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JP4187279B2 - Manufacturing method of filament winding molded product - Google Patents
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、繊維強化複合材料成形品をフィラメントワインディングにて製造する方法の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
フィラメントワインディング成形品の製造方法には、樹脂が含浸されていない強化繊維トウをフィラメントワインディング成形機に供給し、インラインにて樹脂を含浸した後マンドレルに巻き取る方法と、オフラインにて樹脂を含浸された強化繊維トウをフィラメントワインディング成形機に供給し、マンドレルに巻き取る方法がある。
【0003】
特に前者の方法に於いては、温度を制御されたレジンバスと呼ばれる樹脂浴槽中に強化繊維トウを通過させ、該強化繊維トウに付着した余剰樹脂をドクターブレードやニップロール等により掻き落とし、その後数本のフラットロール類にて樹脂含浸を促進し、最終的にマンドレル上に巻き付け成形する方法や、レジンバス内の樹脂に接するように設置された転写ロールに該樹脂を転写させ、転写樹脂をドクターブレード等により樹脂量調整し、この後強化繊維トウに量調整された転写樹脂を再度転写し、その後数本のフラットロール類にて樹脂含浸を促進し、最終的にマンドレル上に巻き付け成形する方法が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記フィラメントワインディング成形品の製造方法で用いられる強化繊維トウにおいて、インラインにて樹脂を含浸する場合、マンドレルへの巻き付け速度の変動と共に長手方向の樹脂含有量の変動が発生するため、フィラメントワインディング成形品内部に樹脂過剰部や樹脂不足部が存在しやすくなる。
【0005】
また、常温液体樹脂では問題はないが、ホットメルト樹脂を用いる場合従来の方法では樹脂のステージアップが問題となり、また、フィラメントワインディング巻き付け速度に対する強化繊維トウへの樹脂含浸速度に関していえば、従来の方法に於いては、数本のフラットロール類による含浸の速度は転写樹脂の予備加熱、強化繊維トウ張力により発生する加圧条件、および熱硬化性樹脂であれば樹脂のライフとの兼ね合いで決定され、単に加熱低粘度化すれば良いというわけではなく、含浸させる工程の長さ等の問題もあり、生産速度の向上には樹脂含浸速度による限界があった。
【0006】
また溶剤を用いる場合に於いては、溶剤で低粘度化して含浸した後、溶剤を揮発させて製造する方法が以前からおこなわれてきたが、この方法では溶剤の揮発による環境問題やフィラメントワインディング成形後の加熱時の溶剤が発泡するために発生するボイドが問題であった。
【0007】
更にオフラインにて樹脂を含浸された強化繊維トウをフィラメントワインディング成形機に供給する場合、供給された樹脂含有強化繊維トウの取扱性を良好とする様々な工夫、例えば樹脂及び樹脂粘度の適正化、セパレートフィルムの装着等を行う必要があり、フィラメントワインディング成形機へ供給する前工程が複雑化し、使用樹脂の種類にも制限があった。
【0008】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、効率的に樹脂を均一含浸して、生産性よく良好なフィラメントワインディング成形品を製造し得る方法を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、扁平にした強化繊維からなるトウの少なくとも片面に樹脂を一定比率で供給し、トウに接触させると同時にあるいは直後にトウの厚さ方向に樹脂を浸透させ、トウ幅を狭める作用を有する手段とトウ幅を広げる作用を有する手段とを併用するトウ構成フィラメントの横方向移動によりトウ内に樹脂を均一に含浸させた後、マンドレル上に巻き付けて成形することを特徴とするフィラメントワインディング成形品の製造方法によって上記課題を解決するものである。
【0010】
本発明における強化繊維とは、長繊維からなる強化繊維(束)で無機繊維、有機繊維、金属繊維またはそれらの混合からなる繊維である。無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などが良い。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン、ポリエステル等の有機繊維が良い。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維で移動性があれば使用可能である。
【0011】
繊維の直径は0.1μm以上100μm以下のものが好ましい。0.1μm未満では強度が小さくなり、横方向の移動を起こす際に切断する虞がある。また100μmを越えると剛直になりすぎて横方向の移動が困難になる。
【0012】
樹脂としては、一般に繊維強化複合材料に用いられる熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂が用いられるが、加熱低粘度化できる熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂,フェノール樹脂,ビニルエステル樹脂,エポキシアクリレート樹脂,ウレタンアクリレート樹脂,フェノキシ樹脂,アルキド樹脂,ウレタン樹脂などが使用できるが、実用的な面から言えばエポキシ樹脂,フェノール樹脂が好適である。熱可塑性樹脂としては、PEEK,PEI,ポリアリレート,ポリスルフォン,等の超エンジニアリングプラスチック、またナイロン,ポリエステル,ABSなどのエンジニアプラスチック、さらにアクリル樹脂,ポリエチレン樹脂,ポリプロピレン樹脂などの汎用プラスチックが使用できる。
【0013】
これらの樹脂に必要な性状としては、含浸時における温度で流動性を有していることである。流動性の尺度としての粘度の範囲としては1CPS(センチポアズ)以上100万CPS以下が好ましい。更に含浸時の粘度は小さければ小さいほどよく1CPS以上1万CPS以下が理想的である。なぜなら、以下で説明するフィラメント移動の含浸作用でフィラメントの移動及びそれにともなう樹脂移動を容易にするよう、少なくともフィラメント易動性は高くなければならない為である。すなわち粘度を小さくしてフィラメント移動抵抗を小さくすることが必要である。粘度レベルにおいて1CPS未満の樹脂はほとんど存在しない。100万CPSを越えると粘度が高くフィラメント移動およびそれにともなう樹脂の移動がほとんど不可能である。また、フィラー等の添加材の有無は、含浸時に樹脂の流動性があれば問題はない。
