(57)【要約】【課題】樹脂を含浸するために供給される繊維の入射角を調節してコーティングローラー側に供給される繊維に加えられる張力を調節し、それによって、樹脂含量を調節できるトウプリプレグの製造装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明によるトウプリプレグの製造装置は、供給される繊維の入射角を調節するためのスプレッディングローラーと、スプレッディングローラーから供給される繊維に樹脂がコーティングできるように、繊維が通過するためのギャップをもって回転する第１ローラーと、第２ローラーを含む少なくとも２つのコーティングローラーと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給する繊維の入射角を調節するスプレッディングローラーと、
前記スプレッディングローラーから供給される繊維に樹脂をコーティングできるように、前記繊維が通過するギャップをもって回転する第１ローラー及び第２ローラーを含む少なくとも２つのコーティングローラーと、
を含むことを特徴とするトウプリプレグの製造装置。
【請求項２】
前記スプレッディングローラーは、その装着位置を変更して移動可能なように形成されることを特徴とする請求項１に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項３】
前記スプレッディングローラーは、前記第１ローラー及び前記第２ローラーのギャップに繊維が垂直に供給される第１位置、及び所定の最大入射角を形成できる第２位置の間で移動可能なように構成され、所定の位置に固定されることを特徴とする請求項２に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項４】
前記スプレッディングローラーは、繊維の入射角を０°乃至３０°に調節できることを特徴とする請求項１に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項５】
前記第１ローラー及び第２ローラーは、相異なる材質からなり、前記第１ローラー又は前記第２ローラーはその表面が弾性材料からなるローラーであることを特徴とする請求項１に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項６】
前記弾性材料からなるローラー以外の他のローラーは、その表面が非弾性材料からなることを特徴とする請求項５に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項７】
前記第２ローラーとの間に繊維が通過できるギャップを形成する第３ローラーを更に含み、前記第３ローラーの表面材料は、前記第１ローラーの表面材料と同じ材料からなることを特徴とする請求項５に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項８】
前記第１ローラー及び前記第３ローラーの表面材料は、ゴムであり、前記第２ローラーの表面材料が金属であることを特徴とする請求項７に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項９】
前記第１ローラー及び前記第３ローラーの表面材料は、金属であり、前記第２ローラーの表面材料がゴムであることを特徴とする請求項７に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項１０】
前記第１ローラーと前記第２ローラーとの間のギャップは、前記第２ローラーと前記第３ローラーとの間のギャップよりも大きいことを特徴とする請求項７に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項１１】
前記スプレッディングローラーを移動させる移送ユニット、及び前記移送ユニットを制御して前記スプレッディングローラーの位置を調整する制御機を更に含み、前記制御機は、繊維の入射角と樹脂含量がマッチングしているデータのデータテーブルを有し、前記繊維の入射角は、前記データテーブルによって決定されるか、又は直接入力可能であることを特徴とする請求項１に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項１２】
前記スプレッディングローラー側に繊維を供給できるように繊維が巻回されたクリールと、
前記クリールと前記スプレッディングローラーとの間に設置されて繊維の供給をガイドするガイドローラーと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項１３】
前記コーティングローラーを通過した繊維を加熱するためのヒータと、
前記ヒータを通過した繊維を冷却する冷却ローラーと、
前記冷却ローラーを通過した繊維を巻く巻取機と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のトウプリプレグの製造装置。
【請求項１４】
スプレッディングローラーからコーティングローラーに供給される繊維の入射角を設定する段階と、
