繊維強化複合材料成形システム

【課題】繊維強化複合材料成形システムにおいて、設備の大型化を抑制して繊維束の拡幅量をより大きくすることである。
【解決手段】繊維に樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形システム１０であって、繊維束１４を開繊する開繊ユニット４２を備え、開繊ユニット４２は、繊維束１４をねじ状溝４６に通して開繊する開繊部４４を有している。なお、開繊ユニット４２は、開繊部４４を加熱するヒータ等を有することが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料成形システムに係り、特に、繊維に樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮水素ガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等を貯蔵する、例えば、車両用高圧タンク等の圧力容器には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。繊維強化複合材料には、例えば、強化繊維としての炭素繊維等に、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂等を含浸させて成形した繊維強化複合材料が使用される。
【０００３】
繊維強化複合材料の成形には、例えば、フィラメントワインディング（ＦｉｌａｍｅｎｔＷｉｎｄｉｎｇ：ＦＷ）成形法等が用いられる。フィラメントワインディング成形法は、例えば、ボビン等から送り出された繊維束に樹脂を含浸させた後、樹脂含浸した繊維束をマンドレル等に連続して巻き付けることにより繊維強化複合材料を成形する成形方法である。
【０００４】
特許文献１には、フィラメントワインディング装置等が開示され、出口ガイドの繊維束引き出し方向上流側に、繊維束を拡げる作用を有する拡幅ガイドが設けられていることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５４９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、繊維束を拡げる拡幅方法として、繊維束をローラ等へ押し付けて繊維束を拡幅する方法がある。図７は、従来技術における繊維束の拡幅方法を示す図である。図７に示すように、繊維束は、ローラ面に押し付けられて拡幅される。図８は、従来技術における繊維束とローラ外径との関係を示す図である。図８に示すように、繊維束の拡幅量は、ローラ外径の制約を受ける。すなわち、ローラの外径が大きいほど拡幅ゾーンが長くなり、より大きな拡幅量が得られる。しかし、より大きい拡幅量を得るためにはローラの外径をより大きくする必要があり、設備が大型化するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、設備の大型化を抑えて繊維束の拡幅量をより大きくすることができる繊維強化樹脂複合材料成形システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る繊維強化複合材料成形システムは、繊維に樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形システムであって、繊維束を開繊する開繊装置を備え、開繊装置は、繊維束をねじ状溝に通して開繊する開繊部を有していることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る繊維強化複合材料成形システムにおいて、開繊装置は、開繊部を加熱する加熱手段を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る繊維強化複合材料成形システムにおいて、開繊装置は、開繊部を繊維束の給糸方向と逆方向に回転させる回転手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように本発明に係る繊維強化複合材料成形システムによれば、設備の大型化を抑えて繊維束の拡幅領域を長くすることができるので、繊維束の拡幅量をより大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、繊維強化複合材料成形システム１０の構成を示す図である。
【００１３】
繊維供給装置１２は、繊維強化複合材料の成形に使用される繊維束１４を送り出す機能を有している。繊維供給装置１２には、例えば、クリールスタンド（ＣｒｅｅｌＳｔａｎｄ）等を用いることができる。繊維供給装置１２は、複数の繊維束１４を巻き付けるための複数のボビン１６と、複数の繊維束１４に負荷される張力を調整するための複数の繊維張力調整装置１８とを有している。それにより、ボビン１６等から送り出された複数の繊維束１４を、繊維張力調整装置１８で所定の張力に調整して供給することができる。勿論、他の条件次第では、繊維束１４の本数は、複数本に限定されることはなく、１本でもよい。
【００１４】
繊維束１４の繊維には、高強度繊維または高弾性繊維である炭素繊維等を使用することができる。そして、炭素繊維には、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ：ＰＡＮ）系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維等が用いられる。勿論、繊維束１４の繊維には、炭素繊維に限定されることはなく、ガラス繊維またはアラミド繊維等を用いることができる。
【００１５】
繊維束１４には、繊維径が、例えば、１μｍから５μｍの単繊維であるフィラメントを束ねたヤーン、ストランド、ロービング等を用いることができる。例えば、炭素繊維を用いた繊維束１４には、１８Ｋや２４Ｋ等の炭素繊維束を用いることができる。勿論、他の条件次第では、繊維束１４は、これらの形態に限定されることはない。
【００１６】
