JP2017213803A - 成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなる成形体を、１本のマンドレルから２本製造できる製造方法を提供する。【解決手段】一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなり且つ繊維強化樹脂材料からなる管状の成形体を１本のマンドレルから２本製造する製造方法であって、第１領域内において第２領域と反対側の端部221Aから第２領域側の端部211Aに移るにしたがって外径が大きくなり、第２領域内において第１領域と反対側の端部221Bから第１領域側の端部211Bに移るにしたがって外径が大きくなるマンドレル20を準備し、マンドレル20における第１領域と第２領域に独立した状態の成形体10A,10Bを成形し、第１領域に成形された成形体10Aをマンドレル20から第２領域と反対側の端部121Bから抜き、第２領域に成形された成形体10Bをマンドレル20から第１領域と反対側の端部121Aから抜く。【選択図】図２

Description

本発明は、繊維強化樹脂材料からなる管状の成形体の製造方法に関する。

繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ（Fiber Reinforced plastic））からなる管状の成形体は、軽量かつ高強度であることから、航空機、自動車、鉄道車両、船舶、風力発電ブレード、土木、建築等の分野で幅広く用いられている。

管状の成形体の製造方法としては、例えば、フィラメントワインディング法により、マンドレルに樹脂を含浸した強化繊維を巻き付け、樹脂を硬化させた後、マンドレルを脱芯する製法が開示されている（例えば、特許文献１）。

ところで、マンドレルを使用した成形体の製造方法において、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなる成形体を製造する場合、脱芯の困難性から、１本のマンドレルから１本の成形体しか製造することができなかった。また、シートワインディング法によりプリプレグをマンドレルに積層して、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなる成形体を製造する場合においても、同様の理由により、１本のマンドレルから１本の成形体しか製造することができなかった。

特表２０１５−５０５７５３号公報

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなる成形体を、１本のマンドレルから２本製造できる成形体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る成形体の製造方法は、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなり且つ繊維強化樹脂材料からなる管状の成形体を１本のマンドレルから２本製造する製造方法であって、長手方向に第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域内において前記第２領域と反対側の端部から前記第２領域側の端部に移るにしたがって外径が大きくなり、前記第２領域内において前記第１領域と反対側の端部から前記第１領域側の端部に移るにしたがって外径が大きくなる前記マンドレルを準備し、前記マンドレルにおける前記第１領域と第２領域に独立した状態の成形体を成形し、前記第１領域に成形された前記成形体を前記マンドレルから前記第２領域と反対側の端部から抜き、前記第２領域に成形された前記成形体を前記マンドレルから前記第１領域と反対側の端部から抜くことを特徴としている。

ここでいう「一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなり」とは、一端と他端との間に１個又は複数個の段差部やテーパー部がある場合、一端から他端まで内径が徐々に大きくなるテーパー状をしている場合等を含む概念であり、テーパーは直線状、曲線状であってもよい。なお、ある任意の領域において、一端に近い側の部分の内径が他端に近い側の部分の内径と同じ部分（ストレート部）を有していてもよい。

また、「独立した状態」とは、一方の成形体を損傷させることなく、他方の成形体をマンドレルから抜くことができることをいう。例えば、成形中の樹脂フローにより２つの成形体がフローした樹脂により連結されていても、他方の成形体をマンドレルから抜く時にフローした樹脂が破断して、一方の成形体に損傷を与えることなく他方の成形体を得ることができる。このため、例えば、フローした樹脂により２つの成形体が連結されているような状態も独立した状態の一形態に含まれる。

また、「抜く」とは、マンドレルを押し出して抜く場合、マンドレルを引いて抜く場合の両方を含む概念である。

本発明の一態様に係る成形体の製造方法によれば、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなる成形体を、１本のマンドレルから２本製造することができる。

本実施形態に係る成形体の製造方法の概略を示す模式図である。 マンドレルの長手方向中央部を拡大した断面図である。 成形体の脱芯方法を工程毎（Ａ）〜（Ｅ）に示す概略図である。

＜＜概要＞＞
本発明の一態様に係る成形体の製造方法は、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなり且つ繊維強化樹脂材料からなる管状の成形体を１本のマンドレルから２本製造する製造方法であって、長手方向に第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域内において前記第２領域と反対側の端部から前記第２領域側の端部に移るにしたがって外径が大きくなり、前記第２領域内において前記第１領域と反対側の端部から前記第１領域側の端部に移るにしたがって外径が大きくなる前記マンドレルを準備し、前記マンドレルにおける前記第１領域と第２領域に独立した状態の成形体を成形し、前記第１領域に成形された前記成形体を前記マンドレルから前記第２領域と反対側の端部から抜き、前記第２領域に成形された前記成形体を前記マンドレルから前記第１領域と反対側の端部から抜くことを特徴としている。

