特許 7542134 繊維強化樹脂の製造装置および繊維強化樹脂の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-21

(45)【発行日】2024-08-29

(54)【発明の名称】繊維強化樹脂の製造装置および繊維強化樹脂の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/54 20060101AFI20240822BHJP

   B29C 70/16 20060101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

B29C70/54

B29C70/16

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023509092

(86)(22)【出願日】2022-03-17

(86)【国際出願番号】 JP2022012154

(87)【国際公開番号】W WO2022202587

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-04-24

(31)【優先権主張番号】P 2021053384

(32)【優先日】2021-03-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005887

【氏名又は名称】三井化学株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢野 雅裕

(72)【発明者】

【氏名】宮田 篤史

【審査官】▲高▼村 憲司

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－０８０８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１２６９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５２２６８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ７０／００－７０／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

強化繊維に樹脂を含浸させる含浸部と、
前記含浸部よりも上流側で、前記強化繊維を、先行する強化繊維から新たな強化繊維に切り替える切替装置と、を有し、
前記切替装置は、前記強化繊維の切り替え時に、前記先行する強化繊維および前記新たな強化繊維を経糸とし、他の繊維を緯糸とする織物を形成して、前記新たな強化繊維と前記先行する強化繊維とを接続する、
強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項2】

前記切替装置は、
前記新たな強化繊維および先行する強化繊維の一方を保持して上下移動する第一のヘルド、
前記新たな強化繊維および先行する強化繊維の他方を保持して上下移動する第二のヘルド、および
前記第一のヘルドおよび第二のヘルドに保持された強化繊維の間に横方向に強化繊維を通過させる緯入れ機構を有する、
請求項１に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項3】

複数の前記強化繊維を、互いに異なる位置で保持する複数の保持部と、
前記複数の保持部から前記複数の強化繊維を受け取って合一させて、前記含浸部へと送る合一部と、を有し、
複数の前記切替装置が、前記複数の保持部のそれぞれに配置されている、
請求項１または２に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項4】

前記複数の保持部は、いずれも複数の前記強化繊維を保持し、
前記合一部では、前記複数の保持部から受け取った複数本の強化繊維を、互い違いに配置してシート状に合一させ、かつ、前記切替装置による前記強化繊維の切り替えの前後で、前記複数の保持部から受け取った複数の強化繊維の配置が変更される、
請求項３に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項5】

前記切替装置は、新たな強化繊維および先行する強化繊維と同じ材料からなる強化繊維を前記緯糸として、前記織物を形成する、請求項１～４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項6】

前記切替装置は、新たな強化繊維および先行する強化繊維とは異なる材料からなる強化繊維を前記緯糸として、前記織物を形成する、請求項１～４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項7】

前記含浸部で樹脂を含浸されてなる繊維強化樹脂から、前記強化繊維が前記織物を形成した部位を除去する除去部を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項8】

前記強化繊維は、炭素繊維である、請求項１～７のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項9】

前記樹脂は、熱可塑性樹脂である、請求項１～８のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂の製造装置。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂の製造装置を用いて、強化繊維を切り替えながら繊維強化樹脂を製造する、強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維強化樹脂の製造装置および繊維強化樹脂の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸された樹脂組成物（マトリクス樹脂）と、を含む薄膜状の繊維強化樹脂（以下、単に「Ｕｎｉ－Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＵＤ）シート」ともいう。）が知られている。このＵＤシートは、金属よりも軽量であり、一方で機械的強度が高いため、樹脂成形体の表面を被覆する補強材などとしての用途が検討されている。

【0003】

ＵＤシートは、通常、ロール体から繰り出された強化繊維に、樹脂材料を含浸させる方法で、製造される（たとえば、特許文献１参照）。

【0004】

ＵＤシートの製造時には、クリールに複数のロール体を配置し、ロール体から強化繊維を繰り出していく。そして、１つのロール体からの強化繊維の繰り出しが終了するときには、樹脂を含浸させる強化繊維を、他のロール体から新たに繰り出す強化繊維（以下、単に「新たな強化繊維」ともいう）に切り替える。このとき、繰り出しが終了するロール体からの強化繊維（以下、単に「先行する強化繊維」ともいう）に新たな強化繊維を接続することで、新たな強化繊維にも連続的に樹脂を含浸させていく。

【0005】

強化繊維の接続方法として、特許文献２には、両端から引いても結び目が解けにくく、切断後には結び目が解けやすい等の特性を有する、繊維状材料の結び方が記載されている。

【0006】

また、特許文献３には、エア噴射により繊維同士を絡ませることで、強化繊維同士を連結する方法が記載されており、特許文献４には、当該連結方法を行うスプライサーを有する強化繊維を供給するボビンを自動で交換する装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特表２００１－５２５７４９号公報

