JP6873369B1 - 繊維強化樹脂製管体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
型内におけるクリアランスを確保するとともに、管体の重量を抑制することが可能な繊維強化樹脂製管体の製造方法を提供する。
繊維強化樹脂製管体の製造方法は、マンドレルの外周面に対してフィラメントワインド法によって配置する配置ステップ（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）と、配置ステップ（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）の後に、繊維体が配置されたマンドレルを型内に設置し、繊維体が配置されたマンドレルの内部を加圧することによってマンドレル１０を膨張させる膨張ステップ（Ｓ８）と、膨張ステップ（Ｓ８）の後に、型内に樹脂を供給し、樹脂を繊維体に含浸させ、含浸した樹脂５４を硬化させることによって管体を成形する成形ステップ（Ｓ９）と、を含む。
繊維強化樹脂製管体の製造方法は、マンドレルの外周面に対してフィラメントワインド法によって配置する配置ステップ（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）と、配置ステップ（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）の後に、繊維体が配置されたマンドレルを型内に設置し、繊維体が配置されたマンドレルの内部を加圧することによってマンドレル１０を膨張させる膨張ステップ（Ｓ８）と、膨張ステップ（Ｓ８）の後に、型内に樹脂を供給し、樹脂を繊維体に含浸させ、含浸した樹脂５４を硬化させることによって管体を成形する成形ステップ（Ｓ９）と、を含む。
Description
本発明は、例えば車両の動力伝達軸として用いられる繊維強化樹脂製管体の製造方法に関する。
車両に搭載される動力伝達軸（プロペラシャフト）は、車両の前後方向に延在する管体を備え、この管体により原動機で発生し変速機で減速された動力を終減速装置に伝達している。このような動力伝達軸に用いられる管体として、マンドレルを利用して製造された繊維強化プラスチック製のものがある（特許文献１参照）。
これに対し、特許文献２には、マンドレルに材料を巻き付ける方法として、樹脂を含浸した繊維体をフィラメントワインディング法によってマンドレルに巻き付け、オートクレーブ処理によって樹脂を含浸した繊維体を硬化させることが記載されている。また、特許文献３には、樹脂を含浸していない繊維体をマンドレルに巻き付けた後に、型内において繊維体に樹脂を含浸させることが記載されている。
特許文献３に記載の技術では、繊維体が型に噛み込むおそれがある。これに対し、繊維体が型に噛み込むことを防止するために型内におけるクリアランスを確保しようとすると、繊維体に向けて供給される樹脂の量が前記クリアランスの分だけ増え、完成品である管体の重量が増加するおそれがある。
本発明は、このような問題を解決するために創作されたものであり、型内におけるクリアランスを確保するとともに、管体の重量を抑制することが可能な繊維強化樹脂製管体の製造方法を提供することを課題とする。
前記した課題を解決するために、本発明の繊維強化樹脂製管体の製造方法は、繊維体を、樹脂製のマンドレルの外周面に対してフィラメントワインド法によって配置する配置ステップと、前記配置ステップの後に、前記繊維体が配置された前記マンドレルを型内に設置し、前記繊維体が配置された前記マンドレルの内部を加圧することによって前記マンドレルを膨張させる膨張ステップと、前記膨張ステップの後に、前記型内に樹脂を供給し、前記樹脂を前記マンドレルの外周面に配置された前記繊維体に含浸させ、含浸した前記樹脂を硬化させることによって管体を成形する成形ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によると、繊維体が配置されたマンドレルを型内に配置する際にクリアランスを確保し、繊維体が型に噛み込むことを防止することができる。また、型内の形状によってマンドレルの膨張形状を好適に設置することができるとともに、繊維強化樹脂製管体の完成品における樹脂の量の増加を防止し、管体の重量を抑制することができる。
本発明の実施形態について、炭素繊維強化プラスチックによって車両の動力伝達軸（プロペラシャフト）を繊維強化樹脂製管体として製造する場合を例にとり、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、参照する図面は、分かりやすさのためにデフォルメされたものであり、各部材の形状や寸法等を正確に表したものではない。
＜第一の実施形態＞
＜管体＞
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る繊維強化樹脂製管体（以下、単に「管体」という）１Ａは、マンドレル１０と、第一連結部材２０と、第二連結部材３０と、第三連結部材４０と、樹脂含有繊維層５０と、樹脂層６０Ａと、を備える。換言すると、管体１Ａは、樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ａによって構成されており、当該管体１Ａには、第一連結部材２０、第二連結部材３０及び第三連結部材４０が連結されている。また、マンドレル１０は、当該管体１Ａの芯材である。
＜管体＞
