JP7167005B2 - 繊維強化樹脂製パイプの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂製パイプの製造方法に関する。

繊維強化樹脂製パイプは、軽量でありながら強度に優れていることから、従来から、ゴルフクラブシャフト、ウォーキングポール、釣り竿等の各種製品や、自動車、航空機等に向けた構造材料として使用されている。また、最近では、医療用分野においてもその有用性が認識されるようになり、その利用分野が広がっている。

例えば、特許文献１には、骨折時の治療に使用される髄内釘として、繊維強化樹脂製パイプを適用することが記載されている。髄内釘は、大腿骨内の骨髄腔内に埋入させて、骨折した骨頭を大腿骨に固定するためのものであり、骨頭が大腿骨から脱落するおそれがあるような場合に有用な技術である。従来、髄内釘としては、チタン等の金属材料が使用されてきたが、金属材料を繊維強化樹脂材料とすることにより、金属疲労や腐食を抑制することができるだけでなく、Ｘ線透過性を確保することができる。これにより、治療に有効であるとともに、術後の回復状態を診察する際にも非常に有効である。

特許文献１には、炭素繊維束にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂を含浸させてなるＵＤテープをブレイディング法により編組し、加熱加圧することによって円筒形状の繊維強化樹脂製パイプを成形することが記載されている。ブレイディング法で使用されるブレイディング装置は、ＵＤテープを搬送する搬送部、ＵＤテープを編組する編組部を備えている。搬送部には、搬送用の複数の搬送ローラが設けられており、複数の搬送ローラの周面に沿ってＵＤテープが搬送される。また、編組部にはヒータが設けられており、搬送されたＵＤテープを加熱することによって、ＰＥＥＫ樹脂を軟化させながらＵＤテープを編組するように構成されている。

特許第６４９１６２５号公報

ところで、ＰＥＥＫ樹脂を含浸したＵＤテープは、常温では剛性が比較的高く、粘着性が低い。そのため、図６に示すように、ブレイディング装置の搬送部に設けられた搬送ローラ１００の半径が小さいと、搬送ローラ１００の周面にＵＤテープ２００が沿い難くなる。そして、ＵＤテープ２００に掛かる曲げ負荷によってＵＤテープ２００がその途中で無理に曲げられた状態となり、その状態で搬送されると、ＵＤテープ２００がダメージを受ける場合があった。また、ＰＥＥＫ樹脂は他の熱可塑性樹脂に比べて融点が高い。そのため、ブレイディング装置の編組部に設けられたヒータでの、ＵＤテープ２００の溶融状態の管理が困難となることがある。これにより、複雑な形状の成形品への応用が困難となって適用可能な形状が制限される場合があった。こうした問題は、ＰＥＥＫ樹脂を含浸したＵＤテープに限らず、他の材質のＵＤテープや、コミングルヤーン、マイクロブレイデッドヤーン等でも起こり得ることである。

本発明は、こうした従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ブレイディング法によって繊維強化樹脂製パイプを製造する際に、搬送、編組を容易に行えるようにすることである。

上記課題を解決するため、本発明は、繊維強化樹脂製のテープ基材を編組して成形された繊維強化樹脂製パイプの製造方法であって、強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されてなる前記テープ基材を、搬送ローラの周面に沿わせて搬送する搬送工程と、搬送された前記テープ基材を加熱しながら編組する編組工程とを備え、前記搬送工程における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、前記テープ基材の断面二次モーメントをＩｚ、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出した前記テープ基材の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されている。

Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）
上記の構成によれば、搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）を、テープ基材を搬送ローラの周面に沿わせた場合にテープ基材に掛かる曲げモーメントＭの値に基づいて設定している。そのため、搬送ローラの周面にテープ素材を沿わせ易く、搬送時にテープ素材に曲げ負荷が掛かった場合の影響を抑制することができる。テープ基材を搬送させ易く、編組を容易に行うことができる。

