JP6337975B2 - チョップド繊維束の製造装置および製造方法、ならびに繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法 - Google Patents

チョップド繊維束の製造装置および製造方法、ならびに繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、チョップド繊維束の製造装置(チョップド炭素繊維束の製造装置、裁断機)、チョップド繊維束の製造方法、繊維強化樹脂成形材料(繊維強化樹脂材料)の製造装置、繊維強化樹脂成形材料(繊維強化樹脂材料)の製造方法、炭素繊維束用切断刃、および炭素繊維束用ロータリーカッタ(カッターロール)に関する。
本願は、2015年10月21日に日本に出願された特願2015−207482、2015年11月5日に日本に出願された特願2015−217457、および2016年3月23日に日本に出願された特願2016−058807に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
繊維強化複合材料成形品は、輸送機器(車両(自動車、鉄道車両等)、航空機等)、建築部材、電子機器等の幅広い用途に用いられるようになっている。これに伴い、繊維強化複合材料成形品には、凹凸形状、深絞り形状等の複雑な形状を適用できることが望まれるようになっている。
部分的に肉厚の異なる部分、リブ、ボス等を有する複雑な形状の繊維強化複合材料成形品の製造に適した中間材料としては、例えば、金型による成形時に流動しやすい性質を有する下記のシート状の繊維強化樹脂成形材料が知られている。
・強化繊維(炭素繊維、ガラス繊維等)からなる長尺の繊維束を短尺に切断したチョップド繊維束に、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を含むマトリックス樹脂組成物を含浸させたSMC(シートモールディングコンパウンド)。
・強化繊維(炭素繊維、ガラス繊維等)からなる長尺の繊維束を短尺に切断したチョップド繊維束に、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂組成物を含浸させたスタンパブルシート。
繊維強化樹脂成形材料(以下、繊維強化樹脂材料とも記す。)に含ませるチョップド繊維束は、例えば、下記方法によって製造される。
・ロールの回転軸方向と切断刃の長さ方向が略同方向となるように、かつロールの周方向に間隔をあけて複数の切断刃(以下、単に刃とも記す。)がロールの周面に取り付けられたロータリーカッタ(以下、カッターロールとも記す。)と、これに隣接するアンビルロール(刃受けロール)(以下、ゴムロールとも記す。)とを備えたチョッパユニット(切断手段)(以下、裁断機とも記す。)に、長尺の繊維束を供給し、ロータリーカッタの切断刃によって長尺の繊維束をアンビルロールに押し込みながら切断してチョップド繊維束を得る方法(例えば、特許文献1、2参照)。
繊維強化樹脂材料の製造方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。外周面に複数の刃が設けられたカッターロールとゴムロールとを備える裁断機により、複数の強化繊維を束ねた長尺の繊維束を連続的に裁断し、裁断されたチョップド繊維束をシート状に散布してシート状繊維束群を形成する。次いで、シート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料とする(例えば、特許文献1、3)。
特開2009−114612号公報 独国特許出願公開第102010018485号明細書 特開2009−62474号公報
チョップド繊維束の生産性を高めるためには、複数の長尺の繊維束を高速でチョッパユニットに供給する必要がある。しかし、複数の長尺の繊維束を高速で走行させた場合、走行中に隣接する繊維束同士が重なり、肉厚となりやすい。肉厚となった長尺の繊維束は切断刃で切断しにくいため、チョップド繊維束が繋がった状態となりやすい。チョップド繊維束を、繋がった状態のまま繊維強化樹脂成形材料に含ませると、繊維強化樹脂成形材料中の繊維方向に偏りが生じ、最終的に得られる繊維強化複合材料成形品の強度に異方性が生じる。また、チョップド繊維束を、繋がった状態のままの繊維強化樹脂成形材料に含ませると、成形時における繊維強化樹脂成形材料の流動性が損なわれ、所望する形状に成形できないことがある。そのため、通常、チョッパユニットに供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段(櫛状のガイド、溝状のガイド等)によって規制し、走行中に隣接する繊維束同士が重ならないようにしている。
しかし、チョッパユニットに供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段によって規制した場合、繊維束の走行位置が固定されてしまうため、切断刃において繊維束と接触する位置も固定されることになる。また、ガイド手段と接触した長尺の繊維束が幅方向で折り重なり、肉厚となりやすい。そのため、繊維束と接触する位置において切断刃が局部的に摩耗してしまい、切断刃の寿命が極端に短くなるという問題がある。切断刃が寿命を迎えると、長尺の繊維束を切断できなくなるため、結局のところ、得られるチョップド繊維束が繋がった状態となり、繊維強化樹脂成形材料中の繊維方向に偏りが生じ、繊維強化複合材料成形品の強度に異方性が生じる等の問題が起こる。
また、チョップド炭素繊維束の生産性を高めるためには、複数の長尺の炭素繊維束をチョッパユニットに供給する必要がある。しかし、ロールの回転軸方向と切断刃の長さ方向とを同じ方向とした場合、平行に配列した複数の炭素繊維束が1本の切断刃によって同時に切断されるため、切断のたびにロータリーカッタおよびアンビルロールに大きな力が加わり、これが連続して発生することによってチョッパユニットが大きく振動し、大きな騒音となる。
複数の繊維束を切断する際の振動が抑えられたロータリーカッタとしては、複数の切断刃が、ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有するように、かつ前記ロールの周方向に所定間隔をあけて取り付けられたロータリーカッタが知られている(例えば、特許文献2参照)。
このロータリーカッタによれば、平行に配列した複数の繊維束における各繊維束が、1本の切断刃の第1の端部から第2の端部に向かって順番に切断される。そのため、切断のたびにロータリーカッタおよびアンビルロールに大きな力が加わることがなく、チョッパユニットの振動が抑えられる。
このロータリーカッタにおいては、ロールの周面に、切断刃を嵌合するための溝がロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有するように螺旋状に形成されている。よって、ロールの周面の螺旋状の溝に切断刃を取り付ける際には、切断刃に捩じりを加える必要がある。また、切断刃は、概ね10μm以下の炭素繊維の集合体である炭素繊維束を切断するための極小さい局所曲げ形状を形成させるため薄く(具体的には、厚さは0.7mm以下と)され、チョップド繊維束の生産性を上げるため長く(具体的には、長さは300mm以上と)されている。そのため、切断刃としては、薄くかつ長いものであっても捩じりを加えた際に割れにくい鉄鋼材料からなるものが用いられる。
しかし、鉄鋼材料からなる切断刃を用いて炭素繊維束を切断した場合、切断刃の刃先が短時間で磨耗してしまい、切断刃の寿命が極端に短くなるという問題がある。切断刃が寿命を迎えると、長尺の炭素繊維束を切断できなくなるため、頻繁に切断刃を交換する必要がある。そのため、チョップド炭素繊維束、さらには繊維強化樹脂成形材料を長時間連続して生産性よく製造できない。
また、前記裁断機においては、カッターロールの刃がゴムロールの外周面に押し付けられつつ、カッターロールとゴムロールとが互いに逆向きに回転し、繊維束を挟み込みながら連続的に裁断する。しかし、従来の裁断機では、継続使用によってゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じ、製造される繊維強化樹脂材料中にゴム屑が混入するおそれがある。
本発明の第1の態様は、切断刃の局部的な摩耗が抑えられたチョップド繊維束の製造装置および製造方法、ならびに繊維方向の偏りが抑えられた繊維強化樹脂成形材料を長時間にわたり安定して製造できる繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法を提供する。
本発明の第2の態様は、捩じりを加えても割れにくく、刃先が磨耗しにくく、かつ安価である炭素繊維束用切断刃;切断刃を取り付ける際に切断刃が割れにくく、切断刃の刃先が磨耗しにくく、かつ安価である炭素繊維束用ロータリーカッタ;チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造でき、炭素繊維束を切断する際の振動が抑えられるチョップド炭素繊維束の製造装置;繊維強化樹脂成形材料を長時間連続して生産性よく製造できる繊維強化樹脂成形材料の製造装置を提供する。
本発明の第3の態様は、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制できるカッターロール、裁断機、並びに繊維強化樹脂材料の製造装置及び製造方法を提供する。
本発明の第4の態様は、耐久性、耐摩耗性、ロールへの装着性に優れた、炭素繊維の切断に適した切断刃;チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できるチョップド炭素繊維束の製造装置および製造方法を提供する。
本発明の第1の態様は、<1>〜<2>のチョップド繊維束の製造装置、<3>のチョップド繊維束の製造方法、<4>の繊維強化樹脂成形材料の製造装置、および<5>の繊維強化樹脂成形材料の製造方法に関する。
<1>長尺の繊維束を切断する切断刃を有する切断手段と、前記切断手段に供給される前記繊維束の走行方向を規制するガイド手段(走行方向規制手段)と、前記切断手段と前記ガイド手段との間に設けられ、前記繊維束を拡幅する擦過バーによる拡幅手段と、前記ガイド手段を前記繊維束の走行を規制している方向に揺動させ、かつ前記ガイド手段と同期させて前記拡幅手段を揺動させる第1の揺動手段とを備えた、チョップド繊維束の製造装置。
<2>前記切断手段を前記繊維束の走行を規制している方向に揺動させる第2の揺動手段をさらに備えた、前記<1>のチョップド繊維束の製造装置。
<3>下記切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段(走行方向規制手段)によって規制しつつ、下記切断手段と前記ガイド手段との間に設けられた擦過バーによる拡幅手段によって前記繊維束を拡幅した後、切断刃を有する切断手段によって前記繊維束を切断してチョップド繊維束を得るに際して、前記ガイド手段および前記切断手段を前記繊維束の走行を規制している方向に相対的に揺動させるとともに、前記ガイド手段と同期させて前記拡幅手段を揺動させる、チョップド繊維束の製造方法。
<4>前記<1>または<2>のチョップド繊維束の製造装置と、前記チョップド繊維束の製造装置によって得られたチョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えた、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
<5>前記<3>のチョップド繊維束の製造方法によってチョップド繊維束を得て、前記チョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる、繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
本発明の第2の態様は、<9>〜<12>の炭素繊維束用切断刃、<13>の炭素繊維束用ロータリーカッタ、<14>のチョップド炭素繊維束の製造装置、および<15>の繊維強化樹脂成形材料の製造装置に関する。
<9>厚さが0.7mm以下であり、長さが300mm以上である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;前記刃先部の先端の刃角度が25〜50度であり、かつ前記刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または前記刃先部の先端の刃角度が35〜50度であり、かつ前記コーティング層を有しない、炭素繊維束用切断刃。
<10>前記炭素繊維束用切断刃の厚さが、0.1mm以上0.7mm以下である、前記<9>の炭素繊維束用切断刃。
<11>前記炭素繊維束用切断刃の長さLと、前記炭素繊維束用切断刃の高さHとの比(L/H)が、11超である、前記<9>または<10>の炭素繊維束用切断刃。
<12>前記コーティング層の厚さが、1μm超である、前記<9>〜<11>のいずれかの炭素繊維束用切断刃。
<13>ロールと;前記ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように、かつ前記ロールの周方向に所定間隔をあけて前記ロールの周面に取り付けられた複数の切断刃とを有し;前記切断刃が、前記<9>〜<12>のいずれかの炭素繊維束用切断刃である、炭素繊維束用ロータリーカッタ。
<14>前記<13>の炭素繊維束用ロータリーカッタを備えた、チョップド炭素繊維束の製造装置。
<15>前記<14>のチョップド炭素繊維束の製造装置と;前記チョップド炭素繊維束の製造装置によって得られたチョップド炭素繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えた、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
本発明の第3の態様は、<16>のカッターロール、<17>の裁断機、<18>の繊維強化樹脂材料の製造装置、および<19>の繊維強化樹脂材料の製造方法に関する。
<16>ロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられた複数の平板状の刃とを備え、前記刃をゴムロールの外周面に押し付けながら長尺の繊維束を挟み込み、前記繊維束を裁断するカッターロールであって、
前記刃の先端に、平坦で前記刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている、カッターロール。
<17>前記<16>に記載のカッターロールと、ゴムロールとを備え、前記カッターロールの刃が前記ゴムロールの外周面に押し付けられつつ、前記カッターロールと前記ゴムロールとが互いに逆向きに回転し、長尺の繊維束を挟み込みながら連続的に裁断する、裁断機。
<18>前記<17>に記載の裁断機と、前記裁断機によって裁断された繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸部と、を備える繊維強化樹脂材料の製造装置。
<19>下記の散布工程及び含浸工程を有する繊維強化樹脂材料の製造方法。
散布工程:前記<17>に記載の裁断機により長尺の繊維束を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束を、マトリックス樹脂組成物からなる第1樹脂シート上にシート状に散布してシート状繊維束群を形成する工程。
含浸工程:前記シート状繊維束群上に、マトリックス樹脂組成物からなる第2樹脂シートを積層して材料前駆体を形成し、前記材料前駆体を両面側から加圧し、前記シート状繊維束群に前記マトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料を得る工程。
本発明の第4の態様は、<20>〜<25>の炭素繊維束用切断刃、<26>のチョップド繊維束の製造装置、および<27>のチョップド繊維束の製造方法に関する。
