特開 2024-47483 テープ送り出し用のローラユニット、繊維積層装置及び複合材成形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024047483

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】テープ送り出し用のローラユニット、繊維積層装置及び複合材成形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/54 20060101AFI20240329BHJP

   B29C 70/38 20060101ALI20240329BHJP

【ＦＩ】

B29C70/54

B29C70/38

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022153126

(22)【出願日】2022-09-26

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）「薄層材自動積層によるＣＦＲＰの３Ｄ高自由度設計技術の開発」委託研究（管理法人：ＪＳＴ）、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100136504

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 毅彦

(72)【発明者】

【氏名】平林 大輔

(72)【発明者】

【氏名】寺山 大地

(72)【発明者】

【氏名】中西 舜也

(72)【発明者】

【氏名】國谷 知可

(72)【発明者】

【氏名】駒庭 正巳

(72)【発明者】

【氏名】上野 俊介

【テーマコード（参考）】

4F205

【Ｆターム（参考）】

4F205AC03

4F205AD16

4F205AG03

4F205AJ08

4F205HA14

4F205HA23

4F205HA37

4F205HA45

4F205HB01

4F205HC02

4F205HK03

4F205HK04

4F205HK23

4F205HK29

(57)【要約】

【課題】ＦＲＰの素材となるプリプレグテープ又はドライテープ等の複数のテープ材を互いオーバーラップさせることなく同時に積層し、かつ積層後における複数のテープ材全体の幅を変化できるようにすることである。
【解決手段】テープ送り出し用のローラユニットは、樹脂を含浸させる前の繊維又は樹脂を含浸させた後の繊維からなる複数のテープを幅方向に並べて厚さ方向に押付けながら長さ方向に送り出すものであって、前記複数のテープとの間における摩擦力によって回転し、回転軸が同一直線上となるように並べて配置され、かつ最大径が同一である複数のローラと、前記複数のローラをそれぞれ独立した回転速度で回転可能に支持する共通の支持シャフトとを有し、前記各ローラの内部に前記各ローラの半径方向を長さ方向及び伸縮方向とする複数のバネを放射状に配置することによって前記各ローラに弾性を付与したものである。
【選択図】 図１５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂を含浸させる前の繊維又は樹脂を含浸させた後の繊維からなる複数のテープを幅方向に並べて厚さ方向に押付けながら長さ方向に送り出すテープ送り出し用のローラユニットであって、
前記複数のテープとの間における摩擦力によって回転し、回転軸が同一直線上となるように並べて配置され、かつ最大径が同一である複数のローラと、
前記複数のローラをそれぞれ独立した回転速度で回転可能に支持する共通の支持シャフトと、
を有し、
前記各ローラの半径方向を長さ方向及び伸縮方向とする複数のバネを前記各ローラの内部に放射状に配置することによって前記各ローラに弾性を付与したテープ送り出し用のローラユニット。

【請求項2】

前記各ローラの外表面を形成し、かつ内側に前記複数のバネを配置したリング状の部材を、凹凸を有する面に前記リング状の部材を押し当てた場合に前記凹凸を有する面にフィットするように前記リング状の部材を変形させる一方、前記凹凸を有する面から前記リング状の部材を引離した場合に前記リング状の部材の形状を元の形状に復元することが可能な弾性体で構成した請求項１記載のテープ送り出し用のローラユニット。

【請求項3】

前記各ローラの外表面を形成し、かつ内側に前記複数のバネを配置したリング状の部材を、位相方向を円形にした波形のバネで構成し、かつ前記波形のバネと、前記放射状に配置された複数のバネとを一体化した請求項１記載のテープ送り出し用のローラユニット。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載のテープ送り出し用のローラユニットを備えた繊維積層装置。

【請求項5】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載のテープ送り出し用のローラユニットで前記複数のテープを送り出すことによって前記複数のテープを積層するステップと、
前記テープに含浸させた前記樹脂を硬化するステップと、
を有する複合材成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、テープ送り出し用のローラユニット、繊維積層装置及び複合材成形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材とも呼ばれる繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を成形するためには、シート状の繊維に未硬化の樹脂を含浸させたプリプレグのシートを積層した後、樹脂を硬化させることが必要となる。或いは、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維を積層した後、樹脂を含浸させて硬化させることが必要となる。繊維を積層した後、樹脂を含浸させるＦＲＰの成形方法は、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。

【0003】

近年では、テープ状のプリプレグ又は繊維を自動的に積層する自動繊維積層（ＡＦＰ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）装置が市販されており（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）、ＡＦＰ装置で積層するためのプリプレグテープの他、ドライテープと呼ばれる樹脂を含浸させる前のテープ状の繊維も市販されている。

【0004】

ＡＦＰ装置でプリプレグテープやドライテープ等のテープ材を積層する場合、複数のテープ材を同時に積層することにより、積層効率、すなわち単位時間当たりに積層されるテープ材の長さを向上することができる。このため、複数のテープ材を同時に積層できるように複数の積層ヘッドを備えたＡＦＰ装置も考案されている（例えば特許文献４及び特許文献５参照）。また、複数のプリプレグテープを同時に積層する多頭式ＡＦＰ装置において、隣接するプリプレグテープ間におけるオーバーラップ量を調整できるようにする技術も提案されている（例えば特許文献６及び特許文献７参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１４－５１９９９５号公報

【特許文献2】国際公開第２０１８－１６８２０２号明細書

【特許文献3】特開２０１９－１５１７２６号公報

【特許文献4】特表２０１１－５２７６４８号公報

【特許文献5】特開２０２２－１３０１３３号公報

【特許文献6】特開２０２０－０５９１４５号公報

【特許文献7】特開２０２２－０４６３７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、複数の積層ヘッドを備えた従来のＡＦＰ装置では、特定の幅を有するテープ材でなければ積層することができない。このため、積層後における複数のテープ材の幅を変化させるためには、テープ材間におけるオーバーラップ量を変化せざるを得ない。換言すれば、テープ材を部分的にオーバーラップさせなければ、積層後におけるテープ材全体の幅を変化させることができない。このため、積層後におけるテープ材の厚さを均一にすることができない。

【0007】

加えて、プリプレグテープには粘着性があることから、プリプレグテープをオーバーラップさせて積層すると、曲線的に複数のプリプレグテープを積層することが困難となる場合がある。具体的には、複数のプリプレグテープを互いにオーバーラップさせた状態で曲線的に積層しようとすると、内側におけるプリプレグテープと、外側におけるプリプレグテープとの間で積層長さが異なることから、理想通りに複数のプリプレグテープを敷き詰めることができない場合がある。このため、複数のプリプレグテープをオーバーラップさせて積層する場合には、直線的又は曲率が非常に小さい曲線に沿ってプリプレグテープを積層せざるを得ない。

【0008】

これは、テープ材自体の幅が大きい場合においても同様である。すなわち、曲率が大きい曲線に沿って複数のテープ材を積層するためには、幅が狭い複数のテープ材をオーバーラップさせずに積層することが必要となる。しかも、テープ材の幅が狭くなるほど、テープ材の積層効率が減少することから、積層効率の低下を回避又は低減するためには、より多くのテープ材を同時に積層することが求められる。

【0009】

しかしながら、典型的なＡＦＰ装置は、テープ材を固定するブレーキ、テープ材を送り出すフィードローラ、テープ材を切断するカッタ及びテープ材を型に押付けるコンパクションローラで構成される積層ヘッドを有しており、これら積層ヘッドの構成要素の幅はテープの幅よりも大きくなることから、構成要素間における干渉を回避するために積層ヘッドをテープ材の幅方向に並べることができない。すなわち、テープ材の数に等しい数の複数の積層ヘッドを、互い違いに配置するなど、テープ材の送り出し方向に異なる位置に配置することが必要となる。その結果、多数のテープ材を同時に送り出すためには、多数の積層ヘッドを備えた大掛かりなＡＦＰ装置が必要となり、テープ材の数を増やすことは容易ではない。

【0010】

そこで、本発明は、ＦＲＰの素材となるプリプレグテープ又はドライテープ等の複数のテープ材を互いにオーバーラップさせることなく同時に積層し、かつ積層後における複数のテープ材全体の幅を変化できるようにすることを目的とする。

【0011】

また、本発明の別の目的は、ＡＦＰ装置の積層ヘッドを複雑で大掛かりなものとせずに、より多くのテープ材を積層できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の実施形態に係るテープ送り出し用のローラユニットは、樹脂を含浸させる前の繊維又は樹脂を含浸させた後の繊維からなる複数のテープを幅方向に並べて厚さ方向に押付けながら長さ方向に送り出すものであって、前記複数のテープとの間における摩擦力によって回転し、回転軸が同一直線上となるように並べて配置され、かつ最大径が同一である複数のローラと、前記複数のローラをそれぞれ独立した回転速度で回転可能に支持する共通の支持シャフトとを有し、前記各ローラの内部に前記各ローラの半径方向を長さ方向及び伸縮方向とする複数のバネを放射状に配置することによって前記各ローラに弾性を付与したものである。

