(57)【要約】【課題】生産性を向上させるために、太幅のテープを用いつつ、内側と外側の周長差を起因とするシワを生じさせない積層体およびその製造方法を提供する。【解決手段】一方向プリプレグ基材を用いた積層体の製造方法であって、少なくとも（ａ）切込手段により部分的な切込を設けられた一方向プリプレグ基材を変形させる変形工程、（ｂ）前記一方向プリプレグ基材を積層する積層工程、（ｃ）必要な長さごとに前記一方向プリプレグ基材をカットするカット工程、（ｄ）（ｂ）、（ｃ）工程を繰り返す繰り返し積層工程、からなることを特徴とする積層体の製造方法。【選択図】図１
2019151726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向プリプレグ基材を用いた積層体の製造方法であって、少なくとも以下の工程からなることを特徴とする積層体の製造方法。
（ａ）切込手段により部分的な切込を設けられた一方向プリプレグ基材を変形させる変形工程
（ｂ）前記一方向プリプレグ基材を積層する積層工程
（ｃ）必要な長さごとに前記一方向プリプレグ基材をカットするカット工程
（ｄ）（ｂ）、（ｃ）工程を繰り返す繰り返し積層工程
【請求項２】
前記（ａ）変形工程において、前記一方向プリプレグ基材の両面を、少なくとも１セットのロールと、少なくとも１セットの分割延伸ロールとで挟み、前記ロールと前記分割延伸ロールを構成する各延伸ロールとの間の回転速度差により前記一方向プリプレグ基材に張力が付与された張力付与領域を形成することにより、前記一方向プリプレグ基材を変形させることを特徴とする請求項１に記載の積層体の製造方法。
【請求項３】
前記（ａ）変形工程において、さらに、前記張力付与領域の少なくとも一方の表面を加熱することを特徴とする請求項２に記載の積層体の製造方法。
【請求項４】
前記（ａ）変形工程において、変形の程度に応じて、加熱量を制御することを特徴とする請求項３に記載の積層体の製造方法。
【請求項５】
前記切込手段は、前記一方向プリプレグ基材の繊維配向方向との為す角度が２〜２５°の切込を設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層体の製造方法。
【請求項６】
前記切込手段により切断された繊維の９５重量％以上１００重量％未満の繊維長が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項５に記載の積層体の製造方法。
【請求項７】
少なくとも一方向プリプレグ基材を用いた積層体からなる成形体であって、前記一方向プリプレグ基材の同一平面内において繊維配向方向が１度以上の差を有する領域を有するとともに、前記一方向プリプレグ基材が部分的な切込を有し、前記切込の少なくとも一部の目開き幅が他の切込の目開き幅と異なることを特徴とする一方向プリプレグ基材を用いた積層体からなる成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複雑形状追従性を有する積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等を強化繊維として用いた複合材料は、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として利用されている。特に航空機産業においては燃料節約及び操業コストの削減を目的に、幅広く利用されている。
【０００３】
これらの航空機部材を製造するにあたり、ＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｆｉｂｅｒ  Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）技術やＡＴＬ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔａｐｅ  Ｌａｙｕｐ）といった自動積層手法が活用されている。これらは、繊維と樹脂からなるプリプレグテープを適切な場所に自動で配置し、積層する技術である。
【０００４】
中でもＡＴＬはＡＦＰに比べ、幅広のプリプレグを用いることから、積層に要する時間も短く、量産性に優れている。しかしながら、ダブルコンター曲面や凹凸部等の複雑な形状を形成することは難しく、そのような部材の積層には、細幅のテープを用いるＡＦＰが多用されている。
【０００５】
複雑形状に追従させる方法として、圧着ローラーを改良する方法が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、可撓性を有する圧着ローラーにより繊維を型に沿わせることができる。
【０００６】