<20>刃角度θ(度)と刃の厚さT(mm)との比率(θ/T)が、35〜1800の範囲である、炭素繊維束用切断刃。
<21>前記θ/Tが35〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;前記刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、前記<20>の炭素繊維束用切断刃。
<22>前記刃角度θが25〜50度の範囲である、前記<21>の炭素繊維束用切断刃。
<23>前記θ/Tが50〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;前記刃先部の表面にコーティング層を有しない、前記<20>の炭素繊維束用切断刃。
<24>前記刃角度θが35〜50度の範囲である、前記<23>の炭素繊維束用切断刃。
<25>前記θ/Tが500〜1800の範囲である平板状の刃であり;前記刃の先端に、平坦で前記刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている、前記<20>の炭素繊維束用切断刃。
<26>前記<20>〜<25>のいずれかの炭素繊維束用切断刃を備えた、チョップド繊維束の製造装置。
<27>前記<20>〜<25>のいずれかの炭素繊維束用切断刃によって繊維束を切断する、チョップド繊維束の製造方法。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法によれば、切断刃の局部的な摩耗が抑えられる。
本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法によれば、繊維方向の偏りが抑えられた繊維強化樹脂成形材料を長時間にわたり安定して製造できる。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、捩じりを加えても割れにくく、刃先が磨耗しにくく、かつ安価である。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタは、切断刃を取り付ける際に切断刃が割れにくく、切断刃の刃先が磨耗しにくく、かつ安価である。
本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置は、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造でき、炭素繊維束を切断する際の振動が抑えられる。
本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、繊維強化樹脂成形材料を長時間連続して生産性よく製造できる。
本発明の第3の態様に係るカッターロールであれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制できる。
本発明の第3の態様に係る裁断機であれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制できる。
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置を用いれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制しつつ、繊維強化樹脂材料を製造できる。
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法によれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制しつつ、繊維強化樹脂材料を製造できる。
本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、耐久性、耐摩耗性、ロールへの装着性に優れる。
本発明の第4の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置および製造方法によれば、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できる。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の一実施形態を示す上面図である。 図1のチョップド繊維束の製造装置の側面図である。 図1のチョップド繊維束の製造装置のコームガイドにおけるコームガイドおよび繊維束を、繊維束の走行方向の下流側から見た図である。 本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の他の実施形態を示す上面図である。 図4のチョップド繊維束の製造装置においてコームガイドおよび擦過バーを揺動させた様子を示す上面図である。 図4のチョップド繊維束の製造装置のコームガイドにおけるコームガイドおよび繊維束を、繊維束の走行方向の下流側から見た図である。 本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置の一実施形態を示す側面図である。 本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃の一実施形態を示す側面図および正面図である。 本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃の他の実施形態を示す刃先部付近の拡大図である。 本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃の他の実施形態を示す刃先部付近の拡大図である。 本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタの一実施形態を示す正面図である。 本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置の一実施形態を示す上面図である。 図12のチョップド炭素繊維束の製造装置の側面図である。 本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置の一実施形態を示す側面図である。 本発明の第3の態様に係る裁断機の一実施形態を示した概略構成図である。 図15の裁断機におけるカッターロールの拡大図である。 本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法に用いる製造装置の一実施形態を示した概略構成図である。 刃先部の先端の刃角度と切断抵抗との関係を示すグラフである。 刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係を示すグラフである。 刃先部の先端の磨耗量と刃受けゴムへのくい込み深さとの関係を示すグラフである。 切断回数と刃先部の先端の磨耗量との関係を示すグラフである。 例51で用いたカッターロールを拡大して示した概略構成図である。
以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
「繊維束の走行を規制している方向」とは、ガイド手段によって、所定の方向に走行中の繊維束が、走行方向に交差する方向のうち、ガイド手段に対して相対的に移動することが規制されている方向を意味する。
「揺動」とは、所定の方向に所定の移動幅で往復動することを意味する。
「厚さ」とは、切断刃における最も厚い部分の厚さを意味する。
「刃角度」とは、刃先部の第1の面と第2の面とがなす角を意味する。
「高さ」とは、切断刃の長さ方向に沿った第1の辺(刃先部の先端)から切断刃の長さ方向に沿った第2の辺までの距離を意味する。
図1〜図17、図22における寸法比は、説明の便宜上、実際のものとは異なったものである。また、図1〜17、図22においては、同じ構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
<<本発明の第1の態様>>
<第1の実施形態>
(チョップド繊維束の製造装置)
図1は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第1の実施形態を示す上面図であり、図2は、図1のチョップド繊維束の製造装置の側面図である。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第1の実施形態は、外部から供給された長尺の繊維束Fを下方に向けて吐出する複数の供給ホース11(ガイド手段)と;供給ホース11から吐出された繊維束Fを略水平方向に案内するガイドロール12と;ガイドロール12の下流に設けられ、繊維束Fの走行方向を規制するコームガイド13(ガイド手段)と;コームガイド13の下流に設けられ、繊維束Fと接触することによって繊維束Fを拡幅する擦過バー14(拡幅手段)と;擦過バー14の下流に設けられ、繊維束Fを引き込みつつ繊維束Fを切断するチョッパユニット15(切断手段)とを備える。
チョッパユニット15は、ロータリーカッタ16と;ロータリーカッタ16よりも繊維束Fの走行方向の上流側に位置し、ロータリーカッタ16に隣接するアンビルロール17(刃受けロール)と;ロータリーカッタ16よりも繊維束Fの走行方向の上流側に位置し、アンビルロール17に隣接するタッチロール18とを備える。
ガイドロール12、ロータリーカッタ16、アンビルロール17およびタッチロール18の回転軸方向、ならびにコームガイド13および擦過バー14の長さ方向は、互いに平行とされている。また、これら回転軸方向ならびに長さ方向は、鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向とされている。
ガイドロール12、ロータリーカッタ16、アンビルロール17およびタッチロール18は、繊維束Fと接触する部分において繊維束Fの走行方向と同じ方向となるように回転軸を中心に回転する。したがって、ロータリーカッタ16とアンビルロール17とは、互いに逆向きに回転し、アンビルロール17とタッチロール18とは、互いに逆向きに回転する。
コームガイド13は、繊維束Fが鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向にコームガイド13に対して相対的に移動することを規制するように鉛直方向に延びる複数のロッド13aと;ロッド13aが鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に所定間隔で配列するようにロッド13aの一方の端部を支持するベース13bとから構成される。ロッド13aとロッド13aとの間隔は、繊維束Fと繊維束Fとの間隔と同じとされている。
擦過バー14は、擦過させられる繊維束Fを摩擦抵抗を利用して拡幅させる円筒状のバーである。擦過バー14は、繊維束Fとの摩擦に対する耐久性を持たせるために、周面にめっき(クロムめっき等)が施されている。擦過バー14は、コームガイド13からチョッパユニット15へと走行する繊維束Fが十分に擦過されるように、周方向に回転させることなく、かつ繊維束Fを上方にわずかに持ち上げる位置に固定されている。
ロータリーカッタ16は、ロール16aの回転軸方向に対して長さ方向がわずかに傾き(捩じり)を有するように、かつロール16aの周方向に所定間隔をあけて複数の切断刃16bがロール16aの周面に取り付けられたものである。
ロール16aは、金属製(ステンレス鋼製等)である。ロール16aの周面には、切断刃16bを嵌合するための溝がロールの回転軸方向に対して長さ方向がわずかに傾き(捩じり)を有するように螺旋状に形成されている。
切断刃16bは、平板状の平刃であり、ロール16aの溝に嵌合される平板状の基部と、基部の長さ方向に沿った一方の辺に形成された刃先部とから構成されるものである。
切断刃16bの材料としては、鉄鋼材料、超硬合金等が挙げられ、ロール16aの周面の螺旋状の溝に取り付ける際に捩じりを加えても割れにくく、かつ安価である点から、鉄鋼材料が好ましい。鉄鋼材料としては、日本工業規格(JIS)に工具鋼として規定された鉄鋼材料(JIS G 4401:2009の炭素工具鋼鋼材(SK)、JIS G 4403:2006の高速度工具鋼鋼材(SKH)、JIS G 4404:2006の合金工具鋼鋼材(SKS、SKD、SKT)等)、ステンレス鋼等が挙げられる。
切断刃16bと切断刃16bとのロール16aの周方向の間隔は、チョップド繊維束CFの長さと同じとされる。切断刃16bと切断刃16bとの間隔、すなわちチョップド繊維束CFの長さは、通常、5〜100mmであり、10〜55mmが好ましい。
ロール16aの回転軸方向に対する切断刃16bの長さ方向の傾き(捩じり)は、切断刃16bの第2の端部の周方向の位置と、これと隣り合う切断刃16bの第1の端部の周方向の位置とが同じ位置になるように設定されることが好ましい。切断刃16bの長さ方向をロールの回転軸方向と同じ方向とした場合、平行に配列した複数の繊維束Fが1本の切断刃16bによって同時に切断されるため、切断のたびにロータリーカッタ16およびアンビルロール17に大きな力が加わり、これが連続して発生することによってチョッパユニット15が大きく振動し、大きな騒音となる。一方、切断刃16bが、切断刃16bの第2の端部の周方向の位置と、これと隣り合う切断刃16bの第1の端部の周方向の位置とが同じ位置になるように、ロール16aの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有して取り付けられることによって、平行に配列した複数の繊維束Fにおける各繊維束Fが、1本の切断刃16bの第1の端部から第2の端部に向かって順番に切断され、かつ1本の切断刃16bによる切断が完了した後に、これと隣り合う切断刃16bによる切断が開始される。そのため、切断のたびにロータリーカッタ16およびアンビルロール17に大きな力が加わることがなく、チョッパユニット15の振動が抑えられる。
切断刃16bの長さは、ロール16aの回転軸方向に対する切断刃16bの長さ方向の傾き(捩じり)を小さくできる点、および一度に多くの繊維束Fを切断でき、チョップド繊維束CFの生産性が向上する点から、300mm以上が好ましく、500mm以上がより好ましい。切断刃16bの長さは、切断刃16bの取扱性(割れにくさ)の点から、2000mm以下が好ましく、1800mm以下がより好ましい。
アンビルロール17は、ロータリーカッタ16の切断刃16bを受けるためのゴム部材が周面に設けられたものである。ゴム部材の材料としては、合成ゴム(ウレタンゴム、ニトリルゴム、ネオプレンゴム等)等が挙げられる。
(チョップド繊維束の製造方法)
図1および図2に示すチョップド繊維束の製造装置を用いたチョップド繊維束の製造方法の第1の実施形態について説明する。
アンビルロール17とタッチロール18との間に長尺の繊維束Fを挟み込みながらアンビルロール17とタッチロール18とを互いに逆向きに回転させることによって、外部の繊維束供給手段(図示略)から繊維束Fを引き出し、供給ホース11、ガイドロール12、コームガイド13および擦過バー14を経由してチョッパユニット15に引き込む。このようにして、繊維束Fを、外部の繊維束供給手段からチョッパユニット15に向かって走行させる。
外部から供給された長尺の繊維束Fを複数の供給ホース11(ガイド手段)から下方に向けて吐出させた後、ガイドロール12によって略水平方向に案内する。
ガイドロール12によって略水平方向に案内された長尺の繊維束Fを、コームガイド13(ガイド手段)におけるロッド13aとロッド13aとの間に通す。コームガイド13においては、鉛直方向に延びる複数のロッド13aが、鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に繊維束Fと繊維束Fとの間隔と同じ間隔で配列されているため、ロッド13aによって繊維束Fは鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向にコームガイド13に対して相対的に移動することが規制される。
