(57)【要約】  【課題】強化繊維積層品の製造工程において、帯状の強化繊維布帛から強化繊維方向の位相をずらした複数枚の形状パターンを切り出し、それらを積層する工程において、切り出しパターン数を削減して作業効率を高めると同時に、パターン周囲余白部分を減少させ布帛のロスを減少させる技術を提供する。  【解決手段】強化繊維布帛から線対称である切り出し片を複数枚切り出し、切り出し片の繊維方向位相を４５°ずらして積層する工程において、切り出し片の対称線を基準とする繊維方向に対し２２．５°傾けて切り出し、対称線に対し上記繊維方向が２２．５°傾いた切り出し片を得、また上記切り出し片の一部を対称線に沿って裏返すことによって対称線に対し上記繊維方向が逆方向に２２．５°傾いた線対称な切り出し片を得、前記２種類の切り出し片を重ねることにより、４５°位相がずれた積層を得る強化繊維積層製品の製造方法。【選択図】図１
2013154504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の強化繊維布帛を積層してなる強化繊維組織を有し、対称面を境に面対象形状を持つ強化繊維積層製品において、製品の対称面に対して強化繊維布帛の繊維方向が少なくとも２２．５°６７．５°−２２．５°−６７．５°の方向に配置されていることを特徴とする強化繊維積層製品。
【請求項２】
前記強化繊維布帛が互いに直交する２方向の強化繊維からなる織物で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の強化繊維積層製品。
【請求項３】
前記強化繊維布帛が炭素繊維からなることを特徴とする請求項１または２に記載の強化繊維積層製品。
【請求項４】
強化繊維布帛から線対称である切り出し片を複数枚切り出し、切り出し片の繊維方向位相を４５°ずらして積層する工程において、切り出し片の対称線を基準とする繊維方向に対し２２．５°傾けた切り出し片を複数切り出し、前記切り出し片の一部を対称線に沿って裏返すことによって対称線に対し上記繊維方向が逆方向に２２．５°傾いた線対称な切り出し片を得、前記２種類の切り出し片を重ねることにより、４５°位相がずれた積層構造を得る強化繊維積層製品の製造方法。
【請求項５】
前記強化繊維布帛が互いに直交する２方向の強化繊維からなる織物を用いることを特徴とする請求項４に記載の強化繊維積層製品の製造方法。
【請求項６】
前記強化繊維布帛が炭素繊維からなることを特徴とする請求項４もしくは５に記載の強化繊維積層製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強化繊維積層製品及びその製造方法、さらには炭素繊維強化樹脂製品及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維複合材に代表されるような強化繊維の積層製品は一般的に、平織りに代表されるような少なくとも２方向に繊維方向を配置した強化繊維布帛を複数層重ねた繊維積層組織を有する。この積層組織を形成する方法としてはさまざまな方法があるが、平織りのような帯状の強化繊維布帛から切り出し片を切り出して重ねるのが一般的である。この際できるだけ材料を有効に利用するため、形状パターンを最密に配置し、無駄となる余白を極小化する工夫がなされていた。
【０００３】
一方で、上記の平織りのような布帛は、繊維配列方向により強度や弾性率等が異なる非等方性を示すため、その特性を全方向に平均化する目的で、布帛積層の際に各層の繊維方向位相をさまざまな方向にずらして配置するといったことが行われていた。平織りの場合、繊維が縦横直交するように配置されているため、繊維と平行する０°／９０°方向の特性と、繊維と平行しない斜め方向、特に±４５°方向の特性が大きく異なることになるので、この特性のばらつきを均一化するため、繊維位相を互いに４５°ずらした２種類の層を準備しこれを積層し、それぞれの層で特性を補完し合わせるようなことが行われていた。（例えば特許文献１参照）
【０００４】
しかしながら、このように繊維位相をずらした複数の層を準備するには、それぞれの位相を切り出すため複数の形状パターンを準備する必要がある。一般的にはパターン数の増加は、形状パターン配置の最密化の妨げとなり無駄となる余白が増大する傾向があり、またパターン切り替え時にも材料のロスがうまれ、さらに作業上においてもパターンを変更する作業や、複数種類の切り出し片を管理する労力が生じ、作業効率が悪化していた。
【０００５】
