JP2020069650A - 繊維強化プラスチック成形品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ループ形状を維持しながら大変形（例えばループ形状を押し潰すような変形）が可能な耐久性の高い繊維強化プラスチック成形品及びその製造方法を提供する。【解決手段】繊維強化プラスチック成形品（１０）は、小径ループ部（２０）と、大径ループ部（３０）と、渦巻部（４０）とを有している。渦巻部（４０）は、小径ループ部（２０）の外周面と大径ループ部（３０）の内周面を繋ぐとともに、小径ループ部（２０）の外周面と大径ループ部（３０）の内周面の間を渦巻いている。【選択図】図３

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）成形品及びその製造方法に関する。

特許文献１には、外面メッキ層を有するＣＦＲＰ円筒が開示されている。外面メッキ層を有するＣＦＲＰ円筒は、炭素繊維を含む熱硬化性樹脂を熱硬化させて形成したＣＦＲＰ円筒と、このＣＦＲＰ円筒の外周面に形成された一連のシート材からなる金属箔円筒層と、この金属箔円筒層の外周面に形成された外面金属メッキ層と、を有している。

特開２０１５−２１４７２７号公報

ところで、特許文献１を含む繊維強化プラスチック成形品は様々な技術分野への応用が検討されており、この流れは将来的にさらに加速していくものと考えられる。そのような流れの中、本発明者は、ループ形状を維持しながら大変形（例えばループ形状を押し潰すような変形）が可能な耐久性の高い繊維強化プラスチック成形品の研究開発を進めている。

本発明は、ループ形状を維持しながら大変形（例えばループ形状を押し潰すような変形）が可能な耐久性の高い繊維強化プラスチック成形品及びその製造方法を提供することを目的とする。

本実施形態の繊維強化プラスチック成形品は、小径ループ部と、大径ループ部と、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、を有することを特徴としている。

前記小径ループ部と前記大径ループ部は、自由状態で略円環状をなしており、前記渦巻部が渦巻空間を利用して圧縮されることにより略楕円環状に変形可能であってもよい。

本実施形態の繊維強化プラスチック成形品は、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く仲介渦巻層をさらに有していてもよい。この場合、前記渦巻部と前記仲介渦巻層は、径方向に見たときに交互に位置して、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻いてもよい。

本実施形態の繊維強化プラスチック成形品の製造方法は、マンドレルの外周面に、内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグを一周より多い巻回量で巻回する第１巻回工程と、前記繊維強化プリプレグと離型シートを重ねた状態で二周以上に亘って巻回する第２巻回工程と、前記繊維強化プリプレグを一周より多い巻回量で巻回する第３巻回工程とを実行するステップと、前記マンドレルの外周面に巻回した前記繊維強化プリプレグを加熱硬化するステップと、前記マンドレルと前記離型シートを除去することにより、小径ループ部と、大径ループ部と、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部とを有する繊維強化プラスチック成形品を取り出すステップと、を有することを特徴としている。

前記第２巻回工程では、前記離型シートに張力を加えながら、前記繊維強化プリプレグと前記離型シートを重ねた状態で二周以上に亘って巻回してもよい。

本発明によれば、ループ形状を維持しながら大変形（例えばループ形状を押し潰すような変形）が可能な耐久性の高い繊維強化プラスチック成形品及びその製造方法を提供することができる。

第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品の自由状態を示す斜視図である。 第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品の自由状態を示す断面図である。 第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品の変形状態を示す断面図である。 第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品の製造方法を示す第１の図である。 第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品の製造方法を示す第２の図である。 第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品の製造方法を示す第３の図である。 第２実施形態による繊維強化プラスチック成形品の自由状態を示す断面図である。

≪第１実施形態≫
図１〜図６を参照して、第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品１０及びその製造方法について詳細に説明する。

繊維強化プラスチック成形品１０は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の各種の繊維強化プラスチックからなる一体成形品とすることができる。

繊維強化プラスチック成形品１０は、小径ループ部２０と大径ループ部３０と渦巻部４０を有している。渦巻部４０は、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面を繋ぐとともに、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面の間を渦巻いている。渦巻部４０の一端部と小径ループ部２０の外周面の接続部に符号Ｐ１を付し、渦巻部４０の他端部と大径ループ部３０の内周面の接続部に符号Ｐ２を付している。

繊維強化プラスチック成形品１０（小径ループ部２０、大径ループ部３０、渦巻部４０）の軸方向の長さには自由度があり、用途や適用対象等に応じて種々の設計変更が可能である。

