JP5669777B2 - 強化繊維基材の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
特許文献1および2には、強化繊維に樹脂を含浸させたロービング材を積層する装置が記載されている。この装置は、供給装置から引出されたロービング材を積層ローラに巻き掛け、型に押圧しつつ型に沿って転動させることによってロービング材を積層する構成となっている。また、特許文献3には、材料供給リールから供給された複合材材料テープをローラにより積層部材上に押え付け、複合材材料テープを連続的に積層する装置が開示されている。
図10(A)に示すように、型70の長手方向と基材シート72の繊維方向とを同じ方向にする。型70の幅方向である円弧AD,BCに基材シート72の2辺A’D’,B’C’を合わせるようにして真上から押え付けるように積層させる。
図10(A)の型70と基材シート72とを側面視した場合、図10(B)の下図に示すように、型70の面ABCD(図10(A)参照)は、円弧AB,DCから円弧EGに向かって凹形状となる円弧により形成されている。そのため、型70を側面視した場合には、円弧EGが円弧AB,DCよりも下方に位置している。また、孤長EGは、孤長AB,DCに比べて短くなっている。型70の面ABCDを形成する長手方向の孤長は、孤長EGから孤長ABまたはDCに近づくにつれて長くなっている。一方、基材シート72の面A’B’C’D’は、平面形状であるため、その2辺A’B’,D’C’と、2辺A’D',B’C’の中間点E’,G’を結んだ長手方向の中央部E’,G’の長さとは同じ長さを有している。
一方、特許文献4に開示される装置は、圧接手段で圧接された部位と、圧接されず張力が負荷される部位との間で、基材シートを変形させ相対的な変位を生じさせることによって型の幅方向における長手方向長さの差を解消することができる。しかし、基材シートを張力方向に変位させると、長尺な型に対しては変位が積み重なって基材シートに過大な荷重が加わる可能性がある。これにより強化繊維基材の強度に影響を与えることも考えられる。
そこで、上記強化繊維基材の製造方法によれば、基材ロールから型上に基材シートを供給する時に、型の複曲面形状に対応して、基材シートのシート供給方向長さに幅方向での異なる分布を付与するようにしている。これにより、複曲面形状の型に対してもシワ等の欠陥を生じさせることなく基材シートを積層することができ、高品質の強化繊維基材を製造可能となる。
なお、基材シートとは、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維から形成されるシート状の織物をいう。また、基材シートは、樹脂が含浸されていないドライの織物であってもよいし、織物に樹脂が含浸されたプリプレグ材であってもよい。プリプレグ材とは、強化繊維と未硬化樹脂とが予め複合化された中間成形材である。
このように、ロールギャップを挟んで、ロールギャップ通過後の基材シートと通過前の基材シートがなすシート屈折角度を変化させることで、基材シートが凸ロールまたは凹ロールに当接する孤長が変化する。この孤長の変化に対応してシート供給方向長さに付与される分布も変化させることができる。したがって、シート屈折角度を変化させるのみで簡単に基材シートの前記分布を変化させることが可能となる。なお、シート屈折角度とは、ロールギャップ通過後で凸ロールおよび凹ロールに接触していない基材シート部位、すなわちロールユニットと補助ロール間の基材シート部位と、ロールギャップ通過前の凸ロールおよび凹ロールに接触していない基材シート部位、すなわち基材ロールとロールユニット間の基材シート部位とがなす角度をいう。
このように、シート屈折角度を調整可能な角度調整手段を設けることにより、シート屈折角度を変化させるのみで簡単に基材シートの前記分布を変化させることが可能となる。この角度調整手段は、例えば、基材ロール、ロールユニットおよび補助ロールの少なくともいずれか2つの相対位置関係を変化させる手段であり、相対位置関係を変化させることによってシート屈折角度を調整可能である。
図1を参照して、本発明の第1実施形態に係る強化繊維基材の製造装置1について説明する。本実施形態に係る強化繊維基材の製造装置1は、強化繊維6を含む基材シート5を、複曲面形状を有する型2の上に積層させて積層体を製造する装置である。積層体は、例えば、オートクレーブ成形法や真空含浸法等を用いて強化繊維プラスチック複合体を製造する際に、プリフォームとして用いられる。ここで、基材シート5とは、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維6から形成されるシート状の織物をいう。また、基材シート5は、樹脂が含浸されていないドライの織物であってもよいし、織物に樹脂が含浸されたプリプレグ材であってもよい。特に、本実施形態は、強化繊維6が型2の長手方向(シート供給方向)に配列された一方向強化繊維である場合に適している。