上述の例として、特許文献２には、所定の角度θ（上記の例では４５°）にカット可能な基準面を有する静電吸着板で強化繊維シートをカットし、強化繊維シートを積層する態様が開示されている。特許文献１は、所定の角度のカットをシート運搬を一度に可能にする点にメリットはあるものの、多種多様な角度にカットする強化繊維シートを準備するには、その種類に応じた静電吸着板を用意する必要があった。
【０００６】
また、長方形状に近い形状パターンを帯状の布帛から切り出す際、特に長方形状に近いパターンの場合、長方形状の長手を布帛の長手に対して４５°角度を傾けたパターンをカットする際に、無駄な布帛面積の割合が上昇する傾向があった。これは４５°傾けて配置したことで、布帛の幅方向の両端付近に空きスペースが増加してしまうからである。このような問題により、繊維方向位相の分散化においては材料ロスが増加する傾向があり、問題となっていた。
【０００７】
上記のような問題を解決する方法として、形状パターンをさらに分割・分散配置してばらばらに切り出し、積層時にそれらを組み合わせるパッチワーク手法が適用されてきた。この方法によれば、一つ一つのパターンが小さくなることによって配置の自由度が増え、また分割後の形状については最密配置しやすい形状を狙いある程度最適化できるため、布帛ロスを減少することができた。
【０００８】
しかしながら、パーツ数の増加はハンドリングの煩雑化や工程の複雑化を招くため、設備費増加等の悪影響がある。また、切断されたパターンを再接合するための手間がかかり、これもコスト増加の要因となった。また、製品としても、再接合部分に関しては強度低下等の懸念があるためそれを補うための積層がさらに必要となる等、材料費を含めたコストや製品総重量増加の問題があった。
【０００９】
また、他の解決方法としては、ロス部分布帛の再利用が検討されてきた。具体的には、切れ端形状を利用した他形状積層品の製造や、細かく切り刻む等の処理により他製品への転用を図るというものであった。しかしながら、これらの方式においても、工程の増加・複雑化により設備費等が増加し、結果的に製品のコストが思いのほか下がらないといった懸念が生じること、また、一般的に再利用品は付加価値が減少する傾向にあり、製品として販売しても思うようなコスト回収につながらないことが挙げられ、十分に活用されてこなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２７１８７５号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１８９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、上記のような問題に着目し、布帛から位相をずらした複数の切り出し片を切り出す際のパターン数を削減し、パターン配置の密度を高めると同時に、パターン切り替えや切り出し片管理の煩雑化等を回避し、強化繊維布帛ロスの減少や設備費ダウン、作業性向上等のメリットを得ることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）複数枚の強化繊維布帛を積層してなる強化繊維組織を有し、対称面を境に面対象形状を持つ強化繊維積層製品において、製品の対称面に対して強化繊維布帛の繊維方向が少なくとも２２．５°６７．５°−２２．５°−６７．５°の方向に配置されていることを特徴とする強化繊維積層製品。
（２）前記強化繊維布帛が互いに直交する２方向の強化繊維からなる織物で構成されていることを特徴とする（１）に記載の強化繊維積層製品。
（３）前記強化繊維布帛が炭素繊維からなることを特徴とする（１）または（２）に記載の強化繊維積層製品。
（４）強化繊維布帛から線対称である切り出し片を複数枚切り出し、切り出し片の繊維方向位相を４５°ずらして積層する工程において、切り出し片の対称線を基準とする繊維方向に対し２２．５°傾けた切り出し片を複数切り出し、前記切り出し片の一部を対称線に沿って裏返すことによって対称線に対し上記繊維方向が逆方向に２２．５°傾いた線対称な切り出し片を得、前記２種類の切り出し片を重ねることにより、４５°位相がずれた積層構造を得る強化繊維積層製品の製造方法。
（５）前記強化繊維布帛が互いに直交する２方向の強化繊維からなる織物を用いることを特徴とする（４）に記載の強化繊維積層製品の製造方法。
（６）前記強化繊維布帛が炭素繊維からなることを特徴とする（４）もしくは（５）に記載の強化繊維積層製品の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の強化繊維積層方法によると、布帛から位相をずらした複数の形状パターンを切り出す際の切り出しパターン数を削減出来、さらに切り出しパターン配置の密度を高めることができるため、パターン切り替えや切り出し片管理の煩雑化等を回避し、強化繊維布帛ロスの減少や設備費ダウン、作業性向上等のメリットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る強化繊維積層品の一例を簡略化して示した概略構成図である。