また、複雑形状に追従させる方法として、積層ヘッドを改良する方法が知られている（例えば、特許文献２）。特許文献２に開示された技術では、積層ヘッドの稼動軸を増やすことにより、繊維を型に沿わせることができる。
【０００７】
さらにまた、複雑形状に追従させる方法として、プリプレグの成形性を増す方法が知られている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開平１−１７５８１７号公報
【特許文献２】米国特許第５４３１７４９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示されるような、可撓性を有する圧着ローラーにより繊維を型に沿わせる方法では、円弧上に配置する際に、内側と外側の周長差を起因とするシワを生じさせないように、細幅のテープを用いる必要があるという問題があった。
【００１０】
また、特許文献２に開示されるような、積積層ヘッドの稼動軸を増やすことにより、繊維を型に沿わせる方法では、円弧上に配置する際に、内側と外側の周長差を起因とするシワを生じさせないように、細幅のテープを用いる必要があるという問題があった。
【００１１】
さらに、特許文献３に開示されるような、全面に渡って切り込みを入れたプリプレグを用いる方法では、力学特性が低下するとともに、張力をかけると伸びてしまうため取り扱いが困難であるという問題があった。
【００１２】
本発明の課題は、生産性を向上させるために、太幅のテープを用いつつ、内側と外側の周長差を起因とするシワを生じさせない積層体およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を達成するために本発明の複雑形状追従性を有する自動繊維配置方法は、以下の構成を採用する。
［１］一方向プリプレグ基材を用いた積層体の製造方法であって、少なくとも以下の工程からなることを特徴とする積層体の製造方法。
（ａ）切込手段により部分的な切込を設けられた一方向プリプレグ基材を変形させる変形工程
（ｂ）前記一方向プリプレグ基材を積層する積層工程
（ｃ）必要な長さごとに前記一方向プリプレグ基材をカットするカット工程
（ｄ）（ｂ）、（ｃ）工程を繰り返す繰り返し積層工程
［２］前記（ａ）変形工程において、前記一方向プリプレグ基材の両面を、少なくとも１セットのロールと、少なくとも１セットの分割延伸ロールとで挟み、前記ロールと前記分割延伸ロールを構成する各延伸ロールとの間の回転速度差により前記一方向プリプレグ基材に張力が付与された張力付与領域を形成することにより、前記一方向プリプレグ基材を変形させることを特徴とする［１］に記載の積層体の製造方法。
［３］前記（ａ）変形工程において、さらに、前記張力付与領域の少なくとも一方の表面を加熱することを特徴とする［２］に記載の積層体の製造方法。
［４］前記（ａ）変形工程において、変形の程度に応じて、加熱量を制御することを特徴とする［３］に記載の積層体の製造方法。
［５］前記切込手段は、前記一方向プリプレグ基材の繊維配向方向との為す角度が２〜２５°の切込を設けることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の積層体の製造方法。
［６］前記切込手段により切断された繊維の９５重量％以上１００重量％未満の繊維長が５ｍｍ以上５０ｍｍ未満であることを特徴とする［５］に記載の積層体の製造方法。
［７］少なくとも一方向プリプレグ基材を用いた積層体からなる成形体であって、前記一方向プリプレグ基材の同一平面内において繊維配向方向が１度以上の差を有する領域を有するとともに、前記一方向プリプレグ基材が部分的な切込を有し、前記切込の少なくとも一部の目開き幅が他の切込の目開き幅と異なることを特徴とする一方向プリプレグ基材を用いた積層体からなる成形体。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、太幅のテープを用いつつ、内側と外側の周長差を起因とするシワを生じさせない積層体およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施態様に係る、基材を変形させる装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施態様に係る、基材を変形させる装置に基材へ切込を入れる装置を追加したものの概略斜視図である。
【図３】本発明の一実施態様に係る、一方向プリプレグ基材を用いた積層体からなる成形体の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。
【００１７】
本発明は、一方向プリプレグ基材１を変形させた変形基材１３を積層した積層体を得るための製造方法に関するものである。
【００１８】