【文献】特開２０１１－９４２４４号公報

【文献】特開２００６－５２０４３号公報

【文献】特開２００９－６６９１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＵＤシートの製造時には、強化繊維にテンションをかけながら樹脂の含浸部へと移動させる。そのため、強化繊維の切り替え時には、上記テンションでも解けない程度に強く、強化繊維同士を接続させる必要がある。特許文献２には、両端から引いても（テンションをかけても）結び目が解けにくい、強化繊維の結び方が記載されている。しかし、この結び方は煩雑であり、機械による自動化が困難であるため、作業員の手作業で強化繊維を接続しなければならない。強化繊維を手作業で接続すると、接続時に製造装置を長時間にわたって停止させる必要があるため、ＵＤシートの製造効率を向上させにくい。

【0009】

一方で、特許文献３および特許文献４には、エア噴射により繊維同士を絡ませて強化繊維を接続する方法、および当該方法を用いた強化繊維の自動切り替え装置が記載されている。しかし、エア噴射による強化繊維の接続は、比較的弱い接続であり、テンションによって解けてしまう可能性がある。

【0010】

また、ＵＤシートを製造する際には、複数のロール体から繰り出した複数本の強化繊維を横方向に並べてシート状とし、このシート状に並んだ強化繊維に樹脂を含浸させていく。そのため、特許文献３および特許文献４に記載の方法で強化繊維の切り替えを自動化させようとすると、同時に強化繊維を繰り出すロール体の数と同数の切り替え装置を容易する必要があり、実用的ではない。

【0011】

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、比較的簡易な構成で、強化繊維の切り替え時に前後の強化繊維を接続できる、強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置、および当該装置を用いたおよび繊維強化樹脂の製造方法を提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するための本発明の一実施形態に関する強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置は、強化繊維に樹脂を含浸させる含浸部と、前記含浸部よりも上流側で、前記強化繊維を、先行する強化繊維から新たな強化繊維に切り替える切替装置と、を有する。前記切替装置は、前記強化繊維の切り替え時に、前記先行する強化繊維および前記新たな強化繊維を経糸とし、他の繊維を緯糸とする織物を形成して、前記新たな強化繊維と前記先行する強化繊維とを接続する。

【0013】

また、上記課題を解決するための本発明の他の実施形態に関する強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造方法は、前記繊維強化樹脂の製造装置を用いて、強化繊維を切り替えながら繊維強化樹脂を製造する。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、比較的簡易な構成で、強化繊維の切り替え時に前後の強化繊維を接続できる、強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置、および当該装置を用いたおよび繊維強化樹脂の製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に関する強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置の例示的な構成を示す模式図である。

【図2】図２は、合一部において強化繊維が合一される様子を示す模式図である。

【図3】図３Ａ～図３Ｄは、切替装置が、保持部が保持する強化繊維を、新たな強化繊維に切り替える様子を示す模式図である。

【図4】図４Ａは、切り替え前の合一部を示す模式図であり、図４Ｂは、切り替え後の合一部を示す模式図である。

【図5】図５は、強化繊維が織物を形成した部位を除去する除去部を有する強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置の例示的な構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、本発明の一実施形態に関する強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置の例示的な構成を示す模式図である。

【0017】

強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置１００は、給糸部１１０、ガイド路１２０、切替装置１３０ａおよび切替装置１３０ｂ、アキューム１４０、含浸部１５０、ならびに巻取部１６０を有する。

【0018】

給糸部１１０は、含浸部１５０において樹脂を含浸されて繊維強化樹脂を構成することになる強化繊維を、供給する。本実施形態において、給糸部１１０は、複数のスピンドル１１２が配置されたクリール１１４であって、それぞれのスピンドル１１２には、強化繊維２００が巻き付けられたボビン１１６が回転可能に設置されている。

【0019】

本実施形態において、強化繊維２００は炭素繊維である。ただし、強化繊維２００は、ガラス繊維およびアラミド繊維などの、繊維強化樹脂に用いられるいかなる繊維であってもよい。

【0020】

ガイド路１２０は、給糸部１１０から供給された強化繊維２００を、切替装置１３０、アキューム１４０、含浸部１５０および巻取部１６０の各構成部に、この順番で導く。ガイド路１２０は、複数のガイドロール１２２、および強化繊維２００を挟んで対向する２つのロールにより構成されるフィーダー１２４を有する。フィーダー１２４を構成する２つのロールが、互いに逆方向かつ強化繊維を挟み込むように回転することにより、ガイドロール１２２により構成された移動経路上に、強化繊維２００を移動させる。

【0021】

ボビン１１６から強化繊維２００が連続的に繰り出され、フィーダー１２４により移動させられることにより、ガイド路１２０上には、途切れることなく強化繊維２００が移動し続ける。

【0022】

このとき、フィーダー１２４は、強化繊維２００に所定のテンションを付与する。上記テンションにより、強化繊維は移動方向に直線状に配向する。この状態で含浸部１５０において樹脂を含浸されることにより、一方向に配向して配列された複数の強化繊維２００と、強化繊維２００に含浸されたマトリクス樹脂と、を有するＵＤシートが製造される。

