(57)【要約】【課題】プリプレグを用いても繊維間における空隙の発生を抑制することのできるＦＲＰ成形体の製造装置を提供する。【解決手段】熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維ｆ１〜ｆ３を収容する繊維収容部１０と、繊維収容部１０から供給される繊維Ｆを回転体４０に巻着する巻着部３０、４２、４３と、繊維Ｆが巻着された回転体４０に熱硬化性樹脂をさらに付与する樹脂付与部５０と、を備えた繊維強化プラスチック成形体の製造装置１を提供する。【選択図】図１
2009184223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維を収容する繊維収容部と、
前記繊維収容部から供給される前記繊維を回転体に巻着する巻着部と、
前記繊維が巻着された回転体に熱硬化性樹脂をさらに付与する樹脂付与部と、
を備えた繊維強化プラスチック成形体の製造装置。
【請求項２】
前記樹脂付与部は、さらに付与する熱硬化性樹脂を、前記回転体に巻着された繊維間の段差に付与する請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
前記樹脂付与部は、さらに付与する熱硬化性樹脂の量を、前記回転体への付与位置に応じて調整する請求項１または請求項２に記載の製造装置。
【請求項４】
さらに付与される熱硬化性樹脂は、予め含浸された熱硬化樹脂と同じ種類の樹脂である請求項１または請求項２に記載の製造装置。
【請求項５】
さらに付与される熱硬化性樹脂は、予め含浸された熱硬化樹脂と異なる種類の樹脂である請求項１または請求項２に記載の製造装置。
【請求項６】
熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維を収容する繊維収容工程と、
収容された前記繊維を回転体に供給し該回転体に巻着する巻着工程と、
前記繊維が巻着された回転体に熱硬化性樹脂をさらに付与する樹脂付与工程と、
を備えた繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック成形体の製造装置及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システム等に用いられる高圧ガスを貯蔵するタンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度の確保や軽量化等の観点から繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics；以下、「ＦＲＰ」という）タンクが有力視されている。
【０００３】
ＦＲＰタンク等のＦＲＰ成形体は、例えば、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を回転体の周囲に数層から数十層巻きつけたのち加熱することにより樹脂を熱硬化させる。これにより、繊維及び熱硬化樹脂からなるＦＲＰ層を形成する。
【０００４】
ＦＷ法としては、巻きつけの度毎に繊維を樹脂槽等につけて樹脂を含浸させる湿式のＦＷ法（ハンドレイアップ法）や、予め樹脂が含浸されている繊維（プリプレグ）を巻きつけにそのまま用いる乾式のＦＷ法がある。湿式のＦＷ法（ハンドレイアップ法）は、都度樹脂を含浸させるので生産性が低くなりやすく、また樹脂ムラ等により成形品質が落ちやすいため、生産性や品質の観点から乾式のＦＷ法が広く採用されるようになってきている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−２５４０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、乾式のＦＷ法においては、繊維に予め樹脂が含浸されているため繊維自体の拡幅が悪く、繊維を回転体に巻きつける際に、繊維が重なる部分において段差が生じやすい。例えば、先に巻き付けられている繊維とその上に巻き付けられる繊維との間や、幅方向に隣り合う繊維と繊維との間に段差が生じる。このような状態で樹脂が熱硬化されるとＦＲＰ層に空隙が生じてしまう。空隙は応力集中を受けるため、こうした空隙を基点として亀裂が生じることにより、ＦＲＰ層及びＦＲＰ成形体の疲労強度が低下してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、プリプレグを用いても繊維間における空隙の発生を抑制することのできるＦＲＰ成形体の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維を収容する繊維収容部と、前記繊維収容部から供給される前記繊維を回転体に巻着する巻着部と、前記繊維が巻着された回転体に熱硬化性樹脂をさらに付与する樹脂付与部と、を備えた繊維強化プラスチック成形体の製造装置を構成する。