【図２】本発明に係る形状パターン配置の一例を示した概略説明図である。
【図３】本発明に係る切り出し片の一例を簡略化して示した概略構成図である。
【図４】本発明に係る切り出し片の一例を簡略化して示した概略構成図である。
【図５】本発明に係る切り出し片の積層状態の一例を簡略化して示した概略構成図である。
【図６】従来手法に係る形状パターン配置の一例を簡略化して示した概略説明図である。
【図７】従来手法に係る強化繊維積層品の一例を簡略化して示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は本発明に係る強化繊維積層製品の一例を簡略化して示した概略構成図である。図１において、強化繊維積層製品１は、強化繊維布帛を厚さ方向に複数枚重ねた厚みのある板状のものである。この強化繊維積層製品１は対称面２（紙面に対して垂直方向に延在）を境に左右面対称の形状を有している。また、強化繊維積層製品１における強化繊維の繊維配向３は、対称面２に対してそれぞれ２２．５°６７．５°−２２．５°−６７．５°の角度を成している。ここで示される対称面２と繊維配向３がなす角度とは、基本的には、製品内部における各強化繊維布帛の面内方向における繊維配向３として定義されるものである。また、このような角度配置は、上述のとおり、繊維配向３に依存する強度や弾性率等の非等方性を全方向に平均化（擬似等方性）する目的で行われるものである。対称面２と繊維配向３がなす角度は、±５°程度の誤差があってもその目的は十分達成される。±２°程度の誤差であればさらに望ましく達成される。
【００１７】
このような繊維配向３を持つ構造設計を行うことにより、強化繊維積層製品１における製造工程のうち、強化繊維積層組織を作る過程において大きな改善効果をもたらすことができる。以下にその詳細を説明する。
【００１８】
まず、材料となる帯状の強化繊維布帛から切り出し片を切り出す方法を説明する。図２に切り出し時の形状パターン配列の一例を示す。材料となる長尺シート状の強化繊維布帛６に形状パターン４を連続して配置したものであり、後述する切り出し片８はこの形に沿って複数の同一形状を並べて配置するように、連続して切り出される。これらの形状パターンは、対称線５で左右対称形状を有することが好ましい。強化繊維布帛６は、強化繊維が直交する２方向基材（繊維配向方向７ａ、７ｂ）を用いることが好ましい。本発明においては、切り出し片８として切り出す際に、対称線５に対し２２．５°の向きにいずれかの繊維が配向するよう配置して切り出すことを特徴としている。この例では、強化繊維布帛６長手方向の繊維方向と各形状パターン４の対称線が２２．５°を成している。このような形で１種類の形状パターンのみを連続して切り出すように配置することで、強化繊維布帛６内におけるパターン配置の密度があがり、無駄となる布帛スペース６Ａが削減できる。なお、ここで形状パターン４が線対称であるのは、狙いとする強化繊維積層製品１の形状が面対称であるため、元となる切り出し片８もおのずと線対称形状となるからである。
【００１９】
次に、上述のとおり切り出した切り出し片８を図３に、切り出し片８の対称線５を中心に１８０度回転させた切り出し片８´（繊維配向方向７ａ´、７ｂ´）を図４に示す。切り出し片８´の繊維配向方向は１８０度回転により対称線５に対して線対称方向に逆転するため、対称線５に対して図３とは逆向きの−２２．５°方向に繊維が配向する。
【００２０】
次にこれら図３、図４に示す切り出し片８、８´を重ね合わせたものを図５に示す。ここで繊維配向方向７ａ、７ｂは、対称線５に対してお互い対称にそれぞれ２２．５°傾いているため、両者の成す角度は２２．５°の２倍の４５°となる。このように、１種類の切り出し片２枚を表裏で重ね合わせるだけで、４５°位相がずれた積層を得ることができる。
【００２１】
上記の方法によれば、本来ならば２種類必要な切り出し片を１種類の切り出し片でどちらにも代用できるため、形状パターン数の大幅な削減が可能である。パターン数の削減は、切り出し設備の設備費削減に有効であるほか、形状パターン配置の最密化に効果的であり、無駄となる余白部分を削減することができる。またパターン切り替えを減らすことができるため、切り替えに伴う手間や布帛ロスを減少させることができるほか、取り扱うパターンの種類が減少することよりハンドリングの煩雑さがなくなり作業性向上を図ることができる。また上述のとおり、もともと１種類の切り出し片を２種類の切り出し片として選択使用可能なことから材料が無駄になりにくく、布帛の利用率向上に効果的である。これらの効果は長尺シート状の強化繊維布帛から切り出しを行う際に特に顕著であるが、材料の形状を問わず形状パターンの切り出しを行うような場合においては効果を得ることができる。
