(57)【要約】  【課題】  予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層して複合材パネルを容易に製造することができる強化繊維の自動積層装置及び強化繊維プリフォームの製造方法を提供することである。【解決手段】  プリフォームの型１の表面に強化繊維Ｙを積層するロボットアーム１０と、前記プリフォームの型の表面および強化繊維が積層された表面に粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアーム２０と、前記ロボットアーム１０と前記粘着剤スプレーアーム２０との操作を制御する制御装置３０とを備えて、粘着剤を前記型の表面にムラなく塗布した後で前記強化繊維を積層していき、強化繊維が積層された面に再度前記粘着剤をムラなく塗布して再度積層するという動作を繰り返して所定厚みの強化繊維プリフォームを成形する構成とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリフォームの型の表面に強化繊維を積層するロボットアームと、前記プリフォームの型の表面および強化繊維が積層された表面に粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記ロボットアームと前記粘着剤スプレーアームの操作を制御する制御装置を備えたことを特徴とする強化繊維の自動積層装置。
【請求項２】
前記ロボットアームに、強化繊維を送り出す案内ガイド装置を備える積層ヘッドが首振り自在に装着されていることを特徴とする請求項１に記載の強化繊維の自動積層装置。
【請求項３】
前記粘着剤スプレーアームに、粘着剤をスプレーする噴射装置が首振り自在に装着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の強化繊維の自動積層装置。
【請求項４】
粘着剤を収納する複数のタンクを備え、該複数のタンクから、単一あるいは複数の粘着剤を選別して前記噴射装置へ送り込む噴射制御装置を配設すると共に、該噴射制御装置による粘着剤の選別と噴射操作を前記制御装置が制御する構成としていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の強化繊維の自動積層装置。
【請求項５】
プリフォームの型に強化繊維を積層する際に、粘着剤を前記型の表面に塗布した後で前記強化繊維を積層し、強化繊維が積層された面に再度粘着剤を塗布して再度積層するという動作を繰り返して所定厚みの強化繊維プリフォームを成形することを特徴とする強化繊維プリフォームの製造方法。
【請求項６】
前記粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記強化繊維を積層するロボットアームとを交互に操作して所定厚みの複合部材を自動的に成形することを特徴とする請求項５に記載の強化繊維プリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層してプリフォームを成形する強化繊維の自動積層装置及び強化繊維プリフォームの製造方法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。）で種々の複合材パネルを製造しており、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、前記複合材パネルを製造する際に一層のコストダウンが望まれている。
【０００３】
一般に大型の複合材パネルを製造する際には、所定形状の型材にテープ状のプリプレグ（強化繊維に予めマトリックス樹脂を含浸させたもの）を積層していき、加熱硬化して成形するものである。
【０００４】
前記プリプレグを一枚一枚積層していくのを人手により行う際には、自由な形状に積層することはできるが、大きなものを積層することは困難であり、さらに作業時間が長くなると共に、作業者の技量により製品の品質が左右されるという問題がある。
【０００５】
最近では積層工程を自動的に行うファイバープレースメント法と呼ばれる積層方法が知られており、予め樹脂が含浸された強化繊維であるテープ状のプリプレグをマンドレル表面に加圧しながら積層すると共に、別に備える加熱装置やオートクレーブ等により含浸された樹脂を溶融して固着していく成形方法である。
【０００６】
上記ファイバープレースメント法として、複数の幅広のテープ状プリプレグを同時に加熱しながら積層していくとした複合材成形装置および複合材成形方法が既に公開されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、一般にＦＲＰの代表的な加熱硬化方法として知られている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た成形品を、一体的に収納して加熱・加圧し、ＦＲＰを成形するものである。