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る繊維強化樹脂製管体（以下、単に「管体」という）１Ａは、マンドレル１０と、第一連結部材２０と、第二連結部材３０と、第三連結部材４０と、樹脂含有繊維層５０と、樹脂層６０Ａと、を備える。換言すると、管体１Ａは、樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ａによって構成されており、当該管体１Ａには、第一連結部材２０、第二連結部材３０及び第三連結部材４０が連結されている。また、マンドレル１０は、当該管体１Ａの芯材である。
＜マンドレル＞
マンドレル１０は、筒形状を呈する樹脂製部材である。本実施形態において、マンドレル１０は、管体１Ａの芯材として機能する。マンドレル１０の材料は、樹脂含有繊維層５０における樹脂硬化の際の加熱に耐えられるものであればよい。マンドレル１０の材料の例としては、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）、ＳＭＰ（形状記憶ポリマー）等が挙げられる。マンドレル１０は、軸方向中間部の大径部１１と、軸方向一端部に形成されるテーパ部１２及び中径部１３と、軸方向他端部に形成される段部１４及び小径部１５と、を一体に備える。管体１Ａの製造前段階において、マンドレル１０の大径部１１は、軸方向全体にわたって同一径の円筒形状を呈する（図３参照）。管体１Ａの製造後において、マンドレル１０の大径部１１は、軸方向中間部において径方向に膨張する樽形状を呈する。すなわち、マンドレル１０の外径は、軸方向中間部から軸方向両端部に向かうにつれて縮径する。
マンドレル１０は、筒形状を呈する樹脂製部材である。本実施形態において、マンドレル１０は、管体１Ａの芯材として機能する。マンドレル１０の材料は、樹脂含有繊維層５０における樹脂硬化の際の加熱に耐えられるものであればよい。マンドレル１０の材料の例としては、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）、ＳＭＰ（形状記憶ポリマー）等が挙げられる。マンドレル１０は、軸方向中間部の大径部１１と、軸方向一端部に形成されるテーパ部１２及び中径部１３と、軸方向他端部に形成される段部１４及び小径部１５と、を一体に備える。管体１Ａの製造前段階において、マンドレル１０の大径部１１は、軸方向全体にわたって同一径の円筒形状を呈する（図３参照）。管体１Ａの製造後において、マンドレル１０の大径部１１は、軸方向中間部において径方向に膨張する樽形状を呈する。すなわち、マンドレル１０の外径は、軸方向中間部から軸方向両端部に向かうにつれて縮径する。
＜第一連結部材＞
第一連結部材２０は、マンドレル１０の軸方向一端部に挿入されて連結されている柱状部材である。本実施形態において、第一連結部材２０は、金属製のスタブシャフトである。第一連結部材２０は、マンドレル１０側から順に、大径部２１と、小径部２２と、中径部２３と、を一体に備える。大径部２１は、マンドレル１０の中径部１３内に部分的に挿入される部位である。小径部２２及び中径部２３は、マンドレル１０から露出する部位である。大径部２１の外周面に形成された外歯車は、マンドレル１０の中径部１３の内周面に形成された内歯車と歯合している。これにより、第一連結部材２０のマンドレル１０に対する周方向の移動（回転）が規制される。
第一連結部材２０は、マンドレル１０の軸方向一端部に挿入されて連結されている柱状部材である。本実施形態において、第一連結部材２０は、金属製のスタブシャフトである。第一連結部材２０は、マンドレル１０側から順に、大径部２１と、小径部２２と、中径部２３と、を一体に備える。大径部２１は、マンドレル１０の中径部１３内に部分的に挿入される部位である。小径部２２及び中径部２３は、マンドレル１０から露出する部位である。大径部２１の外周面に形成された外歯車は、マンドレル１０の中径部１３の内周面に形成された内歯車と歯合している。これにより、第一連結部材２０のマンドレル１０に対する周方向の移動（回転）が規制される。
＜第二連結部材＞
第二連結部材３０は、マンドレル１０の段部１４に外嵌されて連結されている筒状部材である。第二連結部材３０の内周面に形成された内歯車は、マンドレル１０の段部１４の外周面に形成された外歯車と歯合している。これにより、第二連結部材３０のマンドレル１０に対する周方向の移動（回転）が規制される。本実施形態において、第二連結部材３０は、金属製のカラーであり、マンドレル１０に対してスプライン接合によって固定されている。第二連結部材３０の外径は、膨張前のマンドレル１０における大径部１１の外径と略等しい。
第二連結部材３０は、マンドレル１０の段部１４に外嵌されて連結されている筒状部材である。第二連結部材３０の内周面に形成された内歯車は、マンドレル１０の段部１４の外周面に形成された外歯車と歯合している。これにより、第二連結部材３０のマンドレル１０に対する周方向の移動（回転）が規制される。本実施形態において、第二連結部材３０は、金属製のカラーであり、マンドレル１０に対してスプライン接合によって固定されている。第二連結部材３０の外径は、膨張前のマンドレル１０における大径部１１の外径と略等しい。
＜第三連結部材＞
第三連結部材４０は、マンドレル１０の小径部に外嵌されるとともに第二連結部材３０に連結されている部材である。第三連結部材４０の軸方向一端部は、マンドレル１０の段部１４及び小径部１５の境界部と、第二連結部材３０の軸方向他端部に当接している。本実施形態において、第三連結部材４０は、金属製のヨークスタブであり、第二連結部材３０に対してレーザー溶接によって接合されている。