設定された入射角に前記スプレッディングローラーを移動させる段階と、
前記コーティングローラー側に繊維を供給し、供給された繊維に連続的に樹脂をコーティングする段階と、
を含むことを特徴とするトウプリプレグの製造方法。
【請求項１５】
前記繊維の入射角を設定する段階は、０°乃至３０°の入射角が選択されることを特徴とする請求項１４に記載のトウプリプレグの製造方法。
【請求項１６】
前記繊維の入射角を設定する段階は、制御機に樹脂含量が入力される段階を含み、前記制御機は、前記繊維の入射角と樹脂含量とがマッチングしているデータテーブルのデータに基づき前記繊維の入射角を決定することを特徴とする請求項１４に記載のトウプリプレグの製造方法。
【請求項１７】
前記樹脂をコーティングする段階は、相異なる材質の第１ローラーと第２ローラーとの間のギャップに樹脂が供給されることによって、前記ギャップを通過する繊維に樹脂がコーティングされることを特徴とする請求項１４に記載のトウプリプレグの製造方法。
【請求項１８】
相異なる材質を有する前記第２ローラーと第３ローラーとの間のギャップにコーティングされた樹脂を通過させることによって、コーティングされた樹脂の一部を除去して樹脂の含量を低減させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載のトウプリプレグの製造方法。
【請求項１９】
コーティングされた樹脂を加熱する段階を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のトウプリプレグの製造方法。
【請求項２０】
コーティングされた樹脂を冷却して巻き取る段階を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のトウプリプレグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トウプリプレグの製造装置及びその製造方法に係り、より詳しくは、燃料電池自動車用圧力容器の素材に用いるトウプリプレグを製造する装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスを貯蔵するための圧力容器は、堅固で高圧に耐えられる特性を持つ素材を必要とし、特に自動車の燃費及び性能を向上させるためには、圧力容器の構造物の軽量化が必須である。この目的のために、金属材質の圧力容器に代えて、軽くて強い炭素繊維複合材料の圧力容器を使用することは、最も効果的な方法の１つである。
【０００３】
複合材料の圧力容器は、フィラメント・ワインディング（Ｆｉｌａｍｅｎｔ  Ｗｉｎｄｉｎｇ）工法を用いて製作する。フィラメント・ワインディング工法は、円筒形や曲面を有する構造物を一体成形により容易に製作できるという長所、及び荷重伝達方向に繊維を集中的に補強することによって複合材料の性能を極大化できるという長所がある。
【０００４】
フィラメント・ワインディング工法は、樹脂が含浸されている連続繊維を、回転する円筒形状の金型（Ｍａｎｄｒｅｌ）に巻回して硬化させることによって、回転対称を有する構造物を製造する複合材成形工法である。
フィラメント・ワインディング工法は、補強繊維を金型に巻回する直前にフィラメントを樹脂槽（Ｒｅｓｉｎ  Ｂａｔｈ）を通過させて含浸させる湿式巻き（Ｗｅｔ  Ｗｉｎｄｉｎｇ）工法と、トウプリプレグを用いた乾式巻き（Ｄｒｙ  Ｗｉｎｄｉｎｇ）工法と、を適用することができる。
【０００５】
現在、圧力容器の製造工程に適用している湿式巻き工程は、補強繊維に樹脂が含浸されると共に金型に巻回されるという工程の特性上、使用される樹脂の大部分は粘度が非常に低いものである。このため、使用する樹脂のいろいろな組合せ、及び添加剤の選択が困難であり、多様な物性の樹脂を得ることが困難であり、更に巻き取る時スリップが発生するので複雑なパターンを巻回しにくいという問題がある。また、繊維の配列が不定になり、相対的に再現性と信頼性とに劣り、更に液体樹脂を使用するために作業現場の汚染から、劣悪な作業環境を招くようになる。また、圧力容器の生産現場で補強繊維に樹脂を含浸されるため、両者の体積比を一定に調節しにくく、体積比の不良に基づく品質不良が発生した場合、圧力容器の不良につながることになる。
【０００６】
一方、乾式巻き工法は、予め補強繊維に樹脂を一定の体積比で含浸させた中間材のトウプリプレグを使用するが、その場合、別途の樹脂含浸工程を省略できるため、単純で且つ清潔な工程で圧力容器の製造が可能となる。また、予め精密な体積比で生産された中間材を適用することで、圧力容器の体積比の不良を予防することができる。また、湿式巻き工程に適用される樹脂に比して粘度の高い樹脂を使用できることによって、トウプリプレグの表面に粘着性を持たせることができるため、下部金型及び巻き取られたトウプリプレグの表面が粘着されて巻取り中の滑りを防止でき、多様なパターンの設計が可能となると共に、圧力容器を精密に製造できるという長所がある。そのため、トウプリプレグは、次世代複合材料の圧力容器の核心素材として注目を浴びている。
【０００７】