基材ロール10は、基材シート5のシート供給方向長さに幅方向での異なる分布を付与するために、その幅方向に周長差を有している。ここで、シート供給方向長さとは図中Y方向であり、幅方向とは図中X方向である。同図には、基材ロール10は、中央部12の径が両端部11の径よりも小さくなるように幅方向に湾曲した鼓型(断面凹形状)の例を示している。この幅方向の周長差は、型2の複曲面形状に対応して設けられている。なお、型2の構成例については後述するが、同図には鞍型の型2を例示している。また、基材ロール10の外周面の形状は、型2に対応して湾曲していることが好ましい。
基材ロール10は、移動機構20に回転自在に連結されており、移動機構20によって、型2に沿って転動されることにより基材シート5を型2の上に供給する。さらに、基材ロール10は、転動時に基材シート5を型2に押圧することによって基材シート5を型2に圧接する。このとき、基材ロール10の重量を用いて基材シート5を型2に圧接してもよいし、基材ロール10の軸13に回転自在に連結されるアクチュエータ(不図示)によって基材ロール10を基材シート5の面に押圧し、基材シート5を型2に圧接してもよい。
図1に示すように、強化繊維基材の製造装置1は、動力手段(不図示)により基材ロール10の軸13が型2の長手方向に動かされることによって、基材ロール10は移動レール21に沿って型2上を移動する。この移動に伴い、基材ロール10は型2上で転動し、基材ロール10から型2上に基材シート5を供給しながら、基材シート5を型2に圧接する。このとき、基材ロール10は、型2の複曲面形状に対応して幅方向(X方向)に周長差を有しているので、シート供給方向(Y方向)長さに幅方向での異なる分布を付与しながら型2上に基材シート5を供給することとなる。そして、基材シート5を型2の長手方向全長にわたって供給、圧接したら折り返して、再度、基材ロール10を型2上で移動させて、基材シート5を型2の長手方向全長にわたって供給、圧接し、これを繰り返し行うことによって基材シート5を複数積層する。
また、基材ロール5の幅方向に周長差をもたせて、シート供給方向長さに前記分布を付与するようにしたので、型が複曲面形状であっても、基材シート5にシワを生じさせることなく基材シート5を容易に型2に沿わせることができる。また、基材ロール5を型2上で押圧しながら転動させることで、基材シート5の供給と圧接とを同時に行うことができ、作業時間の短縮化が図れる。
次に、図2および図3を参照して、第2実施形態に係る強化繊維基材の製造装置1について説明する。図2は、本発明の第2実施形態に係る強化繊維基材の製造装置を示す斜視図で、図3は、図2に示す製造装置の具体例を示す構成図である。なお、本第2実施形態において、第1実施形態と共通する部材には同一の符号を付してその説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
この補助ロール35は、基材ロール30の移動方向の後方側に該基材ロール30と所定間隔を隔てて配置される。また、補助ロール35の軸38は駆動機構25に回転自在に連結され、駆動機構25によって補助ロール35は型2上を長手方向に転動する。補助ロール35と基材ロール30との距離は、固定されていてもよいし、変動してもよい。また、補助ロール35と基材ロール30とは、連動して移動してもよいし、独立して移動してもよい。図3には、補助ロール35と基材ロール30とが連結フレーム39で連結され、これらが連動して移動する例を示している。
そして、補助ロール35は、基材ロール30によって供給された基材シート5上を転動し、基材シート5を型2に押圧することによって基材シート5を型2に圧接する。このとき、補助ロール35の重量を用いて基材シート5を型2に圧接してもよいし、駆動装置25が有するアーム28によって補助ロール35を基材シート5の面に押圧し、基材シート5を型2に圧接してもよい。なお、補助ロール35は、シリコンゴム等の変形可能な材質を用いることが好ましく、これにより幅方向の湾曲形状が変化する型にも好適に適用できる。
走行ローラ27は、ベース26に収納されたモータによって回転駆動され、走行レール29上を回動する。アーム28は、水平方向に延びるアーム部28aと、アーム部28aと補助ロール35との間に取り付けられたアクチュエータ28bとからなる。アクチュエータ28bとして、例えば油圧シリンダや電動シリンダ等を用いることができる。アクチュエータ28bは、鉛直方向に伸縮するようになっており、伸縮側が補助ロール35の軸38に取り付けられている。これにより、アクチュエータ28bを駆動することで補助ロール35の軸38を鉛直方向下方、すなわち基材シート5側に押圧する。
