JP2009028961A - Ｆｒｐ成形体の製造方法及び製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメント・ワインディング法により、所望の繊維体積含有率を有するＦＲＰ成形体を製造する方法及びシステムを提供する。
【解決手段】ＦＲＰ成形体の製造方法は、導電性を有する繊維束に、熱硬化性の樹脂を含浸させる工程（ａ）と、樹脂を含浸した繊維束の一部に通電しながら、繊維束を回転部材の周囲に巻き付ける工程（ｂ）とを備える。また、ＦＲＰ成形体の製造システムは、導電性を有する繊維束に熱硬化性の樹脂を含浸させる樹脂含浸部３０と、ワーク５０を回転駆動する回転駆動部５３と、樹脂を含浸した繊維束をワーク５０の方向に導くことにより、ワーク５０の周囲に繊維束Ｆを巻き付ける繊維束ガイド４０と、繊維束Ｆの長さ方向の一部に電流を供給する電源装置６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）成形体を製造する方法及びシステムに関する。

近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度の確保や軽量化等の観点から、ＦＲＰ製のガスタンクが有力視されている。

ＦＲＰ製のガスタンクは、一般に、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、未硬化（液体状又はゲル状）の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維（例えば、炭素繊維）を、回転するライナ（内容器）の周囲に数層から数十層巻きつけることにより樹脂含浸繊維層を形成し、この層を加熱することにより樹脂を熱硬化させる。それにより、繊維及び熱硬化樹脂からなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層が形成される。
特開平３−１６１３２３号公報 特開平５−８４８４０号公報

ところで、ＦＷ法によって作製されたＦＲＰ成形体においては、ＦＲＰ層の内で比較的外表面に近い側（以下、「外層」という）に比べて、内側、即ちライナに近い側（以下、「内層」という）の繊維体積含有率（fiber volume content：Ｖｆ）が高くなる傾向がある。ここで、繊維体積含有率とは、ＦＲＰ層の単位体積に占める繊維の割合のことである。以下において、繊維体積含有率が高くなる現象のことを「高Ｖｆ化」ともいう。

高Ｖｆ化の主な原因としては、樹脂含浸繊維のライナへ巻き付けが進み、積層量が増加するに従って、樹脂含浸繊維にかかる張力による巻き締め効果により、繊維に含浸させた樹脂が染み出してしまうことが挙げられる。また、ＦＷ工程（樹脂含浸繊維の巻き付け工程）の間に受ける遠心力により、樹脂がライナの外側に向かって染み出し易くなる。

このような内層の高Ｖｆ化は、ガスタンクの使用圧力が高圧になるほど顕著となる。ガスタンクに強度を付与するために、樹脂含浸繊維を巻く層数を増やして、繊維強化プラスチック層を厚くする必要があるからである。しかしながら、ガスタンクにおいては内層に最も大きな応力がかかるため、内層のＶｆが高過ぎると疲労耐久性能が大幅に低下し、内層に亀裂が生じてしまうおそれがある。そのため、内層の高Ｖｆ化を抑制することにより、所望のＶｆを得られるＦＲＰ成形体の製造方法が望まれている。

ところが、繊維からの樹脂の染み出しを抑制するために、例えば、樹脂含浸繊維の張力を小さくすると、タンクの強度は低下してしまう。或いは、樹脂の粘度を高くしても、樹脂が繊維に染み込み難くなるので、やはりタンクの強度がかえって低下してしまう。そのため、樹脂含浸繊維を巻いている途中での樹脂の染み出しを抑制することは困難である。

一方、樹脂の硬化温度は一般に１００℃以上と高いので、電気炉等の設備を使用せざるを得ない。そのため、現在のＦＲＰ成形体の製造においては、ＦＷ工程が終了した後で、樹脂含浸繊維層が形成されたライナ等を電気炉に移動させ、樹脂の熱硬化工程を開始している。ところが、この熱硬化工程には長時間（例えば、３〜５時間）を要するので、その間に繊維から未硬化の樹脂が染み出して、Ｖｆが変化してしまう場合もある。
さらに、この熱硬化工程のために、ＦＲＰ成形体の製造に時間がかかってしまうという問題も生じている。

