(57)【要約】  【課題】  複数の強化繊維プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、厚手のプリフォームであっても、異物を混入することなく、接合作業が容易に行える熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置を提供することである。【解決手段】  強化繊維中に予め熱可塑繊維を配合した糸条を組成して所定形状の強化繊維プリフォームを生成すると共に、成形された複数の前記プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、それぞれの重ね合わせ部に高温の蒸気を高圧噴射して接合する構成とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維に予め熱可塑繊維を配合した糸条を組成して所定形状の強化繊維プリフォームを成形すると共に、成形された複数の前記プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、前記プリフォームの重ね合わせ部に高温の蒸気を高圧噴射して接合することを特徴とする熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法。
【請求項２】
強化繊維に予め熱可塑繊維を配合した糸条を組成して成形された強化繊維プリフォーム同士を接合する接合装置であって、前記プリフォーム同士の接合部に押し付ける面である押圧面と、該押圧面に設けられた複数の蒸気噴射孔を有する噴射ノズルを備えていることを特徴とする熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合装置。
【請求項３】
蒸気発生器と該蒸気発生器により生成される蒸気を前記噴射ノズルに送り込むチューブとを備えていると共に、前記チューブの外周を保温ヒータで被覆する構成としていることを特徴とする請求項２に記載の熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合装置。
【請求項４】
前記噴射ノズルが操作ハンドルを備えていると共に、前記操作ハンドルに蒸気噴射の動作を制御するスイッチを設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合装置。
【請求項５】
前記操作ハンドルが噴射ノズル本体に対して折り畳み自在に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置に係り、特に熱可塑繊維が予め配合されている強化繊維により組成されるプリフォームを接合する際に好適な熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近では、ガラス繊維や炭素繊維、あるいはナイロン繊維等の高強力糸条よりなる繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：以下、ＦＲＰという。）でパイプやシャフト等の種々の繊維強化複合部材を製造しており、一般産業用途等にも広く適用されている。また、最近では航空機や自動車などの軽量化のための用途が広がっており、前記繊維強化複合部材を製造する際に一層のコストダウンが望まれている。
【０００３】
これらＦＲＰの代表的な製造方法としては、オートクレーブ成形が知られている。このオートクレーブ成形は、予め強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを、目的とする形状の成形型に積層して加熱・加圧し、ＦＲＰを成形するものである。
【０００４】
しかし、前記プリプレグの製造に高いコストがかかることとＦＲＰの低い生産性に問題があった。
【０００５】
そのため、前記オートクレーブ等により加熱・加圧して構造物を生成する成形方法よりも、大幅に成形サイクルが短縮できる注入成形法であるＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）、成形型内を真空吸引して、樹脂の含浸を助けるＶａ−ＲＴＭ法 、ＲＩＭ（レジン・インジェクション・モールディング）など、樹脂が未含浸の強化繊維基材を使用してドライプリフォームを形成した後に樹脂を一括含浸させる成形法が盛んになってきている。また、これらのドライプリフォームを組み合わせて、複雑な形状の繊維強化複合部材を製造することも行われている。
【０００６】