一様な横断面を有する梁では、梁の横断面に一定の曲げモーメントＭが作用したとき、梁の曲げ弾性率をＥｒ、梁の断面二次モーメントをＩｚとすると、「真直梁の純曲げ」の関係より、Ｍ＝Ｅｒ・Ｉｚ／Ｒの関係式が成り立つ。ここで、梁の曲げ弾性率Ｅｒと、梁の引張弾性率Ｅとはほぼ相関関係にある。そのため、テープ基材が搬送ローラの周面に沿って搬送されたときの曲げモーメントＭの値と搬送ローラの半径Ｒとの関係式を、「真直梁の純曲げ」の関係式における梁の曲げ弾性率Ｅｒをテープ基材の引張弾性率Ｅに置き換えた上記（１）式として、搬送ローラの半径Ｒを上記（１）式に基づいて設定するようにしている。なお、搬送ローラとは、テープ基材を搬送する際にその周面にテープ基材が沿った状態となるものを言う。

上記の構成において、前記搬送工程における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の破壊時の引張応力をσｂ、前記曲げモーメントＭが作用した際の前記テープ基材の表面に発生する曲げ応力をσとしたとき、下記式（２）により得られたσ比率σｒの値が１．２以下となるような値に設定されていることが好ましい。

σｒ＝σ／σｂ・・・・・（２）
上記の構成によれば、搬送ローラの半径Ｒを、テープ基材を搬送ローラの周面に沿わせた場合にテープ基材の表面に発生する曲げ応力σと、テープ基材の破壊時の引張応力σｂに基づいて設定している。ここで、テープ基材に掛かる引張応力は曲げ応力σとほぼ相関関係にある。そのため、半径Ｒの搬送ローラの周面に沿わせた場合にテープ基材の表面に発生する曲げ応力σの値の、テープ基材の破壊時の引張応力σｂの値に対する割合であるσ比率σｒを所定範囲に設定することで、テープ基材を搬送ローラの周面に沿い易くすることができる。

上記の構成において、前記編組工程では、前記テープ基材を編組する編組点の雰囲気温度を、前記熱可塑性樹脂の融点より０～７０℃高い温度範囲になるように設定し、前記編組点より約２０ｍｍ手前地点の雰囲気温度を、前記融点に比べて±４０℃の温度範囲になるように設定することが好ましい。

上記の構成によれば、編組点の雰囲気温度だけでなく、編組点より約２０ｍｍ手前地点の雰囲気温度も所定温度に設定することで、テープ基材に含浸された熱可塑性樹脂の溶融度合いを調整することができる。そのため、テープ基材の編組を容易に行うことができる。

上記の構成において、前記編組工程では、前記編組点より約２０ｍｍ手前地点の雰囲気温度を、前記編組点の雰囲気温度より０～８０℃低い温度範囲になるように設定することが好ましい。

上記の構成によれば、編組点の雰囲気温度と編組点より約２０ｍｍ手前地点の雰囲気温度との差を所定温度に設定することで、テープ基材に含浸された熱可塑性樹脂の溶融度合いを調整することができる。テープ基材の編組を容易に行うことができる。

上記の構成において、前記テープ基材は、ＵＤテープであることが好ましい。
上記の構成によれば、材料の調達が容易である。

本発明によれば、ブレイディング法によって繊維強化樹脂製パイプを製造する際に、搬送、編組を容易に行うことができる。

繊維強化樹脂製パイプにおける強化繊維の配向方向について説明する図。 本実施形態のブレイディング装置について説明する図。 ブレイディング装置の搬送部について説明する図。 ブレイディング装置の編組部に設けられたヒータの斜視図。 ブレイディング装置の編組部について説明する図であり、ヒータの上面図。 従来のブレイディング装置でＵＤテープを搬送する状態について説明する図。

以下、本発明を具体化した繊維強化樹脂製パイプの製造方法の一実施形態について説明する。
まず、繊維強化樹脂製パイプ（以下、パイプという。）について説明する。

図１に示すように、本実施形態のパイプ１０は、外周面及び内周面の径方向断面形状がともに円形状であり、軸方向に径の変化しない円筒体として形成されている。パイプ１０は繊維強化樹脂製の複数本のＵＤテープ（組糸）１１をブレイディング法によって編組して形成されており、複数本のＵＤテープ１１が編組された組物層１２が複数層積層された構成とされている。一般的にブレイディング法による組物層１２は、パイプ１０の軸方向に沿うＵＤテープ（中央糸）１１と、軸方向に対して左右対称に所定の配向角度をなすＵＤテープ（傾斜糸）１１が編組されて成形されている。複数層の組物層１２を構成する各層は、中央糸及び傾斜糸が編組された３軸組物層であってもよく、中央糸を有しない２軸組物層であってもよく、３軸組物層と２軸組物層の組み合わせであってもよい。

