JP2007283586A - 繊維強化複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層繊維層が厚さ方向糸で結合された平板状の一次構造体に曲げ加工を行って形成しても、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で三次元繊維構造体を製造可能な曲げ工程を備えた繊維強化複合材の製造方法を提供する。
【解決手段】連続繊維配列工程と、厚さ方向糸挿入工程と、曲げ工程と、樹脂含浸硬化工程とを備えている。曲げ工程において、一次構造体２０を第１保持部材２１と第２保持部材２２とで保持するとともに一次構造体２０に張力をかける。その状態で一次構造体２０に押圧部材２３で曲げ力を作用させつつ、第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３を相対移動させる。そして、相対移動する第２保持部材２２及び押圧部材２３に挟まれた部分と、押圧部材２３及び第１保持部材２１に挟まれた部分との両端部に曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂを形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、繊維強化複合材の製造方法に係り、詳しくは曲げ部を有する繊維強化複合材の製造方法に関する。

繊維強化複合材（以下、単に複合材と言う場合もある。）は軽量の構造材として広く使用されている。複合材用の強化材として三次元織物等の三次元繊維構造体がある。三次元繊維構造体を複合材の強化材として広い用途に使用可能とするためには、単純な平板状ではなく曲げ部を有する三次元繊維構造体が必要となる。

曲げ部を有する三次元繊維構造体の製造方法として枠体を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、複数の板状部が接続部において屈曲状態で連続する形状の三次元繊維構造体の形状に対応した形状に形成されるとともに規制部材が所定ピッチで配置された枠体を使用する。そして、枠体上の規制部材間に糸を折り返し状に配列した糸層を積層して積層糸群を形成した後、積層糸群を枠体に保持した状態で厚さ方向糸を挿入する。
特開平９−１３７３３６号公報

ところが、特許文献１の製造方法では、三次元繊維構造体の形状に対応した枠体をその都度準備する必要があり、屈曲状態で枠体上に配列された積層糸群に厚さ方向糸を挿入する作業工数が大きくなり、装置も複雑になる。また、特許文献１の製造方法のように、規制部材が設けられた枠体を使用して、規制部材と係合する状態で連続繊維を配列する方法では、異なる方向に曲がった屈曲部を有する三次元繊維構造体を製造することはできない。

そこで、連続繊維からなる繊維層が積層されて形成された積層繊維層が、厚さ方向糸で結合された三次元繊維構造体を形成した後、その三次元繊維構造体を曲げて、最終的に曲げ部を有する三次元繊維構造体を形成する場合がある。

例えば、図８に示すように、断面略ハット状の三次元繊維構造体６１を製造する際、連続繊維からなる繊維層が積層されて形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維層６２を厚さ方向糸６３で結合した平板状の三次元繊維構造体を折り曲げて形成することが考えられる。しかし、三次元繊維構造体に使用される連続繊維は一般に伸びが非常に小さいため、曲げ部における外側に配列された連続繊維が伸びることができず、結果として内側に皺６４や歪みが発生した三次元繊維構造体６１となる。この皺６４や歪みは三次元繊維構造体６１を強化材として樹脂をマトリックスとした複合材（ＦＲＰ）を形成した場合、物性低下（例えば、強度低下）の原因となるとともに、外観品質を低下させる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、積層繊維層が厚さ方向糸で結合された平板状の一次構造体に曲げ加工を行って形成しても、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で三次元繊維構造体を製造可能な曲げ工程を備えた繊維強化複合材の製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する部分を有する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材の製造方法である。そして、規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、前記規制部材と係合して折り返すように連続繊維を前記規制部材間に配列して形成した繊維層を積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する連続繊維配列工程と、前記積層繊維層に厚さ方向糸が前記積層繊維層を貫通するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程とを備えている。また、前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程と、前記曲げ工程で曲げ加工が行われた後の一次構造体を成形型内に配置して、樹脂の含浸、硬化を行う樹脂含浸硬化工程とを備えている。そして、前記曲げ工程において、前記一次構造体の一部を少なくとも２個の保持部材で保持するとともに前記一次構造体に張力をかけつつ前記一次構造体に曲げ力を作用させるように前記保持部材を相対移動させ、相対移動する前記保持部材に挟まれた前記一次構造体の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部を形成する。

ここで、「立体的な板状」とは、全体として平面状ではなく平板が屈曲されて立体形状となっていることを意味する。また、「連続繊維」とは、単繊維（モノフィラメント）に限らず、単繊維が複数本束ねられた繊維束を含む。また、「糸」とは、撚りが掛かった糸のみを意味するのではなく、多数本の繊維が束となって撚りが実質掛かっていない繊維束（所謂ロービング）をも含む。また、「保持部材」とは、曲げ加工を行う際に、一次構造体と接触している部分が一次構造体と相対移動しない状態に保持される部材を意味する。以下、この明細書では同様の意味で使用する。