第三連結部材４０は、マンドレル１０の小径部に外嵌されるとともに第二連結部材３０に連結されている部材である。第三連結部材４０の軸方向一端部は、マンドレル１０の段部１４及び小径部１５の境界部と、第二連結部材３０の軸方向他端部に当接している。本実施形態において、第三連結部材４０は、金属製のヨークスタブであり、第二連結部材３０に対してレーザー溶接によって接合されている。
＜樹脂含有繊維層＞
樹脂含有繊維層５０は、マンドレル１０の大径部１１、テーパ部１２及び中径部１３、第一連結部材２０の大径部２１、並びに、第二連結部材３０の外周面上に設けられている。樹脂含有繊維層５０は、炭素繊維層として、径方向内側（マンドレル１０側）から順に、第一の炭素繊維層５１（図４参照）と、第二の炭素繊維層５２（図５参照）と、第三の炭素繊維層５３（図６参照）と、を備える。なお、図４〜図６において、各炭素繊維層５１，５２，５３は、一部のみが図示されている。また、第一連結部材２０の大径部２１の軸方向一端部（第一連結部材２０の軸方向におけるマンドレル１０とは反対側に位置する端部）の外周面、及び、第二連結部材３０の軸方向他端部（第二連結部材３０の軸方向におけるマンドレル１０とは反対側に位置する端部）の外周面は、樹脂含有繊維層５０によって被覆されておらず、当該樹脂含有繊維層５０から露出している。
樹脂含有繊維層５０は、マンドレル１０の大径部１１、テーパ部１２及び中径部１３、第一連結部材２０の大径部２１、並びに、第二連結部材３０の外周面上に設けられている。樹脂含有繊維層５０は、炭素繊維層として、径方向内側（マンドレル１０側）から順に、第一の炭素繊維層５１（図４参照）と、第二の炭素繊維層５２（図５参照）と、第三の炭素繊維層５３（図６参照）と、を備える。なお、図４〜図６において、各炭素繊維層５１，５２，５３は、一部のみが図示されている。また、第一連結部材２０の大径部２１の軸方向一端部（第一連結部材２０の軸方向におけるマンドレル１０とは反対側に位置する端部）の外周面、及び、第二連結部材３０の軸方向他端部（第二連結部材３０の軸方向におけるマンドレル１０とは反対側に位置する端部）の外周面は、樹脂含有繊維層５０によって被覆されておらず、当該樹脂含有繊維層５０から露出している。
≪第一の炭素繊維層≫
図４に示すように、第一の炭素繊維層５１は、マンドレル１０等の外周面に対して、当該マンドレル１０を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。第一の炭素繊維層５１における炭素繊維は、マンドレル１０の軸線方向に対して平行に延設されている。すなわち、第一の炭素繊維層５１に関して、マンドレル１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、０°である。
図４に示すように、第一の炭素繊維層５１は、マンドレル１０等の外周面に対して、当該マンドレル１０を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。第一の炭素繊維層５１における炭素繊維は、マンドレル１０の軸線方向に対して平行に延設されている。すなわち、第一の炭素繊維層５１に関して、マンドレル１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、０°である。
≪第二の炭素繊維層≫
図５に示すように、第二の炭素繊維層５２は、第一の炭素繊維層５１の径方向外側に設けられており、第一の炭素繊維層５１を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。第二の炭素繊維層５２における炭素繊維は、マンドレル１０の軸線方向に対して４５°傾斜するように１周以上巻回され、マンドレル１０の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第二の炭素繊維層５２に関して、マンドレル１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、マンドレル１０の膨張前において４５°である。
図５に示すように、第二の炭素繊維層５２は、第一の炭素繊維層５１の径方向外側に設けられており、第一の炭素繊維層５１を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。第二の炭素繊維層５２における炭素繊維は、マンドレル１０の軸線方向に対して４５°傾斜するように１周以上巻回され、マンドレル１０の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第二の炭素繊維層５２に関して、マンドレル１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、マンドレル１０の膨張前において４５°である。
≪第三の炭素繊維層≫
図６に示すように、第三の炭素繊維層５３は、第二の炭素繊維層５２の径方向外側に設けられており、第二の炭素繊維層５２を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。第三の炭素繊維層５３における炭素繊維は、マンドレル１０の軸線方向に対して−４５°傾斜するように１周以上巻回され、マンドレル１０の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第三の炭素繊維層５３に関して、マンドレル１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、マンドレル１０の膨張前において−４５°である。
