JP2004017412A - 曲がりパイプの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の形状の曲がりパイプを製造可能とすると共に、その度に所要形状のマンドレルを必要とすることのない、工業生産容易な、ＦＲＰ製の曲がりパイプの製造方法を提供することである。
【解決手段】マンドレルに所定糸条を巻き付けて前記糸条と糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて中空パイプを成形する際に、前記マンドレルを、弾性を有する外層被覆材と、液相と固相とに相変化自在な内部充填材とから構成した。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の糸条或いは繊維束（以下、単に糸条と称する）をマンドレルの周囲に巻き付けて種々の組成体を組成する繊維強化複合材料の曲がりパイプの製造方法に係り、特にマンドレル形状を種々用意する必要のない、工業的に有利な曲がりパイプの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、ガラス繊維や炭素繊維、あるいはナイロン繊維等の高強力糸条よりなる組物構造体で樹脂製のライナーを被覆した繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ：以下、ＦＲＰという）でパイプやシャフトを製造している。代表例としてはカーボン繊維を混入したカーボンシャフトと呼ばれるシャフトが知られている。このような繊維強化複合材料の製造は、一端から他端に向って外径が単調に減少する単一テーパーの棒状のマンドレル上に離型剤を塗布した上で極細の炭素繊維を多数並列してエポキシ樹脂等で固めシート状としたプリプレグを複数層重ね巻きして真直なシャフトを成形し、これをオーブン又は金型に装填して加熱硬化する方法が、効率的で精度が良いとして一般的に用いられてきた。
【０００３】
また、繊維強化複合材料の製造方法としては、フィラメントワインディング成形、シートワインディング成形の他に自動的に組成体を成形するブレイディング成形が知られている。
【０００４】
上記のブレイディング成形方法は、種々の形状のＦＲＰを連続的に自動生産可能とするものであるが、あくまでもストレートなパイプやシャフト、或いは直線状を組み合わせた形状のＦＲＰ製造方法である。
【０００５】
従来、曲がった形状のパイプ等の繊維強化複合材料は、複数本の強化繊維糸条を交錯させて組成体を組成した後、所定の曲がった形状を有する伸縮性マンドレルを挿入して樹脂と共に金型内に充填し、伸縮性マンドレル内に空気を圧送して所定の曲がった形状を維持しながら、加圧加熱し樹脂を硬化させて金型内より取り出し、伸縮性マンドレルを除去する方法（いわゆる内圧成形法）により製造されている。
【０００６】
また、特開平８−１４２２０７号公報にはコイルバネを用いた繊維強化複合材料曲管の製造方法が開示されている。さらには、特開平１０−２３４９０３号公報にもコイル部材を一部に利用した曲管の製造方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記内圧成形法による曲がりパイプの製造方法では、曲がったマンドレル形状を維持するためには圧縮エアーを供給してやる必要がある。また、特開平８−１４２２０７号公報や特開平１０−２３４９０３号公報に開示されている製造方法では、コイルバネの上に離型材とプリプレグを巻き付けて、任意形状に曲げた後に加熱することで繊維強化複合材料曲管を製造する構成であり、加熱硬化後にコイルバネを取り外す作業が必要である。
【０００８】
そのために、曲管（曲がりパイプ）が製造可能とはいえ、コイルバネが取り外せる程度の曲がり具合に限定されることになる。また、このコイルバネ取り外し作業も簡単に行えるものではない。
【０００９】
本発明の目的は、任意の形状の曲がりパイプを製造可能とすると共に、その度に所要形状のマンドレルを必要とすることのない、工業生産容易な、ＦＲＰ製の曲がりパイプの製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、マンドレルに所定糸条を巻き付けて、前記糸条と糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて中空パイプを成形する製造方法であって、前記マンドレルを、弾性を有する外層被覆材と、液相と固相とに相変化自在な内部充填材とから構成したことを特徴としている。