製造工程を短縮するために、例えば、ライナ等の周囲にヒータを配置し、樹脂含浸繊維層を加熱しながらＦＷ工程を行うことも考えられる。しかしながら、このような配置で樹脂含浸繊維層を十分に加熱することは容易ではない。それに加えて、加熱中にも樹脂含浸繊維がライナに次々と巻き付けられるため、熱硬化を促進させることはやはり困難である。

関連する技術として、特許文献１には、樹脂含浸繊維をタンクに巻きつけながら加熱して硬化させる筒状構造体の成型方法が開示されている。また、特許文献２には、管に巻いた後の樹脂含浸カーボン繊維に通電して樹脂を硬化させる繊維強化プラスチック管の製造方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１及び２のいずれにも、繊維からの樹脂の染み出しや、高Ｖｆ化といった問題点は、一切記載されていない。

そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、所望の繊維体積含有率を有するＦＲＰ成形体を製造する方法及びシステムを提供することを第１の目的とする。また、本発明は、ＦＲＰ成形体の製造における熱硬化工程を短縮することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、導電性を有する繊維に、熱硬化性の樹脂を含浸させる工程（ａ）と、前記樹脂を含浸した前記繊維の長さ方向の一部に通電しながら、前記繊維を回転部材の周囲に巻き付ける工程（ｂ）とを備える。
このように、繊維を通電により発熱させながら繊維を回転部材に巻き付けるので、繊維に含浸した樹脂を素早く熱硬化させることができる。

ここで、工程（ｂ）において、少なくとも前記回転部材に巻き付けられた繊維に通電することにより、回転部材の周囲において、繊維に含浸している樹脂を素早く熱硬化させることができる。また、回転部材に巻き付けられた繊維の発熱により、回転部材自体も加熱されるので、回転部材の周囲における樹脂の熱硬化がさらに促進される。

また、工程（ｂ）においては、前記繊維の張力、又は、前記樹脂の粘度、又は、所望する繊維体積含有率に基づいて、前記繊維への通電量を制御しても良い。即ち、繊維の張力や樹脂材料の特性を変更することなく、所望の繊維体積含有率が得られるように、繊維の発熱量や回転部材の温度を調整して、樹脂を所望の速度で熱硬化させることができる。

本発明の第２の観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、導電性を有する繊維に、熱硬化性の樹脂を含浸させる工程（ａ）と、前記樹脂を含浸した前記繊維を回転部材の周囲に巻きつけることにより、樹脂含浸繊維層を形成する工程（ｂ）と、前記繊維に通電しながら、前記樹脂含浸繊維層を加熱炉において加熱する工程（ｃ）とを備える。
このように、加熱炉において樹脂含浸繊維層をその外側から加熱するのと並行して、繊維に通電して発熱させることにより、樹脂含浸繊維層の内部からも樹脂の熱硬化を促進することができる。

本発明の第１の観点に係るＦＲＰ成形体の製造システムは、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造するシステムであって、導電性を有する繊維に熱硬化性の樹脂を含浸させる樹脂含浸部と、回転部材を回転駆動する回転駆動部と、前記樹脂を含浸した前記繊維を前記回転部材の方向に導くことにより、前記回転部材の周囲に前記繊維を巻き付ける繊維ガイドと、前記繊維の長さ方向の一部に電流を供給する電源装置とを備える。
ここで、前記電源装置は、少なくとも前記回転部材に巻き付けられた繊維に電流を供給することが望ましい。

また、前記ＦＲＰ成形体の製造システムは、前記電源装置から前記繊維に供給される電流又は電圧を制御する制御部をさらに備えても良い。それにより、繊維の発熱量や回転部材の温度を調節して、所望の速度で樹脂を熱硬化させることができる。

この制御部は、前記樹脂の粘度、又は、所望する繊維体積含有率に基づいて、前記繊維に供給される電流又は電圧を制御しても良い。即ち、樹脂材料の特性を変更することなく、所望の繊維体積含有率が得られるように、繊維に含浸している樹脂の熱硬化速度を調節することができる。

さらに、前記ＦＲＰ成形体の製造システムは、前記繊維の張力を測定する張力測定部をさらに備え、前記制御部は、前記張力測定部の測定結果に基づいて、前記繊維に供給される電流又は電圧を制御しても良い。即ち、繊維の張力を変更することなく、所望の繊維体積含有率が得られるように、繊維に含浸している樹脂の熱硬化速度を調節することができる。

