JP2017196860A - 繊維強化樹脂製中空状成型体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[1]内面同士が平行になるように対向して配置された第1平面部及び第2平面部と、前記第1平面部及び前記第2平面部の幅方向の両側に設けられ、外側に突き出るように湾曲した第1湾曲部及び第2湾曲部とを備える、長尺で中空状の繊維強化樹脂製中空状成型体であって、
長さ方向に対して垂直に切断した断面において、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部の内面はそれぞれ曲率ρ(mm−1)で円弧状に湾曲し、前記第1湾曲部と前記第2湾曲部の内面の頂点同士の距離をd(mm)、前記第1平面部の内面と前記第2平面部の内面との距離をh(mm)としたとき、下式(1)を満たす、繊維強化樹脂製中空状成型体。
h/2<d/2≦1/ρ ・・・(1)
[2]長さ方向において前記の距離hが漸次的に変化する部分を有する、[1]に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体。
[3]長さ方向において前記曲率ρが漸次的に変化する部分を有する、[1]又は[2]に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体。
[4]前記[1]〜[3]のいずれかに記載の繊維強化樹脂製中空状成型体を製造する方法であって、下記の工程(a)〜(d)を有する、繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
(a)棒状で、長さ方向に垂直な断面形状が前記繊維強化樹脂製中空状成型体の中空形状と相補的な形状の芯材の外面に、強化繊維とマトリックス樹脂を含有するプリプレグを巻き付けて第1巻付体を得る工程。
(b)前記第1巻付体の前記プリプレグ上にさらに第1ラッピングテープを巻き付けて第2巻付体を得る工程。
(c)棒状の当て材を、前記第2巻付体における前記第1平面部と前記第2平面部のそれぞれに対応する部分に密着するように設置した状態で、第2ラッピングテープを巻き付けて第3巻付体を得る工程。
(d)前記第3巻付体を加熱する工程。
[5]前記強化繊維がガラス繊維であるプリプレグと、前記強化繊維が炭素繊維であるプリプレグとを前記芯材に巻き付ける、[4]に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
[6]前記強化繊維がガラス繊維である織物プリプレグと、前記強化繊維が炭素繊維である一方向プリプレグとを前記芯材に巻き付ける、[5]に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
[7]前記芯材の外面における前記第1平面部及び前記第2平面部に対応する部分の両方と、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部に対応する部分の一方とが覆われ、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部に対応する部分の他方が覆われないように、前記一方向プリプレグを巻き付ける、[6]に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
[8]前記芯材の外面における前記第1平面部及び前記第2平面部に対応する部分の一方が覆われ、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部に対応する部分の両方と、前記第1平面部及び前記第2平面部に対応する部分の他方が覆われないように、前記一方向プリプレグを巻き付ける、[6]に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法によれば、軽量で剛性の高い繊維強化樹脂製中空状成型体を簡便に製造することができる。
本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体は、繊維強化樹脂製の成型体であり、長尺で中空状になっている。具体的には、本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体は、内面同士が平行になるように対向して配置された第1平面部及び第2平面部と、前記第1平面部及び前記第2平面部の幅方向の両側に設けられ、外側に突き出るように湾曲した第1湾曲部及び第2湾曲部とを備えている。本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体では、これら第1平面部、第2平面部、第1湾曲部及び第2湾曲部が筒状に一体に形成されており、内部に中空部が形成されている。
なお、本明細書において、繊維強化樹脂製中空状成型体の外径とは、対向する一対の湾曲部における外径、すなわち第1平面部側から見た成型体の幅を意味するものとする。
以下、テーパー部を含む繊維強化樹脂製中空状成型体における、外径が小さい側の端部を細径端部といい、外径が大きい側の端部を太径端部という。