【００１１】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、液相状態の内部充填材を詰め込んだ弾性外層被覆材を任意の形状にセットして固化することで、任意の形状のマンドレルを得ることができ、また、充填材が固相であれば堅固なマンドレルとして、所定糸条を交錯させて組成体を組成する際の心棒として十分使用可能となり、ブレイディング成形を行うこともできる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記マンドレルは、開口部に着脱自在なプラグ栓を備える袋状あるいは筒状の外層被覆材に前記内部充填材を充填して形成されることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、プラグ栓を着脱することで液相状態の内部充填材を外層被覆材から出し入れすることができる。また、成形終了後にはプラグ栓を開放し、液相状態の内部充填材を排出することで、弾性を有する外層被覆材を収縮させ、マンドレルと成形品との分離を簡単に行うことができる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、前記内部充填材は、糸条巻き付け時には固体であり、樹脂を硬化させるヒートセット時の成形温度では蒸気圧を発生する性質を有することを特徴とする。
【００１５】
上記の構成を有する請求項３に係る発明によれば、マンドレルに剛性を持たせて組成加工を行い、ヒートセット時には内部充填材の蒸気圧により内圧を高めることができ、所定の成形圧力を保って曲がりパイプを製造することができる。また、そのために、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂でも使用可能となる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、前記内部充填材は、水であることを特徴としている。
【００１７】
上記の構成を有する請求項４に係る発明によれば、安価な材料の水を使用して、任意の形状の曲がりパイプ製造時のマンドレルを得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る曲がりパイプの製造方法の実施の形態について、図１から図５に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明に係るマンドレルの全体断面図であり、（ａ）は内部充填材を注入してマンドレルを形成したものを示し、（ｂ）は前記マンドレルにブレイディング成形を施したものを示す。図２は曲がりパイプを成形加工するところを示し、（ａ）は全体斜視図であって、（ｂ）は完成された曲がりパイプを示す斜視図である。図３はＳ字状の曲がりパイプを成形加工するところを示し、（ａ）は全体斜視図であって、（ｂ）は完成された曲がりパイプを示す斜視図である。図４はブレイダーの一例を示す概略的な正面図であり、図５は図４に示したブレイダーの概略側断面図である。
【００２０】
図４および図５にもとづき、複数本の強化繊維糸条を交錯させて組成体を組成する自動機であるブレイダーの一構成例について説明する。ブレイダーＢＲは、ブレイダー本体Ｂｂとマンドレル装置Ｂｍから構成されている。この発明の適用例において、前記マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍの位置を制御するための装置であり、マンドレルｍを把持して水平移動および回転動作を行うものである。詳細については特開平８−２４６３０４号公報に記載されているブレイダーと同等であるのでここでは詳述しない。
【００２１】
前記ブレイダー本体Ｂｂは、軸線が水平で一側に開口ｅを有するほぼ円筒状の機台Ｆｂ内に配置された曲率半径Ｒの曲面状の上板Ｕと、上板Ｕの周方向に穿設された軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣと、ボビンキャリアーＣを軌道に沿って走行させるための駆動装置Ｄと、糸条案内装置Ｇを有している。
【００２２】
そして、ボビンキャリアーＣに載置されたボビンからボビンの軸線方向に引き出される糸条Ｙが上板Ｕのほぼ中心に集合し、また、マンドレル装置Ｂｍに取り付けられたマンドレルｍの位置は、マンドレルｍ上に形成される組物の組み上げ点Ｐが上板Ｕの中心に位置するようになっている。マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍを一次元、二次元あるいは三次元的に位置制御することができる。
【００２３】
こうして、ボビンキャリアーＣが駆動装置Ｄによって軌道に沿って走行させられるとともに、マンドレルｍの位置がマンドレル装置Ｂｍによって制御され、その結果、多数の糸条Ｙが交錯し、また、必要に応じて、機台ＦｂのフレームＦｂ’にほぼ水平に配置されたボビンキャリアーＣから中糸用糸条ｙが、軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣから巻き戻され組み上げられる糸条Ｙに交絡することにより、ブレイディングが行われて種々の形状のマンドレルｍ上に組物が組み上げられる。
【００２４】
ブレイディングによる組物作製が完了した後、適当な切断装置によって糸条Ｙおよびｙが切断され、完成した組物を備えたマンドレルｍは、マンドレル装置Ｂｍから取り外される。
【００２５】
図１（ａ）に示すマンドレル１は、弾性を有する外層被覆材２としてゴムチューブを採用し、内部充填材３として水を注入してプラグ栓４を装着して密閉した構成である。内部充填材３が水のままではブレイディング成形を安定して行うことはできない。そこで水を凍らせて氷とし固化したうえでブレイディングを行い、図１（ｂ）に示すプリプレグ５ａを巻き付けたブレイディング組成体５が製造される。
