JP6512949B2 - 複合材パイプの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、繊維強化複合材料を金属箔で被覆した複合材パイプに関する。

繊維強化複合材料製の複合材パイプは、プリプレグと呼ばれる繊維に樹脂を含浸させ半硬化させたシート状材料を用いて製造される。
プリプレグを用いて複合材パイプを製造する場合、マンドレルと呼ばれる円筒金型の外側にプリプレグが積層され、オートクレーブ、オーブンといった装置により加熱、加圧されて樹脂が硬化されて成形される（特許文献１，２を参照）。

人工衛星に搭載される機器の支持構造の一部として複合材パイプが使用される。複合材パイプは比剛性、比強度が高い特性を持つ一方、構成部品の中に樹脂を含むため地上での製造及び試験中に大気中の水分による吸湿変形が生じる。この吸湿変形が生じた複合材パイプによる支持構造を搭載した人工衛星を打ち上げると、真空環境である軌道上では複合材パイプの樹脂内の水分が排出され支持構造に寸法の変化が生じる。
衛星には、光学センサが搭載されている。光学センサを例とすると、センサの光学系の支持構造に複合材パイプを用いた場合、この寸法変化に起因して光学系に変化が生じ、光学系の指向性能が悪化する。

そこで、複合材パイプの表面に保護膜を被覆することで大気中の水分による吸湿を防ぐ方法が用いられている。例えば、保護膜として金属箔をパイプの内壁表面と外壁表面との両面に被覆することで複合材パイプの吸湿を防ぐことができる。
プリプレグをパイプ形状に成形する場合、マンドレルと呼ばれる円筒形金型が使用される。プリプレグのパイプの内壁を被覆する場合、マンドレル表面に金属箔を巻き付け、その外側にプリプレグを巻き付けて積層する。プリプレグのパイプの外壁を被覆する場合、最外層のプリプレグを積層後、その外側に金属箔を巻き付ける。
内壁及び外壁の被覆のいずれにおいても、パイプと金属箔とはプリプレグの樹脂に接着機能を持たせ、プリプレグの硬化成形時に、金属膜をプリプレグに対して固着させる。

特開平３−６７６３８号公報 特開２０１４−１７２３３８号公報

マンドレル表面に巻き付けられた金属箔の外側にプリプレグを巻き付けて積層する際、金属箔が浮いて皺となること、及び、裂けてしまうことがあった。
この発明は、金属箔に皺及び裂けが生じ辛い、金属箔で被覆した複合材パイプを提供することを目的とする。

この発明に係る複合材パイプは、
短冊形の金属箔が螺旋状に巻かれて形成された筒状の内金属層と、
前記内金属層の外側に短冊形のプリプレグが螺旋状に巻き付けられて形成されたプリプレグ層と
を備え、
前記金属箔の長手方向と前記プリプレグの長手方向とが平行、又は、前記金属箔の長手方向と前記プリプレグの長手方向とが成す角が鋭角である。

この発明では、金属箔の長手方向とプリプレグの長手方向とが平行、又は、金属箔の長手方向とプリプレグの長手方向とが成す角が鋭角である。そのため、位置合わせのためにプリプレグを剥がしても、金属箔の張力がかかっている方向とはほぼ同じ方向にプリプレグを剥がそうとする力が発生するため、金属箔の浮きが生じ辛い。

実施の形態１に係る複合材パイプ１０の上面図。 実施の形態１に係る複合材パイプ１０の正面図。 実施の形態１に係る複合材パイプ１０の斜視図。 実施の形態１に係る複合材パイプ１０の製造方法を示すフローチャート。 比較例である複合材パイプ９０の正面図。 実施の形態１に係る複合材パイプ１０の他の構成を示す正面図。

実施の形態１．
＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１から図３は、実施の形態１に係る複合材パイプ１０の構成図である。
図１は、複合材パイプ１０の上面図である。図２は、複合材パイプ１０の正面図である。図３は、複合材パイプ１０の斜視図である。
図１から図３では、複合材パイプ１０の製造時に用いられるマンドレル２１及びテープ２２も、複合材パイプ１０とともに示している。図２及び図３では、プリプレグ１４が途中まで巻き付けられた状態を示している。

複合材パイプ１０は、内金属層１１と、内金属層１１の外側に積層されたプリプレグ層１２とを備える。

内金属層１１は、円筒金型であるマンドレル２１の軸方向に対して、短冊形の金属箔１３が角度θ１だけ傾斜して螺旋状に巻き付けられて形成された筒状の層である。内金属層１１は、金属箔１３の長手方向の両端がマンドレル２１に粘着剤付のテープ２２で固定され、金属箔１３が張力をかけてマンドレル２１に巻き付けられる。

プリプレグ層１２は、内金属層１１の外側に短冊形のプリプレグ１４が螺旋状に巻き付けられて形成された層である。プリプレグ層１２は、マンドレル２１の軸方向に対して、短冊形のプリプレグ１４が角度θ１だけ傾斜して螺旋状に巻き付けられている。そのため、金属箔１３の長手方向Ｘとプリプレグ１４の長手方向Ｙとは平行になっている。