【0013】

また、本発明の実施形態に係る繊維積層装置は、上述したテープ送り出し用のローラユニットを備えたものである。

【0014】

また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述したテープ送り出し用のローラユニットで前記複数のテープを送り出すことによって前記複数のテープを積層するステップと、前記テープに含浸させた前記樹脂を硬化するステップとを有するものである。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るテープ送り出し装置を備えた繊維積層装置の全体的な概略構成を示す正面図。

【図2】図１に示す繊維積層装置の側面図。

【図3】図１に示す積層ヘッド内外における詳細構成例を示す側面図。

【図4】テープ送り出し装置の構成を示す正面図。

【図5】図４に示すテープ送り出し装置の縦断面図。

【図6】図５に示すサブローラの位置Ａにおける拡大図。

【図7】図４に示すテープ送り出し装置で幅が広いプリプレグのテープを送り出す場合の例を示す図。

【図8】図４に示すテープ送り出し装置で幅が狭いプリプレグのテープを送り出す場合の例を示す図。

【図9】図４に示すテープ送り出し装置で幅が変化するプリプレグのテープを送り出す場合の例を示す図。

【図10】図４に示すテープ送り出し装置を備えた繊維積層装置で積層可能なプリプレグのテープの一例を示す図。

【図11】図４に示すテープ送り出し装置を備えた繊維積層装置で積層可能なプリプレグのテープの別の一例を示す図。

【図12】交互に配置した複数のセパレート型ローラで複数のプリプレグのテープの送り出しを行う従来のＡＦＰ装置における問題点を説明する図。

【図13】共通の単体ローラで複数のプリプレグのテープの送り出しを行う従来のＡＦＰ装置における問題点を説明する図。

【図14】図１４は本発明の第２の実施形態に係る繊維積層装置に備えられるテープ送り出し用のローラユニットの正面図。

【図15】図１４に示すローラユニットを構成するサブローラの左側面図。

【図16】図１４に示すサブローラの位置Ｂにおける拡大縦断面図。

【図17】図１５に示す各サブローラの内部に配置される第１のバネのバネ定数をサブローラ間で変えた例を示すローラユニットの正面図。

【図18】図１８はゴム製ローラでテープに圧力をかける場合に生じる問題点を説明する図。

【図19】複数のゴム製ローラを回転軸方向に配置してテープに圧力をかける場合に生じる問題点を説明する図。

【図20】柔軟性が不十分な波形でないリング状ローラでテープに圧力をかける場合に生じる問題点を説明する図。

【図21】図１５に示すようにサブローラの外輪を波形の第２のバネで構成したローラユニットによる効果を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施形態に係るテープ送り出し用のローラユニット、繊維積層装置及び複合材成形方法について添付図面を参照して説明する。

【0017】

（第１の実施形態）
（テープ送り出し用のローラユニット及び繊維積層装置の構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るテープ送り出し用のローラユニットを備えた繊維積層装置１の全体的な概略構成を示す正面図であり、図２は図１に示す繊維積層装置１の側面図である。

【0018】

繊維積層装置１は、ＦＲＰからなる複合材の素材であるプリプレグのテープＴを積層することによってプリプレグのテープＴの積層体を製作するためのＡＦＰ装置である。プリプレグは、熱可塑性樹脂又は未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の繊維である。繊維積層装置１は、プリプレグのテープＴを巻いたロールを素材としてプリプレグの積層体を製作するプリプレグの自動積層装置である。

【0019】

繊維積層装置１は、積層ヘッド２を懸垂するガントリ３、テーブル４及び制御装置５で構成することができる。積層ヘッド２は、プリプレグのテープＴを内部に収納し、プリプレグのテープＴを吐出しながらテーブル４上に送り出す装置である。特に、積層ヘッド２は、複数のプリプレグのテープＴを並列配置しながらテーブル４上に送り出す機能を有している。このため、積層ヘッド２には、複数のプリプレグのテープＴのクリールスタンドが格納される。

【0020】

テーブル４は、プリプレグのテープＴを積層するための台である。テーブル４には、プリプレグのテープＴを直接積層しても良いが、テーブル４に賦形型等の積層治具Ｊを載置し、積層治具Ｊの上にプリプレグのテープＴを積層することが、プリプレグの積層体への形状付与や清掃の観点から実用的である。従って、テーブル４には、直接又は積層治具Ｊを介して間接的にプリプレグのテープＴを積層することができる。

【0021】

ガントリ３は、積層ヘッド２を支持する支柱３Ａ等の支持機構の他、積層ヘッド２を任意軸方向に移動させる送り機構６を備えている。送り機構６は、積層ヘッド２を送り動作させる装置である。すなわち、送り機構６が積層ヘッド２をテーブル４に対して相対移動させることによって、プリプレグのテープＴをテーブル４側に積層位置を変えながら送り出すことができる。プリプレグのテープＴのテーブル４側への送り出し方向は、積層ヘッド２の移動方向と逆方向となる。

【0022】

送り機構６は、典型的な積層ヘッド２の直線移動に加えて、積層ヘッド２の回転移動を行えるように構成されている。従って、プリプレグのテープＴを直線的又は曲線的に送り出すことができる。換言すれば、プリプレグのテープＴの送り出し方向を変化させることができる。尚、積層ヘッド２の筐体自体を回転させずに、積層ヘッド２に取付けた部品を回転させるようにしても良い。

【0023】

図１及び図２に示す例では、送り機構６が、水平方向及び鉛直方向を含むＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交３軸方向への平行移動に加えて、鉛直方向のＺ軸を回転軸とするＣ軸方向に積層ヘッド２を回転移動できるように構成されている。もちろん、テーブル４の表面に対して積層ヘッド２を傾斜させるチルト軸を設けても良い。また、積層ヘッド２の移動に加えて、或いは、積層ヘッド２の移動に代えて、テーブル４を送り機構６で積層ヘッド２に対して移動させるようにしても良い。

【0024】

積層ヘッド２やテーブル４を直線移動させるための移動機構は、例えば、電動モータ、油圧モータ或いは空気圧モータ等のモータと、モータを回転させるための電気回路、油圧回路或いは空気圧回路等の回路に加えて、ギアの一種であるラック・アンド・ピニオン、ボールねじ或いは無限軌道（クローラ）等のモータの回転運動を直線運動に変換する所望の機械要素を用いて構成することができる。或いは、モータを使用せずに油圧回路とピストンで移動機構を構成することもできる。

【0025】

一方、積層ヘッド２を回転移動させるための回転機構は、例えば、電動モータ、油圧モータ或いは空気圧モータ等のモータと、モータの動力で回転する回転シャフトを含む所望の機械要素で構成することができる。

【0026】

制御装置５は、送り機構６及び積層ヘッド２を自動制御する装置である。例えば、送り機構６を制御することによってテーブル４に対する積層ヘッド２の相対的な空間位置及び回転移動量を数値（ＮＣ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）制御することができる。また、積層ヘッド２を制御することによって、積層ヘッド２からの複数のプリプレグのテープＴの送り出しの開始と終了並びに切断を自動的に行うことができる。制御装置５は、ガントリ３に内蔵又は取付けることができるが、操作盤等のユーザインターフェースや重量物は、ガントリ３の外部に設置しても良い。

【0027】

制御装置５で積層ヘッド２のＮＣ制御を行う場合には、制御装置５は、ＮＣプログラムを読込ませたコンピュータ等の電子回路で構成することができる。また、送り機構６が油圧式又は空気圧式である場合には、油圧回路又は空気圧回路を用いて制御装置５の一部を構成することができる。

【0028】

図３は図１に示す積層ヘッド２内外における詳細構成例を示す側面図である。

【0029】

積層ヘッド２は、上述したように複数のプリプレグのテープＴを幅方向に並べてテーブル４上に送り出す機能を有している。そのために、積層ヘッド２には、図３に例示されるように、複数のボビン１０、複数の幅調整装置１１、集合ローラ１２、テンションローラ１３、フィードローラ１４、カッタ１５及びコンパクションローラ１６を設けることができる。

【0030】

ボビン１０は、一定の幅を有するプリプレグのテープＴを巻き付けたテープＴのクリールスタンドである。ボビン１０は、テーブル４上に送り出す可能性があるテープＴの数だけ設けられる。尚、ボビン１０の一部を休止状態としたり、取外したりすることによってテーブル４上に送り出すテープＴの数を減じるようにしても良い。また、ボビン１０間でテープＴの幅を互いに異なる幅としても良い。