図１では、組物層１２は、ＵＤテープ１１が０゜、±４５゜をなすように編組した３軸組物層１２ａと、ＵＤテープ１１が±４５゜をなすように編組した２軸組物層１２ｂと、ＵＤテープ１１が０゜、±４５゜をなすように編組した３軸組物層１２ｃが積層されて成形されているものを示している。テープ状基材であるＵＤテープ１１には、その長手方向に沿うように強化繊維が配向していることから、ＵＤテープ１１を編組したときの配向角度が強化繊維の配向角度となる。なお、図１では、パイプ１０での積層構造がわかりやすいように、組物層１２ａ、１２ｂ、１２ｃを軸方向にずらした状態で示している。

パイプ１０は、芯材としてのマンドレルの周囲に、複数本のＵＤテープ１１を加熱しながら編組することによって円筒状に賦形されて成形される。そのため、成形されたパイプ１０では、複数層の組物層１２を構成する樹脂は一体となり、その中にＵＤテープ１１由来の強化繊維の繊維束が所定方向に配向された状態で存在している。

繊維強化樹脂の材質は特に限定されるものではなく、繊維強化樹脂を構成する樹脂及び強化繊維は従来公知のものから適宜選択することができる。
繊維強化樹脂を構成する樹脂は熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。中でも、成形性、耐熱性に優れることからポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ樹脂）が好ましい。

繊維強化樹脂を構成する強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、スチール繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維、アモルファス繊維等が挙げられる。中でも、剛性に優れ、軽量であることから炭素繊維が好ましい。

次に、繊維強化樹脂製のパイプ１０の製造方法について説明する。以下では、ＵＤテープ１１として、炭素繊維にＰＥＥＫ樹脂が含浸されたものを例に挙げて説明する。
本実施形態のパイプ１０の製造方法は、ＵＤテープ１１を搬送ローラの周面に沿わせて搬送する搬送工程と、搬送されたＵＤテープ１１を加熱しながらマンドレルの周囲に巻き付けて編組し、円筒状の中間体１３を得る編組工程と、中間体１３の外周面を加圧及び加熱してパイプ１０を成形する成形工程と、パイプ１０を冷却した後、マンドレルをパイプ１０から脱芯する脱芯工程を備えている。

図２は、ＵＤテープ１１を搬送し、マンドレル５１の周囲に巻き付けて編組するために使用するブレイディング装置２０の概略図を示している。以下では、ブレイディング装置２０の説明とともにパイプ１０の製造方法について説明する。

図２に示すように、ブレイディング装置２０は、ＵＤテープ１１の搬送方向Ａの上流側から順に、マンドレル供給部２１、搬送部２２、編組部２３を備えている。パイプ１０の製造工程のうち、搬送工程は搬送部２２で行い、編組工程は編組部２３で行う。

マンドレル供給部２１には、マンドレル５１を載置する載置台５２と、マンドレル５１を下流側へ押圧する押し棒５３と、押し棒５３を所定速度で下流側へ移動させる駆動装置５４が設けられている。駆動装置５４で押し棒５３を移動させることにより、マンドレル５１の後端部が押し棒５３によって押圧され、マンドレル５１は下流側へ自動的に移動する。マンドレル５１は断面円形状の長尺中実体として形成されている。

図２に示すように、搬送部２２には、上流側より、ＵＤテープ（中央糸）１１が巻き付けられた複数個のボビン３１を取り付け可能な取付部（図示略）が設けられている。中央糸を構成するＵＤテープ１１としては、例えば、金属繊維など巻き癖の付き易い素材が挙げられる。ボビン３１が取り付けられる取付部は、半径Ｒが１０２ｍｍのものを取り付け可能である。