【０００８】
また、本発明の他の構成として、熱硬化性樹脂が予め含浸された繊維を収容する繊維収容工程と、収容された前記繊維を回転体に供給し該回転体に巻着する巻着工程と、前記繊維が巻着された回転体に熱硬化性樹脂をさらに付与する樹脂付与工程と、を備えた繊維強化プラスチック成形体の製造方法を構成する。
【０００９】
上記構成によれば、たとえ繊維の拡幅性が低く繊維間に段差が生じやすくとも、樹脂含浸繊維が巻着された回転体にさらに樹脂を付与するので、段差を樹脂により埋めることができ、空隙の発生を抑制できる。これにより、予め樹脂が含浸された繊維を用いる乾式のＦＷ法のメリットを享受しつつ（すなわち、生産性・品質を維持しつつ）、ＦＲＰ成形体の疲労強度の低下を防止することができる。
【００１０】
尚、本発明において、繊維とは、繊維一本を意味するだけではなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束を撚ってなる繊維束をも含む。
【００１１】
また、上記製造装置において、前記樹脂付与部は、さらに付与する熱硬化性樹脂を、前記回転体に巻着された繊維間の段差に付与するようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、段差がある部分に樹脂を付与するので、より確実に空隙の発生を防止できる。
【００１３】
また、上記製造装置において、前記樹脂付与部は、さらに付与する熱硬化性樹脂の量を、前記回転体への付与位置に応じて調整するようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、樹脂の繊維への含浸量を該繊維の巻着位置によって制御することができるようになる。これにより、空隙も埋めつつ繊維体積含有率（Ｖｆ）のコントロールも同時に行うことができる。
【００１５】
また、上記製造装置において、さらに付与される熱硬化性樹脂は、予め含浸された熱硬化樹脂と同じ種類の樹脂であるようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、同じ種類の樹脂を用いるので、熱硬化の際等に硬化ムラ等が発生することを抑制することができる。
【００１７】
また、上記製造装置において、さらに付与される熱硬化性樹脂は、予め含浸された熱硬化樹脂と異なる種類の樹脂であるようにしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、予め樹脂に含浸する熱硬化樹脂とは、融点や分解温度等の異なる樹脂を選択することができる。例えば、予め樹脂に含浸する熱硬化樹脂はその目的上、常温では硬化しづらい樹脂でなければならない等、制約があるが、さらに付与する熱硬化性樹脂はそのような制約を離れて空隙の抑制に最適な樹脂を選択することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、プリプレグを用いても繊維間における空隙の発生を抑制することのできるＦＲＰ成形体の製造装置及び製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造装置及び製造方法について以下の順番で説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．ＦＲＰ成形体の製造装置
２．ＦＲＰ成形体の製造方法
３．変形例
【００２１】
１．ＦＲＰ成形体の製造装置
はじめに、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造装置１について説明する。ここで、図１は、ＦＲＰ成形体の製造装置を示す模式図である。製造装置１は、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法により回転部材の周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を形成する装置であり、繊維束供給部１０と、張力測定器２０と、繊維束ガイド（アイロ）３０と、回転体４０と、樹脂噴射部５０と、制御部６０とを備えている。