図６に示すように、第三の炭素繊維層５３は、第二の炭素繊維層５２の径方向外側に設けられており、第二の炭素繊維層５２を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。第三の炭素繊維層５３における炭素繊維は、マンドレル１０の軸線方向に対して−４５°傾斜するように１周以上巻回され、マンドレル１０の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第三の炭素繊維層５３に関して、マンドレル１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、マンドレル１０の膨張前において−４５°である。
＜樹脂層＞
図１に示すように、樹脂層６０Ａは、第一連結部材２０の大径部２１の外周面上に設けられている環状の層である。樹脂層６０の厚みは、樹脂含有繊維層５０の厚みと略等しい。樹脂層６０Ａは、第一連結部材２０の大径部２１のうち、樹脂含有繊維層５０から露出する部位を被覆して保護する。
図１に示すように、樹脂層６０Ａは、第一連結部材２０の大径部２１の外周面上に設けられている環状の層である。樹脂層６０の厚みは、樹脂含有繊維層５０の厚みと略等しい。樹脂層６０Ａは、第一連結部材２０の大径部２１のうち、樹脂含有繊維層５０から露出する部位を被覆して保護する。
＜管体製造方法＞
続いて、第一の実施形態に係る管体１Ａの製造方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
続いて、第一の実施形態に係る管体１Ａの製造方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、図３に示すように、樹脂製のマンドレル１０を図示しない成形装置（金型）によって形成する（ステップＳ１、マンドレル形成ステップ）。続いて、マンドレル１０の軸線方向一端部に第一連結部材（スタブシャフト）２０を設ける（ステップＳ２、第一連結ステップ）。続いて、マンドレル１０の軸線方向他端部に第二連結部材（カラー）３０を設ける（ステップＳ３、第二連結ステップ）。ここで、ステップＳ２，Ｓ３の順番は、適宜変更可能であり、ステップＳ３が先でもよく、同時でもよい。
続いて、図４に示すように、図示しない装置によって、第一の炭素繊維層５１がマンドレル１０、第一連結部材２０における大径部２１及び第二連結部材３０の外周面上に形成される（ステップＳ４、第一の炭素繊維層形成ステップ、配置ステップ）。続いて、図５に示すように、図示しない装置によって、第二の炭素繊維層５２がマンドレル１０、第一連結部材２０及び第二連結部材３０における第一の炭素繊維層５１の外周面上に形成される（ステップＳ５、第二の炭素繊維層形成ステップ、配置ステップ）。続いて、図６に示すように、図示しない装置によって、第三の炭素繊維層５３がマンドレル１０、第一連結部材２０及び第二連結部材３０における第二の炭素繊維層５２の外周面上に形成される（ステップＳ６、第三の炭素繊維層形成ステップ、配置ステップ）。ステップＳ４〜Ｓ６において、第一連結部材２０の大径部２１及び第二連結部材３０のそれぞれの軸方向におけるマンドレル１０とは反対側に位置する端部には、それぞれの繊維が配置されないように炭素繊維層５１〜５３が形成される。
ステップＳ４〜Ｓ６において、各炭素繊維層５１〜５３は、樹脂が含浸された繊維ではなく、いわゆる生糸である。また、各炭素繊維層５１〜５３は、それぞれ多給糸フィラメントワインド法によってマンドレル１０及び第一連結部材２０における大径部２１の外周面上に配置される。多給糸フィラメントワインド法によって給糸された各炭素繊維層５１〜５３は、互いに織り込まれることなく層として独立した、いわゆるノンクリンプ構造を呈する。
ここで、配置ステップＳ４〜Ｓ６の前に、樹脂製のマンドレル１０の内部を流体等によって加圧する工程を設け、マンドレル１０の内部が加圧された状態で配置ステップＳ４〜Ｓ６を実行する構成であってもよい。この場合には、仮に樹脂製のマンドレル１０の強度が低い場合であっても、各炭素繊維層５１〜５３がマンドレル１０の外周面に設けられる際のトルクによって当該マンドレル１０が破損することを防止することができる。
続いて、図７に示すように、マンドレル１０、第一連結部材２０、第二連結部材３０及び各炭素繊維層５１〜５３の組立体を、成形装置（金型）２内に設置する（ステップＳ７）。ここで、成形装置（金型）２の内面は、マンドレル１０の大径部１１の軸方向中間部に対応する部位で内径が最大となる形状を呈する。すなわち、型閉じ状態において、成形装置２は、その内周面の径が炭素繊維層５１〜５３が積層された層の外径よりも大きい部分を有しており、成形装置２の内周面は、当該成形装置２内に設置された炭素繊維層５１〜５３が積層された層の外周面と離間している部分を有する。これにより、複数に分割された金型の当接面に炭素繊維層５１〜５３が噛み込まれることが防止される。
続いて、図８に示すように、成形装置（金型）２内に設置された組立体のマンドレル１０内に加熱された流体を流通させることによってマンドレル１０内を加圧し、マンドレル１０の大径部１１を膨張させる（ステップＳ８、膨張ステップ）。マンドレル１０の大径部１１は、当該マンドレル１０内を流通する流体によって加熱されて膨張する。また、第三の炭素繊維層５３は、成形装置（金型）２の内周面に密着する。これにより、前記組立体は、成形装置（金型）２の内部形状に沿う樽型形状を呈するように変形する。なお、ステップＳ７において、流体によるマンドレル１０の加熱は、省略可能である。マンドレル１０内への流体の供給及び排出は、マンドレル１０の小径部１５側に形成された流体用ゲート２ａ、及び、小径部１５に形成された孔部等を介して行われる。
