JP2010043213A - 繊維強化複合材料とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】3次元形状の繊維強化複合材料に関して、その中間製品であるプリフォームを、シワのない良好な状態で形成できるようにして、繊維強化複合材料の強度を向上する。
【解決手段】繊維強化複合材料は、繊維基材2を賦形型3に密着させて3次元形状のプリフォーム1を形成する賦形過程と、プリフォーム1に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得ることができる。繊維基材2は、ダミー中央糸7が組糸5・6の間に組み込まれた組物からなる。賦形過程において、ダミー中央糸7を繊維基材2の一端から抜き出しながら、繊維基材2を賦形型3に密着させて賦形することにより、3次元形状のプリフォーム1を形成する。組物からなる繊維基材2においては、賦形型3の形状に対応して組糸5・6が動くので、シワのないプリフォーム1を得ることができる。
【選択図】図1
【解決手段】繊維強化複合材料は、繊維基材2を賦形型3に密着させて3次元形状のプリフォーム1を形成する賦形過程と、プリフォーム1に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得ることができる。繊維基材2は、ダミー中央糸7が組糸5・6の間に組み込まれた組物からなる。賦形過程において、ダミー中央糸7を繊維基材2の一端から抜き出しながら、繊維基材2を賦形型3に密着させて賦形することにより、3次元形状のプリフォーム1を形成する。組物からなる繊維基材2においては、賦形型3の形状に対応して組糸5・6が動くので、シワのないプリフォーム1を得ることができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、3次元形状の繊維強化複合材料とその製造方法に関し、その中間製品であるプリフォームの賦形過程に特徴を有する。
3次元形状の繊維強化複合材料のプリフォームを得る際には、作製が容易な2次元形状の繊維基材を、当該3次元形状を有する賦形型に密着させて賦形する手法が多く採られている。このことは、例えば特許文献1および2などに公知である。
ところで、上記手法によれば、もともとは2次元形状の繊維基材を3次元形状に変形させるため、繊維基材には若干のシワが生じる。ここでシワとは、繊維が極端に折り曲げられた状態を指す。このシワは、プリフォームの形状が複雑になるほど大きくなり、後にプリフォームを繊維強化複合材料とした場合に、当該複合材料の強度低下の原因となる。シワが生じないように、2次元形状の繊維基材に切れ目を設けてから、3次元形状の賦形型に密着させることも考えられるが、その場合は、当該切れ目が新たに強度低下の原因になってしまう。
本発明の目的は、プリフォームを得る賦形過程において、シワのない良好な状態のプリフォームを得ることができるようにすることで、繊維強化複合材料の強度を向上させることにある。
本発明は、繊維基材を賦形型に密着させて3次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得られる3次元形状の繊維強化複合材料に関する。繊維基材は、組糸の間にダミー中央糸が組み込まれた組物からなる。賦形過程において、ダミー中央糸を繊維基材の一端から抜き出しながら、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、3次元形状のプリフォームが形成してあることを特徴とする。
プリフォームが少なくともひとつの屈折線を有し、かつ、屈折線と屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する3次元形状に形成されている形態を採ることができる。
繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである平打組物からなる形態を採ることができる。もしくは繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである丸打組物からなる形態を採ることができる。後者の場合は、賦形過程に先行して、丸打組物を扁平に押し潰して2層状に形成し、賦形過程において、得られた2層状の繊維基材を賦形型に密着させて、プリフォームを形成する。
また本発明は、ダミー中央糸が組糸の間に組み込まれた組物からなる繊維基材を、賦形型に密着させて3次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを含む繊維強化複合材料の製造方法に関する。賦形過程において、ダミー中央糸を繊維基材の一端から抜き出しながら、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、3次元形状のプリフォームを形成することを特徴とする。