【００２６】
内部充填材３が氷のままでは直線状を保持した形状であるが、周囲温度を上げていくと段々液状となり、任意の形状に変形可能となる。
【００２７】
ブレイディングシステムにより熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）または熱可塑性樹脂（例えばポリエチレン樹脂）を含浸又は混繊してある複数の糸条あるいは紐状のプリプレグ５ａ（例えばガラス繊維や炭素繊維）をマンドレル１に巻き付けるように交錯させて、ブレイディング組成体５を成形する。
【００２８】
ブレイディング成形後に加熱処理することで、互いのブレイディング層を溶融一体化して極めて強固な容器壁を形成して、堅固な成形品を完成させることができる。加熱処理前においては、前記ブレイディング組成体５は堅固ではなく、ある程度の柔軟性を持つ、液体状もしくは混相（液相と固相とが混じった状態）となっている。つまり、熱処理前においては内部充填材３が柔軟性を持っていることで、ブレイディング組成体５を任意の形状の金型にセットすることが可能となる。
【００２９】
そこで、図２（ａ）に示すように曲線状の型溝が形成された金型である上型７と下型８の型溝に、マンドレル１とブレイディング組成体５との構成体をセットすることができる。９は封止用の螺子であり、上下の金型を締付けるように型溝の周囲に複数箇所設けたらよい。上下の金型を締付ける際に、同時に、プラグ栓４をマンドレル１から抜け出さないように固着することで、内部圧を逃がすことなく成形硬化することができる。
【００３０】
ブレイディング組成体５を金型にセットした状態で乾燥炉（図示せず）等により加熱処理を行う。加熱処理を行うとプリプレグに含浸していた樹脂が硬化することで、所定の形状をしたブレイディング成形品が得られる。硬化したブレイディング成形品から内部充填材３を抜取り、マンドレル１を取り外して図２（ｂ）に示す曲がりパイプ１０が得られる。
【００３１】
図３（ａ）にはＳ字状の型溝が形成された金型７ａ，８ａとでマンドレル組成体５をＳ字状にセットして加熱処理を行うことで、図３（ｂ）に示すＳ字状の曲がりパイプ１１を得ることができる。またこの時に、マンドレル１は両端にプラグ栓４を配設する両切り構成としてもよい。
【００３２】
内部充填材３に水を使用した本実施例においては、加熱処理の際に加熱温度を１３０℃にて行った。この温度で熱処理を行うと水が加熱され蒸気圧が発生することで、内部圧が高まることになる。この内部圧を利用して成形時に金型の型溝形状を確実に再現する成形品が得られる。また、１３０℃で加熱すると蒸気圧が３ｋｇ／ｃｍ^２程度まで上昇し、成形時に好適な内部圧を得ることができる。
【００３３】
樹脂フロー孔６は、成形加熱時にプリプレグに含浸していた樹脂が一旦流動化して固まる際に、余分な樹脂を逃がすことができる孔であり、型溝の中央部付近に所定ピッチ毎に複数配設することが好適である。なお、前記樹脂フロー孔６は下型に設けると樹脂が漏れすぎる可能性があるため、上型のみに設けるのがよい。
【００３４】
本発明による曲がりパイプの製造方法によれば、任意の形状のパイプが製造可能であって、図２（ｂ）に示す単純な曲がりパイプ１０はもちろん、図３（ｂ）に示すＳ字状の曲がりパイプ１１や図示しないその他の三次元状のパイプまでをも製造可能なものである。
【００３５】
加熱処理終了後に金型を取り外し、さらにプラグ栓４を取り外すことで液相状態の内部充填材３を抜き出すと、ゴムチューブである外層被覆材２が楽に取り出せて、成形品とマンドレルとを簡単に分離することができる。
【００３６】
所定の曲がった形状に成形する際に、混相状態で変形可能な内部充填材３を所定の曲がった形状とし、その外形を保ったままのマンドレル組成体５の表面に、ポリエステルフィルムやポリプロピレンフィルム等のＦＲＰ成形用ラッピングテープを巻き付けることができる。ラッピングテープを巻き付けた状態で、金型を使用せずに、プリプレグを固定するとともにテープの熱収縮性を利用し、ラッピングテープの収縮と内部充填材３の内部圧とで成形圧力を付与させて、加熱硬化させることが可能である。つまり、本発明に係るマンドレル１を使用すると金型を必要とせずに、曲がりパイプを成形することもできる。
【００３７】
上記したように、内部充填材３に求められる性質は、プルプレグ巻き付け時（ブレイディング成形時）には固体であり、ヒートセット時の成形温度では蒸気圧を発生することであって、このような性質を有する物質としては、比較的身近な温度範囲で固体（氷）、液体（水）、気体（蒸気）の相変化をおこす水やワックス等が利用可能であるが、ここでは安価に入手可能であり、また取り扱いが楽な水を採用した。
【００３８】
水を内部充填材３として利用したために、ゴムチューブである外層被覆材２に注入してマンドレル１を形成する際には液体の状態で注入することで、丁度満杯状まで確実に注入することができる。また、ブレイディング成形の際には、水を氷とすることで固化し堅固なマンドレル１上にプリプレグ５ａ（例えばガラス繊維や炭素繊維）を巻き付けてブレイディング成形を施すことができる。さらには、曲がった型溝を有する金型にブレイディング組成体５をセットする際には、氷を少し解凍することで混相状態とし、柔軟性を持たせて前記曲がった型溝にはめ込むことができる。