【０００８】
しかし、これらのテープ状プリプレグを積層した後で、加熱硬化して複合材パネルを製造する方法においては、前記プリプレグの製造に高いコストがかかることと大型の複合材パネルを収納する程度の大型のオートクレーブが必要になるという問題があった。
【０００９】
そのため、プリプレグを用いて成形した後で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所望の形状をした型内に積み重ねて配置した後に樹脂を一括含浸させて、ＦＲＰ成形品を製造する成形法も知られている。
【特許文献１】特開２００２−２０５３４１号公報（第１−７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のファイバープレースメント法ではテープ状プリプレグを加熱加圧しながら自動的に積層していくことができるが、強化繊維に予め樹脂を含浸させる工程が必要であって、ＦＲＰ製複合部材の成形サイクルを短縮することができない。
【００１１】
さらに、樹脂が含浸されたプリフォームの状態では長期間保管することは困難であって、樹脂が変質したりして、プリフォームの品質が劣化するという問題があった。
【００１２】
また、前記ＲＴＭやＶａ−ＲＴＭ法やＲＩＭ法などは、所望の形状をした型の内部に樹脂が含浸されていない強化繊維基材を積み重ねるように配列して、その後樹脂を強制的に注入して硬化成形する方法であって、装置自体が大型で高価なものであり、予め樹脂が含浸された前記テープ状のプリプレグを自動的に積層するファイバープレースメント法と同じ方法で、予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層してドライプリフォームを成形する製造方法ではない。
【００１３】
本発明の目的は、上記問題点を解消するために、予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層して複合材パネルを容易に製造することができる強化繊維の自動積層装置及び強化繊維プリフォームの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、プリフォームの型の表面に強化繊維を積層するロボットアームと、前記プリフォームの型の表面および強化繊維が積層された表面に粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記ロボットアームと前記粘着剤スプレーアームの操作を制御する制御装置を備えた構成の強化繊維の自動積層装置としていることを特徴としている。
【００１５】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、制御装置により、ロボットアームと粘着剤スプレーアームを交互に操作し、樹脂が含浸されていない強化繊維を所定層順次積層してドライプリフォームを形成することができる。
【００１６】
請求項２に係る発明は、前記ロボットアームに強化繊維を送り出す案内ガイド装置を備える積層ヘッドが首振り自在に装着されていることを特徴としている。
【００１７】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、三次元空間内を移動自在なロボットアームに、さらに積層ヘッドを首振り自在に装着しているので、任意の形状の複合材パネルを成形することができる。
【００１８】
請求項３に係る発明は、前記粘着剤スプレーアームに粘着剤をスプレーする噴射装置が首振り自在に装着されていることを特徴としている。
【００１９】
上記の構成を有する請求項３に係る発明によれば、三次元空間内を移動自在な粘着剤スプレーアームに、さらに噴射装置を首振り自在に装着しているので、任意の形状の型の表面に粘着剤をスプレーすることができ、任意の形状の複合材パネルを積層することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明は、粘着剤を収納する複数のタンクを備え、該複数のタンクから、単一あるいは複数の粘着剤を選別して前記噴射装置へ送り込む噴射制御装置を配設すると共に、該噴射制御装置による粘着剤の選別と噴射操作を前記制御装置が制御する構成としていることを特徴としている。
【００２１】
上記の構成を有する請求項４に係る発明によれば、粘着剤を塗布する面に好適な粘着剤を予め設定しておき、選別される粘着剤を自動的に塗布することができる。
【００２２】
請求項５に係る発明は、プリフォームの型に強化繊維を積層する際に、粘着剤を前記型の表面に塗布した後で前記強化繊維を積層し、強化繊維が積層された面に再度粘着剤を塗布して再度積層するという動作を繰り返して所定厚みの強化繊維プリフォームを成形する強化繊維プリフォームの製造方法であることを特徴としている。
【００２３】
上記の構成を有する請求項５に係る発明によれば、樹脂が含浸されていない強化繊維を型表面全体に順次積層して、所定厚みの強化繊維プリフォームを成形する製造方法とすることができる。