【0031】

幅調整装置１１は、必要に応じてボビン１０の後段に設けられ、各ボビン１０から供給されるテープＴの幅を所望の幅に変化させる装置である。例えば、日本国特開２０２０－９３４５４号公報に開示されているテープＴの幅を狭くする装置を幅調整装置１１として用いることができる。幅調整装置１１を配置すれば、ボビン１０から供給されるテープＴの幅を所望の幅に変化させて供給することができる。一方、幅調整装置１１を配置しない場合には、幅が異なるテープＴのボビン１０と交換することによって、異なる幅を有するテープＴを供給することができる。

【0032】

航空機用のプリプレグのテープＴの幅は、単位をインチとして規格化されている場合が多い。上述したように積層ヘッド２を回転させてプリプレグのテープＴを曲線的にテーブル４上に送り出すステアリング積層を行う場合には、テープＴの幅を１／４インチ（６．３５ｍｍ）以下とすることが、プリプレグのテープＴの積層体として製作されるプリフォームの品質を維持する観点から望ましいことがプリフォームの試作試験によって確認された。このため、幅調整装置１１を設けるか否かを問わず、幅が１／４インチであるプリプレグのテープＴのボビン１０や幅が１／８インチであるプリプレグのテープＴのボビン１０をセットすることができる。

【0033】

一方、市販されている標準的なプリプレグのテープＴの厚さは０．２ｍｍ～０．８ｍｍであり、０．０５ｍｍの厚さを有するプリプレグのテープＴをプリフォームの試作試験用に使用した。技術的には、厚さが０．０２５ｍｍ程度まで薄いプリプレグのテープＴの製作が可能であると考えられる。

【0034】

ボビン１０及び幅調整装置１１にはテープＴの脱落防止用の枠や壁面が設けられる。このため、ボビン１０及び幅調整装置１１の幅は、テープＴの幅よりも広くなる。従って、複数のテープＴを隙間なく並べて配置するためには、図３に示すように、隣接するテープＴを供給するボビン１０及び幅調整装置１１の干渉を防止するために、隣接するテープＴを供給するボビン１０及び幅調整装置１１をテープＴの厚さ方向に異なる位置に配置することが必要となる。テープＴの数が多い場合にはボビン１０及び幅調整装置１１を交互に配置するようにしても良い。或いは、プリプレグテープＴを捩って干渉が生じない位置に各ボビン１０及び幅調整装置１１を配置するようにしても良い。

【0035】

集合ローラ１２は、テープＴの厚さ方向に異なる位置から送り出される複数のテープＴをテープＴの厚さ方向に同じ位置に配置して送り出すための円筒状のローラである。換言すれば、集合ローラ１２は、異なる方向に送り出された複数のテープＴを、長さ方向が概ね平行となるように配列して同一の送り出し方向に送り出すための円筒状のローラである。

【0036】

集合ローラ１２の前段に幅調整装置１１を設ける場合には、異なる幅を有する複数のテープＴが集合ローラ１２に送り出されることになる。このため、幅方向に隣接するテープＴの中心位置における間隔を一定にすると、幅方向に隣接するテープＴの縁の間における隙間の幅が変化することになる。そこで、日本国特願２０２２－００７４９９の出願書類に開示されているテープ送給装置を集合ローラ１２の前段に設け、幅調整装置１１から送り出されるテープＴの幅に応じてテープＴの中心位置における間隔を調整できるようにしても良い。

【0037】

テンションローラ１３は、集合ローラ１２から同一方向に送り出された複数のテープＴにテンションをかけることによってテープＴの弛みを防止するための円筒状のローラである。テンションローラ１３と、各テープＴとの接触によって、各テープＴの進行方向を変化させれば、各テープＴにテンションを掛けることができる。

【0038】

フィードローラ１４は、同一方向に送り出された複数のテープＴをテープＴの長さ方向に送り出すための動力を有するローラである。フィードローラ１４は、動力を有する円筒状の動力ローラ１４Ａと、動力の無い円筒状のサポートローラ１４Ｂで構成することができる。動力ローラ１４Ａの回転シャフトにはモータ１４Ｃの出力シャフトが連結される。このため、動力ローラ１４Ａはモータ１４Ｃの動力で回転する。サポートローラ１４Ｂは、動力ローラ１４Ａとの間で複数のテープＴを挟み込むためのローラである。

【0039】

もちろん、複数のテープＴを挟み込む２つのローラの双方をモータで回転させるようにしても良い。また、動力ローラ１４Ａの回転シャフトとモータ１４Ｃの出力シャフトとの間には、ギアの他、ワンウェイクラッチを連結しても良い。

【0040】

フィードローラ１４を駆動させるモータ１４Ｃは、制御装置５で制御することができる。このため、モータ１４Ｃの回転開始と回転停止の制御によって、テープＴの送り出しの開始と終了を制御することができる。

【0041】

カッタ１５は、同一方向に送り出された複数のテープＴの積層が完了した際に、テープＴを切断するための工具である。カッタ１５の動作は、制御装置５で制御することができる。

【0042】

図３に示す例では、カッタ１５が回転することによってカッタ１５の刃１５Ａを各テープＴに接触させる回転式となっているが、カッタ１５を平行移動させることによって、カッタ１５の刃１５Ａを各テープＴに接触させるようにしても良い。また、カッタ１５の刃１５Ａとの間で各テープＴを挟み込むための円筒状のローラ１５Ｂを設けることができる。

【0043】

コンパクションローラ１６は、同一方向に送り出された複数のテープＴに各テープＴの厚さ方向における圧力を付与しながらテーブル４に向けて送り出すための円筒状のローラである。１層目のテープＴはコンパクションローラ１６で積層治具Ｊに押付けられることになり、２層目以降のテープＴは厚さ方向に隣接する下方の積層済みのテープＴに押付けられることになる。従って、コンパクションローラ１６は、幅方向に配列された複数のテープＴを、積層治具Ｊ又は厚さ方向に隣接する複数のテープＴに押付けながら送り出すローラである。

【0044】

テープＴの積層枚数が増えると、新たに積層するテープＴの高さは徐々に高くなる。このため、コンパクションローラ１６は鉛直方向にも移動させる必要がある。コンパクションローラ１６の鉛直方向における位置は、送り機構６で積層ヘッド２を鉛直方向に平行移動させることによって調整することができる。但し、コンパクションローラ１６を積層ヘッド２に対して相対的に上下移動させる駆動軸を設けても良い。

【0045】

同一方向に送り出された複数のテープＴをコンパクションローラ１６でテーブル４に対して水平方向に相対移動させれば、コンパクションローラ１６の移動方向と逆方向に複数のテープＴを送り出すことができる。複数のテープＴを水平方向に送り出すためには、コンパクションローラ１６の回転軸が水平方向となるようにコンパクションローラ１６を配置することが必要となる。これに対して、各テープＴは捩ることが可能であるため、集合ローラ１２等の他のローラについては、干渉回避等のために回転軸を水平方向に対して傾斜させても良い。

【0046】

各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、動力を有するフィードローラ１４で各テープＴに張力を与えなくてもコンパクションローラ１６から付与される圧力によって各テープＴを送り出すことができる。そして、各テープＴの送り出し速度は、必然的にコンパクションローラ１６から送り出されるテープＴの速度となる。従って、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、フィードローラ１４で各テープＴに過剰な張力を与えることは各テープＴの弛みや突っ張りの原因となり、好ましくない。

【0047】

そこで、フィードローラ１４の動力ローラ１４Ａには、図３に例示されるシリンダ機構１４Ｄ或いはラック・アンド・ピニオンやボールねじ等の往復移動する機械要素を連結し、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、動力ローラ１４Ａを各テープＴから退避できるようにすることができる。
但し、各テープＴの張力を適度に確保するために、フィードローラ１４を各テープＴと接触させ、フィードローラ１４に対して各テープＴを滑らせるようにしても良い。また、フィードローラ１４に代えて、或いはフィードローラ１４に加えて、日本国特願２０２２－０１３７７１の出願書類に開示されているベルトコンベアや吸引チャック付きのベルトコンベアを用いても良い。

【0048】

積層ヘッド２とともに鉛直方向を回転軸としてコンパクションローラ１６をテーブル４に対して相対的に回転させ、幅方向に並列配置されたプリプレグのテープＴをコンパクションローラ１６から曲線的にテーブル４上に送り出す場合には、幅方向に並列配置されたテープＴ間において送り出し速度を変えることが必要となる。試験の結果、幅方向に並列配置されたプリプレグのテープＴが互いにオーバーラップしていると、プリプレグの粘着力によってテープＴ間で送り出し速度を大きく変化させることが困難であることが判明した。

【0049】

このため、できるだけ曲率が大きい曲線軌道に沿って積層ヘッド２を移動させるためには、上述のように１／４インチ以下のテープＴを用いる他、同時に送り出すテープＴを幅方向にオーバーラップさせないことが肝要である。

