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JP7849788B2 - Apparatus and method for manufacturing fiber-reinforced thermoplastic resins - Google Patents
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JP7849788B2 - Apparatus and method for manufacturing fiber-reinforced thermoplastic resins - Google Patents

Apparatus and method for manufacturing fiber-reinforced thermoplastic resins

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Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法、特に、溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を連続的に供給し、それを混練することにより繊維強化熱可塑性樹脂を製造する製造装置及び製造方法に関する。 This invention relates to a manufacturing apparatus and method for fiber-reinforced thermoplastic resins, and more particularly to a manufacturing apparatus and method for producing fiber-reinforced thermoplastic resins by continuously supplying fibers of a predetermined length to a molten thermoplastic resin and kneading them together.

このような繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法としては、例えば下記特許文献1に記載されるものがある。この特許文献1に記載される第1素材は、繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂と呼ばれ、一般には製造工程が複雑で時間がかかる繊維強化熱可塑性樹脂を短時間で連続的に製造できるとして注目されている。この第1素材を製造する製造装置及び製造方法は、例えば2軸のスクリュー羽根を備えた混練(混錬)送出装置の内容物搬送方向上流側の端部に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給する。 Examples of manufacturing apparatuses and methods for such fiber-reinforced thermoplastic resins include those described in Patent Document 1 below. The first material described in Patent Document 1 is called a fiber-reinforced thermoplastic resin produced by a continuous fiber feeding method, and is attracting attention because it can continuously produce fiber-reinforced thermoplastic resins in a short time, whereas the manufacturing process is generally complex and time-consuming. The manufacturing apparatus and method for producing this first material involves, for example, supplying molten thermoplastic resin to the upstream end in the content conveying direction of a kneading (mixing) and delivery device equipped with twin screw blades.

この混練送出装置には、複数のボビンから引き出した複数の繊維、例えば炭素繊維も同じ側の端部に連続供給される。この混練送出装置に連続的に供給される繊維は、装置内のスクリュー羽根の推力で引き込まれながらスクリュー羽根によって切断され、その後、そのスクリュー羽根によって溶融状態の熱可塑性樹脂と混練される。比較的長い繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂は、例えば混練送出装置の内容物搬送方向下流側の端部から送出され、保温された状態、すなわち溶融状態に維持されてプレス装置の型内に装入され、高速プレス成形されて樹脂成形品が製造される。 This kneading and dispensing device continuously receives multiple fibers, such as carbon fibers, drawn from multiple bobbins, at the same end. The fibers continuously supplied to this device are pulled in by the thrust of a screw blade within the device, cut by the screw blade, and then kneaded with a molten thermoplastic resin by the screw blade. The fiber-reinforced thermoplastic resin, containing relatively long fibers, is then discharged, for example, from the downstream end of the kneading and dispensing device in the content transport direction. Maintaining a heated, i.e., molten state, it is loaded into a mold in a press device and subjected to high-speed press molding to produce a resin molded product.

さらに、上記特許文献1では、繊維強化熱可塑性樹脂全体としての物理的特性を向上させるために、第1素材とは別に製造した繊維強化熱可塑性樹脂(第2素材)を繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂(第1素材)に混合することが開示されている。この第2素材は、熱可塑性樹脂が含浸された繊維が切断されたものである。また、下記特許文献2には、所定長さに切断された炭素繊維束を5~40質量%の配合量で熱可塑性樹脂に配合した熱可塑性樹脂組成物が開示されている。この先行技術文献では、炭素繊維束の切断にはロータリーカッターが使用されている。 Furthermore, Patent Document 1 discloses the mixing of a fiber-reinforced thermoplastic resin (second material), manufactured separately from the first material, into a fiber-reinforced thermoplastic resin (first material) in order to improve the overall physical properties of the fiber-reinforced thermoplastic resin. This second material is obtained by cutting fibers impregnated with thermoplastic resin. Patent Document 2 discloses a thermoplastic resin composition in which carbon fiber bundles cut to a predetermined length are blended into a thermoplastic resin at a blending amount of 5 to 40% by mass. In this prior art document, a rotary cutter is used to cut the carbon fiber bundles.

特開2019-147374号公報Japanese Patent Publication No. 2019-147374 特開2004-11030号公報Japanese Patent Publication No. 2004-11030

しかしながら、上記特許文献1に記載される繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂、すなわち上記第1素材の製造装置及び製造方法では、連続的に供給される(切断前の)繊維はスクリュー羽根によって切断されるだけであり、切断後の繊維長さを一様にすることも、長さの制御を行うことも困難である。したがって、その繊維強化熱可塑性樹脂の素材としての強度(耐久力)や剛性等を示す力学物性を特定したり、また安定化したりすることが困難である。 However, in the manufacturing apparatus and method for the fiber-reinforced thermoplastic resin described in Patent Document 1, i.e., the first material described above, the continuously supplied fibers (before cutting) are simply cut by screw blades, making it difficult to make the fiber length uniform after cutting or to control the length. Therefore, it is difficult to specify or stabilize the mechanical properties such as strength (durability) and rigidity of the fiber-reinforced thermoplastic resin as a material.

また、連続繊維が供給された後、繊維がスクリュー羽根によって切断されるタイミングにもバラツキが生じ、熱可塑性樹脂と繊維の混練状態も一様化しないものとなる。熱可塑性樹脂と繊維の混練状態が一様でないと、樹脂内における繊維の分散性が変化し、やはり繊維強化熱可塑性樹脂としての力学物性を特定することが困難である。なお、分散は、散らばり、又は、散っていることを意味するので、「分散性」は散らばりの度合いとして用いる。 Furthermore, variations occur in the timing of fiber cutting by the screw blades after the continuous fibers are supplied, resulting in an uneven mixing state between the thermoplastic resin and the fibers. If the mixing state between the thermoplastic resin and fibers is uneven, the dispersibility of the fibers within the resin changes, making it difficult to determine the mechanical properties of the fiber-reinforced thermoplastic resin. Note that "dispersion" means scattering or being scattered, so "dispersibility" is used to describe the degree of scattering.

すなわち、従来の繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法では、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を得ることが困難である。 In other words, conventional fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatuses and methods using continuous fiber feeding make it difficult to obtain fiber-reinforced thermoplastic resins with desired mechanical properties.

また、上記特許文献1で開示されている第2素材は、上記第1素材とは別に製造された繊維強化熱可塑性樹脂であり、先に製造されている第1素材である繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に追加的に混合されている。この第2素材は、熱可塑性樹脂が含浸された繊維が切断されたものであることから、切断長さは調整可能であると考えられるが、第1素材とは別の製造工程が必要であり、製造工程全体の流れの一連性を妨げている。また、製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性の特定や安定性が得られないなどの課題も残されている。 Furthermore, the second material disclosed in Patent Document 1 is a fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured separately from the first material, and is added to the previously manufactured first material, a fiber-injection type fiber-reinforced thermoplastic resin. Since this second material is made from fibers impregnated with thermoplastic resin and then cut, the cutting length is considered adjustable. However, it requires a separate manufacturing process from the first material, hindering the overall continuity of the manufacturing process. Additionally, challenges remain, such as the inability to determine the mechanical properties and achieve stability of the manufactured fiber-injection type fiber-reinforced thermoplastic resin.

また、上記特許文献2に記載される熱可塑性樹脂組成物、すなわち繊維強化熱可塑性樹脂を繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に適用すると、ロータリーカッターによる炭素繊維束の切断では、刃先の劣化によって繊維が毛羽立ったり、製造可能な繊維強化熱可塑性樹脂の製造量に対して切断される繊維の量が不足したりするおそれがある。 Furthermore, when the thermoplastic resin composition described in Patent Document 2, i.e., the fiber-reinforced thermoplastic resin, is applied to a fiber-reinforced thermoplastic resin using a continuous fiber feeding method, there is a risk that the carbon fiber bundles may become frayed due to blade deterioration during cutting with a rotary cutter, or that the amount of fibers cut may be insufficient compared to the amount of fiber-reinforced thermoplastic resin that can be manufactured.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に且つ確実に得ることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法を提供することにある。 This invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its object is to provide a manufacturing apparatus and method for fiber-reinforced thermoplastic resins that can continuously and reliably produce fiber-reinforced thermoplastic resins with desired mechanical properties.