【００２４】
請求項６に係る発明は、前記粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記強化繊維を積層するロボットアームとを交互に操作して所定厚みの複合部材を自動的に成形する強化繊維プリフォームの製造方法としていることを特徴としている。
【００２５】
上記の構成を有する請求項６に係る発明によれば、型や積層部の表面にムラなく粘着剤を塗布して順次強化繊維を自動的に積層していくことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、プリフォームの型の表面に強化繊維を積層するロボットアームと、前記プリフォームの型の表面および強化繊維が積層された表面に粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記ロボットアームと前記粘着剤スプレーアームの操作を制御する制御装置とを備える構成としたので、予め樹脂が含浸されていない強化繊維を複数層順次積層して複合材パネルを容易に製造することができる強化繊維の自動積層装置及び強化繊維プリフォームの製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層して複合材パネルを容易に製造することができる強化繊維の自動積層装置及び強化繊維プリフォームの製造方法を得るという目的を、プリフォームの型の表面に強化繊維を積層するロボットアームと、前記プリフォームの型の表面および強化繊維が積層された表面に粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記ロボットアームと前記粘着剤スプレーアームの操作を制御する制御装置とを備える構成の強化繊維の自動積層装置とし、さらに、強化繊維が積層された面に再度前記粘着剤を塗布して再度積層するという動作を繰り返して所定厚みの強化繊維プリフォームを成形する強化繊維プリフォームの製造方法とすることで実現した。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明に係る強化繊維の自動積層装置及び強化繊維プリフォームの製造方法の実施例について、図１から図４に基づいて説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明に係る強化繊維の自動積層装置はプリフォームの型１と強化繊維を積層するロボットアーム１０と、前記プリフォームの型１の表面および強化繊維が積層された表面にムラなく粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアーム２０と、前記ロボットアーム１０と前記粘着剤スプレーアーム２０とを交互に操作制御する制御装置３０とを備えている。
【００３０】
所望されるプリフォーム形状をした型１の外周面に、扁平な強化繊維Ｙを配列させるが、この際に、まず前記型１の表面に、粘着剤スプレーアーム２０により粘着剤あるいは離型剤を含む粘着剤を塗布する。この塗布された型の表面にロボットアーム１０により強化繊維Ｙを配列して貼り付けていく。１層目の配列が終了すると、その配列面に再度粘着剤スプレーアーム２０により粘着剤を塗布し、２層目の強化繊維Ｙを配列して貼り付けていく。
【００３１】
さらに、３層目、４層目と粘着剤スプレーアーム２０による粘着剤の塗布とロボットアーム１０による強化繊維Ｙの配列とを繰り返し行い、強化繊維Ｙが複数層積層された所定厚みの強化繊維プリフォームを製造するものである。
【００３２】
また、前記ロボットアーム１０は、台基礎１１に第一アーム１２と第二アーム１３とを備えており、第一アーム１２が前記台基礎１１に対して水平方向に旋回自在で首振り自在であり、さらに第一アーム１２と第二アーム１３とを首振り自在とすることで、前記第二アーム１３の先端部１３Ａが自在な空間座標を取る構成としている。すなわち、前記ロボットアーム１０のアーム先端が三次元空間内を移動自在であるといえる。
【００３３】
さらに、前記先端部１３Ａに強化繊維Ｙを案内する案内ガイド装置１５を備える積層ヘッド１４が首振り自在に装着されていて、湾曲した任意の外形形状とされる型１の外表面に対応して強化繊維Ｙを配向して貼り付けていくことができる。
【００３４】
また、強化繊維Ｙは、別に設置されるクリールＫに多数装着されるボビンＢから引き出されて、前記案内ガイド装置１５内を挿通して案内される構成である。
【００３５】
前記粘着剤スプレーアーム２０は、台基礎２１に第一アーム２２と第二アーム２３とを備えており、第一アーム２２が前記台基礎２１に対して水平方向に旋回自在で首振り自在であり、さらに第一アーム２２と第二アーム２３とを首振り自在とすることで、前記第二アーム２３の先端部２３Ａが自在な空間座標を取る構成としている。すなわち、前記粘着剤スプレーアーム２０のアーム先端が三次元空間内を移動自在であるといえる。