この発明では、三次元繊維構造体を構成する積層繊維層を結合する厚さ方向糸は、積層繊維層が平板状の状態において積層繊維層を貫通するように挿入されるため、曲げ部を有する積層繊維層に挿入する場合に比較して簡単に挿入できる。また、曲げ工程においては、平板状の一次構造体を単に押圧（プレス）して曲げるのではなく、一次構造体を少なくとも２個の保持部材で保持する。そして、一次構造体に張力をかけつつ一次構造体に曲げ力を作用させるように保持部材を相対移動させることにより、一次構造体には相対移動する保持部材に挟まれた部分（平面部）の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部が形成される。平面部の両端部に形成される曲げ部の曲げ方向が異なるため、曲げ加工完了後の三次元繊維構造体は、曲げ部の曲率中心線と直交する仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側における外形線の長さと、他方の側における外形線の長さとが等しい形状となり、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記曲げ工程において、前記一次構造体を保持する保持部材の１つを固定した状態で曲げ加工を行う。この発明では、固定した１つの保持部材の位置を基準に他の保持部材の移動を制御することにより、各保持部材をそれぞれ移動させて曲げ加工を行うより制御が簡単になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記一次構造体を保持する保持部材は奇数個設けられ、中央の保持部材を固定した状態で曲げ加工を行う。従って、この発明では、固定された中央の保持部材を挟んで両側に位置する保持部材を対称に移動させることで曲げ加工を行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記樹脂の含浸、硬化はレジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法により行われる。この発明では、他の含浸、硬化法に比較して、三次元繊維構造体に樹脂を生産性良く均一に含浸、硬化せることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記曲げ加工は、スプリングバックを考慮して繊維強化複合材における曲げ部の曲率より大きな曲率となるように曲げ部を形成する。曲げ工程において曲げ部の曲率が繊維強化複合材における曲げ部の曲率と同じに成るように曲げ加工を行うと、得られた三次元繊維構造体はスプリングバックのため、曲げ部の曲率が小さくなる。しかし、この発明では、スプリングバックを考慮して曲げ加工が行われるため、得られた三次元繊維構造体の曲げ部の曲率が繊維強化複合材における曲げ部の曲率と同等のものが得られる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記連続繊維及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である。１０％以上伸びる繊維（ナイロン、アクリル）と比較して、炭素繊維の破断伸び率は、一般に０．５％〜２．４％と小さく、弛みのない連続繊維を伸ばして曲げを行うことは難しい。しかし、この発明では連続繊維に炭素繊維を使用しても無理なく曲げ部を形成することができる。

本発明によれば、積層繊維層が厚さ方向糸で結合された平板状の一次構造体に曲げ加工を行って形成しても、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で三次元繊維構造体を製造可能な曲げ工程を備えた繊維強化複合材の製造方法を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、繊維強化複合材の強化材としての三次元繊維構造体１１は、連続繊維が少なくとも２軸配向となるように配列された積層繊維層１２が偶数個の曲げ部を有する状態に屈曲されている。積層繊維層１２は、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂと、一端が自由端の平面部１５ａと、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂに挟まれた平面部１５ｂと、曲げ方向が同じ曲げ部１４ａあるいは曲げ部１４ｂに挟まれた平面部１５ｃとからなる立体的な板状に形成されている。具体的には、積層繊維層１２は、断面形状として２個の所謂ハット形状が鍔部で連続した形状に形成され、曲げ部１４ａは、ハット形状の鍔の部分に対応する位置に設けられ、曲げ部１４ｂは、ハット形状の頂部に対応する位置に設けられている。即ち、積層繊維層１２は、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂが平面部１５ｂを間にして隣り合う状態で隣接して存在する部分を有する立体的な板状に形成されている。積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する面における断面形状が同一ではなく、積層繊維層１２の一端側（図１（ａ）では手前側）から他端側に向かって次第にハット部の高さが高くなるように形成されている。なお、図１（ａ）では、三次元繊維構造体１１をハット部の頂部が下側となる状態で図示している。

図１（ｂ）に示すように、積層繊維層１２は、積層繊維層１２の厚さ方向に配列された厚さ方向糸１３により結合されている。積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する仮想平面による断面における曲げ部１４ａ、平面部１５ｂ及び曲げ部１４ｂで形成される部分の形状、例えば、図１（ｂ）においてＡＢＣＤＥを結ぶ線で形成される形状で、厚さ方向の一方の側の外形線ＬＧ１と、他方の側の外形線ＬＧ２の長さが等しく形成されている。即ち、積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側の外形線ＬＧ１と、他方の側の外形線ＬＧ２の長さとが等しい形状に形成されている。