本発明に用いられる一方向プリプレグ基材１は、主として強化繊維とマトリックス樹脂から構成される。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等が例示できる。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が例示できる。なかでも、炭素繊維と熱硬化性樹脂からなるプリプレグ基材を用いることが好ましい態様である。
【００１９】
本発明に係る複雑形状追従性を有する自動繊維配置方法について説明する。積層体を得るためには、（ａ）変形工程、（ｂ）積層工程、（ｃ）カット工程、（ｄ）繰り返し積層工程の順で行うことが必要である。
【００２０】
（ａ）変形工程は、図１で示すように、切込手段により部分的な切込を設けられた一方向プリプレグ基材１のうち、複雑形状追従性を必要とする部分を変形させるものである。具体的には、必要とされる一方向プリプレグ基材１の部分を変形させるように、ロール３と分割延伸ロール４の回転速度差を調節して張力をかけることが好ましい。
【００２１】
例えば、ロール３の回転速度に対して、分割延伸ロール４ａの回転速度比を１．５、分割延伸ロール４ｂの回転速度比を１．２５、分割延伸ロール４ｃの回転速度比を１、とそれぞれ設定すると、ロール３と分割延伸ロール４との間に位置する張力付与領域１２に張力の勾配が生じる。この勾配に応じて、張力付与領域１２内部のスリット加工部１１（繊維の切断箇所）が開き、スリット間隔が広がり、張力付与領域１２を面内にシワなく円弧状に変形させることができる。
【００２２】
このとき、図示しない加熱手段を用いて張力付与領域１２を加熱すると、加熱された部位の樹脂が軟化し、その領域を容易に変形させることができる。このように、加熱領域を制御することにより変形領域を制御することができる。また、加熱量により、変形量を制御することも可能である。加熱された張力付与領域１２は分割延伸ロール４に張り付きやすくなるため、図示しない冷却手段により冷却してから分割延伸ロール４に通すことが好ましい。加熱手段としては、IRヒーターや、レーザー等が例示できる。また、冷却手段としては、冷風、ピエゾ素子、等が例示できる。
【００２３】
また、別の態様として、ロール３の回転速度に対して、分割延伸ロール４ａの回転速度比を１．２５、分割延伸ロール４ｂの回転速度比を１、分割延伸ロール４ｃの回転速度比を１．２５、とそれぞれ設定すると、張力付与領域１２に対して、張力の勾配を生じさせることができる。この勾配に応じて、張力付与領域１２内部のスリット加工部１１が開き、張力付与領域１２を面外に変形させることができる。
【００２４】
（ｂ）積層工程において、変形基材１３は前述の（ａ）変形工程により自動積層させる配置位置に合わせた形状に変形させられていることから、型または積層板上に直接配置させることができる。型または積層板上に対して貼り付けるために、図示しない加熱手段により変形基材１３を加熱させて貼り付けることが好ましい。
【００２５】
次に、（ｃ）カット工程は、図１に示すように、カット機構６により、変形基材１３を適切な長さにカットすることができる。このカット機構６により、廃棄する一方向プリプレグ基材１の発生をなくすことが可能となる。
【００２６】
さらに、（ｂ）積層工程と（ｃ）カット工程とを繰り返し実施することで、複数層からなる積層体を得ることが可能となる。
【００２７】
ここで、切込手段について説明する。
【００２８】
図２に示すように、図示しないクリールから引き出されたスリット加工がなされていない一方向プリプレグ基材１に対して、複雑形状追従性を必要とする部分を図示しないスリットロールを用いて切り込みを入れることが可能である。スリット加工部１１がばらばらになってしまうのを防ぐ目的で、切込みをつなげずに、断続的に切り込みを入れることが好ましい。スリットロール２は切り込みパターンを変更できるよう、脱着が容易であることが好ましい。
【００２９】
なお、本発明において、一方向プリプレグ基材１には、スリット加工部１１が少なくとも一部存在すればよい。スリット加工部１１は、切込手段によって切り込みが設けられる態様に限定されず、あらかじめ加工された一方向プリプレグ基材１を用いてもよく、一部のスリットを後加工する等しても良い。
【００３０】
スリット加工部１１は、スリットロール２により必要な個所にのみ部分的にスリットされてもよい。スリット加工部１１はスリット部と非スリット部からなり、非スリット部の割合が大きいことが好ましい。スリット部で切断された繊維は、強化繊維の繊維方向の長さが１０〜１００ｍｍとなるように切断されることが望ましい。繊維長さが１０ｍｍより小さい場合は、ステアリング性が向上するものの、十分な力学特性を得ることができないことがある。繊維長さが１００ｍｍより大きい場合は、複雑形状を形成することが困難となる。
【００３１】
