JP2004167776A

JP2004167776A - フレーム構造

Info

Publication number: JP2004167776A
Application number: JP2002334858A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Kubota; 安彦久保田; Hiroshi Takada; 寛高田
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】ブレイダーにより任意の形状のフレームを製造可能とすると共に、種々の構造体として利用可能な剛性の高い繊維強化複合材料曲管のフレーム構造を提供することである。
【解決手段】スプリング部材を心金として、該スプリング部材に所定糸条を組紐状に巻き付けて、前記糸条と糸条に含浸させた樹脂とを一体的に所定形状に変形し、加熱硬化させて成形する組紐構成からなるフレーム構造とし、前記スプリング部材を装着したままのフレーム構造とした。
【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フレーム構造に係り、特に剛性を高くしてフレーム強度を向上させることのできるフレーム構造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（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：以下、ＦＲＰという。）でパイプやシャフトを製造することが一般的に行われている。代表例としては炭素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組紐成形するブレイディング成形が知られている。（例えば、特許文献１参照）
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。
【０００４】
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。
【０００５】
また、コイルバネの外周面に離型材を巻き付けて、プリプレグを積層させた後でさらに該プリプレグの外周面に離型材を巻き付けて、任意の形状にコイルバネを曲げて加熱硬化することで曲管を製造する繊維強化複合材料曲管の製造方法が開示されている。（例えば、特許文献２参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２４６３０４号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平８−１４２２０７号公報（第２−３頁）
【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、特許文献２に開示されている曲管の製造方法では、加熱硬化後にコイルバネを取り外して、任意形状の繊維強化複合材料曲管を製造するものであり、加熱硬化後にコイルバネを取り外す作業が必要であると共に、製品の剛性が十分満足できるものではなかった。
【０００８】
そのために、曲管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、心金を有しない繊維強化複合材料曲管であるので、構造体を構成するのに十分剛性の高い製品とはいえない。
【０００９】
本発明の目的は、ブレイダーにより任意の形状のフレームを製造可能とすると共に、種々の構造体として利用可能な剛性の高い繊維強化複合材料曲管のフレーム構造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、スプリング部材に、樹脂を含浸させた所定糸条を組紐状に巻き付けてブレイディング組成体を形成し、前記ブレイディング組成体を一体的に所定形状に変形し、加熱硬化させて成形される組紐構成からなるフレーム構造であって、前記スプリング部材を装着したまま、フレームを構成する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、組紐構成であるので層間剥離を起こし難く、且つスプリング部材を装着したままフレームを構成するので、剛性が高く強度のあるフレーム構造とすることができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記スプリング部材がコイルスプリングであり、前記所定糸条が炭素繊維から成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、剛性が高く強度のあるパイプ状の炭素繊維強化複合材料のフレームを得ることができる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、前記フレームが三次元の曲管構造をしてい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、平面的に湾曲した単純な曲管だけでなく、さらに複雑な曲管構造が得られるので、任意の形状のフレームを得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフレーム構造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。
【００１７】
図１は本発明に係るフレーム構造をした繊維強化複合材料曲管の断面図であり、図２にはその製造工程の流れ図を示す。図３は本発明に係るフレーム構造をした繊維強化複合材料曲管を組み合わせて構成したフレーム構造体を示す斜視図であり、（ａ）には比較的単純なフレーム構造体を示し、（ｂ）にはそれぞれの繊維強化複合材料曲管を連結して複雑な立体構成としたフレーム構造体を示す。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。
【００１８】
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。詳細については前記特許文献１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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施例においてはマンドレルとしてスプリング部材を用いて、該スプリング部材の外周に糸条Ｙを組紐状に組み上げる構成とした。図１に示すＳ字状の繊維強化複合材料曲管１は、本発明により製造されるフレーム構造の一例を示し、コイルスプリング３からなる心金と、糸条Ｙを組紐構成したブレイディング層２とを有している。
【００２４】
