JP2005329593A - 自動積層装置 - Google Patents

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Nobuyuki Mori
暢之 森
Hiroyuki Nakamura
裕之 中村
Masakazu Shimanuki
雅一 嶋貫
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Fuji Heavy Industries Ltd
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Abstract

【課題】 熱可塑プリプレグテープを所定の被積層体の表面に積層してダイレクトコンソリデーション成形を行う自動積層装置において、プリプレグテープの層間密着性や表面平滑性の低下を阻止することにより、得られる製品の品質を格段に向上させる。
【解決手段】 熱可塑型のプリプレグテープ２００を送出する送出手段と、この送出手段から送出されたプリプレグテープ２００を加熱すると同時に加圧することにより所定の被積層体１００の表面にプリプレグテープ２００を積層するコンパクションローラ４３と、を備える自動積層装置において、コンパクションローラ４３の走行方向後方に配置され、コンパクションローラ４３により加圧された直後のプリプレグテープ２００を再度加圧して加熱し冷却するコンパクションプレート４４を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動積層装置に関し、特に、熱可塑型のプリプレグテープを所定の被積層体の表面に積層する自動積層装置に関する。
現在、強化繊維に熱硬化性又は熱可塑性のマトリックス樹脂を含浸させて調製した繊維強化プラスチックテープ（以下「プリプレグテープ」という）を送出して所定の被積層体の表面に積層する「自動積層装置」を用いて、所望の構造物を製造する技術が種々提案されている。
例えば、自動積層装置で熱硬化型のプリプレグテープを所定の被積層体の表面に積層した後、オートクレーブで加熱及び加圧を行って熱硬化性樹脂を硬化させることにより所望の構造物を製造する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、かかる技術を採用すると、自動積層装置による積層工程を実施した後に、オートクレーブによる加熱加圧工程を実施する必要があるため、製造費用が嵩む上に製造期間が長期化するという問題がある。
このため、近年においては、図６に示すように、コンパクションローラ３００を用いて、所定の被積層体１００の表面への熱可塑型のプリプレグテープ２００の積層と、このプリプレグテープ２００の加熱及び加圧と、を同時に行い、その後の自然（又は強制）冷却により熱可塑性樹脂を固化させて所望の構造物を製造する「ダイレクトコンソリデーション成形技術」が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１３７２４１号公報（第２頁、第１図） 特表２００１−５１０７４６号公報（第１６頁、第２図）
ところで、所定の被積層体１００の表面に積層されたプリプレグテープ２００をダイレクトコンソリデーション成形するためには、プリプレグテープ２００に含まれる熱可塑性樹脂が固化するまで（熱可塑性樹脂の温度がガラス転移温度以下に達するまで）、プリプレグテープ２００に圧力（コンパクションフォースＦC）を加え続けることが好ましい。
しかし、コンパクションローラ３００を１本のみ採用した図６に示すような従来の自動積層装置においては、プリプレグテープ２００が積層されてから熱可塑性樹脂が固化するまでの間、コンパクションフォースＦCを加え続けることができなかった。このため、図７に示すようにコンパクションローラ３００の進行方向（積層方向）後方のプリプレグテープ２００が被積層体１００の表面から浮き上がる等の事態が発生し、プリプレグテープ２００の層間密着性や表面平滑性が低下して、製品の品質や強度が低下してしまう場合があった。
本発明の課題は、熱可塑型のプリプレグテープを所定の被積層体の表面に積層してダイレクトコンソリデーション成形を行う自動積層装置において、プリプレグテープの層間密着性や表面平滑性の低下を阻止することにより、得られる製品の品質を格段に向上させることである。