なお、配置ステップＳ４〜Ｓ６の前に樹脂製のマンドレル１０の内部を加圧する工程を実行した場合には、配置ステップＳ４〜Ｓ６の終了後にマンドレル１０の内部を減圧し、減圧後にステップＳ７，Ｓ８（再加圧）を実行してもよい。また、配置ステップＳ４〜Ｓ６の終了後にマンドレル１０の内部を減圧せず、ステップＳ７，Ｓ８（再加圧）を実行してもよい。
続いて、図８に示すように、当該成形装置２内に樹脂５４が供給されてマンドレル１０の外周面に配置された第一の炭素繊維層５１、第二の炭素繊維層５２及び第三の炭素繊維層５３に樹脂５４が含浸され、成形装置２に熱を加えることによって樹脂５４を硬化させ、樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ａが形成される（ステップＳ９、成形ステップ）。樹脂５４は、例えば熱硬化性樹脂である。本実施形態において、成形装置２の金型は、複数に分割されており、成形ステップでは、前記組立体に熱が加えられるとともに、成形装置２の金型を閉じる型閉じ操作後に、さらに閉じた金型に圧力を印加する型締め操作を行うことにより、金型内の圧力を上昇させることで、樹脂５４の硬化が促進される。なお、本実施形態では金型が複数に分割されている構成で説明しているため、型閉じ操作及び型締め操作が行われているが、型締め操作は、必ずしも必要ではない。また、金型が複数に分割されていない場合には、かかる型閉じ操作及び型締め操作は、必ずしも必要ではない。成形装置２内において、溶融状態の樹脂５４が導入されるゲート２ｂの出口側には空間（樹脂だまり２ｃ）が形成されている。成形装置２内に導入された樹脂５４は、繊維層５１〜５３の軸方向一端部の側方に位置する当該樹脂だまり２ｃに貯留される。樹脂だまり２ｃに貯留された樹脂５４は、繊維層５１〜５３の配列方向においてゲート２ｂとは反対側（繊維層５１〜５３の軸方向他端部の外周面側）に形成された吸引口２ｄからの真空吸引によって、マンドレル１０の軸線方向に移動し、各炭素繊維層５１〜５３に含浸する。樹脂５４が各炭素繊維層５１〜５３に含浸した状態で、成形装置２に熱が加えられ、かつ、成形装置２内に圧力が加えられることによって、樹脂含有繊維層５０が形成されるとともに、樹脂だまり２ｃに対応する部位に樹脂層６０Ａが形成される。
続いて、成形された組立体すなわち成形体が成形装置２から取り出される（ステップＳ１０）。続いて、図１に示すように、成形体の第二連結部材３０の軸方向におけるマンドレル１０とは反対側位に位置し、樹脂含有繊維層５０によって被覆されていない端部に、第三連結部材（ヨークスタブ）４０がレーザー溶接によって取り付けられる（ステップＳ１１、第三連結ステップ）。
本発明の第一の実施形態に係る管体１Ａの製造方法は、樹脂製の繊維体（各炭素繊維層５１〜５３）を、マンドレル１０の外周面に対してフィラメントワインド法によって配置する配置ステップＳ４〜Ｓ６と、前記配置ステップＳ４〜Ｓ６の後に、前記繊維体が配置された前記マンドレル１０を型（成形装置２）内に設置し、前記繊維体が配置された前記マンドレル１０の内部を加圧することによって前記マンドレル１０を膨張させる膨張ステップＳ８と、前記膨張ステップＳ８の後に、前記型内に樹脂５４を供給し、前記樹脂を前記繊維体に含浸させ、含浸した前記樹脂５４を硬化させることによって管体１Ａを成形する成形ステップＳ９と、を含む。
かかる構成によると、繊維体が配置されたマンドレル１０を型内に配置する際にクリアランスを確保し、繊維体が型に噛み込むことを防止することができる。また、型内の形状によってマンドレル１０の膨張形状を好適に調整することができるとともに、管体１Ａの完成品における樹脂５４の量の増加を防止し、管体１Ａの重量を抑制することができる。
かかる構成によると、繊維体が配置されたマンドレル１０を型内に配置する際にクリアランスを確保し、繊維体が型に噛み込むことを防止することができる。また、型内の形状によってマンドレル１０の膨張形状を好適に調整することができるとともに、管体１Ａの完成品における樹脂５４の量の増加を防止し、管体１Ａの重量を抑制することができる。
また、管体１Ａの製造方法では、前記成形ステップＳ９後において、前記マンドレル１０は、前記管体１Ａの芯材として残る。
かかる構成によると、マンドレル１０を除去する作業を無くすとともに、マンドレル１０によって管体１Ａの強度及び剛性を好適に確保することができる。
かかる構成によると、マンドレル１０を除去する作業を無くすとともに、マンドレル１０によって管体１Ａの強度及び剛性を好適に確保することができる。
また、管体１Ａの製造方法は、前記配置ステップの前に、前記マンドレル１０の一端部に第一連結部材２０を連結する第一連結ステップＳ１を含み、前記配置ステップＳ４〜Ｓ６において、前記繊維体を、前記第一連結部材２０の外周面にも配置する。
かかる構成により、成形を実行することで、第一連結部材２０を管体１Ａに一体成型することができ、管体１Ａの成型後に第一連結部材２０を圧入する工程を設ける必要が無く、製造工数を削減することができる。また、樹脂５４が含浸された繊維層（樹脂含有繊維層５０）によって、第一連結部材２０の連結を強化することができる。
