(57)【要約】【課題】意図したプリプレグの意図した位置に繊維蛇行を導入した繊維強化複合材料を試験片として容易に得ることができる繊維蛇行導入装置を提供する。【解決手段】熱可塑性プリプレグＷに繊維蛇行Ｓを生じさせる繊維蛇行導入装置であって、プリプレグＷに接触して加熱する動作部４１を有し且つプリプレグＷの繊維配向方向と交差する方向に移動可能な工具４と、工具４の動作部４１をプリプレグＷに押し付ける力を該工具４に付与する押圧機構７と、工具４の繊維配向方向の両側でプリプレグＷを固定する固定機構５と、動作部４１でプリプレグＷを加熱しつつ押した状態の工具４を繊維配向方向と交差する方向に移動させてプリプレグＷに繊維蛇行Ｓを生じさせる工具駆動機構６と、工具４が繊維配向方向と交差する方向に移動する段階で動作部４１よりも進行側のプリプレグＷを加熱する予熱部４２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料を構成する繊維織布に熱可塑性樹脂を含浸させて成るプリプレグに繊維蛇行を生じさせる繊維蛇行導入装置であって、
前記プリプレグに接触して加熱する動作部を有し且つ前記プリプレグの繊維配向方向と交差する方向に移動可能な工具と、
前記工具の前記動作部を前記プリプレグに押し付ける力を該工具に付与する押圧機構と、
前記工具の前記繊維配向方向の両側で前記プリプレグを固定する固定機構と、
前記押圧機構により前記動作部で前記プリプレグを加熱しつつ押した状態の前記工具を前記繊維配向方向と交差する方向に移動させて前記プリプレグに繊維蛇行を生じさせる工具駆動機構と、
前記工具が前記繊維配向方向と交差する方向に移動する段階において前記動作部よりも進行側における前記プリプレグを加熱する予熱部
を備えている繊維蛇行導入装置。
【請求項２】
前記工具を繊維配向方向に移動可能とした請求項１に記載の繊維蛇行導入装置。
【請求項３】
前記固定機構による前記プリプレグの固定幅を可変とした請求項１又は２に記載の繊維蛇行導入装置。
【請求項４】
前記予熱部は、前記工具の前記動作部と一体を成している請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の繊維蛇行導入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリックスとして熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材料を構成するプリプレグに繊維蛇行を生じさせるのに用いられる繊維蛇行導入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したマトリックスとして熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材料、例えば、熱可塑性ＣＦＲＰは、リサイクル性、補修性、耐衝撃性に優れる等の特徴がある反面、マトリックスとして熱硬化性樹脂を用いた繊維強化複合材料と比較して、流動性が悪いために繊維に浸透し難く、熱プレスによる成形時には、強度不足の原因になり得る繊維蛇行が生じてしまう（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
このような繊維蛇行をなくす手立てのない現状では、繊維蛇行が力学特性に及ぼす影響を調べて、少なくとも定量的評価を下せるようにする必要がある。