図１、図２に示すように、小径ループ部２０と大径ループ部３０は、自由状態で略円環状をなしている（小径ループ部２０と大径ループ部３０が略同心状に位置している）。図３に示すように、小径ループ部２０と大径ループ部３０は、渦巻部４０が渦巻空間を利用して圧縮されることにより略楕円環状に変形可能となっている。

このように構成された繊維強化プラスチック成形品１０は、自由状態と変形状態に亘って、小径ループ部２０と大径ループ部３０によるループ形状を維持することができる（ループ形状の破壊を防止することができる）。また、繊維強化プラスチック成形品１０は、渦巻部４０の渦巻空間を利用して大変形（例えばループ形状を押し潰すような変形）が可能である。ループ形状を維持しながら大変形を可能とすることで、繊維強化プラスチック成形品１０の耐久性を高めることができる。

上記のような利点を活かして、繊維強化プラスチック成形品１０は、様々な技術分野（過去、現在、将来の任意の技術分野）に応用が可能である。例えば、繊維強化プラスチック成形品１０は、バリ取り、研削、研磨用の無端ベルト（エンドレスベルト）に搭載可能である。

図４〜図６を参照して、繊維強化プラスチック成形品１０の製造方法について説明する。

図４に示すように、軸方向に亘って略同径である棒状のマンドレル（芯金）５０を準備する。炭素繊維等の繊維状補強材にエポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させてなる繊維強化プリプレグ６０を準備する。繊維強化プリプレグ６０は矩形シート状をなしており、繊維強化プリプレグ６０の短手方向の長さはマンドレル５０の軸方向の長さよりも短く設定されており、繊維強化プリプレグ６０の長手方向の長さはマンドレル５０の周方向の長さの数十倍に設定されている。ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリイミドフィルム等の材料からなるフィルムに離型処理を施した、離型シート７０を準備する。離型シート７０は矩形シート状をなしており、離型シート７０の短手方向の長さは繊維強化プリプレグ６０の短手方向の長さと略同一に設定されており、離型シート７０の長手方向の長さは繊維強化プリプレグ６０の長手方向の長さよりも短く設定されている。

繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を短手方向に位置合わせして、繊維強化プリプレグ６０の長手方向の中間部に離型シート７０を重ね合わせる。この重ね合わせ状態では、離型シート７０の長手方向の両端部から繊維強化プリプレグ６０の長手方向の両端部がはみ出す。繊維強化プリプレグ６０の長手方向の両端部のはみ出し量は、マンドレル５０の周方向の長さより大きくする。なお、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を所定の位置関係で予め貼り合わせておいてもよい。

マンドレル５０の外周面に、内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を巻回していく。まず、繊維強化プリプレグ６０のうち、離型シート７０の長手方向の一端部からはみ出した部分を一周より多い巻回量で巻回する（第１巻回工程）。次いで、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０が重なった部分を二周以上に亘って巻回する（第２巻回工程）。最後に、繊維強化プリプレグ６０のうち、離型シート７０の長手方向の他端部からはみ出した部分を一周より多い巻回量で巻回する（第３巻回工程）。

このように、マンドレル５０の外周面に、内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグ６０を一周より多い巻回量で巻回する第１巻回工程と、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を重ねた状態で二周以上に亘って巻回する第２巻回工程と、繊維強化プリプレグ６０を一周より多い巻回量で巻回する第３巻回工程とを実行する。

図５に示すように、第２巻回工程では、離型シート７０に張力を加えながら、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を重ねた状態で二周以上に亘って巻回することが好ましい。

マンドレル５０の外周面に巻回した繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化する。すると、第１巻回工程で巻回した繊維強化プリプレグ６０のオーバーラップ部分が一体化することによって小径ループ部２０が形成され、第３巻回工程で巻回した繊維強化プリプレグ６０のオーバーラップ部分が一体化することによって大径ループ部３０が形成される。これに対して、第２巻回工程で、離型シート７０と重ねた状態で巻回した繊維強化プリプレグ６０の該当部分は、内外に隣接する層間に必ず離型シート７０が存在するため、一体化することはなく、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面の間を繋いで渦巻く渦巻部４０を形成する。離型シート７０の巻回開始位置にある繊維強化プリプレグ６０との境界部は、渦巻部４０の一端部と小径ループ部２０の外周面の接続部Ｐ１に対応する。離型シート７０の巻回終了位置にある繊維強化プリプレグ６０との境界部は、渦巻部４０の他端部と大径ループ部３０の内周面の接続部Ｐ２に対応する。

繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化して得られた小径ループ部２０の内周面からマンドレル５０を除去する。このとき、離型シート７０は、繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化して得られた渦巻部４０の層間に残存している。この時点での成形体は、軸方向に長いロールケーキ状のものなので、必要に応じて、図６に示すように、カット治具８０を使用して、軸方向の長さを調整した所望のサイズにカットしてもよい。

最後に、繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化して得られた渦巻部４０の層間から離型シート７０を除去する。これにより、小径ループ部２０と大径ループ部３０と渦巻部４０とを有する繊維強化プラスチック成形品１０が取り出される（製造される）。

≪第２実施形態≫
図７は、第２実施形態による繊維強化プラスチック成形品１０’の自由状態を示す断面図である。第１実施形態による繊維強化プラスチック成形品１０と同一の構成要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

繊維強化プラスチック成形品１０’は、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面を繋ぐとともに、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面の間を渦巻く仲介渦巻層（仲介渦巻部）９０を有している。仲介渦巻層９０は、例えば、ゴム又は薄膜の金属板（金属フィルム）等の材料から構成することができる。仲介渦巻層９０の一端部と小径ループ部２０の外周面の接続部に符号Ｐ１’を付し、仲介渦巻層９０の他端部と大径ループ部３０の内周面の接続部に符号Ｐ２’を付している。接続部Ｐ１と接続部Ｐ１’の周方向位置および接続部Ｐ２と接続部Ｐ２’の周方向位置はそれぞれ互いに異なっている。

渦巻部４０と仲介渦巻層９０は、径方向に見たときに交互に位置して、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面の間を渦巻いている。渦巻部４０に加えて仲介渦巻層９０を設けることにより、振動減衰性や遮音性の向上、層間の摩擦低減、製品の剛性調整を図ることができる。また、小径ループ部２０及び大径ループ部３０と渦巻部４０及び仲介渦巻層９０の間の応力緩和に有効である。

繊維強化プラスチック成形品１０’を製造する場合は、例えば、上述の図４において、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０の間に、別の離型シートを介在させて、仲介渦巻層９０の材料となるゴム又は薄膜の金属板（金属フィルム）を配置する。つまり、マンドレル５０の内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグ６０、別の離型シート、仲介渦巻層９０の材料、及び離型シート７０の積層構造体を同時多層巻回（所謂ぐるぐる巻き）する。ここで、離型シート７０及び別の離型シートの長手方向の両端部から仲介渦巻層９０の材料の長手方向の両端部を若干量だけはみ出させておく（仲介渦巻層９０の材料のはみ出し量は繊維強化プリプレグ６０のはみ出し量よりも十分に小さい）。すると、加熱硬化後の繊維強化プラスチック成形品１０’において、仲介渦巻層９０の一端部が小径ループ部２０の外周面と接続部Ｐ１’で一体化され、仲介渦巻層９０の他端部が大径ループ部３０の内周面と接続部Ｐ２’で一体化される。

１０ １０’ 繊維強化プラスチック成形品
２０ 小径ループ部
３０ 大径ループ部
４０ 渦巻部
５０ マンドレル（芯金）
６０ 繊維強化プリプレグ
７０ 離型シート
８０ カット治具
９０ 仲介渦巻層（仲介渦巻部）

Claims (5)

1. 小径ループ部と、
   大径ループ部と、
   前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、
   を有することを特徴とする繊維強化プラスチック成形品。
2. 前記小径ループ部と前記大径ループ部は、自由状態で略円環状をなしており、前記渦巻部が渦巻空間を利用して圧縮されることにより略楕円環状に変形可能である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形品。
3. 前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く仲介渦巻層をさらに有し、
   前記渦巻部と前記仲介渦巻層は、径方向に見たときに交互に位置して、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の繊維強化プラスチック成形品。
4. マンドレルの外周面に、内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグを一周より多い巻回量で巻回する第１巻回工程と、前記繊維強化プリプレグと離型シートを重ねた状態で二周以上に亘って巻回する第２巻回工程と、前記繊維強化プリプレグを一周より多い巻回量で巻回する第３巻回工程とを実行するステップと、
   前記マンドレルの外周面に巻回した前記繊維強化プリプレグを加熱硬化するステップと、
   前記マンドレルと前記離型シートを除去することにより、小径ループ部と、大径ループ部と、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部とを有する繊維強化プラスチック成形品を取り出すステップと、
   を有することを特徴とする繊維強化プラスチック成形品の製造方法。
5. 前記第２巻回工程では、前記離型シートに張力を加えながら、前記繊維強化プリプレグと前記離型シートを重ねた状態で二周以上に亘って巻回する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の繊維強化プラスチック成形品の製造方法。

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