図3に示すように、強化繊維基材の製造装置1は、駆動機構25により補助ロール35の軸38が型2の長手方向に動かされることによって、補助ロール35に支持フレーム39を介して連結される基材ロール30が型の2の長手方向に移動する。このとき、基材ロール30の軸33に連結される移動機構20によって、基材ロール30は移動レール21上を型2に沿って移動する。
基材ロール30の後方を移動する補助ロール35は、基材ロール30が供給した基材シート5上を転動する。補助ロール35の外周面は、型2の複曲面形状に対応した形状であるので、補助ロール35が基材シート5上を転動することによって基材シート5が型2上に圧接される。このとき、アクチュエータ28bによって補助ロール35を鉛直方向下方に押し付けることによって、型2上に基材シート5を圧接してもよい。
そして、基材ロール30および補助ロール35によって、基材シート5を型2の長手方向全長にわたって供給、圧接したら折り返して、再度、基材ロール30および補助ロール35を型2上で移動させて、基材シート5を型2の長手方向全長にわたって供給、圧接し、これを繰り返し行うことによって基材シート5を複数積層する。
また、基材ロール30から基材シート5を型2上に供給した後、補助ロール35で基材シート5を型2に押圧するようにしたので、複曲面形状の型2と、基材ロール30との外周面との形状が完全に一致していなくても、補助ロール35によって確実に基材シート5を型2に圧接することが可能となる。したがって、基材シート5の形状自由度を高めることができる。
さらに、図4および図5を参照して、第3実施形態に係る強化繊維基材の製造装置1について説明する。図4は、本発明の第3実施形態に係る強化繊維基材の製造装置を示す斜視図で、図5は、図4に示す強化繊維基材の製造装置を示す側面図である。なお、本第3実施形態において、第1実施形態または第2実施形態と共通する部材には同一の符号を付してその説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
凸ロール42は、中央部の径が両端部の径よりも大きくなるように幅方向に湾曲した形状(断面凸形状)を有している。凹ロール43は、中央部の径が両端部の径よりも小さくなるように幅方向に湾曲した形状(断面凹形状)を有している。凸ロール42と凹ロール43は、その軸が平行となるように互いに近接して配置され、これらの外周面同士の間にはロールギャップ44が形成されている。ロールギャップ44の間隔は、基材シート40の厚みと略同一かこれより僅かに小さいことが望ましい。なお、凸ロール42および凹ロール43をロールユニット41と称する。また、ロールユニット41は、ロールギャップ44の形状が、型2の複曲面形状に対応するように構成されている。また、ロールユニット41は、凸ロール42および凹ロール43の幅長が略同一であるとともに、両端部同士が互いに一致するような配置となっていることが好ましい。この場合、ロールユニット41の幅方向における中央位置は、基材シート5の幅方向における中央位置と略一致し、且つ型2の幅方向における中央位置と略一致する。さらに、ロールユニット41の幅方向における両端位置は、基材シート5の幅方向における両端位置と略一致し、且つ型2の幅方向における両端位置と略一致する。
この補助ロール45は、上記したシート供給手段の移動方向の後方側にロールユニット41と所定間隔を隔てて配置される。そして、補助ロール45は、シート供給手段によって繰り出された基材シート5を型2に押圧することによって基材シート5を型2に圧接する。このとき、上述の第2実施形態と同様に、補助ロール45は、駆動機構25に連結されていてもよいし、アクチュエータによって型2への押圧力を付加される構成としてもよい(図4参照)。
なお、凸ロール42および凹ロール43における幅方向の周長差(幅方向の直径の差)は、補助ロール45における幅方向の周長差より大きくすることが好ましい。これにより、補助ロール45の通過後も、型2の周長差(幅方向での長手方向長さの差)に相当する基材シート5の周長差(幅方向での長手方向長さの差)を残存させることができる。
なお、シート屈折角度とは、ロールギャップ44通過後で凸ロール42および凹ロール43に接触していない基材シート部位5a、すなわちロールユニット41と補助ロール45間の基材シート部位5aと、ロールギャップ44通過前の凸ロール42および凹ロール43に接触していない基材シート部位5b、すなわち基材ロール40とロールユニット41間の基材シート部位5bとがなす角度をいう。その場合、後述する図6(A)、図7(A)に示すように、ロールギャップ44通過後の基材シート5aと通過前の基材シート5bがなすシート屈折角度α,βを変化させることで、基材シート5が凸ロール42または凹ロール43に当接する孤長が変化する。この孤長の変化に対応して、シート供給方向長さに付与される分布も変化させることができる。したがって、基材シート5のシート屈折角度を変化させるのみで簡単に基材シートの前記分布を変化させることが可能となる。