トウプリプレグは、製造方式に応じて溶剤製造工法（Ｓｏｌｖｅｎｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓ、溶剤型）とホットメルト製造工法（Ｈｏｔ  Ｍｅｌｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓ、熱溶融型）とに分けられる。
【０００８】
溶剤製造工法は、高粘度の樹脂を補強繊維に含浸させるために、樹脂を溶解する溶剤を用いて希釈して流動性を付与し、希釈された樹脂を補強繊維に含浸させた後、溶剤を乾燥／除去してトウプリプレグを製造する工程であって、生産工程が簡単であるという長所がある。しかし、溶剤製造工法は、トウプリプレグの樹脂／補強繊維の体積比を精密に制御し難く、また、乾燥過程でトウプリプレグ内の揮発性成分を完全に除去できないという問題がある。トウプリプレグ内の残留揮発性成分は、成形／硬化過程で気化して孔隙（ボイド）を形成するため、成形品の性能を顕著に低下させるという問題を招く。そのため溶剤製造工法により製造されたトウプリプレグは、高圧圧力容器を始めとする高性能複合材にほとんど適用されていない。
【０００９】
これに対して、ホットメルト製造工法は、高粘度樹脂に熱を加えることによって流動性を付与して樹脂を補強繊維に含浸させる方法であって、揮発分が殆どないトウプリプレグを製造することができる。上記のように、ホットメルト製造工法は、樹脂／補強繊維の体積比の精密な制御が可能なので、高再現性、信頼性、高性能が要求される複合材製品の製造に使用するトウプリプレグを製造するのに好適な製造工法である。
【００１０】
しかし、現在ホットメルト製造工法によるトウプリプレグの生産技術に関する標準が確立されておらず、研究開発の活動も微々たるものである。また、ホットメルトのトウプリプレグを商業化した製造会社の生産効率が低くそのため素材価格が非常に高くて、複合材の量産製品に本格的にトウプリプレグを適用することは困難である。従って、精密で効率的なトウプリプレグの製造装置及び製造工程の開発が求められている。
【００１１】
従来、ホットメルト製造工法を用いてトウプリプレグを生産するために、既存のホットメルトタイプのプリプレグ生産方法であるプリプレグのスリット方法（Ｓｌｉｔｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ）と樹脂フィルムのトランスファー方法（Ｒｅｓｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｅｔｈｏｄ）を使用した。
【００１２】
プリプレグのスリット方法は、予め生産された長幅（２００〜１，０００ｍｍ）のプリプレグを、所望の幅に裁ってから再び巻回して（Ｒｅ−ｗｉｎｄｉｎｇ）トウプリプレグを製造する方法であって、生産に必要な設備投資が少なくて済み、生産方法も比較的容易であるという長所がある。但し、プリプレグをスリットする過程で繊維が損傷されるため、生産されたトウプリプレグのエッジに糸切れが発生することがあり、それによって成形品に適用した時には高性能を期待し難い。
【００１３】
樹脂トランスファー方法は、樹脂の含量を精密に制御できるという長所はあるが、生産工程が多段階で複雑で、設備コストが高く、トウプリプレグの生産時に離型紙、離型フィルムなどの副資材を使用するため製品の製造原価が上昇するようになり、これがこの方法を用いた複合材の価格競争力を低下させる原因となる。
【００１４】
上述したような理由で、繊維の損傷が低く、生産設備及び製造工程が単純で、副資材を使わない直接コーティング工程（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ）によるトウプリプレグの製造工程の開発が要求されている。
直接コーティング工程は、別途のフィルム化工程又はプリプレグ化工程がなく、補強繊維を熱溶融している樹脂に直接当接させて含浸させてトウプリプレグを製造する工程であって、作業時間が短時間ですみ、且つ補強繊維の糸切れを最小化できるというコーティング技術である。
【００１５】
例えば、特許文献１は、コーティングゾーンに供給された樹脂を加熱できる２つの金属材質のコーティングローラーの間を間隔調節して炭素繊維にコーティングされる樹脂の量を制御した後、含浸ゾーンを通過する短時間内に高温の熱を加えて樹脂に流動性を付与し、炭素繊維の一本一本に樹脂を含浸させる。その後、冷却ゾーンの冷却ローラーを用いて樹脂が含浸されている炭素繊維の幅を制御し、適当な粘着性を付与してトウプリプレグを製造する工程を開示している。
【００１６】
特許文献１は、トウプリプレグの樹脂含量を調節するために２つのコーティングローラーの間の間隔を制御する方式を提案したが、２つのコーティングローラーだけで樹脂含量を精密に調節するのは困難である。また、樹脂含量が非常に低いトウプリプレグを製造する場合には、２つのコーティングローラー間の間隔を狭めなければならないが、この際、金属ローラー間に位置した炭素繊維に過剰な圧力が加えられて、炭素繊維が切れるという問題があった。
【００１７】