本発明の第２の観点に係るＦＲＰ成形体の製造システムは、フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造するシステムであって、加熱炉と、前記加熱炉に配置された回転部材の周囲に形成された樹脂含浸繊維層に含まれる導電性を有する繊維に電流を供給する電源装置とを備える。
このように、加熱炉において樹脂含浸繊維層をその外側から加熱するのと並行して、繊維に電流を供給して発熱させることにより、内部からも樹脂の熱硬化を促進することができる。

本発明によれば、繊維への通電量を調節することにより、樹脂の熱硬化速度を容易に制御することができるので、樹脂材料の特性や、繊維の張力等の設計事項を変更することなく、所望の繊維体積含有率を有するＦＲＰ成形体を製造することが可能になる。従って、十分な強度及び耐久性を有するＦＲＰ製の高圧ガスタンク等を製造することも可能となる。

また、本発明によれば、繊維に発熱させることにより、樹脂含浸繊維層の内部からも樹脂を加熱するので、樹脂の熱硬化に要する時間を短縮し、その間に繊維体積含有率が変化するのを抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法及びシステムについて説明する。図１に示すＦＲＰ成形体の製造システムは、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法により回転部材（ワーク）の周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を形成するシステムであり、繊維束供給部１０と、張力測定器２０と、樹脂含浸部３０と、繊維束ガイド（アイロ）４０と、ワーク５０と、電源装置６０と、制御部７０とを備えている。

繊維束供給部１０には、繊維束ｆ１〜ｆ３が巻き付けられた複数（図１においては３つ）のボビン１１ａ〜１１ｃが備えられている。繊維束ｆ１〜ｆ３としては、カーボン繊維や金属繊維等の導電性を有する繊維が用いられ、本実施形態においては、カーボン繊維の無撚りのマルチフィラメントを用いている。なお、マルチフィラメントは、フィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。
繊維束供給部１０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を調整して張力測定器２０に送り出す。

張力測定器２０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を測定し、その測定結果を制御部７０に出力する。

樹脂含浸部３０は、未硬化の状態（液体又はゲル状）の熱硬化性の樹脂が貯留された樹脂槽３１と、繊維束ｆ１〜ｆ３を樹脂槽３１の所定の位置に案内する含浸ローラ３２〜３４とを備えており、繊維束ｆ１〜ｆ３に樹脂槽３１内の樹脂を含浸させる。熱硬化性の樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。

繊維束ガイド４０は、樹脂を含浸した繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これをワーク５０に案内する。繊維束ガイド４０は、ワーク５０の長手方向及びそれに垂直な方向に往復可能であり、且つ、ワーク５０に対する角度を変更できるように回転可能な状態で設置されている。

ワーク５０は、例えば、円筒等の回転体形状の型（マンドレル）やタンクを製造する場合の内容器（ライナ）等であり、金属や、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂によって形成されている。なお、図１には、高圧ガスタンクのライナが示されている。

ワーク５０は、その軸心を中心に回転可能となるように、支持部５２を介して回転駆動部５３に取り付けられている。回転駆動部５３は可変速モータを有しており、このモータによってワーク５０を回転駆動する。このようなワーク５０の回転運動と繊維束ガイド４０の往復運動とを同期させることにより、繊維束Ｆがワーク５０に所定のパターンで巻き付けられる。それにより、ワーク５０の周囲に樹脂含浸繊維層５１が形成される。繊維束Ｆの巻き方（パターン）については特に限定されず、例えば、フープ巻きやヘリカル巻きや、それらを組み合わせた巻き方であっても良い。
加圧ポンプ５４は、樹脂含浸繊維層５１の形成中にワーク５０が凹むのを防ぐために、ワーク５０の内部を加圧する。

電源装置６０の一方の端子（例えば、プラス）は、導線６１及びクリップ６２を介して繊維束Ｆの端部（巻き始め）に電気的に接続されており、他方の端子（例えば、マイナス）は、導線６３及び繊維束ガイド４０を介して、ワーク５０に供給される繊維束Ｆに電気的に接続されている。電源装置６０は、導線６１〜繊維束Ｆ〜導線６３によって形成される閉回路に電流を供給することにより、繊維束Ｆに発熱させる。
なお、繊維束供給部１０〜樹脂含浸部３０までは電気的に絶縁されているため、繊維束ガイド４０に供給される前の繊維束Ｆが通電されることはない。

