成形体製造方法、成形体製造システム
【課題】繊維束に対する樹脂の含浸量を制御する。
【解決手段】（ａ）に示すように、複数の繊維が束ねられた繊維束６０，６２，６４は、表面に樹脂が付着した含浸ロール２３に押し付けられて回転移動することで、樹脂を含浸される。各繊維束の幅は、（ｂ）（ｃ）のように拡げることが可能である。そして、幅を拡げるほど、繊維束と樹脂との接触量が増大し、これにより樹脂の含浸量も多くなる。例えば、高圧タンクを成型する場合、内層側に巻回する繊維束に対しては幅を拡げて樹脂の含浸を行い、外層側に巻回する繊維束に対しては幅を狭めて樹脂の含浸を行う。
【解決手段】（ａ）に示すように、複数の繊維が束ねられた繊維束６０，６２，６４は、表面に樹脂が付着した含浸ロール２３に押し付けられて回転移動することで、樹脂を含浸される。各繊維束の幅は、（ｂ）（ｃ）のように拡げることが可能である。そして、幅を拡げるほど、繊維束と樹脂との接触量が増大し、これにより樹脂の含浸量も多くなる。例えば、高圧タンクを成型する場合、内層側に巻回する繊維束に対しては幅を拡げて樹脂の含浸を行い、外層側に巻回する繊維束に対しては幅を狭めて樹脂の含浸を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂が含浸された繊維束を巻回することにより、繊維強化樹脂成形体を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、フィラメントワインディング成形において、繊維に含浸させる樹脂量を調整する技術開示されている。この技術では、樹脂を含浸させた繊維が、幅方向を規制されたガイド板と、その上から押し付けを行う部材との空隙に通される。押し付けを行う部材を上下方向に移動することで、空隙の断面積が変えられ、これにより、含浸される樹脂量が制御される。
【０００３】
下記特許文献２には、フィラメントワインディング成形において、樹脂を含浸した繊維をマンドレルに供給するする技術が開示されている。この技術では、樹脂が含浸された繊維を、回転可能なローラと、それに押し付けられるパッドとの間に通されて、余分な樹脂の絞り取りが行われる。さらに、繊維は、中央側ほど凹んだフィードローラにガイドされてマンドレルに供給されるため、フィードローラの端部の鍔にあたることはなく、幅変動も生じない。
【０００４】
下記特許文献３には、含浸ローラを用いて繊維に樹脂を含浸させる技術が開示されている。この技術では、含浸ローラ表面に近接配置された膜厚調整板によって、含浸ローラ表面に付着する樹脂量を制御している。膜厚調整板は、含浸ローラが正回転した場合に用いられるものと、逆回転した場合に用いられるものが用意されている。そして、繊維位置と正逆行速度などによって膜厚を制御し、繊維が逆行しても樹脂含浸量を一定に制御している。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２８６０４３号公報
【特許文献２】特開平７−２０５３１３号公報
【特許文献３】特開２００２−２８９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
繊維強化樹脂成形体を製造する場合には、巻回する層によって、繊維束に含浸された樹脂の量を変化させたいことがある。
【０００７】
本発明の目的は、繊維束に対する樹脂の含浸量を制御する新たな技術を確立することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、繊維束に含浸する樹脂量の調整を簡易化する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御工程と、制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸工程と、前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形工程と、を含み、前記制御工程では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する。
【００１０】
成形体製造方法は、繊維強化樹脂成形体を製造するための方法である。ここで、繊維強化樹脂成形体は、樹脂が含浸された繊維束を巻回する成形工程を経て成形される成形体である。繊維強化樹脂成形体は、樹脂が含浸された繊維束のみによって製造されてもよいが、さらに別部材を用いて製造されてもよい。別部材の例としては、高圧タンクにおけるライナのように巻回時に芯となる部材、高圧タンクにおける口金のように成形体を機能化する部材、繊維束層間に設けられるハニカム構造体のように成形体を強化する部材、成形体表面をコーティングするガラス繊維のように成形体を保護する部材などを挙げることができる。
【００１１】
成形体製造方法は、制御工程、含浸工程、及び成形工程を含んでいる。制御工程は、繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する工程である。液状の樹脂とは、繊維束への含浸が可能な程度の流動性が確保された樹脂を言う。樹脂としては、典型的には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられるが、熱可塑性樹脂が用いられることもある。また、繊維の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを挙げることができる。繊維束と樹脂との接触量とは、接触面積の量、あるいは、接触時間の量によって評価可能である。制御工程では、前記繊維束が巻回される層に応じた接触量の制御、すなわち、層に応じて接触量が複数段階（無限段階でもよい）に変えられる制御が行われる。
【００１２】
含浸工程では、制御工程で制御された接触量に基づいて繊維束と樹脂を接触させることにより、接触量に応じた量の樹脂を繊維束に含浸させる。繊維束に対し樹脂を含浸させるとは、繊維束の一部又は全部に対して樹脂を付着させることをいう。さらには、含浸によって、さらに、繊維束を構成する複数の繊維間の一部又は全部に樹脂を充填することもある。そして、成形工程では、繊維束を複数層にわたって巻回することで繊維強化樹脂成形体が成形される。巻回される繊維束は、含浸工程で樹脂が含浸された繊維束そのものであってもよいし、それをさらに複数束ねたものであってもよい。繊維束に含まれる繊維の本数は、例えば数千本〜数万本程度に設定される。また、巻回される繊維束は、複数の層にわたって連続したものであってもよいし、連続していないものであってもよい。なお、成形体の製造にあたっては、この他の工程を含めることも可能であり、例えば、成型工程の後に、表面をコーティングする工程や熱硬化性樹脂を硬化させる加熱工程などを行う態様を挙げることができる。
【００１３】
この構成によれば、繊維束が巻回される層に応じて繊維束と樹脂との接触量を制御することにより、繊維束に含浸させる樹脂の量を制御することが可能となる。これにより、従来に比べ、繊維束に含浸する樹脂量の調整を簡易化できる可能性がある。
【００１４】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記制御工程では、前記繊維束と前記樹脂との接触面積を変化させることにより、前記接触量を制御する。
【００１５】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記制御工程では、前記繊維束の表面積を変化させることにより、前記接触面積を変化させる。接触面積の変化は、例えば、繊維束の拡幅量を変化させたり、繊維束の表面粗度（凹凸）を変化させることで行うことができる。
【００１６】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記含浸工程では、前記樹脂を表面に付着された含浸ローラに対して前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、前記制御工程では、前記含浸ローラの径を変更することにより、前記接触面積を変化させる。
【００１７】