【００２２】
繊維束供給部１０には、プリプレグからなる繊維束ｆ１〜ｆ３が巻き付けられた複数（図１においては３つ）のボビン１１ａ〜１１ｃ（繊維収容部）が備えられている。繊維束供給部１０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を調整して張力測定器２０に送り出す。プリプレグとしては、本実施の形態においては、カーボン繊維に半硬化の熱硬化性樹脂を予め含浸させたものを用いる。こうしたプリプレグは、予め樹脂が含浸されているので繊維密度のばらつきが少ない。熱硬化性の樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。
【００２３】
張力測定器２０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を測定し、その測定結果を制御部６０に出力する。
【００２４】
繊維束ガイド３０は、繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これを回転体４０に案内する。繊維束ガイド３０は、回転体４０の軸方向及びそれに垂直な方向に往復可能であり、且つ、回転体４０に対する角度を変更できるように回転可能な状態で設置されている。
【００２５】
回転体４０は、円筒状の胴体部と、該胴体部の両端部に設けられたドーム状の口金部とから構成されており、金属や、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂によって形成されている。本実施の形態においては、回転体４０は、高圧ガスタンク用のライナである。
【００２６】
回転体４０は、その軸心を中心に回転可能となるように、支持部４２を介して回転駆動部４３に取り付けられている。回転駆動部４３は可変速モータを有しており、このモータによって回転体４０を回転駆動する。回転体４０には、繊維束Ｆが所定のパターンで巻き付けられ、複数層からなる樹脂含浸繊維層４１が形成される。
【００２７】
加圧ポンプ４４は、樹脂含浸繊維層４１の形成中に回転体４０が凹むのを防ぐために、回転体４０の内部を加圧する。
【００２８】
樹脂噴射部５０は、熱硬化性樹脂が貯蔵された樹脂槽５１と、この熱硬化性樹脂を回転体４０へ噴射する複数の噴射スプレー５２とを備えている。樹脂槽５１に貯蔵された熱硬化性樹脂は、本実施の形態においては、プリプレグに用いた熱硬化性樹脂と同じ種類の樹脂が用いられる。各噴射スプレー５２は、回転体４０の軸方向に沿って設けられ、回転体４０への繊維束Ｆの巻きつけと同期して同時または各々別々に樹脂の噴射が可能となっている。
【００２９】
制御部６０は、製造装置１の運転を制御するプログラムを備えている。制御部６０は、このプログラムに従って、例えば、繊維束供給部１０の供給、張力測定器２０の張力測定、繊維束ガイド３０の移動、回転体４０の回転、樹脂噴射部５０の噴射等、製造装置１全体を制御するようになっている。
【００３０】
２．ＦＲＰ成形体の製造方法
次に、上記製造装置１を用いたＦＲＰ成形体の製造方法について図１、図２を用いて説明する。ここで、図２は、本実施の形態にかかるＦＲＰ成形体の模式図である。
【００３１】
はじめに、回転体４０を、支持部４２を介して回転駆動部４３に取り付ける。そして、繊維束ガイド３０を巻きつけ開始位置に配置する。
【００３２】
次に、繊維束供給部１０から繰り出されたプリプレグからなる繊維束ｆ１〜ｆ３を、張力測定器２０を経て繊維束ガイド３０に導く。そして、繊維束ガイド３０により１つに束ねられた繊維束Ｆの先端部を回転体４０の所定位置に固定する。
【００３３】
次に、回転駆動部４３のモータによって回転体４０を回転駆動するとともに、繊維束ガイド３０の往復運動とを同期させることにより、繊維束Ｆを回転体４０に所定のパターンで巻着し樹脂含浸繊維層４１を複数層形成していく。このとき、繊維束Ｆの巻着に同期するようにして、噴射スプレー５２から熱硬化性樹脂を回転体４０に噴射する。これにより、繊維束Ｆ間にできた段差に満遍なく熱硬化性樹脂が付与される。この様子を図２に示す。図２の紙面右側の樹脂含浸繊維層４１の断面図（回転体４０の回転軸方向に垂直な断面図）に示すように、繊維束Ｆ１、Ｆ１間及び繊維束Ｆ２、Ｆ２間に、熱硬化性樹脂（同図斜線部）が浸透している。ここで、繊維束Ｆ１は回転体４０の回転軸方向に巻きつけられた繊維束、繊維束Ｆ２は回転体４０の周方向に巻き付けられた繊維束である。尚、繊維束Ｆの巻き方（パターン）については特に限定されず、例えば、フープ巻きやヘリカル巻きや、それらを組み合わせた巻き方であっても良い。