更に、低樹脂含量を有するトウプリプレグを製造する場合、２つのコーティングローラー間の間隔が狭くてコーティングローラーを通過する樹脂の量が少なくなって炭素繊維の一本一本に樹脂が十分に侵入できなくなり、樹脂含浸ゾーンの温度を上げるか、区間の長さを増やして樹脂を含浸しなければならない。しかし、トウプリプレグ用樹脂には硬化剤が混合されているため、高過ぎる温度及びその温度に露出する時間が長くなると、硬化し始めるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国公開特許第２０１２−２５１８２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたもので、トウプリプレグの樹脂含量を調節するための制御因子を設定し、この制御因子を変化させることによって正確にトウプリプレグの樹脂含量を制御し、糸切れや熱損傷などの製品の損傷を防止できるトウプリプレグの製造装置及びその製造方法を提供することにその主眼点がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の好ましい一実施例は、供給する繊維の入射角を調節するスプレッディングローラーと、前記スプレッディングローラーから供給される繊維に樹脂がコーティングできるように、繊維が通過するギャップをもって回転する第１ローラー及び第２ローラーを含む少なくとも２つのコーティングローラーと、を含むトウプリプレグの製造装置を提供することを特徴とする。
【００２１】
また、前記スプレッディングローラーは、その装着位置を変更して移動可能なように形成されることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。また、前記スプレッディングローラーは、前記第１ローラー及び前記第２ローラーのギャップに繊維が垂直に供給される第１位置、及び所定の最大入射角を形成できる第２位置の間で移動可能なように構成され、所定の位置に固定されることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２２】
また、前記スプレッディングローラーは、繊維の入射角を０°〜３０°に調節できることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。また、前記第１ローラー及び第２ローラーは相異なる材質からなり、前記第１ローラー又は前記第２ローラーはその表面が弾性材料からなるローラーであることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２３】
また、前記弾性材料からなるローラー以外に他のローラーは、その表面が非弾性材料からなることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
また、前記第２ローラーとの間に繊維が通過できるギャップを形成する第３ローラーを更に含み、前記第３ローラーの表面材料は、前記第１ローラーの表面材料と同じ材料からなることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２４】
また、前記第１ローラー及び前記第３ローラーの表面材料は、ゴムであり、前記第２ローラーの表面材料が金属であることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。また、前記第１ローラー及び前記第３ローラーの表面材料は、金属であり、前記第２ローラーの表面材料がゴムであることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２５】
また、前記第１ローラーと前記第２ローラーとの間のギャップは、前記第２ローラーと前記第３ローラーとの間のギャップよりも大きいことを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２６】
また、前記スプレッディングローラーを移動させる移送ユニット、及び前記移送ユニットを制御して前記スプレッディングローラーの位置を調整する制御機を更に含み、前記制御機は、繊維の入射角と樹脂含量がマッチングしているデータのデータテーブルを有し、前記繊維の入射角は、前記データテーブルによって決定されるか、又は直接入力可能になることを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２７】
また、前記スプレッディングローラー側に繊維を供給できるように繊維が巻回されたクリールと、前記クリールと前記スプレッディングローラーとの間に設置されて繊維の供給をガイドするガイドローラーと、を更に含むことを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２８】
また、前記コーティングローラーを通過した繊維を加熱するためのヒータと、前記ヒータを通過した繊維を冷却する冷却ローラーと、前記冷却ローラーを通過した繊維を巻く巻取機と、を更に含むことを特徴とするトウプリプレグの製造装置を提供する。
【００２９】