ボビン３１の下流側には、ＵＤテープ（中央糸）１１が巻き付けられた複数個のボビン３２を取り付け可能な取付部（図示略）が設けられている。ボビン３２が取り付けられる取付部は、半径Ｒが３５ｍｍのものを取り付け可能である。

ボビン３１、３２の下流側には、複数個のキャリア３５が設けられている。キャリア３５には、そのベース付近に、ＵＤテープ（傾斜糸）１１が巻き付けられたボビン３３を取り付けることができ、その先端側には、ＵＤテープ（傾斜糸）１１を搬送する複数個（図２では３個）の搬送ローラ３４が取り付けられている。ボビン３３の半径Ｒは、ボビン３２と同じ３５ｍｍである。ボビン３１、３２、３３は、複数の搬送ローラ３４より大径に形成されている。複数個の搬送ローラ３４はすべて同径に形成されている。

ボビン３１、３２に巻き付けられたＵＤテープ（中央糸）１１は、ガイドパイプ３６の中を通り、搬送部２２の下流側の編組部２３に搬送される。例えば、ボビン３３から８本のＵＤテープ（傾斜糸）１１が編組されてパイプ１０が成形される場合には、４個のボビン３１、又は４個のボビン３２のいずれかを用いてＵＤテープ（中央糸）１１をガイドパイプ３６の中に通し、編組部２３ですべてのＵＤテープ１１を編組する。また、例えば、ボビン３３から１６本のＵＤテープ（傾斜糸）１１が編組されてパイプ１０が成形される場合には、４個のボビン３１及び４個のボビン３２、又は８個のボビン３２のいずれかを用いてＵＤテープ（中央糸）１１をガイドパイプ３６の中に通し、編組部２３ですべてのＵＤテープ１１を編組する。なお、図２では、４個のボビン３１、４個のボビン３２が取り付けられた状態を示している。

キャリア３５は複数個取り付けられており、その半数ずつが右回転或いは左回転しながら内軌道或いは外軌道を旋回することでＵＤテープ（傾斜糸）１１が編組される。なお、図２では、４個のキャリア３５が取り付けられた状態を示している。例えば、ボビン３３から８本のＵＤテープ（傾斜糸）１１が編組されてパイプ１０が成形される場合には、４個の右回転のキャリア３５及び４個の左回転のキャリア３５にボビン３３を取り付け、それぞれ搬送ローラ３４を介してＵＤテープ（傾斜糸）１１を搬送して編組部２３で編組する。また、例えば、ボビン３３から１６本のＵＤテープ（傾斜糸）１１が編組されてパイプ１０が成形される場合には、８個の右回転のキャリア３５及び８個の左回転のキャリア３５にボビン３３を取り付け、それぞれ搬送ローラ３４を介してＵＤテープ（傾斜糸）１１を搬送して編組部２３で編組する。

図３に示すように、ＵＤテープ１１を取り付けるためのボビン３１、３２，３３、及びＵＤテープ１１を搬送するための搬送ローラ３４の半径は、ＵＤテープ１１の材質によって設定されている。ＵＤテープ１１が炭素繊維にＰＥＥＫ樹脂が含浸された連続繊維強化熱可塑性樹脂である場合、剛性が高く粘着性が低いことから、ボビン３１、３２、３３、及び搬送ローラ３４の半径が小さいと、ＵＤテープ１１がその周面に沿い難くなる。通常、ＵＤテープ１１は、ある程度の張力を掛けた状態で搬送するため、ＵＤテープ１１には、ボビン３１、３２、３３、及び搬送ローラ３４の周面に強制的に沿わせるような曲げ負荷が掛かってしまう。こうしたことから、ボビン３１、３２、３３、及び搬送ローラ３４の半径は、ＵＤテープ１１の断面二次モーメントＩｚ及び曲げ弾性率を考慮して設定されている。ここでは、搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）が、ボビン３１、３２、３３の半径より小径であることから、ＵＤテープ１１に対する曲げ負荷が最も大きく作用する搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）が、ＵＤテープ１１の材質によって設定されていることになる。

