(57)【要約】【課題】繊維強化複合材料成形装置において、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて接合された長尺繊維束を、より均一に積層して繊維強化複合材料を成形することである。【解決手段】成形中の繊維束１４における端部と、新品の繊維束４４における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を絡ませて接合し、長尺繊維束４８として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置１０であって、成形中の繊維束１４と新品の繊維束４４との接合部４６は、成形中の繊維束１４における端部と、新品の繊維束４４における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成される。そして、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維を切断することが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合し、長尺繊維束として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であって、
一方の繊維束と、他方の繊維束との接合部は、
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、
重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成されることを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維を切断することを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【請求項３】
請求項１に記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とは、各々斜めに切断されることを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
長尺繊維束は、圧力容器のライナに巻き付けられることを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料成形装置に係り、特に、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合し、長尺繊維束として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮水素ガスや圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等を貯蔵する、例えば、車両用高圧タンク等の圧力容器には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。繊維強化複合材料には、例えば、強化繊維としての炭素繊維等に、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂等を含浸させて成形した繊維強化複合材料が使用される。
【０００３】
繊維強化複合材料の成形には、例えば、フィラメントワインディング（Ｆｉｌａｍｅｎｔ  Ｗｉｎｄｉｎｇ：ＦＷ）成形法等が用いられる。フィラメントワインディング成形法は、例えば、ボビン等から送り出された繊維束に樹脂を含浸させた後、樹脂含浸した繊維束をマンドレル等に連続して巻き付けることにより繊維強化複合材料を成形する成形方法である。
【０００４】
ここで、マンドレル等に繊維束を連続して巻き付けるために、ボビン等から繰り出された成形中の繊維束における端部は、新しいボビン等に巻かれた成形に用いられていない新品の繊維束における端部と重ね合わせて接合される。例えば、成形中の繊維束と新品の繊維束とは、重ね合わせた繊維を絡ませて接合される。そして、長尺繊維束として繊維強化複合材料成形装置へ送り出される。ここで、特許文献１には、糸継ぎ時における紡績ユニット毎のロータの速度を制御して、繊維を繊維束に接合し、継ぎ部の品質変化を抑制することができる糸継ぎ装置が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１９５１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、成形中の繊維束における端部と、成形に用いられていない新品の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を絡ませて接合し長尺繊維束とした場合には、長尺繊維束に含まれる接合部は、接合部以外の一般部よりも長尺方向に対して単位長さ当たりの繊維量が大きくなる可能性がある。
【０００７】