かかる構成により、成形を実行することで、第一連結部材２０を管体１Ａに一体成型することができ、管体１Ａの成型後に第一連結部材２０を圧入する工程を設ける必要が無く、製造工数を削減することができる。また、樹脂５４が含浸された繊維層（樹脂含有繊維層５０）によって、第一連結部材２０の連結を強化することができる。
また、管体１Ａの製造方法において、前記型（成形装置２）は、前記マンドレル１０及び前記第一連結部材２０の連結部位に、当該型内に注入された前記樹脂５４が貯留される空間（樹脂だまり２ｃ）を有し、前記成形ステップＳ９において、前記空間に貯留された前記樹脂５４を吸引することによって前記繊維体に含浸させる。
かかる構成によると、繊維体間に樹脂５４を好適に含浸させることができるとともに、樹脂５４が貯留される空間を利用して樹脂層６０Ａを好適に形成することができる。
かかる構成によると、繊維体間に樹脂５４を好適に含浸させることができるとともに、樹脂５４が貯留される空間を利用して樹脂層６０Ａを好適に形成することができる。
また、管体１Ａの製造方法は、前記配置ステップＳ４〜Ｓ６において、前記繊維体を、多給糸フィラメントワインド法によって配置する。
繊維体がクリンプ構造を呈する場合には、繊維体が互いに織り込まれた部位で厚みが増す。これに対し、かかる構成によると、複数の繊維層５１〜５３をいわゆるノンクリンプ構造とすることができるので、配置された繊維体を、マンドレル１０の膨張を阻害することなく好適に追従させることができる。また、ノンクリンプ構造とすることによって、樹脂含有繊維層５０の厚みを抑えるとともに形状の不均一性を低減し、局所的応力を減少することができる。また、ノンクリンプ構造とすることによって、繊維体間の隙間が均一化し、繊維体間に樹脂５４を好適に含浸させることができる。
繊維体がクリンプ構造を呈する場合には、繊維体が互いに織り込まれた部位で厚みが増す。これに対し、かかる構成によると、複数の繊維層５１〜５３をいわゆるノンクリンプ構造とすることができるので、配置された繊維体を、マンドレル１０の膨張を阻害することなく好適に追従させることができる。また、ノンクリンプ構造とすることによって、樹脂含有繊維層５０の厚みを抑えるとともに形状の不均一性を低減し、局所的応力を減少することができる。また、ノンクリンプ構造とすることによって、繊維体間の隙間が均一化し、繊維体間に樹脂５４を好適に含浸させることができる。
また、管体１Ａの製造方法は、前記配置ステップＳ４〜Ｓ６の前に、前記マンドレル１０の他端部に第二連結部材３０を連結する第二連結ステップＳ３を含み、前記配置ステップＳ４〜Ｓ６において、前記繊維体を、前記第二連結部材３０の外周面にも配置する。
かかる構成により、成形を実行することで、第二連結部材３０を管体１Ａに一体成型することができ、管体１Ａの成型後に第二連結部材３０を圧入する工程を設ける必要が無く、製造工数を削減することができる。また、樹脂５４が含浸された繊維層（樹脂含有繊維層５０）によって、第二連結部材３０の連結を強化することができる。
かかる構成により、成形を実行することで、第二連結部材３０を管体１Ａに一体成型することができ、管体１Ａの成型後に第二連結部材３０を圧入する工程を設ける必要が無く、製造工数を削減することができる。また、樹脂５４が含浸された繊維層（樹脂含有繊維層５０）によって、第二連結部材３０の連結を強化することができる。
また、管体１Ａの製造方法は、前記膨張ステップＳ８において、前記マンドレル１０の内部に流体を流通させることによって当該マンドレル１０の内部を加圧し、前記流体の熱によって、前記マンドレル１０及び前記繊維体が加熱される。かかる構成によると、成形ステップにおいて樹脂５４の加熱を好適に促進することができる。
＜第二の実施形態＞
続いて、第二の実施形態に係る管体及び管体の製造方法について、第一の実施形態に係る管体１Ａ及び管体１Ａの製造方法との相違点を中心に説明する。
続いて、第二の実施形態に係る管体及び管体の製造方法について、第一の実施形態に係る管体１Ａ及び管体１Ａの製造方法との相違点を中心に説明する。
図９に示すように、本発明の第二の実施形態に係る管体１Ｂは、樹脂層６０Ａに代えて、樹脂リング７０と、樹脂層６０Ｂと、を備える。換言すると、管体１Ｂは、樹脂含有繊維層５０、樹脂層６０Ｂ及び樹脂リング７０によって構成されており、当該管体１Ｂには、第一連結部材２０、第二連結部材３０及び第三連結部材４０が連結されている。また、マンドレル１０は、当該管体１Ｂの芯材である。
＜樹脂リング及び樹脂層＞
樹脂リング７０は、第一連結部材２０の大径部２１の外周面上に外嵌される環状部材である。樹脂リング７０は、樹脂５４と同じ材料内に強化用繊維（例えば、不連続な炭素繊維等）を含有する繊維強化樹脂製リングである。樹脂リング７０の軸方向端部は、樹脂含有繊維層５０の軸方向一端部と当接している。樹脂リング７０の内径は、第一連結部材２０における大径部２１の外径と略等しく、樹脂リング７０の外径は、樹脂含有繊維層５０の外径よりも小さい。
樹脂リング７０は、第一連結部材２０の大径部２１の外周面上に外嵌される環状部材である。樹脂リング７０は、樹脂５４と同じ材料内に強化用繊維（例えば、不連続な炭素繊維等）を含有する繊維強化樹脂製リングである。樹脂リング７０の軸方向端部は、樹脂含有繊維層５０の軸方向一端部と当接している。樹脂リング７０の内径は、第一連結部材２０における大径部２１の外径と略等しく、樹脂リング７０の外径は、樹脂含有繊維層５０の外径よりも小さい。
樹脂層６０Ｂは、樹脂リング７０の外周面上に設けられている。環状の層である。樹脂層６０Ｂの外径は、樹脂リング７０及び樹脂層６０Ｂと当接する樹脂含有繊維層５０の端部の外径と略等しい。