【００３４】
本実施の形態においては、噴射スプレー５２は、繊維束Ｆの巻き始めにおいて噴射量を多くするように制御される。一般にＦＷ法によってＦＲＰ成形体を製造すると、外層よりも内層側において繊維体積含有率（Ｖｆ）が高くなってしまうが（張力によるまき締め効果や遠心力による外層への染み出し等による）、これにより、内層の繊維体積含有率（Ｖｆ）が高くなってしまうことを抑制することができる。
【００３５】
樹脂含浸繊維層４１が回転体４０に所定層数巻きつけられた時点で巻着を終了する。巻き終わりには、繊維束Ｆの後端部を回転体４０に固定した後、この固定部分から繊維束ガイド３０に連なる繊維束Ｆを切断する。
【００３６】
次に、樹脂含浸繊維層４１が巻着された回転体４０を、支持部４２から取り外し、加熱炉に入れ、所定温度で樹脂を硬化させる。これにより、ＦＲＰ成形体が形成される。
【００３７】
以上のように、プリプレグからなる繊維束Ｆを用いた場合であっても（すなわち、繊維の拡幅性が低く繊維間に段差が生じやすくとも）、繊維束Ｆを回転体４０に巻着させつつさらに熱硬化性樹脂を付与するので、段差を当該樹脂により埋めることができ、空隙の発生を抑制できる。これにより、プリプレグを用いる乾式のＦＷ法のメリットを享受しつつ（すなわち、生産性・品質を維持しつつ）、形成されたＦＲＰ成形体の疲労強度の低下を防止することができる。
【００３８】
尚、本実施の形態において製造されたＦＲＰ成形体は、例えば、各種移動体や定置型の燃料電池システム等において、水素ガスや圧縮天然ガス等を貯蔵する高圧タンクとして好適に用いることができる。
【００３９】
３．変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
【００４０】
上記実施の形態では、回転体４０の回転軸方向にそって複数の噴射スプレー５２を設けているが、これに限定されるものではなく、例えば図３に示すように、繊維束ガイド３０に噴射スプレー５２を機械的に連結させ、繊維束ガイド３０の移動・回転にあわせて噴射スプレー５２も移動・回転するようにしてもよい。このとき、噴射スプレー５２を樹脂層５１に連結するパイプはあわせて伸縮・回転する。これにより、樹脂の噴射位置・タイミングを繊維束ガイド３０の動きにあわせることができる。
【００４１】
また、回転体４０への繊維束Ｆの巻きつけをセンサ等で監視し、特に繊維束Ｆ間の段差が大きい場所に限ってスプレー５２から噴射を行うようにしてもよい。この場合、より確実に空隙を抑制することができるとともに、付与する樹脂の量を必要最小限度に抑えることができ、生産性も向上できる。
【００４２】
また、上記実施の形態では、樹脂槽５１に貯蔵されている熱硬化性樹脂は、プリプレグに用いられる熱硬化性樹脂と同じ種類のものを用いているが、これに限定されるものではなく、プリプレグに用いられる熱硬化性樹脂と異なる種類の樹脂、例えば融点や分解温度等が異なる樹脂を樹脂槽５１に貯蔵して噴射スプレー５２から回転体４０に噴射するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係るＦＲＰ成形体の製造装置示す模式図。
【図２】同実施の形態に係るＦＲＰ成形体の模式図。
【図３】変形例にかかるＦＲＰ成形体の製造装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００４４】
１    ……ＦＲＰ成形体の製造装置
１０  ……繊維束供給部
１１ａ……ボビン
１１ｂ……ボビン
１１ｃ……ボビン
２０  ……張力測定器
３０  ……繊維束ガイド
４０  ……回転体
４１  ……樹脂含浸繊維層
４２  ……支持部
４３  ……回転駆動部
４４  ……加圧ポンプ
５０  ……樹脂噴射部
５１  ……樹脂槽
５２  ……噴射スプレー
６０  ……制御部
ｆ１    …繊維束
ｆ２    …繊維束
ｆ３    …繊維束
Ｆ      …繊維束
【図１】
2009184223.tif 000003
【図２】
2009184223.tif 000004
【図３】
2009184223.tif 000005