また、ＦＲＰを製造する工法としてブレイディング法が一般に知られており、円筒型、Ｔ字型、Ｉ字型、テトラポット型等の種々の形状を有するマンドレルの周囲に複数本の強化繊維糸条を交錯させて組物構成の組成体（強化繊維プリフォーム）を組成することができる。
【０００７】
また、得られた種々の形状の強化繊維プリフォーム同士を組み合わせて複合形状の繊維強化複合部材を製造する際には、接着やリベット止め等により接合している。また、繊維強化樹脂製の複合部材を組み合わせる際に、接着した後で真空引きして加熱硬化させるとした複合材パネルの製造方法が既に公開されている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００３−１１２３１号公報（第１−７頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のＦＲＰ製複合部材を接着やリベット等により単に接合する際には、複合部材を組み合わせた形状に一体的に樹脂成形していないため、全体構造として十分な強度を持つには至らなかった。また、外観上の一体感に欠ける場合もあった。
【０００９】
さらに、樹脂が含浸されていないドライプリフォームを接着剤やリベット止め等により接合した後で樹脂を含浸させて硬化する構成では、該接合作業が大掛かりとなると共に、強化繊維および樹脂とは異物のものが含有されることになり、ＦＲＰ製品の品質に不安を残すという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記問題点を解消するために、複数の強化繊維プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、厚手のプリフォームであっても、異物を混入することなく接合作業が容易に行える熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、強化繊維に予め熱可塑繊維を配合した糸条を組成して所定形状の強化繊維プリフォームを成形すると共に、成形された複数の前記プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、前記プリフォームの重ね合わせ部に高温の蒸気を高圧噴射して接合する熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法であることを特徴としている。
【００１２】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、高温の蒸気を強化繊維プリフォームの重ね合わせ部の内部深部まで吹き込むことができ、強化繊維中の熱可塑繊維が溶解して接着剤となり、前記プリフォーム同士を容易に接合することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、強化繊維に予め熱可塑繊維を配合した糸条を組成して成形された強化繊維プリフォーム同士を接合する接合装置であって、前記プリフォーム同士の接合部に押し付ける面である押圧面と、該押圧面に設けられた複数の蒸気噴射孔を有する噴射ノズルを備えていることを特徴としている。
【００１４】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、強化繊維プリフォーム同士の接合部に押圧面を押し付けた状態で、該押圧面に設けた複数の蒸気噴射孔から高温高圧の蒸気を噴射するので、蒸気が外部に拡散することなく、前記プリフォーム中に前記蒸気が深く浸入するので、厚目のプリフォーム同士であっても容易に接合可能な接合装置とすることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、前記接合装置が、蒸気発生器と該蒸気発生器により生成される蒸気を前記噴射ノズルに送り込むチューブとを備えていると共に、前記チューブの外周を保温ヒータで被覆する構成としていることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成を有する請求項３に係る発明によれば、蒸気発生器により生成される蒸気を保温して、長い距離そのままの状態を維持して搬送することができるので、接合する強化繊維プリフォームのサイズに拘らずに、容易に接合作業を行うことができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、前記噴射ノズルが操作ハンドルを備えていると共に、前記操作ハンドルに蒸気噴射の動作を制御するスイッチを設けたことを特徴としている。
【００１８】
上記の構成を有する請求項４に係る発明によれば、蒸気発生器から離れた位置でも、噴射ノズルを把持した状態で、蒸気噴射の開始と停止を制御することができる。
【００１９】