強化繊維としては、高い強度及び剛性と軽量化を両立しやすい点では、炭素繊維が好ましい。本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体に含まれる強化繊維は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体が形態保持層とストレート層を含む場合、形態保持層の外側にストレート層が形成されていることが好ましい。形態保持層は、後述する織物プリプレグにより形成される。ストレート層は、後述する一方向プリプレグにより形成される。
h/2<d/2≦1/ρ ・・・(1)
h11/2<d11/2≦1/ρ11 ・・・(1−1)
ただし、式(1−1)において、d11は、テーパー部12を長さ方向に対して垂直に切断した断面における、第1湾曲部18の内面18aの頂点と第2湾曲部20の内面20aの頂点の距離(mm)である。h11は、前記断面における第1平面部14の内面14aと第2平面部16の内面16aとの距離(mm)である。距離h11は、成型体1の長さ方向において、細径端部1aに向かって漸次的に小さくなっている。ρ11は、テーパー部12における第1湾曲部18の内面18aと第2湾曲部20の内面20aの曲率であり、1/r11(ただし、r11はテーパー部12における第1湾曲部18の内面18aと第2湾曲部20の内面20aの曲率半径である。)と一致する。ρ11は、成型体1の長さ方向において、細径端部1aに向かって漸次的に小さくなっている。
h12/2<d12/2≦1/ρ12 ・・・(1−2)
ただし、式(1−2)において、d12は、ストレート部10を長さ方向に対して垂直に切断した断面における、第1湾曲部18の内面18aの頂点と第2湾曲部20の内面20aの頂点の距離(mm)である。h12は、前記断面における第1平面部14の内面14aと第2平面部16の内面16aとの距離(mm)である。ρ12は、ストレート部10における第1湾曲部18の内面18aと第2湾曲部20の内面20aの曲率であり、1/r12(ただし、r12はストレート部10における第1湾曲部18の内面18aと第2湾曲部20の内面20aの曲率半径である。)と一致する。
本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法は、前述した本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体を製造する方法である。本発明の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法は、下記の工程(a)〜(d)を有する。
(a)棒状で、長さ方向に垂直な断面形状が繊維強化樹脂製中空状成型体の中空形状と相補的な形状の芯材の外面に、強化繊維とマトリックス樹脂を含有するプリプレグを巻き付けて第1巻付体を得る工程。
(b)前記第1巻付体の前記プリプレグ上にさらに第1ラッピングテープを巻き付けて第2巻付体を得る工程。
(c)棒状の当て材を、前記第2巻付体における前記第1平面部と前記第2平面部のそれぞれに対応する部分に密着するように設置した状態で、第2ラッピングテープを巻き付けて第3巻付体を得る工程。
(d)前記第3巻付体を加熱する工程。
図4(A)〜(C)に例示した、棒状で、長さ方向に垂直な断面形状が成型体1の中空形状と相補的な形状の芯材100(マンドレル)を用意する。芯材100は、長さ方向において外径が一定のストレート部110と、ストレート部110の先端から長さ方向に延在し、先端に向かうにつれて外径が小さくなるように窄むテーパー部112とを有する。芯材100の外面は、一対の第1平面114及び第2平面116と、外側に向かって突き出るように円弧状に湾曲した一対の第1曲面118及び第2曲面119とで形成されている。なお、芯材の外径とは、第1曲面及び第2曲面が位置する部分の外径、すなわち第1平面側から見たときの芯材の幅を意味するものとする。
芯材の材質としては、特に限定されず、剛性の高いアルミニウム、鉄、ステンレス等の金属や、強化繊維樹脂等が好ましい。
織物プリプレグを巻き付ける際の強化繊維の配向は、特に限定されない。強化繊維の繊維軸方向が直交している織物プリプレグを使用する場合、芯材の長手方向に対する強化繊維のそれぞれの繊維軸方向が、0°方向と90°方向に配向するように織物プリプレグを巻き付けるか、又は−45°方向と45°方向に配向するように織物プリプレグを巻き付けることが好ましい。これにより、得られる繊維強化樹脂製中空状成型体において破損や変形が生じにくくなる。
芯材に巻き付ける織物プリプレグの枚数は、特に限定されず、1枚であってもよく、2枚以上であってもよい。
なお、芯材における成型体の第1平面部及び第2平面部に対応する部分の両方と、第1湾曲部及び第2湾曲部に対応する部分の一方とが覆われるように一方向プリプレグを巻き付ける場合、第1湾曲部及び第2湾曲部に対応する部分の他方に該一方向プリプレグの側端部分がわずかにかかるようにしてもよい。
なお、芯材における成型体の第1平面部及び第2平面部に対応する部分の一方が覆われるように一方向プリプレグを巻き付ける場合、第1湾曲部及び第2湾曲部に対応する部分に該一方向プリプレグの側端部分がわずかにかかるようにしてもよい。
芯材に巻き付ける一方向プリプレグの枚数は、特に限定されず、1枚であってもよく、2枚以上であってもよい。