図１（ｃ）に示すように、積層繊維層１２は、配列角度０°の連続繊維１６ａから成る繊維層としての０度繊維層１２ａと、配列角度９０°の連続繊維１６ｂから成る繊維層としての９０度繊維層１２ｂとで構成されている。この明細書では、配列角度０°とは、連続繊維が曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と平行に配列される状態を意味し、配列角度９０°とは連続繊維が曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交するように配列される状態を意味する。０度繊維層１２ａと９０度繊維層１２ｂが交互に複数積層されて、２軸配向の積層繊維層１２が形成されている。そして、積層繊維層１２の厚さ方向に配列された厚さ方向糸１３が抜け止め糸１９で折り返して各繊維層が結合されている。連続繊維及び厚さ方向糸１３としては、例えば、炭素繊維が使用される。炭素繊維はフィラメント数が３０００〜２４０００本程度である。

次に前記のように構成された三次元繊維構造体１１を強化材とした繊維強化複合材の製造方法を説明する。
繊維強化複合材の製造方法は、連続繊維配列工程と、厚さ方向糸挿入工程と、曲げ工程と、樹脂含浸硬化工程とを備えている。

連続繊維配列工程では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、規制部材としてのピン１７ａ，１７ｂが所定ピッチで配置された治具１８を使用する。治具１８は矩形の枠状に形成され、ピン１７ａ，１７ｂは着脱可能に立設されている。ピン１７ａのピッチは、治具１８の長手方向と直交する方向、即ち配列角度０°に配列される連続繊維１６ａの配列ピッチに合わせて設定され、ピン１７ｂのピッチは、治具１８の長手方向と平行に、即ち配列角度９０°に配列される連続繊維１６ｂの配列ピッチに合わせて設定されている。

そして、図２（ｂ）に示すように、治具１８上に、ピン１７ａと係合して折り返すように連続繊維１６ａがピン１７ａ間に配列されて、配列角度０°の繊維層としての０度繊維層１２ａが形成される。また、図２（ａ）に示すように、ピン１７ｂと係合して折り返すように連続繊維１６ｂがピン１７ｂ間に配列されて、配列角度９０°の繊維層としての９０度繊維層１２ｂが形成される。そして、９０度繊維層１２ｂ及び０度繊維層１２ａが交互に複数積層されて、２軸配向となる積層繊維層１２が形成される。図２（ａ），（ｂ）では、連続繊維１６ａ，１６ｂの配列間隔が広く図示されているが、連続繊維１６ａ，１６ｂは、隣接する連続繊維１６ａ，１６ｂ同士が接触する状態で配列される。

連続繊維配列工程終了後、積層繊維層１２が治具１８に保持されている状態で厚さ方向糸挿入工程が行われる。厚さ方向糸１３の挿入は、例えば、特許文献１に開示されている方法と同様に行われる。詳述すれば、積層繊維層１２の厚さ方向に、先端に孔を備え該孔に厚さ方向糸１３を掛止した図示しない挿入針を挿入する。挿入針は厚さ方向糸１３が掛止された孔が積層繊維層１２を貫通するまで前進する。その後、挿入針はわずかに後退される。その結果、厚さ方向糸１３はＵ字状のループを形成した状態となる。

次に図示しない抜け止め糸針が前記Ｕ字状のループ内を通過し、積層繊維層１２の端部まで到達した時点で停止する。この時抜け止め糸１９（図１（ｃ）に図示）が抜け止め糸針の先端に掛止される。そして、抜け止め糸針が引き戻され、抜け止め糸１９が厚さ方向糸１３のＵ字状ループ内に挿通された状態になる。その状態で挿入針が引き戻され、厚さ方向糸１３により抜け止め糸１９が締め付けられて積層繊維層１２が結合される。積層繊維層１２への厚さ方向糸１３の挿入が完了すると、０度繊維層１２ａ及び９０度繊維層１２ｂが厚さ方向糸１３で結合された平板状の一次構造体（プリフォーム）２０が形成される。厚さ方向糸１３は、積層繊維層１２が平板状の状態において積層繊維層１２にその厚さ方向と平行に、即ち積層繊維層１２と直交するように挿入されるため、曲げ部を有する積層繊維層に挿入する場合に比較して簡単に挿入できる。

次に厚さ方向糸１３が挿入された平板状の一次構造体２０の所定位置に曲げ部１４ａ，１４ｂを形成する曲げ工程が行われる。三次元繊維構造体１１は、ハット部の断面形状が、一端側（図１（ａ）では手前側）から他端側に向かって次第にハット部の高さが高くなるように形成されているため、展開した状態では平面矩形状ではなく平面扇状となる。そのため、一次構造体２０としては、矩形状の一次構造体２０の周縁が切断されて図２（ｃ）に示すように扇状に形成された一次構造体２０を使用して曲げ加工を行う。

曲げ工程においては、一次構造体２０の一部を少なくとも２個の保持部材で保持するとともに、一次構造体２０に張力をかけつつ曲げ力を作用させるように保持部材を相対移動させ、相対移動する保持部材に挟まれた一次構造体２０の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂを形成する。