【0050】

尚、複数のテープＴに隙間を空けて積層することが許容される場合には、換言すれば、複数のテープＴの幅の合計よりも、積層エリアの幅の方が広い場合には、複数のテープＴに隙間を空けてコンパクションローラ１６から送り出すようにしても良い。但し、以降では、無視できる誤差程度の隙間やオーバーラップを発生させずに複数のテープＴをコンパクションローラ１６から送り出する場合を例に説明する。

【0051】

幅方向にオーバーラップさせずに並列配置された複数のテープＴ間において送り出し速度を変えてコンパクションローラ１６から送り出す場合には、コンパクションローラ１６のみならずコンパクションローラ１６以外のローラで送り出されるテープＴの送り出し速度もテープＴ間において変えることが必要となる。すなわち、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが必要となる。

【0052】

そこで、幅方向にオーバーラップさせずに並列配置された複数のテープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後、引続き複数のテープＴと同時に接触して無視できない摩擦力が生じるローラについては、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能なテープ送り出し用のローラユニットで構成される。

【0053】

図３に示す例で言えば、少なくとも集合ローラ１２、テンションローラ１３及びコンパクションローラ１６を、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能なテープ送り出し用のローラユニットで構成することができる。また、カッタ１５の刃１５Ａに対向する円筒状のローラ１５Ｂやフィードローラ１４のサポートローラ１４Ｂについても、複数のテープＴとの間において無視できない摩擦力が生じる場合には、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能なテープ送り出し用のローラユニットで構成することができる。

【0054】

図４はテープ送り出し用のローラユニット２０の構成を示す正面図であり、図５は図４に示すローラユニット２０の縦断面図である。

【0055】

テープ送り出し用のローラユニット２０は、幅が変更し得る複数のテープＴを幅方向にオーバーラップさせずに並べた状態で各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能なローラユニットである。そのようなローラユニット２０は、複数のサブローラ２１をそれぞれ複数の軸受２２を介して支持シャフト２３で支持した円筒状のローラとされる。

【0056】

複数のサブローラ２１は、同一の直径を有し、回転軸が同一直線上となるように並べて配置される。各サブローラ２１の内面は、対応する軸受２２の外輪２２Ａに固定される。すなわち、各サブローラ２１は、軸受２２で支持される。このため、各サブローラ２１は、複数のテープＴとの間における摩擦力によって回転する。すなわち、各サブローラ２１に直接トルクを付与させるためのモータは設けられない。

【0057】

支持シャフト２３は、複数のサブローラ２１をそれぞれ独立した回転速度で回転可能に支持する共通のシャフトである。支持シャフト２３自体は回転しないように固定される。支持シャフト２３には、各軸受２２の内輪２２Ｂが固定される。これにより、支持シャフト２３で複数のサブローラ２１をそれぞれで回転可能に支持することができる。また、複数のサブローラ２１の両側において、脱輪防止プレート２４を支持シャフト２３に固定することができる。

【0058】

尚、軸受２２を設けずに支持シャフト２３で円筒状のサブローラ２１を直接回転可能に支持することも可能であるが、テープＴとの間における摩擦力のみでサブローラ２１が回転するため、サブローラ２１と支持シャフト２３との間における潤滑不足を回避する観点から、軸受２２で各サブローラ２１を支持することが現実的である。

【0059】

このように構成されるローラユニット２０は、複数のリングを回転自在に並べて円筒状とした複合ローラであると言うこともできる。複数のリングを構成する複数のサブローラ２１の各外表面は、幅及び本数が一定とは限らない複数のテープＴと接触し得る面である。

【0060】

従って、各テープＴに好ましくない皺が生じないように、複数のサブローラ２１の外表面の形状は、ローラユニット２０の縦断面において平坦となるように決定される。そのためには、複数のサブローラ２１の各外表面の形状を面取りが無い円柱の側面とすれば良い。加えて、隣接するサブローラ２１の外表面の間に隙間が形成されないように複数のサブローラ２１が配置される。つまり、ローラユニット２０の縦断面において、全てのサブローラ２１の外表面の輪郭を連結した形状が平行な２本の直線となるように、サブローラ２１の形状と配置が決定される。また、各サブローラ２１は、外表面が容易に変形しないように金属や樹脂等の剛体で構成される。

【0061】

そうすると、ローラユニット２０及び各サブローラ２１の回転軸を含む縦断面において、各テープＴを複数のサブローラ２１の少なくとも一部とサブローラ２１の回転軸方向に摺動可能に線接触させることができる。つまり、各テープＴを各サブローラ２１に対して各サブローラ２１の回転軸方向に滑らせることが可能となる。

【0062】

各サブローラ２１の厚さは、供給される可能性があるテープＴの幅よりも薄い厚さに決定される。換言すれば、想定されるどのような幅のテープＴが供給されても、供給されたテープＴが必ず複数のサブローラ２１と接触するように、各サブローラ２１の厚さが決定される。具体例として、各サブローラ２１の厚さを３ｍｍとすれば、１／４インチ（６．３５ｍｍ）の幅を有するテープＴが供給されても、１／８インチ（３．１７５ｍｍ）の幅を有するテープＴが供給されても、テープＴを複数のサブローラ２１と接触させることができる。

【0063】

各サブローラ２１の厚さをテープＴの幅よりも薄い厚さにすると、各テープＴは複数のサブローラ２１に跨がることになる。この場合、各サブローラ２１は主たる１つのテープＴとの間における摩擦力で定まる回転速度で回転し、別のテープＴと接触しても別のテープＴとの間では滑りが生じる。従って、各サブローラ２１を、テープＴの送り出し速度に応じて独立した回転速度で回転させることができる。逆に言えば、互いに独立した回転速度で回転可能な複数のサブローラ２１で、複数のテープＴを互いに独立した送り出し速度で送り出すことができる。

【0064】

つまり、複数のサブローラ２１のうちのどのサブローラ２１の厚さよりも広い幅をそれぞれ有する複数のテープＴであれば、複数のサブローラ２１の回転軸を含む複数のサブローラ２１の縦断面において、複数のサブローラ２１の少なくとも一部と回転軸方向に摺動可能に線接触させながら、複数のサブローラ２１の回転によって互いに独立した送り出し速度で送り出すことができる。

【0065】

尚、図３に示す集合ローラ１２の場合には、複数のテープＴが集合ローラ１２の周方向に異なる位置から接触し、周方向に同一の位置で離れる。このため、ローラユニット２０が集合ローラ１２である場合には、複数のサブローラ２１の少なくとも１つの縦断面において全てのテープＴが複数のサブローラ２１の少なくとも一部と回転軸方向に摺動可能に線接触することになる。

【0066】

サブローラ２１の厚さを薄くすれば、より幅が狭いテープＴであっても送り出すことが可能となる。但し、サブローラ２１の厚さは、軸受２２の厚さ以下とする必要があるため、入手が容易な軸受２２の厚さに合わせてサブローラ２１の厚さを決定することが、ローラユニット２０の製作の容易化に繋がる。また、サブローラ２１の剛性を確保する観点からサブローラ２１の厚さを１ｍｍ以上にすることが現実的であると考えられる。

【0067】

サブローラ２１の直径については、テープＴの厚さとローラユニット２０の前後に配置される装置との関係で決定することができる。すなわち、プリプレグのテープＴの厚さが厚くなる程、テープＴが厚さ方向に湾曲し難くなるため、サブローラ２１の直径を大きくすることが必要になる。例えば、０．０５ｍｍの厚さを有するプリプレグのテープＴであれば、直径が２０ｍｍのサブローラ２１であっても十分にテープＴを湾曲させることができる。

【0068】

図６は図５に示すサブローラ２１の位置Ａにおける拡大図である。

【0069】

隣接するサブローラ２１間において端面同士が接触すると好ましくない摩擦力が生じる。そこで、図６に例示されるように、隣接するサブローラ２１間において接触し得る端面の面積が減少するように、各サブローラ２１に段差３０を形成することができる。より具体的には、図６に例示されるように、各サブローラ２１の外表面の形状が変化しないように、各サブローラ２１の厚さが軸受２２に向かって減少する半径方向の段差３０を、それぞれ複数のサブローラ２１に形成することができる。

【0070】

そうすると、各サブローラ２１には、幅が狭い環状の端面が形成され、隣接するサブローラ２１の端面間における接触面積を減少させることができる。その結果、隙間なく配置された複数のサブローラ２１が独立した回転速度で回転することに起因する無用な摩擦力の発生を低減することができる。

【0071】

段差３０の落差を大きくすると、サブローラ２１の厚さが薄くなり剛性が低下する要因となるので、段差３０の落差は摩擦力の発生を回避できる最小限の落差とすることが好ましい。一方、段差３０の位置を各サブローラ２１の外表面に近くする程、サブローラ２１の環状の端面の幅が狭くなり、摩擦力の低減効果が大きくなる。このため、例えば、段差３０の落差を０．１ｍｍ程度とし、環状の端面の幅を０．２ｍｍ程度とすることができる。