これまでは、熱可塑性ＣＦＲＰから成る比較的サイズの大きな平板を成形して、この平板内に生じている繊維蛇行のうちの最も評価を下すのに適した繊維蛇行をサンプルとして選び出し、このサンプルの繊維蛇行を含む部分（試験片）に対して高強度及び高剛性の有無を確かめる試験を実施することで、サンプルの繊維蛇行の力学的な評価を下すようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「一方向繊維強化複合材料における繊維うねりを考慮した確率論的強度解析」  田中宏明，青木隆平，古挽彰，草野英昭，横関智弘  第５回日本複合材料会議  ２０１４年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、サンプルの繊維蛇行を含む部分（試験片）に対して強度試験を実施すると、多くの場合、サンプルとして選んだ繊維蛇行以外の複数の繊維蛇行も試験片に含まれてしまうことから、上記強度試験の結果は、サンプルの繊維蛇行のみが実際に力学特性に影響を及ぼしているのかを判断する材料には成り得ず、結局、繊維蛇行の力学的な評価を明瞭に下すまでには至っていないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。
【０００６】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、意図したプリプレグの意図した位置に繊維蛇行を導入した繊維強化複合材料を試験片として容易に得ることができ、この試験片に対して高強度及び高剛性の有無を確かめる試験を実施することで、繊維蛇行が力学特性に与える影響を定量的に評価することが可能となる繊維蛇行導入装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するべく、本発明の第１の態様は、繊維強化複合材料を構成する繊維織布に熱可塑性樹脂を含浸させて成るプリプレグに繊維蛇行を生じさせる繊維蛇行導入装置であって、前記プリプレグに接触して加熱する動作部を有し且つ前記プリプレグの繊維配向方向と交差する方向に移動可能な工具と、前記工具の前記動作部を前記プリプレグに押し付ける力を該工具に付与する押圧機構と、前記工具の前記繊維配向方向の両側で前記プリプレグを固定する固定機構と、前記押圧機構により前記動作部で前記プリプレグを加熱しつつ押した状態の前記工具を前記繊維配向方向と交差する方向に移動させて前記プリプレグに繊維蛇行を生じさせる工具駆動機構と、前記工具が前記繊維配向方向と交差する方向に移動する段階において前記動作部よりも進行側における前記プリプレグを加熱する予熱部を備えている構成としている。
【０００８】
本発明の第２の態様は、前記工具を繊維配向方向に移動可能とした構成としている。
【０００９】
本発明の第３の態様は、前記固定機構による前記プリプレグの固定幅を可変とした構成としている。
【００１０】
本発明の第４の態様において、前記予熱部は、前記工具の前記動作部と一体を成している構成としている。
【００１１】
本発明に係る繊維蛇行導入装置において、繊維蛇行の導入対象となる繊維強化複合材料としては、例えば、繊維織布の母材としての繊維に炭素繊維を用いたものを挙げることができるが、これに限定されない。
【００１２】
この際、繊維織布のマトリックスとしての熱可塑性樹脂には、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド樹脂），ＰＩＸＡ（熱可塑性ポリイミド樹脂）が用いられる。
【００１３】
本発明に係る繊維蛇行導入装置では、まず、プリプレグの繊維配向方向と交差する方向に工具の移動方向を合せると共に、プリプレグにおいて繊維蛇行を生じさせたい箇所の付近に工具の動作部を位置させるべくセットする。
【００１４】
次いで、固定機構により工具の繊維配向方向の両側でプリプレグを固定するのに続いて、押圧機構により工具に力を付与して動作部をプリプレグに押し付け、動作部でプリプレグを押した状態の工具を工具駆動機構によって繊維配向方向と交差する方向に移動させる。
【００１５】
この際、プリプレグにおける工具の動作部で押された部位は、この動作部により加熱されているうえ、移動する動作部よりも進行側におけるプリプレグが予熱部により加熱されているので、工具の動作部で押された部位からその進行側にかけての熱可塑性樹脂が溶融状態となり、工具の繊維配向方向と交差する方向への移動により、プリプレグにおける繊維蛇行を生じさせたい箇所に、すなわち、意図した位置に繊維蛇行を導入し得ることとなる。