上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、前記繊維分散部の下段位置に設けられ、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構と、前記繊維導入機構により導入された被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え、前記繊維導入機構は、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構であり、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、分散されて落下した前記被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え、前記繊維分散部は、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラを含み、該プロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部と、集束された繊維の束を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、前記落下した被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備えことを特徴とする。
To achieve the above objective, a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus according to one aspect of the present invention is a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus that supplies fibers of a predetermined length to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and kneads the fibers to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin in which the fibers have been kneaded,
The apparatus comprises: a fiber supply unit that continuously supplies a plurality of fibers to the upper region of a storage unit of a predetermined volume; a fiber cutting unit that cuts the continuously supplied plurality of fibers to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction and drops them downward into the storage unit; a fiber dispersion unit provided at a lower position of the fiber cutting unit that disperses the fibers to be cut within the storage unit by physical stirring or airflow; a fiber introduction mechanism provided at a lower position of the fiber dispersion unit that forcibly introduces the dispersed fibers to be cut into the molten thermoplastic resin while increasing the bulk density; and a kneading and discharging unit that kneads the fibers to be cut introduced by the fiber introduction mechanism and the molten thermoplastic resin and discharges the mixture, wherein the fiber introduction mechanism is a screw-type conveying mechanism having screw blades that rotate around an axis, and is characterized in that the screw blades capture the fibers to be cut to increase their bulk density and forcibly introduce the fibers to be cut by the thrust of the screw blades.
Furthermore, in order to achieve the above objective, a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus according to one aspect of the present invention is a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus that supplies fibers of a predetermined length to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and kneads the fibers to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin in which the fibers have been kneaded,
The apparatus comprises: a fiber supply unit that continuously supplies a plurality of fibers to the upper region of a storage unit of a predetermined volume; a fiber cutting unit that cuts the plurality of fibers that are continuously supplied to a plurality of lengths by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction and drops them downward into the storage unit; a fiber dispersion unit provided at a lower position of the fiber cutting unit that disperses the fibers to be cut within the storage unit by physical stirring; and a kneading and dispensing unit that kneads the dispersed and dropped fibers to be cut and the molten thermoplastic resin and discharges the mixture, wherein the fiber dispersion unit includes a propeller positioned within the area where the fibers to be cut fall, and the fibers to be cut are stirred by the rotation of the propeller.
Furthermore, in order to achieve the above objective, a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus according to one aspect of the present invention is a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus that supplies fibers of a predetermined length to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and kneads the fibers to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin in which the fibers have been kneaded,
The device is characterized by comprising: a fiber supply unit that continuously supplies a plurality of fibers to the upper region of a storage unit of a predetermined volume; a fiber focusing unit that focuses the plurality of fibers that are continuously supplied by a focusing mechanism; a fiber cutting unit that cuts the bundle of focused fibers to a certain length partway through the bundle of fibers using a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction and drops it downward into the storage unit; and a kneading and dispensing unit that kneads the dropped cut fibers and the molten thermoplastic resin and dispenses the mixture.

また、上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の他の構成は、前記繊維供給部による繊維供給速度及び繊維切断部による繊維切断タイミングの少なくとも一方を制御することによって前記切断される繊維の長さを調整可能としたことを特徴とする。 Furthermore, another component of the above-mentioned fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is characterized by the ability to adjust the length of the cut fibers by controlling at least one of the fiber supply speed by the fiber supply unit and the fiber cutting timing by the fiber cutting unit.

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記切断される繊維の長さを3mm以上100mm未満としたことを特徴とする。 A further configuration of the above-described fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is characterized by the length of the fibers to be cut being 3 mm or more and less than 100 mm.

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維切断部の前段に、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部を備えたことを特徴とする。 A further configuration of the above-described fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is characterized by the inclusion of a fiber bundling section preceding the fiber cutting section, which bundles the continuously supplied plurality of fibers using a bundling mechanism.

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維集束部は、前記集束機構として、所定の大きさの開口部に前記複数の繊維を挿通して集束する繊維絞り機構及び軸線が交差する複数のローラの間に形成された隙間に前記複数の繊維を挿通して集束する交差ローラ機構の少なくとも一方を備えることを特徴とする。 A further configuration of the above-described fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is characterized in that the fiber bundling section comprises, as the bundling mechanism, at least one of a fiber drawing mechanism that inserts and bundles the plurality of fibers into an opening of a predetermined size, and a cross-roller mechanism that inserts and bundles the plurality of fibers into a gap formed between a plurality of rollers whose axes intersect.

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維切断部の下段位置には、前記被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部を備えたことを特徴とする。 A further configuration of the above-described fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is characterized by the inclusion of a fiber dispersion section at a lower position of the fiber cutting section, which disperses the fibers to be cut within the containment section by physical stirring or airflow.

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維分散部の下段位置には、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構を備えることを特徴とする。 A further configuration of the above-described fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is characterized by the inclusion of a fiber introduction mechanism at a lower position of the fiber dispersion section, which forcibly introduces the dispersed fibers to be cut into the molten thermoplastic resin while increasing their bulk density.

また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え、前記繊維送給ステップは、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構により行われ、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え、前記繊維分散ステップにて、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、前記集束された繊維の束を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備えことを特徴とする。

Furthermore, in order to achieve the above objective, a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin according to one aspect of the present invention is a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin in which fibers of a predetermined length are supplied to a thermoplastic resin in a molten state contained in a kneading and dispensing device, and kneaded,
The device comprises: a fiber supply step of simultaneously and continuously supplying a plurality of fibers to the upper region of a storage section of a predetermined volume; a fiber consolidation step of consolidating the continuously supplied plurality of fibers by a consolidation mechanism; a fiber cutting step of cutting the consolidated plurality of fibers to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction in the upper space region of the storage section and dropping them downward into the storage section; a fiber dispersion step of dispersing the cut and dropped fibers within the storage section by physical stirring or airflow; a fiber feeding step of forcibly introducing the dispersed cut fibers into the molten thermoplastic resin while increasing its bulk density; and a kneading and discharging step of kneading the molten thermoplastic resin into which the cut fibers have been fed and discharging the kneaded material. The fiber feeding step is performed by a screw-type conveying mechanism having screw blades that rotate around an axis, and the screw blades capture the cut fibers to increase their bulk density and forcibly introduce the cut fibers by the thrust of the screw blades.
Furthermore, in order to achieve the above objective, a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin according to one aspect of the present invention is a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin in which fibers of a predetermined length are supplied to a thermoplastic resin in a molten state contained in a kneading and dispensing device, and kneaded,
The invention provides a fiber supply step of simultaneously and continuously supplying a plurality of fibers to the upper region of a storage section of a predetermined volume; a fiber converging step of converging the plurality of fibers that are continuously supplied by a converging mechanism; a fiber cutting step of cutting the converged plurality of fibers to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction in the upper space region of the storage section and dropping them downward into the storage section; a fiber dispersion step of dispersing the cut fibers that have fallen within the storage section by physical stirring; a fiber feeding step of forcibly introducing the dispersed cut fibers into the molten thermoplastic resin while increasing its bulk density; and a kneading and discharging step of kneading the molten thermoplastic resin into which the cut fibers have been fed and discharging the mixture, wherein in the fiber dispersion step, the cut fibers are stirred by the rotation of a propeller positioned within the area where the cut fibers fall.
Furthermore, in order to achieve the above objective, a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin according to one aspect of the present invention is a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin in which fibers of a predetermined length are supplied to a thermoplastic resin in a molten state contained in a kneading and dispensing device, and kneaded,
The invention is characterized by comprising: a fiber supply step of simultaneously and continuously supplying a plurality of fibers to the upper region of a storage section of a predetermined volume; a fiber converging step of converging the plurality of fibers that are continuously supplied by a converging mechanism; a fiber cutting step of cutting the bundle of fibers to a certain length partway through the bundle of fibers by a laser scanned in the upper spatial region of the storage section in a direction intersecting the fiber elongation direction, and dropping it downward into the storage section; a fiber dispersion step of dispersing the cut fibers that have fallen within the storage section by physical stirring or airflow; a fiber feeding step of forcibly introducing the dispersed cut fibers into the molten thermoplastic resin while increasing its bulk density; and a kneading and dispensing step of kneading the molten thermoplastic resin into which the cut fibers have been fed and dispensing it.

以上説明したように、本発明によれば、供給される繊維をレーザを用いて切断することから、比較的容易な制御により被切断繊維の長さ調整(一定の長さに調整することなど)を的確に行うことができる。したがって、熱可塑性樹脂に供給される繊維の長さを一様にすることができると共に、その被切断繊維の熱可塑性樹脂への送給位置が一定化されることなどから被切断繊維と熱可塑性樹脂の混練状態も一様にすることができる。これにより、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に且つ確実に得ることができる。 As described above, according to the present invention, since the supplied fibers are cut using a laser, the length of the fibers to be cut (such as adjusting them to a constant length) can be accurately controlled relatively easily. Therefore, the length of the fibers supplied to the thermoplastic resin can be made uniform, and the mixing state of the fibers to be cut and the thermoplastic resin can also be made uniform because the feeding position of the cut fibers into the thermoplastic resin is kept constant. This makes it possible to continuously and reliably obtain fiber-reinforced thermoplastic resins with desired mechanical properties.