このようにして長尺の繊維束Fの走行方向をコームガイド13によって規制しつつ、コームガイド13の下流に設けられた擦過バー14(拡幅手段)に繊維束Fを擦過させることによって、摩擦抵抗を利用して繊維束Fを拡幅させる。図3に示すように、コームガイド13において繊維束Fの一部がロッド13aと接触して幅方向で折り重なり、肉厚となっている場合がある。このような肉厚な繊維束Fであっても、擦過バー14によって拡幅され、十分に幅広となる。無論、幅方向で折り重なっていない通常の繊維束Fも、擦過バー14によって拡幅され、さらに幅広となる。
擦過バー14によって拡幅され、アンビルロール17とタッチロール18との間に挟み込まれることによってチョッパユニット15(切断手段)に供給された長尺の繊維束Fを、ロータリーカッタ16とアンビルロール17とを互いに逆向きに回転させながら、ロータリーカッタ16とアンビルロール17との間に通す。この際に、ロータリーカッタ16の切断刃16bによって繊維束Fをアンビルロール17に押し込みながら切断する。さらに隣り合う切断刃16bによって繊維束Fの別の箇所を切断することによって、切断刃16bと切断刃16bとの間隔と同じ長さのチョップド繊維束CFを得る。チョップド繊維束CFは、ロータリーカッタ16とアンビルロール17との間から下方に向かって落下する。
(繊維束)
繊維束Fとしては、複数の強化繊維が一方向に引き揃えられた扁平状の一方向性強化繊維束等が挙げられる。
繊維束Fは、サイジング剤等で処理されたものであってもよい。
強化繊維としては、無機繊維、金属繊維、有機繊維等が挙げられる。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、シリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維等が挙げられる。
金属繊維としては、アルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維等が挙げられる。
有機繊維としては、芳香族ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール(PBO)繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維等が挙げられる。
強化繊維は、表面処理が施されているものであってもよい。
強化繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
強化繊維としては、硬度が高く、切断刃16bが摩耗しやすい、すなわち本発明の効果が十分に発揮される点から、炭素繊維が好ましい。
(作用機序)
以上説明した本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法の第1の実施形態にあっては、擦過バー14(拡幅手段)によって拡幅した長尺の繊維束Fを、切断刃16bを有するチョッパユニット15(切断手段)で切断しているため、拡幅していない繊維束Fを切断する場合に比べ、切断刃16bにおける繊維束Fと接触する部分の幅が広くなり、切断刃16bの局部的な摩耗が比較的抑えられる。
<第2の実施形態>
(チョップド繊維束の製造装置)
図4および図5は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第2の実施形態を示す上面図である。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第2の実施形態は、チョップド繊維束の製造装置の第1の実施形態に、コームガイド13(ガイド手段)および擦過バー14(拡幅手段)を同期させて、繊維束Fの走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に揺動させる揺動装置19(第1の揺動手段)を追加したものである。
揺動装置19における揺動機構としては、クランク機構、空気や電気を用いたシリンダ機構等が挙げられる。
クランク機構は、例えば、回転運動するクランク(図示略)と;第1の端部がクランクの回転端に連結され、第2の端部がコームガイド13のベース13bの端部に連結された第1の連結棒19aと;第1の端部がクランクの回転端に連結され、第2の端部が擦過バー14の端部に連結された第2の連結棒19bと;コームガイド13が往復動できるように、コームガイド13のベース13bの長さ方向に沿って設けられた第1のガイド路(図示略)と;擦過バー14が往復動できるように、擦過バー14の長さ方向に沿って設けられた第2のガイド路(図示略)とを備える。
コームガイド13および擦過バー14は、1つのクランクの回転運動によって往復動しているため、同一方向にかつ同一周期で往復動している。すなわち、コームガイド13および擦過バー14は、互いに同期して揺動している。
(チョップド繊維束の製造方法)
図4および図5に示すチョップド繊維束の製造装置を用いたチョップド繊維束の製造方法の第2の実施形態について説明する。
アンビルロール17とタッチロール18との間に長尺の繊維束Fを挟み込みながらアンビルロール17とタッチロール18とを互いに逆向きに回転させることによって、外部の繊維束供給手段(図示略)から繊維束Fを引き出し、供給ホース11、ガイドロール12、コームガイド13および擦過バー14を経由してチョッパユニット15に引き込む。このようにして、繊維束Fを、外部の繊維束供給手段からチョッパユニット15に向かって走行させる。
外部から供給された長尺の繊維束Fを複数の供給ホース11(ガイド手段)から下方に向けて吐出させた後、ガイドロール12によって略水平方向に案内する。
ガイドロール12によって略水平方向に案内された長尺の繊維束Fを、コームガイド13(ガイド手段)におけるロッド13aとロッド13aとの間に通す。コームガイド13においては、鉛直方向に延びる複数のロッド13aが、鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に繊維束Fと繊維束Fとの間隔と同じ間隔で配列されているため、ロッド13aによって繊維束Fは鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向にコームガイド13に対して相対的に移動することが規制される。
また、繊維束Fが鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向にコームガイド13に対して相対的に移動することを規制しつつ、図4および図5に示すように、揺動装置19によって、コームガイド13を繊維束Fの走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に揺動させることによって、繊維束Fの走行位置を切断刃16bの長さ方向と略同方向に揺動させる。
コームガイド13の揺動速度を調整してコームガイド13の揺動周期が長くなりすぎないようにコントロールすることによって、繊維束Fの走行位置を特定の箇所に偏りにくくすることができ、切断刃16bの局部的な摩耗がさらに抑えることが可能である。また、コームガイド13の揺動速度を調整してコームガイド13の揺動周期が短くなりすぎないようにコントロールすることによって、繊維束Fが揺動するロッド13aと激しく接触しにくくすることができ、繊維束Fが幅方向で折り重なりにくく、肉厚となりにくくすることが可能である。
コームガイド13は、連続的に揺動させてもよく、断続的に揺動させてもよい。繊維束Fの走行位置が特定の箇所に偏りにくい点から、コームガイド13は、連続的に揺動させることが好ましい。なお、コームガイド13を断続的に揺動させる場合は、コームガイド13を停止させる時間を短くすることが好ましい。コームガイド13を長時間停止させた場合、切断刃16bが局部的に摩耗しやすくなる。ひとたび切断刃16bが局部的に摩耗してしまうと、その後、コームガイド13を揺動させたとしても、わだち効果によって繊維束Fが局部的に摩耗した箇所を通過しやすくなり、切断刃16bの局部的な摩耗がさらに進行する場合がある。
長尺の繊維束Fの走行位置をコームガイド13によって揺動させつつ、コームガイド13の下流に設けられた擦過バー14(拡幅手段)に繊維束Fを擦過させることによって、摩擦抵抗を利用して繊維束Fを拡幅させる。図6に示すように、コームガイド13において繊維束Fは揺動するロッド13aと接触して幅方向で折り重なり、肉厚となる。このような肉厚な繊維束Fであっても、擦過バー14によって拡幅され、十分に幅広となる。
なお、擦過バー14をコームガイド13と同期させて揺動させない場合、繊維束Fが擦過バー14の長さ方向にも擦過されるため、繊維束Fが擦過バー14の長さ方向、すなわち繊維束Fの幅方向で折り重なり、肉厚となりやすい。よって、擦過バー14は、コームガイド13と同期させて揺動させることが好ましい。
擦過バー14によって拡幅され、アンビルロール17とタッチロール18との間に挟み込まれることによってチョッパユニット15(切断手段)に供給された長尺の繊維束Fを、ロータリーカッタ16とアンビルロール17とを互いに逆向きに回転させながら、ロータリーカッタ16とアンビルロール17との間に通す。この際に、ロータリーカッタ16の切断刃16bによって繊維束Fをアンビルロール17に押し込みながら切断する。さらに隣り合う切断刃16bによって繊維束Fの別の箇所を切断することによって、切断刃16bと切断刃16bとの間隔と同じ長さのチョップド繊維束CFを得る。チョップド繊維束CFは、ロータリーカッタ16とアンビルロール17との間から下方に向かって落下する。
(作用機序)
以上説明した本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法の第2の実施形態にあっては、コームガイド13(ガイド手段)を、繊維束Fの走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に揺動させている。そのため、繊維束Fの走行位置が、チョッパユニット15(切断手段)における切断刃16bの長さ方向と略同方向に揺動する。その結果、切断刃16bにおいて繊維束Fと接触する位置も揺動することになるため、切断刃16bが均一に摩耗し、切断刃16bの局部的な摩耗が抑えられる。
また、擦過バー14(拡幅手段)によって拡幅した長尺の繊維束Fを、切断刃16bを有するチョッパユニット15で切断しているため、拡幅していない繊維束Fを切断する場合に比べ、切断刃16bにおける繊維束Fと接触する部分の幅が広くなり、切断刃16bの局部的な摩耗がさらに抑えられる。
また、擦過バー14をコームガイド13と同期させて揺動させているため、繊維束Fの幅方向で折り重なり、肉厚となることが抑えられている。そのため、切断刃16bの局部的な摩耗がさらに抑えられる。
そして、切断刃16bの局部的な摩耗が長時間にわたって抑えられるため、チョップド繊維束CFが繋がった不良品の発生が長時間にわたって抑えられる。
<他の実施形態>
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置は、長尺の繊維束を切断する切断刃を有する切断手段と、切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向を規制するガイド手段と、切断手段とガイド手段との間に設けられ、切断手段に供給される長尺の繊維束を拡幅する拡幅手段とを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
また、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造方法は、切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段によって規制しつつ、切断手段とガイド手段との間に設けられた拡幅手段によって繊維束を拡幅した後、切断刃を有する切断手段によって繊維束を切断してチョップド繊維束を得る方法であればよく、図示例の製造装置を用いた方法に限定されない。
例えば、ガイド手段は、図示例のような供給ホース11やコームガイド13に限定されず、コームガイド13以外の櫛状のガイド;角材、板、ロール等の表面に溝が形成された溝状のガイド等であっても構わない。
また、切断手段は、図示例のようなロータリーカッタ16を備えたチョッパユニット15に限定されず、切断刃を上下方向に往復動させる、いわゆるギロチンカッタを備えたチョッパユニット等であっても構わない。
また、拡幅手段は、擦過バーに限定されず、エアの吹き付け手段(エアノズル)等であってもよい。また、擦過バーは、円筒状のものに限定されない。
また、ガイド手段であるコームガイド13を省略することも可能である。コームガイド13を省略する場合でも、ガイド手段である複数の供給ホース11を所定の間隔とすることによって、繊維束Fの走行方向を規制することが可能である。また、図4および図5において、コームガイド13を省略する場合には、複数の供給ホース11と擦過バー14とを互いに同期させて揺動させることができる。これによって、切断刃16bの局部的な摩耗を抑制することができる。
また、本発明のチョップド繊維束の製造装置は、第2実施形態のように揺動手段を有するものもに限定はされず、第1の実施形態のように揺動手段を省略しても構わない。
また、ガイド手段および切断手段は相対的に揺動すればよく、第2実施形態のように、ガイド手段を第1の揺動手段で揺動させ、切断手段を固定する実施形態に限定されない。
例えば、ガイド手段を固定し、切断手段を第2の揺動手段で揺動させてもよく、ガイド手段を第1の揺動手段で揺動させ、切断手段を第2の揺動手段で揺動させてもよい。
また、拡幅手段は、第2実施形態のようにガイド手段と同期させて揺動させることが好ましいが、ガイド手段と同期させずに揺動させてもよく、揺動させることなく固定してもよい。
<繊維強化樹脂成形材料の製造>
(繊維強化樹脂成形材料の製造装置)
図7は、本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置の一実施形態を示す側面図である。
繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、繊維束供給手段110と、第1のシート供給手段111と、第1の塗工手段112と、チョップド繊維束製造手段113と、第2のシート供給手段114と、第2の塗工手段115と、含浸手段116とを備える。
繊維束供給手段110は、複数のボビン117から引き出された長尺の繊維束Fを、複数のガイドロール118を介してチョップド繊維束製造手段113に向けて供給するものである。
第1のシート供給手段111は、第1の原反ロールR1から巻き出された長尺の第1の離型シートS1を第1の塗工手段112に向けて供給するものである。第1のシート供給手段111は、第1の離型シートS1を図中右方向に搬送する第1の搬送部119を備える。
第1の搬送部119は、ガイドロール120と、一対のプーリ121a,121bの間に無端ベルト122を懸架したコンベア123とを有する。ガイドロール120は、回転しながら第1の原反ロールR1から供給された第1の離型シートS1をコンベア123に向けて案内するものである。コンベア123は、一対のプーリ121a,121bを同一方向に回転させることによって無端ベルト122を周回させながら、無端ベルト122の面上において、第1の離型シートS1を図中右方向に向けて搬送するものである。
第1の塗工手段112は、ガイドロール120に近接した一方のプーリ121aの直上に位置して、マトリックス樹脂組成物のペーストPを供給する供給ボックス124を有する。供給ボックス124は、底面に形成されたスリット(図示略)からコンベア123により搬送される第1の離型シートS1の面上にペーストPを所定の厚さで塗工するものである。
チョップド繊維束製造手段113は、本発明のチョップド繊維束の製造装置である。
チョップド繊維束製造手段113は、第1の塗工手段112よりも第1の離型シートS1の搬送方向の下流側に位置して、繊維束供給手段110から供給される繊維束Fをチョッパユニット15で切断して得られたチョップド繊維束CFを、コンベア123により搬送される第1の離型シートS1のペーストPの上に散布するものである。