請求項５に係る発明は、前記操作ハンドルが噴射ノズル本体に対して折り畳み自在に軸支されていることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成を有する請求項５に係る発明によれば、操作性と収納性がよくさらに携帯性のよい噴射ノズルを備える接合装置とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、複数の強化繊維プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、接合部に蒸気噴射ノズルの押圧面を押し付けて高温の蒸気を高圧噴射して、前記接合部の内部深くまで蒸気を浸入させる構成としたので、プリフォーム同士を確実に、また、容易に接合作業が行える熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
複数の強化繊維プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、厚手のプリフォームであっても、異物を混入することなく接合作業が容易に行える熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置を得るという目的を、強化繊維中に予め熱可塑繊維を配合して所定形状の強化繊維プリフォームを組成すると共に、複数の前記プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、それぞれの重ね合わせ部に高温の蒸気を高圧噴射して接合する熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置とすることで実現した。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明に係る熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置の実施例について、図１から図７に基づいて説明する。
【００２４】
先ず、図６および図７にもとづき、複数本の強化繊維糸条を交錯させて組成体を組成する自動機であるブレイダーの一構成例について説明する。図６はブレイダーの一例を示す概略正面図であり、図７は前記ブレイダーの概略側断面図である。ブレイダーＢＲは、ブレイダー本体Ｂｂとマンドレル装置Ｂｍから構成されている。この発明の適用例において、前記マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍの位置を制御するための装置であり、マンドレルｍを把持して水平移動および回転動作を行うものである。
【００２５】
前記ブレイダー本体Ｂｂは、軸線が水平で一側に開口ｅを有するほぼ円筒状の機台Ｆｂ内に配置された曲率半径Ｒの曲面状の上板Ｕと、上板Ｕの周方向に穿設された軌道に沿って走行するボビンキャリアＣと、ボビンキャリアＣを軌道に沿って走行させるための駆動装置Ｄと、糸条案内装置Ｇを有している。
【００２６】
そして、ボビンキャリアＣに載置されたボビンからボビンの軸線方向に引き出される糸条Ｙが上板Ｕのほぼ中心に集合し、また、マンドレル装置Ｂｍに取り付けられたマンドレルｍの位置は、マンドレルｍ上に形成される組物の組成点Ｐが上板Ｕの中心に位置するようになっている。マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍを一次元、二次元あるいは三次元的に位置制御することができる。
【００２７】
こうして、ボビンキャリアＣが駆動装置Ｄによって軌道に沿って走行させられるとともに、マンドレルｍの位置がマンドレル装置Ｂｍによって制御され、その結果、多数の糸条Ｙが交錯し、また、必要に応じて、機台ＦｂのフレームＦｂ'にほぼ水平に配置されたボビンキャリアＣから中糸用糸条ｙが、軌道に沿って走行するボビンキャリアＣから巻き戻され組み上げられる糸条Ｙに交絡することにより、ブレイディング（組物）が行われて種々の形状のマンドレルｍ上に組物が組み上げられる。
【００２８】
ブレイディングによる組物作製が完了した後、適当な切断装置によって糸条Ｙおよびｙが切断され、完成した組物組成を備えたマンドレルｍは、マンドレル装置Ｂｍから取り外される。
【００２９】
前記糸条Ｙや中糸用糸条ｙとして、樹脂が含浸されていない強化繊維Ｙ１と熱可塑繊維Ｙ２を合わせ巻き（図４参照）した糸条を使用した。そのために、予め熱可塑繊維を配合した強化繊維をブレイディングしてドライプリフォームを成形する構成としている。
【００３０】