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法の一実施の形態を示す製造装置の概略構成図である。This is a schematic diagram of a manufacturing apparatus showing one embodiment of the manufacturing apparatus and manufacturing method for fiber-reinforced thermoplastic resin of the present invention. 図1の製造装置の繊維絞り機構の一例を示す説明図である。Figure 1 is an explanatory diagram showing an example of the fiber drawing mechanism of the manufacturing apparatus. 図1の製造装置の交差ローラ機構の一例を示す説明図である。Figure 1 is an explanatory diagram showing an example of the cross-roller mechanism of the manufacturing apparatus. 図1の製造装置の繊維切断部の概略構成図である。Figure 1 is a schematic diagram of the fiber cutting section of the manufacturing apparatus. 図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率(累積値)の関係の説明図である。This diagram illustrates the relationship between fiber length and volume fraction (cumulative value) of fibers contained in the fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using the manufacturing apparatus shown in Figure 1. 従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率(累積値)の関係の説明図である。This diagram illustrates the relationship between fiber length and volume fraction (cumulative value) of fibers contained in fiber-reinforced thermoplastic resin produced using a conventional manufacturing device. 図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the state of the fibers contained in the fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using the manufacturing apparatus shown in Figure 1. 従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the state of fibers contained in fiber-reinforced thermoplastic resin produced using a conventional manufacturing device. 図1の製造装置並びに従来の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂の引張弾性率と引張強度の関係を示す説明図である。Figure 1 is an explanatory diagram showing the relationship between the tensile modulus and tensile strength of fiber-reinforced thermoplastic resin produced by the manufacturing apparatus and conventional manufacturing apparatus.

以下に、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、この実施の形態の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の概略構成図である。この製造装置は、溶融状態の熱可塑性樹脂と一定の長さに切断された繊維を混練して送出するための混練送出装置(混練送出部)1を備えて構成される。なお、本明細書では、混練は「混錬」の意味を含む。 Below, an embodiment of the manufacturing apparatus and manufacturing method for fiber-reinforced thermoplastic resin of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Figure 1 is a schematic diagram of the manufacturing apparatus for fiber-reinforced thermoplastic resin of this embodiment. This manufacturing apparatus is configured to include a kneading and dispensing device (kneading and dispensing unit) 1 for kneading and dispensing molten thermoplastic resin and fibers cut to a certain length. In this specification, "kneading" includes the meaning of "combination."

この例では、混練送出装置1として、1軸のスクリューコンベヤ10が用いられる。この実施の形態のスクリューコンベヤ10は、内容物を加熱溶融可能なものである。スクリューコンベヤ10は、回転される螺旋形連続型スクリュー羽根11の推力で内容物を攪拌・混合しながら搬送し、端部から送出する。この実施の形態の混練送出装置1では、内容物は図の右方から左方に搬送される。この混練送出装置1では、スクリューコンベヤ10の図示右端部、すなわち内容物搬送方向上流側の端部にホッパ12が設けられ、このホッパ12によってペレットPの状態の熱可塑性樹脂Mがスクリューコンベヤ10の右端部に供給される。予め加熱溶融した熱可塑性樹脂Mをスクリューコンベヤ10に供給することも可能である。スクリューコンベヤ10の収容器の内部には、加熱溶融された溶融状態の熱可塑性樹脂M(以下、溶融熱可塑性樹脂ともいう)がほぼ充満されて図の左方に搬送され、スクリューコンベヤ10の図示左端部、すなわち内容物搬送方向下流側の端部から送出される。 In this example, a single-axis screw conveyor 10 is used as the kneading and dispensing device 1. The screw conveyor 10 in this embodiment is capable of heating and melting its contents. The screw conveyor 10 conveys the contents while stirring and mixing them with the thrust of a rotating spiral continuous screw blade 11, and discharges them from its end. In the kneading and dispensing device 1 of this embodiment, the contents are conveyed from the right to the left in the figure. In this kneading and dispensing device 1, a hopper 12 is provided at the right end of the screw conveyor 10 in the figure, that is, the end on the upstream side in the direction of contents conveyance, and the thermoplastic resin M in pellet form P is supplied to the right end of the screw conveyor 10 by this hopper 12. It is also possible to supply preheated and melted thermoplastic resin M to the screw conveyor 10. The inside of the container of the screw conveyor 10 is almost completely filled with heated and melted thermoplastic resin M (hereinafter also referred to as molten thermoplastic resin), which is transported to the left in the diagram and discharged from the left end of the screw conveyor 10, that is, the end on the downstream side in the direction of content transport.

なお、この実施の形態では、後述するように、スクリューコンベヤ10のスクリュー羽根11の回転速度は比較的小さく設定されている。また、スクリュー羽根11は、繊維を切断する機能を有さず、繊維の折損を低減する形状に設定されている。また、混練送出装置1には、多軸のスクリュー羽根11を有するスクリューコンベヤ10の他、混練、(搬送、)送出といった同様の機能を有する種々の装置が適用可能である。 In this embodiment, as will be described later, the rotational speed of the screw blades 11 of the screw conveyor 10 is set to a relatively low level. Furthermore, the screw blades 11 do not have the function of cutting fibers and are shaped to reduce fiber breakage. In addition to the screw conveyor 10 with multiple screw blades 11, various other devices with similar functions such as kneading, (conveying,) and (discharging) can be applied to the kneading and discharging device 1.

熱可塑性樹脂Mには、ポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド66、ポリアミド610、ポリアミド6T、ポリアミド6I、ポリアミド9T、ポリアミドM5Tなどのポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリル樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミドなどが繊維強化熱可塑性樹脂のマトリクス樹脂として適用可能である。 The thermoplastic resin M can be applied as a matrix resin for fiber-reinforced thermoplastic resins, and includes polyamides such as polyamide 6, polyamide 11, polyamide 12, polyamide 66, polyamide 610, polyamide 6T, polyamide 6I, polyamide 9T, and polyamide M5T, as well as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, polyurethane, polytetrafluoroethylene, acrylonitrile butadiene styrene, acrylic resin, polyacetal, polycarbonate, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polyester, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, cyclic polyolefin, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyimide, and polyamideimide.

このスクリューコンベヤ10からなる混練送出装置1の溶融熱可塑性樹脂供給位置より下流側には、一定の長さに切断された繊維を溶融熱可塑性樹脂Mに供給する被切断繊維供給装置13が設けられている。この被切断繊維供給装置13は、高さ方向の中間部に、所定容積の収容部50が設けられている。この被切断繊維供給装置13は、収容部50の上部領域に複数の繊維Fを同時に且つ連続的に供給する繊維供給部2と、その連続的に供給される複数の繊維Fを収容部50の上部領域にて集束する繊維集束部3と、その集束された複数の繊維Fを収容部50の上部空間領域にてレーザによって一定の長さで切断する繊維切断部4と、その切断された複数の繊維Fを収容部50内にて分散させる繊維分散部5と、その分散された複数の切断後の繊維Fを収容部50の下方にて混練送出装置1内の溶融熱可塑性樹脂Mに送給する繊維送給部6を備えて構成される。したがって、混練送出装置1からは、一定の長さに切断された繊維Fが溶融熱可塑性樹脂Mに混練された繊維強化熱可塑性樹脂が送出される。なお、繊維供給部2における繊維Fの連続的な供給とは、切断前の繊維Fを繊維伸長方向に連続して供給することを意味し、切断済みの繊維を時間的に連続して供給することではない。 Downstream from the molten thermoplastic resin supply position of the kneading and dispensing device 1 consisting of a screw conveyor 10, a fiber to be cut supply device 13 is provided for supplying fibers cut to a certain length to the molten thermoplastic resin M. This fiber to be cut supply device 13 has a storage section 50 of a predetermined volume in the middle of its height. This fiber to be cut supply device 13 is composed of a fiber supply section 2 that simultaneously and continuously supplies a plurality of fibers F to the upper region of the storage section 50, a fiber gathering section 3 that gathers the continuously supplied plurality of fibers F in the upper region of the storage section 50, a fiber cutting section 4 that cuts the gathered plurality of fibers F to a certain length by laser in the upper space region of the storage section 50, a fiber dispersion section 5 that disperses the cut plurality of fibers F within the storage section 50, and a fiber supply section 6 that sends the dispersed plurality of cut fibers F to the molten thermoplastic resin M in the kneading and dispensing device 1 below the storage section 50. Therefore, the kneading and dispensing device 1 dispenses fiber-reinforced thermoplastic resin in which fibers F, cut to a certain length, are kneaded with molten thermoplastic resin M. Note that the continuous supply of fibers F in the fiber supply unit 2 means continuously supplying uncut fibers F in the fiber elongation direction, and not continuously supplying cut fibers over time.