工程(b)では、工程(a)で得た第1巻付体1AのプリプレグP上にさらに第1ラッピングテープを巻き付けて第2巻付体を得る。これにより、第2巻付体においてプリプレグPが芯材100に巻き付けられた状態で安定に保持される。第1ラッピングテープを巻き付ける方法は、第2巻付体においてプリプレグが巻き付けられた状態で安定に保持される範囲であれば特に限定されず、例えば、螺旋状に巻き付ける方法が挙げられる。
第1ラッピングテープの幅は、特に限定されず、例えば、20〜30mmとすることができる。
工程(c)では、棒状の当て材を、第2巻付体における第1平面部と第2平面部のそれぞれに対応する部分に密着するように設置した状態で、第2ラッピングテープを巻き付けて第3巻付体を得る。
工程(c)では、棒状で、長さ方向に垂直な断面形状が直線部と円弧部とで形成される欠円状の当て材を用いることが好ましい。この場合、第2巻付体における第1平面部と第2平面部のそれぞれに対応する部分上に、直線部が第2巻付体に接するように当て材を設置した状態で、第2ラッピングテープを巻き付けることで、長さ方向に垂直な断面形状が全体として円形状の第3巻付体が得られる。
当て材120は、断面形状が直線部と曲線部とで形成される欠円状であり、直線部の幅及び円弧部の曲率半径が一定のストレート部122と、ストレート部122の先端から長さ方向に延び、直線部の幅及び円弧部の曲率半径が先端に向かうにつれて小さくなるテーパー部124とを有する。
第2ラッピングテープの幅は、特に限定されず、例えば、20〜30mmとすることができる。
工程(d)では、第3巻付体を加熱する。マトリックス樹脂が硬化性樹脂である場合は、工程(d)において該硬化性樹脂を硬化させる。加熱温度及び加熱時間は、プリプレグに使用するマトリックス樹脂の種類に応じて適宜設定すればよい。
以上説明した工程(a)〜(d)により、繊維強化樹脂製中空状成型体が得られる。
なお、本発明の製造方法は、成型体1を製造する方法には限定されない。
[芯材]
図4(A)〜(C)に例示した芯材100(鉄製マンドレル)を用意した。芯材100の各寸法を表1に示す。L111はテーパー部112の長さであり、L112はストレート部110の長さであり、L113は芯材100の全長である。W11は細径端部100aにおける第1平面114の幅であり、W13は細径端部100aにおける第2平面116の幅である。D11は細径端部100aにおける第1曲面118の頂点と第2曲面119の頂点との距離であり、H11は細径端部100aにおける第1平面114と第2平面116との距離である。R11は細径端部100aにおける第1曲面118及び第2曲面119の曲率半径である。W12は太径端部100bにおける第1平面114の幅であり、W14は太径端部100bにおける第2平面116の幅である。D12は太径端部100bにおける第1曲面118の頂点と第2曲面119の頂点との距離であり、H12は太径端部100bにおける第1平面114と第2平面116との距離である。R12は太径端部100bにおける第1曲面118及び第2曲面119の曲率半径である。
平面視形状が、長方形の部分と、該部分の短辺から延びる台形状の部分とで形成される形状である図5及び図6に示すプリプレグ(P−1)〜(P−6)を用意した。プリプレグ(P−1)〜(P−6)における各寸法を表2に示す。α11〜α16は各プリプレグにおける台形部分の先端の幅であり、β11〜β16は各プリプレグにおける長方形部分の幅であり、γ11は各プリプレグの全長であり、γ12は各プリプレグにおける長方形部分の長さである。
図7に例示した当て材120と、図8に例示した当て材130とを用意した。当て材120及び当て材130における各寸法を表4に示す。
当て材120においては、L121はテーパー部124の長さであり、L122はストレート部122の長さであり、L123は当て材120の全長である。W21は細径端部120aの幅であり、H21は細径端部120aの高さであり、R21は細径端部120aの曲線部の曲率半径である。W22は太径端部120bの幅であり、H22は太径端部120bの高さであり、R22は太径端部120bの曲線部の曲率半径である。
当て材130においては、L131はテーパー部134の長さであり、L132はストレート部132の長さであり、L133は当て材130の全長である。W31は細径端部130aの幅であり、H31は細径端部130aの高さであり、R31は細径端部130aの曲線部の曲率半径である。W32は太径端部130bの幅であり、H32は太径端部130bの高さであり、R32は太径端部130bの曲線部の曲率半径である。
(工程(a))
芯材100の外面に、プリプレグ(P−1)を2枚巻き付け、さらにプリプレグ(P−2)とプリプレグ(P−3)をこの順に巻き付けた。芯材100におけるこれら4枚の織物プリプレグを巻き付ける領域は、芯材100の細径端部100aから50mmの位置から2600mmの位置までの2550mmの領域とした。次いで、2枚のプリプレグ(P−4)を、芯材100の第1平面114側に、それらプリプレグの幅方向の両側の側端部が第1曲面118と第2曲面119に数mm程度かかるように順次巻き付けた。次いで、2枚のプリプレグ(P−5)を、芯材100の第2平面116側に、それらプリプレグの幅方向の両側の側端部が第1曲面118と第2曲面119に数mm程度かかるように順次巻き付けた。次いで、プリプレグ(P−6)をこれらの上から巻き付けて第1巻付体を得た。