【００１６】
そして、このようにして意図した位置に繊維蛇行を導入したプリプレグを繊維蛇行のないプリプレグと交互に積層して熱プレスにより成形すれば、意図したプリプレグの意図した位置に繊維蛇行を導入した繊維強化複合材料が試験片として容易に得られることとなる。
【００１７】
また、本発明に係る繊維蛇行導入装置では、工具を繊維配向方向に移動可能とした構成とすると、プリプレグにおける繊維蛇行を生じさせたい箇所の付近に工具の動作部を位置させ易くなり、固定機構によるプリプレグの固定幅を可変とすると、工具の繊維配向方向の両側でプリプレグを固定する際の固定幅の調整が容易なものとなり、予熱部が工具の動作部と一体を成している構成を採用すると、予熱部を工具とは別途設ける場合と比べて、装置構成の簡略化が図られることとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る繊維蛇行導入装置では、意図したプリプレグの意図した位置に繊維蛇行を導入した繊維強化複合材料を試験片として容易に得ることができ、この試験片に対して強度試験を実施することで、繊維蛇行が力学特性に与える影響を定量的に評価することが可能となるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例による繊維蛇行導入装置の全体斜視説明図である。
【図２】本発明の一実施例による繊維蛇行導入装置の正面説明図（ａ），図２（ａ）のＡ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｂ）及び固定機構によるプリプレグの固定幅を変更した状態の正面説明図（ｃ）である。
【図３】図１に示した繊維蛇行導入装置の工具の先端部における部分拡大斜視説明図（ａ）及び図３（ａ）の白抜き矢印方向からの拡大矢視説明図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は本発明に係る繊維蛇行導入装置の一実施例を示している。
【００２１】
図１及び図２に示すように、この繊維蛇行導入装置１は、ベースＢ上に置いた繊維強化複合材料、この実施例では熱可塑性ＣＦＲＰを構成するプリプレグＷに炭素繊維Ｗｃの蛇行を生じさせる装置であり、炭素繊維Ｗｃの配向方向を図示Ｘ方向に沿わせた状態のプリプレグＷを囲むようにしてベースＢ上に設置される矩形状のベース枠２と、このベース枠２にホルダ３を介して支持される工具４を備えている。
【００２２】
ベース枠２の図１左側に位置する前枠２Ｆ及びベース枠２の図１右側に位置する後枠２Ｒ上には、ブロック２１，２１がそれぞれ配置されており、ホルダ３は、ブロック２１，２１間に架設された図示Ｙ方向のレール２２に移動可能に吊り下げられたホルダ本体３１と、このホルダ本体３１に図示Ｘ方向の軸回りに回動可能に連結された工具取り付け部３３を具備していて、工具取り付け部３３は、ホルダ本体３１に対して適宜角度で固定可能となっている。
【００２３】
工具４は、先端側が四角錐形状を成しており、先端がプリプレグＷを加熱しつつ押圧する動作部４１として形成されていると共に、この動作部４１の近傍が予熱部４２として形成されている、すなわち、動作部４１と予熱部４２とが一体に形成されている。動作部４１及び予熱部４２は、ホルダ３の工具取り付け部３３を介して図示しない熱源に接続されており、予熱部４２は動作部４１よりも高温に保たれるようになっている。
なお、工具４の先端側の形状は四角錐形状に限定されない。
【００２４】
この場合、ホルダ３のホルダ本体３１には、工具４の動作部４１をプリプレグＷに押し付ける力を工具４に付与する押圧機構７が内蔵されており、工具４の動作部４１による押圧力は、レバー３４を支持軸３２回りに図１に示す状態から図２に示す状態に回動操作することによって変更可能となっている。
このレバー３４を有する押圧機構７には、例えば、カム及びカムフォロワを用いた機構を採用することができるが、これに限定されない。