【0023】

本実施形態において、ガイド路１２０は、２つのフィーダー１２４ａおよびフィーダー１２４ｂを有する。フィーダー１２４ａは、強化繊維２００の移動方向における切替装置１３０の下流側、かつアキューム１４０の上流側に配置され、給糸部１１０から繰り出されて切替装置１３０を通過するまでの、強化繊維２００の移動速度を調整する。フィーダー１２４ｂは、強化繊維２００の移動方向における含浸部１５０の下流側、かつ巻取部１６０の上流側に配置され、含浸部１５０を通過する強化繊維２００の移動速度を調整する。フィーダー１２４ｂによる強化繊維２００の移動速度が、製造装置１００による繊維強化樹脂の製造速度を規定する。

【0024】

また、本実施形態において、ガイド路１２０は、互いに異なるボビン１１６ａおよびボビン１１６ｂからそれぞれ繰り出された強化繊維２００ａおよび強化繊維２００ｂを、互いに異なる位置で保持する複数の保持部１２６ａおよび保持部１２６ｂを有する。さらに、ガイド路１２０は、保持部１２６ａおよび保持部１２６ｂのそれぞれが保持する強化繊維２００ａおよび強化繊維２００ｂを合一させる、合一部１２８を有する。そして、ガイド路１２０は、合一部１２８において合一された強化繊維２００を、アキューム１４０および含浸部１５０へと導く。

【0025】

図２は、合一部１２８において強化繊維２００ａおよび強化繊維２００ｂが合一される様子を示す模式図である。本実施形態において、保持部１２６ａは、複数のボビン１１６ａから繰り出された複数の強化繊維２００ａ（図２では、５つのボビン１１６ａから繰り出された５本の強化繊維２００ａ）を、合一部１２８に導入する。また、保持部１２６ｂは、複数のボビン１１６ｂから繰り出された複数の強化繊維２００ｂ（図２では、５つのボビン１１６ｂから繰り出された５本の強化繊維２００ｂ）を、合一部１２８に導入する。なお、図２中では、１つのボビン１１６から繰り出された強化繊維２００をまとめて１本の強化繊維として記載しているが、実際は、それぞれの強化繊維２００は、複数の単繊維が集合して結束材により結束された、単繊維の束（トウ）である。本明細書では、理解を容易にするため、１本１本のトウを１本の強化繊維２００として表している。

【0026】

保持部１２６ａおよび保持部１２６ｂはいずれも、複数の強化繊維２００を、互いに間隔を空けて保持している。そして、合一部１２８は、保持部１２６ａが保持していた強化繊維２００ａ間の間隔に、保持部１２６ｂが保持していた強化繊維２００ｂのうち１本を配置する。そして、合一部１２８は、保持部１２６ａが保持していた強化繊維２００ａと、保持部１２６ｂが保持していた強化繊維２００ｂとを、互い違いに配置して、一対のロール１２８ａおよびロール１２８ｂにより厚み方向に加圧することで、これらの強化繊維２００をシート状に配列させつつ、合一させる。これにより、複数のボビン１１６から繰り出された複数の強化繊維２００を、隙間なく平面状（シート状）に配列させることができる。なお、このとき、隣り合う強化繊維２００の端部同士がわずかに重なるように配置することで、強化繊維２００の間の隙間をさらに生じにくくしてもよい。また、これにより、複数のボビン１１６から繰り出された複数の強化繊維２００を、より均等に配置することができ、開繊時の繊維の干渉による、製造されるＵＤシート内で繊維が不均一に配置されることによるＵＤシートの物性のばらつきを抑制することもできる。

【0027】

切替装置１３０ａおよび切替装置１３０ｂは、それぞれの保持部に配置され、それぞれの保持部が保持する強化繊維を、先行する強化繊維から新たな強化繊維に切り替える。

【0028】

切替装置１３０ａおよび切替装置１３０ｂによる強化繊維２００の切り替えは、ボビン１１６ａから繰り出すことができる、強化繊維２００ａの残量が少なくなってきたときに、行う。強化繊維２００ａの残量が少なくなってきたか否かは、ボビン１１６ａから繰り出した強化繊維２００ａの量をもとに判断してもよいし、ボビン１１６ａに巻かれている強化繊維２００ａの量を測定（たとえば巻かれている厚みなどの測定）したり、強化繊維２００ａに予め付してある、残量が少ないことを示すマークを、繰り出された強化繊維２００ａから読み取ったりして、判断してもよい。

