JP5900385B2 - Frpパイプの製造方法 - Google Patents

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この発明は、人工衛星構造体などに用いられる強化繊維プラスチック(以下、FRPという)パイプの製造方法に関するものである。詳しくは、2軸以上の強化繊維を材料とした場合で、繊維配向角がFRPパイプ長手方向に対して異方性を有する多層多角のパイプ製造方法に関するものである。
現在、人工衛星構造体として用いられるパイプには各種パイプが存在するが、軽量化を目的としたパイプとしてFRP製パイプ(以下、FRPパイプという)がある。FRPパイプの一成形法として、たとえばカーボン繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させ、半硬化状態としたプリプレグシートを芯金に巻付ける積層方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平3−67638号公報
強化繊維による2軸織物を材料とした異方性を有するFRPパイプの製法として、少なくとも繊維配向の一方向が矩形の一辺と平行である短形のプリプレグシートを用い、このプリプレグシートを芯金に螺旋状に積層していく方法がある。
このプリプレグシートを螺旋状に積層する製法では、従来、積層時の繊維継ぎ部に皺が発生することがあり、また、積層した層の繊維ずれによっても皺が発生することがあった。この皺はFRPパイプの強度低下の原因となっていた。
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、FRPパイプの強度低下の原因となる皺の発生を抑えて、軽量かつ高い強度の、強化繊維による2軸織物を材料とする多層多角の中空のFRPパイプを提供することを目的とする。
本発明に係るFRPパイプの製造方法は、人工衛星の構造体に用いられる2軸以上の織物を材料とした異方性を有するFRP(Fiber Reinforced Plastics)パイプの製造方法であって、
矩形のクロスプリプレグシートの外周の一辺を基準として前記クロスプリプレグシートの材料である強化繊維の繊維配向方向θが0°<θ<90°である第1のクロスプリプレグシートの前記一辺の方向と、前記FRPパイプの内径に相当する径を有する円柱状の芯金の中心軸の方向とが一致するように前記第1のクロスプリプレグシートを配置する配置工程と、
前記配置工程の後、前記第1のクロスプリプレグシートを前記芯金に巻きつける巻き付け工程と、
前記巻き付け工程の後、矩形のクロスプリプレグシートの外周の一辺を基準として前記クロスプリプレグシートの材料である強化繊維の繊維配向方向が前記θと一致する第2のクロスプリプレグシートの前記一辺の方向と、前記芯金の中心軸の方向とが一致し、かつ、前記芯金の中心軸の方向と垂直方向にある前記第1のクロスプリプレグシートの外周の辺におけるFRPパイプの長手方向の端部と前記第2のクロスプリプレグシートの外周の辺におけるFRPパイプの長手方向の端部が、継ぎ部で重なり合うように前記第2のクロスプリプレグシートを積層する積層工程と、
前記積層工程の後、前記第2のクロスプリプレグシートを前記芯金に巻きつける工程と、を備える。
この発明に係るFRPパイプの製造方法よれば、FRPパイプの強度低下の起因となる皺の発生を抑えることができる。これにより軽量かつ強度の高い、強化繊維による2軸織物を材料とする多層多角の中空のFRPパイプを提供することができる。
この発明の実施の形態1に係るFRPパイプの製造方法を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係るFRPパイプの製造方法に用いるクロスプリプレグシートの図である。 この発明の実施の形態1に係るFRPパイプの製造方法により製造したFRPパイプの図である。 この発明の実施の形態2に係るFRPパイプの製造方法により製造した階段状の積層部分を有するFRPパイプの図である。 この発明の実施の形態3に係るパイプ直胴部に繊維継ぎ部(クロスプリプレグシート継ぎ足し)を施した長尺のFRPパイプの図である。 この発明の実施の形態4に係るFRPパイプの円周方向に繊維継ぎ部(クロスプリプレグシート継ぎ足し部)を施した大径のFRPパイプの図である。 従来のクロスプリプレグシートを芯金に螺旋状に積層するFRPパイプの製造方法を説明する図である。
図7は従来のFRPパイプの一製造方法を示した図であり、パイプ内径に相当する芯金3にクロスプリプレグシート2を螺旋状に積層することでFRPパイプを製造していた。この際、炭素繊維などの繊維を一方向に引き揃えて樹脂を含浸させたUDプリプレグシートではこの螺旋状に積層する方法によりFRPパイプを製造することができるが、繊維を織ったクロス(2軸織物)に樹脂を含浸させたクロスプレグシートを使う場合には、螺旋状に積層する際に(1)クロスプリプレグの繊維の継ぎをコントロールすることが難しい、(2)わずかな積層ずれが皺となる、(3)螺旋積層時に0度方向(芯金3の長手方向)のクロスプリプレグの繊維方向がずれるなどの問題が生じていた。以下では、この発明の実施の形態にかかるFRPパイプの製造方法について図を用いて説明する。
実施の形態1.