この実施形態では、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、保持部材として一次構造体２０の中央を保持する第１保持部材２１と、一次構造体２０の両端部を保持する第２保持部材２２と、一次構造体２０を保持しつつ押圧力を加えるための押圧部材２３とが設けられる。即ち、一次構造体２０を保持する保持部材は奇数個設けられる。第１保持部材２１は一次構造体２０の中央に固定され、第２保持部材２２は一次構造体２０の両端部に固定され、押圧部材２３は第１保持部材２１及び第２保持部材２２の間における一次構造体２０の中間部（中央部）に固定される。

第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３は、一次構造体２０の上面に対して、例えば、ピン等を介して取り外し可能に固定される。曲げ工程において曲げ加工を行う際に、第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３は、一次構造体２０との間で滑りが生じないように一次構造体２０との接触面が、それぞれ摩擦抵抗が大きく形成されているのが好ましい。摩擦抵抗を大きくする構成として、例えば、ゴム等の摩擦抵抗が大きな材料によるライニングがある。

そして図３（ｂ）に示すように、第１保持部材２１が固定され、第２保持部材２２が第１保持部材２１と同一平面内で一次構造体２０に張力を加えている状態で、押圧部材２３が一次構造体２０に対して下方へ押圧力を付与するように下降移動されて曲げ加工が行われる。第２保持部材２２は一次構造体２０に張力を加えた状態で、曲げ加工の開始から終了まで同一平面内を移動する。

図３（ｃ）及び図４に鎖線で示すように、押圧部材２３は、曲げ加工開始時においては第１保持部材２１及び第２保持部材２２の位置する平面と同一平面上に存在する。しかし、曲げ加工開始、即ち押圧開始後は、第１保持部材２１及び第２保持部材２２の位置する平面に対して傾斜、この実施形態では一端側から他端側に向かって下降傾斜するように移動される。そして、押圧部材２３はその押圧面が、曲げ加工完了時には第１保持部材２１及び第２保持部材２２の位置する平面と所定角度を成す平面上に位置するように移動される。また、押圧部材２３は、曲げ加工開始時においては鎖線で示すように、第１保持部材２１に対して平行ではなく所定の角度を成す状態に位置する。しかし、曲げ加工開始後は、徐々に第１保持部材２１に対して平行に近づくように移動され、曲げ加工完了時には、図３（ｃ）及び図４に実線で示すように、第１保持部材２１と平行な状態に配置される。

一方、第２保持部材２２は、図３（ｃ）及び図４に鎖線で示すように、曲げ加工開始時においては第１保持部材２１に対して平行ではなく所定の角度を成す状態に位置する。そして、曲げ加工開始後は、押圧部材２３の移動に伴って徐々に第１保持部材２１に対して平行に近づくように移動され、曲げ加工完了時には、図３（ｃ）及び図４に実線で示すように、第１保持部材２１と平行な状態に配置される。

詳述すると、第１保持部材２１及び第２保持部材２２の高さを一定に保持した状態で、一次構造体２０に対して第１保持部材２１及び第２保持部材２２の中間部において押圧力を付与可能な賦形装置を用いて曲げ加工が行われる。

曲げ加工に使用する賦形装置は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、一次構造体２０の端部を第１保持部材２１とともに把持可能な一組のクランプ装置２４，２５備えている。クランプ装置２４，２５は、水平に配置されたエアシリンダ２６と、そのピストンロッド２６ａの先端に設けられた把持部２７とを備えている。クランプ装置２４，２５は、一次構造体（プリフォーム）２０の端部を把持部２７で把持した状態において、エアシリンダ２６により一次構造体２０を所定範囲の張力で引っ張ることが可能に構成されている。

賦形装置は、第１保持部材２１を第２保持部材２２と同じ高さに固定する固定部２８を備えている。エアシリンダ２９の作動により、第１保持部材２１を固定部２８に固定する状態と、第１保持部材２１を解放可能な状態とに切り換え可能に構成されている。

また、賦形装置は、把持部２７及び固定部２８により保持された一次構造体２０に対して、押圧部材２３を介して押圧力を付与可能な機構を備えている。押圧力を付与する機構は、図４に示すように、平面内で回動可能な支持軸３０と、支持軸３０に対して回動可能に支持されたアーム３１とを備えるとともに、アーム３１に固定された押圧部材２３に対して押圧力を付与するシリンダ３２（図５（ａ），（ｂ）に図示）を備えている。シリンダ３２は、ピストンロッド３２ａを介して押圧部材２３を押圧するとともに、支持軸３０が平面内で回動されるのに同期して水平方向に移動され、押圧部材２３が回動されても支障無く押圧力を付与可能に構成されている。押圧部材２３は、シリンダ３２の作動により、待機位置とクランプ装置２４，２５により所定範囲の張力が加えられて保持される一次構造体２０を押圧する作用位置とに移動されるようになっている。なお、図４においては、一方の押圧部材２３用の支持軸３０及びアーム３１のみを図示している。