第2のシート供給手段114は、第2の原反ロールR2から巻き出された長尺の第2の離型シートS2を第2の塗工手段115に向けて供給するものである。第2のシート供給手段114は、第2の離型シートS2を含浸手段116に向けて搬送する第2の搬送部128を備える。
第2の搬送部128は、コンベア123により搬送される第1の離型シートS1の上方に位置して、複数のガイドロール129を有している。第2の搬送部128は、第2の原反ロールR2から供給された第2の離型シートS2を図中左方向に向けて搬送した後、回転する複数のガイドロール129によって第2の離型シートS2が搬送される方向を下方から図中右方向に向けて反転させる。
第2の塗工手段115は、図中左方向に向けて搬送される第2の離型シートS2の直上に位置して、マトリックス樹脂組成物のペーストPを供給する供給ボックス130を有する。
供給ボックス130は、底面に形成されたスリット(図示略)から第2の離型シートS2の面上にペーストPを所定の厚さで塗工するものである。
含浸手段116は、チョップド繊維束製造手段113よりも第1の離型シートS1の搬送方向の下流側に位置して、貼合機構131と、加圧機構132とを有する。
貼合機構131は、コンベア123の他方のプーリ121bの上方に位置して、複数の貼合ロール133を有する。
複数の貼合ロール133は、ペーストPが塗工された第2の離型シートS2の背面に接触した状態で第2の離型シートS2の搬送方向に並んで配置されている。また、複数の貼合ロール133は、第1の離型シートS1に対して第2の離型シートS2が徐々に接近するように配置されている。
貼合機構131は、第1の離型シートS1の上に第2の離型シートS2を重ね合わせるとともに、第1の離型シートS1と第2の離型シートS2との間にチョップド繊維束CFおよびペーストPを挟み込みながら、互いに貼合された状態で加圧機構132側へと搬送するものである。以下、チョップド繊維束CFおよびペーストPを挟み込みながら、互いに貼合された第1の離型シートS1および第2の離型シートS2を貼合シートS3という。
加圧機構132は、第1の搬送部119(コンベア123)の下流側に位置して、一対のプーリ134a,134bの間に無端ベルト135aを懸架した下側コンベア136Aと、一対のプーリ134c,134dの間に無端ベルト135bを懸架した上側コンベア136Bとを有する。下側コンベア136Aと上側コンベア136Bとは、互いの無端ベルト135a,135bを突き合わせた状態で、互いに対向して配置されている。
加圧機構132は、下側コンベア136Aの一対のプーリ134a,134bを同一方向に回転させることによって無端ベルト135aを周回させるとともに、上側コンベア136Bの一対のプーリ134c,134dを同一方向に回転させることによって無端ベルト135bを無端ベルト135aと同じ速さで逆向きに周回させるものである。これにより、無端ベルト135a,135bの間に挟み込まれた貼合シートS3を図中右方向に向けて搬送する。
下側コンベア136Aには、無端ベルト135aに加わる張力を調整するための一対のテンションプーリ137a,137bが配置されている。同様に、上側コンベア136Bには、無端ベルト135bに加わる張力を調整するための一対のテンションプーリ137c,137dが配置されている。これらのテンションプーリ137a,137b,137c,137dは、無端ベルト135a,135bの突合せ部分とは反対側に設けられている。
加圧機構132は、複数の下側ロール138aと、複数の上側ロール138bとを有する。複数の下側ロール138aは、無端ベルト135aの突合せ部分の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。同様に、複数の上側ロール138bは、無端ベルト135bの突合せ部分の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。また、複数の下側ロール138aと複数の上側ロール138bとは、貼合シートS3の搬送方向に沿って互い違いに並んで配置されている。
加圧機構132は、無端ベルト135a,135bの間を貼合シートS3が通過する間に、第1の離型シートS1と第2の離型シートS2との間に挟み込まれたペーストPおよびチョップド繊維束CFを複数の下側ロール138aおよび複数の上側ロール138bにより加圧するものである。
(繊維強化樹脂成形材料の製造方法)
図7に示す繊維強化樹脂成形材料の製造装置を用いた繊維強化樹脂成形材料の製造方法について説明する。
チョップド繊維束製造手段113におけるアンビルロール17とタッチロール18との間に長尺の繊維束Fを挟み込みながらアンビルロール17とタッチロール18とを互いに逆向きに回転させることによって、繊維束供給手段110から繊維束Fを引き出し、複数のガイドロール118を介してチョップド繊維束製造手段113に向けて供給する。
第1のシート供給手段111における第1の搬送部119のコンベア123を駆動させることによって、第1の原反ロールR1から巻き出された長尺の第1の離型シートS1を第1の塗工手段112に向けて供給する。
第1の塗工手段112における供給ボックス124から、マトリックス樹脂組成物のペーストPをコンベア123により搬送される第1の離型シートS1の面上に供給し、所定の厚さで塗工する。
チョップド繊維束製造手段113におけるチョッパユニット15によって、繊維束供給手段110から供給される長尺の繊維束Fを切断し、チョップド繊維束CFを得る。チョッパユニット15から自然落下するチョップド繊維束CFを、コンベア123により搬送される第1の離型シートS1のペーストPの上に散布する。
含浸手段116の加圧機構132における上側コンベア136Bを駆動させることによって、第2のシート供給手段114の第2の原反ロールR2から巻き出された長尺の第2の離型シートS2を第2の搬送部128を介して第2の塗工手段115に向けて供給する。
第2の塗工手段115における供給ボックス130から、マトリックス樹脂組成物のペーストPを図中左方向に向けて搬送される第2の離型シートS2の面上に供給し、所定の厚さで塗工する。
含浸手段116の貼合機構131によって、第1の離型シートS1の上に第2の離型シートS2を重ね合わせるとともに、第1の離型シートS1と第2の離型シートS2との間にチョップド繊維束CFおよびペーストPを挟み込み、貼合シートS3を得る。
含浸手段116の加圧機構132における下側コンベア136Aおよび上側コンベア136Bを駆動させるによって、貼合シートS3を図中右方向に向けて搬送しながら、第1の離型シートS1と第2の離型シートS2との間に挟み込まれたペーストPおよびチョップド繊維束CFを複数の下側ロール138aおよび複数の上側ロール138bにより加圧する。このとき、ペーストPは、チョップド繊維束CFを挟んだ両側からチョップド繊維束CFの間に含浸される。
このようにして、チョップド繊維束CFの間に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂成形材料の原反Rを得ることができる。また、繊維強化樹脂成形材料の原反Rは、所定の長さで切断されることによって、最終的にシート状の繊維強化樹脂成形材料(SMC)として出荷される。なお、第1の離型シートS1および第2の離型シートS2は、繊維強化樹脂成形材料の成形前に繊維強化樹脂成形材料から剥離される。
(マトリックス樹脂組成物)
マトリックス樹脂組成物は、熱硬化性樹脂を含む。
熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。
マトリックス樹脂組成物は、充填剤(炭酸カルシウム等)、低収縮化剤、離型剤、硬化開始剤、増粘剤等を含んでいてもよい。
(作用機序)
以上説明した本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法にあっては、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法によってチョップド繊維束を得ているため、チョップド繊維束が繋がった不良品の発生が長時間にわたって抑えられる。その結果、得られる繊維強化樹脂成形材料中の繊維方向に偏りが生じにくく、繊維方向の偏りが抑えられた繊維強化樹脂成形材料を長時間にわたって安定して製造できる。また、繊維強化樹脂成形材料から製造される繊維強化複合材料成形品の強度に異方性が生じにくい。また、成形時の流動性の低下が抑えられるため所望する形状に成形することができる。
<他の実施形態>
本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置と、チョップド繊維束の製造装置によって得られたチョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
また、本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造方法によってチョップド繊維束を得て、チョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる方法であればよく、図示例の製造装置を用いた方法に限定されない。
例えば、図示例以外のSMCの製造装置におけるチョップド繊維束製造手段として、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を採用したものであってもよい。
また、スタンパブルシートの製造装置におけるチョップド繊維束製造手段として、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を採用したものであってもよい。なお、スタンパブルシートを製造する際には、マトリックス樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂を含むものを用いる。
熱可塑性樹脂としては、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66等)、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、変性ポリオレフィン、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、ポリエチレンメタクリレート、ポリカーボネイト、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブチレン−スチレン共重合体、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステル、アクリロニトリル−スチレン共重合体等が挙げられる。また、これらの樹脂は2種類以上をブレンドして用いてもよい。
<<本発明の第2の態様>>
<炭素繊維束用切断刃>
図8は、本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃の一実施形態を示す側面図および正面図である。
炭素繊維束用切断刃26bは、平板状の平刃である。炭素繊維束用切断刃26bは、平板状の基部261と;炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向に沿った第1の辺に形成され、第1の辺に沿って延びる刃先部262とを有する。
炭素繊維束用切断刃26bの厚さTは、0.7mm以下であり、0.1mm以上0.7mm以下が好ましく、0.25〜0.5mmがより好ましい。炭素繊維束用切断刃26bの厚さTが0.7mm以下であれば、炭素繊維束を切断するための局所曲げ形状を形成しつつ炭素繊維束用切断刃26bを後述するロールの溝に捩りながら挿入する作業が容易となる。炭素繊維束用切断刃26bの厚さTが0.1mm以上であれば、刃を付ける寸法(先端を鋭利にしてある長さ)を確保しつつ、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、炭素繊維束用切断刃26bに捩じりを加えて後述するロールの溝に挿入する作業をしてもさらに割れにくくなる。
炭素繊維束用切断刃26bの長さLは、300mm以上であり、400〜2000mmが好ましく、500〜1800mmがより好ましい。炭素繊維束用切断刃26bの長さLが300mm以上であれば、後述する炭素繊維束用ロータリーカッタのロールの回転軸方向に対する炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向の傾き(捩じり)を小さくできる。また、一度に多くの炭素繊維束を切断でき、チョップド炭素繊維束の生産性が向上する。炭素繊維束用切断刃26bの長さLが2000mm以下であれば、炭素繊維束用切断刃26bを取り扱いやすく、炭素繊維束用切断刃26bが割れにくい。
炭素繊維束用切断刃26bの長さLと、炭素繊維束用切断刃26bの高さHとの比(L/H)は、11超が好ましく、30〜360がより好ましく、50〜250がさらに好ましい。L/Hが11超であれば、炭素繊維束用切断刃26bを後述するロールの溝に捩りながら挿入する作業が容易になる。L/Hが360以下であれば、炭素繊維束用切断刃26bを取り扱いやすく、炭素繊維束用切断刃26bが割れにくい。
基部261および刃先部262の材料は、鉄鋼材料である。
鉄鋼材料としては、第1の態様における切断刃16bの材料として例示した鉄鋼材料と同様のものが挙げられる。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃としては、下記の切断刃(I)および切断刃(II)が挙げられる。
切断刃(I):
刃先部の先端の刃角度が、25〜50度であり、かつ刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する炭素繊維束用切断刃。
切断刃(II):
刃先部の先端の刃角度が、35〜50度であり、かつ刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有しない炭素繊維束用切断刃。
(切断刃(I))
切断刃(I)における刃先部262の先端の刃角度θは、25〜50度であり、25〜35度がより好ましい。刃角度θが25度以上であり、かつ刃先部262の表面に特定のコーティング層を有すれば、刃先が磨耗しにくい。刃角度θが50度以下であれば、切断抵抗が低くなり、炭素繊維束を切断しやすい。
刃先部262の先端の刃角度θが小さいと刃先が磨耗しやすい。よって、切断刃(I)においては、刃先部262の表面に特定のコーティング層(図示略)を設ける。
コーティング層は、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる。
コーティング層の厚さは、1μm超が好ましく、2〜10μmがより好ましい。コーティング層の厚さが1μm超であれば、刃先がさらに磨耗しにくい。コーティング層の厚さが10μm以下であれば、コーティング層の剥がれもなく、切断抵抗が低くなり、炭素繊維束を切断しやすい。
コーティング層は、刃先部262の先端付近の表面に存在すればよく、基部261の表面に存在しなくてもよく、刃先部262の表面の全体に存在していなくてもよい。
コーティング層の幅は、刃先部262の先端から0.2〜5.0mmが好ましく、0.5〜2.0mmがより好ましく、後述するロータリーカッタのロールの周面より突き出す部分の幅がさらに好ましい。
コーティング層は、物理蒸着法(イオンプレーティング法、真空蒸着法、電子ビーム法、スパッタリング法等)、化学蒸着法等の公知の方法によって形成できる。
(切断刃(II))
切断刃(II)における刃先部262の先端の刃角度θは、35〜50度であり、37〜43度がより好ましい。刃角度θが35度以上であれば、刃先が磨耗しにくい。刃角度θが50度以下であれば、切断抵抗が低くなり、炭素繊維束を切断しやすい。