また、スリット加工部１１がばらばらになってしまうのを防ぐ目的で、切込みをつなげずに、断続的に切り込みを入れることが好ましい。
【００３２】
さらに、切り込みと繊維とのなす角度（以下、切込角度と称する）の絶対値が２°〜２５°の範囲内で切断されていることが好ましい。切込角度の絶対値が２５°よりも大きくても複雑形状への追従性を向上させることはできるが、切込角度の絶対値が２５°以下であることで、力学特性の向上が著しいものとなる。一方、切込角度の絶対値が２°未満であると複雑形状への追従性と力学特性を十分に得ることはできるものの、安定して切り込みをいれることが困難になる。
【００３３】
また、張力付与領域１２は、上述のとおりロール３と分割延伸ロール４により張力が与えられる。面内にかかる張力の差異に応じて、繊維の切断箇所が開き、全体が変形する。自動積層の配置に合わせて、スリットの箇所や張力を調整することで、面内に変形させることも面外に変形させることもできる。さらに、加熱手段により、軟化させ変形させることも可能である。加熱後の張力付与領域１２の温度は、４０℃〜１１０℃程度が望ましい。分割延伸ロール４への貼り付きを抑える目的で、冷却手段により冷却されてもよい。
【００３４】
また、変形基材１３は、自動積層の配置に合わせた形状となる。型に対して貼り付けるために、加熱手段により、加熱されても良い。
【００３５】
本発明で用いられるスリットロール２は、適切にスリットできれば、特に機構および形態を限定するものではない。スリット機構としては、例えば、回転ロール刃や打ち抜き刃を利用することができる。片側からスリットしても良く、両側からスリットしても良い。適切な領域にのみスリットするために、スリットロールは適切な可動機構をもつ必要があり、例えば、スリットしない時に、走行中の一方向プリプレグ基材１から、逃げる方向に可動する機構が例示できる。スリット機構は、一方向プリプレグ基材１の走行方向に対して、複数あっても良い。スリット機構は、一方向プリプレグ基材１の走行方向の直行方向に対して、複数あっても良い。
【００３６】
本発明で用いられるロール３は、張力付与領域１２に対して適切に張力をかけることができれば、特に機構および形態を限定するものではない。張力をかける機構としては、例えば、ニップロールを利用することができる。
【００３７】
本発明で用いられる分割延伸ロール４は、張力付与領域１２に対して適切に張力をかけることができれば、特に機構および形態を限定するものではない。張力をかける機構としては、例えば、ニップロールを利用することができる。スリット機構は、一方向プリプレグ基材１の走行方向の直行方向に対して、複数あっても良く、例えば、３分割し、分割延伸ロール４ａ、４ｂ、４ｃ、とすることもできる。また、面外変形した張力付与領域１２から逃げる方向に可動する機構を持っても良い。
【００３８】
図３に、上述した製造方法により得られた成形体７の一例を示す。成形体７は湾曲した形態となっており、同一平面内（図３では最表層）において、繊維方向の角度が１度以上異なる領域が存在する。具体的には、符号７３で示す領域と符号７４で示す領域の繊維配向が１度以上異なっている。また、成形体７には、目開き小部７１と目開き大部７２が存在する。目開き大部７２は、目開き小部７１と比較して、切り込みの目開きが大きい。成形体７が湾曲形状の場合、一方向プリプレグ基材１の幅方向において内周側（曲率半径が大きい側）の目開きが小さく、外周側（曲率半径が小さい側）の目開きが大きくなる。
【００３９】
このように、本発明に係る複雑形状追従性を有する自動繊維配置方法と装置によれば、太幅のテープを用いつつ、内側と外側の周長差を起因とするシワを生じさせない自動積層方法と装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に係る複雑形状追従性を有する自動繊維配置方法と装置を用いることにより、生産性を向上させ、コストと労力を低減することができる。実質的にあらゆる複合材料の製造に適用可能であり、とくに、航空機に適用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  一方向プリプレグ基材
１１  スリット加工部
１２  張力付与領域
１３  変形基材
２  スリットロール
３  ロール
４  分割延伸ロール
４ａ  分割延伸ロールａ
４ｂ  分割延伸ロールｂ
４ｃ  分割延伸ロールｃ
５  積層体
６  カット機構
７  成形体
７１  目開き小部
７２  目開き大部
７３  繊維方向
７４  繊維方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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