繊維張力測定装置２０は、複数の繊維に負荷された張力を測定する機能を有している。繊維張力測定装置２０には、一般的に、炭素繊維等の張力測定に用いられる張力測定器等を使用することができる。
【００１７】
樹脂含浸装置２２は、繊維張力測定装置２０で張力測定された繊維に、樹脂等を含浸する機能を有している。樹脂含浸装置２２は、繊維に含浸する樹脂を溜める樹脂槽２４と、繊維に樹脂を付着させる樹脂含浸ローラ２６と、第１テンションローラ２８と、第２テンションローラ３０と、を備えている。また、樹脂含浸装置２２は、樹脂粘度を調整するために樹脂温度を測定する樹脂温度計と、樹脂含浸量を調整するために繊維に付着した樹脂膜厚を測定する樹脂膜厚計３２とを有している。そして、樹脂含浸ローラ２６を回転させて、ローラ面を樹脂槽２４に溜めた樹脂に浸漬した後、樹脂が付着したローラ面を繊維に接触させることで樹脂含浸することができる。繊維に含浸される合成樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂または不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。勿論、合成樹脂は、上記樹脂に限定されることなない。
【００１８】
フィラメントワインディング装置３４は、樹脂含浸装置２２から送り出された樹脂含浸繊維を、型または心金であるマンドレル３６（Ｍａｎｄｒｅｌ）等に巻き付ける機能を有している。フィラメントワインディング装置３４は、樹脂含浸繊維をマンドレル３６等の円周方向や軸方向に巻き付けることができる。フィラメントワインディング装置３４は、例えば、マンドレル３６等の回転軸方向に対して略垂直に巻き付けるフープ巻き（ＨｏｏｐＷｉｎｄｉｎｇ）や、マンドレル３６等の回転軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻き（ＨｅｌｉｃａｌＷｉｎｄｉｎｇ）等により樹脂含浸繊維を巻き付けることができる。
【００１９】
圧力容器、例えば、高圧タンク等を製造する場合には、マンドレル３６の代わりにポリアミド樹脂等により成形された樹脂ライナまたはアルミニウム等により成形された金属ライナ等を使用することができる。そして、樹脂含浸繊維は、フィラメントワインディング装置３４により、張力を与えつつ樹脂ライナまたは金属ライナに巻き付けられる。
【００２０】
制御装置３８は、繊維張力測定装置２０と、樹脂含浸装置２２に配置される樹脂温度センサと、樹脂膜厚計３２等とにリード線とコネクタ等を用いて接続される。制御装置３８は、繊維張力測定装置２０から出力される繊維の張力データの電気信号を入力し、繊維の張力を制御することができる機能を有している。そして、制御装置３８は、樹脂含浸装置２２に配置された樹脂温度センサから出力される樹脂温度データの電気信号を入力し、樹脂温度を制御することができる機能を有している。更に、制御装置３８は、樹脂膜厚計３２から出力される樹脂膜厚データの電気信号を入力して、基準となる所定の樹脂量が樹脂含浸ローラ２６に付着されているか否かを検知することができる機能を有している。かかる制御装置３８は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成することができる。また、制御装置３８と接続されたデータロガ４０には、上述した繊維の張力データ、樹脂温度データ、樹脂膜厚データ等が記憶されて保存される。
【００２１】
開繊ユニット４２は、繊維供給装置１２に設けられ、繊維束を開繊する開繊装置としての機能を有している。図２は、開繊ユニット４２の構成を示す図である。開繊ユニット４２は、ボビン１６から繰り出された繊維束１４を通すことにより、繊維束１４を拡げて開繊するねじ状溝４６を有する開繊部４４を備えている。溝をボールねじ状やらせん状に形成することにより、開繊部４４の大型化を抑制して拡幅領域を長くすることができるので、繊維束１４の拡幅幅をより大きくすることができる。開繊部４４は、例えば、ステンレス鋼等で軸状等の円柱状に形成される。また、ねじ状溝４６は、一般的な金属材料の機械加工により形成される。
【００２２】
図３は、開繊部４４に形成されたねじ状溝４６の構成を示す図であり、図３（Ａ）は、開繊部４４に形成されたねじ状溝４６の平面図であり、図３（Ｂ）は、開繊部４４に形成されたねじ状溝４６の断面図である。図３（Ａ）に示すように、ねじ状溝４６は、繊維束１４の給糸方向に向かって溝幅が大きくなるように形成される（溝幅ａ＞ｂ）。また、図３（Ｂ）に示すように、ねじ状溝４６には、凸部４８が設けられ、繊維束１４を凸部４８に押し付けて給糸することにより、繊維束１４を開繊して拡幅することができる。
【００２３】
開繊部４４は、テーパ形状に形成されることが好ましい。図４は、テーパ形状の開繊部４４を有する開繊ユニット４２を示す図である。給糸出口方向に向かってテーパ形状とすることにより、繊維束１４に負荷される押付け力がより大きくなり、繊維束１４をより大きな幅で拡幅することができる。
【００２４】
開繊ユニット４２は、開繊部４４を加熱するヒータ等の加熱手段を有することが好ましい。図５は、開繊部４４を加熱して繊維束１４を開繊する方法を示す図である。繊維束１４に樹脂を含浸したプリプレグを使用する場合には、プリプレグは、常温ではタック性を有しているので開繊しにくい。プリプレグをヒータ等で加熱することにより樹脂を軟化させることができるので、より大きな拡幅量を得ることができる。
【００２５】
開繊ユニット４２は、開繊部４４を回転させる回転手段を備え、開繊部４４を給糸方向と逆方向に回転させることが好ましい。図６は、開繊部４４を給糸方向と逆方向に回転させて繊維束１４を開繊する方法を示す図である。繊維束１４に負荷される摩擦力等を低減することにより、より大きな拡幅量を得ることができる。ここで、開繊部４４を回転させる回転手段には、一般的なモータ等を使用することができる。
【００２６】
次に、再び、図１に戻り、繊維強化複合材料成形システム１０の動作について説明する。
【００２７】