ここで、繊維束が含浸ローラの対し押し付けるとは、ある程度の張力で回転面に接触させることをいう。また、含浸ローラに対して繊維束を回転移動させるとは、含浸ローラを回転させながら、繊維束を移動させることをいう。繊維束は、含浸ローラを一周以上にわたって巻かれていてもよいし、一周以下、さらには、半周以下だけ巻かれていてもよい。また、繊維束は含浸ローラによって駆動されてもよいし、繊維束が含浸ローラを駆動してもよいし、繊維束と含浸ローラが別々に駆動されてもよい。そして、含浸ローラの回転と、繊維束の移動は、滑らずに行われるものであってもよいし、滑りながら行われるものであってもよい。含浸ローラの径を変更した場合には、一般に、含浸ローラと繊維束との各瞬間における接触面積が変化し、また、繊維束の各箇所と含浸ローラとの接触時間も変化する。
【００１８】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記含浸工程では、前記樹脂を吸収した弾力性部材を備える含浸ローラに対して、前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記弾力性部材を変形させて前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、前記制御工程では、前記回転ローラに前記繊維束を押し付ける強さを変化させることにより、前記接触量を制御する。
【００１９】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、さらに、前記繊維束から、巻回される層に応じた除去量の前記樹脂を除去する除去工程を含む。なお、除去工程は、予め樹脂が含浸された繊維束に対して適用されてもよい。
【００２０】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記除去工程では、巻回される層に応じた張力で前記繊維束を除去ローラに押し付けて回転移動させることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する。さらに、温度を変化させて除去量を制御することも可能である。
【００２１】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記成形工程では、前記繊維強化樹脂成形体を回転させることにより、前記繊維束の巻回を行い、前記除去工程では、前記繊維強化樹脂成形体に対し、非回転部材を押圧力を変えて押し付けることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する。
【００２２】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記繊維強化成形体は、内部に高圧のガスを貯蔵可能な高圧タンクである、前記除去量の前記樹脂を除去する。
【００２３】
本発明の成形体製造システムの一態様においては、複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御手段と、制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸手段と、前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形手段と、を備え、前記制御手段では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の形態］
図１は、第１の形態にかかる高圧タンク製造システム１０の概略を説明する図である。高圧タンク製造システム１０は、成形体製造システムの一例であり、繊維強化樹脂成形体としての高圧タンクを製造するものである。高圧タンクは、気体または液体を高圧で貯蔵するための容器であり、耐圧タンクや圧力容器などとも呼ばれる。高圧とは、少なくとも大気圧より高い圧力をいう。例えば、燃料電池車に搭載される水素タンクは、水素ガスを数十ＭＰａ程度の圧力で貯蔵する高圧タンクの一形態である。
【００２５】
高圧タンク製造システム１０は、繊維供給部１２と、樹脂含浸部１４と、高圧タンク成形部１６、データ・ロガー４０、及び制御装置４２を含んでいる。
【００２６】
繊維供給部１２は、繊維束を供給するためのものであり、クリールスタンド１８と張力測定器２０を含んでいる。クリールスタンド１８は、一本または複数本の繊維を供給するクリールが複数設けられた装置である。各クリールから供給される繊維は、束ねられて張力測定器２０に通される。張力測定器２０は、繊維束の張力を測定するための装置であり、測定結果はデータ・ロガー４０に送信される。
【００２７】
樹脂含浸部１４は、繊維供給部１２から供給された繊維束に対し、樹脂を含浸させるものである。樹脂含浸部１４は、樹脂を蓄えたレジンバス２２と、この樹脂に浸された含浸ローラ２３を備えている。そして、樹脂が付着した含浸ローラ２３に対し、幅広に拡げられた繊維束を押し付けて回転移動させることにより、繊維束に樹脂を付着させて含浸させる。また、樹脂含浸部１４は、樹脂の温度を測定する樹脂温度計２４や、樹脂に付着した樹脂の膜厚を測定する樹脂膜厚計２６などのセンサを備えている。こうしたセンサからの出力は、データ・ロガー４０に送信される。
【００２８】
高圧タンク成形部１６は、高圧タンク３０を製造するものである。高圧タンク成形部１６には、アイ口２８と、成形体回転機構３２が設けられている。アイ口２８は、樹脂含浸部１４から送られる繊維束を高圧タンク３０に送り出す中継装置であり、繊維束の供給角度を変更する角度変更機構や、供給位置を変更する位置変更機構などを備えている。成形体回転機構３２には、樹脂製のライナ３１が設置される。そして、成形体回転機構３２によって回転されるライナ３１に対して、アイ口２８から供給される繊維束が複数層（例えば１０層〜１００層程度）にわたって巻回される。このような成形は、フィラメントワインディング（ＦＷ）成形と呼ばれることもある。特に、液体の樹脂を含浸させながら行う場合には、ウェットＦＷ成形と呼ばれことがある。
【００２９】
データ・ロガー４０は、張力測定器２０、樹脂温度計２４、樹脂膜厚計２６などから出力されるデータを記憶する装置である。また、制御装置４２は、コンピュータハードウエアに対し、所定のプログラムをインストールした装置である。制御装置４２は、プログラムに従って、繊維供給部１２、樹脂含浸部１４、高圧タンク成形部１６などに対し、指令信号を送信してその動作を制御する。この制御には、樹脂を巻回する層が第何層であるかによって、樹脂の含浸量を変更する制御が含まれる。含浸量の変更制御にあたっては、実際の含浸量の測定結果に基づいて調整を行うフィードバック制御が行われることもある。
【００３０】
図２は、樹脂含浸部１４の構造と、三つの制御態様（ａ）（ｂ）（ｃ）について説明する図である。各図には、図１で説明したレジンバス２２と含浸ローラ２３の他、含浸ローラ２３の両側に軸を平行にして配置された補助ローラ５０，５２も示されている。補助ローラ５０は、含浸ローラ２３よりも上流側において、その下面側で繊維束をガイドして含浸ローラ２３に送り出している。そして、含浸ローラ２３の上面側で樹脂が含浸された繊維束は、下流側の補助ローラ５２の下面側でガイドされた後、後工程に運ばれている。
【００３１】
態様（ａ）では、三本の繊維束６０，６２，６４に対する含浸が行われている。特徴的な点は、繊維束６０，６２，６４を構成する各繊維をあまり拡げられていないことである。つまり、繊維束６０，６２，６４は、相対的に幅狭に維持されている。態様（ｂ）の三本の繊維束７０，７２，７４と、態様（ｃ）の三本の繊維束８０，８２，８４は、ともに、態様（ａ）の三本の繊維束６０，６２，６４と同じ本数の繊維からなる。しかし、態様（ｂ）では、繊維束７０，７２，７４を構成する各繊維は、やや幅広に拡げられ、態様（ｃ）では、繊維束８０，８２，８４を構成する各繊維は、最も幅広に拡げられている。このため、態様（ａ）の繊維束６０，６２，６４は相対的に狭い幅をもち、態様（ｂ）の繊維束７０，７２，７４は相対的に中程度の幅をもち、態様（ｃ）の繊維束８０，８２，８４は相対的に広い幅をもっている。
【００３２】
一般に、繊維束の幅が狭い場合、含浸ローラ２３表面の樹脂と繊維束との接触面積が狭くなり、繊維束に対する樹脂の含浸量が低下する。他方、繊維束の幅を広くすると、含浸ローラ２３表面の樹脂と繊維束との接触面積が広くなり、繊維束に対する樹脂の含浸量が増大する。繊維束の幅は、例えば、その上流あるいは下流で繊維束をガイドする部材の曲率を変えることで制御可能である。具体的には、クリールスタンド１８とレジンバス２２との間の任意の場所に、幅を拡げる太鼓型ローラ（中央部が凸）もしくは幅を狭める鼓型ローラ（中央部が凹）などの調整装置を設置する例を挙げることができる。こうした制御装置は、制御装置４２からの指令に従って動作し、図２の態様（ａ）〜（ｃ）のように繊維束の幅を変える。
