JP6732101B2 - 繊維材の賦形装置及び繊維材の賦形方法 - Google Patents

Description

本発明は、テープ状の連続繊維材を、湾曲辺を有する形状に賦形する技術に関する。

従来、繊維強化複合材料の製造方法として、テープ状の連続繊維材（以下、「テープ材」という。）を賦形して所望の形状のプリフォームを作製し、このプリフォームに樹脂を含浸・硬化させて完成品を得る手法が知られている。

プリフォームの作製では、自動繊維配置（ＡＦＰ）装置または自動テープ積層（ＡＴＬ）装置などにより、強化繊維が所定の配向方向となるようにテープ材が並べられ積層される。
そのため、湾曲形状のプリフォームを作製する場合には、この湾曲形状に対応させてテープ材が曲線状に貼られる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１４３６１０号公報

しかしながら、単純にテープ材を曲線状に貼ったのでは、テープ材を隙間なく並べることができない場合がある。
例えば図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、幅方向に湾曲した平板状のウェブ部と、その幅方向両端の湾曲辺から同方向に立設（折り曲げ形成）されたフランジ部とを有するプリフォームを作製する場合がある。このような場合に、一定幅のテープ材を単純に同方向に並べると、テープ材のフランジ部への入射角が連続的に変化してしまう。その結果、フランジ部でテープ材間に隙間が生じてしまい、完成品の強度低下を招いてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、テープ材を隙間なく並べつつ、湾曲したフランジ部を有する形状に好適に賦形することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、長手方向に沿って延在する連続繊維束を含むテープ材を並べて、湾曲したフランジ部を有する賦形形状に賦形する繊維材の賦形装置であって、
前記テープ材を開繊させてその幅を拡大可能な開繊手段と、
前記開繊手段を経た前記テープ材を成形治具の表面に載置するとともに、当該載置する前記テープ材の向きを変化可能に構成された載置手段と、
を備え、
前記賦形形状が、湾曲辺を有するウェブ部と、当該ウェブ部の前記湾曲辺から立設した前記フランジ部とを有する立体形状であり、
前記開繊手段により、前記テープ材が前記成形治具の表面に載置されたときに隣り合うものとの間に隙間が生じないように当該テープ材の幅を連続的に変化させつつ、前記載置手段により、前記ウェブ部から前記フランジ部へのテープ材の入射角が揃うように当該テープ材を曲線状に載置しながら前記成形治具の表面上に複数列に並べることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の繊維材の賦形装置において、
前記ウェブ部は、前記湾曲辺と当該湾曲辺に対向する他の湾曲辺を有し、
前記載置手段は、前記湾曲辺と前記他の湾曲辺との長さの比に対応した曲率で、前記テープ材を曲線状に載置することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の繊維材の賦形装置と同様の特徴を具備する繊維材の賦形方法である。

本発明によれば、テープ材を開繊させる開繊手段により、隣り合うものとの間に隙間が生じないようにテープ材の幅が連続的に変えられつつ、ウェブ部からフランジ部へのテープ材の入射角が揃うように当該テープ材が曲線状に載置されながら成形治具上に複数列に並べられる。
したがって、テープ材を隙間なく並べつつ、湾曲したフランジ部を有する形状に好適に賦形することができる。

実施形態における繊維材の賦形装置の概念図である。 実施形態における繊維材の賦形方法の賦形例を説明するための図である。 実施形態における繊維材の賦形方法の賦形例を説明するための図である。 実施形態における繊維材の賦形方法の他の賦形例を説明するための図である。 実施形態における繊維材の賦形方法の他の賦形例を説明するための図である。 従来の賦形例を説明するための図である。 従来の賦形例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［繊維材の賦形装置の構成］
まず、本実施形態における繊維材の賦形装置（以下、単に「賦形装置」という。）１の構成について説明する。
図１は、賦形装置１の概念図である。

この図に示すように、賦形装置１は、強化繊維を有するテープ材Ｔを賦形してプリフォームを作製するためのものであり、本実施形態においては、湾曲したフランジ部を有する賦形形状に賦形するものである。テープ材Ｔは、長手方向に沿って延在する連続繊維（炭素繊維等の強化繊維）の繊維束を含むドライなテープ状の連続繊維束であり、本実施形態では熱可塑剤等で束ねられている。

具体的に、賦形装置１は、テープ材ボビン２と、積層装置ヘッド３と、成形治具４と、制御部５とを備えている。
このうち、テープ材ボビン２は、テープ材Ｔを巻回保持しており、当該テープ材Ｔを積層装置ヘッド３に供給する。