【0014】
トウは扁平であることが樹脂との接触面積を広くするため望ましく、またトウ幅を一定幅にすることは、定量供給した樹脂との接触面積を一定にする意味で重要である。一般的に強化繊維トウは一定幅になっていないので拡幅する必要がある。拡幅させる方法としては、円筒バーで擦過させる、振動を加える、押しつぶす等の工程が使用可能である。樹脂がトウに接触する前にトウは扁平拡幅されていればよく、そのためには本発明の製造プロセスにおいて、インラインまたはオフラインでトウに樹脂が接触するときのトウ幅以上に拡幅されていれば良い。市販されているテープ状トウは、オフラインで拡幅されたトウとみなされる。拡幅されているトウのトウ幅は安定化している訳ではなく、その広がり方にはばらつきがある。従って、樹脂接触時に樹脂との接触面積を安定化させるには、樹脂接触直前、あるいは樹脂接触時にトウ幅を狭め安定化させることが効果的である。その方法の1例として、樹脂吐出口に溝をもうける方法がトウ幅を狭めるために使用可能である。
【0015】
トウ予備加熱は、樹脂接触後トウ内浸透時に樹脂温度が低下しないように、あらかじめトウ温度を上昇させておく意味がある。予備加熱されたトウ温度は、接触前の樹脂温度以上にしておけば、トウと樹脂の接触後のトウ温度は接触前の樹脂温度より低くなることはない。加熱方法としては、加熱体直接接触加熱または通電加熱、誘電加熱、赤外線加熱、雰囲気加熱など非接触加熱法が使用可能である。
【0016】
強化繊維トウに含浸させる樹脂の含有量は10重量%以上80重量%以下が良い。10重量%未満では均一含浸しにくく、80%を越えるとフィラメントワインディング成形品の機械特性に問題が生じる。機械特性の性能を効果的に発現させるには30重量%以上50重量%以下が理想的である。
【0017】
本発明においては、樹脂とトウを接触させると同時にあるいはその直後に、トウの厚さ方向に樹脂を浸透させるのが、定量供給した樹脂をトウの中に遅滞なく浸透付着させる意味で重要である。その方法としては、樹脂を接触させたトウ面側をすばやく擦過するのが良い方法である。ここで擦過とは、擦過体たとえば円弧上あるいはエッジでトウをこすることを意味する。擦過時にトウは擦過体側に押しつけられるので必然的にトウ厚さ方向への樹脂加圧力が働く。その結果樹脂のトウ内への浸透がおこなわれる。トウは擦過体に押しつけられているので、擦過体とトウの間には隙間は存在しない。樹脂接触後の円弧上での擦過では、巻角度が1°以上90°以下が望ましい。1°未満では樹脂浸透の効果が小さく、90°を越えると擦過による抵抗で張力が大きくなるためである。
【0018】
本発明のように擦過で急激な加圧力を発生させた場合、樹脂の浸透状況は不均一となる。しかしここでは均一に含浸させることを目的にしているわけではなく、樹脂の付着を確実にすることに主眼をおいている。従って、この樹脂含浸の均一化はこの次にくる含浸工程の重要課題となる。本発明の樹脂の定量付着制御性は樹脂吐出機の吐出精度に依存し、供給した樹脂をすばやく且つ停滞無くトウ内に押し込むことにあり、クリアランス等の狭い空間にトウを通過させトウの表面に樹脂皮膜層を形成することではない。ここで擦過はトウ表面に樹脂皮膜層を形成することではなく、すばやく樹脂をトウ内に押し込む作用として働く。
【0019】
本発明の含浸工程におけるフィラメントの横方向移動とは、あえて積極的にトウのフィラメントに外的操作を加えてフィラメントの繊維方向に垂直な方向
にフィラメントを動かし、フィラメントの相対位置を変化させて樹脂とフィラメントの接触機会を増し、単に樹脂を加圧する、毛細管現象での樹脂の濡れによる含浸作用以上の含浸効果をあげることを特徴としている。単に樹脂を加圧する、毛細管現象での樹脂の濡れによる含浸作用以上の含浸効果をあげることを特徴としている。具体的には、樹脂が浸透したテープ状トウの折り畳み、トウ幅の拡大、トウ幅の縮小またはトウの加撚等が使用可能でこれらを併用すると均一含浸の効果が高まる。これらの作用によってフィラメントがトウ内で位置を変え、その結果樹脂との接触機会が増す。さらに二次的な作用として樹脂の新たな流動を引き起こし均一含浸に有利になる。また加撚によっては樹脂がトウの外側に押し出される効果を生み出す。
【0020】
これらの作用において、折り畳み、トウ幅の縮小、及び加撚はトウ幅を狭める傾向にある。従ってこれらの作用と拡幅を併用すると均一含浸の効果が高くなる。しかしこれら作用の中で併用しても均一含浸の効果は充分にある。またトウは引っ張れば集束する性質があるので、擦過作用の間隔を大きくとることでトウは自然に集束し、擦過で再度拡幅することで含浸の均一化をはかることも可能である。しかし本発明のように積極的にトウ幅を縮小する方が、短い距離でフィラメントの横方向移動を可能とするので効果的といえる。
【0021】
加撚作用は、トウの回転が起こりトウ内のフィラメント位置関係が変動する。トウの回転はこの加撚作用に属する。加撚は樹脂含浸時におこなえばよく、含浸後の中間材に撚りのない状態が必要なら、含浸後に撚り戻しをすればよい。また、仮撚りであれば撚り戻しをする必要はなく、撚りのないトウが必要な場合には最も望ましい。また、加撚と同時にあるいは直後に擦過を加えればトウ幅の広がる傾向がでてきて、更に樹脂の厚さ方向の移動のため含浸の均一性は高くなる。
【0022】
フィラメントの横方向移動の均一含浸において、ロール等回転体を用いてそれを製造速度未満の周速で回転させることは、毛羽の堆積やロールのクリーニング等にとって有用である。ここで製造速度未満の周速とは、回転体表面でトウが擦過されていればよい。そうすればトウは回転体表面で絡まりつくこともなく、また擦過され且つ回転されているので、トウと回転体の接触する面は常にクリーニングされている状態となり、製造環境の向上に有用である。回転体の周速は製造速度以下であればよく、トウの走行方向と逆方向の擦過になっても良い。
【0023】
本発明で均一含浸させたトウは溝付きロールやクリアランスを設けたロールで幅を狭めると同時に圧縮して断面形状を制御することができる。その制御位置はマンドレルへの巻き付け直前が好ましい。
【0024】
強化繊維トウに樹脂を供給し付着させる方法としては、溶融樹脂吐出機を用いるのが理想的である。プランジャー式吐出機、ギアポンプ式吐出機、エクストルーダーなどが使用可能であるが、特に超精密ギアポンプ、あるいはエクストルーダーを用いるのが定量供給精度上理想的である。熱硬化性樹脂の場合で樹脂混合後の樹脂ライフが問題になるときは、硬化剤と主剤を別々に押し出し、スタティックミキサー等で混合させながら供給すれば更に理想的である。付着の際に必要なことは、樹脂が低粘度化してトウに付着しやすくなっていることである。
【0025】