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させて調製した熱可塑型のプリプレグテープを送出する送出手段と、所定の被積層体の表面上を所定方向に走行するように構成され、前記送出手段から送出された前記プリプレグテープを加熱すると同時に加圧することにより前記被積層体の表面に前記プリプレグテープを積層する加熱加圧ローラと、を備える自動積層装置において、前記加熱加圧ローラの走行方向後方に配置されるとともに前記加熱加圧ローラと一体的に走行するように構成され、前記加熱加圧ローラにより加圧された直後の前記プリプレグテープを再度加圧する再加圧プレートを備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、加熱加圧ローラにより加圧された直後のプリプレグテープを加圧する再加圧プレートを備えるので、プリプレグテープが積層されてから熱可塑性樹脂が固化するまでの間、プリプレグテープを「面」で加圧してコンパクションフォースを充分に加えることができる。従って、プリプレグテープの層間密着性や表面平滑性の低下を阻止することができるので、得られる製品の品質を格段に向上させることができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自動積層装置において、前記再加圧プレートの前部領域を加熱する加熱手段と、前記再加圧プレートの後部領域を冷却する冷却手段と、を備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、加熱手段によって再加圧プレートの前部領域を加熱することができるので、この加熱された前部領域を用いて、従来のホットプレスと同様にプリプレグテープを「面」で加熱及び加圧することができる。また、冷却手段によって再加圧プレートの後部領域を冷却することができるので、この冷却された後部領域を用いて、プリプレグテープにコンパクトフォースを加えたまま、熱可塑性樹脂を迅速に冷却して固化させることができる。従って、プリプレグテープの層間密着性や表面平滑性をさらに向上させることができ、製品の一層の高品質化を実現させることができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の自動積層装置において、前記再加圧プレートの前部領域と後部領域とは分割され、上下に相対移動するように構成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、再加圧プレートの前部領域と後部領域とが分割され、上下に相対移動するように構成されているため、再加圧プレートの前部領域と後部領域とを別々に上下に移動させて、コンパクションフォースを充分に加えることができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の自動積層装置において、前記再加圧プレートの水平度を調整する水平度調整手段を備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、水平度調整手段により再加圧プレートの水平度を調整することができるので、再加圧プレートを広い面積に亘ってプリプレグテープに密着させてコンパクトフォースを充分に加えることができる。従って、プリプレグテープの層間密着性や表面平滑性を一層向上させることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか一項に記載の自動積層装置において、前記再加圧プレートの上下方向における移動を許容し、走行中における前記再加圧プレートの下面を前記被積層体の表面形状に追随させ密着させる表面追随手段を備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、再加圧プレートの上下方向における移動を許容する表面追随手段により、走行中における再加圧プレートの下面を被積層体の表面形状に追随させ密着させることができる。従って、被積層体に曲面がある場合においても、再加圧プレートでプリプレグテープを充分に加圧することができる。
本発明によれば、加熱加圧ローラにより加圧された直後のプリプレグテープを「面」で再度加圧する再加圧プレートを備えるので、熱可塑性樹脂が固化するまでプリプレグテープにコンパクションフォースを充分に加えることができ、プリプレグテープの層間密着性や表面平滑性の低下を阻止して、得られる製品の品質を格段に向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