積層装置ヘッド３は、先端を移動自在に構成されたロボットアーム６の先端に取り付けられており、当該ロボットアーム６によって移動しつつ、テープ材Ｔをテープ材ボビン２から引き出して成形治具４の表面に載置（積層）する。
この積層装置ヘッド３は、テープ材Ｔの搬送方向上流側から順に、テープ材ボビン２からテープ材Ｔを引き込むテープ材引出ローラー３１と、テープ材Ｔを成形治具４の表面に積層する積層ローラー３７との、少なくとも２対のローラーを有している。

テープ材引出ローラー３１と積層ローラー３７との間には、開繊手段３３と、タック材塗布装置３５と、カッター３６とが設けられている。

このうち、開繊手段３３は、テープ材Ｔを開繊させることによって、その幅を所定範囲内で自在に拡大可能なものである。この開繊手段３３は、テープ材Ｔを開繊させてその幅を自在に拡大可能であれば、その具体構成は特に限定されない。例えば、テープ材Ｔと物理的に接触して開繊させる機械式のもの（例えば、特開平３−１４６７３６号公報参照）であってもよいし、テープ材Ｔを流体（空気や液体）の中に通して開繊させる流体式のもの（例えば、特開平１１−１７２５６２号公報参照）や、電気的な力でテープ材Ｔを開繊させる電気式のもの（例えば、特開平０７−２５８９４９号公報参照）などであってもよい。

タック材塗布装置３５は、テープ材Ｔの一方の主面（積層時の下側の主面）にタック（仮止め）材を塗布するものである。
カッター３６は、テープ材Ｔを必要な長さに切断するものである。

成形治具４は、積層装置ヘッド３により表面にテープ材Ｔが載置（積層）される型台である。この成形治具４は、本実施形態では、少なくとも１つの湾曲辺を有する平板部（上板部）と、この湾曲辺から下方に立設した側板部とを有する形状に形成されている。

制御部５は、賦形装置１の各部の動作を統括制御する。具体的に、制御部５は、ロボットアーム６の動作を制御して積層装置ヘッド３の位置や向き，速度等を制御したり、開繊手段３３によるテープ材Ｔの開繊程度（すなわち、開繊後のテープ材Ｔの幅）を制御したりする。

［繊維材の賦形方法］
続いて、賦形装置１を用いた繊維材（テープ材Ｔ）の賦形方法について、具体例を挙げて説明する。

ここでは、湾曲したフランジ部を有する立体形状にテープ材Ｔを賦形する場合について説明する。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、この賦形例を説明するための図である。

幅方向に湾曲した平板状のウェブ部８１と、その幅方向両端の湾曲辺から同方向に立設（折り曲げ形成）された２つのフランジ部８２とを有する積層体８を作製する場合、一定幅のテープ材Ｔを単純に同方向に並べると、テープ材Ｔのフランジ部８２への入射角が連続的に変化してしまう（図４（Ａ），図４（Ｂ）参照）。その結果、フランジ部８２でテープ材Ｔ間に隙間ができてしまう。

そこで、本実施形態の賦形装置１では、図２（Ａ），図２（Ｂ）に示すように、ウェブ部８１からフランジ部８２へのテープ材Ｔの入射角αを揃えるとともに、当該テープ材Ｔの幅を連続的に変化させながら当該テープ材Ｔを成形治具４に載置させることにより、隙間なくテープ材Ｔを並べている。

具体的には、賦形装置１の制御部５が、ロボットアーム６により積層装置ヘッド３の向きを変化させつつ移動させて、ウェブ部８１からフランジ部８２へのテープ材Ｔの入射角αが揃うように当該テープ材Ｔを曲線状に載置（ステアリング）する。また同時に、制御部５は、隣り合うテープ材Ｔとの隙間が埋まるように、開繊手段３３によりテープ材Ｔの幅を内側（図２（Ａ）の下側）の湾曲辺から外側（図２（Ａ）の上側）の湾曲辺に向かって広がるように連続的に変化させながら、当該テープ材Ｔを成形治具４の表面に載置する。このとき、ステアリングによるテープ材Ｔの曲率は、ウェブ部８１両端の２つの湾曲辺の曲率またはその長さの比率に対応させて適宜設定される。
なお、図２（Ｂ）では、図中手前側のフランジ部８２に対するテープ材Ｔの入射角αのみを示したが、図中奥側のフランジ部８２へのテープ材Ｔの入射角も同様に揃えられるのは勿論である。

つまり、賦形装置１では、ステアリングによりウェブ部８１からフランジ部８２へのテープ材Ｔの入射角αを揃えつつ、このときのテープ材Ｔ間の隙間を埋めるように当該テープ材Ｔの幅を連続的に変化させている。
これにより、テープ材Ｔを隙間なく並べつつ、湾曲したフランジ部８２を有する立体形状に好適に賦形することができる。