図４に示すように、本実施例に使用する予め熱可塑繊維を配合した強化繊維である糸条Ｙは、熱可塑繊維Ｙ２と強化繊維Ｙ１とを合わせ巻きされてボビンＢに巻成されており、予め熱可塑繊維を配合した糸条Ｙが巻かれた前記ボビンＢを前記ブレイダーＢＲに供給してドライプリフォームを成形するものである。
【００３１】
次に、得られたドライプリフォーム同士を接合する方法および装置について図１から図５により詳細に説明する。
【００３２】
図１（ａ）に示すように接合装置１は噴射ノズル２と蒸気発生器３とチューブ４とを備えており、前記蒸気発生器３で生成する蒸気を、チューブ４を介して噴射ノズル２に送り込む構成である。
【００３３】
また、前記チューブ４の外周を保温ヒータ５で被覆する構成としており、蒸気発生器３で生成した蒸気を噴射ノズル２まで搬送する道中において冷却されて凝結しないように考慮されている。そのために、蒸気発生器３で生成した高温高圧の蒸気を、その温度と圧力を減衰させることなく、そのままの状態で長い距離、噴射ノズル２まで送り込むことができる。
【００３４】
前記蒸気発生器３で生成する蒸気はその温度と圧力を設定可能としており、本実施例では、摂氏１２０°で圧力３Ｋｇ／ｃｍ2までの水蒸気を生成可能な蒸気発生器３を採用した。
【００３５】
前記糸条Ｙにより組成されるドライプリフォーム１０と１１とを重ね合わせて接合する際には、図１（ｂ）に示すように、噴射ノズル２のノズル本体２０を図中の矢印Ｆ方向に押下げて、押圧面２１を当接部に押し付けて、蒸気噴射孔２２から蒸気を噴射するように構成している。
【００３６】
前記押圧面２１の面と面一状態に前記蒸気噴射孔２２が設けられているので、前記押圧面２１を当接部に押し付けた状態では前記蒸気噴射孔２２も当接部に押し付けられており、蒸気を噴射すると、噴射される蒸気が外気に拡散せずに、前記蒸気噴射孔２２から高圧状態を維持してプリフォーム内部に吹き込まれることになる。そのために、高温の蒸気がプリフォーム内部の深部まで到達し周囲の糸条Ｙを加熱することができる。
【００３７】
また、図２に示すように、噴射ノズル２は、支持部材２４にノズル本体２０と操作ハンドル２６とを装着して構成されており、前記操作ハンドル２６は、支持部材２４に固着される連結部材２５（図３参照）に係止ノブ２７を介して装着されている。さらに、操作ハンドル２６に蒸気の噴射開始と停止との制御を行うためのスイッチＳＷを配設すると共に、前記ハンドル２６が係止ノブ２７により噴射ノズル本体に対して図中の矢印Ａ方向に折り畳み自在に軸支される構成としている。
【００３８】
そのために、係止ノブ２７を緩めたり締め付けたりすることで、操作ハンドル２６を図中の実線に示す位置に立設して操作位置としたり、矢印Ａ方向に折り畳んで収納位置とすることができる。
【００３９】
また、図に示すＫ１はスイッチＳＷの通電と蒸気生成流路に設けられるバルブ（不図示）制御のためのケーブルであり、Ｋ２は保温ヒータ５への通電のためのケーブルである。前記Ｋ２はヒータ温度調節機（不図示）に接続されており、噴射される蒸気の温度を低下させない程度の温度に設定しておくことができる。また、前記スイッチＳＷにより図示していないバルブを開閉して蒸気の噴射を制御する構成であり、操作ハンドル２６を保持したままスイッチＳＷを操作して、所定温度の所定圧力の蒸気を噴射する構成としている。
【００４０】
上記したように、操作ハンドル２６を把持して、噴射ノズル２を当接部に押し当てながら蒸気の噴射を制御する構成であり、一方の片手で被接合材を押えて、他方の片手で噴射ノズルを操作することができ、接合作業を容易に行うことができる。
【００４１】
図３は噴射ノズル２を斜め下から見た斜視図であるが、ノズル本体２０の下部に位置する押圧面２１に蒸気噴射孔２２を間隔を空けて複数配設している。本実施例では、孔径２ｍｍの噴射孔を４個配設したものである。
【００４２】
高温高圧の蒸気を搬送するチューブ４はノズル本体２０と連結部材２３を介して接続されており、チューブ４内を流動する蒸気を小さな孔径の蒸気噴射孔２２から高温高圧のまま噴射する構成としている。
【００４３】
上記したように、ドライプリフォームの接合部にノズル本体２０を押し付けて高温の蒸気を前記ドライプリフォーム内部に高圧噴射する構成としているので、前記蒸気が外部に拡散せずに前記ドライプリフォーム内部深くまで浸透可能となる。
【００４４】
また、前記押圧面２１に複数の蒸気噴射孔を散在して配設する構成としているので、一回の蒸気噴射により前記押圧面の面積に相当する広範囲の接合部を容易に接合することができる。
【００４５】