第1巻付体の外面全体に、20mm幅の第1ラッピングテープ(ポリプロピレン製収縮テープ)をピッチが3mmとなるように螺旋状に巻き付けて第2巻付体を得た。次いで、第2巻付体における芯材100の第1平面114上に当て材120を直線部が第2巻付体に接するように配置し、第2平面116上に当て材130を直線部が第2巻付体に接するように配置して、テープで仮固定をした。その状態で、その上に20mm幅の第2ラッピングテープ(ポリプロピレン製収縮テープ)をピッチ3mmで螺旋状に巻き付けて第3巻付体を得た。
第3巻付体を加熱炉に入れ、135℃で2時間保持してプリプレグを硬化させ、常温まで自然冷却させた。次いで、得られた成型体から芯材100を抜き取り、第1ラッピングテープ、第2ラッピングテープ及び当て材120,130を剥ぎ取った後、該成型体の全長が2480mmとなるように細径端部側と太径端部側をそれぞれ35mmずつ切除して繊維強化樹脂製中空状成型体を得た。得られた繊維強化樹脂製中空状成型体の質量、全長、細径端部と太径端部のそれぞれの厚さと、幅を表5に示す。また、得られた繊維強化樹脂製中空状成型体の細径端部における距離d11、距離h11及び曲率ρ11と、太径端部における距離d12、距離h12及び曲率ρ12を表5に示す。
繊維強化樹脂製中空状成型体の太径端部を固定した状態で、細径端部に1kgの荷重をかけた時の撓み量(mm)を測定した。なお、撓み量は、高さ方向における太径端部と細径端部の距離である。結果を表5に示す。
10 ストレート部
12 テーパー部
14 第1平面部
16 第2平面部
18 第1湾曲部
20 第2湾曲部
100 芯材
120,130 当て材
Claims (8)
- 内面同士が平行になるように対向して配置された第1平面部及び第2平面部と、前記第1平面部及び前記第2平面部の幅方向の両側に設けられ、外側に突き出るように湾曲した第1湾曲部及び第2湾曲部とを備える、長尺で中空状の繊維強化樹脂製中空状成型体であって、
長さ方向に対して垂直に切断した断面において、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部の内面はそれぞれ曲率ρ(mm−1)で円弧状に湾曲し、前記第1湾曲部と前記第2湾曲部の内面の頂点同士の距離をd(mm)、前記第1平面部の内面と前記第2平面部の内面との距離をh(mm)としたとき、下式(1)を満たす、繊維強化樹脂製中空状成型体。
h/2<d/2≦1/ρ ・・・(1) - 長さ方向において前記の距離hが漸次的に変化する部分を有する、請求項1に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体。
- 長さ方向において前記曲率ρが漸次的に変化する部分を有する、請求項1又は2に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体を製造する方法であって、下記の工程(a)〜(d)を有する、繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
(a)棒状で、長さ方向に垂直な断面形状が前記繊維強化樹脂製中空状成型体の中空形状と相補的な形状の芯材の外面に、強化繊維とマトリックス樹脂を含有するプリプレグを巻き付けて第1巻付体を得る工程。
(b)前記第1巻付体の前記プリプレグ上にさらに第1ラッピングテープを巻き付けて第2巻付体を得る工程。
(c)棒状の当て材を、前記第2巻付体における前記第1平面部と前記第2平面部のそれぞれに対応する部分に密着するように設置した状態で、第2ラッピングテープを巻き付けて第3巻付体を得る工程。
(d)前記第3巻付体を加熱する工程。 - 前記強化繊維がガラス繊維であるプリプレグと、前記強化繊維が炭素繊維であるプリプレグとを前記芯材に巻き付ける、請求項4に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
- 前記強化繊維がガラス繊維である織物プリプレグと、前記強化繊維が炭素繊維である一方向プリプレグとを前記芯材に巻き付ける、請求項5に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
- 前記芯材の外面における前記第1平面部及び前記第2平面部に対応する部分の両方と、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部に対応する部分の一方とが覆われ、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部に対応する部分の他方が覆われないように、前記一方向プリプレグを巻き付ける、請求項6に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
- 前記芯材の外面における前記第1平面部及び前記第2平面部に対応する部分の一方が覆われ、前記第1湾曲部及び前記第2湾曲部に対応する部分の両方と、前記第1平面部及び前記第2平面部に対応する部分の他方が覆われないように、前記一方向プリプレグを巻き付ける、請求項6に記載の繊維強化樹脂製中空状成型体の製造方法。
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