まず、図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態に係る自動積層装置１の全体構成について説明する。本実施の形態に係る自動積層装置１は、図１に示した所定の被積層体１００の表面に熱可塑型のプリプレグテープ２００を連続的に自動積層して所望の構造物を製造するためのものである。
自動積層装置１は、図１に示すように、矢印方向に移動するヘッド部１０、プリプレグテープ２００をヘッド部１０の下方に送出する送出手段２０、送出手段２０から送出されたプリプレグテープ２００を加熱するガスヒータ３０、ヘッド部１０と一体的に移動してプリプレグテープ２００を加熱・加圧しながら被積層体１００の表面に積層して固化させるコンパクションユニット４０、等を備えて構成されている。ヘッド部１０の移動速度やプリプレグテープ２００の送出速度やガスヒータ３０の温度は、図示されていない制御装置によって制御される。
次に、図２及び図３を用いて、本実施の形態に係る自動積層装置１のコンパクションユニット４０（主要部）の構成について説明する。
コンパクションユニット４０は、図２に示すように、ヘッド部１０に固定される固定部４１、固定部４１の下部に左右方向に揺動自在に取り付けられた左右揺動部４２、左右揺動部４２の下部前方に取り付けられた加熱加圧用のコンパクションローラ４３、左右揺動部４２の下部後方に取り付けられたコンパクションプレート４４、コンパクションプレート４４の前方領域を加熱する加熱手段４５、コンパクションプレート４４の後方領域を冷却する冷却手段４６、等を備えて構成されている。
固定部４１の下部には、図２に示すように、前後方向に延在する回動軸４１ａが固定されている。左右揺動部４２は、固定部４１の回動軸４１ａを中心として左右方向に揺動するベアリング部４２ａ、ベアリング部４２ａの下部に固定された上板部４２ｂ、上板部４２ｂ前方の左右両端部に下方に垂下するように固定された左右板部４２ｃ、等を有している。また、左右板部４２ｃには、図２（ｂ）に示すように、左右方向に延在するローラ回転軸４２ｄが設けられている。
コンパクションローラ４３は、本発明における加熱加圧ローラであり、ローラ回転軸４２ｄを中心に図２（ａ）の矢印方向に回転することによりヘッド部１０と一体的に走行して、送出手段２０から送出されたプリプレグテープ２００を加熱・加圧して被積層体１００の表面に積層するものである。コンパクションローラ４３の内部には円柱状のヒータが内蔵されており、スリップリングを介してこのヒータに電力が供給されることにより、熱可塑性樹脂の溶融温度以上の温度（例えば３００℃〜５００℃）までローラが加熱されることとなる。コンパクションローラ４３は、ヒータによる加熱及び積層時の圧力に耐え得るステンレススチール等の金属材料で構成される。
コンパクションプレート４４は、本発明における再加圧プレートであり、コンパクションローラ４３により加圧されて被積層体１００の表面に積層された直後のプリプレグテープ２００を「面」で再加圧し、プリプレグテープ２００に含まれる熱可塑性樹脂の温度がガラス転移温度以下に達するまで圧力を保持するものである。コンパクションプレート４４は、図２（ａ）に示すように、ボルト５０を介して左右揺動部４２の上板部４２ｂに連結された筐体６０の下面に固定されている。
コンパクションプレート４４の前部領域は、加熱手段４５により加熱される。このため、コンパクションプレート４４の下面前部領域で、従来のホットプレスと同様にプリプレグテープ２００を「面」で加熱・加圧することができる。また、コンパクションプレート４４の後部領域は、冷却手段４６により冷却される。このため、コンパクションプレート４４の下面後部領域で、プリプレグテープ２００を加圧したまま熱可塑性樹脂を迅速に冷却して固化させることができる。
コンパクションプレート４４は、加熱手段４５による加熱及び積層時の圧力に耐え得る金属材料（ステンレススチール、チタン合金、ニッケル合金、インバー合金等）で構成されている。また、コンパクションプレート４４及び筐体６０の前後方向中央部は、金属板によって仕切られている。そして、この金属板の前方には、加熱手段４５による熱が後方に伝達されるのを阻止するための断熱材が設けられている。