ところで、一般的に素材に対する曲げ弾性率は、引張弾性率とほぼ相関関係にある。そのため、曲げ弾性率に代えてＵＤテープ１１の引張弾性率を考慮して搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）を設定しても同様の効果を得ることができる。具体的には、搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）は、ＵＤテープ１１の断面二次モーメントをＩｚ、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープ１１の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出したＵＤテープ１１の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されていることが好ましく、０．００２２（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されていることがより好ましい。

Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）
また、搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープ１１の破壊時の引張応力をσｂ、前記式（１）により算出した曲げモーメントＭが作用した際のＵＤテープ１１の表面に発生する曲げ応力をσとしたとき、下記式（２）により得られたσ比率σｒの値が１．２以下となるような値に設定されていることが好ましく、１．０以下となるように設定されていることがより好ましい。

σｒ＝σ／σｂ・・・・・（２）
搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）がこうした値に設定されていると、ＵＤテープ１１が搬送ローラ３４の周面に沿い易く、搬送時にＵＤテープ１１に対して過度の曲げ負荷が作用することが抑制される。また、搬送ローラ３４より大径に形成されているボビン３１、３２、３３についても、搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）がこうした数値範囲となるように設定されていることで、ＵＤテープ１１の搬送を容易に行うことができる。

図２に示すように、編組部２３では、搬送部２２で搬送されたすべてのＵＤテープ１１が、マンドレル供給部２１から移動されてきたマンドレル５１に向かって集束されるように搬送されてマンドレル５１に巻き付けられて編組される。

図２、図４及び図５に示すように、編組部２３には、搬送されてきたＵＤテープ１１を加熱状態で編組するための加熱部としてのヒータ４０が設けられている。ヒータ４０は、ＵＤテープ１１の搬送方向Ａに直交する方向に延びるように連設されたヒータ本体４１、温風吹出し部４２、加熱本体部４３を備えている。ヒータ本体４１は、ブレイディング装置２０の幅方向の両側に一対設けられ、幅方向中央に設けられた加熱本体部４３に対して、それぞれ温風吹出し部４２を介してその内部空間が連通されている。加熱本体部４３には、ブレイディング装置２０における上流側となる面に、円形状の複数の吹出口４５が貫設されている。図４に示すように、吹出口４５は、中央に形成された大径の吹出口４５ａと、吹出口４５ａを取り囲むように形成された８個の小径の吹出口４５ｂで構成されている。一対のヒータ本体４１から吹出された温風は、温風吹出し部４２を通って加熱本体部４３に到達し、吹出口４５ａ、４５ｂから上流側に向かって吹き出される。

図５に示すように、搬送されてきたＵＤテープ１１は、吹出口４５ａの位置（編組点Ｂ）で編組され、吹出口４５ａからマンドレル５１に巻き付けられた状態で加熱本体部４３の内部に向かって移動する。ヒータ本体４１からの温風によって編組点Ｂでの温度が上昇し、加熱本体部４３の吹出口４５から吹出された温風によって編組点Ｂより上流側での温度が上昇する。これにより、ＵＤテープ１１が加熱され、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂が熱軟化して、ＵＤテープ１１の編組がし易くなる。

ＵＤテープ１１の編組をし易くするために、編組点Ｂ及び編組点Ｂの上流側近傍での雰囲気温度が所定範囲に設定されている。これらの温度は、ＵＤテープ１１の材質によって設定されている。本実施形態では、編組点Ｂの上流側近傍での温度として、編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃでの雰囲気温度が所定範囲に設定されている。編組点Ｂ及び上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度は、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂の融点を基準にして設定されている。

編組点Ｂの雰囲気温度は、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂の融点より０～７０℃高いことが好ましく、４０～６０℃高いことがより好ましい。具体的には、ＰＥＥＫ樹脂の融点は約３４０℃であることから、３４０～４１０℃であることが好ましく、３８０～４００℃であることがより好ましい。

また、編組点Ｂより上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度は、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂の融点に比べて±４０℃の範囲であることが好ましく、融点より１０～４０℃高いことがより好ましい。ＰＥＥＫ樹脂の場合には、３００～３８０℃であることが好ましく、３５０～３８０℃であることがより好ましい。