本発明では、プリフォームとなる繊維基材として組物を採用する。組物を構成する2方向の組糸は、織物を構成する緯糸と経糸に比べて互いに動き易く、交差角度が変化し易いという特徴がある。この組糸の動きによれば、繊維基材の作製段階での組糸の配列を乱すことなく、繊維基材の全体形状を変化させることができる。つまり織物の場合は、3次元形状の賦形型に正確に密着させようとすると、シワが生じるのを避けられないが、組物の場合は、賦形型の形状に対応して組糸が動くので、正確に密着させてもシワが生じない。したがって、シワのない良好な状態のプリフォームを得ることができる。そして、シワのないプリフォームは、繊維強化複合材料とした場合の強度が高い。以上のように、本発明は、中間製品であるプリフォームの品質を改善することにより、最終製品である繊維強化複合材料の強度を向上させるものである。
更に本発明では、組糸の間にダミー中央糸が組み込まれており、プリフォームを得る賦形過程では、このダミー中央糸を抜き出しながら、繊維基材を賦形型に密着させて賦形する。つまり、繊維基材を賦形する直前までは、組糸をダミー中央糸で拘束することができるので、賦形前の組糸の不用意なズレ動きを防止できる。また、ダミー中央糸で繊維基材を保形できるので、繊維基材を賦形型上に配置する際などの取り扱い性が向上する。
本発明のように、繊維基材として組物を採用すると、複雑な3次元形状のプリフォーム、具体的には、ひとつの屈折線を有し、かつ、屈折線と屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する3次元形状のプリフォームであっても、シワのない良好な状態で形成することができる。したがって、形状が複雑であるにもかかわらず、強度の高い3次元形状の繊維強化複合材料を得ることができる。
繊維基材を平打組物とした場合は、賦形前の加工を必要とせず、その状態のままで賦形型に密着させて賦形することができるので、繊維強化複合材料の製造工程の最小限化を図ることができる。一方、繊維基材を丸打組物とした場合は、扁平に押し潰すという簡単な作業で2層状に形成することができ、プリフォームの強度、すなわち、繊維強化複合材料の強度を容易に高めることができる。
(第1実施形態) 本発明に係る繊維強化複合材料とその製造方法の第1実施形態を、図1から図6を用いて説明する。図2は、繊維強化複合材料の中間製品であるプリフォーム1を示している。このプリフォーム1は、ひとつの屈折線10を有するとともに、この屈折線10が部分円弧状に形成されており、断面はV字形状を呈する。換言すれば、一対の円弧形帯板の外周側の円弧どうしが互いに繋がった形状を呈している。図2において符号11は、V字断面の遊端の集合である遊端線を示す。
プリフォーム1は、図3に示す2次元形状の平打組物(繊維基材)2を、該プリフォーム1の形状に対応して成形された、図4に示す賦形型3に密着させて賦形することにより、得ることができる。平打組物2は、組角度が異なる2種類の組糸5・6を組み合わせて、全体として帯状に形成される。各組糸5・6は、複数のガラス繊維あるいはカーボン繊維などを束ねた繊維束である。かかる平打組物2は、例えば特開平4−257339号公報に開示された方法で得ることができる。
組糸5・6の間には、平打組物2の長手方向に伸びるダミー中央糸7が組み込まれている。このダミー中央糸7によれば、組糸5・6を拘束して、組糸5・6の不用意なズレ動きを防止できる。ダミー中央糸7は、平打組物2の幅方向両端部にそれぞれ1本ずつ配設されており、両端部が平打組物2から食み出している。この食み出した端部を把持して平打組物2から離れる方向に引くことにより、ダミー中央糸7を平打組物2から抜き出すことができる。ダミー中央糸7は、組糸5・6とは色彩が異なっており、目視により容易に判別することができる。このダミー中央糸7は、組糸5・6のように繊維束である必要はなく、例えばプラスチック製のテープなどであってもよい。またダミー中央糸7は、平打組物2を持ち運ぶ際の取り扱い性を向上するため、組糸5・6よりも硬質に形成されている。
図1は、平打組物2を賦形型3の3次元形状に合致して賦形することによりプリフォーム1を得る賦形過程の様子を示している。具体的には、ダミー中央糸7を平打組物2の一端から抜き出しながら、ダミー中央糸7による拘束から開放された組糸5・6を賦形型3に密着させており、これらの作業はいずれも手作業で行われる。平打組物2を密着させる作業は、屈折線10となる折り目を先に設けてから行うこともできる。
図5は、賦形過程が完了してプリフォーム1が完成した状態を示している。図5において(b)は(a)のA−A線断面図であり、プリフォーム1が賦形型3に確りと密着していることを示すものである。プリフォーム1は、賦形型3に密着した状態のまま、プリフォーム1に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程に移される。次いで、この溶融樹脂を加熱により硬化させる硬化過程と、温度低下後の離型過程を経て、目的の繊維強化複合材料を得ることができる。
図6は、平打組物2を賦形して3次元形状のプリフォーム1とすることにより、組糸5・6の交差角度および幅方向寸法が変化する様子を示している。図6において(a)は平打組物2を示し、(b)はプリフォーム1を示している。ここで、組糸5・6の交差角度とは、組糸5・6の長手方向の中心線どうしがなす角のうち小さい方の角度を指し、組糸5・6の幅方向とは、前記中心線に直交する方向を指す。