繊維供給部2は、複数のボビン(リール、ロール)20に巻き取られている繊維Fをそれぞれ引き出し、それら複数の繊維Fをガイドローラ21などでガイドしながら1カ所に集中し、集中された複数の繊維Fを繊維集束部3へと供給する。したがって、この繊維供給部2からは、複数の繊維Fが同時に且つ連続して供給される。供給される繊維Fは、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、金属繊維、植物繊維などが適用可能であるが、代表的には炭素繊維である。ボビン20に巻き取られている繊維Fの形態は、ストランド、ロービング、撚糸のような連続繊維であってもよい。連続繊維の長さとしては30m~15000mが例示される。なお、この例では、1ボビンあたり12000本巻き取られている直径7μmの炭素繊維が計48個のボビンから同時に巻き出され、1カ所に集中して供給されている。繊維Fの供給速度は、一例として、10m/分である。 The fiber supply unit 2 extracts fibers F wound on multiple bobbins (reels, rolls) 20, guides these fibers F with guide rollers 21, and concentrates them in one place. The concentrated fibers F are then supplied to the fiber bundling unit 3. Therefore, multiple fibers F are supplied simultaneously and continuously from this fiber supply unit 2. The supplied fibers F can include carbon fibers, glass fibers, boron fibers, aramid fibers, polyethylene fibers, metal fibers, and plant fibers, but carbon fibers are typical. The form of the fibers F wound on the bobbins 20 may be continuous fibers such as strands, rovings, or twisted yarns. Examples of continuous fiber lengths include 30m to 15000m. In this example, 12000 strands of 7μm diameter carbon fiber are wound on each bobbin, and these are simultaneously unwound from a total of 48 bobbins and supplied in a concentrated manner to one place. The fiber supply speed is, for example, 10m/min.

繊維集束部3は、後述するレーザによる切断効率を向上することを目的として、繊維供給部2から供給されてくる複数の繊維Fを小さな面積の範囲に集中する。「集束」は、光学的には、多くの光線が一点に集まることを意味するが、この実施の形態では、前述のように多数の繊維Fが狭い範囲に集中されることから用語「集束」を用いた。この繊維集束部3は、連続的に供給される複数の繊維Fを繊維伸長方向と交差する方向に集束する集束機構30を有する。 The fiber focusing unit 3 concentrates multiple fibers F supplied from the fiber supply unit 2 into a small area, with the aim of improving the laser cutting efficiency described later. While "focusing" optically means many light rays converging at a single point, in this embodiment, the term "focusing" is used because, as described above, a large number of fibers F are concentrated in a narrow area. This fiber focusing unit 3 has a focusing mechanism 30 that focuses the continuously supplied multiple fibers F in a direction intersecting the fiber elongation direction.

図2は、集束機構30の一例として適用される繊維絞り機構31の斜視図である。この繊維絞り機構31は、所定の大きさの開口部31aに複数の繊維Fを挿通することによりそれらの繊維Fを集束するものである。この例の繊維絞り機構31は、パンチの受け型であるダイのような形状で、中央部に断面円形の貫通穴が開口部31aとして形成されている。この貫通穴からなる開口部31aに、図の上方から下方に複数の繊維Fを挿通する。この開口部31aは、繊維差し込み側である上部が上方から下方に向けて先細りとなる円錐台面を有し、その下方に、内径が一定の円柱形状の貫通穴が連続形成されている。したがって、この開口部31aに複数の繊維Fを上方から下方に挿通すると、上部の円錐台面によってそれらの繊維Fが絞られて集束され、その状態で下部の円柱形状貫通穴から送り出される。 Figure 2 is a perspective view of a fiber constriction mechanism 31 applied as an example of a focusing mechanism 30. This fiber constriction mechanism 31 focuses multiple fibers F by inserting them into an opening 31a of a predetermined size. The fiber constriction mechanism 31 in this example has a shape similar to a die, a punch receiving mold, with a circular cross-section through-hole formed as the opening 31a in the center. Multiple fibers F are inserted into this opening 31a from top to bottom in the figure. The opening 31a has a frustoconical surface at the top, which is the fiber insertion side, tapering downwards from top to bottom. Below this, a series of cylindrical through-holes with a constant inner diameter are formed. Therefore, when multiple fibers F are inserted into this opening 31a from top to bottom, they are constricted and focused by the upper frustoconical surface, and then fed out from the lower cylindrical through-holes in that state.

図3は、集束機構30の他の例として適用される交差ローラ機構32の斜視図である。この交差ローラ機構32は、軸線が交差する複数のローラ32aの間に形成された隙間32bに複数の繊維Fを挿通して集束するものである。この例では、回転可能なローラ32aを用い、回転軸線が水平で比較的小さな所定間隔で配設される2本一対の平行なローラ32aを、回転軸線が互いに直交するように上下に二対配設して交差ローラ機構32が構成される。この交差ローラ機構32では、平面視で井桁状に配設された4本のローラ32aの間の隙間32bに図の上方から下方に複数の繊維Fが挿通され、この隙間32bによって複数の繊維Fが集束され、その状態で下方に送り出される。ローラ32aは、駆動力で回転駆動されるものでも、挿通される繊維Fと共に従動回転されるものでもよい。また、ローラ32aは、必ずしも回転しなくてもよい。 Figure 3 is a perspective view of a cross-roller mechanism 32, which is applied as another example of the focusing mechanism 30. This cross-roller mechanism 32 focuses multiple fibers F by inserting them into a gap 32b formed between multiple rollers 32a whose axes intersect. In this example, the cross-roller mechanism 32 is constructed by using rotatable rollers 32a, with two pairs of parallel rollers 32a arranged horizontally at a relatively small predetermined interval, and arranging them vertically so that their rotation axes are perpendicular to each other. In this cross-roller mechanism 32, multiple fibers F are inserted from the top to the bottom of the figure into the gap 32b between four rollers 32a arranged in a grid pattern in plan view. The multiple fibers F are focused by this gap 32b and then fed downwards. The rollers 32a may be rotationally driven by a driving force, or they may rotate in conjunction with the inserted fibers F. Furthermore, the rollers 32a do not necessarily have to rotate.

繊維集束部3の集束機構30には、繊維絞り機構31及び交差ローラ機構32の何れか一方だけを用いてもよいし、双方を用いてもよい。一例として、図1では、交差ローラ機構32のみを集束機構として採用しているが、この下方に繊維絞り機構31を配設することもできる。前述のように、この繊維集束部3によって繊維伸長方向と交差する方向に集束された(集束されている)繊維Fは、レーザで切断される。その際、繊維絞り機構31の開口部31aの内径を交差ローラ機構32による繊維Fの集束体の外径より大きく設定しておくことで、上方の交差ローラ機構32と下方の繊維絞り機構31の間で、後述のレーザを繊維伸長方向と交差(直交)する方向に走査して繊維Fを切断することも可能である。また、この繊維集束部3と繊維切断部4の間には、複数の繊維Fを集束状態に維持して搬送する搬送ローラなどの図示しない搬送機構を介装してもよい。 The fiber focusing mechanism 30 of the fiber focusing unit 3 may use either the fiber squeezing mechanism 31 or the cross-roller mechanism 32, or both. For example, in Figure 1, only the cross-roller mechanism 32 is used as the focusing mechanism, but the fiber squeezing mechanism 31 can also be placed below it. As described above, the fibers F focused (concentrated) in a direction intersecting the fiber elongation direction by this fiber focusing unit 3 are cut by a laser. At that time, by setting the inner diameter of the opening 31a of the fiber squeezing mechanism 31 to be larger than the outer diameter of the fiber F concentrated by the cross-roller mechanism 32, it is possible to scan the laser (described later) in a direction intersecting (orthogonal) to the fiber elongation direction between the upper cross-roller mechanism 32 and the lower fiber squeezing mechanism 31 to cut the fibers F. Furthermore, a transport mechanism (not shown), such as a transport roller for maintaining and transporting multiple fibers F in a concentrated state, may be interposed between the fiber focusing unit 3 and the fiber cutting unit 4.

この実施の形態の繊維切断部4は、レーザを出力するレーザ出力装置41と、出力されたレーザを走査するレーザ走査装置42を備えて構成される。これらの装置には、既存の装置が適用可能である。図4には、この実施の形態の繊維切断部4の概略構成を示す。この繊維切断部4では、集束された(集束されている)複数の繊維Fに対し、レーザ走査装置42によってレーザを繊維伸長方向と交差(直交)する方向に走査して繊維Fを切断する。レーザによる切断は、金属製薄板などの切断が注目されているが、金属と異なり、炭素繊維などの繊維Fは短時間の照射で切断可能である。その結果、この繊維切断部4では、レーザを大きな走査速度で繊維伸長方向と交差(直交)する方向に走査して短時間で繊維Fを切断することができる。一例として、5m/秒の走査速度で集束された上記の複数の繊維Fを切断することができる。このレーザの走査速度は、後述するように、他の操業条件と同様に、調整(制御)可能である。 The fiber cutting unit 4 of this embodiment is configured with a laser output device 41 that outputs a laser and a laser scanning device 42 that scans the output laser. Existing devices can be used for these components. Figure 4 shows a schematic configuration of the fiber cutting unit 4 of this embodiment. In this fiber cutting unit 4, the laser scanning device 42 scans a laser in a direction intersecting (orthogonal to) the fiber elongation direction to cut a plurality of focused (focused) fibers F. While laser cutting has attracted attention for cutting thin metal plates and the like, unlike metals, fibers F such as carbon fibers can be cut with short irradiation times. As a result, this fiber cutting unit 4 can cut fibers F in a short time by scanning the laser at a high scanning speed in a direction intersecting (orthogonal to) the fiber elongation direction. As an example, a plurality of focused fibers F can be cut at a scanning speed of 5 m/s. The scanning speed of this laser can be adjusted (controlled), as with other operating conditions, as will be described later.