さらに、上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度は、編組点Ｂの雰囲気温度より０～８０℃低いことが好ましく、０～５０℃低いことがより好ましい。
このように編組工程では、自動的に移動されてきたマンドレル５１の周囲に、ＵＤテープ１１が加熱されながら編組されることにより、円筒状の中間体１３が形成される。

続いて、成形工程では、ブレイディング装置２０から中間体１３を取り出し、中間体１３の外周面に高収縮テープを巻回して加圧及び加熱する。これにより、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂が溶融して一体化するとともに、中間体１３の外周面が平滑化する。高収縮テープとしては、特に限定されず、公知の高収縮テープを用いることができる。高収縮テープとしては、例えば、ＤＵＮＳＴＯＮＥ社製の熱収縮フィルムである「ＨＩ－ＳＨＲＩＮＫＴＡＰＥ」が挙げられる。

その後、中間体１３を常温で放置することによりＰＥＥＫ樹脂が冷却されて硬化して、マンドレル５１が挿管された状態のパイプ１０が得られる。
脱芯工程では、パイプ１０の外周面から熱収縮テープを剥がして除去し、パイプ１０の内部からマンドレル５１を引き抜く。

以上の工程を経て、円筒状のパイプ１０が得られる。
次に、上記実施形態のパイプ１０の効果について説明する。
（１）ブレイディング装置２０の搬送部２２での搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）は、ＵＤテープ１１の断面二次モーメントをＩｚ、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープ１１の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出したＵＤテープ１１の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されている。

Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）
そのため、搬送ローラ３４の周面にＵＤテープ１１を沿わせ易く、搬送時にＵＤテープ１１に曲げ負荷が掛かった場合の影響を抑制することができる。ＵＤテープ１１を搬送させ易い。

（２）搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープ１１の破壊時の引張応力をσｂ、曲げモーメントＭが作用した際のＵＤテープ１１の表面に発生する曲げ応力をσとしたとき、下記式（２）により得られたσ比率σｒの値が１．２以下となるような値に設定されている。

σｒ＝σ／σｂ・・・・・（２）
σ比率σｒを所定範囲に設定することで、ＵＤテープ１１を搬送ローラ３４の周面に沿い易くすることができる。

（３）編組部２３での編組工程では、ＵＤテープ１１の編組点Ｂでの雰囲気温度を、熱可塑性樹脂の融点より０～７０℃高くなるように設定し、ＵＤテープ１１の編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃでの雰囲気温度を、融点に比べて±４０℃の範囲になるように設定している。

編組点Ｂの雰囲気温度だけでなく、編組点Ｂより編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点での雰囲気温度も所定温度に設定することで、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂の溶融度合いを調整することができる。これにより、ＵＤテープ１１の編組を容易に行うことができる。

（４）編組部２３での編組工程では、ＵＤテープ１１の編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃでの雰囲気温度を、編組点Ｂでの雰囲気温度より０～８０℃低くなるように設定している。

このように、編組点Ｂの雰囲気温度と編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃでの雰囲気温度との差を所定温度に設定することで、ＵＤテープ１１に含浸された熱可塑性樹脂の溶融度合いを調整することができる。ＵＤテープ１１の編組を容易に行うことができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・パイプ１０の形状は特に限定されない。円筒状ではなく、楕円筒状でも、四角筒状でも、多角筒状でもいい。また、内周面の径方向断面が楕円形状でも四角形状でも多角形状でもいい。

・上記実施形態では、テープ基材としてＵＤテープを使用する場合について説明したが、テープ基材はこれに限定されない。トウプリプレグ、コミングルヤーン、マイクロブレイデッドヤーン等であってもよい。

・上記実施形態のブレイディング装置２０は、搬送部２２にボビン３１、３２、３３、及び３個の搬送ローラ３４を備えているが、これ以外の搬送ローラを備えていてもよい。また、ボビン３１、３２、３３、及び搬送ローラ３４の個数は特に限定されない。

・上記実施形態のブレイディング装置２０では、ボビン３１、３２、３３は搬送ローラ３４より大径であり、小径の複数個の搬送ローラ３４は、すべて同径に形成されているが、これに限定されない。例えば、複数個の搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）がそれぞれ異なっていてもよい。この場合、最も小径の搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）が、式（１）により算出したＵＤテープ１１の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されていればよい。また、最も小径の搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）が、式（２）により算出したＵＤテープ１１のσ比率σｒの値が１．２以下となるような値に設定されていることが好ましい。また、例えば、ボビン３３が最も小径である場合にも同様である。