【００３３】
図３は、高圧タンクの製造における樹脂量の制御について説明する模式図である。図３の（ａ）（ｂ）ともに、横軸は、樹脂が含浸された繊維束における繊維体積率Ｖｆを示しており、縦軸は、繊維束が巻回される層を示している。そして、図３の（ａ）は、巻回前におけるＶｆを示しており、（ｂ）は、巻回後におけるＶｆを示している。
【００３４】
巻回前において繊維束に含浸させる樹脂量を変化させない場合には、すなわち、（ａ）の直線９０のようにＶｆが一定の繊維束が巻回されることになる。この場合、内側の層では、その外側から巻き締められる効果によって、比較的多くの樹脂が漏れ出す傾向にある。この結果として、（ｂ）の曲線９２のように、内側ではＶｆが相対的に高くなり、外側ではＶｆが相対的に低くなる。
【００３５】
一般に、高圧タンクでは、強度を高くするほど、繊維束の層数を増やす必要があり、内層におけるＶｆの上昇も顕著となる。しかし、Ｖｆが高くなると、亀裂が生じやすくなるなど疲労耐久性能が低下することが知られている。特に、高圧タンクの内層には、外層に比べて大きな応力が作用する傾向にある。このため、高圧タンクの疲労耐久性を高め、寿命を延ばすためには、内層におけるＶｆを比較的低くすることが望ましいと言える。
【００３６】
図３の（ａ）の直線９４は、この方針に基づいて、繊維束に対する含浸量を制御した態様を表している。具体的には、内層側ほど、Ｖｆを低くするため、図２の態様（ｃ）のような含浸が行われ、外層側ほど、Ｖｆを高くするため、図２の態様（ａ）のような含浸が行われている。そして、この繊維束を巻回した場合には、図３の（ｂ）の直線９６のように、全層にわたってＶｆはほぼ一定となっている。
【００３７】
なお、樹脂を含浸させた繊維束において、繊維体積率Ｖｆが高いことは、同時に、樹脂体積率Ｖｒが低いことを意味する。また、繊維束に含浸された樹脂量は、レジンコンテンツＲＣと呼ばれることもある。樹脂体積率Ｖｒが高い繊維束では、レジンコンテンツＲＣが高い。
【００３８】
［第２の形態］
続いて、図４を用いて、第２の形態について説明する。第２の形態は、第１の形態を変形したものであり、基本的に、図１に示した高圧タンク製造システム１０と同様の構成を有する。しかし、第２の形態では、図２に示した繊維束の幅の制御に代えて、含浸ローラの径の制御を行っている。
【００３９】
図４は、樹脂含浸部１４の側面図であり、図４（ａ）と図４（ｂ）は、切り換えて設定される２つの制御態様を示している。図４（ａ）では、レジンバス２２が設けられると共に、補助ローラ５０、含浸ローラ１３０、及び補助ローラ５２が、この順に回転軸を揃えて配置されている。そして、繊維束１３２が、補助ローラ５０の下面、含浸ローラ１３０の上面、及び補助ローラ５２の下面に通されて、順次回転移動されている。このとき、繊維束１３２と含浸ローラ１３０は、符号１３４で示された領域で接触している。この領域は、含浸ローラ１３０と補助ローラ５０，５２との位置関係の他、含浸ローラ１３０の半径の大きさにも依存している。
【００４０】
他方、図４（ｂ）では、図４（ａ）の含浸ローラ１３０の代わりに、半径の大きな含浸ローラ１４０が用いられている。このため、繊維束１４２と含浸ローラ１４０とは、符号１４４で示された相対的に広い（繊維の進行方向に長い）領域で接触している。このように接触量が多くなると、一般に、繊維束１４２に対する含浸量も増大すると考えられる。したがって、含浸量を多くしたい場合には、図４（ｂ）のような比較的大きな半径をもつ含浸ローラ１４０を使用し、含浸量を少なくしたい場合には、図４（ａ）のような比較的小さな半径をもつ含浸ローラ１３０を使用することで、第１の形態と同様に繊維体積率を制御することが可能となる。
【００４１】
［第３の形態］
続いて、図５，６を用いて、第３の形態について説明する。第３の形態は、第１の形態を変形したものであり、基本的に、図１に示した高圧タンク製造システム１０と同様の構成を有する。
【００４２】
図５は、樹脂含浸部１４の部分断面を示す図であり、図５（ａ）は第１の形態に対応する状態を、図５（ｂ）は第３の形態に対応する状態を示している。図５（ａ）では、含浸ローラ２３は、レジンバス２２に蓄えられた樹脂に対し、その下面の一部が浸されるように配置されている。含浸ローラ２３は、図の時計回りに回転しており、その左側面は符号１０４で示した樹脂を付着させながら上昇している。含浸ローラ２３の上面側には、繊維束１００がその張力によって押し付けられながら接触している。そして、含浸ローラ２３の回転と同期して左から右へと回転移動する過程で、符号１０４で示した樹脂の含浸が行われている。このため、繊維束１００は、符号１０６で示した付近で、径をやや太めている。この第１の形態では、既に説明したように、どの程度の樹脂を繊維束１００に含浸させるかは、主として繊維束１００の幅に依存している。
【００４３】
これに対し、図５（ｂ）では、含浸ローラ１１４は、相対的に固い素材で作られたコア部１１０と、その外側に設けられた外周部１１２からなる。外周部１１２は、ゴムやスポンジのように弾力性があり（弾性変形が容易）、かつ、樹脂を吸収できる素材によって作られている。このため、外周部１１２は、レジンバス２２の側で樹脂１０２を吸収し、繊維束１００との接触部分で吸収した樹脂を繊維束１００に受け渡すことになる。このときに、繊維束１００に受け渡す樹脂の量は、外周部１１２から押し出される樹脂の量に依存する。そして、外周部１１２から押し出される樹脂の量は、繊維束１００が外周部１１２を押し付ける張力に依存している。そこで、第３の形態では、含浸させたい樹脂量に応じて、繊維束１００の張力を設定している。
【００４４】
図６は、第３の形態の制御を説明する模式図である。図６（ａ）は、含浸ローラ押し付け力（横軸）と層（縦軸）との関係を表しており、図６（ｂ）は、対応する樹脂の含浸量（横軸）と層との関係を表している。なお、樹脂の含浸量は、樹脂の繊維体積率Ｖｆと負の相関をもつ（近似的には反比例する）。すなわち、含浸量が少なければＶｆは大きくなり、含浸量が多くなればＶｆは小さくなる。
【００４５】
図６（ａ）の直線１２０は、各層において、含浸ローラ押し付け力を一定にした場合の例を示している。この場合には、巻回前には、各層の樹脂の含浸量は等しくなる。しかし、巻回後には、内層ほど巻き締められる効果によって内層の樹脂が漏れだすため、図６（ｂ）の直線１２２のように、内層ほど樹脂の含浸量が低下する（Ｖｆが大きくなる）。
【００４６】
図６（ａ）の曲線１２４は、図５（ｂ）を用いて説明したように、内層ほど含浸ローラ押し付け力を強くし、外層ほど含浸ローラ押し付け力を弱くした態様を示している。この場合には、内層ほど樹脂の含浸量が多くなり、外層ほど樹脂の含浸量が少なくなる。このため、この例では、巻回後であっても、図６（ｂ）の曲線１２６のように、内層側の含浸量の方が、外層側の含浸量を上回っている。
【００４７】
［第４の形態］
続いて、図７と図８を用いて、第４の形態について説明する。第４の形態は、樹脂が含浸された繊維束から、樹脂を除去することにより、樹脂量を制御するものである。第４の形態では、予め樹脂が含浸されている繊維束（プリプレグと呼ばれる）に対して除去工程を行ってもよいし、樹脂が含浸されていない繊維束に対して含浸工程と除去工程とを連続的に行ってもよい。前者の場合には、図１の高圧タンク製造システム１０における樹脂含浸部１４に代えて樹脂除去装置が設けられ、後者の場合には、樹脂含浸部１４の下流側に樹脂除去装置が設けられることになる。
【００４８】
図７は、樹脂除去装置の概要を示す側面図である。樹脂除去装置には、除去ローラ１５０が設けられ、樹脂を含んだ繊維束１５２がその上面に支持されている。また、樹脂除去装置には、除去ローラ１５０を上下に移動させて繊維束１５２の張力を調整する移動機構１５４と、除去ローラ１５０に取り付いた樹脂を落とすクリーナ１５６と、樹脂溜まりとなるレジンバス１５８が設けられている。
【００４９】