【００２２】
また、本発明では製品形状が面対称であるものを対象としているが、場合によっては必ずしも厳密に面対称である必要はない。例えば強化繊維積層製品においては、積層後最終的に非対称な穴あけ加工や、カッタウェイ加工等の追加工が施される場合がよくあり、この場合製品形状は見た目非対称となってしまうが、切り出し片を積層した段階で面対称の形状になっていれば、本発明によるメリットを発揮することができる。さらに言えば、切り出し片の形状パターンが非対称で、切り出し片を１８０°裏返して積層しても裏返す前の切り出し片の形状と完全には一致しない場合においても、程度問題としてある程度の割合で一致する場合であれば、一致しない部分は積層後トリミング加工する等の手法により本発明を適用することができる。この場合上記で挙げたトリミング加工等により布帛ロスや作業の煩雑化が懸念されるが、本発明によるパターン統一化や布帛ロス削減、設備費減少、生産性向上等のメリットがそれを上回る場合は適用の可能性は十分考えうる。
【００２３】
次に従来の手法について以下に説明する。従来手法では切り出し片の対称線に対し平行に繊維が配向する０°基準パターン１１と４５°方向に繊維が配向する４５°基準パターン１２の２種類のパターンを用意し、積層することが一般的であった。図６に形状パターン配置の一例を示す。この場合、２種類の切り出しパターンを必要とするため、上述したように、材料のロス増加や設備費の向上、作業効率悪化等の悪影響が懸念される。また両者パターンの配置角度が異なるために、互いに密接配置させることが出来ず、無駄となる布帛スペース６Ｂが増大している。さらに、４５°基準パターン１２については、強化繊維布帛６の長尺方向に対しかなり傾けて配置せざるを得ないため、強化繊維布帛６の幅方向における両端付近に無駄となる布帛スペース６Ｃが特に増加していることがわかる。切り出しパターンの系状にもよるが一般的に45°基準パターン切り出しについては無駄となる布帛スペースが増大しやすい傾向にある。
【００２４】
図７はこのようにして得られた従来の強化繊維積層製品の一例を簡略化して示した概略構成図である。従来の強化繊維積層製品ではその繊維方向は対称面に対してそれぞれ０°、９０°、±４５°方向に配向したものとなっている。これに対し、本発明に係る強化繊維積層製品１は、強化繊維の繊維配向３が２２．５°ずれたものとなるが、８本の強化繊維が互いに一定の角度をもって配置された擬似等方性を有する点で従来の強化繊維積層製品とほぼ同一構成となり、狙いとする機械的特性を十分発言することができる。
【００２５】
本発明は、強化繊維布帛６から線対称となる切り出し片８、８´を切り出し、強化繊維布帛の繊維方向位相を４５°ずらして積層する工程において好適なものであり、なかでも、上記布帛が互いに直交する２方向の強化繊維からなる織物である場合に特に好適に用いられる。また、上記の強化繊維が炭素繊維である場合、単価の高い炭素繊維のロス率を大幅に下げることができるためメリットが大きい。また、強化繊維積層製品を形成する一部の層には、一方向に強化繊維が引き揃えられた一方向基材を用いることも可能である。また、あらかじめ樹脂が含浸されたプリプレグや、異等方織物である多軸ステッチ素材等を組み合わせて使用することも可能である。
【００２６】
なお、本発明は、強化繊維布帛を切り出した強化繊維積層製品を対象として説明してきたが、強化繊維積層製品としてそのまま使用してもよく、また、強化繊維積層製品に樹脂を含浸硬化させた繊維強化プラスチックとして使用することも可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１：強化繊維積層製品
２：対称面
３：繊維配向
４：形状パターン
５：対称線
６：強化繊維布帛
６Ａ、６Ｂ，６Ｃ：無駄となる布帛スペース
７ａ、７ｂ、７ａ´、７ｂ´：強化繊維布帛の繊維配向方向
８、８´：切り出し片
１１：０°基準パターン
１２：４５°基準パターン
【図１】
2013154504.tif 000003
【図２】
2013154504.tif 000004
【図３】
2013154504.tif 000005
【図４】
2013154504.tif 000006
【図５】
2013154504.tif 000007
【図６】
2013154504.tif 000008
【図７】
2013154504.tif 000009