【0072】

尚、隣接するサブローラ２１の２つの端面の一方に段差３０を形成すれば端面間における接触面積が減少するため、接触し得る２つの端面の双方に段差３０を形成する必要は無い。すなわち、脱輪防止プレート２４に隣接する両端の２つのサブローラ２１の一方を除き、片側の端面のみに段差３０を形成すればサブローラ２１間における摩擦力の低減効果を得ることができる。一方、脱輪防止プレート２４に隣接するサブローラ２１については、脱輪防止プレート２４とサブローラ２１との間にＯリング等の配置によって隙間が生じる場合を除き、脱輪防止プレート２４との間における摩擦力を低減するための段差３０を形成することが望ましい。

【0073】

図７は図４に示すローラユニット２０で幅が広いプリプレグのテープＴを送り出す場合の例を示す図、図８は図４に示すローラユニット２０で幅が狭いプリプレグのテープＴを送り出す場合の例を示す図、図９は図４に示すローラユニット２０で幅が変化するプリプレグのテープＴを送り出す場合の例を示す図である。

【0074】

ローラユニット２０からは、上述したように幅が異なる複数のテープＴを幅方向に並列配置して送り出すことができる。このため、幅が広い複数のテープＴをローラユニット２０に供給すれば、図７に例示されるように全体としても幅が広い複数のテープＴを送り出すことができる。逆に、幅が狭い複数のテープＴをローラユニット２０に供給すれば、図８に例示されるように全体としても幅が狭い複数のテープＴを送り出すことができる。また、幅調整装置１１で幅を変化させながら複数のテープＴをローラユニット２０に供給すれば、図９に例示されるように全体としても幅が変化する複数のテープＴを送り出すことができる。

【0075】

図１０は図４に示すローラユニット２０を備えた繊維積層装置１で積層可能なプリプレグのテープＴの一例を示す図であり、図１１は図４に示すローラユニット２０を備えた繊維積層装置１で積層可能なプリプレグのテープＴの別の一例を示す図である。

【0076】

テーブル４に対して相対的に、鉛直方向を回転軸として積層ヘッド２を回転移動させながら水平方向に平行移動させれば、図１０に例示されるように幅方向に配列された複数のテープＴを曲線的に送り出して積層することができる。複数のテープＴを曲線的に積層する場合、図１０に例示されるように単位時間当たりに送り出されるテープＴの長さがテープＴ間において相違するが、ローラユニット２０で複数のテープＴを送り出せば各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことができるため、テープＴの一部がずれて重なる不具合を防止することができる。

【0077】

また、幅が狭い複数のテープＴを送り出す場合には、図１１に例示されるように、より曲率が大きい曲線に沿って複数のテープＴを積層することが可能となる。一方、図１０に例示されるように各テープＴの幅を大きくすれば、単位時間当たりのテープＴの積層面積を大きくすることができる。このため、成形対象となるＦＲＰの形状に応じて適切な幅を有するテープＴを使用することができる。

【0078】

（複合材成形方法）
次にテープ送り出し用のローラユニット２０を備えた繊維積層装置１を用いてＦＲＰからなる複合材を成形する方法について説明する。

【0079】

ＦＲＰの成形を行う場合には、まずプリプレグのテープＴの積層と賦形によって、成形後のＦＲＰの形状に対応する形状を有するプリフォームが製作される。そのために、プリプレグのテープＴを積層するための単純な形状を有する積層治具Ｊと、プリプレグのテープＴの積層体を賦形するための複雑な形状を有する賦形治具を別々に準備し、積層治具Ｊに積層したプリプレグのテープＴの積層体を賦形治具に載せ替えて賦形を行っても良いし、積層治具Ｊと賦形治具を共通にしても良い。

【0080】

プリプレグのテープＴを積層治具Ｊに積層する作業は、図１乃至図６に例示されるテープ送り出し用のローラユニット２０を備えた繊維積層装置１で行われる。そのために、プリプレグのテープＴの自動積層を行うための繊維積層装置１の制御プログラムが制御装置５に読み込まれる。一方、積層に使用する幅のプリプレグのテープＴを巻き付けた複数のボビン１０が積層ヘッド２にセットされる。この時、各テープＴの先端はフィードローラ１４を構成する動力ローラ１４Ａとサポートローラ１４Ｂで挟み込まれる。

【0081】

制御装置５による制御下で繊維積層装置１を作動させるとフィードローラ１４のモータ１４Ｃが駆動し、動力ローラ１４Ａが回転する。これにより、各テープＴの先端が同一の送り出し速度で送り出される。すなわち、各ボビン１０から幅調整装置１１、集合ローラ１２及びテンションローラ１３を経由するテープＴが同一の送り出し速度で送り出される。

【0082】

各テープＴの先端が積層治具Ｊの表面に到達すると制御装置５による統括制御下で送り機構６が駆動し、積層ヘッド２が各テープＴの送り出し方向と逆方向に移動する。このため、コンパクションローラ１６が積層治具Ｊに対して各テープＴの送り出し方向と逆方向に移動し、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６と積層治具Ｊで挟み込まれる。すなわち、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達する。

【0083】

そうすると、制御装置５による統括制御下でシリンダ機構１４Ｄが駆動し、動力ローラ１４Ａが各テープＴから退避する。このため、積層ヘッド２を引続き各テープＴの送り出し方向と逆方向に移動させると、各テープＴは送り出し方向に送り出され、各テープＴの送り出し速度は、コンパクションローラ１６から圧力を受けながら送り出されるテープＴの速度、すなわちコンパクションローラ１６及び積層ヘッド２に対するテーブル４及び積層治具Ｊの相対速度となる。

【0084】

その後は制御プログラムで定義した経路に沿って積層ヘッド２を移動させることにより、積層治具Ｊ上に１層目のプリプレグを積層することができる。積層ヘッド２を直接的に移動させることによって各テープＴを直接的に送り出す場合には、各テープＴの送り出し速度がテープＴ間で同一となる。これに対し、図１０及び図１１に例示されるように、各テープＴを曲線的に送り出す場合には、各テープＴの送り出し速度がテープＴ間で同一とはならない、

【0085】

但し、各テープＴを送り出すために使用されている集合ローラ１２やテンションローラ１３等の各ローラは、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能な図４乃至図６に例示されるローラユニット２０で構成されている。このため、積層ヘッド２の経路が、曲率が小さな曲線である場合はもちろん曲率が大きい曲線である場合であっても、図１０及び図１１に例示されるように、各テープＴがずれること無く目的とする経路に沿って各テープＴを積層することができる。

【0086】

加えて、各テープＴを送り出すために使用されている集合ローラ１２やテンションローラ１３等のローラユニット２０では、各テープＴを幅方向にスライドさせながら送り出すことができる。このため、プリプレグの積層条件によっては制御装置５で幅調整装置１１を制御し、幅調整装置１１で幅を連続的に変えながら図９に例示されるようにローラユニット２０でテープＴを送り出すこともできる。

【0087】

また、制御装置５で幅調整装置１１を制御することによって、図７及び図８に例示されるように、積層ヘッド２の回転半径や積層後におけるプリプレグの幅等の積層条件に応じて幅調整装置１１でテープＴの幅を断続的に変化させ、ローラユニット２０でテープＴを送り出すこともできる。換言すれば制御プログラムで様々なテープＴの積層条件を定義することができる。

【0088】

積層ヘッド２が１層目の積層終了位置に到達すると制御装置５による統括制御下でカッタ１５が駆動し、各テープＴが切断される。続いて、制御装置５による統括制御下で送り機構６が駆動し、積層ヘッド２が２層目の積層開始位置に移動する。そして、１層目と同様に２層目の各テープＴの積層を開始することができる。このようにして、全ての層の積層が完了するとプリプレグの積層体が製作される。尚、同一の層が複数の積層エリアに分割されている場合やテープＴの幅を不連続に変化させる場合には、同一の層の積層中において各テープＴの切断と積層の再開を行うことができる。

【0089】

湾曲したウェブとフランジを有する航空機部品のように製作対象となるＦＲＰの形状が複雑である場合には、積層治具Ｊに積層されたプリプレグの積層体にＦＲＰの形状に対応する形状を付与することが必要となる場合がある。その場合には、プリプレグの積層工程に続いて、プリプレグの積層体に形状を付与する賦形工程が実施される。

【0090】

プリプレグの積層体の賦形は、加熱装置による加熱と加圧によって行うことができる。加圧は、プレス機による賦形型の押し当てやバギングによる大気圧の負荷によって行うことができる。上述したように積層治具Ｊが賦形型を兼ねていない場合には、プリプレグの積層体が積層治具Ｊから賦形型に載せ替えられる。逆に、積層治具Ｊが賦形型を兼ねている場合には、プリプレグの積層体を載置した積層治具Ｊがバギングやプレス機等によって賦形工程を実施するためのエリアに搬送される。