賦形装置は、形成すべき三次元繊維構造体１１のハット部の頂部における曲げ部１４ｂの外側の形状に対応した型面３３ａを有する固定型３３を備えている。
一次構造体２０の曲げ加工は、図５（ａ）に示すように、クランプ装置２４，２５の把持部２７で一次構造体２０の両端部を把持し、固定部２８で一次構造体２０の中央部を固定した状態で、一次構造体２０に対して水平方向に所定範囲の張力を加えた状態とする。また、シリンダ３２を各押圧部材２３と対向する曲げ開始位置に配置させるとともに、ピストンロッド３２ａの先端が押圧部材２３と当接する状態に配置する。その状態からシリンダ３２を作動させて、押圧部材２３を下方へ回動させる。押圧部材２３の下方への回動に伴って一次構造体２０に対して押圧部材２３により押圧力が加えられる。押圧部材２３は下方への回動とともに、押圧部材２３の存在する面内での回動も行われる。

一次構造体２０の第１保持部材２１及び第２保持部材２２の中間部が押圧部材２３により下方へ押圧されて移動するのに伴って、エアシリンダ２６のピストンロッド２６ａの突出量が大きくなり、両把持部２７の間隔が小さくなる。即ち、一定の高さ位置において一次構造体２０に水平方向の張力を加えている両第２保持部材２２は、第１保持部材２１に近づくように同一平面内を移動する。エアシリンダ２６は積極的に第２保持部材２２（把持部２７）を移動させるのではなく、押圧部材２３の下降移動により一次構造体２０に無理な力が作用しないように把持部２７の位置が移動される。

第１保持部材２１及び第２保持部材２２が一定の高さ位置において一次構造体２０に水平方向の張力を加えている状態で、その中間部が押圧部材２３により下方へ押圧されて下降移動する。そして、一次構造体２０には、第２保持部材２２及び押圧部材２３に挟まれた部分と、押圧部材２３及び第１保持部材２１に挟まれた部分の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂが形成される。一次構造体２０が曲げられると、当該曲げ部だけで見ると、内経路と外経路で長さが異なる状態となる。この経路差を吸収するように、０度繊維層１２ａ及び９０度繊維層１２ｂにずれが発生すれば、曲げ部１４ａ，１４ｂの内側に皺や歪みが発生せずに曲げ加工が行われることになる。一次構造体２０は、第１保持部材２１及び第２保持部材２２に保持されて水平方向に一定範囲の張力が加えられた状態で押圧部材２３により垂直方向へ押圧力を受けるため、０度繊維層１２ａ及び９０度繊維層１２ｂに無理なくずれが発生する。また、一次構造体２０は、曲げ方向が異なる曲げ部１４ａ，１４ｂが第２保持部材２２及び押圧部材２３に挟まれた部分と、押圧部材２３及び第１保持部材２１に挟まれた部分の両端部に形成されるように変形するため、一方の曲げ部１４ａの内側のずれに対応する分が、他方の曲げ部１４ｂの外側のずれで吸収されるように無理なく変形する。

前記のように構成された三次元繊維構造体１１に、樹脂含浸硬化工程で樹脂の含浸、硬化が行われて繊維強化複合材（繊維強化樹脂）が形成される。樹脂の含浸、硬化には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法が採用される。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用金型（成形型）内に三次元繊維構造体１１を配置し、その状態で樹脂含浸用金型内に熱硬化性のマトリック樹脂を注入して三次元繊維構造体１１に含浸させた後、加熱硬化させることにより、繊維強化複合材が製造される。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。曲げ加工完了後の三次元繊維構造体１１を、第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３を取り外さずに成形型内まで搬送した後、第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３を三次元繊維構造体１１から取り外す。三次元繊維構造体１１を成形型内に収容した状態では、スプリングバックにより曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率が曲げ加工された状態のときより小さくなるが、型閉じすることにより所望の曲率状態になる。

一次構造体２０としてほぼ１５０ｍｍの長さで、積層繊維層が３０層のものを使用して曲げ加工を行ったところ、曲げ部の内側に皺や歪みが抑制された状態で三次元繊維構造体１１が得られた。