【0029】

図３Ａ～図３Ｄは、切替装置１３０ａが、保持部１２６ａが保持する強化繊維２１０を、新たな強化繊維２２０に切り替える様子を示す模式図である。

【0030】

図３Ａは、切り替え前の切替装置１３０ａを示す模式図である。切替装置１３０ａは、２つのヘルドフレーム１３１０およびヘルドフレーム１３２０を有する。ヘルドフレーム１３１０およびヘルドフレーム１３２０はそれぞれ、複数のヘルド１３３０（第一のヘルド）および複数のヘルド１３４０（第二のヘルド）を有し、これら複数のヘルド１３３０のそれぞれに強化繊維２００ａ（先行する強化繊維２１０）を通過させて、強化繊維２００ａを保持する。製造装置１００の稼働時には、図３Ａに示すように、１つのヘルドフレーム１３１０が有するヘルド１３３０のみに強化繊維２００ａを通過させている。また、本実施形態では、１つのヘルド１３３０には、１つのボビン１１６ａから繰り出された強化繊維２００ａのみを通過させているが、１つのヘルド１３３０に複数のボビン１１６ａから繰り出された強化繊維２００ａを通過させてもよい。

【0031】

図３Ｂおよび図３Ｃは、樹脂を含浸させる強化繊維を、新たな強化繊維に切り替えるときの、切替装置１３０ａを示す模式図である。図３Ｂは、ボビン１１６ａから繰り出すことができる、ヘルドフレーム１３１０を通過する強化繊維２００ａ（先行する強化繊維２１０）の残量が少なくなってきたときの、切替装置１３０ａの動作を示す。図３Ｂにおいて、把持部１３６０が、強化繊維を繰り出していないボビン１１６ａに巻かれている強化繊維２００ａ（新たな強化繊維２２０）の端部を把持して、先行する強化繊維２１０が通過していない別のヘルドフレーム１３２０へと導く。そして、新たな強化繊維２２０に、別のヘルドフレーム１３２０のヘルド１３４０を通過させる。この状態で、ボビン１１６ａから新たな強化繊維２２０を繰り出し続け、次々に繰り出された新たな強化繊維２２０の後続する部分にもヘルド１３４０を通過させ続ける。

【0032】

このとき、ヘルドフレーム１３１０が有するヘルド１３３０には、先行する強化繊維２１０が通過し続けている。

【0033】

この状態で、図３Ｃに示すように、ヘルドフレーム１３１０およびヘルドフレーム１３２０を互い違いに上下移動させ、これらが有する複数のヘルド１３３０および複数のヘルド１３４０を互い違いに上下移動させる。そして、ヘルド１３３０およびヘルド１３４０の上下移動により上下方向の位置が変化する、先行する強化繊維２１０および新たな強化繊維２２０の間に、これらの強化繊維が移動する方向に略直交する横方向に、緯入れ機構１３５０から、他の繊維２３０を通過させる。上記上下移動と、他の繊維２３０の通過とを繰り替えることにより、先行する強化繊維２１０および新たな強化繊維２２０を経糸とし、他の繊維２３０を緯糸とする織物部２４０が形成される。

【0034】

緯入れ機構１３５０が先行する強化繊維２１０と新たな強化繊維２２０との間に他の繊維２３０を通過させる方法は特に限定されない。たとえば、他の繊維２３０を保持するシャトルに先行する強化繊維２１０と新たな強化繊維２２０との間を通過させてもよいし、グリッパおよびレピアなどの公知の緯入れ方法を用いてもよいし、ウォータージェットおよびエアジェットなどの方法を用いてもよい。

【0035】

このとき形成される織物部２４０は、製造装置１００により強化繊維２００に付与されるテンションによっても、先行する強化繊維２１０と新たな強化繊維２２０とが容易にほどけない程度の強度を有すればよい。たとえば、通常、製造装置は１０００ｃＮ程度のテンションを強化繊維２００に付与するので、織物部２４０は、１０００ｃＮのテンションを強化繊維の長さ方向に付与されてもほどけない程度の強度を有すればよい。

【0036】

上記観点から、他の繊維２３０を通過させる回数（織物部２４０における緯糸の本数）は、５回以上とすることが好ましく、１０回以上とすることが好ましく、１５回以上とすることがより好ましい。また、製造されたＵＤシートから除去されることになる織物部２４０の長さを短くする観点からは、他の繊維２３０を通過させる回数は１００回以下とすることが好ましく、８０回以下とすることがより好ましく、５０回以下とすることがさらに好ましい。

【0037】

他の繊維２３０の、強化繊維２００の移動方向における幅は、特に制限されないが、製造されたＵＤシートから除去されることになる織物部２４０の長さを短くする観点からは、０．０１ｍｍ～１００ｍｍとすることが好ましく、０．０５ｍｍ～８０ｍｍとすることがより好ましく、０．１ｍｍ～６０ｍｍとすることがさらに好ましい。

【0038】

また、不図示の筬により、緯糸である他の繊維２３０を隙間なく配列させてもよいが、上記ほどけない程度の強度が確保される等の場合には、筬による配列は不要である。つまり、織物部２４０は、隣り合う他の繊維２３０の間に生じた隙間を有していてもよい。