図４は、従来の長尺繊維束の接合部５０と、接合部以外の一般部５２とを示す断面図である。図４に示すように、長尺繊維束の接合部５０は、一般部５２よりも繊維量が大きいので、接合部５０の厚みは、一般部５２の厚みよりも大きくなる。そのため、繊維強化複合材料の成形において、接合部５０が、例えば、マンドレル等に積層される部位で、長尺繊維束が均一に積層されない可能性がある。その結果、成形された繊維強化複合材料に内部欠陥等が生じて、繊維強化複合材料の機械的強度等が低下する場合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて接合された長尺繊維束を、より均一に積層して繊維強化複合材料を成形することができる繊維強化複合材料成形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置は、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合し、長尺繊維束として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であって、一方の繊維束と、他方の繊維束との接合部は、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成されることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置において、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維を切断することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置において、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とは、各々斜めに切断されることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置において、長尺繊維束は、圧力容器のライナに巻き付けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように本発明に係る繊維強化複合材料成形装置によれば、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて接合された長尺繊維束に含まれる接合部の繊維量を少なくして、接合部の厚みを更に小さくすることにより、より均一に長尺繊維束を積層して繊維強化複合材料を成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、繊維強化複合材料成形装置１０の構成を示す図である。
【００１５】
繊維供給装置１２は、繊維強化複合材料の成形に使用される繊維束１４を送り出す機能を有している。繊維供給装置１２には、例えば、クリールスタンド（Ｃｒｅｅｌ  Ｓｔａｎｄ）等を用いることができる。繊維供給装置１２は、複数の繊維束１４を巻き付けるための複数のボビン１６と、複数の繊維束１４に負荷される張力を調整するための複数の繊維張力調整装置１８とを有している。それにより、ボビン１６等から送り出された複数の繊維束１４を、繊維張力調整装置１８で所定の張力に調整して供給することができる。勿論、他の条件次第では、繊維束１４の本数は、複数本に限定されることはなく、１本でもよい。
【００１６】
繊維束１４の繊維には、高強度繊維または高弾性繊維である炭素繊維等を使用することができる。そして、炭素繊維には、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ：ＰＡＮ）系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維等が用いられる。勿論、繊維束１４の繊維には、炭素繊維に限定されることはなく、ガラス繊維またはアラミド繊維等を用いることができる。
【００１７】
繊維束１４には、繊維径が、例えば、１μｍから５μｍの単繊維であるフィラメントを束ねたヤーン、ストランド、ロービング等を用いることができる。例えば、炭素繊維を用いた繊維束１４には、炭素繊維フィラメントを１万本〜５万本束ねた炭素繊維ストランドを用いることができる。また、繊維束１４には、一方向材だけでなく、平織や朱子織等で織られた織物材の繊維シート等を使用してもよい。勿論、他の条件次第では、繊維束１４は、これらの形態に限定されることはない。
【００１８】
繊維張力測定装置２０は、繊維供給装置１２から送り出された複数の繊維束１４に負荷された張力を測定する機能を有している。繊維張力測定装置２０には、一般的に、炭素繊維等の張力測定に用いられる張力測定器等を使用することができる。
【００１９】
樹脂含浸装置２２は、繊維張力測定装置２０で張力測定された繊維束１４に、樹脂等を含浸する機能を有している。樹脂含浸装置２２は、繊維束１４に含浸する樹脂を溜める樹脂槽２４と、繊維束１４に樹脂を付着させる樹脂含浸ローラ２６と、第１テンションローラ２８と、第２テンションローラ３０と、を備えている。また、樹脂含浸装置２２は、樹脂粘度を調整するために樹脂温度を測定する樹脂温度計と、樹脂含浸量を調整するために繊維束１４に付着した樹脂膜厚を測定する樹脂膜厚計３２とを有している。そして、樹脂含浸ローラ２６を回転させて、ローラ面を樹脂槽２４に溜めた樹脂に浸漬した後、樹脂が付着したローラ面を繊維束１４に接触させることで樹脂含浸することができる。繊維束１４に含浸される合成樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂または不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。勿論、合成樹脂は、上記樹脂に限定されることはない。