一方、本発明では、スプレッディングローラーからコーティングローラーに供給される繊維の入射角を設定する段階と、設定された入射角に前記スプレッディングローラーを移動させる段階と、前記コーティングローラー側に繊維を供給し、供給された繊維に連続的に樹脂をコーティングする段階と、を含むトウプリプレグの製造方法を提供する。
また、前記繊維の入射角を設定する段階は、０°〜３０°の入射角が選択されることを特徴とするトウプリプレグの製造方法を提供する。
【００３０】
また、前記繊維の入射角を設定する段階は、制御機に樹脂含量が入力される段階を含み、前記制御機は、前記繊維の入射角と樹脂含量がマッチングしているデータテーブルのデータに基づき前記繊維の入射角を決定することを特徴とするトウプリプレグの製造方法を提供する。
また、前記樹脂をコーティングする段階は、相異なる材質の第１ローラーと第２ローラーとの間のギャップに樹脂が供給されることによって、前記ギャップを通過する繊維に樹脂がコーティングされることを特徴とするトウプリプレグの製造方法を提供する。
【００３１】
また、前記樹脂をコーティングする段階は、相異なる材質の前記第２ローラーと第３ローラーとの間のギャップにコーティングされた樹脂を通過させることによって、コーティングされた樹脂の一部を除去して樹脂の含量を低減させる段階を更に含むことを特徴とするトウプリプレグの製造方法を提供する。
【００３２】
また、コーティングされた樹脂を加熱する段階を更に含むことを特徴とするトウプリプレグの製造方法を提供する。
また、コーティングされた樹脂を冷却して巻き取る段階を更に含むことを特徴とするトウプリプレグの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の好ましい実施例によるトウプリプレグの製造装置及びその製造方法は以下のような効果がある。
第１に、第１、２ローラーと第２、３ローラーとの間の間隔が相互に独立しているため、低樹脂含量のトウプリプレグを生産する時は、先ず第１及び第２ローラー間の間隔を広くして十分な量の樹脂を炭素繊維の一本一本にコーティングした後、第２、３コーティングローラーで所望の樹脂含量を絞り出すことで、低樹脂含量であっても含浸度の高いトウプリプレグを生産することができる。
【００３４】
第２に、コーティングローラーを用いて均一なコーティング及び含浸が可能となって、ヒータによる追加的な熱処理時間を減らすことができるため、トウプリプレグ樹脂の熱損傷を最小化して製品の保管寿命及び性能を向上させることができる。
【００３５】
第３に、コーティングローラーが、表面がゴムであるローラートと、金属であるローラートと、の組み合わせである場合は、コーティングローラー間の間隔が０であっても糸切れが殆ど発生しないため、更に低い樹脂含量（２０〜２５％）のトウプリプレグを製造することができる。
【００３６】
第４に、スプレッディングローラーの位置と角度を調節することで、コーティングローラーに供給される炭素繊維のスプレッディングの程度を調節できるため、含浸度の高く、かつ糸切れが少ないトウプリプレグを連続的に生産することができる。
【００３７】
第５に、隣り合う２つのコーティングローラー間の間隔を調節することによってトウプリプレグの樹脂含量を調節できるだけでなく、スプレッディングローラーの位置を調節して樹脂のコーティング量を調節できるため、より正確にトウプリプレグの樹脂含量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の好ましい実施例によるトウプリプレグの製造装置を示す図面である。
【図２】図１の実施例で、繊維供給区域と樹脂含浸区域におけるスプレッディングローラーとコーティングローラーとの周辺を拡大して示したものである。
【図３ａ】本発明の好ましい実施例によるコーティングローラーの構成を示す図面である。
【図３ｂ】本発明の他の実施例によるコーティングローラーの構成を示す図面である。
【図４】本発明によるトウプリプレグの製造方法を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明のトウプリプレグの製造装置及びその製造方法は、樹脂を含浸するために供給される繊維の入射角を調節してコーティングローラー側に供給される繊維に加えられる張力を調節し、それによって、トウプリプレグの樹脂含量を調節することができるトウプリプレグの製造装置及びその製造方法を提示する。
本発明は、トウプリプレグを製造するためのものであって、炭素繊維に樹脂を含浸することを土台とする。但し、本発明の要旨を不明にしない範囲内で他の繊維に樹脂を含浸してもよい。
【００４０】
また、添付図面で説明し例は、１つの実施例であるだけであって、製造装置の構成が提示した例により限定されることはない。従って、特許請求の範囲に記載された発明は、実施例により限定されることはなく、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明が、ローラーの個数及び配置、並びに工程の配列などを適宜に変更した例も含むものであると理解すべきである。
【００４１】