前述の溶融樹脂吐出機を用い比率一定供給を行う方法としては、例えば強化繊維トウの速度を検出して電気信号に変換し、該電気信号によるフィードバックを溶融樹脂吐出機駆動用モータにて行う方法や、あらかじめフィラメントワインディング成形機駆動用モータと溶融樹脂吐出機駆動用モータの動作内容をコンピュータにプログラムし、動作制御を行う方法等が可能であり、またこれらと同様の機能の範囲での最適な制御構成とすることは何ら差し支えない。
【0026】
本発明を図面に従って説明すると、図1は本発明に係わる製造方法の基本的な工程の一例を示す側面図である。同図において、ボビンに巻かれてある強化繊維にはテープ状トウを用いクリール1から一定張力で引き出す。引き出された強化繊維トウ2は拡幅ロール3を通過させ擦過拡幅を行う。タンク4で樹脂を加熱保持し、ギアポンプ式樹脂吐出機5で樹脂を押し出し加熱ホース6を経由して吐出口7まで供給する。そのとき拡幅したトウを吐出口で幅を狭め一定幅にして供給された樹脂と接触させる。その後樹脂浸透用擦過体8で樹脂をトウの中に浸透させる。トウ幅を狭めるため、また樹脂付着や擦過による樹脂浸透の際に樹脂が溢れ出さないようにトウ通過帯は溝状にしてある。その後トウ幅を縮小するロールと拡大するロールとを交互に配置したフィラメント横方向移動含浸部9で均一含浸させる。均一含浸済トウ10は、フィラメントワインディング成形部11において回転するマンドレル12に巻き付け管状体等の成形体とする。
【0027】
図2は、トウを構成するフィラメントの横方向移動を、トウ幅の拡大と縮小とを併用して行う手段の一例を示す側面図で、同図において、15はトウ幅を拡大するためのロールであり、16はトウ幅を縮小するためのロールであって、ロールを傾斜させることによりトウ幅を狭めることができる。
【0028】
図3は、トウを構成するフィラメントの横方向移動を、トウの加撚とトウ幅の拡大とを併用して行う手段の一例を示す側面図で、同図において、17は加撚具を示している。
【0029】
図4は、トウを構成するフィラメントの横方向移動を、トウの折り畳みとトウ幅の拡大とを併用した手段の一例を示す側面図で、同図において、トウ2は折り畳みガイド19で徐々に折り畳まれて行き、垂直に立ったロール対18で完全に折り畳まれる。
【0030】
【実施例】
以下実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
【0031】
[実施例1]
図1の製造工程でフィラメントワインディング成形品を製造した。またフィラメント横方向移動による樹脂含浸手段としては、図2に示すトウ幅の拡大と縮小とを併用して行う手段を2ユニット用いた。強化繊維は米国グラフィル社製炭素繊維TR30Gトウ1本を使用した。トウ2をトウ幅拡大ロール3で5mm以上に拡幅し、樹脂吐出口7と樹脂浸透擦過体8をあわせたノズルで4mm幅に狭めると同時にトウ2の片面に樹脂を供給して接触させ、その後樹脂浸透擦過体8で樹脂をトウ2内に浸透させた。樹脂は油化シェルエポキシ社製エピコート1001および834を50/50で混合し、その混合物にジシアンジアミドを4部混合した樹脂組成物を用いた。混合した樹脂はタンク4で65℃に保持され、ギアポンプから加熱ホース6を通して吐出口7から120℃で吐出した。
【0032】
ノズルでは樹脂接触、浸透時には樹脂の溢れだしや樹脂の停滞はなく、ギアポンプから吐出された樹脂が停滞なくトウに付着していることが確認された。その後トウ幅の縮小と拡大とによりフィラメントの横方向移動を施して樹脂を均一に含浸させた。その時の樹脂粘度は約500CPSであった。最後の含浸ロールでトウ幅を約5mm幅に拡幅した後、フィラメントワインディング成形部にてマンドレル上に巻き取り、しかる後加熱オーブンにて130℃、4時間の条件で樹脂の硬化を行ってフィラメントワインディング成形体を得た。なお上記製造工程中、オムロン社製ロータリエンコーダE6B−CWZ3C非接触式速度検出用センサーを用いて、トウ走行速度の検出を樹脂吐出用ノズル直前で行い、該速度信号を樹脂供給用ギアポンプモータへフィードバックすることにより樹脂供給量を制御した。製造速度5〜50m/minの範囲で樹脂の含浸状況は良好であった。また樹脂含有量は35%±1%の範囲内にあり高精度であった。
【0033】
[実施例2]
実施例1におけるトウ走行速度の検出及び樹脂供給用ギアポンプモータへのフィードバックに代えて、フィラメントワインディング成形用駆動部と樹脂吐出機駆動部の動作を予めプログラミングすることにより樹脂吐出量を制御した。樹脂の含浸状態は良好で樹脂含有量制御性も実施例1と同様良好であった。
【0034】
[実施例3]
トウ幅拡大ロール3を除く以外は実施例1と同様の製造工程により、米国グラフィル社製TR30GWDテープ状炭素繊維トウを用いて、樹脂系は実施例1と同じ系でフィラメントワインディング成形品の製造を行った。トウは4mm以上幅のものを、ノズルで4mmに狭めて使用した。成形品の性状は実施例1と同様であった。
【0035】
[実施例4]
実施例1の製造工程で、フィラメント横方向移動による樹脂含浸手段として図3に示すトウ加撚とトウ幅拡大を併用する手段を2ユニット使用して加撚数を10回/mに設定し、強化繊維、樹脂、及び製造条件を実施例1と同様にしてフィラメントワインディング成形品を製造した。樹脂の含浸状態は良好で樹脂含有量制御性も実施例1と同様良好であった。
【0036】
[実施例5]
実施例1の製造工程で、フィラメント横方向移動による樹脂含浸手段として図4に示すトウ折り畳みとトウ幅拡大を併用する手段を2ユニット使用し、強化繊維、樹脂、及び製造条件は実施例1と同様にしてフィラメントワインディング成形品を製造した。樹脂の含浸状態は良好で樹脂含有量制御性も実施例1と同様良好であった。
【0037】
[実施例6]
実施例1の製造工程で、同様の炭素繊維トウを5本用い、各トウをロールで5mm以上に拡幅した後幅を狭めて4mmにすると同時に横に並べてトウ通過帯を20mmにしたノズルに5本まとめて通過させ、トウ片側から樹脂を接触浸透させた。その後トウを1本づつ分離し、フィラメント横方向移動による樹脂含浸手段として図2に示す手段を2ユニット各トウ毎に設置し、各トウ毎に樹脂を均一に含浸させ、しかる後フィラメントワインディング成形部にてマンドレル上に巻き取った。得られたフィラメントワインディング成形品は実施例1で得られたのと同様の性能であった。
【0038】
[実施例7]
樹脂接触及び浸透のノズルの前に予備加熱ロールを設置してトウを予備加熱する以外は実施例1と同様にしてフィラメントワインディング成形品を製造した。トウはロールへの接触加熱で温度を130℃にした。吐出した樹脂の温度は110℃であったが樹脂の接触、浸透させた後のトウ温度は約120℃となった。その後均一含浸させ冷却してボビンに巻き取った。実施例1では樹脂接触、浸透後のトウ温度は予備加熱していなかったので最初の含浸ロールでトウ温度を上昇させる必要があったが、樹脂接触前のトウ温度を上昇させておくことでこのトウの加熱効率が向上した。