図1〜図3は、実施の形態1に係る2軸織物を材料とした異方性を有するFRPパイプの製造方法を説明する図である。
図1において、2は2軸以上の強化繊維を材料とする矩形のクロスプリプレグシート、3は芯金であり、クロスプリプレグシート2を、矩形に切断されているクロスプリプレグシート2の一辺を芯金3の長手方向と一致させた状態で芯金3に巻きつけることを示している。
図2は、実施の形態1に係るクロスプリプレグシート2の図である。図2において、4はクロスプリプレグシート2の繊維方向θ1(0°<θ1<90°)を示しており、クロスプリプレグ2の外形(矩形)の一辺に対して、少なくとも1つの繊維配向方向の角度が角度θ1となるように、予めクロスプリプレグシート2を準備しておく。
そして、準備したクロスプリプレグシート2を、先に繊維配向方向の角度θ1の基準とした1辺が芯金3の中心軸と平行となるように設置した状態で、芯金3に巻きつける。
図3は、実施の形態1に係るFRPパイプの製造方法により製造したFRPパイプの側面図と断面図である。このように芯金3の長手方向(基準方向)を基準として、繊維配向角度がθ2(=θ1)のFRPパイプを製造することができる。
本実施の形態では、予め繊維方向θ1を有する矩形のクロスプリプレグシート2を用意し、このクロスプリプレグシート2の外形の1辺を、芯金3の長手方向(基準方向)と一致させた状態で芯金3に巻きつけるようにしたので、FRPパイプに皺を発生させることなく、強化繊維による2軸織物を材料とした異方性を有するFRPパイプを製造することができる。
実施の形態2.
図4は、この発明の実施の形態2を説明するための図である。図4においてFRPパイプ1に段状(階段状)の積層領域を設けることで、段階的に変化する肉厚を有する中空のパイプを積層することができる。パイプ本体とクロスプリプレグシート2の繊維配向方向を一致させる積層方法は実施の形態1と同様であるが、段状に積層する際、準備した幅の異なる短形のクロスプリプレグシートの端面をずらして積層するようにする。
積層時に螺旋積層を実施しないため、皺を発生することなく段状に積層して作ることができる。
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3を説明するための図であり、FRPパイプ1のパイプ全長を長尺にする方法を示すものである。準備したクロスプリプレグシート2の幅よりも長いパイプを作りたい場合、クロスプリプレグシートを複数枚用意しておき、パイプ直胴部に繊維継ぎ(クロスプリプレグシート継ぎ)を設ける。
パイプ本体とクロスプリプレグシート2の繊維配向方向を一致させる積層方法は実施の形態1と同様である。パイプ長手方向に繊維継ぎ(クロスプリプレグシート継ぎ)を生じた場合においても、図5のパイプ1側面図における繊維配向角度θ2はクロスプリプレグシートの繊維配向角θ1と同一となる。
実施の形態4.