なお、図１〜図５は、三次元繊維構造体１１、一次構造体２０あるいは賦形装置等の構成を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。また、図によってもそれぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比が異なっているものもある。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）繊維強化複合材の製造方法は、連続繊維配列工程、厚さ方向糸挿入工程、曲げ工程及び樹脂含浸硬化工程を備えている。曲げ工程においては、第１保持部材２１と第２保持部材２２で一次構造体２０に張力をかけつつ保持するとともに、第１保持部材２１と第２保持部材２２の中間部において押圧部材２３で曲げ力を作用させるように第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３を相対移動させる。そして、一次構造体２０の第２保持部材２２及び押圧部材２３に挟まれた部分と、押圧部材２３及び第１保持部材２１に挟まれた部分の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂを形成する。従って、平板状の一次構造体２０を単に押圧（プレス）して曲げる場合と異なり、曲げ部１４ａ，１４ｂにおける皺や歪みの発生が抑制された三次元繊維構造体１１の製造が可能になり、そのような三次元繊維構造体１１を強化材とした繊維強化複合材の製造が可能になる。

（２）曲げ工程において、一次構造体２０を保持する保持部材の１つ（第１保持部材２１）を固定した状態で曲げ加工を行う。従って、固定した１つの保持部材（第１保持部材２１）の位置を基準に他の保持部材（第２保持部材２２及び押圧部材２３）の移動を制御することにより、各保持部材をそれぞれ移動させて曲げ加工を行うより制御が簡単になる。

（３）一次構造体２０を保持する保持部材は奇数個設けられ、中央の保持部材（第１保持部材２１）を固定した状態で曲げ加工を行う。従って、固定された中央の第１保持部材２１を挟んで両側に位置する保持部材（第２保持部材２２及び押圧部材２３）を対称に移動させることで曲げ加工を容易に行うことができる。

（４）曲げ工程では、一次構造体２０の中央を保持する第１保持部材２１と、一次構造体２０の両端部を保持する第２保持部材２２とが設けられ、第２保持部材２２は一次構造体２０に張力を加える状態で、曲げ加工の開始から終了まで同一平面内を移動可能に設けられる。そして、第１保持部材２１及び第２保持部材２２の中間部において一次構造体２０に対して押圧部材２３を介して、かつ押圧部材２３の押圧面が一次構造体２０に対して移動しない状態で押圧力を加えて曲げ加工を行う。従って、ハット形状が連続した断面形状のように複雑な断面形状の三次元繊維構造体１１であっても、曲げ部１４ａ，１４ｂにおける皺や歪みの発生が抑制された状態で容易に製造が可能になる。

（５）一次構造体２０は平面略扇形に形成され、押圧部材２３はその押圧面が、曲げ加工完了時には第１保持部材２１及び第２保持部材２２の位置する平面と所定角度を成す平面上に位置するように移動される。従って、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する面における断面形状が同一ではなく、その一端から他端側に向かって次第にハット部の高さが高くなるようなより複雑な形状の三次元繊維構造体１１であっても、容易に製造が可能になる。

（６）樹脂含浸硬化工程における樹脂の含浸、硬化はレジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法により行われる。従って、他の含浸、硬化法に比較して、三次元繊維構造体１１に樹脂を生産性良く均一に含浸、硬化せることができる。

（７）曲げ加工完了後の三次元繊維構造体１１を、第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３を取り外さずに、第１保持部材２１等に保持された状態においてＲＴＭ法で使用される成形型内まで搬送した後、第１保持部材２１、第２保持部材２２及び押圧部材２３を三次元繊維構造体１１から取り外す。従って、三次元繊維構造体１１を曲げ加工の状態を保持したままで搬送し易くなる。

（８）連続繊維１６ａ，１６ｂとして炭素繊維が使用されている。炭素繊維の伸び率は、一般に０．５〜２．４％であるため、一次構造体２０の曲げ加工時に０度繊維層１２ａ及び９０度繊維層１２ｂのずれが円滑に行われない場合は、曲げ部の内側に皺や歪みが発生し易くなるが、この実施形態では、連続繊維に炭素繊維を使用しても曲げ部を無理なく形成することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 平面扇状の一次構造体２０は、矩形状の一次構造体２０の周縁を切断して形成する代わりに、治具１８を扇状の枠体を備えた形状として、連続繊維配列工程で積層繊維層１２を扇状に形成してもよい。

○ 曲げ加工は、スプリングバックを考慮して、繊維強化複合材における曲げ部の曲率より大きな曲率となるように三次元繊維構造体１１の曲げ部１４ａ，１４ｂを形成してもよい。曲げ工程において曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率が繊維強化複合材における曲げ部の曲率と同じに成るように曲げ加工を行うと、得られた三次元繊維構造体１１はスプリングバックのため、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率が小さくなる。しかし、スプリングバックを考慮して繊維強化複合材の曲げ部の曲率より大きな曲率となるよう曲げ加工を行うと、得られた三次元繊維構造体１１の曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率が繊維強化複合材における曲げ部の曲率と同等のものが得られる。