＊＊＊製造方法の説明＊＊＊
図４は、実施の形態１に係る複合材パイプ１０の製造方法を示すフローチャートである。
Ｓ１の内金属層形成工程では、マンドレル２１の軸方向に対して、短冊形の金属箔１３が角度θ１だけ傾斜して螺旋状に巻き付けられる。角度θ１は、後述するＳ２でプリプレグ１４を巻き付ける際に、プリプレグ１４を構成する繊維の方向が、設計上指定された向きになるように調整される。
金属箔１３には、粘着力及び接着力が無い。そのため、金属箔１３は、張力をかけて巻き付けられ、金属箔１３の両端がマンドレル２１に対して固定される。
具体的には、金属箔１３の片端が、粘着剤付のテープ２２でマンドレル２１に固定される。その状態で金属箔１３に張力をかけながら、金属箔１３がマンドレル２１に巻き付けられる。そして、金属箔１３の他端が粘着剤付のテープ２２で固定される。
この際、金属箔１３にかけられた張力が小さい、もしくは、張力が不均一である場合、金属箔１３がマンドレル２１から浮いてしまい、金属箔１３はマンドレル２１に密着しなくなってしまう。そのため、金属箔１３に適度な張力を均一にかけながら巻き付ける必要がある。

Ｓ２のプリプレグ層形成工程では、Ｓ１で巻き付けられた金属箔１３の外側に、短冊形のプリプレグ１４が螺旋状に巻き付けられて積層される。プリプレグ１４を構成する樹脂は硬化前には適度な粘着性を有している。そのため、プリプレグ１４は、その粘着性を利用して、積層が繰り返され、多層化される。
この際、プリプレグ１４を構成する繊維の方向は、設計上指定された向きになり、かつ、金属箔１３の長手方向Ｘとプリプレグ１４の長手方向Ｙとが平行になるように、プリプレグ１４が巻き付けられる。
プリプレグ１４が手作業で積層される場合には、プリプレグ１４を少し巻き付けては、プリプレグ１４が巻き付けられた位置を確認し、位置がずれていれば巻き付けたプリプレグ１４の一部を剥がして、再度位置を合わせるという作業が繰り返される。

Ｓ３の硬化成形工程では、Ｓ２でプリプレグ１４が巻き付けられ、金属箔１３とプリプレグ１４とが積層されたものが、オートクレーブ、オーブンといった装置により加熱、加圧される。これにより、樹脂が硬化され、成形される。そして、マンドレル２１が取り外される。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
複合材パイプ１０の製造時に、金属箔１３は、張力がかけられた状態でマンドレル２１に両端が固定されているが、金属箔１３はマンドレル２１に全面が固定されてはいない。そのため、位置合わせのためにプリプレグ１４を剥がした場合に、金属箔１３がマンドレル２１から浮いて皺となること、及び、裂けてしまうことがあった。
図５に示すように、金属箔９１の長手方向Ｘ’と、プリプレグ９２の長手方向Ｙ’との成す角θ２が鈍角になっている場合には、金属箔９１の張力がかかっている方向と直交方向に近い方向にプリプレグ９２を剥がそうとする力が発生する。そのため、金属箔９１がマンドレル９３から浮いてしまい易い。
しかし、実施の形態１に係る複合材パイプ１０は、金属箔１３の長手方向Ｘとプリプレグ１４の長手方向Ｙとが平行になるように、金属箔１３の外側にプリプレグ１４が巻き付けられている。そのため、位置合わせのためにプリプレグ１４を剥がしても、金属箔１３の張力がかかっている方向とはほぼ同じ方向にプリプレグ１４を剥がそうとする力が発生する。そのため、金属箔１３の浮きが生じ辛い。

＊＊＊他の構成＊＊＊
なお、上記説明では、複合材パイプ１０は、内金属層１１とプリプレグ層１２とを備えた。しかし、複合材パイプ１０は、さらに、プリプレグ層１２の外側に短冊形の金属箔が螺旋状に巻き付けられて形成された外金属層を備えていてもよい。

また、上記説明では、金属箔１３の長手方向Ｘとプリプレグ１４の長手方向Ｙとが平行であるとした。しかし、図６に示すように、金属箔１３の長手方向Ｘとプリプレグ１４の長手方向Ｙとが完全に平行でなくても、金属箔１３の長手方向Ｘとプリプレグ１４の長手方向Ｙとの成す角θ３が鋭角であれば、同様の効果を得ることができる。
角θ３は、小さい方が望ましい。したがって、例えば、角θ３は６０度以下としてもよい。さらに、角θ３は３０度以下としてもよい。

１０ 複合材パイプ、１１ 内金属層、１２ プリプレグ層、１３ 金属箔、１４ プリプレグ、２１ マンドレル、２２ テープ。

Claims (2)

1. 円筒金型の外側に、短冊形の金属箔を螺旋状に巻き付ける内金属層形成工程と、
   前記内金属層形成工程で巻き付けられた金属箔の外側に、短冊形のプリプレグを螺旋状に巻き付けるプリプレグ層形成工程であって、前記金属箔の長手方向と前記プリプレグの長手方向とが平行、又は、前記金属箔の長手方向と前記プリプレグの長手方向とが成す角が鋭角になるように、前記プリプレグを巻き付けるプリプレグ層形成工程と
   を備える複合材パイプの製造方法。
2. 前記複合材パイプの製造方法は、さらに、
   前記プリプレグ層形成工程で巻き付けられた前記プリプレグの外側に短冊形の金属箔を螺旋状に巻き付ける外金属層形成工程
   を備える請求項１に記載の複合材パイプの製造方法。

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