制御部７０は、ＦＲＰ成形体の製造システムの運転を制御するプログラムを備えている。制御部７０は、このプログラムに従って電源装置６０から供給される電流若しくは電圧又はその両方を調整することにより、繊維束Ｆの発熱量を制御し、それにより、ワーク５０の温度や、そこに巻き付けられた繊維束Ｆに含浸している樹脂の熱硬化速度を調節する。

電源装置６０から供給される電流及び電圧の値（即ち、通電量）は、制御部７０において、繊維束Ｆの張力（張力測定器２０の測定結果）及び樹脂の粘度等の製造パラメータや、所望するＶｆの値等に基づいて決定される。例えば、繊維束Ｆを高くする場合や、粘度の低い樹脂を用いる場合には、樹脂が繊維束Ｆから染み出し易くなる。従って、この場合には、繊維束Ｆがワーク５０に巻き付けられると速やかに樹脂が熱硬化するように、繊維束Ｆへの通電量を多くする。また、Ｖｆを低くする場合にも、樹脂が速やかに熱硬化するように、通電量を多くする。反対に、Ｖｆを高くする場合には、樹脂の染み出しを見込んで、通電量を少なくしても良い。

次に、図２を参照しながら、制御部７０による電源装置６０の制御の例を説明する。
高圧ガスタンク等の容器を作製する際には、樹脂含浸繊維層５１の内側ほどより高い応力が発生するので、繊維から樹脂が染み出し易くなる。そこで、本実施形態においては、内側の樹脂含浸繊維層５１、即ち、ワーク５０への巻き始めにおいて樹脂を早く硬化させることにより、繊維からの樹脂の染み出しを極力抑えて、所定のＶｆを実現する。

まず、制御部７０は、ワーク５０への繊維束Ｆの巻き始めの時間帯（時刻ｔ₀〜ｔ_S）において、電流値を高くして繊維束Ｆの発熱量を多くすることにより、ワーク５０の温度を素早く上昇させる。この繊維束Ｆの発熱量（又は、電流値）は、ワーク５０及び周囲の系の熱容量を考慮して決定される。ワーク５０の温度が樹脂の熱硬化温度に至ると、繊維束Ｆに含浸している樹脂は、ワーク５０に巻き付けられると速やかに熱硬化するようになる。

ここで、繊維束Ｆがワーク５０に巻き付けられる前に、そこに含浸している樹脂が熱硬化するのを防ぐために、繊維束Ｆ自体の温度は熱硬化温度Ｔよりも低くなくてはならない。一方、繊維束Ｆの発熱により樹脂がある程度温まっていれば、ワーク５０に巻き付けられた際にすぐに熱硬化温度Ｔに至って熱硬化する。そのため、特に、巻き始めの時間帯においては、繊維束Ｆの温度が熱硬化温度Ｔを超えない範囲で、ワーク５０の温度がなるべく早く所望の値まで上昇するように、繊維束Ｆの発熱量（電流値）を制御することが重要である。

ワーク５０の温度が熱硬化温度Ｔに至ると、制御部７０は、その温度が維持されるように繊維束Ｆの発熱量を制御する。ここで、ワーク５０の周囲に熱硬化済みの樹脂含浸繊維層５１がある程度形成されると、熱源となる繊維束Ｆの量が増加するのに対して、熱硬化した樹脂のために放熱量は減少するので、単位長さ当たりの繊維束Ｆの発熱量は少なくて済む。そのため、制御部７０は、繊維束Ｆに供給される電流値を下げ、発熱量を抑える。

さらに、ワーク５０への繊維束Ｆの巻き付けが終了すると、制御部７０は繊維束Ｆへの電流の供給を停止する。それにより、熱硬化済みの樹脂含浸繊維層５１の温度が降下し、ＦＲＰ成形体（高圧ガスタンク）が完成する。