○ 三次元繊維構造体１１は、その一端から他端側に向かって次第にハット部の高さが高くなるような形状に限らず、断面形状がその一端から他端側に向かって一定であってもよい。その場合は、一次構造体２０として平面矩形状のものを使用し、押圧部材２３は第１保持部材２１及び第２保持部材２２と平行な状態を維持して下降移動し、それに対応して第２保持部材２２は第１保持部材２１と平行な状態で第１保持部材２１に近づくように移動する。

○ 積層繊維層１２は、０度繊維層１２ａと９０度繊維層１２ｂとが交互に積層された構成に限らず、連続繊維からなる繊維層が積層されて形成された少なくとも２軸配向となる構成であればよい。例えば、配列角度が０°の連続繊維１６ａからなる０度繊維層１２ａと、配列角度が９０°の連続繊維１６ｂからなる９０度繊維層１２ｂに加えて、配列角度が＋４５°及び−４５°の連続繊維（バイアス繊維）からなるバイアス繊維層を有する４軸配向となる構成としてもよい。また、配列角度が０°の連続繊維１６ａと、バイアス繊維との組み合わせあるいは、配列角度が９０°の連続繊維１６ｂと、バイアス繊維との組み合わせにより３軸配向としてもよい。

○ 積層繊維層１２は、異なる配列角度の連続繊維からなる繊維層が交互に積層される構成に限らず、同じ配列角度の連続繊維からなる繊維層が複数層連続して積層された部分がある構成としてもよい。

○ 三次元繊維構造体１１は、連続繊維からなる繊維層が積層されて少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂが平面部１５ｂを間にして隣り合う状態で隣接して存在する部分を有する立体的な板状に形成されるとともに、積層繊維層１２の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸１３が配列されていればよい。また、曲げ加工の際に使用する保持部材の数も形成すべき三次元繊維構造体１１の形状によって異なり、一次構造体２０に対して張力をかけつつ一次構造体２０に曲げ力を作用させるように保持部材を相対移動させることができればよく、少なくとも２個の保持部材があればよい。例えば、図６（ａ）に示すように、断面ハット形状の三次元繊維構造体１１や、図６（ｂ）に示すように、２個の曲げ部１４ａ，１４ｂと３個の平面部１５ａ，１５ｂからなる断面クランク形状の三次元繊維構造体１１であってもよい。断面ハット形状の三次元繊維構造体１１は、ハット形状が連続する形状の三次元繊維構造体１１を製造する際の賦形装置の片側分を使用したり、片側分と同じ構成の賦形装置を使用したりして製造することができる。また、断面クランク形状の三次元繊維構造体１１は、一次構造体２０の両端部を把持した状態で張力をかけつつ、両端部を相対移動させるようにして曲げ加工を行うことで形成される。これらの三次元繊維構造体１１も樹脂を含浸、硬化させて複合材として使用される。

○ 三次元繊維構造体１１は、織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、積層繊維層１２の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸１３が配列された構成でもよい。即ち、三次元繊維構造体１１は積層された織物が厚さ方向糸１３で結合された構成であってもよい。この場合、三次元繊維構造体１１を製造する際は、連続繊維配列工程に代えて織物を積層する織物積層工程が行われる。その他の工程、即ち厚さ方向糸挿入工程及び、厚さ方向糸１３が挿入された平板状の一次構造体２０の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程は前記実施形態と同様に行われる。織物としては、例えば、平織りの織物が使用されるが、二重織物、三重織物、風通織物等の多層織物を積層してもよい。この場合、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層１２を構成するより、積層繊維層１２の形成を短時間で行うことができる。

○ 一端が自由状態の平面部１５ａと、同じ曲げ方向の曲げ部１４ａ又は曲げ部１４ｂに挟まれた平面部１５ｃとの高さが異なる形状の三次元繊維構造体１１の製造に適用してもよい。その場合は、第１保持部材２１及び第２保持部材２２が同一平面上に存在する状態から曲げ加工を開始し、曲げ加工の途中で第２保持部材２２を第１保持部材２１と異なる高さとなるように移動させる。

○ 押圧部材２３は矩形状に限らない。例えば、図７に示すように、押圧部材２３を台形状に形成してもよい。第１保持部材２１、第２保持部材２２は矩形状に形成される。この場合、三次元繊維構造体１１は、その一端から他端側に向かって次第にハット部の高さが高くなるとともに、ハット部の幅が次第に狭くなるような形状になる。

○ 積層繊維層１２を構成する連続繊維は炭素繊維に限らず、三次元繊維構造体１１に要求される物性に対応して、アラミド繊維、ガラス繊維等を使用してもよい。
○ 厚さ方向糸挿入工程においては、積層繊維層１２に厚さ方向糸１３が積層繊維層１２を貫通するように挿入されればよく、必ずしも積層繊維層１２と直交する状態に限らず多少傾いた状態で挿入してもよい。