【００３６】
さらに、前記先端部２３Ａに粘着剤をスプレーする噴射装置２５を備えるスプレーヘッド２４が首振り自在に装着されていて、湾曲した任意の外形形状とされる型１の外表面に対応して粘着剤や離型剤を吹き付けることができる。
【００３７】
前記粘着剤や離型剤を収容したケースを前記スプレーヘッド２４に装着することも可能であるが、本実施例においては、第一粘着剤を収納するタンク２６と離型剤を含む第二粘着剤を収納するタンク２７とを別に設置して、噴射制御装置２８によりそのいずれかをまたは両方を噴射可能な構成としている。
【００３８】
噴射制御装置２８と制御装置３０とは電気的に接続されており、前記制御装置３０からの指令により前記噴射制御装置２８からの噴射を制御する構成であって、第一粘着剤はタンク２６から配管２６Ａを介して噴射装置２５まで挿通し、第二粘着剤はタンク２７からは配管２７Ａを介して同様に噴射装置２５まで挿通する構成としている。
【００３９】
また、制御装置３０に所定の操作プログラムを設定して、前記第一粘着剤と第二粘着剤とのいずれかをまたは両方を噴射するように制御すると共に、前記ロボットアーム１０と前記粘着剤スプレーアーム２０とを交互に操作するように制御する構成としている。つまり、前記制御装置３０により、粘着剤スプレーアーム２０を操作する際に、所定の粘着剤を所定量スプレーすることが可能である。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、本発明に係る強化繊維プリフォームは複数層の積層構造であって、まず、型１に粘着剤層２Ａとして離型剤を含む第二粘着剤を前記型１の表面にムラなく塗布した後で強化繊維層３Ａを貼り付ける。この時に、離型剤と共にエポキシ樹脂等の熱硬化性粘着剤を加えてもよい。次に、前記強化繊維層３Ａの上に粘着剤層２Ｂとしてスプレー糊等の第一粘着剤をムラなく塗布し、強化繊維層３Ｂを貼り付ける。さらに、粘着剤層２Ｃとして同じく第一粘着剤をムラなく塗布して強化繊維層３Ｃを、また所望される厚みに応じて、さらに粘着剤層と強化繊維層を積層していく構成である。
【００４１】
上記粘着剤としては、加熱すると硬化する熱硬化性粘着剤が好適である。また、強化繊維Ｙ同士を積層する際に、前記第一粘着剤としてスプレー糊を採用すれば、前記強化繊維Ｙ同士が滑らないので、確実にまた容易に積層することができ好適である。
【００４２】
強化繊維Ｙを積層していく際には、図２（ｂ）に示すように、下側の強化繊維層３Ｄと上側の強化繊維層３Ｅとの貼り付け方向を交錯させると、各方向の曲げ強度やねじり強度が均一となり好適である。また複数層の積層構成とする時に各層の貼り付け方向を予め設定される任意の方向として、所望される曲げ強度やねじり強度を発揮する構成とすることもできる。
【００４３】
次に、図３および図４により強化繊維Ｙを送り出す駆動部を有する案内ガイド装置１５について詳細に説明する。
【００４４】
ボビンＢから引き出された強化繊維ＹはガイドローラＲ１から回転ローラＲ２を備える送りローラ部１５４を経由して、テンションローラＲ３とガイドローラＲ４を経て回転ローラＲ５とニップローラ１５２Ａを備える送りローラ部１５２により搬送され、ガイドローラＲ６から貼り付け部に送り出される。
【００４５】
前記送りローラ部１５４はモータＭ１により駆動される回転ローラＲ２とニップローラ１５４Ａとから構成されていて、強化繊維Ｙをニップして送り出すローラ対である。また、前記ニップローラ１５４Ａはコイルバネ１５４Ｂにより回転ローラＲ２に押し付けられており、挟持する強化繊維Ｙを確実にニップして送り出すことができる。
【００４６】
テンションローラＲ３はテンションプレート１５３に装着されていて、前記テンションプレート１５３はコイルバネ１５３Ｂにより支軸１５３Ｃ回りに回転し、前記テンションローラＲ３が図中の矢印Ｔ方向に移動するよう付勢されている。また、１５３Ａはストッパーであり、前記テンションプレート１５３の移動端を規制しており、前記テンションローラＲ３の矢印Ｔ方向の移動を規制している。
【００４７】
つまり、送りローラ部１５４とガイドローラＲ４とでガイドされる強化繊維Ｙを、矢印Ｔ方向に押し込んで、強化繊維Ｙの張力と釣り合う位置で前記テンションローラＲ３の移動が停止する構成である。そのために、この押し込み量は、強化繊維Ｙの張力が低いと大きくなり、張力が高いと小さくなる。
【００４８】
前記押し込み量を検知するために、テンションプレート１５３の円弧状の下端部１５３Ｄを検知するセンサＳ１を配設した。図３に示すテンションプレート１５３の位置は該テンションプレート１５３の側部がストッパー１５３Ａに当接した位置であり、この位置では下端部１５３Ｄが前記センサＳ１から離反した状態となる。つまり、センサＳ１が前記下端部１５３Ｄを検知しなくなると、強化繊維Ｙの張力が低くなり過ぎたと判別することができる。
【００４９】