強化繊維基材の製造装置1は、駆動機構により基材ロール40、ロールユニット41および補助ロール45が同時に移動する。この移動とともに、基材ロール40から基材シート5が繰り出される。基材シート5は、補助ロール45に巻き込まれることによって繰り出されるようにしてもよいし、基材シート5を繰り出す繰り出し手段を別に設けてもよい。
そして、基材ロール40、ロールユニット41および補助ロール45によって、基材シート5を型2の長手方向全長にわたって供給、圧接したらフレームを折り返して、再度、基材ロール40、ロールユニット41および補助ロール45を型2上で移動させて、基材シート5を型2の長手方向全長にわたって供給、圧接し、これを繰り返し行うことによって基材シート5を複数積層する。
なお、図6(A)に示す構成の製造装置は、(B)に示すような鞍形状の型2の場合に適用される。鞍形状の型2は、幅方向であるX方向は中央部が下に湾曲した凹形状を有し、長さ方向であるY方向は中央部が上に湾曲した凸形状を有する。
この製造装置のロールユニット41は、上部に凸ロール43、下部に凹ロール42が配置される。さらに、補助ロール45は、幅方向の中央部4の径6が両端部47の径より小さい凹ロールとなっている。基材ロール40は、基材シート5の供給方向に対してロールユニット41より後方側に配置される。したがって、ロールギャップ44を通過後の基材シート5の方向Aと、ロールギャップ44を通過前の基材シート5の方向Bとで形成されるシート屈折角度βは、180°より大きくなる。このような各ロールの配置と、シート屈折角度βとによって、上記の皿形状の型2にも対応可能となる。
図8に示すように、本実施形態に用いられる翼型2は、風車ブレードの形状に合わせた形状となっている。風車ブレードの型2は、翼の前縁と後縁を分割線として、風を受ける側の面である腹側と、その反対面の背側とに2分割される。図8(A)の型2は、背側の翼型を示している。
また、凸ロール42と凹ロール43との間のロールギャップ44に基材シート5を通過させて基材シート5を変形させることによって、シート供給方向長さに異なる分布を付与するようにしたので、基材ロール5は円筒形状か、若しくは周長差を持たせる場合でも小さい周長差で十分であり、基材シート5を巻回した基材ロール40を簡単に作製できる。また、凸ロール42と凹ロール43とからなるロールユニット41を交換自在とすれば、上記方法、装置を複数種類の型2に適用することが可能である。さらにまた、基材シート5を型2上に供給した後、補助ロール45で基材シート5を型2に押圧するようにしたので、複曲面形状の型2と、ロールユニット41で変形させた基材シート5の形状とが完全に一致していなくても、補助ロール45によって確実に基材シート5を型2に圧接することが可能となる。
また、本実施形態は、風車ブレード以外の型にも適用でき、例えば、風車、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等における複曲面を有する構造体の型に適用できる。
2 型
5 基材シート
6 強化繊維
10,30,40 基材ロール
20 移動手段
21 移動レール
22 移動ローラ
23 支柱
25 モータ
26 アーム
27 走行ローラ
28 アーム
28a アーム部
28b アクチュエータ
29 走行レール
35、45 補助ロール
41 ロールユニット
42 凸ロール
43 凹ロール
44 ロールギャップ
Claims (8)
- 強化繊維を含む基材シートを、複曲面形状を有する型上に積層させて強化繊維基材を製造する強化繊維基材の製造方法であって、
前記型の前記複曲面形状に対応して、前記基材シートのシート供給方向長さに幅方向で異なる分布を付与しながら、基材ロールから前記型上に前記基材シートを供給して該基材シートを前記型に圧接し、
前記基材ロールは、前記シート供給方向長さに前記分布を付与するために幅方向に周長差を有しており、
前記基材ロールから前記基材シートを前記型上に供給しながら前記基材ロールの外周面を前記基材シート上から前記型に押圧することによって前記基材シートを前記型に圧接することを特徴とする強化繊維基材の製造方法。 - 強化繊維を含む基材シートを、複曲面形状を有する型上に積層させて強化繊維基材を製造する強化繊維基材の製造方法であって、
前記型の前記複曲面形状に対応して、前記基材シートのシート供給方向長さに幅方向で異なる分布を付与しながら、基材ロールから前記型上に前記基材シートを供給して該基材シートを前記型に圧接し、