こうして、テープ材Ｔを順次並べつつ積層していくことにより、成形治具４の形状に対応した積層体８が作製される。そして、この積層体８を必要に応じてプレスなどすることにより、プリフォームが完成する。その後、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形によってこのプリフォームを樹脂で含浸することにより、繊維強化複合材料が完成する。

［効果］
以上のように、本実施形態によれば、テープ材Ｔを開繊させる開繊手段３３により、隣り合うものとの間に隙間が生じないようにテープ材Ｔの幅が連続的に変えられつつ、ウェブ部８１からフランジ部８２へのテープ材Ｔの入射角αが揃うように当該テープ材Ｔが曲線状に載置されながら、成形治具４上に複数列に並べられる。
つまり、ウェブ部８１からフランジ部８２へのテープ材Ｔの入射角αが揃うように当該テープ材Ｔがステアリングされつつ、このときのテープ材Ｔ間の隙間を埋めるように当該テープ材Ｔの幅が連続的に変えられる。
したがって、テープ材Ｔを隙間なく並べつつ、湾曲したフランジ部８２を有する形状に好適に賦形することができる。

［変形例］
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、幅方向に湾曲した平板状のウェブ部８１の湾曲辺からフランジ部８２が立設している賦形形状を例に挙げて説明したが、本発明を適用可能な賦形形状は、少なくとも１つのフランジ部がウェブ部の湾曲辺から立設しているものであれば特に限定されない。
したがって、ウェブ部の形状は、例えば図３（Ａ）に示すように、対向する２つの湾曲辺がいずれも凹状であったり、図３（Ｂ）に示すように、湾曲辺に対向する辺が直線状であったりしてもよい。なお、図３（Ａ），図３（Ｂ）における細線は、テープ材Ｔの貼り方を定めるための想像線である。

また、本発明に係るテープ材は、ウェブ部の湾曲辺と交差する方向に沿って延在していれば、特に限定されない。

産業上の利用の可能性

以上のように、本発明に係る繊維材の賦形装置及び繊維材の賦形方法は、湾曲したフランジ部を有する形状に好適にテープ材を賦形するのに有用である。

１ 繊維材の賦形装置
３ 積層装置ヘッド
３３ 開繊手段
３７ 積層ローラー
４ 成形治具
５ 制御部
６ ロボットアーム
８ 積層体
８１ ウェブ部
８２ フランジ部
Ｔ テープ材
α 入射角

Claims (3)

1. 長手方向に沿って延在する連続繊維束を含むテープ材を並べて、湾曲したフランジ部を有する賦形形状に賦形する繊維材の賦形装置であって、
   前記テープ材を開繊させてその幅を拡大可能な開繊手段と、
   前記開繊手段を経た前記テープ材を成形治具の表面に載置するとともに、当該載置する前記テープ材の向きを変化可能に構成された載置手段と、
   を備え、
   前記賦形形状が、湾曲辺を有するウェブ部と、当該ウェブ部の前記湾曲辺から立設した前記フランジ部とを有する立体形状であり、
   前記開繊手段により、前記テープ材が前記成形治具の表面に載置されたときに隣り合うものとの間に隙間が生じないように当該テープ材の幅を連続的に変化させつつ、前記載置手段により、前記ウェブ部から前記フランジ部へのテープ材の入射角が揃うように当該テープ材を曲線状に載置しながら前記成形治具の表面上に複数列に並べることを特徴とする繊維材の賦形装置。
2. 前記ウェブ部は、前記湾曲辺と当該湾曲辺に対向する他の湾曲辺を有し、
   前記載置手段は、前記湾曲辺と前記他の湾曲辺との長さの比に対応した曲率で、前記テープ材を曲線状に載置することを特徴とする請求項１に記載の繊維材の賦形装置。
3. 長手方向に沿って延在する連続繊維束を含むテープ材を並べて、湾曲したフランジ部を有する賦形形状に賦形する繊維材の賦形方法であって、
   繊維材の賦形装置が、
   前記テープ材を開繊させてその幅を拡大可能な開繊工程と、
   前記開繊工程を経た前記テープ材を成形治具の表面に載置する載置工程と、
   を実行し、
   前記賦形形状が、湾曲辺を有するウェブ部と、当該ウェブ部の前記湾曲辺から立設した前記フランジ部とを有する立体形状であり、
   前記開繊工程により、前記テープ材が前記成形治具の表面に載置されたときに隣り合うものとの間に隙間が生じないように当該テープ材の幅を連続的に変化させつつ、前記載置工程により、前記ウェブ部から前記フランジ部へのテープ材の入射角が揃うように当該テープ材を曲線状に載置しながら前記成形治具の表面上に複数列に並べることを特徴とする繊維材の賦形方法。

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