この実施の形態では、切断される繊維Fの長さを非接触型長さ測定器43で測定し、所望の長さが達成されるようにレーザの走査タイミングと走査速度をフィードバック制御できるように構成した。推察されるように、切断される繊維Fの長さは、レーザの走査タイミングだけでなく、繊維供給部2からの繊維Fの供給速度によっても調整(制御)することができる。したがって、一例として、集束された複数の繊維Fを確実に切断するためにレーザの走査速度が規制されるような場合には、レーザの走査タイミングだけでなく、繊維Fの供給速度を協調制御する必要が生じる。この実施の形態では、後述するように、切断される繊維Fの長さを種々に変更するためにも、こうした協調制御が達成可能な構成とした。 In this embodiment, the length of the fiber F to be cut is measured by a non-contact length measuring device 43, and the laser scanning timing and scanning speed are configured to be feedback-controlled so that the desired length is achieved. As can be inferred, the length of the fiber F to be cut can be adjusted (controlled) not only by the laser scanning timing but also by the supply speed of the fiber F from the fiber supply unit 2. Therefore, for example, if the laser scanning speed is restricted in order to reliably cut multiple focused fibers F, it becomes necessary to coordinately control not only the laser scanning timing but also the supply speed of the fiber F. In this embodiment, as will be described later, the configuration is designed to enable such coordinated control in order to change the length of the fiber F to be cut in various ways.

繊維分散部5は、切断された複数の繊維Fが分散されるための所定の容積を確保する収容部50を備えて構成される。そして、この収容部50内でプロペラ51を回転して切断された繊維F(以下、被切断繊維Fともいう)を分散させる。この実施の形態では、繊維切断部4で切断されて収容部50内下方に落下する繊維Fに対し、水平方向に対向させた2個一対のプロペラ51で被切断繊維Fの束がばらされるように構成した。このような他の装置としては、スクリューファンなどが挙げられる。また、プロペラ51やスクリューファン、ブロワなどによって生じる気流によって被切断繊維Fを舞い飛ばして分散することもできる。 The fiber dispersion unit 5 is configured with a containment unit 50 that secures a predetermined volume for dispersing the multiple cut fibers F. Within this containment unit 50, a propeller 51 is rotated to disperse the cut fibers F (hereinafter also referred to as "cut fibers F"). In this embodiment, the bundles of cut fibers F that fall downward into the containment unit 50 after being cut in the fiber cutting unit 4 are separated by a pair of horizontally opposed propellers 51. Other such devices include screw fans. Furthermore, the cut fibers F can also be dispersed by airflow generated by the propellers 51, screw fans, blowers, etc.

後述するように、この実施の形態では、溶融熱可塑性樹脂M内に混練される被切断繊維Fの分散性を可及的に一様にすることが目標とされている。図4では、切断された繊維Fをイメージとして強調して示しているが、切断直後の被切断繊維Fは、比較的、集束した状態にある。このように比較的集束した状態の被切断繊維Fを溶融熱可塑性樹脂Mに送給するよりも、その前段階で被切断繊維Fを分散してから送給した方が、溶融熱可塑性樹脂M内での被切断繊維Fの分散性が向上する。 As will be described later, in this embodiment, the goal is to make the dispersibility of the fibers to be cut F mixed into the molten thermoplastic resin M as uniform as possible. In Figure 4, the cut fibers F are exaggerated for illustrative purposes, but immediately after cutting, the fibers F are in a relatively concentrated state. Dispersing the fibers F in an earlier stage before supplying them to the molten thermoplastic resin M improves the dispersibility of the fibers F within the molten thermoplastic resin M compared to supplying them in this relatively concentrated state.

繊維送給部6は、収容部50内で分散している被切断繊維Fを混練送出装置1の収容器内の溶融熱可塑性樹脂Mに送給するものである。この実施の形態では、分散している被切断繊維Fを嵩密度を大きくしながら溶融熱可塑性樹脂M内に強制的に導入する繊維導入機構61を用いた。切断された炭素繊維などの被切断繊維Fは軽量であり、しかも収容部50内で分散している状態であることから、自然落下した被切断繊維Fの嵩密度が小さい場合がある。後述するように、被切断繊維Fの嵩密度が小さいと、溶融熱可塑性樹脂Mの内部に混練するのが困難な場合がある。そこで、この実施の形態では、分散して落下する被切断繊維Fをスクリュー型搬送機構などの繊維導入機構61で捕捉し、スクリュー羽根61aによる推力で被切断繊維Fの嵩密度を大きくしながら強制的に溶融熱可塑性樹脂M内に導入する。被切断繊維Fの嵩密度を大きくすることで、溶融熱可塑性樹脂M内への混練性を向上することが可能となる。被切断繊維Fを混練送出装置1側に吸引するために、混練送出装置1側を負圧にするように構成してもよい。 The fiber supply unit 6 supplies the fibers to be cut F, which are dispersed in the containment unit 50, to the molten thermoplastic resin M in the containment of the kneading and dispensing device 1. In this embodiment, a fiber introduction mechanism 61 is used to forcibly introduce the dispersed fibers to be cut F into the molten thermoplastic resin M while increasing their bulk density. Since the cut fibers F, such as cut carbon fibers, are lightweight and dispersed in the containment unit 50, the bulk density of the naturally falling fibers F may be low. As will be described later, if the bulk density of the fibers to be cut F is low, it may be difficult to knead them into the molten thermoplastic resin M. Therefore, in this embodiment, the dispersed and falling fibers to be cut F are captured by a fiber introduction mechanism 61 such as a screw-type conveying mechanism, and the bulk density of the fibers to be cut F is increased by the thrust of the screw blades 61a while forcibly introducing them into the molten thermoplastic resin M. By increasing the bulk density of the fibers to be cut F, it is possible to improve the kneadability into the molten thermoplastic resin M. To draw the cut fibers F towards the kneading and dispensing device 1, the kneading and dispensing device 1 may be configured to create negative pressure.

この繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、制御室7内に配置された制御装置8によって制御される。前述の繊維供給部2、繊維切断部4、繊維分散部5、繊維送給部6を始め、混練送出装置1やホッパ12の駆動部には、個々に制御部(制御盤)が配置されている。制御室7内の制御装置8は、大型製造設備におけるプロセスコンピュータのように、個々の制御部を統括して制御する役割を担う。この制御装置8によって、前述した繊維切断部4と繊維供給部2の協調制御が司られる。また、この制御装置8に設けられた入出力装置9によって、例えば、被切断繊維Fの長さや溶融熱可塑性樹脂Mへの送給量、繊維強化熱可塑性樹脂の製造速度、すなわちスクリューコンベヤ10の搬送速度などを調整(制御)できる構成としている。 This fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus is controlled by a control device 8 located in the control room 7. Each component, including the aforementioned fiber supply unit 2, fiber cutting unit 4, fiber dispersion unit 5, fiber feeding unit 6, as well as the kneading and dispensing device 1 and the hopper 12, has its own individual control unit (control panel). The control device 8 in the control room 7 plays a central role in controlling these individual control units, much like a process computer in a large-scale manufacturing facility. This control device 8 manages the coordinated control of the aforementioned fiber cutting unit 4 and fiber supply unit 2. Furthermore, the input/output device 9 provided in this control device 8 allows for adjustment (control) of parameters such as the length of the fibers to be cut F, the amount of material fed to the molten thermoplastic resin M, and the manufacturing speed of the fiber-reinforced thermoplastic resin, i.e., the conveying speed of the screw conveyor 10.

被切断繊維Fが炭素繊維である場合、溶融熱可塑性樹脂Mに混練される被切断繊維Fの適切な長さは数cm(3mm以上100mm未満)である。被切断繊維Fの長さが短いと、溶融熱可塑性樹脂M内での分散性が向上し、樹脂成形体の剛性が向上する。一方、被切断繊維Fの長さが長いと、溶融熱可塑性樹脂Mへの混練性が向上し、樹脂成形体の強度が向上する。 When the fiber to be cut F is a carbon fiber, the appropriate length of the fiber to be kneaded into the molten thermoplastic resin M is several centimeters (3 mm or more and less than 100 mm). A shorter fiber length improves dispersibility within the molten thermoplastic resin M, resulting in improved rigidity of the molded resin. Conversely, a longer fiber length improves kneadability into the molten thermoplastic resin M, resulting in improved strength of the molded resin.