【0091】

プリプレグの積層体の賦形が完了すると、成形後のＦＲＰの形状に対応する形状を有するプリフォームが製作される。また、航空機のパネルのようにＦＲＰの形状が単純であり、賦形用の形状を有する積層治具ＪにプリプレグのテープＴを積層するのみでプリフォームが製作される場合には、プリプレグの積層と賦形が同時に行われることになる。

【0092】

プリフォームが製作されると、プリフォームに含まれる樹脂の硬化が行われる。すなわち、積層及び賦形後におけるプリプレグのテープＴに予め含浸させておいた樹脂の硬化工程が実施される。これにより、目的とする形状を有するＦＲＰを成形することができる。

【0093】

樹脂が熱硬化性樹脂であれば樹脂の硬化工程はオーブンやオートクレーブ装置等の加熱装置を用いた樹脂の加熱となる。一方、樹脂が熱可塑性樹脂であれば樹脂の硬化工程は加熱装置で一旦樹脂を加熱して溶融させた後、空冷等で樹脂を冷却する工程となる。また、樹脂の硬化に先立って、プリフォームを他のプリフォームや中間硬化した他のＦＲＰと組合せる組立工程を実施したり、プリフォームの上にＲＴＭ法で成形するための別のドライプリフォームを載置して樹脂を注入したりしても良い。

【0094】

プリフォームに含まれる樹脂を硬化することによってＦＲＰを成形するための成形治具についても積層治具Ｊ又は賦形治具と共通にしても良いし、別に準備してプリフォームを載せ替えるようにしても良い。

【0095】

（効果）
以上のようなテープ送り出し用のローラユニット２０、繊維積層装置１及び複合材成形方法は、幅方向にオーバーラップしないように並列配置された複数のプリプレグのテープＴを、支持シャフト２３で回転自在に支持された直径が同一の複数のサブローラ２１で送り出すことによって積層するようにしたものである。

【0096】

このため、テープ送り出し用のローラユニット２０、繊維積層装置１及び複合材成形方法によれば、複数のプリプレグのテープＴを互いオーバーラップさせることなく同時に積層することができる。また、異なる幅を有するプリプレグのテープＴを送り出したり、送り出すプリプレグのテープＴの本数を変えたりすることによって、積層後におけるテープＴ全体の幅を変化させることもできる。

【0097】

図１２は交互に配置した複数のセパレート型ローラ４０で複数のプリプレグのテープＴの送り出しを行う従来のＡＦＰ装置における問題点を説明する図である。

【0098】

図１２に示すように交互に配置した複数のセパレート型ローラ４０で複数のプリプレグのテープＴを送り出す場合、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能ではあるものの、各テープＴの幅を変更することが容易ではない。また、仮に幅が狭いテープＴを送り出す場合にはテープＴ間に隙間が生じてしまう。テープＴ間における隙間を無くすためには、各セパレート型ローラ４０を回転軸方向に移動させるための複雑な機構が必要となる。

【0099】

このため、テープＴの本数を増やすためにはセパレート型ローラ４０の数とともに各セパレート型ローラ４０を回転軸方向に移動させるための複雑な機構の数も増やすことが必要となり、積層ヘッドを非常に大きくしなければテープＴの本数を増やすことができないという問題がある。

【0100】

これに対して、上述したローラユニット２０を用いれば、複数のサブローラ２１上において各テープＴがテープＴの幅方向にスライドできるため、異なる幅を有する複数のテープＴを送り出す場合であっても、複雑な機構を用いることなくテープＴ間における隙間を無くすか隙間を調整することができる。また、サブローラ２１の数を増やすのみで、送り出すことが可能なテープＴの数を容易に増やすことができる。つまり、積層ヘッド２を複雑で大掛かりなものとせずに、実質的に円筒状の１本のローラで、より多くのテープＴを同時に積層することが可能となる。

【0101】

図１３は共通の単体ローラ４1で複数のプリプレグのテープＴの送り出しを行う従来のＡＦＰ装置における問題点を説明する図である。

【0102】

図１３に示すように共通の単体ローラ４1で複数のプリプレグのテープＴを送り出す場合、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことができない。その結果、曲率が大きい曲線に沿って各テープＴを積層しようとすると、テープＴがずれて重なった状態で積層される場合があるという問題がある。

【0103】

尚、単体ローラ４1の表面にテープＴとの摩擦を低減するためのコーティングを施して試験を行った結果、摩擦力の低減効果が不十分であり、各テープＴを独立した送り速度では送り出せない場合があることが判明した。

【0104】

これに対して、上述したローラユニット２０を用いれば、各サブローラ２１が独立した回転速度で回転できるため、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことができる。その結果、実質的に円筒状の１本のローラで、図１０及び図１１に例示されるように、曲率の大小を問わず曲線に沿って容易に複数のテープＴを積層することが可能となる。すなわち、内輪側の余ったテープＴが行き場を失って経路を逸脱する事態を回避し、安定した品質及び精度で複数のテープＴのステアリング積層を行うことができる。

【0105】

（第２の実施形態）
図１４は本発明の第２の実施形態に係る繊維積層装置１Ａに備えられるテープ送り出し用のローラユニット５０の正面図であり、図１５は図１４に示すローラユニット５０を構成するサブローラ５１の左側面図である。

【0106】

図１４及び図１５に示された第２の実施形態における繊維積層装置１Ａでは、コンパクションローラ１６として用いられるテープ送り出し用のローラユニット５０の構成が第１の実施形態における繊維積層装置１と相違する。第２の実施形態における繊維積層装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における繊維積層装置１と実質的に異ならないためローラユニット５０のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

【0107】

コンパクションローラ１６は、複数のテープＴを送り出す他、各テープＴに厚さ方向の圧力を付与する役割を担っている。すなわち、コンパクションローラ１６は、複数のテープＴを幅方向に並べて厚さ方向に押付けながら長さ方向に送り出すためのローラである。

【0108】

各テープＴが積層される積層治具Ｊはプリフォームの賦形用の下型を兼ねている場合があり、平面とは限らない。また、積層治具Ｊが平面であっても層ごとにテープＴの長さや経路を変えれば平面ではない面が下方の積層済みのテープＴによって形成される可能性がある。従って、コンパクションローラ１６から送り出される複数のテープＴの下方に積層されているテープＴは平面を形成しているとは限らない。すなわち、コンパクションローラ１６で、曲面や凹凸を有する面上に複数のテープＴを押付けることが必要となる場合がある。

【0109】

そこで、コンパクションローラ１６として用いるローラユニット５０については、図１４及び図１５に例示されるように、複数のサブローラ５１をそれぞれ複数の軸受５２を介して支持シャフト５３で支持した円筒状のローラとするのみならず、各サブローラ５１に弾性を付与することができる。つまり、ローラユニット５０は、幅が変更し得る複数のテープＴを幅方向にオーバーラップさせずに並べた状態で各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが可能であり、かつ弾性を有するローラユニットである。

【0110】

ローラユニット５０の構成は、各サブローラ５１に弾性を付与した点を除けば、図４及び図５に示すローラユニット２０と概ね同様である。すなわち、図４及び図５に示すローラユニット２０が有する剛体の各サブローラ２１を、それぞれ弾性を有するサブローラ５１に置換したものがコンパクションローラ１６用のローラユニット５０に相当する。但し、ローラユニット５０で各テープＴに厚さ方向の圧力を付与できるように、支持シャフト５３に固定される脱輪防止プレート５４の直径を、各サブローラ５１の直径よりも小さくすることが必要となる。

【0111】

各サブローラ５１は、図１５に例示されるように、外輪５５と内輪５６を複数の第１のバネ５７で連結することによって構成される。すなわち、各サブローラ５１の内部には複数の第１のバネ５７が配置される。外輪５５は、サブローラ５１の外表面を形成するリング状の部材である。一方、内輪５６は、サブローラ５１を軸受５２の外輪５２Ａに固定するためのリング状の部材である。また、軸受５２の内輪５２Ｂは、支持シャフト５３に固定される。これにより、支持シャフト５３で各サブローラ５１を互いに独立した回転速度で回転可能に支持することができる。

【0112】

尚、コンパクションローラ１６は、集合ローラ１２やテンションローラ１３とは異なり、送り出すテープＴをテーブル４又は下方に積層済みのテープＴに押付けながら回転するため、軸受５２を省略し、隙間嵌め等の公差の調整によって各サブローラ５１を回転させるようにしても良い。すなわち、各サブローラ５１の内輪５６を支持シャフト５３で直接回転可能に支持するようにしても良い。但し、コンパクションローラ１６でテープＴに付与する圧力が小さくなった場合に回転不良となるリスクを回避する観点から、軸受５２で各サブローラ５１を支持することが望ましい。