【００２０】
フィラメントワインディング装置３４は、樹脂含浸装置２２から送り出された樹脂含浸した繊維束１４を、型または心金であるマンドレル３６（Ｍａｎｄｒｅｌ）等に巻き付ける機能を有している。フィラメントワインディング装置３４は、樹脂含浸した繊維束１４をマンドレル３６等の円周方向や軸方向に巻き付けることができる。フィラメントワインディング装置３４は、例えば、マンドレル３６等の回転軸方向に対して略垂直に巻き付けるフープ巻き（Ｈｏｏｐ  Ｗｉｎｄｉｎｇ）や、マンドレル３６等の回転軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻き（Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｗｉｎｄｉｎｇ）等により樹脂含浸した繊維束１４を巻き付けることができる。
【００２１】
圧力容器、例えば、高圧タンク等を製造する場合には、マンドレル３６の代わりにポリアミド樹脂等により成形された樹脂ライナまたはアルミニウム等により成形された金属ライナ等を使用することができる。そして、樹脂含浸した繊維束１４は、フィラメントワインディング装置３４により、張力を与えつつ樹脂ライナまたは金属ライナに巻き付けられる。
【００２２】
制御装置３８は、繊維張力測定装置２０と、樹脂含浸装置２２に配置される樹脂温度センサと、樹脂膜厚計３２等とにリード線とコネクタ等を用いて接続される。制御装置３８は、繊維張力測定装置２０から出力される繊維束１４の張力データの電気信号を入力し、繊維束１４の張力を制御することができる機能を有している。そして、制御装置３８は、樹脂含浸装置２２に配置された樹脂温度センサから出力される樹脂温度データの電気信号を入力し、樹脂温度を制御することができる機能を有している。更に、制御装置３８は、樹脂膜厚計３２から出力される樹脂膜厚データの電気信号を入力して、基準となる所定の樹脂量が樹脂含浸ローラ２６に付着されているか否かを検知することができる機能を有している。かかる制御装置３８は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成することができる。また、制御装置３８と接続されたデータロガ４０には、上述した繊維束１４の張力データ、樹脂温度データ、樹脂膜厚データ等が記憶されて保存される。
【００２３】
繊維接合装置４２は、一方の繊維束１４である成形中の繊維束１４における端部と、他方の繊維束４４である成形に用いられていない新品の繊維束４４における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合して接合部４６を形成する機能を有している。成形中の繊維束１４と新品の繊維束４４とを接合して長尺繊維束４８とし、ボビン１６に巻かれた成形中の繊維束１４を使用し尽す前に、新しいボビン４９に交換することにより、繊維の歩留まりを向上させることができる。
【００２４】
そして、成形中の繊維束１４と、新品の繊維束４４との接合部４６は、成形中の繊維束１４における端部と、新品の繊維束４４における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を空気等の気体流で絡ませて形成される。これにより、長尺繊維束４８に含まれる接合部４６の繊維量を減らして、接合部４６の厚みをより小さくすることができる。
【００２５】
繊維接合装置４２には、例えば、特開２００１−１５１４１８号公報、特開２００３−２９２２４７号公報、特開２００３−２９２２４８号公報等に記載され、空気等の気体流で繊維を交絡させて接合するエアスプライサを使用することができる。勿論、繊維を気体流で絡ませて接合する装置は、エアスプライサに限定されることはない。また、成形中の繊維束１４における端部または新品の繊維束４４における端部に含まれる繊維を切断する切断装置には、一般的に、炭素繊維等の繊維を切断するカッタ等を使用することができる。切断装置は、繊維接合装置４２に設けてもよいし、繊維接合装置４２とは別に設けてもよい。
【００２６】
成形中の繊維束１４における端部と、新品の繊維束４４における端部とは、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維が切断されることが好ましい。長尺繊維束４８に含まれる接合部４６の長尺方向に対する単位長さ当たりの繊維量を、接合部４６以外である一般部の長尺方向に対する単位長さ当たりの繊維量と略同じとすることにより、接合部４６の厚みを一般部の厚みと略同じにすることができる。
【００２７】