加熱手段４５は、コンパクションプレート４４の前方領域を加熱するものである。加熱手段４５としては、筐体６０の前方内部やコンパクションプレート４４の前方内部に内蔵されて所定の電源から供給された電力によって加熱される面状のヒータ等を採用することができる。冷却手段４６は、コンパクションプレート４４の後方領域を冷却するものである。冷却手段４６としては、筐体６０の後方内部及びコンパクションプレート４４の後方内部に設けた空気供給管と、コンパクションプレート４４の下面に設けた排気口と、を有し、空気供給管を経由させて排気口に供給される冷却用の圧縮空気を利用した「空冷機構」等を採用することができる。
ボルト５０は、コンパクションプレート４４が固定された筐体６０を左右揺動部４２の上板部４２ｂに連結するための部材であり、図２に示すように筐体６０の前後左右に計４本設けられている。各ボルト５０の下部に設けられた雄ネジは、筐体６０の上部に設けられた雌ネジに螺入され、各ボルト５０の上部に設けられた雄ネジは、左右揺動部４２の上板部４２ｂに設けられた雌ネジに螺入されている。そして、各ボルト５０の雄ネジの螺入寸法を変更することにより、コンパクションプレート４４の水平度を調整することができる。すなわち、ボルト５０は本発明における水平度調整手段である。
続いて、図１及び図３を用いて、本実施の形態に係る自動積層装置１の積層動作について説明する。
まず、自動積層装置１のヘッド部１０を図１に示すように所定の被積層体１００の上方に配置し、送出手段２０により送出したプリプレグテープ２００の端部近傍部分を、コンパクションユニット４０を用いて被積層体１００の表面に溶着する。自動積層装置１の制御装置は、このような初期状態からヘッド部１０を駆動して図１の矢印方向に移動させるとともに、送出手段２０を駆動してプリプレグテープ２００を所定の速度で送出させる。
送出手段２０によって送出されたプリプレグテープ２００は、ガスヒータ３００及びコンパクションローラ４３によって加熱されるとともに、図３に示すようにコンパクションローラ４３により加圧されて被積層体１００の表面に積層される。そして、コンパクションローラ４３によって加圧された直後のプリプレグテープ２００は、図３に示すように、加熱手段４５で加熱されたコンパクションプレート４４の下面前部領域によって加熱・加圧された後、冷却手段４６で冷却されたコンパクションプレート４４の下面後部領域によって圧力を保持したまま冷却されて固化することとなる。
以上説明した実施の形態に係る自動積層装置１においては、コンパクションローラ４３により加圧された直後のプリプレグテープ２００を加圧するコンパクションプレート４４を備えるので、プリプレグテープ２００が積層されてから熱可塑性樹脂が固化するまでの間、プリプレグテープ２００を「面」で加圧してコンパクションフォースＦCを充分に加えることができる。従って、プリプレグテープ２００の層間密着性や表面平滑性の低下を阻止することができるので、得られる製品の品質を格段に向上させることができる。
また、以上説明した実施の形態に係る自動積層装置１においては、加熱手段４５によってコンパクションプレート４４の下面前部領域を加熱することができるので、この加熱された下面前部領域を用いて、従来のホットプレスと同様にプリプレグテープ２００を「面」で加熱・加圧することができる。また、冷却手段４６によってコンパクションプレート４４の下面後部領域を冷却することができるので、この冷却された下面後部領域を用いて、プリプレグテープ２００にコンパクトフォースＦCを加えたまま、熱可塑性樹脂を迅速に冷却して固化させることができる。従って、プリプレグテープ２００の層間密着性や表面平滑性をさらに向上させることができ、製品の一層の高品質化を実現させることができる。
また、以上説明した実施の形態に係る自動積層装置１においては、水平度調整手段であるボルト５０によりコンパクションプレート４４の水平度を調整することができるので、コンパクションプレート４４を広い面積に亘ってプリプレグテープ２００に密着させることができる。従って、プリプレグテープ２００にコンパクトフォースＦCを確実に加えることができるので、プリプレグテープ２００の層間密着性や表面平滑性を一層向上させることができる。
なお、以上の実施の形態においては、図２に示すように、前後左右４本のボルト５０を介して、左右揺動部４２の上板部４２ｂに筐体６０を固定した例を示したが、図４に示すように、前後左右４つのバネ７０を介して、左右揺動部４２の上板部４２ｂに筐体６０を連結することもできる。