前述のように、この実施の形態の製造装置では、溶融熱可塑性樹脂M内での被切断繊維Fの分散性を向上して可及的に一様にすることを1つの目的とする。繊維Fの材質や太さが同一である場合、溶融熱可塑性樹脂M内での被切断繊維Fの分散性が一様であれば、樹脂成形体の力学物性は、被切断繊維Fの長さに依存する。この実施の形態の製造装置では、繊維供給部2の繊維供給速度や繊維切断部4の繊維切断タイミングを調整することにより、短時間に被切断繊維Fの長さを変更することができる。したがって、一例として、溶融熱可塑性樹脂Mに混練される被切断繊維Fの長さをロット(ショット)毎、例えば2~3ロット毎に変更して、種々の力学物性が達成可能な繊維強化熱可塑性樹脂を取得することも可能である。 As described above, one objective of the manufacturing apparatus in this embodiment is to improve the dispersibility of the fibers to be cut F within the molten thermoplastic resin M to make it as uniform as possible. If the material and thickness of the fibers F are the same, and the dispersibility of the fibers to be cut F within the molten thermoplastic resin M is uniform, then the mechanical properties of the resin molded article depend on the length of the fibers to be cut F. In this manufacturing apparatus, the length of the fibers to be cut F can be changed in a short time by adjusting the fiber supply speed of the fiber supply unit 2 and the fiber cutting timing of the fiber cutting unit 4. Therefore, as an example, it is possible to obtain fiber-reinforced thermoplastic resins capable of achieving various mechanical properties by changing the length of the fibers to be cut F kneaded into the molten thermoplastic resin M from lot (shot) to lot (shot), for example, every 2 to 3 lots.

また、刃物などによって繊維Fを機械的に切断するのと異なり、レーザによる繊維Fの切断は、刃先の経時劣化などに伴う切断性能の変化がない。前述のように、非常に細い繊維Fでは、刃物の刃先が劣化すると、切断性能が著しく低下し、例えば繊維Fが毛羽立って絡み合い、塊(だま)になりやすい。このように被切断繊維Fが絡み合った塊になると、溶融熱可塑性樹脂M内での被切断繊維Fの分散性が低下してしまう。これに対し、切断性能が低下しないレーザによる繊維Fの切断では、被切断繊維Fの毛羽立ちが抑制され、溶融熱可塑性樹脂M内での分散性が安定する。 Furthermore, unlike mechanically cutting fibers F with blades, laser cutting of fibers F does not involve changes in cutting performance due to deterioration of the blade tip over time. As mentioned earlier, with very fine fibers F, if the blade tip deteriorates, the cutting performance decreases significantly, and the fibers F tend to fray, tangle, and form clumps. When the fibers F to be cut form such tangled clumps, the dispersibility of the fibers F within the molten thermoplastic resin M decreases. In contrast, laser cutting of fibers F, which does not experience a decrease in cutting performance, suppresses fraying of the fibers F, resulting in stable dispersibility within the molten thermoplastic resin M.

また、この実施の形態の製造装置では、前述のように、混練送出装置1であるスクリューコンベヤ10のスクリュー羽根11の回転速度を比較的小さく設定している。従来の2軸型のスクリューコンベヤでは、連続供給される繊維Fをスクリュー羽根によって切断するために、スクリュー羽根の回転速度を比較的大きく設定していた。これに対し、この実施の形態のスクリューコンベヤ10では、スクリュー羽根11の役割が溶融熱可塑性樹脂Mと被切断繊維Fの混練(搬送を含む)に特化されるので、スクリュー羽根11の回転速度を小さくして被切断繊維Fがそれ以上切断されないようにしている。同様の理由から、従来、2軸型だったスクリューコンベヤを、逆に被切断繊維Fが切断されないように1軸のスクリューコンベヤ10とすることができ、これにより省スペース化が図られる。また、従来の混練送出装置としてのスクリューコンベヤでは、場合によっては、スクリュー羽根に繊維切断機能を特別に付与する必要があるが、この実施の形態のスクリュー羽根11には、そうした機能を付与する必要はない。 Furthermore, in this embodiment of the manufacturing apparatus, as described above, the rotational speed of the screw blades 11 of the screw conveyor 10, which is the kneading and dispensing device 1, is set to a relatively low speed. In conventional twin-screw conveyors, the rotational speed of the screw blades was set to a relatively high speed in order to cut the continuously supplied fibers F with the screw blades. In contrast, in the screw conveyor 10 of this embodiment, the role of the screw blades 11 is specialized to knead (including conveying) the molten thermoplastic resin M and the fibers F to be cut, so the rotational speed of the screw blades 11 is reduced to prevent further cutting of the fibers F. For similar reasons, the conventional twin-screw conveyor can be replaced with a single-screw conveyor 10 to prevent further cutting of the fibers F, thereby saving space. Also, in conventional screw conveyors used as kneading and dispensing devices, it may be necessary to specially add a fiber cutting function to the screw blades in some cases, but the screw blades 11 of this embodiment do not need to have such a function.

図5は、図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率の関係の説明図であり、図6は、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率の関係の説明図である。何れの図でも、繊維長の小さい方からの体積分率を累積値で表している。図5の繊維強化熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂に混練される被切断繊維Fの長さが一定の範囲に且つ一様に分布し、このことにより前述のように溶融熱可塑性樹脂Mへの分散性と混練性が向上し、結果として、樹脂成形品の剛性と強度を両立すると考えられる。これに対して、図6の繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂は、樹脂成形品の強度に殆ど寄与しない極短い繊維長のものが多いことに加え、長い被切断繊維Fが残存することによって応力が集中してしまう繊維の束を生成し、この繊維の束が樹脂成形品の破断の起点となると考えられる。 Figure 5 is an explanatory diagram illustrating the relationship between fiber length and volume fraction of fibers contained in fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using the manufacturing apparatus shown in Figure 1, and Figure 6 is an explanatory diagram illustrating the relationship between fiber length and volume fraction of fibers contained in fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using a conventional manufacturing apparatus with continuous fiber feeding. In both figures, the volume fraction is expressed as a cumulative value, starting from the shortest fiber length. In the fiber-reinforced thermoplastic resin of Figure 5, the length of the cut fibers F kneaded into the thermoplastic resin is distributed uniformly within a certain range. As a result, as mentioned above, the dispersibility and kneadability into the molten thermoplastic resin M are improved, and consequently, it is thought that both rigidity and strength of the molded resin product are achieved. In contrast, in the fiber-reinforced thermoplastic resin of Figure 6, there are many extremely short fibers that contribute little to the strength of the molded resin product. Furthermore, the remaining long cut fibers F create bundles of fibers where stress concentrates, and these bundles of fibers are thought to be the starting point for fracture of the molded resin product.

図7は、図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。また、図8は、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。図は、何れもX線CT写真である。ここでも、図1の製造装置では、熱可塑性樹脂に混練される被切断繊維Fの長さが一定の範囲に且つ一様に分布している。これらの図から明らかなように、図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂内の繊維の長さのバラつきが小さく、長すぎる繊維もないため、繊維の束が見られない。これに対し、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂内には繊維の束(繊維束)が散見される。この繊維の束の部分で応力が集中し、樹脂成形品の破断の起点となりやすい。 Figure 7 is an explanatory diagram showing the state of fibers contained in fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using the manufacturing apparatus shown in Figure 1. Figure 8 is an explanatory diagram showing the state of fibers contained in fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using a conventional manufacturing apparatus with continuous fiber feeding. Both figures are X-ray CT images. Here again, in the manufacturing apparatus shown in Figure 1, the length of the fibers F to be cut, which are kneaded into the thermoplastic resin, is distributed uniformly within a certain range. As is clear from these figures, the variation in fiber length within the fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using the manufacturing apparatus in Figure 1 is small, and there are no excessively long fibers, so no fiber bundles are observed. In contrast, fiber bundles (fiber bundles) are scattered throughout the fiber-reinforced thermoplastic resin manufactured using a conventional manufacturing apparatus with continuous fiber feeding. Stress concentrates at these fiber bundles, making them prone to becoming the starting point for fracture in the molded resin product.

図9は、図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂(実施例)並びに従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂(比較例)の引張弾性率と引張強度の関係を示す説明図である。前述のように、また同図に示すように、図1の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂は、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に比べて、引張弾性率(剛性)も引張強度も向上している。 Figure 9 is an explanatory diagram showing the relationship between tensile modulus and tensile strength of fiber-reinforced thermoplastic resin produced using the manufacturing apparatus shown in Figure 1 (Example) and fiber-reinforced thermoplastic resin produced using a conventional manufacturing apparatus (Comparative Example). As mentioned above and as shown in the figure, the fiber-reinforced thermoplastic resin produced using the manufacturing apparatus shown in Figure 1 exhibits improved tensile modulus (stiffness) and tensile strength compared to the fiber-reinforced thermoplastic resin produced using a conventional manufacturing apparatus.