繊維供給装置１２のボビン１６から繰り出された繊維束１４は、開繊ユニット４２で開繊される。繊維束１４にプリプレグを用いる場合には、開繊部４４がヒータ等で加熱されることにより、プリプレグが加熱されて開繊される。開繊された繊維は、繊維張力調整装置１８により所定の張力に調整されて繊維供給装置１２から送り出される。
【００２８】
繊維供給装置１２から送り出された繊維は、繊維張力測定装置２０により繊維に負荷されている張力が測定される。ここで、繊維張力測定装置２０により測定された繊維の張力データは、繊維張力測定装置２０から制御装置３８へ出力され、データロガ４０に記憶されて保存される。また、繊維に、例えば、基準となる所定の張力が負荷されていない場合には、制御装置３８が、張力の異常を検知して異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形システムが停止する。
【００２９】
繊維張力測定装置２０を通過した繊維は、樹脂含浸装置２２に送り出される。樹脂含浸装置２２における樹脂槽２４の中には、例えば、エポキシ樹脂である液状の樹脂が溜められている。樹脂の温度は、熱電対等の樹脂温度センサにより測定される。そして、樹脂温度データは、樹脂温度センサからから制御装置３８へ出力され、データロガ４０に記憶されて保存される。また、樹脂温度が、例えば、設定された樹脂温度でない場合には、制御装置３８が樹脂温度の異常を検知して、異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形システム１０が停止する。
【００３０】
樹脂含浸ローラ２６は、ローラが回転することにより樹脂槽２４に溜められた樹脂と接触し、樹脂含浸ローラ２６の表面に樹脂が付着する。そして、第１テンションローラ２８と第２テンションローラ３０とにより押さえられた繊維は、樹脂含浸ローラ２６と接触することにより樹脂が含浸される。
【００３１】
そして、樹脂膜厚計３２により測定された樹脂膜厚データは、樹脂膜厚計３２から制御装置３８へ出力される。そして、出力された樹脂膜厚データは、制御装置３８により基準となる樹脂膜厚と比較されるとともにデータロガ４０に記憶される。そして、樹脂膜厚データが基準となる樹脂膜厚よりも薄い場合には、制御装置３８により繊維に適正な樹脂量の樹脂が含浸されていないと判断されて、異常信号等が出力される。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形システム１０が停止する。なお、繊維束１４にプリプレグを使用する場合には、プリプレグには予め樹脂が含浸されているため、樹脂含浸装置２２で樹脂含浸せずに直接フィラメントワインディング装置３４へ送り出される。
【００３２】
樹脂含浸繊維は、第２テンションローラ３０を介した後、フィラメントワインディング装置３４へ送り出される。樹脂含浸繊維は、フィラメントワインディング装置３４により、マンドレル３６または高圧タンクのライナ等にフープ巻き等により巻き付けられる。その後、マンドレル３６またはライナ等に巻き付けた樹脂含浸繊維を図示されない樹脂硬化炉等で加熱することにより、樹脂を硬化して繊維強化複合材料が成形される。
【００３３】
以上、上記構成によれば、ねじ状溝を有する開繊部を備える開繊ユニットを用いて繊維束を開繊して拡幅することにより、開繊ユニットの大型化を抑制して繊維束の拡幅量をより大きくすることができる。
【００３４】
上記構成によれば、開繊部を加熱することにより、繊維束にプリプレグを用いた場合でも容易にプリプレグを開繊して拡幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、開繊ユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、開繊部に形成されたねじ状溝の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において、テーパ形状の開繊部を有する開繊ユニットを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態において、開繊部を加熱して繊維束を開繊する方法を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態において、開繊部を給糸方向と逆方向に回転させて繊維束を開繊する方法を示す図である。
【図７】従来技術による繊維束の拡幅方法を示す図である。
【図８】従来技術における繊維束とローラ外径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０繊維強化複合材料成形システム、１２繊維供給装置、１４繊維束、１６ボビン、１８繊維張力調整装置、２０繊維張力測定装置、２２樹脂含浸装置、２４樹脂槽、２６樹脂含浸ローラ、２８第１テンションローラ、３０第２テンションローラ、３２樹脂膜厚計、３４フィラメントワイディング装置、３６マンドレル、３８制御装置、４０データロガ、４２開繊ユニット、４４開繊部、４６ねじ状溝、４８凸部。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維に樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維を巻回部材に巻回することにより繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形システムであって、
繊維束を開繊する開繊装置を備え、
開繊装置は、繊維束をねじ状溝に通して開繊する開繊部を有していることを特徴とする繊維強化複合材料成形システム。
【請求項２】
請求項１に記載の繊維強化複合材料成形システムであって、
開繊装置は、開繊部を加熱する加熱手段を有することを特徴とする繊維強化複合材料成形システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の繊維強化複合材料成形システムであって、
開繊装置は、開繊部を繊維束の給糸方向と逆方向に回転させる回転手段を有することを特徴とする繊維強化複合材料成形システム。

【図１】