これによれば、一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなる成形体を、１本のマンドレルから２本製造することができる。

また、他の一態様において、前記マンドレルにおける前記第１領域と前記第２領域との間の当該マンドレルの外周面が露出する露出部にプレートを配し、前記成形体を脱芯する。
これによれば、マンドレルの第１領域および第２領域に成形された成形体の脱芯を容易に行うことができる。

また、他の一態様において、前記プレートは２分割されている。
これによれば、マンドレルの外周面の露出部に脱芯用プレートを容易に挟み込むことができる。

＜＜実施形態＞＞
図１は、本実施形態に係る成形体１０Ａ，１０Ｂの製造方法の概略を示す模式図である。図２はマンドレル２０の長手方向中央部を拡大した断面図である。

本実施形態によれば、マンドレル２０を矢印Ｘ方向に引き抜くと成形体１０Ｂが得られ、マンドレル２０を矢印Ｙ方向に引き抜くと成形体１０Ａが得られる。
図２に示すように、成形体１０Ａは一端１２１Ａから他端１１１Ａに移るにしたがって内径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）。また、成形体１０Ｂは一端１２１Ｂから他端１１１Ｂに移るにしたがって内径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）。
なお、成形体１０Ａの他端１１１Ａ及び成形体１０Ｂの他端１１１Ｂはマンドレル２０の中央側に位置し、成形体１０Ａの一端１２１Ａ及び成形体１０Ｂの一端１２１Ｂはマンドレル２０の両端側に位置する。

１．マンドレル
本実施形態に使用するマンドレル２０は、図１に示すように、長手方向の中央部が太くなっている。つまり、マンドレル２０は、図２に示すように、長手方向（軸方向）中央部のストレート部２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）の外径（Ｄ１）が、長手方向端部のストレート部２２（２２Ａ，２２Ｂ）の外径（Ｄ２）よりも大きく、外径がＤ２からＤ１へと拡径するテーパー部２３（２３Ａ，２３Ｂ）を有する。なお、図２には「２１」、「２２」、「２３」の符号は記載されていない。

ここでは、ストレート部２１Ａ、テーパー部２３Ａ、ストレート部２２Ａを「第１領域」とし、ストレート部２１Ｂ、テーパー部２３Ｂ、ストレート部２２Ｂを「第２領域」とする。

なお、本明細書において、「第２領域内において第１領域と反対側の端部」とは、第１領域から遠くなる側の端部２２１Ｂを意味し、「第２領域内において第１領域側の端部」とは、第１領域に近くなる側の端部２１１Ｂを意味する。
同様に、「第１領域内において第２領域と反対側の端部」とは、第２領域から遠くなる側の端部２２１Ａを意味し、「第１領域内において第２領域側の端部」とは、第２領域に近くなる側の端部２１１Ａを意味する。

すなわち、マンドレル２０は、長手方向に第１領域（２１Ａ，２３Ａ，２２Ａ）と第２領域（２１Ｂ，２３Ｂ，２２Ｂ）とを有し、第１領域内において第２領域と反対側の端部２２１Ａから第２領域側の端部２１１Ａに移るにしたがって外径が大きくなり（Ｄ１＞Ｄ２）、第２領域内において第１領域と反対側の端部２２１Ｂから第２領域側の端部２１１Ｂに移るにしたがって外径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）。
ここでは、第１領域内において第２領域側の端部の外径（Ｄ１）と、第２領域内において第１領域側の端部の外径（Ｄ３）とは同じ（Ｄ１＝Ｄ３）であるため、単に「Ｄ１」と記載している。
また、第２領域と反対側の端部の外径（Ｄ２）と、第１領域と反対側の端部の外径（Ｄ４）とは同じ（Ｄ２＝Ｄ４）であるため、単に「Ｄ２」と記載している。

なお、マンドレル２０のストレート部２１Ａとストレート部２１Ｃとの間には切断用ガイド溝２４Ａが設けられ、ストレート部２１Ｂとストレート部２１Ｃとの間にも切断用ガイド溝２４Ｂが設けられている。切断用ガイド溝２４Ａ，２４Ｂの詳細については後述する。

２．成形体
本実施形態で得られる成形体１０Ａは、ストレート部１１Ａの内径（Ｄ１）がストレート部１２Ａの内径（Ｄ２）よりも大きく、内径がＤ２からＤ１へと拡径するテーパー部１３Ａを有する。