除去ローラ１５０に対しては、繊維束１５２が調整された張力で押し付けられて支持されている。そして、押し付け力が大きくなると相対的に大量の樹脂が繊維束から絞り出され、押し付け力が小さくなると相対的に少量の樹脂が繊維束から絞り出される。絞り出された樹脂は、除去ローラ１５０の回転面に付着し、クリーナ１５６によってレジンバス１５８へと取り除かれる。
【００５０】
また、繊維束から除去される樹脂の量は、樹脂の温度にも依存する。これは、一般に、樹脂の温度によって、樹脂の粘性が変化するためだと考えられる。このため、樹脂除去装置では、繊維束１５２を加熱あるいは冷却することで、樹脂の除去量を制御することができる。
【００５１】
図８は、樹脂除去装置における制御態様を模式的に説明する図である。図８（ａ）は、温度一定の条件下で、押し付け力（横軸）と除去量（縦軸）との関係を示したグラフである。この例では、押し付け力が増大した場合には、除去量が増大しているが、押し付け力が増大するにつれて押し付け力の増大比率は減少している（つまり、上に凸のグラフとなっている）。図８（ｂ）は、押し付け力一定の条件下で、温度（横軸）と除去量（縦軸）との関係を示したグラフである。この例では、温度が増大するにつれて除去量も増大しており、両者はほぼ線形的な関係にある。
【００５２】
図８（ｃ）は、押し付け力と温度とを変化させることにより、各層の除去量を制御した結果を示す図であり、横軸は除去量、縦軸は層を表している。この例では、内層ほど除去量を減らし、外層ほど除去量を多くしており、これにより、巻回後に樹脂が浸み出しても、内層には十分な樹脂を残すことができる。
【００５３】
なお、この第４の形態においてプリプレグを使用する場合について補足する。この場合、例えば、常温において１００ｍＰａ・ｓ以下程度の樹脂粘度をもつプリプレグを使用することが考えられる。また、一般に、プリプレグはのレジンコンテンツＲＣは、一つのボビンにおいて均一であり、除去量と、除去後のＲＣとが対応することになるため、制御は比較的容易である。
【００５４】
［第５の形態］
最後に、図９を用いて、第５の形態について説明する。第５の形態は、樹脂が含浸された繊維束を高圧タンク（成形体）に巻回した後に樹脂を除去することにより、樹脂量を制御するものである。第５の形態では、予め樹脂が含浸されている繊維束に対して除去工程を行っても、樹脂が含浸されていない繊維束に対して含浸工程と除去工程とを連続的に行ってもよい。
【００５５】
図９は、成形中の高圧タンク３０の断面図である。高圧タンク３０は、樹脂製のライナ３１と、その周囲の繊維強化樹脂層１６０とからなる。図示した例では、高圧タンク３０は、時計回りに回転されており、繊維束１６２が巻回されて、繊維強化樹脂層１６０の積層化が継続されている。この繊維強化樹脂層１６０の外表面には、樹脂除去装置１６４が設けられている。樹脂除去装置１６４は、へら形状をもつ先端部分を繊維強化樹脂層１６０の外表面に押し付けて、繊維束に含浸した樹脂の一部を除去する装置である。符号１６６は、こうして除去された樹脂を表している。押し付け力は制御装置からの指令に基づいて変更することができる。
【００５６】
樹脂除去装置１６４による樹脂の除去量は、樹脂除去装置１６４をどの程度の力で繊維強化樹脂層１６０に押し付けるかによって決定される。高圧タンク３０の製造にあたっては、典型的には内層（ライナ３１側）ほど、押し付け力を小さくして（あるいは押し付けを行わず）樹脂の除去量を少なくし（あるいは除去をやめて）、外層ほど押し付け力を大きくして樹脂の除去量を増大させる。
【００５７】
なお、以上に説明した第１〜第５の形態は、それぞれ単独で実施してもよいし、任意の他の形態と組み合わせても良い。また、ここでの説明では、高圧タンクを例に挙げて説明を行ったが、例えば、圧力パイプなど、他の繊維強化樹脂層成形体に対しても応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】高圧タンク製造システムの構成例を説明する図である。
【図２】繊維束と樹脂との接触量を制御する例を説明する図である。
【図３】各層における接触量の制御について説明する図である。
【図４】繊維束と樹脂との接触量を制御する別の例を説明する図である。
【図５】繊維束と樹脂との接触量を制御するさらに別の例を説明する図である。
【図６】各層における接触量の制御について説明する図である。
【図７】樹脂除去について説明する図である。
【図８】樹脂除去の制御態様について説明する図である。
【図９】樹脂除去の別の例について説明する図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 高圧タンク製造システム、１２ 繊維供給部、１４ 樹脂含浸部、１６ 高圧タンク成形部、１８ クリールスタンド、２０ 張力測定器、２２ レジンバス、２３ 含浸ローラ、２４ 樹脂温度計、２６ 樹脂膜厚計、２８ アイ口、３０ 高圧タンク、３１ ライナ、３２ 成形体回転機構、４０ データ・ロガー、４２ 制御装置、５０，５２ 補助ローラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂が含浸された繊維束を巻回することにより、繊維強化樹脂成形体を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、フィラメントワインディング成形において、繊維に含浸させる樹脂量を調整する技術開示されている。この技術では、樹脂を含浸させた繊維が、幅方向を規制されたガイド板と、その上から押し付けを行う部材との空隙に通される。押し付けを行う部材を上下方向に移動することで、空隙の断面積が変えられ、これにより、含浸される樹脂量が制御される。
【０００３】
下記特許文献２には、フィラメントワインディング成形において、樹脂を含浸した繊維をマンドレルに供給するする技術が開示されている。この技術では、樹脂が含浸された繊維を、回転可能なローラと、それに押し付けられるパッドとの間に通されて、余分な樹脂の絞り取りが行われる。さらに、繊維は、中央側ほど凹んだフィードローラにガイドされてマンドレルに供給されるため、フィードローラの端部の鍔にあたることはなく、幅変動も生じない。
【０００４】
下記特許文献３には、含浸ローラを用いて繊維に樹脂を含浸させる技術が開示されている。この技術では、含浸ローラ表面に近接配置された膜厚調整板によって、含浸ローラ表面に付着する樹脂量を制御している。膜厚調整板は、含浸ローラが正回転した場合に用いられるものと、逆回転した場合に用いられるものが用意されている。そして、繊維位置と正逆行速度などによって膜厚を制御し、繊維が逆行しても樹脂含浸量を一定に制御している。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２８６０４３号公報
【特許文献２】特開平７−２０５３１３号公報
【特許文献３】特開２００２−２８９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
繊維強化樹脂成形体を製造する場合には、巻回する層によって、繊維束に含浸された樹脂の量を変化させたいことがある。
【０００７】
本発明の目的は、繊維束に対する樹脂の含浸量を制御する新たな技術を確立することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、繊維束に含浸する樹脂量の調整を簡易化する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御工程と、制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸工程と、前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形工程と、を含み、前記制御工程では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する。
【００１０】
成形体製造方法は、繊維強化樹脂成形体を製造するための方法である。ここで、繊維強化樹脂成形体は、樹脂が含浸された繊維束を巻回する成形工程を経て成形される成形体である。繊維強化樹脂成形体は、樹脂が含浸された繊維束のみによって製造されてもよいが、さらに別部材を用いて製造されてもよい。別部材の例としては、高圧タンクにおけるライナのように巻回時に芯となる部材、高圧タンクにおける口金のように成形体を機能化する部材、繊維束層間に設けられるハニカム構造体のように成形体を強化する部材、成形体表面をコーティングするガラス繊維のように成形体を保護する部材などを挙げることができる。
