JP3186997B2 - 繊維強化プラスチック円筒の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】この発明は、繊維強化プラスチック
（以下、ＦＲＰという）円筒の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰ円筒の製造方法として、回転する
金型（マンドレル）に、樹脂を含浸させた連続繊維を巻
き付けた後、硬化させて脱型を行なうフィラメントワイ
ンディング法がある。このフィラメントワインディング
法にも、連続繊維に樹脂を含浸させながら設計層構成に
なるように繊維束を金型に巻き付け、製品形状にした
後、加熱硬化を行ない脱型するウエットワインディング
法と、予め繊維に樹脂を含浸させてそれを加熱し半硬化
させてプリプレグを形成し、このプリプレグを金型に巻
き付けて製品形状にした後、硬化脱型を行なうドライワ
インディング法がある。

【０００３】このようにして製作されたＦＲＰ円筒は、
通常研削加工によって外周面を滑らかに仕上げている
が、特に高速回転体などに用いる場合、回転時のアンバ
ランスを抑制するため、偏肉をできるだけ小さくする高
精度加工が要求される。

【０００４】

【発明の課題】上記のような研削加工を施すと、外表面
に巻回された連続繊維が部分的に切断されることがあ
り、強度を低下させるばかりでなく、ＦＲＰ円筒の使用
中に、高速回転によって表面繊維の一部が剥離する原因
の一つとなっている。

【０００５】また、機械加工を行なう場合、ＦＲＰ円筒
の内部に中芯（治具）を装着して、この中芯を基準にＦ
ＲＰ円筒の外表面を研削加工しているが、この中芯は一
般に一定方向に片寄った微小な軸方向のブレを有するた
め、機械加工後のＦＲＰ円筒にも中芯ブレに対応した一
定方向の偏肉が生じ、バランス精度を損ねる原因となっ
ている。

【０００６】一方また、ウエットワインディング法でＦ
ＲＰ円筒を製作する場合、加熱硬化工程で金型の膨脹に
よって樹脂が内部から表面に浸潤してくる現象がある。
これが余剰樹脂となって表面の繊維体積含有率（ｖｆ）
を低下させるばかりでなく、偏肉や凹凸の原因になり易
い。

【０００７】そこで、この発明の課題は、ウエットワイ
ンディング法において、ＦＲＰ円筒の平均的繊維体積含
有率が高く、連続繊維が分断されることなく、偏肉が生
じないバランス精度のよいＦＲＰ円筒を製造できる方法
を提供することである。

【０００８】

【課題の解決手段】上記の課題を解決するために、この
発明は、樹脂を含浸した繊維束を金型表面に巻き付けて
ＦＲＰ円筒を形成した後、その表面に付着した余剰樹脂
を除去し、これをそのまま硬化成形する方法において、
余剰樹脂の除去手段として、吸収材を回転するＦＲＰ円
筒表面に接触させ、樹脂の吸収或いは削除により表面樹
脂を除去する方法、もしくは、回転するＦＲＰ円筒表面
に不活性ガスを吹き付けることにより表面樹脂を除去す
る方法を採用したのである。

【０００９】余剰樹脂除去時の温度範囲は、２０〜１０
０℃が好ましい。

【００１０】また、薄肉部と厚肉部を有する円筒につい
ては、厚肉部の樹脂除去時の円筒温度を薄肉部と同一条
件で樹脂除去した後にさらに薄肉部の円筒温度以上にし
て厚肉部の樹脂除去することにより、平均的な繊維体積
含有率が均一になるようにしたのである。

【００１１】

【実施の形態】以下、この発明の実施形態を添付図面に
基づいて説明する。

【００１２】図１はウエットワインディング法の概要を
示す。図示のように、サプライスタンド１のボビン１ａ
から連続繊維Ｆが供給され、樹脂槽２を通過する間に樹
脂Ｒが含浸される。この連続繊維Ｆは、ガイド４に沿っ
て往復動を行なうキャリッジ３に設けられたアイ５か
ら、駆動装置７によって回転する金型（マンドレル）６
に供給され、金型６に巻回される。この巻回工程は常温
で行なわれる。巻回の方法は、図３（イ）のようなフー
プ巻き、図３（ロ）のようなヘリカル巻き、或は両者の
併用のいずれでもよい。