図6はこの発明の実施の形態4を説明するための図である。FRPパイプ1に対して、準備したクロスプリプレグシート2の長さよりも大径のパイプを作りたい場合、パイプ1の円周方向に対して繊維継ぎ(クロスプリプレグシートの継ぎ)を設ける。
パイプ本体とクロスプリプレグシート2の繊維配向方向を一致させる積層方法は実施の形態1と同様である。繊維継ぎを生じた場合においても、図6のパイプ1側面図における繊維配向角度θ2はクロスプリプレグシートの繊維配向角θ1と同一となる。
1 FRPパイプ(積層後)、2 クロスプリプレグシート、3 芯金、4 クロスプリプレグシート2の繊維方向(θ1)、5 FRPパイプ1の繊維方向(θ2)、6 FRPパイプ1の長手方向の繊維継ぎ、7 FRPパイプ1の円周方向の繊維継ぎ、8 螺旋積層時の繊維継ぎ(クロスプリプレグシートの繊維継ぎ位置)。

Claims (3)

  1. 人工衛星の構造体に用いられる2軸以上の織物を材料とした異方性を有するFRP(Fiber Reinforced Plastics)パイプの製造方法であって、
    矩形のクロスプリプレグシートの外周の一辺を基準として前記クロスプリプレグシートの材料である強化繊維の繊維配向方向θが0°<θ<90°である第1のクロスプリプレグシートの前記一辺の方向と、前記FRPパイプの内径に相当する径を有する円柱状の芯金の中心軸の方向とが一致するように前記第1のクロスプリプレグシートを配置する配置工程と、
    前記配置工程の後、前記第1のクロスプリプレグシートを前記芯金に巻きつける巻き付け工程と、
    前記巻き付け工程の後、矩形のクロスプリプレグシートの外周の一辺を基準として前記クロスプリプレグシートの材料である強化繊維の繊維配向方向が前記θと一致する第2のクロスプリプレグシートの前記一辺の方向と、前記芯金の中心軸の方向とが一致し、かつ、前記芯金の中心軸の方向と垂直方向にある前記第1のクロスプリプレグシートの外周の辺におけるFRPパイプの長手方向の端部と前記第2のクロスプリプレグシートの外周の辺におけるFRPパイプの長手方向の端部が、継ぎ部で重なり合うように前記第2のクロスプリプレグシートを積層する積層工程と、
    前記積層工程の後、前記第2のクロスプリプレグシートを前記芯金に巻きつける工程と、
    を備えることを特徴とするFRPパイプの製造方法。
  2. 人工衛星の構造体に用いられる2軸以上の織物を材料とした異方性を有するFRP(Fiber Reinforced Plastics。強化繊維プラスチック)パイプの製造方法であって、
    矩形のクロスプリプレグシートの外周の一辺を基準として前記クロスプリプレグシートの材料である強化繊維の繊維配向方向θが0°<θ<90°である第1のクロスプリプレグシートの前記一辺の方向と、前記FRPパイプの内径に相当する径を有する円柱状の芯金の中心軸の方向とが一致するように前記第1のクロスプリプレグシートを配置する配置工程と、
    前記配置工程の後、前記第1のクロスプリプレグシートを前記芯金に巻きつける巻き付け工程と、

    前記巻き付け工程の後、矩形のクロスプリプレグシートの外周の一辺を基準として前記クロスプリプレグシートの材料である強化繊維の繊維配向方向が前記θと一致する第2のクロスプリプレグシートの前記一辺の方向と、前記芯金の中心軸の方向とが一致し、かつ、前記芯金の中心軸の方向にある前記第1のクロスプリプレグシートの外周の辺におけるFRPパイプの円周方向の端部と前記第2のクロスプリプレグシートの外周の辺におけるFRPパイプの円周方向の端部が、継ぎ部で重なり合うように前記第2のクロスプリプレグシートを積層する積層工程と、
    前記積層工程の後、前記第2のクロスプリプレグシートを前記芯金に巻きつける工程と、
    を備えることを特徴とするFRPパイプの製造方法。
  3. FRPパイプの長手方向に幅の異なる複数枚のクロスプリプレグシートを積層して成形することを特徴とする請求項1、2いずれか記載のFRPパイプの製造方法。
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