【００１１】
成形体製造方法は、制御工程、含浸工程、及び成形工程を含んでいる。制御工程は、繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する工程である。液状の樹脂とは、繊維束への含浸が可能な程度の流動性が確保された樹脂を言う。樹脂としては、典型的には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられるが、熱可塑性樹脂が用いられることもある。また、繊維の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを挙げることができる。繊維束と樹脂との接触量とは、接触面積の量、あるいは、接触時間の量によって評価可能である。制御工程では、前記繊維束が巻回される層に応じた接触量の制御、すなわち、層に応じて接触量が複数段階（無限段階でもよい）に変えられる制御が行われる。
【００１２】
含浸工程では、制御工程で制御された接触量に基づいて繊維束と樹脂を接触させることにより、接触量に応じた量の樹脂を繊維束に含浸させる。繊維束に対し樹脂を含浸させるとは、繊維束の一部又は全部に対して樹脂を付着させることをいう。さらには、含浸によって、さらに、繊維束を構成する複数の繊維間の一部又は全部に樹脂を充填することもある。そして、成形工程では、繊維束を複数層にわたって巻回することで繊維強化樹脂成形体が成形される。巻回される繊維束は、含浸工程で樹脂が含浸された繊維束そのものであってもよいし、それをさらに複数束ねたものであってもよい。繊維束に含まれる繊維の本数は、例えば数千本〜数万本程度に設定される。また、巻回される繊維束は、複数の層にわたって連続したものであってもよいし、連続していないものであってもよい。なお、成形体の製造にあたっては、この他の工程を含めることも可能であり、例えば、成型工程の後に、表面をコーティングする工程や熱硬化性樹脂を硬化させる加熱工程などを行う態様を挙げることができる。
【００１３】
この構成によれば、繊維束が巻回される層に応じて繊維束と樹脂との接触量を制御することにより、繊維束に含浸させる樹脂の量を制御することが可能となる。これにより、従来に比べ、繊維束に含浸する樹脂量の調整を簡易化できる可能性がある。
【００１４】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記制御工程では、前記繊維束と前記樹脂との接触面積を変化させることにより、前記接触量を制御する。
【００１５】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記制御工程では、前記繊維束の表面積を変化させることにより、前記接触面積を変化させる。接触面積の変化は、例えば、繊維束の拡幅量を変化させたり、繊維束の表面粗度（凹凸）を変化させることで行うことができる。
【００１６】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記含浸工程では、前記樹脂を表面に付着された含浸ローラに対して前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、前記制御工程では、前記含浸ローラの径を変更することにより、前記接触面積を変化させる。
【００１７】
ここで、繊維束が含浸ローラの対し押し付けるとは、ある程度の張力で回転面に接触させることをいう。また、含浸ローラに対して繊維束を回転移動させるとは、含浸ローラを回転させながら、繊維束を移動させることをいう。繊維束は、含浸ローラを一周以上にわたって巻かれていてもよいし、一周以下、さらには、半周以下だけ巻かれていてもよい。また、繊維束は含浸ローラによって駆動されてもよいし、繊維束が含浸ローラを駆動してもよいし、繊維束と含浸ローラが別々に駆動されてもよい。そして、含浸ローラの回転と、繊維束の移動は、滑らずに行われるものであってもよいし、滑りながら行われるものであってもよい。含浸ローラの径を変更した場合には、一般に、含浸ローラと繊維束との各瞬間における接触面積が変化し、また、繊維束の各箇所と含浸ローラとの接触時間も変化する。
【００１８】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記含浸工程では、前記樹脂を吸収した弾力性部材を備える含浸ローラに対して、前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記弾力性部材を変形させて前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、前記制御工程では、前記回転ローラに前記繊維束を押し付ける強さを変化させることにより、前記接触量を制御する。
【００１９】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、さらに、前記繊維束から、巻回される層に応じた除去量の前記樹脂を除去する除去工程を含む。なお、除去工程は、予め樹脂が含浸された繊維束に対して適用されてもよい。
【００２０】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記除去工程では、巻回される層に応じた張力で前記繊維束を除去ローラに押し付けて回転移動させることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する。さらに、温度を変化させて除去量を制御することも可能である。
【００２１】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記成形工程では、前記繊維強化樹脂成形体を回転させることにより、前記繊維束の巻回を行い、前記除去工程では、前記繊維強化樹脂成形体に対し、非回転部材を押圧力を変えて押し付けることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する。
【００２２】
本発明の成形体製造方法の一態様においては、前記繊維強化成形体は、内部に高圧のガスを貯蔵可能な高圧タンクである、前記除去量の前記樹脂を除去する。
【００２３】
本発明の成形体製造システムの一態様においては、複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御手段と、制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸手段と、前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形手段と、を備え、前記制御手段では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［第１の形態］
図１は、第１の形態にかかる高圧タンク製造システム１０の概略を説明する図である。高圧タンク製造システム１０は、成形体製造システムの一例であり、繊維強化樹脂成形体としての高圧タンクを製造するものである。高圧タンクは、気体または液体を高圧で貯蔵するための容器であり、耐圧タンクや圧力容器などとも呼ばれる。高圧とは、少なくとも大気圧より高い圧力をいう。例えば、燃料電池車に搭載される水素タンクは、水素ガスを数十ＭＰａ程度の圧力で貯蔵する高圧タンクの一形態である。
【００２５】
高圧タンク製造システム１０は、繊維供給部１２と、樹脂含浸部１４と、高圧タンク成形部１６、データ・ロガー４０、及び制御装置４２を含んでいる。
【００２６】
繊維供給部１２は、繊維束を供給するためのものであり、クリールスタンド１８と張力測定器２０を含んでいる。クリールスタンド１８は、一本または複数本の繊維を供給するクリールが複数設けられた装置である。各クリールから供給される繊維は、束ねられて張力測定器２０に通される。張力測定器２０は、繊維束の張力を測定するための装置であり、測定結果はデータ・ロガー４０に送信される。
【００２７】