【0039】
[実施例8]
フィラメント横方向移動含浸ロールを回転させる以外は実施例1と同様にしてフィラメントワインディング成形品を製造した。実施例1においてはフィラメント横方向移動含浸のロールは固定して用いていたので、ロールの後部に毛羽が堆積していたが、本実施例では毛羽の堆積がなくなり作業性が改善された。なおロール回転数は毎分20回転で周速は約2.5m/minであり、トウ走行速度は5〜50m/minであった。
【0040】
[実施例9]
実施例1の製造工程において、樹脂浸透の後、加熱ロールと、溝付きロールおよび該溝に嵌合する突起付き圧縮ロールを用いてトウ幅を狭めると同時に圧縮することにより断面形状を4mm幅矩形に賦型して巻き取った。トウ断面形状が制御されているためトウの配向性が改善された。
【0041】
【発明の効果】
本発明により、フィラメントワインディング成形品の製造方法で用いられる樹脂含有強化繊維トウにおける、マンドレルへの巻き付け速度の変動に対する長手方向の樹脂含有量の変動が発生せず、フィラメントワインディング成形品内部の樹脂過剰部や樹脂不足部の存在を防止することができる。また常温液体樹脂のみならず、ホットメルト樹脂を用いて樹脂含有量を精密に制御することにより効率的な均一含浸が可能で生産効率が向上する。更にフィラメントワインディング成形速度に対する強化繊維トウへの樹脂含浸速度に関しては、樹脂含浸速度向上による成形速度向上が可能となり、含浸させる工程の長さ等の問題も解消される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本的な製造プロセスの1例を示す側面図である。
【図2】トウを構成するフィラメントの横方向移動を、トウ幅の拡大と縮小とを併用して行う手段の一例を示す側面図である。
【図3】トウを構成するフィラメントの横方向移動を、トウの加撚とトウ幅の拡大とを併用して行う手段の一例を示す側面図である。
【図4】トウを構成するフィラメントの横方向移動を、トウの折り畳みとトウ幅の拡大とを併用した手段の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
1 クリール
2 強化繊維トウ
3 トウ幅拡大ロール
4 樹脂タンク
5 樹脂吐出機
6 加熱ホース
7 樹脂吐出口
8 擦過体
9 フィラメント横方向移動による樹脂含浸手段
10 樹脂含浸済みのトウ
11 フィラメントワインディング成形部
12 マンドレル
15 トウ幅拡大ロール
16 トウ幅縮小ロール
17 加撚具
18 トウ折り畳みロール
19 トウ折り畳みガイド
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an improvement in a method for producing a fiber-reinforced composite material molded article by filament winding.
[0002]
[Prior art]
There are two methods for manufacturing filament winding molded products: a method in which reinforcing fiber tows not impregnated with resin are supplied to a filament winding molding machine, impregnated with resin in-line, and wound around a mandrel, and then impregnated with resin offline. There is a method in which the reinforced fiber tow is supplied to a filament winding molding machine and wound around a mandrel.
[0003]
In particular, in the former method, a reinforcing fiber tow is passed through a resin bath called a resin bath whose temperature is controlled, and excess resin adhering to the reinforcing fiber tow is scraped off by a doctor blade, a nip roll, etc. The resin impregnation is promoted with flat rolls, and finally, the resin is transferred to a transfer roll installed in contact with the resin in the resin bath by wrapping and molding on a mandrel, and the transfer resin is transferred to a doctor blade, etc. There is a known method of adjusting the amount of the resin, and then transferring the adjusted transfer resin to the reinforcing fiber tow again, and then accelerating the resin impregnation with several flat rolls, and finally winding and forming on the mandrel. It has been.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the reinforcing fiber tow used in the method for producing a filament winding molded product, when the resin is impregnated in-line, the resin content in the longitudinal direction varies with the variation of the winding speed around the mandrel. Resin excess portions and resin shortage portions tend to exist inside.