【００１３】所定の設計層構成に巻回した後、ＦＲＰ円
筒Ｃは、金型６に巻き付けられた状態のままで加熱装置
によって加熱する。このとき、金型６は、上記連続繊維
巻き付け時と同様に、駆動装置７ａによって回転させな
がら加熱する。この駆動装置は、上記繊維巻き付け装置
と同じものであってもよいし、別の装置を用意してもよ
い。そして、ＦＲＰ円筒Ｃの温度が２０〜１００℃、好
ましくは５０〜１００℃に上昇させ、円筒Ｃの表面の樹
脂を除去する。円筒Ｃの表面には、金型６の膨脹等によ
って余剰の樹脂が浸潤しており、これを均一に除去する
ことによって、繊維体積含有率（ｖｆ）が高く、偏肉や
芯ブレのないＦＲＰ円筒が得られる。

【００１４】樹脂を除去するには、図２に示すように、
綿（わた）やスポンジのような吸収材や硬質又は半硬質
ゴム等から成る可撓性スクレーパ、不活性ガスの噴出ノ
ズル等を、加熱したＦＲＰ円筒Ｃの表面に沿って軸方向
に移動させる手段８を用いる。この除去手段８を、金型
６の中心軸に平行なガイド４ａに沿って往復動するキャ
リッジに取り付けておくと、回転するＦＲＰ円筒Ｃの表
面から均一に樹脂を除去することができる。また、除去
手段８は、ＦＲＰ円筒Ｃに対する半径方向の位置を調整
することができるようにしておく。

【００１５】ＦＲＰ円筒Ｃの表面樹脂を所要量除去した
後、さらに加熱・硬化させ金型６から脱型すると完成品
が得られる。その後の機械加工は要しないが、必要に応
じて多少の研削加工を施してもよいことは言うまでもな
い。

【００１６】前記連続繊維Ｆの金型６への巻回、加熱及
び余剰樹脂の除去、加熱硬化の工程を同一装置で連続し
て行なうことができる。すなわち、図１において、巻回
駆動装置７を加熱装置９内に収納しておき、当初は常温
で連続繊維Ｆを金型６に巻き付ける。巻き付けが完了し
て所定の繊維層が形成された後、キャリッジ３を図２の
キャリッジ３ａに取り換えるか、又はアイ５を除去手段
８に取り換え、加熱装置９を作動させて所定の温度に上
昇させ、ＦＲＰ円筒を加熱し、除去手段８によって余剰
樹脂を取り除いた後、さらに加熱して硬化させる。硬化
後は冷却して脱型すればよい。

【００１７】前記ＦＲＰ円筒Ｃは、必ずしも均等な肉厚
のものに限らない。例えば図４に示すように、薄肉部Ｃ
₁ と厚肉部Ｃ₂ があってもよい。巻回する連続繊維の層
の厚さを変化させることによって、このような円筒Ｃが
得られる。この場合、余剰樹脂除去時の円筒Ｃの温度を
厚肉部Ｃ₂ で薄肉部Ｃ₁ よりも高くするのが好ましい。

【００１８】なお、ＦＲＰ円筒に用いられる繊維は、ガ
ラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維などであり、樹脂はエ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などであ
る。

【００１９】以下に実施例を挙げる。

【００２０】

【実施例】エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維をヘリカ
ル巻きとフープ巻きの組み合わせた積層構成により金型
表面に巻き付け、図４に示す円筒を得た。薄肉部Ｃ₁ の
厚み０．８ｍｍ、厚肉部の厚み５．０ｍｍ、内径１５０
ｍｍ、長さ７００ｍｍであった。これを加熱装置内に入
れて、金型を回転した状態で図５の硬化パターンに従
い、薄肉部Ｃ₁ の表面樹脂を７０℃で、さらに厚肉部Ｃ
₂ の表面樹脂を９０℃で除去した後、硬化成形させた。
表面樹脂の除去方法は次の３方式で実施した。 回転する円筒表面に綿布を接触させ、余剰樹脂を吸
収除去した。 回転する円筒表面に乾燥窒素ガスを吹き付け、余剰
樹脂を飛散除去させた。 回転する円筒表面に硬質ゴム製へらを接触させ、余
剰樹脂を削除した。 硬化後の外観は３方式いずれも同等のものを得た。

【００２１】このようにして製作した円筒を５００ｍ／
ｓの周速度で高速回転テストを連続１０時間行なった結
果、回転テストの前後で円筒の外観に何ら異常は認めら
れなかった。