刃先部262の先端の刃角度θが大きいと刃先が磨耗しにくい。よって、第2の態様においては、刃先部262の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる特定のコーティング層を設ける必要がない。
(作用機序)
以上説明した炭素繊維束用切断刃26bにあっては、基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、薄く(厚さ:0.7mm以下)かつ長い(長さ:300mm以上)ものであるにもかかわらず、捩じりを加えた際に割れにくい。一方、切断刃の材料としてよく用いられる超硬合金の場合、薄く(厚さ:0.7mm以下)かつ長い(長さ:300mm以上)ものであっても、捩じりを加えた際に容易に割れやすい。
また、以上説明した炭素繊維束用切断刃26bにあっては、基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、超硬合金からなる切断刃に比べ、安価である。
また、以上説明した炭素繊維束用切断刃26bにあっては、刃先部262の先端の刃角度θが25〜50度であり、かつ刃先部262の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または前記コーティング層を有しない場合であっても、刃先部262の先端の刃角度θが35〜50度であるため、刃先が磨耗しにくい。
(他の実施形態)
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、厚さが0.7mm以下であり、長さが300mm以上である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;刃先部の先端の刃角度が25〜50度であり、かつ刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または刃先部の先端の刃角度が35〜50度であり、かつ前記コーティング層を有しないものであればよく、図示例の炭素繊維束用切断刃に限定されない。
例えば、刃先部262は、図8に示すような両刃に限定されず、図9に示すような片刃であってもよく、図10に示すような、刃角度が先端に向かうにしたがって段階的に大きくされた、二段刃等の多段刃であってもよい。
<炭素繊維束用ロータリーカッタ>
図11は、本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタの一実施形態を示す正面図である。
炭素繊維束用ロータリーカッタ26は、ロール26aの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有するように、かつロール26aの周方向に所定間隔をあけて複数の炭素繊維束用切断刃26bがロール26aの周面に取り付けられたものである。
ロール26aは、金属製(ステンレス鋼製等)である。ロール26aの周面には、炭素繊維束用切断刃26bを嵌合するための溝がロールの回転軸方向に対して長さ方向がわずかに傾き(捩じり)を有するように螺旋状に形成されている。
ロール26aの溝には、炭素繊維束用切断刃26bの基部261がスペーサおよび板バネとともに挿入され、少なくとも刃先部262がロール26aの周面から突出するように固定されている。
炭素繊維束用切断刃26bと炭素繊維束用切断刃26bとのロール26aの周方向の間隔は、チョップド炭素繊維束の長さと同じとされる。炭素繊維束用切断刃26bと炭素繊維束用切断刃26bとの間隔、すなわちチョップド炭素繊維束の長さは、通常、5〜100mmであり、10〜55mmが好ましい。
ロール26aの回転軸方向に対する炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向の傾き(捩じり)は、ロール26aの長さ(面長)、切断される炭素繊維束の長さ、および一度に切断する炭素繊維束の本数(1本の場合が多い)で決定される。炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向をロールの回転軸方向と同じ方向とした場合、平行に配列した複数の炭素繊維束F’が1本の炭素繊維束用切断刃26bによって同時に切断されるため、切断のたびに炭素繊維束用ロータリーカッタ26および後述のアンビルロールに大きな力が加わり、これが連続して発生することによって後述のチョッパユニットが大きく振動し、大きな騒音となる。一方、ロール26aの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有して取り付けられることによって、平行に配列した複数の炭素繊維束F’における各炭素繊維束F’が、1本の炭素繊維束用切断刃26bの第1の端部から第2の端部に向かって順番に切断される。そのため、切断のたびに炭素繊維束用ロータリーカッタ26および後述のアンビルロールに大きな力が加わることがなく、後述のチョッパユニットの振動が抑えられる。
ロール26aの回転軸方向に対する炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向の傾き(捩じり)は、炭素繊維束用切断刃26bの第2の端部の周方向の位置と、これと隣り合う炭素繊維束用切断刃26bの第1の端部の周方向の位置とが同じ位置になるように設定されることが好ましい。炭素繊維束用切断刃26bが、炭素繊維束用切断刃26bの第2の端部の周方向の位置と、これと隣り合う炭素繊維束用切断刃26bの第1の端部の周方向の位置とが同じ位置になるように、ロール26aの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有して取り付けられることによって、平行に配列した複数の炭素繊維束F’における各炭素繊維束F’が、1本の炭素繊維束用切断刃26bの第1の端部から第2の端部に向かって順番に切断され、かつ1本の炭素繊維束用切断刃26bによる切断が完了した後に、これと隣り合う炭素繊維束用切断刃26bによる切断が開始される。そのため、切断のたびに炭素繊維束用ロータリーカッタ26および後述のアンビルロールに大きな力が加わることがなく、後述のチョッパユニットの振動が抑えられる。
(作用機序)
以上説明した炭素繊維束用ロータリーカッタ26にあっては、炭素繊維束用切断刃26bの基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、炭素繊維束用切断刃26bを取り付ける際に、炭素繊維束用切断刃26bに捩じりが加わっても加えた際に炭素繊維束用切断刃26bが割れにくい。
また、以上説明した炭素繊維束用ロータリーカッタ26にあっては、炭素繊維束用切断刃26bの基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、超硬合金からなる切断刃を有するロータリーカッタに比べ、安価である。
また、以上説明した炭素繊維束用ロータリーカッタ26にあっては、刃先部262の先端の刃角度θが25〜50度であり、かつ刃先部262の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または前記コーティング層を有しない場合であっても、刃先部262の先端の刃角度θが35〜50度である炭素繊維束用切断刃26bを有するため、炭素繊維束用切断刃26bの刃先が磨耗しにくい。
(他の実施形態)
本発明の炭素繊維束用ロータリーカッタは、ロールと;ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように、かつロールの周方向に所定間隔をあけてロールの周面に取り付けられた複数の切断刃とを有し;切断刃が本発明の炭素繊維束用切断刃であるものであればよく、図示例の炭素繊維束用ロータリーカッタに限定されない。
<チョップド炭素繊維束の製造装置>
図12は、本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置の一実施形態を示す上面図であり、図13は、図12のチョップド炭素繊維束の製造装置の側面図である。
チョップド炭素繊維束の製造装置は、外部から供給された長尺の炭素繊維束F’を下方に向けて吐出する複数の供給ホース11と;供給ホース11から吐出された炭素繊維束F’を略水平方向に案内するガイドロール12と;ガイドロール12の下流に設けられ、炭素繊維束F’の走行方向を規制するコームガイド13(ガイド手段)と;コームガイド13の下流に設けられ、炭素繊維束F’を引き込みつつ炭素繊維束F’を切断するチョッパユニット25(切断手段)とを備える。
以下、図1および図2のチョップド炭素繊維束の製造装置と同じ構成のものについては、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
チョッパユニット25は、図1および図2のロータリーカッタ16を炭素繊維束用ロータリーカッタ26に変更した以外は、図1および図2のチョッパユニット15と同様のものである。
(チョップド炭素繊維束の製造方法)
図12および図13に示すチョップド炭素繊維束の製造装置を用いたチョップド炭素繊維束の製造方法は、繊維束Fが炭素繊維束F’に変更され、擦過バー14が省略され、ロータリーカッタ16が炭素繊維束用ロータリーカッタ26に変更され、チョップド繊維束CFの代わりにチョップド炭素繊維束CF’が得られる以外は、図1および図2に示すチョップド繊維束の製造装置を用いたチョップド繊維束の製造方法と同様であり、詳しい説明を省略する。
(炭素繊維束)
炭素繊維束F’としては、複数の炭素繊維が一方向に引き揃えられた扁平状の一方向性炭素繊維束等が挙げられる。
炭素繊維束F’は、サイジング剤等で処理されたものであってもよい。
炭素繊維束F’は、炭素繊維製造メーカーが標準的に生産している製品の中から比較的安価に入手可能な、1000〜60000本の炭素繊維からなるものが好ましく、10000〜600000本の炭素繊維からなるもの(レギュラートウおよびラージトウと呼ばれる。)がより好ましい。
炭素繊維の直径は、4〜10μmが好ましく、5〜8μmがより好ましい。
炭素繊維は、表面処理が施されているものであってもよい。
炭素繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(作用機序)
以上説明した本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置にあっては、切断刃の刃先が磨耗しにくい本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタを備えているため、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できる。
また、以上説明した本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置にあっては、ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように複数の切断刃が取り付けられた本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタを備えているため、炭素繊維束を切断する際の振動が抑えられる。
(他の実施形態)
本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置は、本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
例えば、ガイド手段は、図示例のようなコームガイド13に限定されず、コームガイド13以外の櫛状のガイド;角材、板、ロール等の表面に溝が形成された溝状のガイド等であっても構わない。
また、コームガイド13(ガイド手段)とチョッパユニット25(切断手段)との間に、炭素繊維束F’を拡幅する拡幅手段を備えていてもよい。拡幅手段としては、擦過バー、エアの吹き付け手段(エアノズル)等が挙げられる。拡幅手段によって拡幅した長尺の炭素繊維束F’を、炭素繊維束用切断刃26bを有するチョッパユニット25で切断した場合、拡幅していない炭素繊維束F’を切断した場合に比べ、炭素繊維束用切断刃26bにおける炭素繊維束F’と接触する部分の幅が広くなり、炭素繊維束用切断刃26bの局部的な磨耗が比較的抑えられる。
また、コームガイド13(ガイド手段)を炭素繊維束F’の走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ炭素繊維束F’の走行方向と交差(直交)する方向に揺動させる揺動手段を備えていてもよい。コームガイド13を、炭素繊維束F’の走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ炭素繊維束F’の走行方向と交差(直交)する方向に揺動させた場合、炭素繊維束F’の走行位置が、チョッパユニット25における炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向と略同方向に揺動する。その結果、炭素繊維束用切断刃26bにおいて炭素繊維束F’と接触する位置も揺動することになるため、炭素繊維束用切断刃26bが均一に磨耗し、炭素繊維束用切断刃26bの局部的な磨耗が抑えられる。
<繊維強化樹脂成形材料の製造>
(繊維強化樹脂成形材料の製造装置)
図14は、本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置の一実施形態を示す側面図である。
繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、繊維束供給手段110と、第1のシート供給手段111と、第1の塗工手段112と、チョップド炭素繊維束製造手段213と、第2のシート供給手段114と、第2の塗工手段115と、含浸手段116とを備える。
以下、図7の繊維強化樹脂成形材料の製造装置と同じ構成のものについては、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
チョップド炭素繊維束製造手段213は、本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置である。
チョップド炭素繊維束製造手段213は、擦過バー14を省略し、ロータリーカッタ16を炭素繊維束用ロータリーカッタ26に変更した以外は、図7のチョップド繊維束製造手段113と同様のものである。
(繊維強化樹脂成形材料の製造方法)
図14に示す繊維強化樹脂成形材料の製造装置を用いた繊維強化樹脂成形材料の製造方法は、繊維束Fが炭素繊維束F’に変更され、チョップド繊維束製造手段113がチョップド炭素繊維束製造手段213に変更され、チョップド繊維束CFの代わりにチョップド炭素繊維束CF’が得られる以外は、図7に示す繊維強化樹脂成形材料の製造装置を用いた繊維強化樹脂成形材料の製造方法と同様であり、詳しい説明を省略するについて説明する。
(作用機序)
以上説明した本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置にあっては、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できる本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置を備えているため、繊維強化樹脂成形材料を長時間連続して生産性よく製造できる。
<他の実施形態>
本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置と、チョップド炭素繊維束の製造装置によって得られたチョップド炭素繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
例えば、図示例以外のSMCの製造装置におけるチョップド炭素繊維束製造手段として、本発明のチョップド炭素繊維束の製造装置を採用したものであってもよい。