樹脂含浸部１４は、繊維供給部１２から供給された繊維束に対し、樹脂を含浸させるものである。樹脂含浸部１４は、樹脂を蓄えたレジンバス２２と、この樹脂に浸された含浸ローラ２３を備えている。そして、樹脂が付着した含浸ローラ２３に対し、幅広に拡げられた繊維束を押し付けて回転移動させることにより、繊維束に樹脂を付着させて含浸させる。また、樹脂含浸部１４は、樹脂の温度を測定する樹脂温度計２４や、樹脂に付着した樹脂の膜厚を測定する樹脂膜厚計２６などのセンサを備えている。こうしたセンサからの出力は、データ・ロガー４０に送信される。
【００２８】
高圧タンク成形部１６は、高圧タンク３０を製造するものである。高圧タンク成形部１６には、アイ口２８と、成形体回転機構３２が設けられている。アイ口２８は、樹脂含浸部１４から送られる繊維束を高圧タンク３０に送り出す中継装置であり、繊維束の供給角度を変更する角度変更機構や、供給位置を変更する位置変更機構などを備えている。成形体回転機構３２には、樹脂製のライナ３１が設置される。そして、成形体回転機構３２によって回転されるライナ３１に対して、アイ口２８から供給される繊維束が複数層（例えば１０層〜１００層程度）にわたって巻回される。このような成形は、フィラメントワインディング（ＦＷ）成形と呼ばれることもある。特に、液体の樹脂を含浸させながら行う場合には、ウェットＦＷ成形と呼ばれことがある。
【００２９】
データ・ロガー４０は、張力測定器２０、樹脂温度計２４、樹脂膜厚計２６などから出力されるデータを記憶する装置である。また、制御装置４２は、コンピュータハードウエアに対し、所定のプログラムをインストールした装置である。制御装置４２は、プログラムに従って、繊維供給部１２、樹脂含浸部１４、高圧タンク成形部１６などに対し、指令信号を送信してその動作を制御する。この制御には、樹脂を巻回する層が第何層であるかによって、樹脂の含浸量を変更する制御が含まれる。含浸量の変更制御にあたっては、実際の含浸量の測定結果に基づいて調整を行うフィードバック制御が行われることもある。
【００３０】
図２は、樹脂含浸部１４の構造と、三つの制御態様（ａ）（ｂ）（ｃ）について説明する図である。各図には、図１で説明したレジンバス２２と含浸ローラ２３の他、含浸ローラ２３の両側に軸を平行にして配置された補助ローラ５０，５２も示されている。補助ローラ５０は、含浸ローラ２３よりも上流側において、その下面側で繊維束をガイドして含浸ローラ２３に送り出している。そして、含浸ローラ２３の上面側で樹脂が含浸された繊維束は、下流側の補助ローラ５２の下面側でガイドされた後、後工程に運ばれている。
【００３１】
態様（ａ）では、三本の繊維束６０，６２，６４に対する含浸が行われている。特徴的な点は、繊維束６０，６２，６４を構成する各繊維をあまり拡げられていないことである。つまり、繊維束６０，６２，６４は、相対的に幅狭に維持されている。態様（ｂ）の三本の繊維束７０，７２，７４と、態様（ｃ）の三本の繊維束８０，８２，８４は、ともに、態様（ａ）の三本の繊維束６０，６２，６４と同じ本数の繊維からなる。しかし、態様（ｂ）では、繊維束７０，７２，７４を構成する各繊維は、やや幅広に拡げられ、態様（ｃ）では、繊維束８０，８２，８４を構成する各繊維は、最も幅広に拡げられている。このため、態様（ａ）の繊維束６０，６２，６４は相対的に狭い幅をもち、態様（ｂ）の繊維束７０，７２，７４は相対的に中程度の幅をもち、態様（ｃ）の繊維束８０，８２，８４は相対的に広い幅をもっている。
【００３２】
一般に、繊維束の幅が狭い場合、含浸ローラ２３表面の樹脂と繊維束との接触面積が狭くなり、繊維束に対する樹脂の含浸量が低下する。他方、繊維束の幅を広くすると、含浸ローラ２３表面の樹脂と繊維束との接触面積が広くなり、繊維束に対する樹脂の含浸量が増大する。繊維束の幅は、例えば、その上流あるいは下流で繊維束をガイドする部材の曲率を変えることで制御可能である。具体的には、クリールスタンド１８とレジンバス２２との間の任意の場所に、幅を拡げる太鼓型ローラ（中央部が凸）もしくは幅を狭める鼓型ローラ（中央部が凹）などの調整装置を設置する例を挙げることができる。こうした制御装置は、制御装置４２からの指令に従って動作し、図２の態様（ａ）〜（ｃ）のように繊維束の幅を変える。
【００３３】
図３は、高圧タンクの製造における樹脂量の制御について説明する模式図である。図３の（ａ）（ｂ）ともに、横軸は、樹脂が含浸された繊維束における繊維体積率Ｖｆを示しており、縦軸は、繊維束が巻回される層を示している。そして、図３の（ａ）は、巻回前におけるＶｆを示しており、（ｂ）は、巻回後におけるＶｆを示している。
【００３４】
巻回前において繊維束に含浸させる樹脂量を変化させない場合には、すなわち、（ａ）の直線９０のようにＶｆが一定の繊維束が巻回されることになる。この場合、内側の層では、その外側から巻き締められる効果によって、比較的多くの樹脂が漏れ出す傾向にある。この結果として、（ｂ）の曲線９２のように、内側ではＶｆが相対的に高くなり、外側ではＶｆが相対的に低くなる。
【００３５】
一般に、高圧タンクでは、強度を高くするほど、繊維束の層数を増やす必要があり、内層におけるＶｆの上昇も顕著となる。しかし、Ｖｆが高くなると、亀裂が生じやすくなるなど疲労耐久性能が低下することが知られている。特に、高圧タンクの内層には、外層に比べて大きな応力が作用する傾向にある。このため、高圧タンクの疲労耐久性を高め、寿命を延ばすためには、内層におけるＶｆを比較的低くすることが望ましいと言える。
【００３６】
図３の（ａ）の直線９４は、この方針に基づいて、繊維束に対する含浸量を制御した態様を表している。具体的には、内層側ほど、Ｖｆを低くするため、図２の態様（ｃ）のような含浸が行われ、外層側ほど、Ｖｆを高くするため、図２の態様（ａ）のような含浸が行われている。そして、この繊維束を巻回した場合には、図３の（ｂ）の直線９６のように、全層にわたってＶｆはほぼ一定となっている。
【００３７】
なお、樹脂を含浸させた繊維束において、繊維体積率Ｖｆが高いことは、同時に、樹脂体積率Ｖｒが低いことを意味する。また、繊維束に含浸された樹脂量は、レジンコンテンツＲＣと呼ばれることもある。樹脂体積率Ｖｒが高い繊維束では、レジンコンテンツＲＣが高い。
【００３８】
［第２の形態］
続いて、図４を用いて、第２の形態について説明する。第２の形態は、第１の形態を変形したものであり、基本的に、図１に示した高圧タンク製造システム１０と同様の構成を有する。しかし、第２の形態では、図２に示した繊維束の幅の制御に代えて、含浸ローラの径の制御を行っている。
【００３９】
図４は、樹脂含浸部１４の側面図であり、図４（ａ）と図４（ｂ）は、切り換えて設定される２つの制御態様を示している。図４（ａ）では、レジンバス２２が設けられると共に、補助ローラ５０、含浸ローラ１３０、及び補助ローラ５２が、この順に回転軸を揃えて配置されている。そして、繊維束１３２が、補助ローラ５０の下面、含浸ローラ１３０の上面、及び補助ローラ５２の下面に通されて、順次回転移動されている。このとき、繊維束１３２と含浸ローラ１３０は、符号１３４で示された領域で接触している。この領域は、含浸ローラ１３０と補助ローラ５０，５２との位置関係の他、含浸ローラ１３０の半径の大きさにも依存している。
【００４０】
他方、図４（ｂ）では、図４（ａ）の含浸ローラ１３０の代わりに、半径の大きな含浸ローラ１４０が用いられている。このため、繊維束１４２と含浸ローラ１４０とは、符号１４４で示された相対的に広い（繊維の進行方向に長い）領域で接触している。このように接触量が多くなると、一般に、繊維束１４２に対する含浸量も増大すると考えられる。したがって、含浸量を多くしたい場合には、図４（ｂ）のような比較的大きな半径をもつ含浸ローラ１４０を使用し、含浸量を少なくしたい場合には、図４（ａ）のような比較的小さな半径をもつ含浸ローラ１３０を使用することで、第１の形態と同様に繊維体積率を制御することが可能となる。
【００４１】
［第３の形態］
続いて、図５，６を用いて、第３の形態について説明する。第３の形態は、第１の形態を変形したものであり、基本的に、図１に示した高圧タンク製造システム１０と同様の構成を有する。
【００４２】