強化繊維Ｙの張力が低くなったと判断すると、モータＭ１による強化繊維Ｙの送り出し量を減少させ、センサＳ１の前記下端部１５３Ｄを検知する範囲に戻す構成とすればよい。また、このような処置を施しても、前記センサＳ１が前記下端部１５３Ｄを検知しない場合は、切断されたかもしくは消費したと判断することができる。
【００５０】
また、送りローラ部１５２は、強化繊維Ｙを配列する最初の口出しのために用いられ、前記ローラ部１５２を構成する回転ローラＲ５は、その端部に多数のスリットを有するゲージ羽根が装着されており、そのゲージ羽根を挟み込む位置にセンサ２を配設して前記スリットの移動量すなわち回転ローラＲ５の回転量を検知する構成としている。
【００５１】
回転ローラＲ５の回転量とは強化繊維Ｙの送り出し量のことであって、前記スリットの数を増やすことで、正確でかつ微小な強化繊維Ｙの送り出し長さが検知可能であり、口出し時に、強化繊維Ｙの端部を、ガイドローラＲ６付近の最適な場所に送り込むことができる。
【００５２】
回転ローラＲ５に当接するニップローラ１５２Ａは、コイルバネではなくシリンダ１５２Ｂにより付勢されている。前記シリンダ１５２Ｂが、支軸の回りに回転自在なアーム１５２Ｃを押圧して、該アーム１５２Ｃの前記支軸とは反対側端部に装着されているニップローラ１５２Ａを回転ローラＲ５に押圧する構成としている。
【００５３】
上記のようにシリンダ１５２Ｂにてニップローラ１５２Ａを付勢する構成としているので、シリンダ１５２Ｂを制御して、強化繊維Ｙを配列する際には、回転ローラＲ５からニップローラ１５２Ａを離反させることができる。また、強化繊維ＹをガイドローラＲ６付近に口出しする場合には、回転ローラＲ５にニップローラ１５２Ａを押圧して、該ニップローラ１５２Ａと回転ローラＲ５とで強化繊維Ｙをニップし、モータＭ２により回転ローラＲ５を回転させ強化繊維Ｙを引き出すことができる。
【００５４】
１５１はカッターであり、シリンダ１５１Ｂを作動して、切断刃１５１Ａと挟持片１５１Ｃを駆動して、強化繊維Ｙを切断し挟持しておく装置である。また、強化繊維Ｙをカッター１５１でカットする場合は、強化繊維Ｙを保持させるために、ニップローラ１５２Ａは回転ローラＲ５に押圧されている。
【００５５】
前記カッター１５１とガイドローラＲ６は一体的に支持部材１５０に装着されていると共に、前記支持部材１５０は、連結板１５Ｄを介してシリンダ１５Ｂのロッド１５Ｃに接続されている。そのために、前記ロッド１５Ｃの伸縮に連動して支持部材１５０も図中の上下方向に往復移動自在であり、強化繊維Ｙを積層面に押し付ける方向の移動を制御することができる。つまり、ガイドローラＲ６部を降下させて積層面に押し付けることで、前記積層面が湾曲した面であっても、強化繊維Ｙを確実に積層していくことが可能な構成としている。
【００５６】
上記したように、本発明によれば、プリフォームの型の表面に強化繊維を積層するロボットアームと、前記プリフォームの型の表面および強化繊維が積層された表面にムラなく粘着剤を塗布する粘着剤スプレーアームと、前記ロボットアームと前記粘着剤スプレーアームとを制御する制御装置とを備える構成として、前記制御装置により前記ロボットアームと前記粘着剤スプレーアームとを交互に操作して、粘着剤をスプレーした後で強化繊維を積層していく構成としたので、予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層して複合材パネルを容易に製造することができる強化繊維の自動積層装置とすることができる。
【００５７】
さらに、粘着剤を前記型の表面にムラなく塗布した後で前記強化繊維を積層していき、強化繊維が積層された面に再度前記粘着剤をムラなく塗布して再度積層するという動作を繰り返して所定厚みの強化繊維プリフォームを成形する方法としたので、予め樹脂が含浸されていない強化繊維を積層して複合材パネルを容易に製造することができる強化繊維プリフォームの製造方法とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る強化繊維の自動積層装置の全体レイアウトを示す概略説明図である。
【図２】強化繊維の積層状態を示しており、（ａ）は断面概略図であり、（ｂ）は平面概略図である。
【図３】強化繊維を案内する案内ガイド装置の概略正面図である。
【図４】前記案内ガイド装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  （プリフォームの）型
１０  ロボットアーム
１４  積層ヘッド
１５  案内ガイド装置
２０  粘着剤スプレーアーム
２５  噴射装置
２６  タンク
２７  タンク
２８  噴射制御装置
３０  制御装置
Ｙ  強化繊維
Ｂ  ボビン
【図１】
2005219373.tif 000003
【図２】
2005219373.tif 000004
【図３】
2005219373.tif 000005
【図４】
2005219373.tif 000006