図２は、成形中の繊維束１４における端部と、新品の繊維束４４における端部とから、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維を切断して接合部４６を形成する方法を示す図であり、図２（Ａ）は、成形中の繊維束１４における端部１４ａと、新品の繊維束４４における端部４４ａとを示す図であり、図２（Ｂ）は、成形中の繊維束１４における２分の1の繊維量の繊維が切断された端部１４ｂと、新品の繊維束４４における２分の1の繊維量の繊維が切断された端部４４ｂとを示す図であり、図２（Ｃ）は、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維が切断された各々端部１４ｂ、４４ｂを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置４２で接合する様子を示す図である。
【００２８】
図２（Ｂ）に示すように、成形中の繊維束１４における２分の1の繊維量の繊維が切断された端部１４ｂは、図２（Ａ）に示す成形中の繊維束１４における端部１４ａに含まれる繊維束の繊維が交互に切断されて形成される。また、新品の繊維束４４における２分の1の繊維量の繊維が切断された端部４４ｂは、同様にして、図２（Ａ）に示す新品の繊維束４４における端部４４ａに含まれる繊維束の繊維が交互に切断されて形成される。このように、成形中の繊維束１４における端部１４ａまたは新品の繊維束４４における端部４４ａに含まれる繊維束の繊維を、１つ置きに切断することにより、各々端部１４ａ、４４ａの繊維量に対して２分の1とすることができる。
【００２９】
そして、図２（Ｃ）に示すように、成形中の繊維束１４における２分の1の繊維量の繊維が切断された端部１４ｂと、新品の繊維束４４における２分の1の繊維量の繊維が切断された端部４４ｂとを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置４２により気体流で絡ませることにより接合部４６が形成される。なお、上記では、各々端部１４ａ、４４ａの繊維束における繊維を交互に切断して、各々端部１４ａ、４４ａの繊維量に対して２分の1となるように加工したが、勿論、繊維束の繊維を交互に切断することに限定されることなく、他のパターンで繊維を切断して、各々端部１４ａ、４４ａの繊維量に対して２分の1となるように加工してもよい。
【００３０】
また、成形中の繊維束１４における端部と、新品の繊維束４４における端部とは、各々斜めに切断されて、接合部４６が形成されてもよい。図３は、成形中の繊維束１４における端部１４ａと、新品の繊維束４４における端部４４ａとを斜めに切断して接合部４６を形成する方法を示す図であり、図３（Ａ）は、成形中の繊維束１４における端部１４ａと、新品の繊維束４４における端部４４ａとを示す図であり、図３（Ｂ）は、成形中の繊維束１４における斜めに切断された端部１４ｃと、新品の繊維束４４における斜めに切断された端部４４ｃとを示す図であり、図３（Ｃ）は、成形中の繊維束１４における斜めに切断された端部１４ｃと、新品の繊維束４４における斜めに切断された端部４４ｃとを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置４２で接合する様子を示す図である。
【００３１】
図３（Ｂ）に示すように、成形中の繊維束１４における斜めに切断された端部１４ｃは、図３（Ａ）に示す成形中の繊維束１４における端部１４ａを所定の角度で斜めに切断して形成される。また、新品の繊維束４４における斜めに切断された端部４４ｃは、図３（Ａ）に示す新品の繊維束４４における端部４４ａを所定の角度で斜めに切断して形成される。ここで、成形中の繊維束１４における端部１４ａと、新品の繊維束４４における端部４４ａとを切断する角度は、略同じ角度であってもよいし、異なる角度であってもよい。そして、図３（Ｃ）に示すように、成形中の繊維束１４における斜めに切断された端部１４ｃと、新品の繊維束４４における斜めに切断された端部４４ｃとを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置４２により気体流で絡ませることにより接合部４６が形成される。
【００３２】
次に、再び、図１に戻り、繊維強化複合材料成形装置１０の動作について説明する。
【００３３】
繊維強化複合材料を成形中の繊維束１４における端部と、成形に使用されていない新品の繊維束４４における端部とは、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維がカッタ等の切断装置で切断される。そして、繊維接合装置４２により、成形中の繊維束１４における所定量の繊維が切断された端部と、新品の繊維束４４における所定量の繊維が切断された端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合部４６を形成する、そして、成形中の繊維束１４と新品の繊維束４４との接合部４６を含む長尺繊維束４８は、繊維供給装置１２へ送られる。
【００３４】
繊維供給装置１２のボビン１６から長尺繊維束４８が繰り出され、ボビン１６から繰り出された長尺繊維束４８は、繊維張力調整装置１８により所定の張力に調整されて繊維供給装置１２から送り出される。
【００３５】