また、成形体１０Ｂは、ストレート部１１Ｂの内径（Ｄ１）がストレート部１２Ｂの内径（Ｄ２）よりも大きく、内径がＤ２からＤ１へと拡径するテーパー部１３Ｂを有する。

なお、本明細書では成形体１０Ａ，１０Ｂを特に区別しない場合は、単に成形体１０と記載する。同様に、ストレート部１１Ａ，１１Ｂ、ストレート部１２Ａ，１２Ｂ、テーパー部１３Ａ，１３Ｂについても、単にストレート部１１、ストレート部１２、テーパー部１３と記載する。

３．繊維強化樹脂材料
繊維強化樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂のような熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂のような熱可塑性樹脂等の樹脂材料と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維材料とを複合化して成形された繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ（Fiber Reinforced plastic））が使用可能である。繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ）としては、具体的には、炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced plastic））、ガラス繊維強化樹脂材料（ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced plastic））、アラミド繊維強化樹脂材料（ＡＦＲＰ（Aramid Fiber Reinforced Plastic））、ボロン繊維強化樹脂材料（ＢＦＲＰ（Boron Fiber Reinforced Plastic））等があげられる。

４．成形体の製造方法
（４−１）成形体前駆体の作製
成形体前駆体の作製にフィラメントワインディング法を用いる場合について説明する。
まず、樹脂付きの強化樹脂をフィラメントワインディング法によりマンドレル２０の外周に巻き付け、成形体前駆体を作製する。なお、必要に応じて成形体前駆体の外周に熱収縮性のテープを巻き付けることが好ましい。この成形体前駆体は、硬化すると成形体１０Ａ，１０Ｂとなる。なお、マンドレル２０の外周には離型剤が予め塗布されている。

（４−２）成形体前駆体の切断、分割
マンドレル２０の外周に巻き付けた成形体前駆体を、マンドレル２０の第１領域（２１Ａ，２３Ａ，２２Ａ）と、第２領域（２１Ｂ，２３Ｂ，２２Ｂ）とに分割する。すなわち、第１領域（２１Ａ，２３Ａ，２２Ａ）と第２領域（２１Ｂ，２３Ｂ，２２Ｂ）との間の、成形体前駆体の中間部分３０の両側を、切断用ガイド溝２４Ａ，２４Ｂに沿って周方向に切断し、中間部分３０を除去する。これにより、第１領域（２１Ａ，２３Ａ，２２Ａ）に作製された成形体前駆体（硬化後は成形体１０Ａとなる。）と、第２領域（２１Ｂ，２３Ｂ，２２Ｂ）に作製された成形体前駆体（硬化後は成形体１０Ｂとなる。）とに分割する。

（４−３）加熱硬化
第１領域及び第２領域に成形体前駆体が作製されたマンドレル２０をオーブン（加熱炉）に入れて加熱硬化し、２本の成形体１０Ａ，１０Ｂを成形する。これにより、成形体１０Ａと成形体１０Ｂとが互いに独立した状態で成形される。なお、成形時の樹脂フローにより成形体１０Ａと成形体１０Ｂとが連続しているような場合、成形体１０Ａと成形体１０Ｂとの分離は容易であり独立した状態とみなす。

（４−４）脱芯
次に、脱芯について図３を用いて説明する。図３は成形体１０Ａ，１０Ｂの脱芯方法を工程毎（Ａ）〜（Ｅ）に示す概略図である。なお、図３では、成形体１０Ａ，１０Ｂのテーパー部１３Ａ，１３Ｂ（図２参照）、マンドレル２０のテーパー部２３Ａ，２３Ｂ（図２参照）は省略して描いている。

まず、図３（Ａ）に示すように、第１領域及び第２領域に成形体１０Ａ，１０Ｂが成形された状態のマンドレル２０を脱芯機台４０へ搬入する。

図３（Ｂ）に示すように、所定の大きさ（例えば、２２０［ｍｍ］×１１０［ｍｍ］）の２枚の金属製の脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを準備する。なお、各脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂには、ストレート部２１（２１Ａ，２１Ｂ）の外径（Ｄ１）よりも僅かに大きい（約２［ｍｍ］）半円５１Ａ，５１Ｂが加工されている。
図３（Ｂ）に示すように、マンドレル２０のストレート部２１Ｃ（中間部分３０の除去部分）に、脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを挟み込む。具体的には、図２に示すように、成形体１０Ｂのストレート部１１Ｂの他端１１１Ｂに、脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂの片面が当接する状態で挟み込む。