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例によるトウプリプレグの製造装置及びその製造方法を詳細に説明する。
図１は、本発明の好ましい実施例によるトウプリプレグの製造装置を示す図面である。
図１に示すように、本発明の好ましい実施例によるトウプリプレグの製造装置は、樹脂を供給するための繊維供給区域、供給された繊維に樹脂を含浸する樹脂含浸区域、樹脂を含浸した繊維を冷却して形態を完成させる冷却区域、及び巻回されたトウプリプレグを完成させる巻回区域に分けられる。
【００４２】
繊維供給区域は、炭素繊維のような繊維が巻かれており、繊維に樹脂を含浸させるために繊維を設備内に供給するクリール１０１、及び供給される繊維の入射角を調節するスプレッディングローラー１０３を含む。また、図１に示すように、前記クリール１０１と前記スプレッディングローラー１０３との間には、供給される繊維をガイドするための複数のガイドローラー１０２ａ，１０２ｂが設置されてもよい。
【００４３】
好ましくは、前記スプレッディングローラー１０３は、コーティングローラー１０４の前端に設置され、スプレッディングローラー１０３の位置を変更することによってコーティングローラー１０４に供給される繊維の入射角が変更されるように構成される。一方、樹脂含浸区域には、第１ローラー１０４ａ及び第２ローラー１０４ｂを含む少なくとも２つのコーティングローラー１０４が、繊維が通過するためのギャップをもって回転するように設けられる。
【００４４】
図１に示すように、第１ローラー１０４ａ及び第２ローラー１０４ｂの間には繊維が通過するためのギャップが形成され、このギャップの上側に樹脂が供給される。従って、スプレッディングローラー１０３を経て第１ローラー１０４ａ及び第２ローラー１０４ｂの間のギャップに繊維が供給されるが、前記ギャップの上部領域、すなわち、ギャップの上部において、第１ローラー１０４ａと第２ローラー１０４ｂが形成する空間にホットメルト樹脂を先ず供給する。
【００４５】
従って、コーティングローラー１０４に繊維が供給される前に樹脂供給部（図示せず）を介してホットメルト樹脂が供給されるため、コーティングローラー１０４を通過する繊維に樹脂をコーティングすることができる。また、樹脂含浸区域は、樹脂を更に含浸させるために繊維に熱を供給するヒータ１０６を更に含んでもよい。
【００４６】
樹脂含浸区域を通過した繊維は、冷却区域の冷却ローラー１０７によって冷却され、完成される。その後、冷却された繊維は、設備後端のガイドローラー１０２ｃを経て巻取機１０８によって支管に巻かれることでトウプリプレグが完成される。
【００４７】
一方、図２は、図１の実施例で、繊維供給区域と樹脂含浸区域におけるスプレッディングローラーとコーティングローラーとの周辺を拡大して示したものである。
図２に示すように、クリール１０１からほぐされた炭素繊維がスプレッディング（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）されることなく、直ちに樹脂のコーティング及び含浸のための樹脂含浸区域に入れられた場合には、表面の炭素繊維だけが樹脂にコーティングされやすい。
【００４８】
これはトウプリプレグの含浸不良を引き起こすため、コーティングローラー１０４側に供給される炭素繊維の一本一本を予め広げることが好ましい。従来、炭素繊維を広げるために複数の凹状、凸状のローラーを交互に通過させる方法や、炭素繊維を機械的に揺らす方式などが採用された。しかし、ローラーを使用する方式は、曲率がローラーごとに決まっていて、生産条件の変化に対応するのが困難であり、機械的に揺らす方式は、摩擦によって炭素繊維が損傷してトウプリプレグの物性を低下させるという問題があった。
【００４９】
これに対して、本発明は、スプレッディングローラー１０３を移動可能に設計し、スプレッディングローラー１０３の位置を変化させるという点にその特徴がある。
図２に示すように、スプレッディングローラー１０３を移動させることによって炭素繊維の入射角を調節し、それによって炭素繊維に印加される張力を調節することができる。
【００５０】
また、本発明の好ましい実施例は、スプレッディングローラー１０３を移動させるための移送ユニット１０５、及びこの移送ユニット１０５を制御してスプレッディングローラー１０３の位置を調整する制御機１０９を更に含む。この際、この制御機１０９は、繊維の入射角と樹脂含量とをマッチングさせるデータテーブルを有するが、前記繊維の入射角は、前記データテーブルによって決定されるか、又は作業者が繊維の入射角を直接入力するように構成してもよい。
【００５１】
このように繊維の入射角又は樹脂含量を作業者が入力することで、コーティングローラー１０４に投入される炭素繊維のスプレッディングの程度を連続的に制御することができる。
【００５２】
スプレッディングの程度を調節する原理は、具体的には次の通りである。一定のトルクによって作動する２つのコーティングローラー（第１ローラー及び第２ローラー）の間を垂直に通過する炭素繊維（すなわち、図２で「Ｐ１」に位置した点線で表されたスプレッディングローラーを通過する繊維）に印加された張力をＦ１とする時、入射角をαだけ調節した場合、炭素繊維（すなわち、図２で「Ｐ２」に位置した実線で表されたスプレッディングローラーを通過する繊維）に印加される張力Ｆ２は以下のような関係にある。