【0039】

他の繊維２３０は、先行する強化繊維２１０および新たな強化繊維２２０と同じ材料からなる強化繊維であってもよいし、これらとは異なる材料からなる強化繊維であってもよいし、他の繊維であってもよい。たとえば、他の繊維２３０がこれらと同じ材料からなる強化繊維であるとき、樹脂に含浸させる強化繊維を製造または加工する際に生じた比較的短い余剰繊維を他の繊維２３０として使用することができ、通常であれば廃棄する上記余剰繊維の再利用を図ることができる。また、他の繊維２３０がこれらとは異なる材料からなる強化繊維であるとき、比較的安価な強化繊維を他の繊維２３０とすることで、製造コストの増大を抑制することができる。なお、他の繊維２３０がこれらとは異なる材料からなる強化繊維であるとき、他の繊維２３０は、樹脂を高温で溶融させている含浸部１５０における樹脂の温度でも溶融または軟化による織物部２４０のほどけが生じない程度の耐熱性を有することが好ましい。上記他の繊維の例には、ナイロン繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維などの合成繊維および天然繊維などが含まれる。これらのうち、織物部２４０の強度を向上させて意図せぬ織物の断裂を防止する観点から、強化繊維が好ましく、炭素繊維がより好ましい。

【0040】

このようにして、切替装置１３０ａは、先行する強化繊維２１０と新たな強化繊維２２０とを、織物部２４０の形成により接続する。図３Ｄは、切り替え後の切替装置１３０ａを示す模式図である。織物部２４０の形成後、先行する強化繊維２１０を切断して繰り出しを停止することにより、新たな強化繊維２２０のみが繰り出されて含浸部１５０へと送られるようになる。そして、このとき送られる新たな強化繊維２２０は、織物部２４０により先行する強化繊維２１０に接続されているので、製造装置１００を停止することなく、強化繊維を切り替えながら連続してのＵＤシートの製造が可能である。

【0041】

ここまで、一方の切替装置１３０ａにおける強化繊維の切り替えについて説明したが、本実施形態では、他方の切替装置１３０ｂでも、同様に織物部を形成しての先行する強化繊維から新たな強化繊維への切り替えが同時に行われる。そして、切り替え後の新たな強化繊維同士を合一部１２８でシート状に配列させつつ、合一させる。

【0042】

ところで、切替装置１３０は、互いに間隔を空けて移動している複数の先行する強化繊維２１０の、隣り合う強化繊維の間に、新たな強化繊維２２０を配置して、織物部２４０を形成する。そして、切り替え後には、先行する強化繊維２１０の繊維間の隙間に相当する位置に、新たな強化繊維２２０を移動させる。本実施形態では、２つの切替装置１３０ａおよび切替装置１３０ｂがそれぞれ、先行する強化繊維２１０が移動する位置と新たな強化繊維２２０が移動する位置とを入れ替える。そのため、切り替え前の合一部を示す図４Ａ、および切り替え後の合一部を示す図４Ｂに示されるように、合一部１２８では、切り替えの前後で、切替装置１３０ａ（保持部１２６ａ）から受け取る強化繊維２１０および切替装置１３０ｂ（保持部１２６ｂ）から受け取る強化繊維２２０の位置を入れ替えるように変更される。

【0043】

製造装置１００は、切替装置１３０が強化繊維２００を切り替えるときに、給糸部１１０から、切替装置１３０ａおよび切替装置１３０ｂの下流側かつアキューム１４０の上流側に配置されたフィーダー１２４ａにより、給糸部１１０から繰り出されて切替装置１３０を通過するまでの、強化繊維２００の移動速度を遅くしてもよい。この範囲における強化繊維２００の移動速度を遅くすることで、緯糸である他の繊維２３０がより密に配置された織物部２４０を形成することができ、織物部２４０の強度をより高めることができる。

【0044】

このとき、アキューム１４０は、強化繊維２００の移動経路の長さを調整して、含浸部１５０における強化繊維の移動速度（アキューム１４０から巻取部１６０までの間における強化繊維の移動速度）を、切り替えをしないときと同じ速度に保つ。

【0045】

つまり、アキューム１４０は、強化繊維２００の移動経路の長さを変更して、アキューム１４０を通過する強化繊維２００の長さ（量）を変更できる構成を有する。そして、強化繊維２００の切り替えをしないときに、アキューム１４０における強化繊維２００の移動経路を長くしてアキューム１４０を通過する強化繊維２００の長さ（量）を多くし、切替装置１３０が強化繊維２００の切り替えをするときに、上記アキューム１４０を通過する強化繊維２００の長さ（量）を少なくしていく。これにより、切替装置１３０における強化繊維２００の通過速度を遅くしたときにも、アキューム１４０から含浸部１５０へと送られる強化繊維２００の量を一定に保つことができる。言い換えると、アキューム１４０は、強化繊維２００の切り替えをしないときに、強化繊維２００を蓄積しておき、切替装置１３０が強化繊維２００の切り替えをするときに、蓄積した強化繊維２００を少しずつ放出することで、アキューム１４０から含浸部１５０へと送られる強化繊維２００の量を一定に保つことができる。