なお、その後で、ＦＲＰ成形体を炉においてさらに加熱しても良い。それにより、樹脂含浸繊維層５１に部分的に未硬化の部分があったとしても、これを完全に熱硬化させることができる。この場合においても、樹脂含浸繊維層５１は概ね熱硬化しているので、Ｖｆが大幅に変化してしまうことはない。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法及びシステムについて、図３を参照しながら説明する。
図３は、本実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システムの一部である加熱炉８０を示す模式図である。この加熱炉８０の内部には、ヒータ８１と、樹脂含浸繊維層５１が形成されたワーク５０を保持する保持部８２とが備えられている。また、加熱炉８０の外側には、電源装置９０が設置されている。電源装置９０の一方の端子（例えば、プラス）は、導線９１及びクリップ９２を介して、樹脂含浸繊維層５１を形成する繊維束Ｆの一方の端部（例えば、巻き始め）に電気的に接続されている。また、電源装置９０の他方の端子（例えば、マイナス）は、導線９３及びクリップ９４を介して、繊維束Ｆの他方の端部（例えば、巻き終り）に電気的に接続されている。電源装置９０は、導線９１〜クリップ９２〜繊維束Ｆ〜クリップ９４〜導線９３を含む閉回路に電流を供給する。

本実施形態において、熱硬化性の樹脂を含浸した繊維束Ｆのワーク５０への巻き付けは、通常のＦＷ法と同様に、繊維束Ｆに通電させることなく行われる。そして、樹脂含浸繊維層５１を加熱炉８０において熱硬化させる際に、繊維束Ｆに通電して発熱させる。それにより、樹脂含浸繊維層５１は、外側だけでなく、その内部からも加熱されるので、樹脂の熱硬化に要する時間を短縮することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システムの構成を示す模式図である。 図１に示す制御部による電源装置の制御例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造システムの構成の一部を示す模式図である。

符号の説明

ｆ１〜ｆ３、Ｆ…繊維束、２０…張力測定器、３０…樹脂含浸部、４０…繊維束ガイド、５０…ワーク、５１…樹脂含浸繊維層、５３…回転駆動部、６０、９０…電源装置、７０…制御部、８０…加熱炉

Claims (10)

1. フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、
   導電性を有する繊維に、熱硬化性の樹脂を含浸させる工程（ａ）と、
   前記樹脂を含浸した前記繊維の長さ方向の一部に通電しながら、前記繊維を回転部材の周囲に巻き付ける工程（ｂ）と、
   を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。
2. 工程（ｂ）は、少なくとも前記回転部材に巻き付けられた繊維に通電することを含む、請求項１記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
3. 工程（ｂ）は、前記繊維の張力、又は、前記樹脂の粘度、又は、所望する繊維体積含有率に基づいて、前記繊維への通電量を制御することを含む、請求項１又は２記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
4. フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であって、
   導電性を有する繊維に、熱硬化性の樹脂を含浸させる工程（ａ）と、
   前記樹脂を含浸した前記繊維を回転部材の周囲に巻きつけることにより、樹脂含浸繊維層を形成する工程（ｂ）と、
   前記繊維に通電しながら、前記樹脂含浸繊維層を加熱炉において加熱する工程（ｃ）と、
   を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。
5. フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造するシステムであって、
   導電性を有する繊維に熱硬化性の樹脂を含浸させる樹脂含浸部と、
   回転部材を回転駆動する回転駆動部と、
   前記樹脂を含浸した前記繊維を前記回転部材の方向に導くことにより、前記回転部材の周囲に前記繊維を巻き付ける繊維ガイドと、
   前記繊維の長さ方向の一部に電流を供給する電源装置と、
   を備えるＦＲＰ成形体の製造システム。
6. 前記電源装置は、少なくとも前記回転部材に巻き付けられた繊維に電流を供給する、請求項５記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
7. 前記電源装置から前記繊維に供給される電流又は電圧を制御する制御部をさらに備える請求項５又は６記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
8. 前記制御部は、前記樹脂の粘度、又は、所望する繊維体積含有率に基づいて、前記繊維に供給される電流又は電圧を制御する、請求項７記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
9. 前記繊維の張力を測定する張力測定部をさらに備え、
   前記制御部は、前記張力測定部の測定結果に基づいて、前記繊維に供給される電流又は電圧を制御する、請求項７又は８記載のＦＲＰ成形体の製造システム。
10. フィラメント・ワインディング法によりＦＲＰ成形体を製造するシステムであって、
    加熱炉と、
    前記加熱炉に配置された回転部材の周囲に形成された樹脂含浸繊維層に含まれる導電性を有する繊維に電流を供給する電源装置と、
    を備えるＦＲＰ成形体の製造システム。

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