Ｆ２＝Ｆ１／ｓｉｎα（０≦α＜９０°）
【００５３】
上記の式に従って、入射角αを調節することによって繊維に印加される張力を調節することが可能になり、繊維に印加される張力により樹脂の含浸量を調節することができる。
具体的には、繊維に印加される張力が低いほど、炭素繊維が２つのコーティングローラーの間を通過する時に樹脂と共に容易に押さえられて広がるようになって繊維の間に樹脂を均一に含浸させることができる。一方、炭素繊維に印加される張力を高めるほど、繊維が容易には広がらず、繊維をコーティングする樹脂の量が減り、それによって低樹脂含量の製品を生産することができる。
【００５４】
前記スプレッディングローラー１０３は、前記第１ローラー１０４ａ及び前記第２ローラー１０４ｂの間に繊維が垂直に供給される第１位置（Ｐ１）及び所定の最大入射角が形成される第２位置（Ｐ２）の間で移動可能なように構成され、あるいは所定の位置に固定されてもよい。
【００５５】
この際、好ましい繊維の入射角は０≦α＜３０°である。入射角が３０°以上であると、繊維が高い張力に引っ張られて厚く集積するようになり、狭いコーティングローラーの間を通過する時に繊維に損傷が発生する虞がある。
一方、スプレッディングローラー１０３によりスプレッディングされた炭素繊維は、その後端に位置する第１ローラー１０４ａ及び第２ローラー１０４ｂを含む２つ以上のコーティングローラー１０４を通過する。
【００５６】
前記第１ローラー１０４ａ及び第２ローラー１０４ｂは、相互に異なる材質からなるが、前記第１ローラー１０４ａ又は前記第２ローラー１０４ｂは、その表面が弾性材料からなる。ここで、第１ローラー１０４ａと第２ローラー１０４ｂのうち何れか１つのローラーを、弾性表面を持つように構成する理由は、第１ローラー１０４ａと第２ローラー１０４ｂとの間の間隔を狭くするためである。
【００５７】
例えば、炭素繊維が非弾性の金属材質のコーティングローラーの間を通過する場合、固いコーティングローラーによって炭素繊維がこわれて糸切れが発生する虞がある。しかし、一方のローラーの表面が弾性材料からなるローラーである場合は、２つのコーティングローラーの間隔を非常に狭くしても炭素繊維が通過する時に糸切れがほとんど発生しないため、金属−金属ローラーに比べてより低い樹脂含量を有するトウプリプレグを製作することができる。
【００５８】
この際、コーティングローラー１０４の表面材質は、ゴムと金属が交互に配列されるように設定することができる。
図３ａは、本発明の好ましい実施例によるコーティングローラーの構成を示す図面であり、図３ｂは他の実施例によるコーティングローラーの構成を示す図面である。
例えば、図３ａ及び図３ｂに示すように、コーティングローラーの配列は、金属−ゴム−金属又はゴム−金属−ゴムであることが好ましく、生産性を考慮して加熱時間を短縮するために、金属−ゴム−金属ローラーが更に好ましい。
【００５９】
また、多数のコーティングローラーのうち、前方の２つのローラーである第１ローラー１０４ａ及び第２ローラー１０４ｂには樹脂を十分に供給し、後方のローラーである第２ローラー１０４ｂ及び第３ローラー１０４ｃで過剰な樹脂を絞り出すことができるため、低樹脂含量のトウプリプレグの生産時にも初期に十分な量の樹脂を繊維の一本一本に供給することができる。但し、多数のローラーの間を通過してローラーと繊維との間の摩擦によって繊維に損傷が発生する虞があるため、３つ以下のローラーを使用することが好ましい。
【００６０】
また、前記第１ローラー１０４ａと前記第２ローラー１０４ｂとの間のギャップ（ｄ１）は、前記第２ローラー１０４ｂと前記第３ローラー１０４ｃとの間のギャップ（ｄ２）よりも大きく設定される。これは第１ローラー１０４ａと第２ローラー１０４ｂとの間のギャップを通過した、コーティングされた樹脂が、第２ローラー１０４ｂと第３ローラー１０４ｃとの間に形成された更に狭いギャップを通過するように構成することで、コーティングされた樹脂を絞り出して樹脂含量を低減させるためである。
【００６１】
第１ローラー１０４ａと第２ローラー１０４ｂとの間のギャップ、及び第２ローラー１０４ｂと第３ローラー１０４ｃとの間のギャップは、作業者が必要に応じて調節するように構成することが好ましい。そのために、それぞれのローラー又は少なくとも一部のローラーは、そのギャップを調節できるようにローラーの位置を移動させる駆動ユニットを含むことができる。
【００６２】
上記のように、スプレッディングローラー１０３によって入射角を調節すると共に、駆動ユニットによって各ローラー間のギャップを調節することによって、より細かく樹脂含量を制御することができる。この場合、上述した制御機１０９に含まれたデータテーブルは、ローラー間のギャップにともなう多数のデータテーブルを備えることが好ましい。
下記表１は炭素繊維に対する入射角を調節することによってトウプリプレグの樹脂含量が変わることが確認できるデータである。