【0046】

含浸部１５０は、強化繊維２００を開繊して、強化繊維２００に樹脂（熱可塑性樹脂）を含浸する。

【0047】

含浸部１５０では、まず、開繊ローラー１５２の表面に沿って強化繊維２００を移動させ、開繊ローラー１５２に強化繊維２００を擦過させて強化繊維２００を開繊する。次に、開繊された強化繊維２００を含浸ローラー１５４に導き、含浸ローラー１５４の表面に沿って移動させる。含浸ローラー１５４の表面には、押出機１５６から押出された溶融した樹脂１５８が付着して回転移動しており、強化繊維２００と含浸ローラー１５４の表面とが接触することにより、強化繊維２００に樹脂１５８が含浸する。

【0048】

なお、樹脂の開繊方法および含浸方法は上記方法に限定されない。たとえば、開繊時に、強化繊維２００を複数の開繊ローラーに擦過させてもよいし、開繊時に強化繊維２００に振動を付与してもよい。また、開繊時に、樹脂１５８を含浸させやすくするためのサイジング剤を強化繊維２００に付与してもよい。また、含浸時に、溶融した樹脂の浴に強化繊維を浸漬させるなどの方法で、強化繊維２００に樹脂を含浸させてもよい。

【0049】

ところで、製造されたＵＤシートにおいて、強化繊維２００の接続部である織物部２４０は、強化繊維が一方向に配向して配列されているというＵＤシートの特性を有さない部位である。そのため、製造時または製造後に、織物部２４０に相当する部位をＵＤシートから切断して除去してもよい。

【0050】

上記観点から、製造装置１００は、強化繊維２００が織物を形成した部位（織物部２４０に樹脂が含浸されてなる部位）を除去する除去部を有してもよい。

【0051】

たとえば、図５に示すように、強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置３００は、含浸部１５０の下流側に、強化繊維２００に樹脂が含浸されてなる複合体の厚みを測定する厚み測定部３１０と、複合体を切断する切断部３２０と、を有してもよい。なお、製造装置３００の含浸部１５０より上流側の構成は図１に示した製造装置１００と同様とし得るため、図５には、含浸部１５０より下流側の構成のみを示す。また、厚みの測定および切断をされる複合体は、含浸された樹脂が冷却固化したＵＤシートであってもよいし、冷却固化する前の複合体であってもよい。

【0052】

厚み測定部３１０は、樹脂を含浸した後の複合体の厚みを測定する。強化繊維２００が織物を形成した部位は、織物部２４０により厚みが増大しているため、先行する強化繊維２１０および新たな強化繊維２２０に他の繊維２３０が織り重なって織物部２４０を形成しているため、他の部位に比べて複合体の厚みが大きくなっている。そのため、厚み測定部３１０により測定された厚みが大きい部位は、複合体のうち、強化繊維２００が織物を形成した部位であると判断することができる。

【0053】

切断部３２０は、厚み測定部３１０により測定された厚みが大きく、強化繊維２００が織物を形成した部位であると判断される部位の前後で、複合体を切断する。これにより、強化繊維２００が織物を形成した部位を複合体から除去することができる。

【0054】

なお、把持部１３６０により把持された新たな強化繊維２２０の先端部は、織物部２４０を形成していない。同様に、先行する強化繊維２１０の後端部も、織物部２４０を形成していない。そのため、切断部３２０は、これらの織物部２４０を形成していない新たな強化繊維２２０または先行する強化繊維２１０の部位も含めて、複合体から除去してもよい。たとえば、切断部３２０は、織物部２４０に相当する部位を含めて、強化繊維２００の移動方向に沿って上流側および下流側に、織物部２４０の長さよりも長く、かつ織物部２４０の長さと同じ長さ（好ましくは織物部２４０の長さの半分の長さ）よりも短い部位を、複合体から除去してもよい。

【0055】

上記部位を除去されたＵＤシートは、シート状のＵＤシートとして回収部３３０に回収される。なお、本実施形態において、回収部３３０にはＵＤシートを複数積み上げて回収するが、ロール状にして回収してもよい。

【0056】

なお、強化繊維２００が織物を形成した部位の除去方法は上記切断に限定されることはなく、たとえば打ち抜き加工等によって上記部位を除去してもよい。

【0057】

また、上記部位の判断方法は、複合体の厚みから判断する方法に限定されることはなく、たとえば所定の長さ（ボビン１個分の長さ）の強化繊維２００に樹脂を含浸した時点で除去を行ってもよいし、あるいは切替装置１３０ａおよび切替装置１３０ｂにおいて強化繊維の接続を行った旨の信号に基づいて行ってもよい。