このように、この実施の形態の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法及び製造装置では、連続的に供給される複数の繊維Fは、収容部50の上部空間領域にて、繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断される。レーザは、高速で走査しても繊維Fを切断することができるので、レーザの走査速度を大きく設定することで、連続供給される複数の繊維Fを確実に且つ速やかに一定の長さに切断することができる。また、繊維Fを刃物によって機械的に切断するのと異なり、レーザによる繊維Fの切断性能が経時的に劣化することもない。すなわち、連続供給される複数の繊維Fを、確実に安定して且つ迅速に一定の長さに切断することができる。そして、切断された繊維Fを混練送出装置1内の溶融状態の熱可塑性樹脂Mに送給し、その後、混練してから送出することにより、熱可塑性樹脂Mと切断後の繊維Fの混練状態を一様なものとすることができる。したがって、一定の長さに切断された繊維Fが分散状態で溶融状態の熱可塑性樹脂Mに送給され、それが一定の混練状態で送出されることから、熱可塑性樹脂M内における繊維Fの分散性も向上する。その結果、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に且つ確実に得ることができる。 In this embodiment of the method and apparatus for manufacturing fiber-reinforced thermoplastic resin, a plurality of continuously supplied fibers F are cut to a constant length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction in the upper space region of the housing 50. Since the laser can cut the fibers F even when scanned at high speed, by setting a high laser scanning speed, a plurality of continuously supplied fibers F can be reliably and quickly cut to a constant length. Furthermore, unlike mechanically cutting the fibers F with a blade, the laser cutting performance of the fibers F does not deteriorate over time. That is, a plurality of continuously supplied fibers F can be reliably, stably, and quickly cut to a constant length. The cut fibers F are then fed into the molten thermoplastic resin M in the kneading and dispensing device 1, kneaded, and then discharged, thereby ensuring a uniform kneading state between the thermoplastic resin M and the cut fibers F. Therefore, since the fibers F cut to a constant length are fed into the molten thermoplastic resin M in a dispersed state and discharged in a uniformly kneaded state, the dispersibility of the fibers F within the thermoplastic resin M is also improved. As a result, fiber-reinforced thermoplastic resins with the desired mechanical properties can be obtained continuously and reliably.

また、供給される繊維Fの繊維供給速度及び繊維切断タイミングの少なくとも一方を制御することによって切断される繊維Fの長さを調整することができる。そして、このように長さの異なる繊維Fを溶融状態の熱可塑性樹脂Mに混練することにより、繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性を変更することができる。したがって、種々の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を確実に且つ容易に得ることができる。 Furthermore, the length of the cut fibers F can be adjusted by controlling at least one of the fiber supply rate and fiber cutting timing of the supplied fibers F. By kneading fibers F of different lengths into a molten thermoplastic resin M, the mechanical properties of the fiber-reinforced thermoplastic resin can be altered. Therefore, fiber-reinforced thermoplastic resins with various mechanical properties can be reliably and easily obtained.

また、切断される繊維Fの長さを3mm以上100mm未満とすることにより、溶融熱可塑性樹脂M内での分散性と溶融熱可塑性樹脂Mへの混練性が向上し、結果として、樹脂成形体の剛性と強度を両立することができる。 Furthermore, by setting the length of the cut fibers F to 3 mm or more and less than 100 mm, the dispersibility within the molten thermoplastic resin M and the kneadability into the molten thermoplastic resin M are improved, resulting in a balance between rigidity and strength of the molded resin article.

また、繊維切断部4に供給される前に、集束機構30によって連続的に供給される複数の繊維Fを集束することにより、繊維切断部4のレーザによる繊維Fの切断所用時間を短縮することができる。その結果、切断される繊維Fの長さをより一層一様なものとすることができる。 Furthermore, by focusing the multiple fibers F that are continuously supplied by the focusing mechanism 30 before being supplied to the fiber cutting unit 4, the time required for the laser cutting of the fibers F in the fiber cutting unit 4 can be shortened. As a result, the length of the cut fibers F can be made even more uniform.

また、繊維集束部3は、所定の大きさの開口部31aに複数の繊維Fを挿通して集束する繊維絞り機構31、及び、軸線が交差する複数のローラ32aの間に形成された隙間32bに複数の繊維を挿通して集束する交差ローラ機構32の少なくとも一方を備える。これらは、比較的容易な構成で、連続供給される複数の繊維Fを繊維伸長方向と交差する方向に確実に収束することができる。 Furthermore, the fiber bundling unit 3 includes at least one of a fiber constriction mechanism 31 that bundles multiple fibers F by inserting them into an opening 31a of a predetermined size, and a cross-roller mechanism 32 that bundles multiple fibers by inserting them into a gap 32b formed between multiple rollers 32a whose axes intersect. These components, with their relatively simple configuration, can reliably converge multiple continuously supplied fibers F in a direction intersecting the fiber elongation direction.

また、繊維切断部4で切断された被切断繊維Fは、収容部50内にて、プロペラ51による物理的な攪拌や、気流によって分散される。このように切断後の繊維Fを予め分散させておくことにより、一定の長さに切断された繊維Fが分散状態で溶融状態の熱可塑性樹脂Mに送給され、混練後の熱可塑性樹脂M内における繊維Fの分散性がより一層向上する。 Furthermore, the fibers F cut in the fiber cutting section 4 are dispersed within the storage section 50 by physical agitation using the propeller 51 and by airflow. By pre-dispersing the cut fibers F in this way, the fibers F, cut to a certain length, are supplied to the molten thermoplastic resin M in a dispersed state, further improving the dispersibility of the fibers F within the thermoplastic resin M after kneading.

また、切断された繊維Fは軽量であり、しかも所定の容積の収容部50内にて分散されているので、例えば、自由落下によって溶融状態の熱可塑性樹脂M内に安定送給することが困難な場合もある。この分散状態にある軽量の被切断繊維Fを繊維導入機構61によって捕捉して熱可塑性樹脂Mに強制的に導入することにより、熱可塑性樹脂M内への繊維導入量を安定させることが可能となり、これにより繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性を安定化することができる。また、繊維導入機構61によって被切断繊維Fの嵩密度を大きくすることにより、溶融熱可塑性樹脂M内への混練性を向上することができる。 Furthermore, since the cut fibers F are lightweight and dispersed within the predetermined volume of the storage section 50, it may be difficult to stably supply them into the molten thermoplastic resin M by free fall, for example. By capturing these dispersed, lightweight cut fibers F with the fiber introduction mechanism 61 and forcibly introducing them into the thermoplastic resin M, it becomes possible to stabilize the amount of fibers introduced into the thermoplastic resin M, thereby stabilizing the mechanical properties of the fiber-reinforced thermoplastic resin. In addition, by increasing the bulk density of the cut fibers F with the fiber introduction mechanism 61, the kneadability into the molten thermoplastic resin M can be improved.

以上、実施の形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法及びその装置について説明したが、本件発明は、上記実施の形態で述べた構成に限定されるものではなく、本件発明の要旨の範囲内で種々変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、集束された(集束されている)複数の繊維Fの全数をレーザによって切断しているが、例えば、レーザの繊維伸長方向と交差(直交)する方向への走査を繊維束の途中までとすることも可能である。また、レーザの出力を抑制して、繊維束のレーザ照射側の部分だけを切断することも可能である。そして、このような制御を行えば、切断される繊維Fに長いものと短いものを混在させることもできる。被切断繊維Fに長いものが混在されることで、被切断繊維Fの溶融熱可塑性樹脂Mへの導入性が向上する。これは、被切断繊維Fが繊維導入機構61で溶融熱可塑性樹脂M内に導入される際、長い被切断繊維Fの方がスクリュー羽根61aに巻き込まれやすく、これに引きずられるようにして短い被切断繊維Fも樹脂内に搬送されるからである。また、制御された長さの被切断繊維Fを混在させることにより、繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性を向上させることも可能となる。 The above describes a method for manufacturing fiber-reinforced thermoplastic resin and the apparatus thereof according to the embodiment. However, the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, all of the multiple focused fibers F are cut by a laser, but it is also possible to scan the fiber bundle only partway through, for example, in a direction intersecting (orthogonal to) the fiber elongation direction of the laser. It is also possible to suppress the output of the laser and cut only the portion of the fiber bundle on the laser irradiation side. Furthermore, by performing such control, it is possible to mix long and short fibers F that are cut. Mixing long fibers F with the fibers to be cut improves the ease with which the fibers F to be cut are introduced into the molten thermoplastic resin M. This is because, when the fibers F to be cut are introduced into the molten thermoplastic resin M by the fiber introduction mechanism 61, the longer fibers F to be cut are more easily caught in the screw blades 61a, and the shorter fibers F to be cut are also transported into the resin as they are dragged along by them. Furthermore, by incorporating cut fibers F of controlled lengths, it becomes possible to improve the mechanical properties of the fiber-reinforced thermoplastic resin.