[0005]
Also, there is no problem with room temperature liquid resin, but when using a hot melt resin, the conventional method has a problem of stage up of the resin, and in terms of the resin impregnation speed to the reinforcing fiber tow relative to the filament winding winding speed, In the method, the rate of impregnation with several flat rolls is determined by the preheating of the transfer resin, the pressure conditions generated by the reinforcing fiber tow tension, and the life of the resin if it is a thermosetting resin. However, it is not necessary to simply reduce the viscosity by heating, and there are problems such as the length of the impregnation step, and there is a limit due to the resin impregnation rate in improving the production rate.
[0006]
In addition, in the case of using a solvent, a method of producing by lowering the viscosity with a solvent and impregnating and then volatilizing the solvent has been carried out for a long time, but this method has caused environmental problems due to volatilization of the solvent and filament winding molding. Voids generated due to foaming of the solvent during subsequent heating were a problem.
[0007]
Furthermore, when supplying the reinforcing fiber tow impregnated with resin to the filament winding molding machine, various devices for improving the handling of the supplied resin-containing reinforcing fiber tow, for example, optimization of resin and resin viscosity, It was necessary to attach a separate film, etc., the pre-process for supplying to the filament winding molding machine was complicated, and the type of resin used was also limited.
[0008]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a method capable of efficiently and uniformly impregnating a resin to produce a filament winding molded article having good productivity.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention supplies resin at a fixed ratio to at least one side of a tow made of flattened reinforcing fibers, and simultaneously with or immediately after contacting the tow, the resin is infiltrated in the thickness direction of the tow so as to narrow the tow width. Filament winding molding characterized by uniformly impregnating the resin in the tow by lateral movement of the tow constituent filaments, which uses both the means having the means and the means having the function of widening the tow width, and then winding and molding on the mandrel The above-described problems are solved by a method for manufacturing a product.
[0010]
The reinforcing fiber in the present invention is a reinforcing fiber (bundle) made of long fibers and made of inorganic fibers, organic fibers, metal fibers, or a mixture thereof. As the inorganic fiber, carbon fiber, graphite fiber, silicon carbide fiber, alumina fiber, tungsten carbide fiber, boron fiber, glass fiber and the like are preferable. As the organic fibers, aramid fibers, high density polyethylene fibers, and other general organic fibers such as nylon and polyester are preferable. As the metal fiber, any fiber such as stainless steel or iron can be used if it has mobility.
[0011]
The diameter of the fiber is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less. If the thickness is less than 0.1 μm, the strength becomes small, and there is a possibility of cutting when the lateral movement occurs. On the other hand, if it exceeds 100 μm, it becomes too rigid and it becomes difficult to move laterally.
[0012]
As the resin, a thermosetting resin and a thermoplastic resin that are generally used for fiber-reinforced composite materials are used, and a thermosetting resin capable of reducing the viscosity by heating is preferable. As the thermosetting resin, epoxy resin, phenol resin, vinyl ester resin, epoxy acrylate resin, urethane acrylate resin, phenoxy resin, alkyd resin, urethane resin, etc. can be used. Resins are preferred. As the thermoplastic resin, super engineering plastics such as PEEK, PEI, polyarylate and polysulfone, engineer plastics such as nylon, polyester and ABS, and general-purpose plastics such as acrylic resin, polyethylene resin and polypropylene resin can be used.
[0013]
The property required for these resins is that they have fluidity at the temperature at the time of impregnation. The viscosity range as a measure of fluidity is preferably 1 CPS (centipoise) or more and 1 million CPS or less. Furthermore, the smaller the viscosity at the time of impregnation, the better, and ideally 1 CPS or more and 10,000 CPS or less. This is because at least the filament mobility must be high so that the filament movement and the resin movement associated therewith can be facilitated by the filament movement impregnation described below. That is, it is necessary to reduce the filament movement resistance by reducing the viscosity. There are few resins with viscosity levels below 1 CPS. If it exceeds 1 million CPS, the viscosity is high, and filament movement and accompanying resin movement are almost impossible. The presence or absence of an additive such as a filler is not a problem as long as the resin has fluidity during impregnation.
[0014]
It is desirable that the tow is flat in order to increase the contact area with the resin, and making the tow width constant is important in terms of making the contact area with the quantitatively supplied resin constant. In general, reinforcing fiber tows do not have a constant width and need to be widened. As a method of widening, it is possible to use processes such as rubbing with a cylindrical bar, applying vibration, and crushing. Before the resin comes into contact with the tow, it is only necessary that the tow is flattened. To that end, in the production process of the present invention, it is only necessary that the tow is widened more than the tow width when the resin comes into contact with the tow. . A commercially available tape-like tow is regarded as a tow widened off-line. The tow width of the widened tow is not stabilized, and there are variations in how it spreads. Therefore, in order to stabilize the contact area with the resin at the time of resin contact, it is effective to narrow and stabilize the toe width immediately before the resin contact or at the time of resin contact. As an example of the method, a method of forming a groove in the resin discharge port can be used to narrow the toe width.
[0015]
The tow preheating has a meaning of increasing the tow temperature in advance so that the resin temperature does not decrease during penetration into the tow after the resin contact. If the preheated tow temperature is equal to or higher than the resin temperature before contact, the tow temperature after contact between the tow and the resin will not be lower than the resin temperature before contact. As a heating method, a non-contact heating method such as direct contact heating or current heating, dielectric heating, infrared heating, or atmosphere heating can be used.