このように左右揺動部４２の上板部４２ｂと筐体６０との間にバネ７０を介設することにより、コンパクションプレート４４の前後左右部分の上下方向における移動が許容されるため、走行中のコンパクションプレート４４の下面を被積層体１００の表面形状に追随させ密着させることができる。すなわち、バネ７０は、本発明における表面追随手段である。また、バネ７０に代えて、エアシリンダ等の緩衝機能を有する機構を左右揺動部４２の上板部４２ｂと筐体６０との間に介設することもできる。
また、以上の実施の形態においては、前方部分に加熱手段４５を有し後方部分に冷却手段４６を有する１つの筐体６０の下面に、１枚のコンパクションプレート４４を固定した例を示したが、これら筐体６０及びコンパクションプレート４４を前部領域と後部領域とに分割することもできる。
例えば、図５に示すように、加熱手段４５を有する前方筐体６０ｆの下面に前方コンパクションプレート４４ｆを固定するとともに、冷却手段４６を有する後方筐体６０ｒの下面に後方コンパクションプレート４４ｆを固定するようにする。また、図５に示すように、左右揺動部４２の上板部４２ｂと前方筐体６０ｆとの間に左右一組のバネ７０を介設するとともに、左右揺動部４２の上板部４２ｂと後方筐体６０ｒとの間に左右一組のバネ７０を介設することもできる。かかる場合には、前方コンパクションプレート４４ｆと後方コンパクションプレート４４ｒとを別々に上下に移動させることができるので、被積層体１００の表面形状への追随性をさらに高めることができる。
本発明の実施の形態に係る自動積層装置の概要を示す側面図である。 （ａ）は図１に示した自動積層装置のコンパクションユニットを示す拡大側面図であり、（ｂ）はその拡大正面図である。 図１に示した自動積層装置による積層動作を説明するための説明図である。 （ａ）は、図１に示した自動積層装置のコンパクションユニットの変形例を示す拡大側面図であり、（ｂ）はその拡大正面図である。 図１に示した自動積層装置のコンパクションユニットの他の変形例を示す拡大側面図である。 自動積層装置を用いたダイレクトコンソリデーション成形技術を説明するための説明図である。 従来の自動積層装置による積層動作を説明するための説明図である。
符号の説明
１ 自動積層装置
２０ 送出手段
４３ コンパクションローラ（加熱加圧ローラ）
４４ コンパクションプレート（再加圧プレート）
４４ｆ 前方コンパクションプレート（再加圧プレートの前部領域）
４４ｒ 後方コンパクションプレート（再加圧プレートの後部領域）
４５ 加熱手段
４６ 冷却手段
５０ ボルト（水平度調整手段）
７０ バネ（表面追随手段）
１００ 所定の被積層体
２００ プリプレグテープ

Claims (5)

  1. 強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させて調製した熱可塑型のプリプレグテープを送出する送出手段と、所定の被積層体の表面上を所定方向に走行するように構成され、前記送出手段から送出された前記プリプレグテープを加熱すると同時に加圧することにより前記被積層体の表面に前記プリプレグテープを積層する加熱加圧ローラと、を備える自動積層装置において、
    前記加熱加圧ローラの走行方向後方に配置されるとともに前記加熱加圧ローラと一体的に走行するように構成され、前記加熱加圧ローラにより加圧された直後の前記プリプレグテープを再度加圧する再加圧プレートを備えることを特徴とする自動積層装置。
  2. 前記再加圧プレートの前部領域を加熱する加熱手段と、
    前記再加圧プレートの後部領域を冷却する冷却手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の自動積層装置。
  3. 前記再加圧プレートの前部領域と後部領域とは分割され、上下に相対移動するように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動積層装置。
  4. 前記再加圧プレートの水平度を調整する水平度調整手段を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の自動積層装置。
  5. 前記再加圧プレートの上下方向における移動を許容し、走行中における前記再加圧プレートの下面を前記被積層体の表面形状に追随させ密着させる表面追随手段を備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の自動積層装置。
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