【００２５】
また、この繊維蛇行導入装置１は、工具４の図示Ｘ方向（炭素繊維Ｗｃの配向方向）の両側でプリプレグＷを押圧して固定する固定機構５を備えており、この固定機構５は、２組の固定ユニット５Ａ，５Ｂから成っている。
【００２６】
ベース枠２の前枠２Ｆ，後枠２Ｒ上には、小ブロック２３，２３がそれぞれ配置されており、これらの固定ユニット５Ａ，５Ｂは、いずれも小ブロック２３，２３間に架設されたレール２４に吊り下げられた２個のスライダ５１，５１と、これらのスライダ５１，５１にそれぞれ支持されたシリンダ５２，５２と、これらのシリンダ５２，５２の各シリンダロッド５２ａ，５２ａの先端間に配置された押圧板５３を具備している。
【００２７】
この固定機構５（固定ユニット５Ａ，５Ｂ）では、スライダ５１，５１をレール２４に沿って移動させることで、プリプレグＷに対する押圧板５３の図示Ｙ方向の位置決めを行い、シリンダ５２，５２を動作させて押圧板５３を降下させることで、プリプレグＷを押圧して固定するようになっている。
なお、固定機構５のシリンダ５２に代えて、電動アクチュエータやソレノイドを用いてもよい。
【００２８】
さらに、この繊維蛇行導入装置１は、工具４を支持するホルダ３をレール２２に沿って図示Ｙ方向に移動させる工具駆動機構６を備えている。この工具駆動機構６は、両端部がブロック２１，２１にそれぞれ回転自在に支持されるボールねじ６１と、ホルダ本体３１に貫通状態で配置されてボールねじ６１と噛み合うナット６２と、後枠２Ｒ側のブロック２１に一体で形成されたステージ２１ａ（図２では省略）上に配置されてボールねじ６１に回転力を与えるモータ６３を具備している。
【００２９】
この工具駆動機構６は、図３にも示すように、プリプレグＷを加熱しつつ押圧する工具４の動作部４１を図示Ｙ方向（繊維配向方向と交差する方向）に向けて移動させるようになっており、この際、工具４の予熱部４２が動作部４１よりも図３に矢印で示す移動方向進行側におけるプリプレグＷを加熱するので、工具４の動作部４１は、それ自体が押圧する部位から進行側にかけての熱可塑性樹脂を溶融させながら移動することで、プリプレグＷの炭素繊維Ｗｃを蛇行させるようになっている、すなわち、プリプレグＷに繊維蛇行Ｓを生じさせるようになっている。
【００３０】
この実施例において、ホルダ３を介して工具４を支持するブロック２１，２１、及び、レール２４を介して固定機構５の各ユニット５Ａ，５Ｂのスライダ５１，５１を支持する小ブロック２３，２３は、いずれもベース枠２の前後枠２Ｆ，２Ｒ上に配置したレール２５に沿って移動することができるようになっている。
【００３１】
この実施例では、固定機構５の各ユニット５Ａ，５Ｂのうちの図２（ａ）右側の固定ユニット５Ａを固定幅ｄの調整用として主に移動させるようにしており、その移動ストロークを少なくするうえで、固定ユニット５Ａの押圧板５３は、図２（ａ）左側の固定ユニット５Ｂの押圧板５３よりも幅広となっている。
【００３２】
この繊維蛇行導入装置１によりプリプレグＷに繊維蛇行Ｓを生じさせる場合において、工具４の動作部４１及び予熱部４２により加熱されるプリプレグＷの温度が熱可塑性樹脂の溶融温度に対して低すぎると、プリプレグＷの炭素繊維Ｗｃを蛇行させることができず、この状態で無理に工具４を移動させると、炭素繊維Ｗｃが破断する虞がある。
一方、工具４の動作部４１及び予熱部４２により加熱されるプリプレグＷの温度が熱可塑性樹脂の溶融温度に対して高すぎると、熱可塑性樹脂に劣化が生じてしまう。
【００３３】
このように、プリプレグＷに繊維蛇行Ｓを生じさせる場合には、熱可塑性樹脂の種類や、プリプレグＷの厚みや、工具４の動作部４１の形状に応じて、工具熱容量（プリプレグ加熱温度）及び工具移動速度が決定され、これらの工具熱容量及び工具移動速度に加えて、固定機構５によるプリプレグＷの固定幅ｄや工具４の動作部４１の押圧力を適宜変更することで、繊維蛇行Ｓの蛇行幅Ｓｗ及び蛇行量Ｓσをコントロールする。