前記ドライプリフォームは図４に示すように、強化繊維Ｙ１に予め熱可塑繊維Ｙ２を配合した糸条Ｙをブレイディングしたものであるので、高圧噴射される蒸気で前記熱可塑繊維Ｙ２が溶けだして、凝固する際に接着剤として働くものである。そのために、ドライプリフォームの接合部にノズル本体２０を押し付けて高温の蒸気を短時間前記ドライプリフォーム内部に高圧噴射するだけで、この接合部をその内部深部に至るまで簡単に接合することができる。
【００４６】
もちろん、市販のアイロン等の加熱部材により比較的薄いドライプリフォーム同士を接合することは可能であるが、強化繊維が積層されたプリフォームでは、その厚さ方向の熱の伝わり時間が異なっているために、厚みのあるプリフォーム同士を確実に接合することは困難である。本発明においては、加熱媒体（高温高圧の水蒸気）を瞬時に接合部の内部深部まで送り込む（噴射する）構成としているので、厚手のプリフォームでも容易に接合することができる。
【００４７】
本実施例においては図５に示すように、ドライプリフォーム１２と１３とを接合する際に、各接合部にそれぞれノズル本体２０を押し付けるスポット位置を設けるようにして、スポット位置ＳＰ１とスポット位置ＳＰ２とスポット位置ＳＰ３とで接合する構成とした。
【００４８】
接合作業は、それぞれのスポット位置に押圧面２１を当接してノズル本体２０を押し付けて、蒸気噴射孔２２から噴射される蒸気が大気中に拡散しないようにして、スイッチＳＷを短時間（約１秒〜数秒）押して高温高圧の蒸気を噴射するものである。
【００４９】
本実施例における前記押圧面２１の外径は約４０ｍｍであり、上記したように、それぞれのスポット位置に一回の蒸気噴射の接合作業で、ドライプリフォーム１２と１３とを簡単に接合することが可能である。もちろんこの接合は強固な接合ではなく、あくまでも仮止め程度のものであって、一体化した後で、全体に樹脂を含浸させて加熱硬化し、継ぎ目のない一体構造のＦＲＰ製複合部材を成形するものである。
【００５０】
接合程度が仮止め程度であるので、前記熱可塑繊維Ｙ２の分量は少量でよく、糸条Ｙの数パーセント程度の糸量を配合しているだけである。そのために、糸条Ｙの大部分は樹脂が含浸されていない強化繊維であるので、組成される組物はドライプリフォームであり、そのまま常温で保管することができる。
【００５１】
このように、前記一体構造のＦＲＰ製複合部材は、予め熱可塑繊維Ｙ２を配合した糸条Ｙをブレイディングしたドライプリフォームを複数重ね合わせて接合して一体としているので、この一体構造物の状態で保管することも搬送することもできる。そのために、プリフォームの製造工場と樹脂成形工場とを別に設置して、需要に応じてプリフォーム製造工場から樹脂成形工場に搬送して一体成形することができ、ＦＲＰ製造業にとって非常に効果的である。
【００５２】
また、前記蒸気として水蒸気を採用しているが、特に水蒸気には限定されずに、強化繊維プリフォーム内に加圧されて浸入可能な加熱蒸気であればよい。ただし、水蒸気は安価であり比熱も高いので、効果的に接合作業を行うことができ経済的に有利である。さらにＦＲＰ製品に対して無害であると共に、接合作業後にすぐに水となり乾燥してしまうので好適である。
【００５３】
上記したように、本発明によれば、複数の強化繊維プリフォームを組み合わせて接合し一体構造物とする際に、接合部に噴射ノズルの押圧面を押し付けて高温の蒸気を高圧噴射して、前記接合部の内部深くまで蒸気を浸入させる構成としたので、プリフォーム同士を確実に、また、容易に接合作業が行える熱可塑繊維配合強化繊維プリフォームの接合方法および接合装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る接合装置を示しており、（ａ）は全体概略図であり、（ｂ）は噴射ノズルを接合部に押圧しているところを示す概略説明図である。
【図２】噴射ノズルの全体概略図である。
【図３】噴射ノズル２を斜め下から見た斜視図である。
【図４】予め熱可塑繊維を配合した糸条と該糸条が巻かれたボビンを示す概略説明図である。
【図５】ドライプリフォーム同士の接合状態を示す斜視図である。
【図６】ブレイダーの一例を示す概略正面図である。
【図７】前記ブレイダーの概略側断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  接合装置
２  噴射ノズル
３  蒸気発生器
４  チューブ
５  保温ヒータ
２０  ノズル本体
２１  押圧面
２２  蒸気噴射孔
２６  操作ハンドル
Ｙ１  強化繊維
Ｙ２  熱可塑繊維
Ｙ  糸条
ＳＷ  スイッチ
ＢＲ  ブレイダー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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