JP6000201B2 - 繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、加熱硬化により成形する繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法に関するものである。

従来、熱硬化性樹脂材料を含浸させた繊維の束を円筒状の成形型の外周に積層した後、この繊維の束を積層した成形型をオートクレーブ内で加圧及び加熱する処理（オートクレーブ処理）を行うことにより、成形型の外周に複合材料構造物を成形する複合材料構造物の製造方法が知られている。

成形型を一体の単一材で構成すると、成形型の熱膨張係数が繊維の熱膨張係数よりも大きい場合には、繊維の束に引張力が加わった状態で熱硬化性樹脂が硬化することとなり、脱型後の複合材料構造物に歪みが生じやすくなってしまう。脱型後の複合材料構造物の歪みの発生を抑制するために、成形型を例えばインバー材料のような熱膨張係数の小さい材料で構成すると、冷却時の繊維の束の熱収縮量が成形型よりも大きくなり、成形型の外周に成形された複合材料構造物を成形型から外しにくくなってしまう。

そこで、従来では、複数のセグメントを組み合わせて成形型を構成し、複数のセグメント間の固定を解除して成形型を分解することにより、成形型の外周に成形された複合材料構造物を成形型から取り外す製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１３１５５９号公報

しかし、特許文献１に示されている従来の複合材料構造物の製造方法では、複合材料構造物を製造するときに成形型を組み立てたり分解したりする作業が必要になってしまう。これにより、複合材料構造物の製造時の工程数が増加し、複合材料構造物の生産性が低下してしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、繊維強化プラスチック筒状部材の歪みを抑制することができるとともに、繊維強化プラスチック筒状部材の生産性の向上を図ることができる繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法を得ることを目的とする。

この発明による繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法は、成形型の外周部に樹脂材を付着させて樹脂付き成形型を得る樹脂材付着工程、樹脂付き成形型に繊維基材を巻きつける繊維基材巻きつけ工程、及び繊維基材巻きつけ工程で繊維基材が巻きつけられた樹脂付き成形型を加熱処理する成形工程を備え、樹脂材は、成形工程時の成形温度よりも低い温度では固体で、かつ、成形温度では液体となる特性を有する樹脂からなる。

この発明による繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法によれば、成形工程での成形温度で液体となる樹脂材を成形型１の外周表面１ａに付着させる樹脂材付着工程を、成形型に繊維基材を巻きつける繊維基材巻きつけ工程の前に行っているので、成形型１の熱膨張による繊維基材４の引張力の増加を樹脂材２の液状化により抑制することができる。これにより、複数の分割部品を組み合わせて成形型１を構成しなくても、繊維強化プラスチック筒状部材の歪みを抑制することができる。従って、繊維強化プラスチック筒状部材の歪みを抑制しながら、繊維強化プラスチック筒状部材を製造するときの工程数を削減することができ、繊維強化プラスチック筒状部材の生産性の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１における繊維強化プラスチック筒状部材の製造時の樹脂付き成形型を示す断面図である。 図１の樹脂付き成形型の外周に繊維基材及び増厚材を設けた状態を示す断面図である。 図２の樹脂付き成形型、繊維基材及び増厚材に対して加熱処理を行っているときの状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における樹脂付き成形型の外周に繊維基材及び増厚材を設けた状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における樹脂付き成形型の外周に繊維基材及び増厚材を設けた状態を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における繊維強化プラスチック筒状部材の製造時の樹脂付き成形型を示す断面図である。繊維強化プラスチック筒状部材を製造するときには、図１に示すように、先ず、円筒状の成形型１の外周表面（外周部）１ａに樹脂材２を付着させて樹脂付き成形型３を得る樹脂材付着工程が行われる。

成形型１は、一体成形された単一材とされている。成形型１の材料としては、例えば、アルミ合金、ステンレス鋼、またはインバー材料等の金属が用いられている。外周表面１ａには、脱脂及び離型剤塗布等の処理が必要に応じて施されている。

樹脂材付着工程では、成形型１の外周表面１ａに樹脂材２を部分的に付着させる。この例では、成形型１の周方向について外周表面１ａの１箇所にのみ樹脂材２を付着させる。外周表面１ａに付着させた樹脂材２は、成形型１の外周表面１ａから盛り上がった状態で成形型１の軸線方向に沿って成形型１の一端部から他端部まで設けられる。この例では、成形型１の軸線に垂直な平面における樹脂材２の外周面２ａの断面形状が円弧状となるように樹脂材２の形状を調整する。成形型１の軸線に垂直な平面における樹脂材２の断面形状は、成形型１の軸線方向のどの位置でも同一の形状であることが望ましい。