樹脂リング７０及び樹脂層６０Ｂは、第一連結部材２０の大径部２１のうち、樹脂含有繊維層５０から露出する部位を被覆して保護する。
＜管体製造方法＞
続いて、第二の実施形態に係る管体１Ｂの製造方法について、図１０のフローチャートを用いて説明する。
続いて、第二の実施形態に係る管体１Ｂの製造方法について、図１０のフローチャートを用いて説明する。
ステップＳ６及びステップＳ７の間において、第一連結部材２０における大径部２１のうち、各炭素繊維層５１〜５３から露出する部位に樹脂リング７０を外嵌する（ステップＳ６Ｂ、外嵌ステップ）。ステップＳ９において、樹脂層６０Ｂは、樹脂リング７０の外周面を覆うように形成される。
本発明の第二の実施形態に係る管体１Ｂは、樹脂製のマンドレル１０と、前記マンドレル１０の一端部に連結される第一連結部材２０と、前記マンドレル１０及び前記第一連結部材２０の外周面に配置される繊維体と、前記繊維体から露出する前記第一連結部材２０の外周面に設けられており、前記繊維体を含有する樹脂リング７０と、前記マンドレル１０及び前記第一連結部材２０の外周面に配置される前記繊維体に含浸されるととともに、前記樹脂リング７０の外周面上に層を形成する樹脂６０Ｂと、を備える。
かかる構成によると、樹脂リング７０によって樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ｂの成形収縮率の差を緩和し、樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ｂ間における割れの発生を防止することができる。
かかる構成によると、樹脂リング７０によって樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ｂの成形収縮率の差を緩和し、樹脂含有繊維層５０及び樹脂層６０Ｂ間における割れの発生を防止することができる。
＜第三の実施形態＞
続いて、本発明の第三の実施形態に係る管体製造方法について、第一及び第二の実施形態との相違点を中心に説明する。
続いて、本発明の第三の実施形態に係る管体製造方法について、第一及び第二の実施形態との相違点を中心に説明する。
第三の実施形態において、少なくともステップＳ３〜Ｓ１０が実行される間、マンドレル１０は、その軸線方向が上下方向となる状態（いわゆる縦置きの状態）を維持する。かかる構成によると、繊維体（特に、最も外に配置された第三の炭素繊維層５３）の配向角度が小さい場合でも繊維体のずれを好適に抑えることができる。
＜第一の変形例＞
図１１に示すように、本発明の第一の変形例に係る管体１Ｘでは、ステップＳ１において、マンドレル１０Ｘにおける大径部１１の外周面に、複数の凸部１１ａが形成される。かかる凸部１１ａを有するマンドレル１０Ｘは、樹脂製である当該マンドレル１０Ｘを製造する際の成形装置（金型）３内の形状を用いて形成される。すなわち、ステップＳ１で用いられる成形装置３の内周面には、凸部１１ａに対応する複数の凹部３ａが形成されている（図１２参照）。凸部１１ａの高さは、３層の炭素繊維層５１〜５３の合計高さ以下であり、かつ、３層の炭素繊維層５１〜５３のうち、最外の炭素繊維層５３の径方向中心までの合計高さ以上であることが望ましい。かかるマンドレル１０Ｘは、凸部１１ａにおいて各炭素繊維層５１〜５３の位置ズレを防止する。すなわち、凸部１１ａを有するマンドレル１０Ｘは、ステップＳ４〜Ｓ６において、各炭素繊維層５１〜５３を正確な配向角度で配置することを可能とし、当該マンドレル１０Ｘの膨張後においても、各炭素繊維層５１〜５３の配向角度を好適な角度に維持することを可能とする。
図１１に示すように、本発明の第一の変形例に係る管体１Ｘでは、ステップＳ１において、マンドレル１０Ｘにおける大径部１１の外周面に、複数の凸部１１ａが形成される。かかる凸部１１ａを有するマンドレル１０Ｘは、樹脂製である当該マンドレル１０Ｘを製造する際の成形装置（金型）３内の形状を用いて形成される。すなわち、ステップＳ１で用いられる成形装置３の内周面には、凸部１１ａに対応する複数の凹部３ａが形成されている（図１２参照）。凸部１１ａの高さは、３層の炭素繊維層５１〜５３の合計高さ以下であり、かつ、３層の炭素繊維層５１〜５３のうち、最外の炭素繊維層５３の径方向中心までの合計高さ以上であることが望ましい。かかるマンドレル１０Ｘは、凸部１１ａにおいて各炭素繊維層５１〜５３の位置ズレを防止する。すなわち、凸部１１ａを有するマンドレル１０Ｘは、ステップＳ４〜Ｓ６において、各炭素繊維層５１〜５３を正確な配向角度で配置することを可能とし、当該マンドレル１０Ｘの膨張後においても、各炭素繊維層５１〜５３の配向角度を好適な角度に維持することを可能とする。
本発明の第一の変形例に係る管体の製造方法は、前記配置ステップＳ４〜Ｓ６の前に、内面に凹部３ａが設けられた型（成形装置３）を用いることによって、前記凹部３ａに対応する凸部１１ａを外周面に有する前記マンドレル１０Ｘを形成するマンドレル形成ステップを含む。
かかる構成によると、マンドレル１０Ｘの膨張後において、繊維体の配向角度を好適な角度に維持することができる。
かかる構成によると、マンドレル１０Ｘの膨張後において、繊維体の配向角度を好適な角度に維持することができる。
＜第二の変形例＞
図１３に示すように、本発明の第二に変形例に係る管体１Ｙにおいて、マンドレル１０の大径部１１及び当該大径部１１の外周面上に設けられた樹脂含有繊維層５０は、樽形状ではなく円筒形状を呈する。図１４に示すように、管体１Ｙを製造するための成形装置（金型）２Ｙの内面は、炭素繊維層５１〜５３の外径よりも大きい円筒形状を呈する。
