JP2005329593A - 自動積層装置 - Google Patents
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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
【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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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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