樹脂付き成形型３は、成形型１と、成形型１の外周表面１ａに付着している樹脂材２とで構成されている。樹脂付き成形型３の外周長さは、樹脂材２が付着している部分の長さを除く成形型１の外周長さと、樹脂材２の外周面２ａの外周長さとを合計した長さとなっている。樹脂材２の大きさは、後述する成形工程での加熱によって熱膨張した後の成形型（膨張後成形型）１（図３）の外周長さと樹脂付き成形型３の外周長さとが一致するように調整する。

樹脂材２の材料としては、室温（成形工程での成形温度よりも低い温度）では成形工程での成形圧で形状が変化しない程度の剛性を有する個体で、成形温度では液体となる特性を有する樹脂が用いられている。具体的には、例えば、エポキシ樹脂またはシアネート樹脂等が樹脂材２の材料として用いられている。

図２は、図１の樹脂付き成形型３の外周に繊維基材及び増厚材を設けた状態を示す断面図である。樹脂材付着工程後、図２に示すように、複数本の繊維と熱硬化性樹脂とを一体とした繊維基材（例えばプリプレグ等）４を樹脂付き成形型３の外周に巻きつける繊維基材巻きつけ工程が行われる。

繊維基材巻きつけ工程では、繊維基材４が樹脂材２に重なるように樹脂付き成形型３の外周に繊維基材４を複数回巻いて、繊維基材４の積層体を樹脂付き成形型３の外周に形成する。

繊維基材巻きつけ工程後、樹脂付き成形型３の径方向外側から繊維基材４に増厚材５を部分的に重ねる増厚工程が必要に応じて行われる。この例では、成形型１の周方向について互いに離れた複数箇所（この例では、４箇所）で増厚材５を繊維基材４に重ねる。また、この例では、繊維基材４の樹脂材２に重なる部分を避けて成形型１の径方向外側から増厚材５を繊維基材４に重ねる。これにより、増厚材５が繊維基材４に重なる積層体の部分は、繊維基材４の積層体の他の部分よりも厚さが厚くなる。増厚材５の構成は、繊維基材４の構成と同じであり、複数本の繊維と熱硬化性樹脂とを一体とした構成となっている。繊維基材４及び増厚材５の繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、またはアラミド繊維等が用いられる。

増厚工程後、繊維基材４及び増厚材５が外周に積層された樹脂付き成形型３を真空引き用の袋（バキュームバッグ）に入れてバキュームバッグを密封する。その後、バキュームバッグの内部を減圧及び加熱することにより、繊維基材４及び増厚材５が積層された樹脂付き成形型３を真空加圧した状態で加熱処理する成形工程が行われる。この時、必要に応じて、加圧容器を用いて加圧荷重を真空加圧にさらに加えてもよい。成形工程では、繊維基材４及び増厚材５のそれぞれに含まれる熱硬化性樹脂が硬化し、かつ樹脂材２が液体となる成形温度で、繊維基材４及び増厚材５が外周に積層された樹脂付き成形型３を加熱処理する。

図３は、図２の樹脂付き成形型３、繊維基材４及び増厚材５に対して加熱処理を行っているときの状態を示す断面図である。なお、図３では、成形型１の径方向内側向きの矢印は真空加圧の方向を示し、成形型１の径方向外側向きの矢印は成形型１の膨張方向を示している。

成形工程において、繊維基材４及び増厚材５が積層された樹脂付き成形型３を真空加圧状態で加熱していくと、成形型１は膨張（熱膨張）して成形型１の外周長さが長くなっていく。成形工程における温度が成形温度に達して成形型１の膨張量が最大となると、そのときの成形型１（図３）の外周長さは、室温での樹脂付き成形型３（図１及び図２）の外周長さと同じ長さになる。一方、成形工程における成形温度では、樹脂材２が液体となっており、図３の破線で囲まれた範囲から成形型１の外周表面１ａに沿った矢印の方向へ樹脂材２が流動していく。即ち、成形工程では、成形型１に対する加熱により成形型１が熱膨張しながら、樹脂材２が液体となって成形型１の外周表面１ａを流動する。

このように、成形工程では、繊維基材４の引張力が増加する方向へ成形型１が熱膨張するが、樹脂材２が液体となって流動することにより成形型１の熱膨張による繊維基材４の引張力の増加が抑制される。なお、成形工程では、液体の樹脂材２が非常に薄い膜状となって成形型１の外周表面１ａを広がるので、成形型１と繊維基材４との間に存在する樹脂材２によって生じる繊維基材４の引張力の増加は、無視できる程度になっている。