○ 三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材に使用される熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂に限らず、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等を使用してもよい。
○ 三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材を構成するマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂に代えて、熱可塑性樹脂を使用してもよい。マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用する場合は、積層繊維群に溶融含浸成形法など一般の含浸法で熱可塑性樹脂が含浸された後、冷却されて複合材が形成される。熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネートなどが使用される。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項３に記載の発明において、前記曲げ工程では、前記保持部材として前記一次構造体の中央を保持する第１保持部材と、前記一次構造体の両端部を保持する第２保持部材とが設けられ、前記第２保持部材は前記一次構造体に張力を加える状態で、曲げ加工の開始から終了まで同一平面内を移動可能に設けられ、前記第１保持部材及び第２保持部材の中間部において前記一次構造体に対して押圧部材を介して、かつ押圧部材の押圧面が一次構造体に対して移動しない状態で押圧力を加えて曲げ加工を行う。

（２）前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記一次構造体は平面略扇形に形成され、前記押圧部材はその押圧面が、曲げ加工完了時には前記第２保持部材の位置する平面と所定角度を成す平面上に位置するように移動される。

（３）請求項４に記載の発明において、請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において形成された前記三次元繊維構造体を、前記保持部材に保持された状態で成形型内まで搬送した後、前記保持部材を前記三次元繊維構造体から取り外す。

（４）織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する部分を有する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材の製造方法であって、
織物を積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する織物積層工程と、
前記積層繊維層に厚さ方向糸が前記積層繊維層を貫通するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、
前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程と、
前記曲げ工程で曲げ加工が行われた後の一次構造体を成形型内に配置して樹脂の含浸、硬化を行う樹脂含浸硬化工程と
を備え、
前記曲げ工程において、前記一次構造体の一部を少なくとも２個の保持部材で保持するとともに前記一次構造体に張力をかけつつ前記一次構造体に曲げ力を作用させるように前記保持部材を相対移動させ、相対移動する前記保持部材に挟まれた前記一次構造体の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部を形成することを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。

（ａ）は一実施形態における三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は曲げ方向の異なる曲げ部と両曲げ部に挟まれた平面部の関係を示す模式図、（ｃ）は一次構造体の積層繊維層と厚さ方向糸との関係を示す模式断面図。 （ａ），（ｂ）は治具と連続繊維の配列状態を示す模式平面図、（ｃ）は外形加工を施した一次構造体の斜視図。 （ａ）〜（ｃ）は曲げ工程の手順を示す模式斜視図。 曲げ工程を説明する模式斜視図。 （ａ），（ｂ）は賦形装置と一次構造体及び三次元繊維構造体との関係を示す模式図。 （ａ）は別の実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は別の実施形態の三次元繊維構造体の模式図。 別の実施形態の一次構造体と押圧部材等を示す模式平面図。 従来技術を示す模式図。

符号の説明

１１…三次元繊維構造体、１２…積層繊維層、１２ａ…繊維層としての０度繊維層、１２ｂ…繊維層としての９０度繊維層、１３…厚さ方向糸、１４ａ，１４ｂ…曲げ部、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…平面部、１６ａ，１６ｂ…連続繊維、１７ａ，１７ｂ…規制部材としてのピン、１８…治具、２０…一次構造体、２１…保持部材としての第１保持部材、２２…保持部材としての第２保持部材、２３…保持部材としての押圧部材。

Claims (6)

1. 連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する部分を有する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化複合材の製造方法であって、
   規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、前記規制部材と係合して折り返すように連続繊維を前記規制部材間に配列して形成した繊維層を積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する連続繊維配列工程と、
   前記積層繊維層に厚さ方向糸が前記積層繊維層を貫通するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、
   前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程と、
   前記曲げ工程で曲げ加工が行われた後の一次構造体を成形型内に配置して樹脂の含浸、硬化を行う樹脂含浸硬化工程と
   を備え、
   前記曲げ工程において、前記一次構造体の一部を少なくとも２個の保持部材で保持するとともに前記一次構造体に張力をかけつつ前記一次構造体に曲げ力を作用させるように前記保持部材を相対移動させ、相対移動する前記保持部材に挟まれた前記一次構造体の両端部に曲げ方向の異なる曲げ部を形成することを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。
2. 前記曲げ工程において、前記一次構造体を保持する保持部材の１つを固定した状態で曲げ加工を行う請求項１に記載の繊維強化複合材の製造方法。
3. 前記一次構造体を保持する保持部材は奇数個設けられ、中央の保持部材を固定した状態で曲げ加工を行う請求項１に記載の繊維強化複合材の製造方法。
4. 前記樹脂の含浸、硬化はレジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法により行われる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の繊維強化複合材の製造方法。
5. 前記曲げ加工は、スプリングバックを考慮して繊維強化複合材における曲げ部の曲率より大きな曲率となるように曲げ部を形成する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の繊維強化複合材の製造方法。
6. 前記連続繊維及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の繊維強化複合材の製造方法。

Images