図３（Ｃ）に示すように、マンドレル２０のストレート部２２Ａの端部にシリンダー６０を取り付け、シリンダー６０を矢印Ｘ方向（図面右側）へ移動させる。この方向は成形体１０Ｂに対してマンドレル２０を引き抜く方向であり、結果的に脱芯される。これにより、マンドレル２０の第２領域側に成形した成形体１０Ｂを得ることができる。図２に示すように、成形体１０Ｂの大径側であるストレート部１１Ｂの内径（Ｄ１）は、マンドレル２０の小径側であるストレート部２２Ｂの外径（Ｄ２）よりも大きいため、成形体１０Ｂを破損することなく、マンドレル２０を矢印Ｘ方向へ引き抜くことができる。

次に、図３（Ｄ）に示すように、成形体１０Ａが成形された状態のマンドレル２０を左右反転させ、マンドレル２０のストレート部２１Ｃ（中間部分３０の除去部分）に、脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを挟み込む。具体的には、図２に示すように、成形体１０Ａのストレート部１１Ａの他端１１１Ａに脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂの片面が当接する状態で挟み込む。

図３（Ｅ）に示すように、マンドレル２０のストレート部２２Ｂの端部にシリンダー６０を取り付け、シリンダー６０を矢印Ｘ方向（図面右側）へ引き抜き、脱芯する。これにより、マンドレル２０の第１領域側に成形した成形体１０Ａを得ることができる。図２に示すように、成形体１０Ａの大径側であるストレート部１１Ａの内径（Ｄ１）は、マンドレル２０の小径側であるストレート部２２Ａの外径（Ｄ２）よりも大きいため、成形体１０Ａを破損することなく、マンドレル２０を矢印Ｘ方向へ引き抜くことができる。

このように本実施形態によれば、一端１２１Ａから他端１１１Ａに移るにしたがって内径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）成形体１０Ａと、一端１２１Ｂから他端１１１Ｂに移るにしたがって内径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）成形体１０Ｂを、１本のマンドレル２０から同時（一つの成形で）製造することができる。

本実施形態で得られる成形体は、例えば、航空機、自動車、鉄道車両、船舶、風力発電ブレード、土木、建築等の分野に用いられる。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
（マンドレル）
長手方向中央部のストレート部２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）の外径（Ｄ１）が７７［ｍｍ］、長さが約３００［ｍｍ］で、長手方向端部のストレート部２２（２２Ａ，２２Ｂ）の外径（Ｄ２）が７５［ｍｍ］である、全長２０００［ｍｍ］のマンドレル２０を準備した。切断用ガイド溝２４Ａ，２４Ｂは幅５［ｍｍ］、深さ１［ｍｍ］とした。

（繊維強化樹脂材料）
繊維として炭素繊維束（東邦テナックス社製、ＵＴＳ５０）、樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いた。

（フィラメントワインディング法）
マンドレル２０の外周に繊維強化樹脂材料を約７０［°］〜９０［°］の角度で約０．２［ｍｍ］の厚みに相当する量を巻き付けた後、繊維強化樹脂材料を約５［°］〜５０［°］の角度で約２．５［ｍｍ］の厚みに相当する量を巻き付け、成形体前駆体を作製した。その後、成形体前駆体の外周に熱収縮性のテープを巻き付けた。

次に、成形体前駆体の中央の長さ約１００［ｍｍ］の中間部分３０の両側を、切断用ガイド溝２４Ａ，２４Ｂに沿って周方向に切断し、除去した。これにより、第１領域（２１Ａ，２３Ａ，２２Ａ）に作製された成形体前駆体（硬化後は成形体１０Ａとなる。）と、第２領域（２１Ｂ，２３Ｂ，２２Ｂ）に作製された成形体前駆体（硬化後は成形体１０Ｂとなる。）とに分割した。

硬化炉を使用して熱をかけて樹脂を硬化させ、２本の成形体１０Ａ，１０Ｂを成形した。

２２０［ｍｍ］×１１０［ｍｍ］の大きさの金属製のプレート（厚さ１６［ｍｍ］）に、φ７９［ｍｍ］の半円が加工された脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを２枚準備した。マンドレル２０のストレート部２１Ｃ（中間部分３０の除去部分）に、脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを挟み込んだ。

２枚の金属製の脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを専用の機械に固定し、左側の成形体１０Ｂの他端１１１Ｂに脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを当て、マンドレル２０を右方向に引き抜いた。

その後、マンドレルを左右反転させ、残った成形体１０Ａの他端１１１Ａに２枚の脱芯用プレート５０Ａ，５０Ｂを当て、マンドレル２０を右方向に引き抜いた。

これにより、一端１２１Ａから他端１１１Ａに移るにしたがって内径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）成形体１０Ａ（厚さ約２．７［ｍｍ］）と、一端１２１Ｂから他端１１１Ｂに移るにしたがって内径が大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）成形体１０Ｂ（厚さ約２．７［ｍｍ］）を、１本のマンドレル２０から製造した。