1 混練送出装置(混練送出部)
2 繊維供給部
3 繊維集束部
4 繊維切断部
5 繊維分散部
6 繊維送給部
30 集束機構
31 繊維絞り機構
31a 開口部
32 交差ローラ機構
32a ローラ
32b 隙間
42 レーザ走査装置
50 収容部
51 プロペラ
61 繊維導入機構
F 繊維
M 熱可塑性樹脂
1. Mixing and dispensing device (mixing and dispensing section)
2 Fiber supply unit 3 Fiber bundling unit 4 Fiber cutting unit 5 Fiber dispersion unit 6 Fiber feeding unit 30 Bundling mechanism 31 Fiber squeezing mechanism 31a Opening 32 Crossing roller mechanism 32a Roller 32b Gap 42 Laser scanning device 50 Storage unit 51 Propeller 61 Fiber introduction mechanism F Fiber M Thermoplastic resin

Claims (12)

混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、
前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、
前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、
前記繊維分散部の下段位置に設けられ、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構と、
前記繊維導入機構により導入された被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え
前記繊維導入機構は、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構であり、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
In a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus, a predetermined length of fiber is supplied to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and the fiber is kneaded to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin,
A fiber supply unit that continuously supplies multiple fibers to the upper region of a storage unit of a predetermined volume,
A fiber cutting unit that cuts the continuously supplied plurality of fibers to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction and drops them downward into the housing unit,
A fiber dispersion section is provided at a lower position of the fiber cutting section and disperses the fibers to be cut within the containment section by physical agitation or airflow,
A fiber introduction mechanism is provided at a lower position of the fiber dispersion section and forcibly introduces the dispersed fibers to be cut into the molten thermoplastic resin while increasing their bulk density.
The system includes a kneading and dispensing unit that kneads the fibers to be cut introduced by the fiber introduction mechanism with the molten thermoplastic resin and then dispenses the mixture .
The fiber introduction mechanism is a screw-type conveying mechanism having screw blades that rotate around an axis, and is characterized in that the screw blades capture the fibers to be cut to increase their bulk density, and the thrust from the screw blades forces the fibers to be cut into place .
混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、
前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、
前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、
分散されて落下した前記被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え
前記繊維分散部は、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラを含み、該プロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
In a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus, a predetermined length of fiber is supplied to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and the fiber is kneaded to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin,
A fiber supply unit that continuously supplies multiple fibers to the upper region of a storage unit of a predetermined volume,
A fiber cutting unit that cuts the continuously supplied plurality of fibers to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction and drops them downward into the housing unit,
A fiber dispersion section is provided at a lower position of the fiber cutting section and disperses the fibers to be cut within the storage section by physical agitation,
It comprises a kneading and dispensing unit that kneads the dispersed and dropped cut fibers and the molten thermoplastic resin and then dispenses the mixture ,
The apparatus for producing fiber-reinforced thermoplastic resin is characterized in that the fiber dispersion section includes a propeller positioned within the area where the fibers to be cut fall, and the fibers to be cut are agitated by the rotation of the propeller .
混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、
前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部と、
集束された繊維の束を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、
前記落下した被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備えことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
In a fiber-reinforced thermoplastic resin manufacturing apparatus, a predetermined length of fiber is supplied to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and the fiber is kneaded to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin,
A fiber supply unit that continuously supplies multiple fibers to the upper region of a storage unit of a predetermined volume,
A fiber bundling unit that bundles the continuously supplied plurality of fibers by a bundling mechanism,
A fiber cutting unit that cuts the bundle of focused fibers at a certain length up to a certain point using a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction, and drops the fibers downward into the housing unit,
A manufacturing apparatus for fiber-reinforced thermoplastic resin, characterized by comprising a kneading and discharging unit that kneads the fallen cut fibers and the molten thermoplastic resin and discharges the mixture.
前記繊維切断部の前段に、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。 The apparatus for producing fiber-reinforced thermoplastic resin according to claim 1 or 2 , further comprising a fiber bundling section preceding the fiber cutting section, which bundles the continuously supplied plurality of fibers using a bundling mechanism. 前記繊維集束部は、前記集束機構として、所定の大きさの開口部に前記複数の繊維を挿通して集束する繊維絞り機構及び軸線が交差する複数のローラの間に形成された隙間に前記複数の繊維を挿通して集束する交差ローラ機構の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項3又は4に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。 The fiber bundling section is characterized in that it comprises at least one of the following as the bundling mechanism: a fiber drawing mechanism that inserts and bundles the plurality of fibers into an opening of a predetermined size; and a cross-roller mechanism that inserts and bundles the plurality of fibers into a gap formed between a plurality of rollers whose axes intersect. This is the apparatus for manufacturing fiber-reinforced thermoplastic resin according to claim 3 or 4 . 前記繊維切断部の下段位置には、前記被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部を備えたことを特徴とする請求項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。 The apparatus for producing fiber-reinforced thermoplastic resin according to claim 3 , characterized in that a fiber dispersion section is provided at a lower position of the fiber cutting section for dispersing the fibers to be cut within the containment section by physical stirring or airflow. 前記繊維分散部の下段位置には、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構を備えることを特徴とする請求項2又は6に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。 The apparatus for producing fiber-reinforced thermoplastic resin according to claim 2 or 6, characterized in that a fiber introduction mechanism is provided at a lower position of the fiber dispersion section for forcibly introducing the dispersed fibers to be cut into the molten thermoplastic resin while increasing its bulk density. 前記繊維供給部による繊維供給速度及び繊維切断部による繊維切断タイミングの少なくとも一方を制御することによって前記切断される繊維の長さを調整可能としたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。 The apparatus for producing fiber-reinforced thermoplastic resin according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the length of the cut fibers can be adjusted by controlling at least one of the fiber supply speed by the fiber supply unit and the fiber cutting timing by the fiber cutting unit. 前記切断される繊維の長さを3mm以上100mm未満としたことを特徴とする請求項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。 The apparatus for producing fiber-reinforced thermoplastic resin according to claim 8 , characterized in that the length of the fibers to be cut is 3 mm or more and less than 100 mm. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、
前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、
前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、
前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、
前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、
前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え
前記繊維送給ステップは、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構により行われ、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。
In a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin, in which fibers of a predetermined length are supplied to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and the fibers are kneaded together to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin,
A fiber supply step of simultaneously and continuously supplying multiple fibers to the upper region of a storage section of a predetermined volume,
A fiber focusing step in which the plurality of fibers supplied continuously are focused by a focusing mechanism,
A fiber cutting step in which the multiple focused fibers are cut to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction in the upper spatial region of the housing and dropped downward into the housing;
A fiber dispersion step in which the cut and falling fibers are dispersed within the containment section by physical agitation or airflow,
A fiber feeding step involves forcibly introducing the dispersed fibers to be cut into the molten thermoplastic resin while increasing their bulk density.
The system includes a kneading and dispensing step in which the molten thermoplastic resin into which the fibers to be cut have been supplied is kneaded and then dispensed .
The fiber feeding step is performed by a screw-type conveying mechanism having screw blades that rotate around an axis, characterized in that the screw blades capture the fibers to be cut to increase their bulk density, and the thrust from the screw blades forces the fibers to be cut into place .
混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、
前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、
前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、
前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、
前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、
前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え
前記繊維分散ステップにて、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。
In a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin, in which fibers of a predetermined length are supplied to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and the fibers are kneaded together to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin,
A fiber supply step of simultaneously and continuously supplying multiple fibers to the upper region of a storage section of a predetermined volume,
A fiber focusing step in which the plurality of fibers supplied continuously are focused by a focusing mechanism,
A fiber cutting step in which the multiple focused fibers are cut to a certain length by a laser scanned in a direction intersecting the fiber elongation direction in the upper spatial region of the housing and dropped downward into the housing;
A fiber dispersion step in which the cut and falling fibers are dispersed within the containment section by physical agitation ,
A fiber feeding step in which the dispersed fibers to be cut are forcibly introduced into the molten thermoplastic resin while increasing their bulk density,
The system includes a kneading and dispensing step in which the molten thermoplastic resin into which the fibers to be cut have been supplied is kneaded and then dispensed .
A method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin, characterized in that, in the fiber dispersion step, the fibers to be cut are stirred by the rotation of a propeller placed within the area where the fibers to be cut fall.
混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、
前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、
前記集束された繊維の束を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、
前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、
前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、
前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備えことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。
In a method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin, in which fibers of a predetermined length are supplied to a molten thermoplastic resin contained in a kneading and dispensing device, and the fibers are kneaded together to produce a fiber-reinforced thermoplastic resin,
A fiber supply step of simultaneously and continuously supplying multiple fibers to the upper region of a storage section of a predetermined volume,
A fiber focusing step in which the plurality of fibers supplied continuously are focused by a focusing mechanism,
A fiber cutting step involves using a laser that scans the bundle of focused fibers in the upper spatial region of the housing in a direction intersecting the fiber elongation direction , cutting the bundle of fibers to a certain length up to a certain point, and dropping it downward into the housing;
A fiber dispersion step in which the cut and falling fibers are dispersed within the containment section by physical agitation or airflow,
A fiber feeding step in which the dispersed fibers to be cut are forcibly introduced into the molten thermoplastic resin while increasing their bulk density,
A method for producing a fiber-reinforced thermoplastic resin, comprising a kneading and dispensing step of kneading the molten thermoplastic resin to which the fibers to be cut have been supplied and dispensing the kneaded resin.
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