図6(a)に示すように、平打組物2における組糸5・6の交差角度θ1および幅寸法W1は、任意の位置で等しい。これに対し、図6(b)に示すように、プリフォーム1における組糸5・6の交差角度は、交差箇所がプリフォーム1の屈折線10に近寄るほど小さくなっている。平打組物2における交差角度θ1と比較すると、屈折線10上における組糸5・6の交差角度θ2はθ1より小さく、遊端線11上における交差角度θ3はθ1より大きい。また、プリフォーム1における組糸5・6の幅寸法は、屈折線10に近寄るほど大きくなっている。平打組物2における幅寸法W1と比較すると、屈折線10上における組糸5・6の幅寸法W2はW1より大きく、遊端線11上における幅寸法W3はW1より小さい。プリフォーム1および平打組物2の全体をみると、屈折線10の長さ寸法は、平打組物2の長手方向寸法よりも大きく、遊端線11の長さ寸法は、平打組物2の長手方向寸法よりも小さい。
組糸5・6の幅寸法が変化するのは、上述のように組糸5・6が繊維束からなるためであり、幅寸法が変化すると、繊維密度にも変化が生じる。繊維密度は、幅寸法が最大となるプリフォーム1の屈折線10上において最も小さくなる。繊維密度が極端に小さくなると、繊維強化複合材料とした場合の強度の低下を招くおそれがあるため、平打組物2の作製時における組糸5・6の繊維密度は、屈折線10上において繊維間に隙間が生じない程度、換言すれば、密着させた際に賦形型3が露出しない程度に設定することが望ましい。
以上のように本実施形態では、プリフォーム1となる繊維基材として平打組物2を採用する。平打組物2を構成する組糸5・6は互いに動き易く、交差角度が変化し易い。この組糸5・6の動きによれば、平打組物2の作製段階での組糸5・6の配列を乱すことなく、平打組物2の全体形状を変化させることができる。つまり、平打組物2では、賦形型3の形状に対応して組糸5・6が動くので、正確に密着させてもシワが生じない。したがって、シワのない良好な状態のプリフォーム1を得ることができる。そして、シワのないプリフォーム1は、繊維強化複合材料とした場合の強度が高い。
更に本実施形態では、組糸5・6の間にダミー中央糸7が組み込まれており、プリフォーム1を得る賦形過程では、このダミー中央糸7を抜き出しながら、平打組物2を賦形型3に密着させて賦形する。つまり、平打組物2を賦形する直前までは、組糸5・6をダミー中央糸7で拘束することができるので、賦形前の組糸5・6の不用意なズレ動きを防止できる。
(第2実施形態) 本発明に係る繊維強化複合材料とその製造方法の第2実施形態を、図7および図8を用いて説明する。本実施形態は、プリフォーム1となる繊維基材として丸打組物2を採用する点が、先の第1実施形態と相違する。丸打組物2は、円筒状のマンドレル(不図示)に対して、組角度が異なる2種類の組糸5・6を螺旋状に巻き付けることにより、図7に想像線で示すように円筒状に作製される。マンドレル上に作製した丸打組物2は、マンドレルから分離した後、外周面側から扁平に押し潰して2層帯状に成形する。その後、賦形過程に移り、図8に示すように、得られた2層状の丸打組物2を賦形型3に密着させて賦形することにより、プリフォーム1を得ることができる。それ以外の点は先の第1実施形態と同様であるため、同様の部材には同様の符号を付して、その説明を省略する。
なお、上記第1および第2実施形態においてダミー中央糸7は2本であったが、その本数は、組物2の大きさやダミー中央糸7の太さなどに応じて変更することができる。ダミー中央糸7は、組糸5・6が不用意にズレ動かず、組物構造の安定化を図ることができる最少本数だけ配設することが最も好ましい。
(その他実施形態) 図9から図11は、本発明に係るプリフォーム1の他の形態を示す。図9に示すプリフォーム1は、部分円弧状に形成されたひとつの屈折線10を有し、断面がV字形状を呈する点は先の第1実施形態と同一であるが、屈折線10の湾曲方向が相違する。すなわち第1実施形態では、屈折線10がV字断面の頂角方向(図5において上方向)に凸曲状に湾曲していたが、ここでは逆に凹曲状に湾曲している。換言すれば、図9のプリフォーム1は、一対の円弧形帯板の内周側の円弧どうしが互いに繋がった形状を呈している。
図10に示すプリフォーム1も、その湾曲方向が、第1実施形態に係るプリフォーム1あるいは図9に示したプリフォーム1と相違する。ここでは、プリフォーム1の全体が、屈折線10に連続する繊維基材面15のほぼ厚み方向に湾曲している。換言すれば、図10のプリフォーム1は、ほぼ厚み方向に屈曲した2枚の帯板の屈曲した縁どうしが互いに繋がった形状を呈している。
図11に示すプリフォーム1は、2本の屈折線10・10を有する点が、これまでに示したプリフォーム1と大きく相違する。このように本発明では、屈折線10どうしが交わらない限りは、屈折線10は複数本であってもよい。図11のプリフォーム1は、一対の円弧形帯板の外周側の円弧どうしが、凸曲状に湾曲した矩形帯板を介して繋がった形状を呈しており、矩形帯板は各円弧形帯板に対して直交している。
1 プリフォーム
2 繊維基材(平打組物・丸打組物)
3 賦形型
5 組糸
6 組糸
7 ダミー中央糸
10 屈折線
2 繊維基材(平打組物・丸打組物)
3 賦形型
5 組糸
6 組糸
7 ダミー中央糸
10 屈折線
Claims (8)
- 繊維基材を賦形型に密着させて3次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、