【0058】

［材料等］
上記強化繊維の材料は、特に限定されない。たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、および金属繊維などを、上記強化繊維として用いることができる。

【0059】

上記強化繊維は、強化繊維による強度の向上効果を十分に高める観点からは、平均直径が１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。

【0060】

また、上記強化繊維は、サイジング剤によりサイジング処理されていてもよい。

【0061】

上記サイジング剤は特に限定されないが、変性ポリオレフィンが好ましく、特には、カルボン酸金属塩を含む変性ポリオレフィンであることがより好ましい。上記変性ポリオレフィンは、たとえば、未変性ポリオレフィンの重合体鎖に、カルボン酸基、カルボン酸無水物基またはカルボン酸エステル基をグラフト導入し、かつ上記官能基と金属カチオンとの間で塩を形成させたものである。

【0062】

上記未変性ポリオレフィンは、エチレンに由来する構成単位の含有量が５０モル％以上であるエチレン系重合体、またはプロピレンに由来する構成単位の含有量が５０モル％以上であるプロピレン系重合体であることが好ましい。上記エチレン系重合体の例には、エチレン単独重合体、およびエチレンと炭素原子数３以上１０以下のα－オレフィンとの共重合体が含まれる。上記プロピレン系重合体の例には、プロピレン単独重合体、およびプロピレンとエチレンまたは炭素原子数４以上１０以下のα－オレフィンとの共重合体が含まれる。上記未変性ポリオレフィンは、ホモポリプロピレン、ホモポリエチレン、エチレン・プロピレン共重合体、プロピレン・１－ブテン共重合体、またはエチレン・プロピレン・１－ブテン共重合体であることが好ましい。

【0063】

また、上記強化繊維は、集束されて繊維束となっていてもよい。このとき集束された強化繊維束あたりの単糸数は、１００本以上１００，０００本以下であることが好ましく、１，０００本以上５０，０００本以下であることがより好ましい。

【0064】

上記マトリクス樹脂の材料は、特に限定されず、熱可塑性樹脂であっても熱硬化性樹脂であってもよい。上記熱可塑性樹脂の例には、ポリプロピレン系樹脂およびポリエチレン系樹脂などを含むポリオレフィン系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ならびにポリスルホン樹脂などが含まれる。これらのうち、ポリプロピレン系樹脂およびポリアミド系樹脂が好ましい。また、上記サイジング剤によりサイジング処理された強化繊維との親和性を高める観点から、上記マトリクス樹脂は、上述した変性ポリオレフィンを含んでいてもよい。

【0065】

［その他の実施形態］
なお、上述の各実施形態はそれぞれ本発明の一例を示すものであり、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において、他の種々多様な各実施形態も可能であることは言うまでもない。

【0066】

たとえば、上述の各実施形態では、先行する強化繊維２１０と新たな強化繊維２２０とは同じ材料からなる強化繊維である例を示したが、先行する強化繊維２１０と新たな強化繊維２２０とは異なる材料からなる強化繊維でもよい。

【0067】

また、上述の各実施形態では、２つの保持部のそれぞれが切替装置を有する例を示したが、３つ以上の保持部のそれぞれが切替装置を有していて、合一部でこれらの保持部からの強化繊維を合一してもよいし、１つの保持部に１つの切替装置が配置されて、合一部を有さない構成であってもよい。

【0068】

また、上述の各実施形態で繰り出していた強化繊維は、ＵＤシートの製造に用いるのみならず、たとえば切断（チョップ）してマトリクス樹脂と混錬し、強化繊維がランダムに配向および配置された繊維強化樹脂の製造に用いてもよい。

【0069】

上記製造装置により製造されたＵＤシートは、インストルメントパネル、ドアビーム、アンダーカバー、ランプハウジング、ペダルハウジング、ラジエータサポート、スペアタイヤカバー、およびフロントエンドなどの各種モジュールなどを含む自動車部品、ノートパソコン、携帯電話、デジタルスチルカメラ、ＰＤＡ、およびプラズマディスプレーなどを含む電気・電子部品、ならびに、電話、ファクシミリ、ＶＴＲ、コピー機、テレビ、電子レンジ、音響機器、トイレタリー用品、レーザーディスク（登録商標）、冷蔵庫、エアコンなどを家庭・事務電気製品部品などに用いることができる。また、ＵＤシートをさらに成形して、パイプおよび圧力容器などに用いることもできる。