【0113】

外輪５５の内側には、サブローラ５１の半径方向を長さ方向及び伸縮方向とする複数の第１のバネ５７が放射状に配置される。すなわち、ローラユニット５０には、ローラユニット５０の回転半径方向に伸縮する多数の第１のバネ５７が内蔵される。これにより、複数の第１のバネ５７で内側から支持されるサブローラ５１及びローラユニット５０の外表面には、回転半径方向における弾性を付与することができる。

【0114】

各サブローラ５１の厚さは、図４及び図５に示すローラユニット２０の各サブローラ２１と同様に、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことができるように、各テープＴの幅よりも薄い厚さに決定される。上述したようにテープＴのステアリング積層を安定的に行うためには、各テープＴの幅を１／４インチ（６．３５ｍｍ）以下とすることが現実的である。従って、各サブローラ５１の厚さは、１ｍｍから６ｍｍ程度となる。

【0115】

サブローラ５１の外輪５５と内輪５６との間に形成されるこのような厚さの空間に複数の第１のバネ５７を配置するためには、サブローラ５１の回転軸方向における第１のバネ５７の厚さも薄くすることが必要となる。従って、放射状に配置される第１のバネ５７を、それぞれ典型的なコイルバネとはせずに、図１５に例示されるように、サブローラ５１の半径方向を位相方向とし、サブローラ５１の半径方向及び回転軸方向の双方に垂直な方向を振幅方向とする１次元の波形のバネとすることが実用的である。また、第１のバネ５７を配置する空間は、サブローラ５１の半径方向に向かってサブローラ５１の回転中心から遠ざかる程、広くなるため、波形の第１のバネ５７の振幅もサブローラ５１の回転中心から遠ざかる程、大きくすることが空間の有効利用に繋がる。

【0116】

各サブローラ５１の直径は、放射状に配置される複数の第１のバネ５７を収容できるように決定される他、コンパクションローラ１６に関連する部品との関係で決定することができる。尚、直径が５０ｍｍの複数のサブローラ５１を有するローラユニット５０を試作した。

【0117】

第１のバネ５７の各バネ定数は、プリプレグのテープＴを積層する面が曲面や凹凸を有する面であっても、面の形状に追従して安定的にコンパクションローラ１６でテープＴを適切な圧力で押付けられるように決定することが適切である。１次元の波形を有する第１のバネ５７を金属で構成すると金属が塑性変形してしまう可能性が高い。一方、１次元の波形を有する第１のバネ５７をゴムで構成するとバネ定数が過小となる可能性が高い。

【0118】

そこで、１次元の波形を有する第１のバネ５７は、ゴム以外のポリアミドやＡＢＳ樹脂等の樹脂で構成することができる。尚、実際に入手が容易なポリアミド１２を使用して第１のバネ５７を有するサブローラ５１を試作し、目的とする弾性が得られることが確認された。但し、目的とするバネ定数が安定的に得られれば、金属やゴムを用いても良い。

【0119】

他方、第１のバネ５７で内側から支持される外輪５５についても十分な弾性を有する弾性体で構成することが好ましい。これは、上述したように外輪５５で、テープＴを曲面や凹凸を有する面上に押付けることが必要となる場合があるためである。特に、サブローラ５１の直径よりも曲率半径が小さい凹みがある場合において、外輪５５の弾性が不十分であると外輪５５と凹みとの間に隙間が生じる恐れがある。

【0120】

従って、外輪５５を、凹凸を有する面に外輪５５を押し当てた場合に凹凸を有する面にフィットするように外輪５５を変形させる一方、凹凸を有する面から外輪５５を引離した場合に外輪５５の形状を元の形状に復元することが可能な弾性体で構成することが好ましい。

【0121】

そこで、外輪５５を図１５に示すように位相方向を円形にした波形の第２のバネ５８で構成することができる。すなわち、外輪５５を構成する弾性体としてリング状の第２のバネ５８を採用することができる。これにより、テープＴを押付ける面の形状に対する外輪５５の追従性を向上することができる。すなわち、内側の第１のバネ５７の伸縮と、第２のバネ５８の弾性変形によって、外輪５５の外面を曲面や凹凸を有する面に容易にフィットさせることが可能となる。

【0122】

外輪５５の外面はテープＴを幅方向に摺動可能に送り出しながら厚さ方向に圧力を付与する面となるため、できるだけ円柱の側面に近い面とすることが好ましい。すなわち、外輪５５の外面とテープＴを線接触させることが望ましい。そこで、第２のバネ５８の形状を、図１５に示すように振幅方向が外輪５５の半径方向となっており、少なくとも山側が円筒の一部となっている周期的な１次元の波形とすることができる。そうすると、外輪５５を回転させた場合において、円柱の側面の一部と、長さ方向が外輪５５の回転軸方向であるスリットが交互に外輪５５の外面に現れ、外輪５５の外面にテープＴを断続的に線接触させることができる。このため、第２のバネ５８において円筒の一部となっている山の間隔をできるだけ短くすることが望ましい。

【0123】

外輪５５は、波形の第２のバネ５８とせずに、第２のバネ５８と同等な弾性を有する波形でない円筒状のゴムで構成してしても良い。但し、ゴム製の外輪５５内にゴム製ではない第１のバネ５７を配置するためには、外輪５５と第１のバネ５７の接合が必要となる。

【0124】

これに対して、外輪５５を波形の第２のバネ５８で構成すれば、第２のバネ５８の材質を第１のバネ５７の材質と同一にすることによって、放射状に配置された複数の第１のバネ５７と波形の第２のバネ５８を一体化することが可能となる。すなわち、外輪５５、第１のバネ５７及び内輪５６からなるサブローラ５１を一体化し、接合を回避することができる。

【0125】

特に、ポリアミドやＡＢＳ樹脂等の樹脂は３Ｄ（３次元：ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）プリンタの材料とすることができる。このため、外輪５５、第１のバネ５７及び内輪５６からなるサブローラ５１を３Ｄプリンタの材料として選択できる樹脂で構成すれば、３Ｄプリンタを用いた３Ｄ造形によってサブローラ５１を一体成形することができる。

【0126】

図１６は図１４に示すサブローラ５１の位置Ｂにおける拡大縦断面図である。

【0127】

ローラユニット５０のサブローラ５１についても、図４及び図５に示すローラユニット２０のサブローラ２１と同様に、独立した回転速度で回転できるように隣接するサブローラ５１間で接触し得る面積を減少させることが望ましい。

【0128】

そこで、図１６に例示されるように、隣接するサブローラ５１間において接触し得る端面の面積が減少するように、各サブローラ５１の外輪５５に段差６０を形成することができる。より具体的には、図１６に例示されるように、各外輪５５の外表面の形状が変化しないように、各外輪５５の厚さが軸受５２に向かって減少する半径方向の段差６０を、それぞれ外輪５５に形成することができる。尚、外輪５５を波形の第２のバネ５８で形成する場合には、テープＴと接触する山側の外面にのみ段差６０を形成すれば十分であると考えられる。

【0129】

図１７は図１５に示す各サブローラ５１の内部に配置される第１のバネ５７のバネ定数をサブローラ５１間で変えた例を示すローラユニット５０の正面図である。

【0130】

ローラユニット５０は、コンパクションローラ１６として積層治具Ｊに向かって押付けられるが、支持シャフト５３の両端付近に積層治具Ｊに向かう力が作用する。従って、支持シャフト５３の中央付近は積層治具Ｊ及び積層済みのテープＴからの反力によって上方に撓む可能性がある。この場合、各サブローラ５１の弾性が同等であると、コンパクションローラ１６から各テープＴに付与される圧力が不均一になる恐れがある。

【0131】

そこで、支持シャフト５３が積層治具Ｊ及び積層済みのテープＴからの反力によって上方に撓んだとしても、コンパクションローラ１６から各テープＴに付与される圧力が均一になるように、各サブローラ５１の内部に配置される第１のバネ５７のバネ定数を調整することができる。

【0132】

この場合、サブローラ５１間で第１のバネ５７のバネ定数が一定とはならず、中央のサブローラ５１に配置される第１のバネ５７の収縮長さが減少するようにバネ定数が相対的に大きく設定される一方、両側のサブローラ５１に配置される第１のバネ５７の収縮長さが減少しないようにバネ定数が相対的に小さく設定される。第１のバネ５７のバネ定数は、各サブローラ５１を３Ｄプリンタで造形する場合には、第１のバネ５７の太さや長さを変えることによって容易に変化させることができる。

【0133】

以上の第２の実施形態は、コンパクションローラ１６として用いられるローラユニット５０を、互いに独立した回転速度で回転することが可能な複数のサブローラ５１で構成するのみならず、各サブローラ５１に弾性を付与したものである。