また、スタンパブルシートの製造装置におけるチョップド炭素繊維束製造手段として、本発明のチョップド炭素繊維束の製造装置を採用したものであってもよい。なお、スタンパブルシートを製造する際には、マトリックス樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂を含むものを用いる。
<<本発明の第3の態様>>
<裁断機>
本発明の第3の態様に係る裁断機は、長尺の繊維束を連続的に裁断するための裁断機である。本発明の裁断機は、カッターロールと、ゴムロールとを備えている。本発明の第3の態様に係る裁断機においては、カッターロールの刃がゴムロールの外周面に押し付けられつつ、カッターロールとゴムロールとが互いに逆向きに回転し、繊維束を挟み込みながら連続的に裁断する。
以下、本発明の第3の態様に係る裁断機の一実施形態を示して詳細に説明する。本実施形態の裁断機31は、図15に示すように、外周面に複数の平板状の刃36が設けられたカッターロール32と、ゴムロール33と、ピンチロール34とを備えている。カッターロール32、ゴムロール33及びピンチロール34は、いずれも円筒状のロールである。
カッターロール32とゴムロール33とは、カッターロール32の刃36がゴムロール33の外周面33aに押し付けられた状態で、互いに水平方向に並んで隣接している。カッターロール32とゴムロール33は、互いに逆向きに回転するようになっている。この例では、ゴムロール33の右側にカッターロール32が配置され、ゴムロール33が右回転し、カッターロール32が左回転するようになっている。
また、ピンチロール34は、ゴムロール33におけるカッターロール32の刃36が押し付けられる位置よりも上側において、ゴムロール33との間に長尺の繊維束f’を挟み込むように設けられている。ゴムロール33とピンチロール34とは、繊維束f’を挟み込んだ状態で互いに逆向きに回転し、繊維束f’を引き込むようになっている。この例では、ゴムロール33が右回転し、カッターロール32とピンチロール34が左回転して、左側から引き込んだ長尺の繊維束f’をゴムロール33の外周面33aに沿わせつつ下方に送るようになっている。
裁断機31においては、ゴムロール33とピンチロール34が長尺の繊維束f’を挟み込んだ状態で互いに逆向きに回転することで、繊維束f’が引き込まれる。そして、ピンチロール34よりも下流側において、ゴムロール33と逆方向に回転するカッターロール32の複数の刃36により長尺の繊維束f’が連続的に裁断され、複数の繊維束f(チョップド繊維束)が形成される。
(カッターロール)
カッターロール32は、円筒状のロール本体35と、ロール本体35の外周面35aから径方向に突出するように設けられた複数の平板状の刃36と、を備えている。カッターロール32における各々の刃36は、外周面35aにおいて周方向に間隔を開けて、ロール本体35の軸方向に延在するように設けられている。
ロール本体の直径は、特に限定されず、例えば、公知の裁断機におけるカッターロールの直径と同等にすることができる。ロール本体の長さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。
刃36の長さ方向に垂直な断面形状は長方形状になっている。刃36の先端には、平坦で刃36の高さ方向に垂直な先端面36aが形成されている。本発明では、刃の先端に刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されていることで、カッターロールの刃がゴムロールの外周面に押し付けられても、ゴムロールの外周面が傷つくことが抑制される。
刃36の厚さT(図16)は、0.10〜0.36mmが好ましく、0.10〜0.12mmがより好ましい。刃の厚さが0.36mm以下であれば、繊維束を裁断することが容易になる。刃の厚さが0.12mm以下であれば、裁断対象の繊維束の引張り強度によらず繊維束を裁断することが容易になる。また、金属よりも硬度が高い炭素繊維等からなる繊維束を継続的に裁断すると刃先が摩耗する。刃の厚さが上限値以下であれば、刃が摩耗しても裁断性能が低下しないため、カッターロールの交換頻度を低くすることができる。刃の厚さが下限値以上であれば、切断時に刃の破損が発生しにくい。
刃の高さ、すなわち外周面から刃の先端までの長さは、0.5〜3.0mmが好ましく、1.0〜2.0mmがより好ましい。刃の高さが下限値以上であれば、厚み斑が厚めになってもミスカットは発生しにくい。刃の高さが上限値以下であれば、刃先の欠損(チッピング)の発生を抑制しやすい。
刃の長さは、特に限定されない。例えば、カッターロールの軸方向における一端から他端まで刃を形成することができる。刃はロール本体の外周面において軸方向に延在するように設けられる態様には限定されず、例えば、ロール本体の外周面を正面視したときに刃が軸方向に対して傾斜するように、螺旋状に設けられていてもよい。
カッターロールの外周面の周方向に配置される刃の数は、ロール本体の直径や、裁断により得ようとするチョップド繊維束の長さ等に応じて適宜設定すればよい。
外周面の周方向における各刃の間隔は、裁断により得ようとするチョップド繊維束の長さに応じて適宜設定すればよい。
カッターロールの材質は、繊維束を裁断できるものであればよく、公知の材質を採用することができる。カッターロールの材質の具体例としては、例えば、鉄、ステンレス鋼、超鋼等が挙げられる。
(ゴムロール)
ゴムロール33としては、繊維束を裁断する裁断機に用いられる公知のゴムロールを使用することができる。ゴムロールの材質としては、例えば、ウレタンゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。ゴムロールの直径は、特に限定されず、例えば、公知の裁断機におけるゴムロールの直径と同等にすることができる。ゴムロールの長さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。
(ピンチロール)
ピンチロール34としては、繊維束を裁断する裁断機に用いられる公知のピンチロールを使用することができ、例えば、ステンレス鋼製のピンチロールが挙げられる。ピンチロールの直径は、特に限定されず、例えば、公知の裁断機におけるピンチロールの直径と同等にすることができる。ピンチロールの長さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。
従来の裁断機に用いられるカッターロールでは、繊維束を裁断するために刃の先端部が先鋭化されている。しかし、そのためにゴムロールの外周面が刃の先端部で傷つけられ、ゴム屑が生じやすく、繊維強化樹脂材料に混入するおそれがある。これに対して、本発明の裁断機においては、カッターロールの刃に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている。これにより、繊維束の裁断時に刃がゴムロールの外周面に押し付けられる際には、刃の平坦な先端面が押し付けられる。そのため、ゴムロールの外周面が傷つきにくく、ゴム屑が生じにくいため、繊維強化樹脂材料を製造する際にゴム屑が混入することが抑制される。
<繊維強化樹脂材料の製造装置>
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置は、本発明の第3の態様に係る裁断機と、前記裁断機によって裁断された繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸部と、を備えている。本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置は、本発明の第3の態様に係る裁断機を備える以外は、公知の態様を採用できる。
以下、本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置の一実施形態として、図17に例示した製造装置300について説明する。以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、必要に応じてこのXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。
製造装置300は、繊維束供給部310と、第1のキャリアシート供給部311と、第1の搬送部320と、第1の塗工部312と、裁断機31と、第2のキャリアシート供給部314と、第2の搬送部328と、第2の塗工部315と、含浸部316と、収納容器340と、を備えている。
第1のキャリアシート供給部311は、第1の原反ロールR1から引き出された長尺の第1キャリアシートC1を第1の搬送部320へと供給する。第1の搬送部320は、一対のプーリ321a,321bの間に無端ベルト322を掛け合わせたコンベア323を備えている。コンベア323では、一対のプーリ321a,321bを同一方向に回転させることによって無端ベルト322を周回させ、無端ベルト322の面上において第1キャリアシートC1をX軸方向の右側に向けて搬送する。
第1の塗工部312は、第1の搬送部320におけるプーリ321a側の直上に位置しており、マトリックス樹脂組成物からなるペーストPを供給するコータ324を備えている。第1キャリアシートC1がコータ324を通過することで、第1キャリアシートC1の面上にペーストPが所定の厚みで塗工され、第1樹脂シートS’1が形成される。第1樹脂シートS’1は、第1キャリアシートC1の搬送に伴って走行する。
繊維束供給部310は、長尺の繊維束f’を複数のボビン317から引き出しながら、複数のガイドロール318を介して裁断機31に向けて供給する。裁断機31は、第1の塗工部312よりも搬送方向の後段において、第1キャリアシートC1の上方に位置している。裁断機31では、供給された繊維束f’がゴムロール33とカッターロール32に挟み込まれて所定の長さに連続的に裁断される。裁断された繊維束fは落下して第1樹脂シートS’1の上に散布され、シート状繊維束群SFが形成される。
第2のキャリアシート供給部314は、第2の原反ロールR2から引き出された長尺の第2キャリアシートC2を第2の搬送部328へと供給する。第2の搬送部328は、コンベア323により搬送される第1キャリアシートC1の上方に位置しており、複数のガイドロール329を備えている。第2の搬送部328は、第2のキャリアシート供給部314から供給された第2キャリアシートC2を、第1キャリアシートC1とは反対方向(X軸方向の左側)に搬送した後、搬送方向を複数のガイドロール329によって第1キャリアシートC1と同じ方向に反転させる。
第2の塗工部315は、第1キャリアシートC1とは反対方向に搬送されている第2キャリアシートC2の直上に位置し、マトリックス樹脂組成物からなるペーストPを供給するコータ330を備えている。第2キャリアシートC2がコータ330を通過することで、第2キャリアシートC2の面上にペーストPが所定の厚みで塗工され、第2樹脂シートS’2が形成されるようになっている。第2樹脂シートS’2は、第2キャリアシートC2の搬送に伴って走行する。
含浸部316は、第1の搬送部320における裁断機31よりも後段に位置し、貼合機構331と、加圧機構332とを備えている。貼合機構331は、コンベア323のプーリ321bの上方に位置し、複数の貼合ロール333を備えている。複数の貼合ロール333は、第2樹脂シートS’2が形成された第2キャリアシートC2の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。また、複数の貼合ロール333は、第1キャリアシートC1に対して第2キャリアシートC2が徐々に接近するように配置されている。
貼合機構331では、第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2とが、その間に第1樹脂シートS’1、シート状繊維束群SF及び第2樹脂シートS’2を挟み込んだ状態で重ね合わされながら搬送される。ここで、第1樹脂シートS’1、シート状繊維束群SF及び第2樹脂シートS’2を挟み込んだ状態で第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2が貼合されたものを前駆積層体S’3という。
加圧機構332は、貼合機構331の後段に位置し、一対のプーリ334a,334bの間に無端ベルト335aを掛け合わせた下側コンベア336Aと、一対のプーリ334c,334dの間に無端ベルト335bを掛け合わせた上側コンベア336Bとを備えている。下側コンベア336Aと上側コンベア336Bとは、互いの無端ベルト335a,335bを突き合わせた状態で、互いに対向して配置されている。
加圧機構332では、下側コンベア336Aの一対のプーリ334a,334bが同一方向に回転されることによって無端ベルト335aが周回される。また、加圧機構332では、上側コンベア336Bの一対のプーリ334c,334dを同一方向に回転させることによって、無端ベルト335bが無端ベルト335aと同じ速さで逆向きに周回される。これにより、無端ベルト335a,335bの間に挟み込まれた前駆積層体S’3がX軸方向の右側に搬送される。
加圧機構332には、さらに複数の下側ロール337aと、複数の上側ロール337bとが設けられている。複数の下側ロール337aは、無端ベルト335aの突合せ部分の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。同様に、複数の上側ロール337bは、無端ベルト335bの突き合わせ部分の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。また、複数の下側ロール337aと複数の上側ロール337bとは、前駆積層体S’3の搬送方向に沿って互い違いに並んで配置されている。
加圧機構332では、無端ベルト335a,335bの間を前駆積層体S’3が通過する間に、前駆積層体S’3を複数の下側ロール337a及び複数の上側ロール337bにより加圧する。
このとき、第1樹脂シートS’1及び第2樹脂シートS’2のマトリックス樹脂組成物がシート状繊維束群SFに含浸され、第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2に挟持された状態で繊維強化樹脂材料R’(SMC)が形成される。
収納容器340は、繊維強化樹脂材料R’が第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2に挟持された原反Rを収納するための容器である。原反Rは、例えば振り込み等によって収納容器340内に収納される。
以上説明した本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置においては、裁断機におけるカッターロールの刃に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている。これにより、刃が押し付けられてもゴムロールの外周面が傷つきにくく、ゴム屑が生じにくい。そのため、製造される繊維強化樹脂材料にゴム屑が混入することが抑制される。
なお、本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置は、前記した製造装置300には限定されない。例えば、本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置は、製造された原反をボビンに巻き取るものであってもよい。
<繊維強化樹脂材料の製造方法>
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法は、前述した本発明の第3の態様に係る裁断機を用いて繊維強化樹脂材料を製造する方法である。本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法は、下記の散布工程及び含浸工程を有する。