【0070】

上記用途の具体例には、主翼、垂直および水平尾翼などを含む一次構造材、補助翼、方向舵および昇降舵などを含む二次構造材、座席およびテーブルなどを含む内装材、動力装置、油圧シリンダー、ならびにコンポジットブレーキなどを含む、航空機およびヘリコプターなどの一般的な飛行体の部品部材、ノズルコーンおよびモーターケースなどを含むロケット部品部材、アンテナ、構造体、太陽電池パネル、バッテリーケースおよび望遠鏡などを含む人工衛星部品部材、フレーム、シャフト、ローラー、板バネ、工作機械ヘッド、ロボットアーム、搬送ハンドおよび合成繊維ポットなどを含む機械部品部材、遠心分離機ローターおよびウラン濃縮筒などを含む高速回転体部品部材、パラボラアンテナ、電池部材、レーダー、音響スピーカーコーン、コンピューター部品、プリンター部品、パソコン筐体およびタブレット筐体などを含む電子電機部品部材、骨格部品、準構造部品、外板部品、内外装部品、動力装置、他機器－油圧シリンダー、ブレーキ、バッテリーケース、ドライブシャフト、エンジンパーツ、スポイラー、レーシングカーボディー、クラッシュコーン、イス、タブレット、電話カバー、アンダーカバー、サイドカバー、トランスミッションカバー、バッテリートレイ、リアステップ、スペアタイア容器、バス車体壁およびトラック車体壁などを含む自動車・バイク部品部材、内装材、床板パネル、天井パネル、リニアモーターカー車体、新幹線・鉄道車体、窓拭きワイパー、台車および座席などを含む車両部品部材、ヨット、クルーザーおよびボートなどを含む船舶船体、マスト、ラダー、プロペラ、硬帆、スクリュー、軍用艦胴体、潜水艦胴体および深海探査船などを含む船舶部品部材・機体、アクチュエーター、シリンダー、ボンベ、水素タンク、ＣＮＧタンクおよび酸素タンクなどを含む圧力容器部品部材、攪拌翼、パイプ、タンク、ピットフロアーおよびプラント配管などを含む科学装置部品・部材、ブレード、スキン、骨格構造および除氷システムなどを含む風力発電部品部材、Ｘ線診断装置部品、車椅子、人工骨、義足・義手、松葉杖、介護補助器具・ロボット（パワーアシストスーツ）、歩行機および介護用ベッドなどを含む医療・介護機器部品部材・用品、ＣＦコンポジットケーブル、コンクリート補強部材、ガードレール、橋梁、トンネル壁、フード、ケーブル、テンションロッド、ストランドロッドおよびフレキシブルパイプなどを含む土木建築・インフラ部品部材、マリンライザー、フレキシブルジャンパー、フレキシブルライザーおよびドリリングライザーなどを含む海底油田採掘用部品部材、釣竿、リール、ゴルフクラブ、テニスラケット、バドミントンラケット、スキー板、ストック、スノーボード、アイスホッケースティック、スノーモービル、弓具、剣道竹刀、野球バット、水泳飛び込み台、障害者用スポーツ用品およびスポーツヘルメットなどを含むスポーツ・レジャー用品。）フレーム、ディスクホイール、リム、ハンドルおよびサドルなどを含む自転車部品、メガネ、鞄、洋傘およびボールペンなどを含む生活用品、ならびに、プラスチックパレット、コンテナ、物流資材、樹脂型、家具、洋傘、ヘルメット、パイプ、足場板、安全靴、プロテクター、燃料電池カバー、ドローンブレード、フレーム、ジグおよびジグフレームなどを含むその他産業用途の部品部材・用品などが含まれる。

【0071】

本出願は、２０２１年３月２６日出願の日本国出願番号２０２１－０５３３８４号に基づく優先権を主張する出願であり、当該出願の特許請求の範囲、明細書および図面に記載された内容は本出願に援用される。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明に関する強化繊維が一方向に配向して配列された繊維強化樹脂の製造装置は、比較的簡易な構成で、強化繊維の切り替え時に前後の強化繊維を接続できる。そのため、本発明は、繊維強化樹脂の連続製造をより容易にして、繊維強化樹脂、特にはＵＤシートを使用する各種分野の発展に寄与すると期待される。

【符号の説明】

【0073】

１００、３００ 繊維強化樹脂の製造装置
１１０ 給糸部
１１２ スピンドル
１１４ クリール
１１６、１１６ａ、１１６ｂ ボビン
１２０ ガイド路
１２２ ガイドロール
１２４、１２４ａ、１２４ｂ フィーダー
１２６ａ、１２６ｂ 保持部
１２８ 合一部
１２８ａ、１２８ｂ ロール
１３０ａ、１３０ｂ 切替装置
１４０ アキューム
１５０ 含浸部
１５２ 開繊ローラー
１５４ 含浸ローラー
１５６ 押出機
１５８ 溶融した樹脂
１６０ 巻取部
２００、２００ａ、２００ｂ 強化繊維
２１０ 先行する強化繊維
２２０ 新たな強化繊維
３１０ 厚み測定部
３２０ 切断部
３３０ 回収部
１３１０、１３２０ ヘルドフレーム
１３３０、１３４０ ヘルド
１３５０ 緯入れ機構
１３６０ 把持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】