繊維供給装置１２から送り出された長尺繊維束４８は、繊維張力測定装置２０により長尺繊維束４８に負荷されている張力が測定される。ここで、繊維張力測定装置２０により測定された長尺繊維束４８の張力データは、繊維張力測定装置２０から制御装置３８へ出力され、データロガ４０に記憶されて保存される。また、長尺繊維束４８に、例えば、基準となる所定の張力が負荷されていない場合には、制御装置３８が、張力の異常を検知して異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置１０が停止する。
【００３６】
繊維張力測定装置２０を通過した長尺繊維束４８は、樹脂含浸装置２２に送り出される。樹脂含浸装置２２における樹脂槽２４の中には、例えば、エポキシ樹脂である液状の樹脂が溜められている。樹脂の温度は、熱電対等の樹脂温度センサにより測定される。そして、樹脂温度データは、樹脂温度センサから制御装置３８へ出力され、データロガ４０に記憶されて保存される。また、樹脂温度が、例えば、設定された樹脂温度でない場合には、制御装置３８が樹脂温度の異常を検知して、異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置１０が停止する。
【００３７】
樹脂含浸ローラ２６は、ローラが回転することにより樹脂槽２４に溜められた樹脂と接触し、樹脂含浸ローラ２６の表面に樹脂が付着する。そして、第１テンションローラ２８と第２テンションローラ３０とにより押さえられた長尺繊維束４８は、樹脂含浸ローラ２６と接触することにより樹脂が含浸される。ここで、長尺繊維束４８に含まれる接合部４６は、所定量の繊維が切断されて接合されており、長尺繊維束４８に含まれる接合部４６の厚みと、接合部４６以外である一般部の厚みとの差は、更に小さくなっているので、長尺繊維束４８に対して、より均一に樹脂を含浸することができる。
【００３８】
そして、樹脂膜厚計３２により測定された樹脂膜厚データは、樹脂膜厚計３２から制御装置３８へ出力される。そして、出力された樹脂膜厚データは、制御装置３８により基準となる樹脂膜厚と比較されるとともにデータロガ４０に記憶される。そして、樹脂膜厚データが基準となる樹脂膜厚よりも薄い場合には、制御装置３８により長尺繊維束４８に適正な樹脂量の樹脂が含浸されていないと判断されて、異常信号等が出力される。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置１０が停止する。
【００３９】
樹脂含浸した長尺繊維束４８は、第２テンションローラ３０を介した後、フィラメントワインディング装置３４へ送り出される。樹脂含浸した長尺繊維束４８は、フィラメントワインディング装置３４により、マンドレル３６または高圧タンクのライナ等にフープ巻き等により巻き付けられる。ここで、長尺繊維束４８に含まれる接合部４６は、所定量の繊維が切断されて接合されており、長尺繊維束４８に含まれる接合部４６の厚みと、接合部４６以外である一般部の厚みとの差は、更に小さくなっているので、樹脂含浸した長尺繊維束４８を、より均一にマンドレル３６または高圧タンクのライナ等に巻き付けて積層することができる。その後、マンドレル３６またはライナ等に巻き付けた樹脂含浸した長尺繊維束４８を図示されない樹脂硬化炉等で加熱することにより、樹脂を硬化して繊維強化複合材料が成形される。
【００４０】
上記構成によれば、長尺繊維束に含まれる接合部は、成形中の繊維束における端部と、新品の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成されるので、接合部における単位長さ当たりの繊維量をより少なくして、接合部の厚みをより小さくすることができる。それにより、長尺繊維束に含まれる接合部が高圧タンクのライナ等に積層される部位においても、より均一に長尺繊維束を積層することができるので、繊維強化複合材料の内部欠陥や形状異常が抑えられ、繊維強化複合材料の機械的強度等の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、成形中の繊維束における端部と、新品の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して２分の1の繊維を切断して接合部を形成する方法を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、成形中の繊維束における端部と、新品の繊維束における端部とを斜めに切断して接合部を形成する方法を示す図である。
【図４】従来の長尺繊維束の接合部と、接合部以外の一般部とを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  繊維強化複合材料成形装置、１２  繊維供給装置、１４，４４  繊維束、１６  ボビン、１８  繊維張力調整装置、２０  繊維張力測定装置、２２  樹脂含浸装置、２４  樹脂槽、２６  樹脂含浸ローラ、２８  第１テンションローラ、３０  第２テンションローラ、３２  樹脂膜厚計、３４  フィラメントワイディング装置、３６  マンドレル、３８  制御装置、４０  データロガ、４２  繊維接合装置、４６，５０  接合部、４８  長尺繊維束、５２  一般部。
【図１】
2008155597.tif 000003
【図２】
2008155597.tif 000004
【図３】
2008155597.tif 000005
【図４】
2008155597.tif 000006