前記基材ロールは、前記シート供給方向長さに前記分布を付与するために幅方向に周長差を有しており、
前記基材ロールから前記基材シートを前記型上に供給した後、補助ロールで前記基材シートを前記型に押圧することによって前記基材シートを前記型に圧接することを特徴とする強化繊維基材の製造方法。 - 強化繊維を含む基材シートを、複曲面形状を有する型上に積層させて強化繊維基材を製造する強化繊維基材の製造方法であって、
前記型の前記複曲面形状に対応して、前記基材シートのシート供給方向長さに幅方向で異なる分布を付与しながら、基材ロールから前記型上に前記基材シートを供給して該基材シートを前記型に圧接し、
中央部の径が両端部の径よりも大きくなるように幅方向に湾曲した凸ロールと、前記凸ロールと軸平行に配置され、中央部の径が両端部の径よりも小さくなるように幅方向に湾曲した凹ロールとの間にロールギャップを形成し、
前記基材ロールから繰り出された前記基材シートに前記ロールギャップを通過させることによって前記シート供給方向長さに前記分布を付与し、
前記ロールギャップを通過した基材シートを前記型に供給した後、補助ロールで前記基材シートを前記型に押圧することによって前記基材シートを前記型に圧接することを特徴とする強化繊維基材の製造方法。 - 前記ロールギャップを挟んで、該ロールギャップ通過後の前記基材シートと通過前の前記基材シートがなすシート屈折角度を変化させることによって、前記シート供給方向長さに付与される分布を調整することを特徴とする請求項3に記載の強化繊維基材の製造方法。
- 強化繊維を含む基材シートを、複曲面形状を有する型上に積層させて強化繊維基材を製造する強化繊維基材の製造装置であって、
前記型の前記複曲面形状に対応して、前記基材シートのシート供給方向長さに幅方向で異なる分布を付与しながら、基材ロールから前記型上に前記基材シートを供給するシート供給手段と、
前記型上に供給された前記基材シートを前記型に圧接するシート圧接手段とを備え、
前記シート供給手段は、前記基材シートが巻回され且つ前記シート供給方向長さに前記分布を付与するために幅方向に周長差を有する、基材ロールを有し、前記基材ロールを前記型に沿って転動させながら前記基材シートを前記型上に供給し、
前記シート圧接手段は、前記基材ロールの転動時に該基材ロールを前記型に押圧することによって前記基材シートを前記型に圧接することを特徴とする強化繊維基材の製造装置。 - 強化繊維を含む基材シートを、複曲面形状を有する型上に積層させて強化繊維基材を製造する強化繊維基材の製造装置であって、
前記型の前記複曲面形状に対応して、前記基材シートのシート供給方向長さに幅方向で異なる分布を付与しながら、基材ロールから前記型上に前記基材シートを供給するシート供給手段と、
前記型上に供給された前記基材シートを前記型に圧接するシート圧接手段とを備え、
前記シート供給手段は、前記基材シートが巻回され且つ前記シート供給方向長さに前記分布を付与するために幅方向に周長差を有する、基材ロールを有し、前記基材ロールを前記型に沿って転動させながら前記基材シートを前記型上に供給し、
前記シート圧接手段は、前記型上に配置された前記基材シートを前記型に押圧することによって前記基材シートを前記型に圧接する補助ロールを有することを特徴とする強化繊維基材の製造装置。 - 強化繊維を含む基材シートを、複曲面形状を有する型上に積層させて強化繊維基材を製造する強化繊維基材の製造装置であって、
前記型の前記複曲面形状に対応して、前記基材シートのシート供給方向長さに幅方向で異なる分布を付与しながら、基材ロールから前記型上に前記基材シートを供給するシート供給手段と、
前記型上に供給された前記基材シートを前記型に圧接するシート圧接手段とを備え、
前記シート供給手段は、中央部の径が両端部の径よりも大きくなるように幅方向に湾曲した凸ロールと、前記凸ロールと軸平行に配置され、中央部の径が両端部の径よりも小さくなるように幅方向に湾曲し、前記凸ロールとの間にロールギャップを形成する凹ロールとを有し、前記基材ロールから繰り出された前記基材シートに前記ロールギャップを通過させることによって、前記シート供給方向長さに前記分布を付与し、
前記シート圧接手段は、前記繰り出された前記基材シートを前記型に押圧することによって前記基材シートを前記型に圧接する補助ロールを有することを特徴とする強化繊維基材の製造装置。 - 前記ロールギャップを挟んで、該ロールギャップ通過後の前記基材シートと通過前の前記基材シートがなすシート屈折角度を調整可能な角度調整手段を更に備えることを特徴とする請求項7に記載の強化繊維基材の製造装置。
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