散布工程:本発明の第3の態様に係る裁断機により長尺の繊維束を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束(チョップド繊維束)を、マトリックス樹脂組成物からなる第1樹脂シート上にシート状に散布してシート状繊維束群を形成する工程。
含浸工程:前記シート状繊維束群上に、マトリックス樹脂組成物からなる第2樹脂シートを積層して材料前駆体を形成し、前記材料前駆体を両面側から加圧し、前記シート状繊維束群に前記マトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料を得る工程。
以下、本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法の一実施形態として、製造装置300を用いた繊維強化樹脂材料積層体の製造方法について説明する。製造装置300を用いた繊維強化樹脂材料積層体の製造方法では、以下の散布工程及び含浸工程を順次行う。
(散布工程)
第1のキャリアシート供給部311により、第1の原反ロールR1から長尺の第1キャリアシートC1を引き出して第1の搬送部320へと供給し、第1の塗工部312によりペーストPを所定の厚みで塗工して第1樹脂シートS’1を形成する。第1の搬送部320によって第1キャリアシートC1を搬送することにより、第1キャリアシートC1上の第1樹脂シートS’1を走行させる。
繊維束供給部310から供給した繊維束f’を裁断機31において所定の長さとなるように連続的に裁断し、裁断された繊維束fを第1樹脂シートS’1の上に落下させて散布する。
これにより、走行する第1樹脂シートS’1上に、各繊維束fがランダムな繊維配向で散布されたシート状繊維束群SFが連続的に形成される。
本実施形態では、裁断機31におけるカッターロール32の刃36に、平坦で刃36の高さ方向に垂直な先端面36aが形成されているため、刃36が押し付けられてもゴムロール33の外周面33aが傷つきにくく、ゴム屑が生じにくい。そのため、ゴム屑がシート状繊維束群SFに混入することが抑制される。
繊維束を形成する強化繊維としては、特に限定されず、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、繊維強化樹脂材料成形体の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
強化繊維は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
繊維束の平均幅は、1〜50mmが好ましく、1.5〜15mmがより好ましく、2〜8mmがさらに好ましい。繊維束の平均幅が下限値以上であれば、成形時に繊維強化樹脂材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。繊維束の平均幅が上限値以下であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。
なお、繊維束の平均幅は、以下の方法で測定される。電気炉などで繊維強化樹脂材料を加熱してマトリックス樹脂組成物を分解させ、残存した繊維束から無作為に10本の繊維束を選択する。10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で幅をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均幅とする。
裁断後の繊維束の平均繊維長は、5〜100mmが好ましく、10〜60mmがより好ましく、25〜50mm程度がさらに好ましい。繊維束の繊維長が下限値以上であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。繊維束の繊維長が上限値以下であれば、成形時に繊維強化樹脂材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。
なお、繊維束の平均繊維長は、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて最大の繊維長をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均繊維長とする。
繊維束の平均厚みは、0.01〜0.5mmが好ましく、0.02〜0.09mmがより好ましく、0.025〜0.07mmがさらに好ましい。繊維束の平均厚みが下限値以上であれば、繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させることが容易になる。繊維束の平均厚みが上限値以下であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。
なお、繊維束の平均厚みは、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で厚みをノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均厚みとする。
マトリックス樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂を含む組成物が好ましい。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン系樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、イミド系樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
マトリックス樹脂組成物には、必要に応じて、硬化剤、内部離型剤、増粘剤、安定剤等の添加剤が配合されていてもよい。
(含浸工程)
第2のキャリアシート供給部314により、第2の原反ロールR2から長尺の第2キャリアシートC2を引き出して第2の搬送部328へと供給する。第2の塗工部315により、第2キャリアシートC2の面上にペーストPを所定の厚みで塗工し、第2樹脂シートS’2を形成する。
第2キャリアシートC2を搬送することで第2樹脂シートS’2を走行させ、貼合機構331によりシート状繊維束群SF上に第2キャリアシートC2とともに第2樹脂シートS’2を貼り合わせて積層する。これにより、シート状繊維束群SFが第1樹脂シートS’1及び第2樹脂シートS’2で挟み込まれた材料前駆体が、第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2で挟み込まれた前駆積層体S’3が連続的に形成される。
加圧機構332により、前駆積層体S’3を両面から加圧し、第1樹脂シートS’1及び第2樹脂シートS’2のマトリックス樹脂組成物をシート状繊維束群SFに含浸させ、第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2の間で繊維強化樹脂材料R’を形成する。繊維強化樹脂材料R’が第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2で挟持された状態の原反Rは収納容器340に振り込んで収納する。
以上説明した本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法においては、裁断機におけるカッターロールの刃に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されているため、刃が押し付けられてもゴムロールの外周面が傷つきにくく、ゴム屑が生じにくい。これにより、ゴム屑がシート状繊維束群に混入することが抑制されるため、最終的に得られる繊維強化樹脂材料にゴム屑が混入することも抑制される。
<<本発明の第4の態様>>
<炭素繊維束用切断刃>
本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、刃角度θ(度)と刃の厚さT(mm)との比率(θ/T)が、35〜1800の範囲である切断刃である。本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、例えば、上記の本発明の第1の態様〜第3の態様において、強化繊維が炭素繊維である場合に用いる切断刃として好ましい。
θ/Tをこの範囲とすることで、耐久性、耐摩耗性、ロールへの装着性に優れた、炭素繊維の切断に適した切断刃とすることができる。
θ/Tは、好ましくは、50〜250の範囲であり、さらに好ましくは、60〜100の範囲である。
また、θ/Tは、好ましくは、1000〜1800の範囲にあり、さらに好ましくは、1500〜1800の範囲にある。
本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃としては、下記の切断刃(α)切断刃(β)および切断刃(γ)が好ましい。
切断刃(α):
前記θ/Tが35〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、鉄鋼材料からなる平板状の基部と、炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する炭素繊維束用切断刃。
切断刃(β):
θ/Tが50〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、鉄鋼材料からなる平板状の基部と、炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、刃先部の表面にコーティング層を有しない炭素繊維束用切断刃。
切断刃(γ):
θ/Tが500〜1800の範囲である平板状の刃であり、刃の先端に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている炭素繊維束用切断刃。
(切断刃(α)、切断刃(β))
切断刃(α)および切断刃(β)の形状は、第2の態様における炭素繊維束用切断刃26bと同様である。
切断刃(α)および切断刃(β)の厚さT、長さL、長さLと高さHとの比(L/H)は、第2の態様における炭素繊維束用切断刃26bと同様であり、好ましい範囲も同様である。
切断刃(α)および切断刃(β)の基部および刃先部の材料は、鉄鋼材料である。鉄鋼材料からなる切断刃(α)および切断刃(β)は、超硬合金からなる切断刃に比べ、捩じりを加えた際に割れにくい。また、超硬合金からなる切断刃に比べ、安価である。
鉄鋼材料としては、第1の態様における切断刃16bの材料として例示した鉄鋼材料と同様のものが挙げられる。
(切断刃(α))
切断刃(α)におけるθ/Tは、35〜500の範囲である。θ/Tが35以上であれば、刃先が磨耗しにくくなるとともに、炭素繊維束を切断するための局所曲げ形状を形成しつつ切断刃(α)をロールの溝に捩りながら挿入する作業が容易となる。θ/Tが500以下であれば、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、切断刃(α)に捩じりを加えてロールの溝に挿入する作業をしても割れにくくなる。
切断刃(α)における刃先部の先端の刃角度θは、第2の態様における切断刃(I)と同様であり、好ましい範囲も同様である。
刃先部の先端の刃角度θが小さいと刃先が磨耗しやすい。よって、切断刃(α)においては、刃先部の表面に特定のコーティング層を設ける。
切断刃(α)におけるコーティング層は、第2の態様における切断刃(I)と同様であり、好ましい範囲も同様である。
(切断刃(β))
切断刃(β)におけるθ/Tは、50〜500の範囲である。θ/Tが50以上であれば、刃先が磨耗しにくくなるとともに、炭素繊維束を切断するための局所曲げ形状を形成しつつ切断刃(β)をロールの溝に捩りながら挿入する作業が容易となる。θ/Tが500以下であれば、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、切断刃(β)に捩じりを加えてロールの溝に挿入する作業をしても割れにくくなる。
切断刃(β)における刃先部の先端の刃角度θは、第2の態様における切断刃(II)と同様であり、好ましい範囲も同様である。
刃先部の先端の刃角度θが大きいと刃先が磨耗しにくい。よって、切断刃(β)においては、刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる特定のコーティング層を設ける必要がない。
(切断刃(γ))
切断刃(γ)においては、平板状の刃の先端に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面(θ:180度)が形成されており、そのθ/Tは500〜1800の範囲である。θ/Tが500以上であれば、繊維束を裁断することが容易になる。θ/Tが1800以下であれば、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、切断刃(γ)に捩じりを加えてロールの溝に挿入する作業をしても割れにくくなる。
切断刃(γ)の形状は、第3の態様における刃36と同様であり、その作用機序についても同様である。
切断刃(γ)の厚さT、高さ、長さは、第3の態様における刃36と同様であり、好ましい範囲も同様である。
<チョップド繊維束の製造装置>
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置は、本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたものである。
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置としては、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置において、ロータリーカッタ16の切断刃16bの代わりに本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたもの;本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置において、炭素繊維束用ロータリーカッタ26の炭素繊維束用切断刃26bの代わりに本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたもの;本発明の第3の態様に係る裁断機において、カッターロール32の刃36の代わりに本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたものが挙げられる。
<チョップド繊維束の製造方法>
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造方法は、本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃によって繊維束を切断する方法である。
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造方法としては、本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法において、チョップド繊維束の製造装置として本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を用いる方法;本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法において、チョップド炭素繊維束の製造装置として本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を用いる方法;本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法において、裁断機として本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を用いる方法が挙げられる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実験例1)
刃先部の先端の刃角度と切断抵抗との関係:
合金工具鋼鋼材(SKS81)からなる切断刃(厚さT:0.3mm、長さL:100mm、高さH:8mm、刃先部の先端の刃角度θ:20度)を作製した。
刃受けゴムとして、ウレタンゴムシート(厚さ:20mm、長さ:40mm、幅:40mm)を用意した。
炭素繊維束として、炭素繊維トウ(三菱レイヨン社製、PYROFIL(登録商標)TR50S15L、炭素繊維の本数:15000本、炭素繊維の直径:7μm)を用意した。
切断テスト用の装置(オークマ社製のコスモセンタおよびキスラー社製の動力計9221Aを用いた装置)のエンドミルチャックに取り付けた専用刃物ホルダに切断刃を取り付けた。切断刃の下方に、切断刃の長さ方向に対して繊維方向が直交するように炭素繊維束および刃受けゴムを配置し、切断刃によって炭素繊維束を刃受けゴムに押し込みながら切断した際の切断抵抗を刃受けゴム直下に設置した動力計で測定した。切断刃を交換することなく炭素繊維束の切断を合計で10回行い、切断抵抗の平均値を求めた。
刃先部の先端の刃角度を30度に変更した切断刃、および刃先部の先端の刃角度を40度に変更した切断刃を作製し、これらについても同様に切断抵抗の平均値を求めた。刃先部の先端の刃角度と切断抵抗との関係を図18に示す。
刃先部の先端の刃角度が50度以下であれば、初期の切断抵抗を約70N以下に抑えることができ、炭素繊維束を切断しやすいことがわかった。
(実験例2)
刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係:
合金工具鋼鋼材(SKS81)からなる切断刃(厚さT:0.3mm、長さL:100mm、高さH:8mm、刃先部の先端の刃角度θ:20度)を作製した。
刃受けゴム、炭素繊維束、切断テスト用の装置としては、実験例1と同じものを用意した。
切断テスト用の装置の専用刃物ホルダに切断刃を取り付けた。切断刃の下方に、切断刃の長さ方向に対して繊維方向が直交するように炭素繊維束および刃受けゴムを配置し、切断刃によって炭素繊維束を刃受けゴムに押し込みながら切断した際の切断抵抗を刃受けゴム直下に設置した動力計で測定した。切断刃を交換することなく炭素繊維束の切断を合計で10回行い、切断抵抗の平均値を求めた。
刃先部の先端にチャンファ処理(面取り)を施し、人工的に刃先を磨耗させた。磨耗量は25μm、50μm、75μm、100μmと変化させた。これらについても同様に切断抵抗の平均値を求めた。刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係を図19に示す。
また、刃受けゴムをニトリルゴムシートに変更した以外は、同様に切断抵抗の平均値を求めた。刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係を図19に示す。
刃先部の先端の磨耗量の増加とともに切断抵抗が上昇する傾向が見られた。
(実験例3)
刃先部の先端の磨耗量と刃受けゴムへのくい込み深さとの関係:
実験例2において切断抵抗を測定すると同時に、切断刃の先端の刃受けゴムへのくい込み深さを測定した。刃先部の先端の磨耗量と刃受けゴムへのくい込み深さとの関係を図20に示す。
刃先部の先端の磨耗量の増加とともに刃受けゴムへのくい込み深さが深くなる傾向が見られた。刃受けゴムがウレタンゴムの場合、切断刃の先端のくい込みが少ない。よって、ウレタンゴムの方が切断刃による損傷が少なくなることが予想された。
(例1)
合金工具鋼鋼材(SKS81)からなる切断刃(厚さT:0.3mm、長さL:900mm、高さH:8mm、刃先部の先端の刃角度θ:20度、刃先部のコーティング層:なし)を作製した。
ステンレス鋼製のロータリーカッタ用のロール(長さ(面長):1000mm、外径:210mm)を用意した。ロールの周面には、切断刃を嵌合するための溝がロールの回転軸方向に対して長さ方向が1.46度の傾き(捩じり)を有するように、周方向の間隔:25.4mmで螺旋状に形成されていた。
切断刃をロールの周面に取り付けてロータリーカッタを作製した。この際、刃先部を含む切断刃のロールの周面からの突出量は、1mmとした。
ゴム部材(ウレタンゴム)が周面に設けられたアンビルロール(長さ(面長):1000mm、外径:190mm)を用意した。
ステンレス鋼製のタッチロール(長さ(面長):1000mm、外径:87mm)を用意した。
図12および図13に示すようにチョップド炭素繊維束の製造装置を組み立てた。
炭素繊維束として、炭素繊維トウ(三菱レイヨン社製、PYROFIL(登録商標)TR50S15L、炭素繊維の本数:15000本、炭素繊維の直径:7μm)を用意した。
チョップド炭素繊維束の製造装置を用いて、炭素繊維束の切断を実施した。定期的に切断を中止して切断刃の刃先部の先端の磨耗量を測定した。切断回数と刃先部の先端の磨耗量との関係を図21に示す。
図中、摩耗量A、摩耗量B、摩耗量Cはそれぞれ、ロールの周方向に概ね120度毎に配置した切断刃の磨耗量を計測した結果である。
最小二乗法により、切断回数に対する刃先部の先端の磨耗量の近似直線を作成し、この直線の傾きを求めた。
(例2〜19、例21〜25、例31〜33)
切断刃の基部および刃先部の材料、厚さT、刃先部の先端の刃角度θ、刃先部の表面のコーティング層を表1に示すように変更した以外は、例1と同様にして炭素繊維束の切断を実施した。
表中、A−DLCは、アモルファスダイアモンドライクカーボンの略、DLCはダイアモンドライクカーボンの略、TiNは窒化チタンの略である。
各例について最小二乗法により、切断回数に対する刃先部の先端の磨耗量の近似直線を作成し、この直線の傾きを求めた。下記式から寿命効果を求めた。寿命効果を表1に示す。
寿命効果(%)=(例1の直線の傾き/各例の直線の傾き)×100
Figure 0006337975
刃先部の先端の刃角度θが30度であり、かつ刃先部の表面のコーティング層がTiNである例21、22、24、および刃先部の表面のコーティング層がなくても刃先部の先端の刃角度θが40度である例23、25は、寿命効果が高く、刃先が磨耗しにくいことがわかった。
切断刃の基部および刃先部の材料が超硬合金である例31〜33は、寿命効果が著しく高かったが、切断刃の価格は、鉄鋼材料の切断刃の30倍以上であり、費用対効果は低かった。
(例41)
図15及び図16に例示した、先端面36aが形成された刃36が複数設けられたカッターロール32を備える裁断機31を用意した。ロール本体35の直径は210mm、長さは900mmとした。刃36の厚さは0.10mm、高さは8mm、長さは900mmとした。カッターロール32の材質は、SK4とした。また、ゴムロール33の直径は190mm、長さは970mmとした。ゴムロール33の材質は天然ゴムとした。ピンチロール34の直径は87mm、長さは900mmとした。ピンチロール34の材質は硬質クロムメッキを施したS55C製とした。
(例42〜47)
刃36の厚さを表2に示すように変更した以外は、例41と同様の裁断機31を用意した。
(例51)
カッターロール32を、刃角度θが20度となるように先端部を先鋭化した刃37(図22)が設けられたカッターロール38に変更した以外は、例41と同様の裁断機を用意した。
(ゴムロールの傷つき評価)
長尺の繊維束として炭素繊維束(商品名「TR50S15L」、引張り強度:4900MPa、幅:7.5mm、厚み0.10mm、フィラメント数:15,000本、三菱レイヨン社製)を使用し、各例の裁断機において500m分の繊維束を裁断し、平均繊維長25.4mmのチョップド繊維束を作製した。その後、ゴムロールの外周面の状態を目視にて確認し、以下の基準で評価した。
(評価基準)
○:ゴムロールの外周面がほとんど傷ついておらず、ゴム屑の発生が見られない。
×:ゴムロールの外周面が傷つき、ゴム屑の発生が見られる。
(繊維束の裁断性能の評価)
各例の裁断機により下記の繊維束(1)〜(6)を連続的に裁断し、下記の基準で裁断性能を評価した。
繊維束(1):炭素繊維束(商品名「TR30S3L」、引張り強度:4410MPa、幅:2.5mm、厚み0.05mm、フィラメント数:3,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(2):炭素繊維束(商品名「TR50S15L」、引張り強度:4900MPa、幅:7.5mm、厚み0.10mm、フィラメント数:15,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(3):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、引張り強度:4100MPa、幅:12.5mm、厚み0.20mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(4):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、開繊、引張り強度:4100MPa、幅:16.7mm、厚み0.15mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(5):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、2倍開繊、引張り強度:4100MPa、幅:25mm、厚み0.10mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(6):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、4倍開繊、引張り強度:4100MPa、幅:50mm、厚み0.05mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
(評価基準)
○:繊維束が十分に裁断された。
△:繊維束に未裁断の部分が見られた。
各例の評価結果を表2に示す。
Figure 0006337975
表2に示すように、高さ方向に対して垂直な先端面が形成された刃を備えるカッターロールを用いた例41〜47の裁断機では、ゴムロールの外周面に傷つかず、ゴム屑が発生しなかった。また、刃の厚さが0.12mm以下の例41〜43の裁断機では、繊維束(1)〜(6)の全てを、未裁断の部分を生じさせずに裁断することができた。
一方、高さ方向に対して垂直な先端面が形成されていない刃を備えるカッターロールを用いた例51の裁断機では、ゴムロールの外周面に傷がつき、ゴム屑が発生した。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法によれば、チョップド繊維束が繋がった不良品の発生が長時間にわたって抑えられるため、繊維強化樹脂成形材料に含ませるチョップド繊維束の製造装置および製造方法として有用である。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、刃先が磨耗しにくく、かつ安価であるため、チョップド炭素繊維束の製造に用いる切断刃として有用である。
11 供給ホース、12 ガイドロール、13 コームガイド、13a ロッド、13b ベース、14 擦過バー、15 チョッパユニット、16 ロータリーカッタ、16a ロール、16b 切断刃、17 アンビルロール、18 タッチロール、19 揺動装置、19a 第1の連結棒、19b 第2の連結棒、26 炭素繊維束用ロータリーカッタ、26a ロール、26b 炭素繊維束用切断刃、31 裁断機、32 カッターロール、33 ゴムロール、33a 外周面、34 ピンチロール、35 ロール本体、35a 外周面、36 刃、36a 先端面、37 刃、38 カッターロール、110 繊維束供給手段、111 第1のシート供給手段、112 第1の塗工手段、113 チョップド繊維束製造手段、114 第2のシート供給手段、115 第2の塗工手段、116 含浸手段、117 ボビン、118 ガイドロール、119 第1の搬送部、120 ガイドロール、121a プーリ、121b プーリ、122 無端ベルト、123 コンベア、124 供給ボックス、128 第2の搬送部、129 ガイドロール、130 供給ボックス、131 貼合機構、132 加圧機構、133 貼合ロール、134a プーリ、134b プーリ、134c プーリ、134d プーリ、135a 無端ベルト、135b 無端ベルト、136A 下側コンベア、136B 上側コンベア、137a テンションプーリ、137b テンションプーリ、137c テンションプーリ、137d テンションプーリ、138a 下側ロール、138b 上側ロール、213 チョップド炭素繊維束製造手段、261 基部、262 刃先部、300 製造装置、310 繊維束供給部、311 第1のキャリアシート供給部、312 第1の塗工部、314 第2のキャリアシート供給部、315 第2の塗工部、316 含浸部、317 ボビン、318 ガイドロール、320 第1の搬送部、321a プーリ、321b プーリ、322 無端ベルト、323 コンベア、324 コータ、328 第2の搬送部、329 ガイドロール、330 コータ、331 貼合機構、332 加圧機構、333 貼合ロール、334a プーリ、334b プーリ、334c プーリ、334d プーリ、335a 無端ベルト、335b 無端ベルト、336A 下側コンベア、336B 上側コンベア、337a 下側ロール、337b 上側ロール、340 収納容器、C1 第1キャリアシート、C2 第2キャリアシート、CF チョップド繊維束、CF’ チョップド炭素繊維束、F 繊維束、F’ 炭素繊維束、f 繊維束、f’ 繊維束、H 高さ、L 長さ、P ペースト、R 原反、R’ 繊維強化樹脂材料、R1 第1の原反ロール、R2 第2の原反ロール、S1 第1の離型シート、S2 第2の離型シート、S3 貼合シート、S’1 第1樹脂シート、S’2 第2樹脂シート、S’3 前駆積層体、SF シート状繊維束群、T 厚さ、θ 刃角度。

Claims (5)

  1. 長尺の繊維束を切断する切断刃を有する切断手段と、
    前記切断手段に供給される前記繊維束の走行方向を規制するガイド手段と、
    前記切断手段と前記ガイド手段との間に設けられ、前記繊維束を拡幅する擦過バーによる拡幅手段と、
    前記ガイド手段を前記繊維束の走行を規制している方向に揺動させ、かつ前記ガイド手段と同期させて前記拡幅手段を揺動させる第1の揺動手段とを備えた、チョップド繊維束の製造装置。
  2. 記切断手段を前記繊維束の走行を規制している方向に揺動させる第2の揺動手段をさらに備えた、請求項1に記載のチョップド繊維束の製造装置。
  3. 下記切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段によって規制しつつ、
    下記切断手段と前記ガイド手段との間に設けられた擦過バーによる拡幅手段によって前記繊維束を拡幅した後、
    切断刃を有する切断手段によって前記繊維束を切断してチョップド繊維束を得るに際して、
    前記ガイド手段および前記切断手段を前記繊維束の走行を規制している方向に相対的に揺動させるとともに、前記ガイド手段と同期させて前記拡幅手段を揺動させる、チョップド繊維束の製造方法。
  4. 請求項1または2に記載のチョップド繊維束の製造装置と、
    前記チョップド繊維束の製造装置によって得られたチョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段と
    を備えた、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
  5. 請求項に記載のチョップド繊維束の製造方法によってチョップド繊維束を得て、
    前記チョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる、
    繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
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