【００２２】実施例で製作した円筒のアンバランス量を
同一形状の従来製法による表面研削加工円筒と比較した
結果、約３０％（ＪＩＳ−Ｂ−０９０５ １、２級）の
アンバランスの改善が認められた。

【００２３】

【発明の効果】 成形硬化後の外表面の機械加工を省略したため、外
表面に巻かれた繊維は、その連続性が確保されており、
本来の繊維強度が保持され、回転応力負荷時に表面繊維
の部分剥離を防止することできる。

【００２４】 繊維束を金型表面に巻き付けた状態の
まま最終成形品まで加工されるため、芯ブレが生じ難
く、機械加工品のような一定方向に片寄った偏肉による
アンバランスや芯ブレの発生を防止できる。

【００２５】 外表面機械加工の省略により、製造コ
ストの低減が可能となる。

【００２６】 表面樹脂除去を施さず余剰樹脂を残存
させた場合には、平均的繊維体積含有率の低下により比
弾性（弾性率／比重）が低下し、高速回転体としての必
要物性を満足し得ない。そこで樹脂除去時の円筒温度を
２０〜１００℃の範囲で任意に選ぶことにより、硬化後
の表面樹脂量或いは平均的な繊維体積含有率を調節する
ことが可能となる。また、薄肉部と厚肉部を有する円筒
については、薄肉部と厚肉部を同一条件で樹脂除去した
後、さらに厚肉部の樹脂除去時の円筒温度を薄肉部の円
筒温度よりも高くなるように設定し、樹脂を除去するこ
とにより、薄肉部と厚肉部の表面樹脂量を等価にするこ
とが可能となる。

【００２７】 樹脂除去手段として、浸透性素材を回
転する円筒表面に接触させ、樹脂の吸収或いは削除する
方法、もしくは、回転する円筒表面に不活性ガスを吹き
付ける方法、更にはへら状の可撓性材を回転する円筒表
面に接触させる方法により、巻付け繊維束に損傷を与え
ることなく表面樹脂を除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の製造方法を示す正面線図

【図２】ＦＲＰ円筒の表面余剰樹脂の除去方法を示す正
面線図

【図３】繊維束の巻回方法を示す正面線図

【図４】ＦＲＰ円筒の一例を示す縦断面図

【図５】加熱温度変化を示すグラフ

【符号の説明】

１ サプライスタンド １ａ ボビン ２ 樹脂槽 ３、３ａ キャリッジ ４、４ａ ガイド ５ アイ ６ 金型 ７、７ａ 駆動装置 ８ 除去手段 ９ 加熱装置 Ｆ 連続繊維 Ｒ 樹脂 Ｃ ＦＲＰ円筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 70/16

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂を含浸した繊維束を金型表面に巻き
   付けてＦＲＰ円筒を形成し、このＦＲＰ円筒の表面に付
   着した余剰樹脂を除去した後に硬化成形することから成
   る繊維強化プラスチック円筒の製造方法において、吸収
   材を回転するＦＲＰ円筒表面に接触させ、樹脂の吸収或
   いは削除によりＦＲＰ円筒の表面の余剰樹脂を除去する
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック円筒の製造方
   法。
2. 【請求項２】 樹脂を含浸した繊維束を金型表面に巻き
   付けてＦＲＰ円筒を形成し、このＦＲＰ円筒の表面に付
   着した余剰樹脂を除去した後に硬化成形することから成
   る繊維強化プラスチック円筒の製造方法において、回転
   するＦＲＰ円筒表面に不活性ガスを吹き付けることによ
   りＦＲＰ円筒の表面の余剰樹脂を除去することを特徴と
   する繊維強化プラスチック円筒の製造方法。
3. 【請求項３】 前記樹脂除去時の円筒温度を２０〜１０
   ０℃の範囲とする請求項１又は２に記載の繊維強化プラ
   スチック円筒の製造方法。
4. 【請求項４】 前記ＦＲＰ円筒が０．１〜１．０ｍｍの
   薄肉部と２．０〜１０．０ｍｍの厚肉部とから形成さ
   れ、厚肉部の樹脂除去時の円筒温度を薄肉部と同一条件
   で樹脂除去した後にさらに薄肉部の円筒温度以上にして
   厚肉部の樹脂を除去することを特徴とする請求項１〜３
   のいずれかに記載の繊維強化プラスチック円筒の製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記樹脂が熱硬化性樹脂であり、前記繊
   維束が炭素繊維である請求項１又は２に記載の繊維強化
   プラスチック円筒の製造方法。