【００３４】
そこで、この実施例による繊維蛇行導入装置１により、プリプレグＷに繊維蛇行Ｓを生じさせる場合には、まず、炭素繊維Ｗｃの配向方向を図示Ｘ方向に沿わせた状態のプリプレグＷを囲むようにしてベースＢ上にベース枠２を設置し、プリプレグＷの繊維配向方向と交差する図示Ｙ方向に工具４の移動方向を合せると共に、工具４を支持するブロック２１，２１をベース枠２の前後枠２Ｆ，２Ｒ上のレール２５に沿って移動させて、プリプレグＷにおいて繊維蛇行Ｓを生じさせたい箇所（図示例では固定機構５の固定ユニット５Ｂ側）の付近に工具４の動作部４１を位置させる。
【００３５】
次いで、固定機構５の各ユニット５Ａ，５Ｂのスライダ５１，５１をレール２４に沿って移動させることで、プリプレグＷに対する押圧板５３の図示Ｙ方向の位置決めを行い、続いて、図２（ｃ）に示すように、固定機構５の固定ユニット５Ａのみをレール２５に沿って移動させて、ユニット５Ａ，５Ｂの中間に工具４が位置するように固定幅ｄを例えば約６（ｍｍ）にセットした後、各ユニット５Ａ，５Ｂのシリンダ５２，５２を動作させて押圧板５３を降下させることで、プリプレグＷを押圧して固定する。
【００３６】
次に、ホルダ３のホルダ本体３１に内蔵した押圧機構７により工具４の動作部４１をプリプレグＷに押し付けて、レバー３４により押圧力を例えば６００〜６５０（ｇ）に調整した後、この工具４を工具駆動機構６によって図示Ｙ方向（繊維配向方向と交差する方向）に向けて例えば約１０（ｍｍ／ｓｅｃ）で移動させる。
【００３７】
この際、工具熱容量を例えば３００（Ｗ）にすると、プリプレグＷにおける工具４の動作部４１で押された部位は、この動作部４１により加熱されているうえ、移動する動作部４１よりも移動方向進行側におけるプリプレグＷが予熱部４２により加熱されているので、工具４の動作部４１は、それ自体が押圧する部位から進行側にかけての熱可塑性樹脂を溶融させながら移動することとなり、したがって、プリプレグＷにおける繊維蛇行Ｓを生じさせたい箇所に、すなわち、意図した位置に所望の蛇行幅Ｓｗ及び蛇行量Ｓσの繊維蛇行Ｓを導入し得ることとなる。
【００３８】
そして、このようにして意図した位置に繊維蛇行Ｓが導入されて冷却されたプリプレグＷを繊維蛇行ＳのないプリプレグＷと交互に積層して熱プレスにより成形すれば、意図したプリプレグＷの意図した位置に繊維蛇行Ｓが保持された繊維強化複合材料が試験片として容易に得られることとなる。
【００３９】
また、この実施例による繊維蛇行導入装置１では、ホルダ３を介して工具４を支持するブロック２１，２１をベース枠２の前後枠２Ｆ，２Ｒ上のレール２５に沿って移動させることができるので、プリプレグＷにおける繊維蛇行Ｓを生じさせたい箇所の付近に工具４の動作部４１を位置させ易くなる。
【００４０】
さらに、この実施例による繊維蛇行導入装置１では、固定機構５の各ユニット５Ａ，５Ｂのスライダ５１，５１を支持する小ブロック２３，２３をベース枠２の前後枠２Ｆ，２Ｒ上のレール２５に沿って移動させることができるので、工具４の繊維配向方向の両側でプリプレグＷを固定する際の固定幅ｄの調整が容易なものとなる。
【００４１】
さらにまた、この実施例による繊維蛇行導入装置１では、工具４の予熱部４２が動作部４１と一体を成しているので、予熱部４２を工具４とは別途設ける場合と比べて、装置構成の簡略化が図られることとなる。
【００４２】
本発明に係る繊維蛇行導入装置の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１  繊維蛇行導入装置
４  工具
５  固定機構
６  工具駆動機構
７  押圧機構
４１  動作部
４２  予熱部
Ｓ  繊維蛇行
Ｗ  プリプレグ
Ｗｃ  炭素繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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