図２により、上記のＳ字状の繊維強化複合材料曲管１の製造工程について説明する。上記のブレイダー装置により、コイルスプリング３をマンドレルとして採用し、該コイルスプリング３の外周に糸条Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４等を組紐構成してブレイディング組成体５を成型する。この時に、コイルスプリング３は密着型のコイルスプリングであることが望ましい。また、コイルスプリング３にシリコンゴム等のシール部材８を巻き付けてスプリング部材の隙間からの樹脂漏れを防止する構成としてもよい。
【００２５】
前記ブレイダー装置に使用する糸条Ｙとしては、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ガラス繊維や炭素繊維等の糸条であって、ここでは炭素繊維を使用してブレイディング組成体５を成形した。
【００２６】
ブレイディング組成体５を成形後に加熱処理して、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、心金がコイルスプリング３であるので堅固ではなく、ある程度の柔軟性を持っている。つまり、加熱処理前においては、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。
【００２７】
そこで、図に示すように曲線状の型溝が形成された金型６の型溝に、コイルスプリング３を含むブレイディング組成体５をセットすることができる。もしくは、複数のガイドローラ７に沿ってブレイディング組成体５を任意の形状に折り曲げてセットしてもよい。このときに、４は、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であって、該テープを巻き付けたブレイディング組成体５を加熱処理する際に、組紐組成体を固定するとともにテープの熱収縮性を利用し、成形圧力を付与させるものである。つまり、加熱処理時に、内部圧を逃がすことなく成形硬化することができる。
【００２８】
前記の加熱処理は、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）等により行う。加熱処理を行うとブレイディング組成体５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。つまり、コイルスプリング３を心金とした繊維強化複合材料曲管１が得られる。
【００２９】
図３には繊維強化複合材料曲管を組み合わせて構成したフレーム構造体を示している。本発明によれば任意の三次元の曲管構造のフレームを製造することができるので、これらを組み合わせてさらに複雑なフレーム構造体を作成することができる。図３（ａ）には、ジョイント部材９に、繊維強化複合材料曲管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを装着して構成したフレーム構造体を示している。また、図３（ｂ）には各曲管部材１ｅ，１ｆ，１ｇ等の端部を連結するように構成した別のジョイント部材９ａを装着して、さらに立体的なフレーム構造体を一体的に構成することもできる。
【００３０】
また、上記のジョイント部材９をフレキシブル部材とし、フレキシブルなフレーム構造体を構成して、種々の形状に変形可能とし、テスト装置やサンプル装置として利用可能なフレームを構成することもできる。
【００３１】
上記したように、心金としてコイルスプリング３を使用した場合には、円筒形の繊維強化複合材料曲管１が得られるのは当然である。心金としてのスプリング部材を楕円形とすれば、非円形の繊維強化複合材料曲管が得られ、円錐状スプリングを採用すれば、構造体の長手方向に外径の異なる繊維強化複合材料曲管を得ることができる。
【００３２】
本発明による繊維強化複合材料曲管１は、強度の高い炭素繊維からなる繊維強化材であるが、さらにスプリング部材を心金として含有しているので、さらに剛性の高い繊維強化材とすることができる。また金属製のスプリング部材を含んでいるために、部材重量も比較的高くなり、金属材料の形状を選定する際のテスト構造体として採用することもできるものである。
【００３３】
さらに、スプリング部材の径や大きさにより、種々の形状や大きさをした繊維強化複合材料が製造できるので、色々な産業分野において利用可能なフレーム構造体を製造することができる。
【００３４】
前記のように、本発明は、ブレイダー装置によるブレイディング組成時に、心金となるマンドレルとしてスプリング部材を採用し、さらには得られたブレイディング組成体を前記スプリング部材を装着したまま、加熱硬化して任意形状の繊維強化複合材料曲管としたので、重量感があると共に、剛性の高い強度のあるフレーム構造体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。
【００３５】
また、組紐構成のブレイディング組成体を加熱処理して樹脂を硬化させる構成であるために、層間剥離を起し難く、また、強度も強いので、心金のスプリング部材の巻き方向に対して樹脂を含浸した糸条を巻き付ける方向性に限定はないという効果も有する。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、組紐構成であるので層間剥離を起こし難く、且つスプリング部材を装着したままフレームを構成するので、剛性が高く強度のあるフレーム構造とすることができる。
【００３７】
請求項２に係る発明によれば、剛性が高く強度のあるパイプ状の炭素繊維強化複合材料のフレームを得ることができる。
【００３８】
請求項３に係る発明によれば、平面的に湾曲した単純な曲管だけでなく、さらに複雑な曲管構造が得られるので、任意の形状のフレームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフレーム構造をした繊維強化複合材料曲管の断面図である。
【図２】繊維強化複合材料曲管の製造工程の流れ図を示す。
【図３】本発明に係るフレーム構造をした繊維強化複合材料曲管を組み合わせて構成したフレーム構造体を示す斜視図であり、
（ａ）には比較的単純なフレーム構造体を示し、
（ｂ）にはそれぞれの繊維強化複合材料曲管を連結して複雑な立体構成としたフレーム構造体を示す。
【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繊維強化複合材料曲管
２ブレイディング層
３コイルスプリング
４ラッピングテープ
５ブレイディング組成体
６金型
８シール部材
９ジョイント部材
ＢＲブレイダー

Claims

スプリング部材に、樹脂を含浸させた所定糸条を組紐状に巻き付けてブレイディング組成体を形成し、前記ブレイディング組成体を一体的に所定形状に変形し、加熱硬化させて成形される組紐構成からなるフレーム構造であって、
前記スプリング部材を装着したまま、フレームを構成することを特徴とするフレーム構造。
前記スプリング部材がコイルスプリングであり、前記所定糸条が炭素繊維から成ることを特徴とする請求項１に記載のフレーム構造。
前記フレームが三次元の曲管構造をしていることを特徴とする請求項１または２に記載のフレーム構造。