【0134】

（効果）
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果に加えて、コンパクションローラ１６でテープＴを押し当てる面が平面でない場合であっても、面の形状に追従してテープＴを押し当てることが可能になるという効果が得られる。すなわち、コンパクションローラ１６が潰れないようにしてテープＴへの押付け力を十分に確保しつつテープＴを押し当てる面の形状に応じてコンパクションローラ１６を変形させることができる。

【0135】

このため、ステアリング積層によって曲線に沿ったテープＴの積層が容易となるのみならず、より複雑な形状を有する面へのテープＴの積層が可能となる。その結果、ＦＲＰの設計の自由度を向上させることができる。

【0136】

図１８はゴム製ローラ７０でテープＴに圧力をかける場合に生じる問題点を説明する図であり、図１９は複数のゴム製ローラ７０を回転軸方向に配置してテープＴに圧力をかける場合に生じる問題点を説明する図である。

【0137】

厚さが直径よりも小さいような厚さが薄いゴム製ローラ７０を積層治具Ｊ及び積層済みのテープＴに押付けると、図１８に示すようにゴム製ローラ７０が圧力で潰れ、ポアソン効果によって横に広がる。加えて、厚さが薄いゴム製ローラ７０でテープＴに圧力を付与するとゴム製ローラ７０が腰折れ、すなわち弾性を失って曲がる場合がある。

【0138】

従って、厚さが薄い複数のゴム製ローラ７０を図１９に示すように回転軸方向に隙間なく配置すると、各ゴム製ローラ７０がポアソン効果によって横に広がり、互いに干渉してロッキングが起こる。その結果、各ゴム製ローラ７０を互いに独立した回転速度で回転させることができない。

【0139】

このため、厚さが薄いローラユニット５０のサブローラ５１に弾性を付与するために、ゴム製ローラ７０を採用することはできない。つまり、コンパクションローラ１６を仮にゴム製にすると、コンパクションローラ１６を回転軸方向に細かいピッチで分割することができない。

【0140】

これに対して、ローラユニット５０の各サブローラ５１には、ゴムのヤング率としてではなく、複数の第１のバネ５７の形状によって定まるバネ定数として弾性が付与されている。このため、ローラユニット５０の各サブローラ５１には圧力が負荷されてもポアソン効果が生じない。その結果、厚さが１ｍｍから６ｍｍで直径よりも小さい複数のサブローラ５１を回転軸方向に隙間なく配置しても、各サブローラ５１間でロッキングが起こらない。

【0141】

このため、ローラユニット５０の場合には、各サブローラ５１が強い押付け力や起伏のある面に押付けられることによって半径方向に変形したとしても、各サブローラ５１を互いに独立した回転速度で回転させることができる。その結果、ステアリング積層時におけるテープＴの経路からの逸脱を防ぎ、テープＴの積層精度を向上することができる。

【0142】

図２０は、柔軟性が不十分な波形でないリング状ローラ７１でテープＴに圧力をかける場合に生じる問題点を説明する図であり、図２１は図１５に示すようにサブローラ５１の外輪５５を波形の第２のバネ５８で構成したローラユニット５０による効果を説明する図である。

【0143】

図２０に示すように柔軟性が不十分な波形でないリング状ローラ７１でリング状ローラ７１の直径よりも小さい曲率半径を有する凹面にテープＴを押付けると、テープＴと凹面との間に隙間が生じる。すなわち、テープＴを積層できない空隙が生じる。このようなテープＴの厚さ方向における隙間は、隙間が僅かであっても成形後におけるＦＲＰの重大な品質劣化に繋がる。

【0144】

従って、図１８及び図１９を参照して説明したゴム製ローラ７０の場合に生じるポアソン効果や腰折れを回避するために、ゴム製ローラ７０を単に内側からバネで支持された非ゴム製のリングに置換えただけでは、複雑な凹凸形状を有する面にテープＴを積層できない場合が生じる恐れがある。

【0145】

また、図１８及び図１９に示すような中空でないゴム製ローラ７０であれば、柔軟性の高いゴムを使用することによって複雑な凹凸形状を有する面にゴム製ローラ７０をフィットさせることができるものの、上述したようにポアソン効果や腰折れが生じる。このため、複数のゴム製ローラ７０を隙間なく配置して互いに独立した回転速度で回転させることができないだけでなく、ゴム製ローラ７０がテープＴの積層時における押付け力で潰れてしまう場合がある。

【0146】

これに対して、図１５に示すようにサブローラ５１の外輪５５を波形の第２のバネ５８で構成すれば、外輪５５自体にも柔軟性を付与することができる。具体的には、外輪５５の半径方向には第１のバネ５７で弾性を付与する一方、外輪５５の進行方向にも第２のバネ５８で弾性を付与することができる。つまり、サブローラ５１がテープＴに押付けられてもサブローラ５１が半径方向に潰れないように第１のバネ５７でサブローラ５１を支持する一方、第２のバネ５８で外輪５５の進行先に存在し得る起伏に対する追従性を確保することができる。

【0147】

このため、例えば図２１に示すように、サブローラ５１及び外輪５５の最大径よりも小さい曲率半径を有する凹面にテープＴを押付ける場合であっても、外輪５５を構成する第２のバネ５８の、外輪５５の進行方向を含む面内における弾性変形によって、外輪５５を凹面にフィットさせることができる。その結果、サブローラ５１及び外輪５５の最大径よりも小さい曲率半径を有する凹面にテープＴを隙間なく積層することができる。

【0148】

尚、実際に波形の第２のバネ５８で外輪５５を構成せずに、波形でない外輪自体のヤング率に応じた弾性と第１のバネ５７の弾性によって回転軸に垂直な面内における弾性を付与したコンパクションローラを試作し、凹凸を有する面にテープＴを押付けたところ、テープＴと凹凸を有する面との間に隙間が生じる場合があることが確認された。これに対して、波形かつ円形の第２のバネ５８で外輪５５を構成し、第２のバネ５８を内側から第１のバネ５７で支持するローラユニット５０で凹凸を有する面にテープＴを押付ける試験を行ったところ、テープＴと凹凸を有する面との間に隙間を発生させずにテープＴを積層できることが確認された。

【0149】

各サブローラ５１の外輪５５を構成する第２のバネ５８は、サブローラ５１間で互いに独立した変形量で弾性変形させることができる。従って、図２１に示す例に限らず、凹凸がサブローラ５１の回転軸方向に存在する場合であっても、凹凸を有する面にローラユニット５０をフィットさせることができる。

【0150】

以上のように第２の実施形態におけるローラユニット５０は、押付け力や起伏した面との接触によって潰れず、かつ起伏が大きく複雑な形状を有する面であっても面の形状に合わせて変形し、フィットさせることができる。

【0151】

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

【0152】

例えば上述した実施形態では積層対象となるテープＴが、樹脂を含浸させた後の繊維であるプリプレグをテープ状にしたものである場合について説明したが、樹脂を含浸させる前の繊維をテープ状にしたものであっても良い。樹脂を含浸させる前の繊維からなるテープＴはドライテープと呼ばれ、ドライテープを積層し、ＦＲＰの形状に合わせて賦形したドライテープの積層体はドライプリフォームと呼ばれる。

【0153】

ドライプリフォームを素材としてＦＲＰを成形する場合には、ＲＴＭ法によってＦＲＰが成形される。具体的には、樹脂を硬化させる工程に先立ってドライプリフォームに未硬化の樹脂を注入することによって繊維を未硬化の樹脂で含浸させる工程が実施される。

【0154】

また、ドライテープの幅を広げる装置として、例えば、国際公開第２０１０／１３７５２５号パンフレットに開示されている開繊装置が知られている。このため、ドライテープが繊維積層装置１の積層対象である場合には、この開繊装置を幅調整装置１１として用いても良い。

【符号の説明】

【0155】

１、１Ａ 繊維積層装置
２ 積層ヘッド
３ ガントリ
３Ａ 支柱
４ テーブル
５ 制御装置
６ 送り機構
１０ ボビン
１１ 幅調整装置
１２ 集合ローラ
１３ テンションローラ
１４ フィードローラ
１４Ａ 動力ローラ
１４Ｂ サポートローラ
１４Ｃ モータ
１４Ｄ シリンダ機構
１５ カッタ
１５Ａ 刃
１５Ｂ ローラ
１６ コンパクションローラ
２０ テープ送り出し用のローラユニット
２１ サブローラ
２２ 軸受
２２Ａ 外輪
２２Ｂ 内輪
２３ 支持シャフト
２４ 脱輪防止プレート
３０ 段差
４０ セパレート型ローラ
４１ 単体ローラ
５０ ローラユニット
５１ サブローラ
５２ 軸受
５２Ａ 外輪
５２Ｂ 内輪
５３ 支持シャフト
５４ 脱輪防止プレート
５５ 外輪
５６ 内輪
５７ 第１のバネ
５８ 第２のバネ
６０ 段差
７０ ゴム製ローラ
７１ リング状ローラ
Ｊ 積層治具
Ｔ テープ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】