前記溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを経て得られる3次元形状の繊維強化複合材料であって、
前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込まれた組物からなり、
前記賦形過程において、前記ダミー中央糸を前記繊維基材の一端から抜き出しながら、前記繊維基材を前記賦形型に密着させて賦形することにより、3次元形状の前記プリフォームが形成してあることを特徴とする繊維強化複合材料。 - 前記プリフォームが少なくともひとつの屈折線を有し、かつ、前記屈折線と前記屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する3次元形状に形成されている請求項1記載の繊維強化複合材料。
- 前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである平打組物からなる請求項1または2記載の繊維強化複合材料。
- 前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して2層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた2層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームが形成してある請求項1または2記載の繊維強化複合材料。 - ダミー中央糸が組糸の間に組み込まれた組物からなる繊維基材を、賦形型に密着させて3次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸過程と、
前記溶融樹脂を硬化させる硬化過程とを含む繊維強化複合材料の製造方法であって、
前記賦形過程において、前記ダミー中央糸を前記繊維基材の一端から抜き出しながら、前記繊維基材を前記賦形型に密着させて賦形することにより、3次元形状の前記プリフォームを形成することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。 - 前記プリフォームが少なくともひとつの屈折線を有し、かつ、前記屈折線と前記屈折線に連続する繊維基材面とのうち少なくとも一方が湾曲する3次元形状に形成されている請求項5記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである平打組物からなる請求項5または6記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記繊維基材が、組糸の間にダミー中央糸が組み込んである丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して2層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた2層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームを形成する請求項5または6記載の繊維強化複合材料の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008209490A JP2010043213A (ja) | 2008-08-18 | 2008-08-18 | 繊維強化複合材料とその製造方法 |
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JP2008209490A JP2010043213A (ja) | 2008-08-18 | 2008-08-18 | 繊維強化複合材料とその製造方法 |
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JP2008209490A Pending JP2010043213A (ja) | 2008-08-18 | 2008-08-18 | 繊維強化複合材料とその製造方法 |
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JP (1) | JP2010043213A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107443616A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-12-08 | 河南科技大学 | 圆管三维编织预成型体、编织复合圆管及两者的成型方法 |
-
2008
- 2008-08-18 JP JP2008209490A patent/JP2010043213A/ja active Pending
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CN107443616A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-12-08 | 河南科技大学 | 圆管三维编织预成型体、编织复合圆管及两者的成型方法 |
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