[0016]
The content of the resin impregnated in the reinforcing fiber tow is preferably 10% by weight to 80% by weight. If it is less than 10% by weight, it is difficult to impregnate uniformly, and if it exceeds 80%, a problem arises in the mechanical properties of the filament winding molded product. 30% by weight or more and 50% by weight or less is ideal for effectively expressing the performance of the mechanical properties.
[0017]
In the present invention, it is important to allow the resin to penetrate in the thickness direction of the tow at the same time as or immediately after the resin and the tow are brought into contact with each other in order to allow the resin supplied in a fixed amount to permeate and adhere to the tow without delay. . As a method for this, it is a good method to quickly scrape the toe surface side in contact with the resin. Here, rubbing means rubbing the tow on a rubbing body, for example, on an arc or an edge. Since the tow is pressed against the rubbing body at the time of rubbing, resin pressure in the tow thickness direction inevitably acts. As a result, the resin penetrates into the tow. Since the tow is pressed against the rubbing body, there is no gap between the rubbing body and the tow. In rubbing on the arc after the resin contact, the winding angle is desirably 1 ° or more and 90 ° or less. This is because if the angle is less than 1 °, the resin penetration effect is small, and if it exceeds 90 °, the tension increases due to the resistance caused by abrasion.
[0018]
When a rapid pressure is generated by rubbing as in the present invention, the state of penetration of the resin becomes non-uniform. However, the purpose here is not to impregnate uniformly, but to focus on ensuring resin adhesion. Therefore, the homogenization of the resin impregnation is an important issue in the subsequent impregnation step. The quantitative adhesion controllability of the resin of the present invention depends on the discharge accuracy of the resin discharge machine, and is to push the supplied resin into the tow quickly and without stagnation, allowing the tow to pass through a narrow space such as a clearance on the surface of the tow. It is not to form a resin film layer. Here, rubbing does not form a resin film layer on the tow surface, but acts as a function of quickly pushing the resin into the tow.
[0019]
In the impregnation process of the present invention, the lateral movement of the filament is a resin in which the external position is positively applied to the tow filament, the filament is moved in a direction perpendicular to the filament fiber direction, and the relative position of the filament is changed. This is characterized by increasing the opportunity of contact with the filament, simply pressurizing the resin, and improving the impregnation effect more than the impregnation effect by the wetting of the resin in the capillary phenomenon. It is characterized in that the impregnation effect is higher than the impregnation effect by the wetting of the resin in the capillary phenomenon by simply pressurizing the resin. Specifically, folding of the tape-like tow penetrated by the resin , expansion of the tow width, reduction of the tow width, twisting of the tow, etc. can be used. When these are used in combination, the effect of uniform impregnation is enhanced. These actions change the position of the filament in the tow, resulting in an increased chance of contact with the resin. Further, as a secondary action, a new flow of the resin is caused, which is advantageous for uniform impregnation. In addition, twisting produces the effect that the resin is pushed out of the tow.
[0020]
In these operations, folding, toe width reduction, and twisting tend to narrow the tow width. Therefore, when these actions and widening are used in combination, the effect of uniform impregnation is enhanced. However, even when used in combination, the effect of uniform impregnation is sufficient. In addition, since the tow has a property of converging when pulled, the tow can be naturally converged by increasing the interval of the rubbing action, and the impregnation can be made uniform by widening again by rubbing. However, it can be said that it is more effective to actively reduce the tow width as in the present invention because the filament can be moved in the lateral direction at a short distance.
[0021]
In the twisting action, the tow rotates and the filament positional relationship in the tow changes. Tow rotation belongs to this twisting action. The twisting may be performed at the time of resin impregnation, and if the intermediate material after impregnation needs to be untwisted, it may be twisted after impregnation. Moreover, if it is false twist, it is not necessary to untwist and is most desirable when a tow without twist is required. Further, if rubbing is applied simultaneously with or immediately after twisting, the tow width tends to increase, and the uniformity of impregnation increases due to movement in the thickness direction of the resin.
[0022]
In uniform impregnation of the transverse movement of the filament, rotating a rotating body such as a roll at a peripheral speed lower than the production speed is useful for fluff deposition, roll cleaning, and the like. Here, the peripheral speed less than the production speed may be that the tow is scraped on the surface of the rotating body. By doing so, the tow does not get tangled on the surface of the rotating body, and since it is scraped and rotated, the contact surface between the tow and the rotating body is always cleaned, which is useful for improving the manufacturing environment. . The peripheral speed of the rotating body only needs to be equal to or lower than the manufacturing speed, and may be rubbed in the direction opposite to the toe traveling direction.
[0023]
The tow uniformly impregnated in the present invention can be narrowed with a grooved roll or a roll provided with a clearance and simultaneously compressed to control the cross-sectional shape. The control position is preferably immediately before winding around the mandrel.
[0024]
As a method for supplying and attaching the resin to the reinforcing fiber tow, it is ideal to use a molten resin discharger. Plunger-type dispensers, gear pump-type dispensers, extruders, etc. can be used. In particular, it is ideal in terms of quantitative supply accuracy to use ultra-precision gear pumps or extruders. In the case of a thermosetting resin, when the resin life after resin mixing becomes a problem, it is more ideal if the curing agent and the main agent are extruded separately and supplied while being mixed with a static mixer or the like. What is necessary for adhesion is that the resin has a low viscosity and is likely to adhere to the tow.
[0025]
As a method of supplying a constant ratio using the above-described molten resin discharger, for example, a method of detecting the speed of the reinforcing fiber tow and converting it into an electric signal, and performing feedback by the electric signal with a motor for driving the molten resin In addition, the operation contents of the filament winding molding machine drive motor and the molten resin discharge machine drive motor can be programmed in advance in a computer, and the operation control can be performed. There is no problem with the control configuration.
