においては、繊維束Ａは炭素繊維がばらばらになることを防ぐために最小限の熱可塑性樹脂が含浸された状態であるが、全く熱可塑性樹脂が含浸されていなくても良い。

　また、上記実施の形態においては、加熱手段８において輻射エネルギー方式の加熱源としてレーザー光源を採用してもよい。レーザー光源は高出力かつ高エネルギー密度で、出力制御も容易であるという利点を有している。ただし、発振管、光ファイバ（導光管）、光学系、電源、制御装置などを含めて少し高価なものとはなる。

　また、上記実施の形態においては、繊維束搬送手段４にガントリ構造体を採用しているが、別の実施の形態では、ガントリ構造体に代えて多関節ロボットを採用してもよい。

　また、上記実施の形態においては、ＡＴＬヘッド３の駆動装置として多関節ロボット２を採用しているが、別の実施の形態では、多関節ロボットに代えてガントリ構造体を採用しても差し支えない。

　ガントリ構造体を採用した場合には、ＡＴＬヘッド３のＸＹＺ軸方向への運動制御を安定して行うことができる。また、ＡＴＬヘッド３の剛性を高めることができ、ＡＴＬヘッド３による押圧力を高めることができ、さらには、ＡＴＬ装置１のフットプリント（換言すると、装置全体の動作範囲を含めた占有体積）を小さくすることができるという利点も得ることができる。

　１　ＡＴＬ装置（繊維束貼り付け装置）
　２　多関節ロボット
　２ａ　アーム
　３　ＡＴＬヘッド（貼付ヘッド）
　４　繊維束搬送手段
　５　ワーク
　５ａ　被貼付面
　６　ワーク台
　７　接着剤塗布手段
　７ａ　配管
　８　加熱手段
　９　フィーダー（繊維束供給手段）
　１０　押圧手段
　１０ａ　押圧ローラ
　１０ｂ　ローラ支持部
　１０ｃ　ベース部
　１０ｄ　シリンダ部
　１３　載置台
　１４　ピックアップハンド
　１４ａ　真空吸着チャック
　１５　ガントリ軸
　１６　ガントリ軸
　７１　接着剤塗布手段
　８１　加熱手段
　８２　加熱手段
　Ａ　繊維束
　Ｂ　貼付ポイント

Claims

　熱硬化性接着剤を用いて繊維束を被貼付面上に貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、前記繊維束及び／又は前記被貼付面への前記熱硬化性接着剤の塗布後、前記繊維束を前記被貼付面に押圧し、前記繊維束を前記被貼付け面に貼り付けると同時に、前記繊維束の少なくとも一部に前記熱硬化性接着剤を含侵させることを特長とする、繊維束貼り付け方法。
　前記繊維束の前記被貼付面への押圧に先だって、及び／又は、押圧時に、前記繊維束及び前記被貼付面の少なくとも一方を加熱することを特長とする、請求項1に記載の繊維束貼り付け方法。
　熱硬化性接着剤を用いて、少なくともその一部に熱可塑性樹脂があらかじめ含侵された繊維束を被貼付面上に押圧して貼り付ける繊維束貼り付け方法であって、前記繊維束の前記被貼付面への押圧に先だって、及び／又は、押圧時に、前記繊維束及び前記被貼付面の少なくとも一方を、前記熱可塑性樹脂の融点温度以下に加熱することを特長とする、繊維束貼り付け方法。
　前記繊維束及び前記被貼付面の少なくとも一方を、前記熱可塑性樹脂の融点温度以下に加熱することは、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以下に加熱することであることを特長とする、請求項３に記載の繊維束貼り付け方法。