＜＜変形例＞＞
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する変形例と実施形態のいずれかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。

１．テーパー部
実施形態では成形体１０Ａ，１０Ｂはテーパー部１３Ａ，１３Ｂを有するが、これに限定されず、段差部を有していてもよい。成形体の全領域がテーパーであってもよく、ストレート部はなくてもよい。また、成形体は他端側が一端側よりも外径が大きいテーパー部を長手方向に複数あってもよく、もしくは段差部を長手方向に複数あってもよい

２．成形体前駆体の作製
成形体前駆体は、フィラメントワインディング法（ＦＷ）により作製されたものに限定されず、例えば、シートワインディング法（ＳＷ）でもよい。

３．成形体前駆体の切断、除去
シートワインディング法によれば、第１領域と第２領域のみに独立した状態で成形体前駆体を作製することができ、マンドレル２０のストレート部２１Ｃに成形体前駆体を作製しないことも可能である。シートワインディング法によれば、予め２つに分割した状態の成形体前駆体を作製できるため、フィラメントワインディング法のように、ストレート部２１Ｃに成形した中間部分３０を切断、除去する必要がなくなる。

４．成形体
実施形態では、マンドレル２０の第１領域及び第２領域に成形した成形体１０Ａ，１０Ｂの形状（内径等）は同じとしたが、領域毎に異なる形状（内径、長さ、テーパー部等）の成形体を成形することもできる。
また、領域毎に使用する繊維の種類や配向角を異なるようにしてもよい。
成形体は、マンドレルに強化繊維をプリフォームし、レジントランスファー法（ＲＴＭ）により成形してもよい。但し、この場合、２つの成形体の間に樹脂が存在しないような型設計が必要となる。

５．成形体前駆体の硬化
成形体前駆体の硬化は、熱硬化に限らず、光硬化、紫外線硬化等であってもよい。

６．切断用ガイド溝
実施形態では切断用ガイド溝２４Ａ，２４Ｂを設けたが、切断用ガイド溝２４Ａ、２４Ｂを使用せず切断が可能であれば切断用ガイド溝は使わなくてもよいし、切断用ガイド溝は無くてもよい。

７．マンドレル
実施形態ではマンドレル２０は横断面円形であるが、横断面多角形状（例えば、四角形、六角形等）であってもよい。なお、横断面多角形状の場合の外径は、最も長い対角線の長さに相当する。
実施形態においては、Ｄ１＝Ｄ３、Ｄ２＝Ｄ４としたが、Ｄ１≠Ｄ３、Ｄ２≠Ｄ４としてもよい。

１０Ａ，１０Ｂ 成形体
２０ マンドレル

Claims (4)

1. 一端から他端に移るにしたがって内径が大きくなり且つ繊維強化樹脂材料からなる管状の成形体を１本のマンドレルから２本製造する製造方法であって、
   長手方向に第１領域と第２領域とを有し、前記第１領域内において前記第２領域と反対側の端部から前記第２領域側の端部に移るにしたがって外径が大きくなり、前記第２領域内において前記第１領域と反対側の端部から前記第１領域側の端部に移るにしたがって外径が大きくなる前記マンドレルを準備し、
   前記マンドレルにおける前記第１領域と第２領域に独立した状態の成形体を成形し、
   前記第１領域に成形された前記成形体を前記マンドレルから前記第２領域と反対側の端部から抜き、
   前記第２領域に成形された前記成形体を前記マンドレルから前記第１領域と反対側の端部から抜く
   成形体の製造方法。
2. 前記第１領域内において前記第２領域側の端部の外径（Ｄ１）が当該第２領域と反対側の端部の外径（Ｄ２）よりも大きく、外径がＤ２からＤ１へと拡径するテーパー部又は段差部を有し、
   前記第２領域内において前記第１領域側の端部の外径（Ｄ３）が当該第１領域と反対側の端部の外径（Ｄ４）よりも大きく、外径がＤ４からＤ３へと拡径するテーパー部又は段差部を有する
   請求項１に記載の成形体の製造方法。
3. 前記マンドレルにおける前記第１領域と前記第２領域との間の当該マンドレルの外周面が露出する露出部にプレートを配し、前記成形体を前記マンドレルから抜く
   請求項１又は２に記載の成形体の製造方法。
4. 前記プレートは２分割されている
   請求項３に記載の成形体の製造方法。

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