図１３に示すように、本発明の第二に変形例に係る管体１Ｙにおいて、マンドレル１０の大径部１１及び当該大径部１１の外周面上に設けられた樹脂含有繊維層５０は、樽形状ではなく円筒形状を呈する。図１４に示すように、管体１Ｙを製造するための成形装置（金型）２Ｙの内面は、炭素繊維層５１〜５３の外径よりも大きい円筒形状を呈する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形可能である。例えば、ステップＳ９，Ｓ１０の間にマンドレル１０を成形された樹脂含有繊維層５０から抜き出す構成であってもよい。また、マンドレル１０は、ステップＳ８における流体の熱、及び／又は、ステップＳ９における樹脂５４や成形装置（金型）２の熱によって溶融して除去される構成であってもよい。その他の熱、電気、振動等のエネルギーによってマンドレル１０を溶融して除去することも可能である。
また、ステップＳ８では非加熱状態の流体をマンドレル１０内に流通させ、ステップＳ９の実行中に加熱状態の流体をマンドレル１０内に流通させてもよい。
また、各炭素繊維層５１〜５３は、互いに織り込まれた、いわゆるクリンプ構造を呈してもよい。
また、繊維体は、炭素繊維に限定されず、樹脂層を強化可能な繊維部材（例えば、ガラス繊維、セルロース繊維等）であればよい。
また、ステップＳ８では非加熱状態の流体をマンドレル１０内に流通させ、ステップＳ９の実行中に加熱状態の流体をマンドレル１０内に流通させてもよい。
また、各炭素繊維層５１〜５３は、互いに織り込まれた、いわゆるクリンプ構造を呈してもよい。
また、繊維体は、炭素繊維に限定されず、樹脂層を強化可能な繊維部材（例えば、ガラス繊維、セルロース繊維等）であればよい。
１Ａ，１Ｂ，１Ｙ 管体（繊維強化樹脂製管体）
２，３ 成形装置（金型、型）
２ｃ 樹脂だまり（空間）
３ａ 凹部
１０，１０Ｘ マンドレル
２０ 第一連結部材
３０ 第二連結部材
５０ 樹脂含有繊維層
５１ 第一の炭素繊維層
５２ 第二の炭素繊維層
５３ 第三の炭素繊維層
５４ 樹脂
６０Ａ，６０Ｂ 樹脂層
７０ 樹脂リング
２，３ 成形装置（金型、型）
２ｃ 樹脂だまり（空間）
３ａ 凹部
１０，１０Ｘ マンドレル
２０ 第一連結部材
３０ 第二連結部材
５０ 樹脂含有繊維層
５１ 第一の炭素繊維層
５２ 第二の炭素繊維層
５３ 第三の炭素繊維層
５４ 樹脂
６０Ａ，６０Ｂ 樹脂層
７０ 樹脂リング
Claims (9)
- 繊維体を、樹脂製のマンドレルの外周面に対してフィラメントワインド法によって配置する配置ステップと、
前記配置ステップの後に、前記繊維体が配置された前記マンドレルを型内に設置し、前記繊維体が配置された前記マンドレルの内部を加圧することによって前記マンドレルを膨張させる膨張ステップと、
前記膨張ステップの後に、前記型内に樹脂を供給し、前記樹脂を前記マンドレルの外周面に配置された前記繊維体に含浸させ、含浸した前記樹脂を硬化させることによって管体を成形する成形ステップと、
を含むことを特徴とする繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記成形ステップ後において、前記マンドレルは、前記管体の芯材として残る
ことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記配置ステップにおいて配置された前記繊維体は、ノンクリンプ構造である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記配置ステップの前に、前記マンドレルの一端部に第一連結部材を連結する第一連結ステップを含み、
前記配置ステップにおいて、前記繊維体を、前記第一連結部材の外周面にも配置する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記型は、前記マンドレル及び前記第一連結部材の連結部位に、当該型内に注入された前記樹脂が貯留される空間を有し、
前記成形ステップにおいて、前記空間に貯留された前記樹脂を吸引することによって前記繊維体に含浸させる
ことを特徴とする請求項４に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記配置ステップにおいて、前記繊維体を、多給糸フィラメントワインド法によって配置する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記配置ステップの前に、
内面に凹部が設けられた型を用いることによって、前記凹部に対応する凸部を外周面に有する前記マンドレルを形成するマンドレル形成ステップを含む
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記配置ステップの前に、前記マンドレルの他端部に第二連結部材を連結する第二連結ステップを含み、
前記配置ステップにおいて、前記繊維体を、前記第二連結部材の外周面にも配置する
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。 - 前記膨張ステップにおいて、前記マンドレルの内部に流体を流通させることによって当該マンドレルの内部を加圧し、
前記流体の熱によって、前記マンドレル及び前記繊維体が加熱される
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製管体の製造方法。
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