【００６３】
［表１］
2018176709.tif 000003
（第１ローラーと第２ローラーとの間の間隔：０．２ｍｍ、第２ローラーと第３ローラーとの間の間隔：０．１３５ｍｍ、β＝２２０ｍｍ）
【００６４】
［表２］
2018176709.tif 000004
（入射角（α）：２０°、第１ローラーと第２ローラーとの間の間隔：０．２ｍｍ）
【００６５】
一方、図４は、本発明の好ましい実施例によるトウプリプレグの製造方法の例を示す。  図４に示すように、本実施例では繊維の入射角を調節する段階（Ｓ５０１）、コーティングローラーに繊維を注入する段階（Ｓ５０２）、繊維に樹脂をコーティングして含浸する段階（Ｓ５０３）、冷却ローラーに伝達して形状を固定し（Ｓ５０４）、樹脂が含浸されている繊維を巻回して最終的にトウプリプレグを完成する段階（Ｓ５０５）からなる。
【００６６】
特に、繊維の入射角を調節する段階（Ｓ５０１）は、スプレッディングローラー１０３からコーティングローラーに供給される繊維の入射角を設定する段階と、所定の入射角により前記スプレッディングローラーを移動させる段階と、で構成することができる。このように入射角が調節された後、コーティングローラー側に繊維を供給し、供給された繊維に連続的に樹脂をコーティングするようにする。
【００６７】
前記繊維の入射角を設定する段階は、制御機に樹脂含量が入力される段階を含む。この際、前記制御機は、前記繊維の入射角と樹脂含量とがマッチングしているデータテーブルにより前記繊維の入射角を決定するように構成することができる。
【００６８】
また、前記樹脂をコーティングする段階は、第１ローラーと第２ローラーとの間のギャップに樹脂を供給することによって、前記ギャップを通過する繊維に樹脂が一次的にコーティングされ、第２ローラーと第３ローラーとの間にコーティングされた樹脂を通過させることによって、コーティングされた樹脂の一部を除去して樹脂の含量を低減させることができる。
【００６９】
一方、図４には示していないが、先立って説明した通り、コーティングされた樹脂を加熱して非接触方式で樹脂を追加含浸させる段階を更に含むように構成してもよい。
【実施例１】
【００７０】
クリール１０１に炭素繊維を装着し、繊維を広げて８０℃に加熱したローラーで構成されている繊維供給区域のローラーを通過させることで、炭素繊維を予熱及びスプレッディングさせた。
【００７１】
一般的に用いられる樹脂含量３０％のトウプリプレグを生産するために、スプレッディングローラーを通過した炭素繊維の幅制御はαが２０°となるように制御した。
前記炭素繊維を、８０℃に加熱した第１ローラー（金属）と第２ローラー（ゴム）との間を通過させた。この際、２つのコーティングローラー間の間隔は、炭素繊維の一本一本に十分に樹脂がコーティングされるように０．２ｍｍに設定した。
【００７２】
その次に、８０℃に加熱した第２ローラーと第３ローラーとの間の間隔を０．１３５ｍｍに設定した。この際、樹脂の流動による影響を考慮して、第２及び第３ローラーを通過した繊維の幅を１．５ｍｍで維持するように第２及び第３ローラーとの間の間隔を調節した。追加含浸は、非接触方法を用い、繊維から５０ｍｍ離れたヒータを利用した。この際、熱源の温度は１３０°Ｃに設定し、熱源の長さは５００ｍｍに設定した（１分当り１０ｍの生産速度を考慮）。
【００７３】
樹脂が含浸されている炭素繊維を、その形態を完成させるために１０℃に設定した冷却ローラーを通過させ、冷却ローラー間の間隔を調節して繊維に印加される張力を調節して所望の幅に合わせ、巻回装置を用いて支管に巻いてトウプリプレグを完成した。
【００７４】
本発明は、好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者は、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で本発明の要素に対する修正及び変更が可能であることを理解することができる。また、本発明の必須の領域を逸脱しない範囲内で特別な状況や材料に対して変更されることができる。従って、本発明は、本発明の好ましい実施例の詳細な説明により制限されることなく、添付した特許請求の範囲内であらゆる実施例を含む。
【符号の説明】
【００７５】
１０１      クリール
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ      ガイドローラー
１０３      スプレッディングローラー
１０４      コーティングローラー
１０４ａ    第１ローラー
１０４ｂ    第２ローラー
１０４ｃ    第３ローラー
１０５      移送ユニット
１０６      ヒータ
１０７ａ〜１０７ｄ      冷却ローラー
１０８      巻取機
１０９      制御機
【図１】
2018176709.tif 000005
【図２】
2018176709.tif 000006
【図３ａ】
2018176709.tif 000007
【図３ｂ】
2018176709.tif 000008
【図４】
2018176709.tif 000009