図５は、樹脂含浸部１４の部分断面を示す図であり、図５（ａ）は第１の形態に対応する状態を、図５（ｂ）は第３の形態に対応する状態を示している。図５（ａ）では、含浸ローラ２３は、レジンバス２２に蓄えられた樹脂に対し、その下面の一部が浸されるように配置されている。含浸ローラ２３は、図の時計回りに回転しており、その左側面は符号１０４で示した樹脂を付着させながら上昇している。含浸ローラ２３の上面側には、繊維束１００がその張力によって押し付けられながら接触している。そして、含浸ローラ２３の回転と同期して左から右へと回転移動する過程で、符号１０４で示した樹脂の含浸が行われている。このため、繊維束１００は、符号１０６で示した付近で、径をやや太めている。この第１の形態では、既に説明したように、どの程度の樹脂を繊維束１００に含浸させるかは、主として繊維束１００の幅に依存している。
【００４３】
これに対し、図５（ｂ）では、含浸ローラ１１４は、相対的に固い素材で作られたコア部１１０と、その外側に設けられた外周部１１２からなる。外周部１１２は、ゴムやスポンジのように弾力性があり（弾性変形が容易）、かつ、樹脂を吸収できる素材によって作られている。このため、外周部１１２は、レジンバス２２の側で樹脂１０２を吸収し、繊維束１００との接触部分で吸収した樹脂を繊維束１００に受け渡すことになる。このときに、繊維束１００に受け渡す樹脂の量は、外周部１１２から押し出される樹脂の量に依存する。そして、外周部１１２から押し出される樹脂の量は、繊維束１００が外周部１１２を押し付ける張力に依存している。そこで、第３の形態では、含浸させたい樹脂量に応じて、繊維束１００の張力を設定している。
【００４４】
図６は、第３の形態の制御を説明する模式図である。図６（ａ）は、含浸ローラ押し付け力（横軸）と層（縦軸）との関係を表しており、図６（ｂ）は、対応する樹脂の含浸量（横軸）と層との関係を表している。なお、樹脂の含浸量は、樹脂の繊維体積率Ｖｆと負の相関をもつ（近似的には反比例する）。すなわち、含浸量が少なければＶｆは大きくなり、含浸量が多くなればＶｆは小さくなる。
【００４５】
図６（ａ）の直線１２０は、各層において、含浸ローラ押し付け力を一定にした場合の例を示している。この場合には、巻回前には、各層の樹脂の含浸量は等しくなる。しかし、巻回後には、内層ほど巻き締められる効果によって内層の樹脂が漏れだすため、図６（ｂ）の直線１２２のように、内層ほど樹脂の含浸量が低下する（Ｖｆが大きくなる）。
【００４６】
図６（ａ）の曲線１２４は、図５（ｂ）を用いて説明したように、内層ほど含浸ローラ押し付け力を強くし、外層ほど含浸ローラ押し付け力を弱くした態様を示している。この場合には、内層ほど樹脂の含浸量が多くなり、外層ほど樹脂の含浸量が少なくなる。このため、この例では、巻回後であっても、図６（ｂ）の曲線１２６のように、内層側の含浸量の方が、外層側の含浸量を上回っている。
【００４７】
［第４の形態］
続いて、図７と図８を用いて、第４の形態について説明する。第４の形態は、樹脂が含浸された繊維束から、樹脂を除去することにより、樹脂量を制御するものである。第４の形態では、予め樹脂が含浸されている繊維束（プリプレグと呼ばれる）に対して除去工程を行ってもよいし、樹脂が含浸されていない繊維束に対して含浸工程と除去工程とを連続的に行ってもよい。前者の場合には、図１の高圧タンク製造システム１０における樹脂含浸部１４に代えて樹脂除去装置が設けられ、後者の場合には、樹脂含浸部１４の下流側に樹脂除去装置が設けられることになる。
【００４８】
図７は、樹脂除去装置の概要を示す側面図である。樹脂除去装置には、除去ローラ１５０が設けられ、樹脂を含んだ繊維束１５２がその上面に支持されている。また、樹脂除去装置には、除去ローラ１５０を上下に移動させて繊維束１５２の張力を調整する移動機構１５４と、除去ローラ１５０に取り付いた樹脂を落とすクリーナ１５６と、樹脂溜まりとなるレジンバス１５８が設けられている。
【００４９】
除去ローラ１５０に対しては、繊維束１５２が調整された張力で押し付けられて支持されている。そして、押し付け力が大きくなると相対的に大量の樹脂が繊維束から絞り出され、押し付け力が小さくなると相対的に少量の樹脂が繊維束から絞り出される。絞り出された樹脂は、除去ローラ１５０の回転面に付着し、クリーナ１５６によってレジンバス１５８へと取り除かれる。
【００５０】
また、繊維束から除去される樹脂の量は、樹脂の温度にも依存する。これは、一般に、樹脂の温度によって、樹脂の粘性が変化するためだと考えられる。このため、樹脂除去装置では、繊維束１５２を加熱あるいは冷却することで、樹脂の除去量を制御することができる。
【００５１】
図８は、樹脂除去装置における制御態様を模式的に説明する図である。図８（ａ）は、温度一定の条件下で、押し付け力（横軸）と除去量（縦軸）との関係を示したグラフである。この例では、押し付け力が増大した場合には、除去量が増大しているが、押し付け力が増大するにつれて押し付け力の増大比率は減少している（つまり、上に凸のグラフとなっている）。図８（ｂ）は、押し付け力一定の条件下で、温度（横軸）と除去量（縦軸）との関係を示したグラフである。この例では、温度が増大するにつれて除去量も増大しており、両者はほぼ線形的な関係にある。
【００５２】
図８（ｃ）は、押し付け力と温度とを変化させることにより、各層の除去量を制御した結果を示す図であり、横軸は除去量、縦軸は層を表している。この例では、内層ほど除去量を減らし、外層ほど除去量を多くしており、これにより、巻回後に樹脂が浸み出しても、内層には十分な樹脂を残すことができる。
【００５３】
なお、この第４の形態においてプリプレグを使用する場合について補足する。この場合、例えば、常温において１００ｍＰａ・ｓ以下程度の樹脂粘度をもつプリプレグを使用することが考えられる。また、一般に、プリプレグはのレジンコンテンツＲＣは、一つのボビンにおいて均一であり、除去量と、除去後のＲＣとが対応することになるため、制御は比較的容易である。
【００５４】
［第５の形態］
最後に、図９を用いて、第５の形態について説明する。第５の形態は、樹脂が含浸された繊維束を高圧タンク（成形体）に巻回した後に樹脂を除去することにより、樹脂量を制御するものである。第５の形態では、予め樹脂が含浸されている繊維束に対して除去工程を行っても、樹脂が含浸されていない繊維束に対して含浸工程と除去工程とを連続的に行ってもよい。
【００５５】
図９は、成形中の高圧タンク３０の断面図である。高圧タンク３０は、樹脂製のライナ３１と、その周囲の繊維強化樹脂層１６０とからなる。図示した例では、高圧タンク３０は、時計回りに回転されており、繊維束１６２が巻回されて、繊維強化樹脂層１６０の積層化が継続されている。この繊維強化樹脂層１６０の外表面には、樹脂除去装置１６４が設けられている。樹脂除去装置１６４は、へら形状をもつ先端部分を繊維強化樹脂層１６０の外表面に押し付けて、繊維束に含浸した樹脂の一部を除去する装置である。符号１６６は、こうして除去された樹脂を表している。押し付け力は制御装置からの指令に基づいて変更することができる。
【００５６】
樹脂除去装置１６４による樹脂の除去量は、樹脂除去装置１６４をどの程度の力で繊維強化樹脂層１６０に押し付けるかによって決定される。高圧タンク３０の製造にあたっては、典型的には内層（ライナ３１側）ほど、押し付け力を小さくして（あるいは押し付けを行わず）樹脂の除去量を少なくし（あるいは除去をやめて）、外層ほど押し付け力を大きくして樹脂の除去量を増大させる。
【００５７】
なお、以上に説明した第１〜第５の形態は、それぞれ単独で実施してもよいし、任意の他の形態と組み合わせても良い。また、ここでの説明では、高圧タンクを例に挙げて説明を行ったが、例えば、圧力パイプなど、他の繊維強化樹脂層成形体に対しても応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】高圧タンク製造システムの構成例を説明する図である。
【図２】繊維束と樹脂との接触量を制御する例を説明する図である。
【図３】各層における接触量の制御について説明する図である。
【図４】繊維束と樹脂との接触量を制御する別の例を説明する図である。
【図５】繊維束と樹脂との接触量を制御するさらに別の例を説明する図である。
【図６】各層における接触量の制御について説明する図である。
【図７】樹脂除去について説明する図である。
【図８】樹脂除去の制御態様について説明する図である。