[0026]
The present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing an example of basic steps of a manufacturing method according to the present invention. In the figure, a tape-like tow is used for the reinforcing fiber wound around the bobbin and is pulled out from the creel 1 with a constant tension. The drawn-out reinforcing fiber tow 2 is passed through the widening roll 3 to be rubbed and widened. Resin is heated and held in the tank 4, and the resin is pushed out by the gear pump type resin discharge machine 5 and supplied to the discharge port 7 through the heating hose 6. At that time, the widened tow is brought into contact with the supplied resin with a narrow width at the discharge port and a constant width. Thereafter, the resin is infiltrated into the tow by the resin-penetrating scraping body 8. In order to narrow the tow width and to prevent the resin from overflowing when the resin permeates due to resin adhesion or abrasion, the tow passage band is grooved. Thereafter, a roll for reducing the tow width and a roll for increasing the width are uniformly impregnated by the filament lateral movement impregnation unit 9 arranged alternately. The uniformly impregnated tow 10 is wound around a mandrel 12 that rotates in the filament winding molding section 11 to form a molded body such as a tubular body.
[0027]
FIG. 2 is a side view showing an example of means for performing lateral movement of the filaments constituting the tow in combination with enlargement and reduction of the tow width, in which 15 is a roll for enlarging the tow width. 16 is a roll for reducing the toe width, and the toe width can be narrowed by inclining the roll.
[0028]
FIG. 3 is a side view showing an example of means for performing lateral movement of the filaments constituting the tow by using both tow twisting and tow width enlargement. In FIG. 3, 17 denotes a twisting tool. ing.
[0029]
FIG. 4 is a side view showing an example of means for using both the folding of the tow and the expansion of the tow width in the lateral movement of the filament constituting the tow. In FIG. 4, the tow 2 is gradually folded by the folding guide 19. Then, it is folded up completely with a pair of rolls 18 standing vertically.
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0031]
[Example 1]
A filament winding molded product was manufactured in the manufacturing process of FIG. Further, as the resin impregnation means by lateral movement of the filament, two units were used which were used in combination with expansion and reduction of the tow width shown in FIG. The reinforcing fiber used was one carbon fiber TR30G tow manufactured by Grafel, USA. The tow 2 is widened to 5 mm or more by the tow width expanding roll 3, narrowed to 4 mm width by the nozzle combining the resin discharge port 7 and the resin penetrating scraper 8, and at the same time, the resin is supplied to and contacted with one side of the tow 2. The resin was infiltrated into the tow 2 by the resin infiltrating scraper 8. The resin used was a resin composition in which Epicoats 1001 and 834 manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd. were mixed at 50/50, and 4 parts of dicyandiamide was mixed with the mixture. The mixed resin was held at 65 ° C. in the tank 4 and discharged from the gear pump through the heating hose 6 at 120 ° C. from the discharge port 7.
[0032]
It was confirmed that there was no resin overflow or resin stagnation during resin contact and penetration, and that the resin discharged from the gear pump adhered to the tow without stagnation. Thereafter, the filament was moved laterally by reducing and expanding the tow width, and the resin was uniformly impregnated. The resin viscosity at that time was about 500 CPS. After expanding the tow width to about 5 mm with the last impregnation roll, it is wound on a mandrel in the filament winding molding section, and then cured in a heating oven at 130 ° C. for 4 hours to filament winding. A molded body was obtained. During the above manufacturing process, the tow travel speed is detected immediately before the resin discharge nozzle using the non-contact speed detection sensor E6B-CWZ3C manufactured by OMRON, and the speed signal is fed back to the gear pump motor for resin supply. Thus, the resin supply amount was controlled. The impregnation of the resin was good at a production rate of 5 to 50 m / min. The resin content was in the range of 35% ± 1% and was highly accurate.
[0033]
[Example 2]
Instead of detecting the tow traveling speed and feedback to the resin supply gear pump motor in Example 1, the resin discharge amount was controlled by programming the operations of the filament winding molding drive unit and the resin discharger drive unit in advance. The impregnation state of the resin was good and the resin content controllability was as good as in Example 1.
[0034]
[Example 3]
Using the same process as in Example 1 except for the tow width expanding roll 3, using the TR30GWD tape-like carbon fiber tow manufactured by Grafel, USA, the resin system is the same system as in Example 1, and the filament winding molded product is manufactured. went. A tow having a width of 4 mm or more was narrowed to 4 mm with a nozzle. The properties of the molded product were the same as in Example 1.
[0035]
[Example 4]
In the manufacturing process of Example 1, the number of twists was set to 10 times / m using 2 units of the tow twist and tow width expansion shown in FIG. A filament winding molded article was produced in the same manner as in Example 1 with the reinforcing fibers, resin, and production conditions. The impregnation state of the resin was good and the resin content controllability was as good as in Example 1.
[0036]
[Example 5]
In the production process of Example 1, two units of the means for combining tow folding and tow width expansion shown in FIG. 4 are used as the resin impregnation means by lateral movement of the filament, and the reinforcing fiber, the resin, and the production conditions are the same as in Example 1. Similarly, a filament winding molded product was produced. The impregnation state of the resin was good and the resin content controllability was as good as in Example 1.
[0037]
[Example 6]
In the manufacturing process of Example 1, five similar carbon fiber tows were used, and each tow was widened to 5 mm or more with a roll and then narrowed to 4 mm. The resin was allowed to pass through and the resin was infiltrated into contact from the toe side. After that, the tows are separated one by one, and the means shown in FIG. 2 is installed for each tow as a resin impregnation means by moving the filament in the lateral direction, and the resin is uniformly impregnated for each tow. Rolled up on a mandrel. The obtained filament winding molded product had the same performance as that obtained in Example 1.
[0038]
[Example 7]
A filament winding molded article was produced in the same manner as in Example 1 except that a preheating roll was installed in front of the resin contact and infiltration nozzles to preheat the tow. The tow was heated to 130 ° C. by contact heating to the roll. The temperature of the discharged resin was 110 ° C., but the tow temperature after the resin contact and penetration was about 120 ° C. Thereafter, it was impregnated uniformly, cooled and wound on a bobbin. In Example 1, the tow temperature after resin contact and infiltration was not pre-heated, so it was necessary to increase the tow temperature with the first impregnation roll, but this was achieved by increasing the tow temperature before resin contact. Improved tow heating efficiency.