また、成形工程では、繊維基材４及び増厚材５のそれぞれの熱硬化性樹脂が加圧及び加熱処理によって硬化し、繊維基材４及び増厚材５が一体化される。一方、成形工程において成形型１の外周表面１ａを広がった樹脂材２は、繊維基材４と一体となった状態で成形型１の外周に沿って成形される。これにより、成形型１の外周表面１ａには、繊維基材４、増厚材５及び樹脂材２が一体化されてできた繊維強化プラスチック筒状部材が成形型１の外周に沿って円筒状に形成される。繊維強化プラスチック筒状部材では、増厚材５が繊維基材４に重なる部分（即ち、樹脂材２、繊維基材４及び増厚材５のすべてが積層されている部分）が、増厚材５が繊維基材４に重なっていない他の部分（即ち、樹脂材２、繊維基材４及び増厚材５のうち、樹脂材２及び繊維基材４のみが積層されている部分）よりも厚くなっている。

成形工程後、繊維強化プラスチック筒状部材から成形型１を軸線方向に沿って外す。このようにして繊維強化プラスチック筒状部材を製造する。

このような繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法では、成形工程での成形温度で液体となる樹脂材２を成形型１の外周表面１ａに付着させる樹脂材付着工程を、成形型１に繊維基材４を巻きつける繊維基材巻きつけ工程の前に行っているので、繊維基材４が巻かれた樹脂付き成形型３を成形工程で加熱したときに、樹脂材２が液状となることで、成形型１の熱膨張による繊維基材４の引張力の増加を抑制することができる。これにより、繊維基材４にかかる周方向の引張力が場所により不均一になることで生じる繊維強化プラスチック筒状部材の歪みを抑制することができる。従って、複数の分割部品を組み合わせて成形型１を構成する必要がなくなり、一体成形された単一材を成形型１として用いることができる。これにより、成形型１の組み立て作業及び分解作業がなくなって繊維強化プラスチック筒状部材を製造するときの工程数を削減することができ、繊維強化プラスチック筒状部材の生産性の向上を図ることができる。

また、樹脂付き成形型３（図１及び図２）の外周長さは、成形工程時の加熱により膨張した後の成形型１（図３）の外周長さと一致する長さに設定されているので、繊維基材４に生じる引張力の大きさの変化を、成形型１の膨張前と膨張後とでさらに小さくすることができる。これにより、繊維強化プラスチック筒状部材の歪みをさらに抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、成形型１の周方向について外周表面１ａの１箇所にのみ樹脂材２を付着させているが、外周表面１ａの複数箇所に樹脂材２を付着させてもよい。

図４は、この発明の実施の形態２における樹脂付き成形型３の外周に繊維基材４及び増厚材５を設けた状態を示す断面図である。樹脂材付着工程では、図４に示すように、成形型１の外周表面１ａのうち、成形型１の周方向について互いに離れた２箇所に樹脂材２を付着させる。これにより、樹脂付き成形型３の外周長さは、各樹脂材２が付着している部分の長さを除く成形型１の外周長さと、２つの樹脂材２の外周面２ａの外周長さとを合計した長さとなっている。各樹脂材２の大きさは、成形工程での加熱によって熱膨張したときの成形型（膨張後成形型）１の外周長さと樹脂付き成形型３の外周長さとが一致するように調整する。その他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。

このような繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法では、成形型１の外周表面１ａの２箇所に樹脂材２を付着させるので、樹脂付き成形型３の外周長さを膨張後の成形型１の外周長さと同じにするために必要な樹脂材２の量を、成形型１の外周表面１ａの１箇所にのみ樹脂材２を付着させる場合よりも、少なくすることができる。これにより、樹脂付き成形型３の軽量化を図ることができる。また、成形型１の外周表面１ａの２箇所から液体の樹脂材２を流動させることができるので、１箇所から樹脂材２を流動させる場合よりも、成形型１の外周表面１ａに樹脂材２が均一に広がりやすくすることができる。これにより、繊維基材４の変形量を低減することができ、繊維強化プラスチック筒状部材の歪みをさらに抑制することができる。

なお、上記の例では、樹脂材付着工程において成形型１の外周表面１ａの２箇所に樹脂材２を付着させているが、樹脂材付着工程において成形型１の外周表面１ａの３箇所以上に樹脂材２を付着させてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、増厚工程において、繊維基材４の樹脂材２に重なる部分を避けて増厚材５を繊維基材４に重ねるようになっているが、増厚工程において、繊維基材４の樹脂材２に重なる部分に増厚材５を重ねるようにしてもよい。