【図９】樹脂除去の別の例について説明する図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 高圧タンク製造システム、１２ 繊維供給部、１４ 樹脂含浸部、１６ 高圧タンク成形部、１８ クリールスタンド、２０ 張力測定器、２２ レジンバス、２３ 含浸ローラ、２４ 樹脂温度計、２６ 樹脂膜厚計、２８ アイ口、３０ 高圧タンク、３１ ライナ、３２ 成形体回転機構、４０ データ・ロガー、４２ 制御装置、５０，５２ 補助ローラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御工程と、
制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸工程と、
前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形工程と、
を含み、
前記制御工程では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の成形体製造方法において、
前記制御工程では、前記繊維束と前記樹脂との接触面積を変化させることにより、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の成形体製造方法において、
前記制御工程では、前記繊維束の表面積を変化させることにより、前記接触面積を変化させる、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の成形体製造方法において、
前記含浸工程では、前記樹脂を表面に付着された含浸ローラに対して前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、
前記制御工程では、前記含浸ローラの径を変更することにより、前記接触面積を変化させる、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の成形体製造方法において、
前記含浸工程では、前記樹脂を吸収した弾力性部材を備える含浸ローラに対して、前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記弾力性部材を変形させて前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、
前記制御工程では、前記回転ローラに前記繊維束を押し付ける強さを変化させることにより、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成形体製造方法において、さらに、
前記繊維束から、巻回される層に応じた除去量の前記樹脂を除去する除去工程を含む、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の成形体製造方法において、
前記除去工程では、巻回される層に応じた張力で前記繊維束を除去ローラに押し付けて回転移動させることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載の成形体製造方法において、
前記成形工程では、前記繊維強化樹脂成形体を回転させることにより、前記繊維束の巻回を行い、
前記除去工程では、前記繊維強化樹脂成形体に対し、非回転部材を押圧力を変えて押し付けることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の成形体製造方法において、
前記繊維強化成形体は、内部に高圧のガスを貯蔵可能な高圧タンクである、前記除去量の前記樹脂を除去する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項１０】
複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御手段と、
制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸手段と、
前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形手段と、
を備え、
前記制御手段では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造システム。
【請求項１】
複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御工程と、
制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸工程と、
前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形工程と、
を含み、
前記制御工程では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の成形体製造方法において、
前記制御工程では、前記繊維束と前記樹脂との接触面積を変化させることにより、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の成形体製造方法において、
前記制御工程では、前記繊維束の表面積を変化させることにより、前記接触面積を変化させる、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の成形体製造方法において、
前記含浸工程では、前記樹脂を表面に付着された含浸ローラに対して前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、
前記制御工程では、前記含浸ローラの径を変更することにより、前記接触面積を変化させる、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の成形体製造方法において、
前記含浸工程では、前記樹脂を吸収した弾力性部材を備える含浸ローラに対して、前記繊維束を押し付けて回転移動させることにより、前記弾力性部材を変形させて前記繊維束に前記樹脂を含浸させ、
前記制御工程では、前記回転ローラに前記繊維束を押し付ける強さを変化させることにより、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成形体製造方法において、さらに、
前記繊維束から、巻回される層に応じた除去量の前記樹脂を除去する除去工程を含む、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の成形体製造方法において、
前記除去工程では、巻回される層に応じた張力で前記繊維束を除去ローラに押し付けて回転移動させることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載の成形体製造方法において、
前記成形工程では、前記繊維強化樹脂成形体を回転させることにより、前記繊維束の巻回を行い、
前記除去工程では、前記繊維強化樹脂成形体に対し、非回転部材を押圧力を変えて押し付けることにより、前記除去量の前記樹脂を除去する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の成形体製造方法において、
前記繊維強化成形体は、内部に高圧のガスを貯蔵可能な高圧タンクである、前記除去量の前記樹脂を除去する、ことを特徴とする成形体製造方法。
【請求項１０】
複数の繊維が束ねられた繊維束と液状の樹脂との接触量を制御する制御手段と、
制御された前記接触量に基づいて前記繊維束と前記樹脂を接触させて、前記接触量に応じた量の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸手段と、
前記樹脂を含浸された前記繊維束を複数層にわたって巻回して、繊維強化樹脂成形体を成形する成形手段と、
を備え、
前記制御手段では、前記繊維束が巻回される層に応じて、前記接触量を制御する、ことを特徴とする成形体製造システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−５１１８６（Ｐ２００９−５１１８６Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２２９２２（Ｐ２００７−２２２９２２）
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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