[0039]
[Example 8]
A filament winding molded product was produced in the same manner as in Example 1 except that the filament transverse movement impregnation roll was rotated. In Example 1, since the roll of filament lateral movement impregnation was used in a fixed manner, fluff was deposited on the rear part of the roll, but in this example, the fluff was not deposited and workability was improved. The roll rotation speed was 20 revolutions per minute, the peripheral speed was about 2.5 m / min, and the toe running speed was 5 to 50 m / min.
[0040]
[Example 9]
In the manufacturing process of Example 1, after resin penetration, the cross-sectional shape is 4 mm wide by narrowing and compressing the tow width using a heating roll, a grooved roll, and a compression roll with a protrusion fitted in the groove. And then wound up. Tow orientation was improved because the tow cross-sectional shape was controlled.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the resin-containing reinforcing fiber tow used in the method for producing a filament winding molded product, the resin content in the longitudinal direction does not vary with respect to the variation in the winding speed around the mandrel, and the resin excess inside the filament winding molded product The presence of parts and resin-deficient parts can be prevented. In addition, not only room temperature liquid resin but also hot melt resin is used to precisely control the resin content, so that efficient uniform impregnation is possible and production efficiency is improved. Furthermore, regarding the resin impregnation rate to the reinforcing fiber tow with respect to the filament winding molding rate, the molding rate can be improved by improving the resin impregnation rate, and problems such as the length of the impregnation step are also solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an example of a basic manufacturing process of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing an example of a means for performing lateral movement of a filament constituting the tow by combining expansion and reduction of the tow width.
FIG. 3 is a side view showing an example of means for performing lateral movement of a filament constituting the tow by using both twisting of the tow and enlargement of the tow width.
FIG. 4 is a side view showing an example of means that uses both the folding of the tow and the enlargement of the tow width for lateral movement of the filament constituting the tow.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Creel 2 Reinforcement fiber toe 3 Tow width expansion roll 4 Resin tank 5 Resin discharge machine 6 Heating hose 7 Resin discharge port 8 Scraping body 9 Resin impregnation means 10 by filament lateral movement 10 Resin impregnated toe 11 Filament winding forming part 12 Mandrel 15 tow width expanding roll 16 tow width reducing roll 17 twisting tool 18 tow folding roll 19 tow folding guide

Claims (9)

扁平にした強化繊維からなるトウの少なくとも片面に樹脂を一定比率で供給し、トウに接触させると同時にあるいは直後にトウの厚さ方向に樹脂を浸透させ、トウ幅を狭める作用を有する手段とトウ幅を広げる作用を有する手段とを併用するトウ構成フィラメントの横方向移動によりトウ内に樹脂を均一に含浸させた後、マンドレル上に巻き付けて成形することを特徴とするフィラメントワインディング成形品の製造方法。  A means and a tow having a function of narrowing a tow width by supplying a resin at a fixed ratio to at least one side of a flattened reinforcing fiber and allowing the resin to permeate in the thickness direction of the tow at the same time or immediately after contacting the tow. A method for producing a filament winding molded article characterized by uniformly impregnating a resin in a tow by lateral movement of a tow-constituting filament in combination with means having a function of expanding the width, and then winding and molding on a mandrel . トウへの樹脂の供給を樹脂吐出機にて行い、且つトウ速度を検出して樹脂吐出機にフィードバックすることにより樹脂吐出量を制御する請求項1記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法。The method of manufacturing a filament winding molded article according to claim 1, wherein the resin discharge amount is controlled by supplying the resin to the tow with a resin discharger, and detecting the tow speed and feeding back to the resin discharger. トウへの樹脂の供給を樹脂吐出機にて行い、且つフィラメントワインディング成形用駆動部と樹脂吐出機駆動部の動作を予めプログラミングして樹脂吐出量を制御する請求項1記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法。  The filament winding molded product according to claim 1, wherein the resin is supplied to the tow by a resin discharger, and the operation of the filament winding molding drive unit and the resin discharger drive unit is programmed in advance to control the resin discharge amount. Production method. 複数本の強化繊維トウを用いる請求項1〜3いずれか1項に記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法。  The manufacturing method of the filament winding molded product of any one of Claims 1-3 using a plurality of reinforcing fiber tows. 擦過体を用いてトウを擦過させることにより樹脂をトウの厚さ方向に浸透させる請求項1〜4いずれか1項に記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法。  The method for producing a filament winding molded article according to any one of claims 1 to 4, wherein the resin is permeated in a thickness direction of the tow by rubbing the tow using a scraping body. トウ幅を狭める作用を有する手段が、トウの折り畳みまたはトウの加撚を含む請求項1〜5いずれか一項に記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法。  The method for producing a filament winding molded article according to any one of claims 1 to 5, wherein the means having the function of narrowing the tow width includes toe folding or tow twisting. 請求項1〜6いずれか1項に記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法において、トウへの樹脂の接触前にトウを予備加熱することを特徴とするフィラメントワインディング成形品の製造方法。  The method for producing a filament winding molded article according to any one of claims 1 to 6, wherein the tow is preheated before the resin comes into contact with the tow. 請求項1〜7いずれか1項に記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法において、樹脂接触時に規制される以上にトウ幅を拡幅した後、トウへの樹脂接触時にトウ幅を狭めることを特徴とするフィラメントワインディング成形品の製造方法。  In the manufacturing method of the filament winding molded product according to any one of claims 1 to 7, the tow width is narrowed at the time of resin contact with the tow after the tow width is widened more than regulated at the time of resin contact. A method of manufacturing a filament winding molded product. 請求項1〜8いずれか1項に記載のフィラメントワインディング成形品の製造方法において、トウ幅を狭めると同時に圧縮してトウの断面形状を制御する工程を付加することを特徴とするフィラメントワインディング成形品の製造方法。  9. The method of manufacturing a filament winding molded article according to any one of claims 1 to 8, further comprising the step of controlling the cross-sectional shape of the tow by compressing at the same time as reducing the tow width. Manufacturing method.
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