図５は、この発明の実施の形態３における樹脂付き成形型３の外周に繊維基材４及び増厚材５を設けた状態を示す断面図である。この例では、樹脂材付着工程時に、図５に示すように、成形型１の外周表面１ａのうち、成形型１の周方向について互いに離れた４箇所に樹脂材２を付着させる。また、増厚工程では、繊維基材４の各樹脂材２に重なる部分に増厚材５をそれぞれ重ねる。この例では、成形型１の周方向についての増厚材５の長さが、樹脂材２の外周面２ａ全体を覆う長さとなっている。その他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１及び実施の形態２では、繊維基材４と成形型１との間の摩擦力が大きい場合、樹脂材２が成形型１の外周表面１ａを流動しても、樹脂材２の流動により繊維基材４に生じた緩みが成形型１の周方向全体に広がらずに、繊維基材４の増厚材５が重なる部分に引張力が残る可能性がある。これに対して、実施の形態３における繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法では、繊維基材４の樹脂材２に重なる部分に増厚材５を重ねるので、樹脂材２が流動することによる繊維基材４の緩みを、繊維基材４の増厚材５が重なった部分で生じさせることができ、繊維基材４の増厚材５が重なった部分における引張力の増加をより確実に抑制することができる。これにより、繊維基材４と成形型１との間の摩擦の影響を受けにくくすることができ、繊維強化プラスチック筒状部材の歪みの発生をより確実に抑制することができる。

なお、各上記実施の形態では、成形型１の形状が円筒状とされているが、これに限定されず、成形型１の断面形状が閉断面形状であればよい。

また、各上記実施の形態では、樹脂材付着工程時に成形型１の外周表面１ａに部分的に樹脂材２を付着させているが、樹脂材付着工程時に、成形型１の全周を囲む樹脂層を樹脂材として成形型１の外周表面１ａに付着させてもよい。この場合、樹脂層は、例えば樹脂製のフィルム等を成形型１に巻くことにより成形型１の外周表面１ａに付着させる。

さらに、各上記実施の形態では、繊維基材巻きつけ工程において樹脂付き成形型３の外周に繊維基材４を複数回巻いて繊維基材４の積層体を樹脂付き成形型３の外周に形成するようになっているが、成形後の繊維強化プラスチック筒状部材の肉厚が薄い場合には、繊維基材巻きつけ工程で巻きつける回数を１回だけにして単一層の繊維基材４を樹脂付き成形型３の外周に形成するようにしてもよい。

また、各上記実施の形態では、繊維基材巻きつけ工程後、成形工程前に、増厚工程が行われるが、成形後の繊維強化プラスチック筒状部材の肉厚を部分的に厚くする必要がないのであれば、増厚工程を行う必要はない。さらに、樹脂材付着工程後、繊維基材巻きつけ工程前に増厚工程を行ってもよい。樹脂材付着工程後、繊維基材巻きつけ工程前に増厚工程を行う場合、増厚工程後の繊維基材巻きつけ工程時に、増厚材５が成形型１の外周表面１ａと繊維基材４との間に挟まるように繊維基材４を成形型１の外周に巻いてもよい。

１ 成形型、２ 樹脂材、３ 樹脂付き成形型、４ 繊維基材、５ 増厚材。

Claims (4)

1. 成形型の外周部に樹脂材を付着させて樹脂付き成形型を得る樹脂材付着工程、
   上記樹脂付き成形型に繊維基材を巻きつける繊維基材巻きつけ工程、及び
   上記繊維基材巻きつけ工程で上記繊維基材が巻きつけられた上記樹脂付き成形型を加熱処理する成形工程
   を備え、
   上記樹脂材は、上記成形工程時の成形温度よりも低い温度では固体で、かつ、上記成形温度では液体となる特性を有する樹脂からなり、
   上記樹脂付き成形型の外周長さは、上記成形工程時の加熱により膨張した後の上記成形型の外周長さと一致する長さに設定されている繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法。
2. 上記樹脂材付着工程では、上記成形型の外周部の複数箇所に上記樹脂材を付着させる請求項１に記載の繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法。
3. 上記樹脂材付着工程後で、上記成形工程前に、増厚材を上記繊維基材に部分的に重ねる増厚工程
   をさらに備えている請求項１または請求項２に記載の繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法。
4. 上記増厚工程では、上記繊維基材の上記樹脂材に重なる部分に上記増厚材を重ねる請求項３に記載の繊維強化プラスチック筒状部材の製造方法。

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