【００３９】
熱処理の際には、１３０℃程度まで昇温させると内部の水が蒸気化することで内部圧を発生し、適当な成形圧力を得て、型溝に忠実な形状を再現した成形品を製造することができる。また、成形終了後には常温に戻すだけで、内部充填材３が水となり液相に戻り、プラグ栓４を開放することで全ての内部充填材３を抜き出すことができ、マンドレル１を曲がりパイプから分離することができる。
【００４０】
前記のように、本発明は、水の固体状（氷）、液体状（水）、及び気体状（蒸気化）の３相変化を有効に利用することで、内圧成形法では必要とする成形硬化時の圧縮エアーを必要とせずに、繊維強化複合材料の曲がりパイプを製造可能としたものである。また、成形方法としてはフィラメントワインディング成形、シートワインディング成形、ブレイディング成形法のいずれにも対応可能であり、組成後の組成体を任意の形状の金型にセットすることができるので、種々の形状のマンドレルを用意しておく必要もないという優れた効果を有する。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、マンドレルに所定糸条を巻き付けて、前記糸条と糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて中空パイプを成形する製造方法であって、前記マンドレルを、弾性を有する外層被覆材と、液相と固相とに相変化自在な内部充填材とから構成するとしたので、液相状態の内部充填材を詰め込んだ弾性外層被覆材を任意の形状にセットして固化することで、任意の形状のマンドレルを得ることができ、また、充填材が固相であれば堅固なマンドレルとして、所定糸条を交錯させて組成体を組成する際の心棒として十分使用可能となり、ブレイディング成形を行うこともできる。
【００４２】
請求項２に係る発明によれば、前記マンドレルは、開口部に着脱自在なプラグ栓を備える袋状あるいは筒状の外層被覆材に前記内部充填材を充填して形成されるとしたので、プラグ栓を着脱することで液相状態の内部充填材を外層被覆材から出し入れすることができる。また、成形終了後にはプラグ栓を開放し、液相状態の内部充填材を排出することで、弾性を有する外層被覆材を収縮させ、マンドレルと成形品との分離を簡単に行うことができる。
【００４３】
請求項３に係る発明によれば、前記内部充填材は、糸条巻き付け時には固体であり、樹脂を硬化させるヒートセット時の成形温度では蒸気圧を発生する性質を有するとしたので、マンドレルに剛性を持たせて組成加工を行い、ヒートセット時には内部充填材の蒸気圧により内圧を高めることができ、所定の成形圧力を保って曲がりパイプを製造することができる。
【００４４】
請求項４に係る発明によれば、前記内部充填材は、水であるとしたので、安価な材料の水を使用して、任意の形状の曲がりパイプ製造時のマンドレルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係るマンドレルの全体断面図であり、
（ａ）は内部充填材を注入してマンドレルを形成したものを示し、
（ｂ）は前記マンドレルにブレイディング成形を施したものを示す。
【図２】
本発明に係る曲がりパイプを成形加工するところを示し、
（ａ）は全体斜視図であり、
（ｂ）は完成された曲がりパイプを示す斜視図である。
【図３】
本発明に係るＳ字状の曲がりパイプを成形加工するところを示し、
（ａ）は全体斜視図であり、
（ｂ）は完成された曲がりパイプを示す斜視図である。
【図４】ブレイダーの一例を示す概略的な正面図である。
【図５】図４に示したブレイダーの概略側断面図である。
【符号の説明】
１　マンドレル
２　外層被覆材
３　内部充填材（水）
４　プラグ栓
５　ブレイディング組成体
５ａ　プリプレグ（樹脂を含浸した糸条）
７、８金型
１０　曲がりパイプ
ＢＲ　ブレイダー

Claims (4)

1. マンドレルに所定糸条を巻き付けて、前記糸条と糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて中空パイプを成形する製造方法であって、
   前記マンドレルを、弾性を有する外層被覆材と、液相と固相とに相変化自在な内部充填材とから構成したことを特徴とする曲がりパイプの製造方法。
2. 前記マンドレルは、開口部に着脱自在なプラグ栓を備える袋状あるいは筒状の外層被覆材に前記内部充填材を充填して形成されることを特徴とする請求項１に記載の曲がりパイプの製造方法。
3. 前記内部充填材は、糸条巻き付け時には固体であり、樹脂を硬化させるヒートセット時の成形温度では蒸気圧を発生する性質を有することを特徴とする請求項１または２に記載の曲がりパイプの製造方法。
4. 前記内部充填材は、水であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の曲がりパイプの製造方法。

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