・ヒータ４０の形状は上記実施形態のものに限定されない。編組点Ｂ及び編組点Ｂの上流側近傍を加熱できるものであればよい。
・ヒータ４０の加熱本体部４３に形成された吹出口４５の個数、大きさ、形状、配置は特に限定されない。

・中間体１３の外周面を加圧及び加熱してパイプ１０を成形する成形工程の際、高収縮テープの内側に樹脂フィルムを巻回して、中間体１３にさらに樹脂を含浸させるようにしてもよい。樹脂フィルムは、ＵＤテープ１１を構成する樹脂と同じ樹脂であると、中間体１３に対して均一に含浸させやすいため好ましい。

次に、上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）繊維強化樹脂製のテープ基材を編組するブレイディング装置であって、強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されてなる前記テープ基材を、搬送ローラの周面に沿わせて搬送する搬送部と、搬送された前記テープ基材を加熱しながら編組する編組部とを備え、前記搬送部における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出した前記テープ基材の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されているブレイディング装置。

Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）
（ロ）前記搬送部における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の破壊時の引張応力をσｂ、前記曲げモーメントＭが作用した際の前記テープ基材の表面に発生する曲げ応力をσとしたとき、下記式（２）により得られたσ比率σｒの値が１．２以下となるような値に設定されている前記（イ）に記載のブレイディング装置。

σｒ＝σ／σｂ・・・・・（２）
（ハ）繊維強化樹脂製のテープ基材を編組して成形された繊維強化樹脂製パイプの製造方法であって、強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されてなる前記テープ基材を、搬送ローラの周面に沿わせて搬送する搬送工程と、搬送された前記テープ基材を加熱しながら編組する編組工程とを備え、前記搬送工程における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出した前記テープ基材の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されており、前記編組工程では、前記テープ基材を編組する編組点を、前記熱可塑性樹脂の融点より０～７０℃高い温度範囲になるように加熱し、前記編組点より約２０ｍｍ手前地点の温度を、前記融点に対して±４０℃の温度範囲になるように加熱することを特徴とする繊維強化樹脂製パイプの製造方法。

Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）
（ニ）繊維強化樹脂製のテープ基材を編組して成形された繊維強化樹脂製パイプの製造方法であって、強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されてなる前記テープ基材を、搬送ローラの周面に沿わせて搬送する搬送工程と、搬送された前記テープ基材を加熱しながら編組する編組工程とを備え、前記搬送工程における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出した前記テープ基材の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となるような値に設定されており、前記編組工程では、前記編組点より約２０ｍｍ手前地点の温度を、前記編組点の温度より０～８０℃低い温度範囲になるように加熱することを特徴とする繊維強化樹脂製パイプの製造方法。

Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）

本発明のパイプ１０についてさらに詳細に説明する。
（試験１；搬送ローラの半径についての検討）
上記実施形態における搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）について検討した。

＜ＵＤテープ＞
ＵＤテープとして、次の２種類のものを中間材料１、２として調整した。中間材料１、２は、ともに強化繊維としての炭素繊維に、ＰＥＥＫ樹脂を含浸させたものである。ＵＤテープにおける体積繊維含有率はともに６２％である。具体的仕様は以下のとおりである。

・中間材料１；炭素繊維としてＩＭＳ４０（帝人株式会社製）を使用している。ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープの引張弾性率Ｅは１７７ＧＰａ、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープの破壊時の引張応力σｂは２８２９ＭＰａ、伸度は１．６％、比重は１．５７ｇ／ｃｍ^３、厚みｈは０．２２８ｍｍである。

・中間材料２；炭素繊維としてＨＴＡ４０（帝人株式会社製）を使用している。ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープの引張弾性率Ｅは１４１ＧＰａ、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られたＵＤテープの破壊時の引張応力σｂは２５４６ＭＰａ、伸度は１．７％、比重は１．６０ｇ／ｃｍ^３、厚みｈは０．１８０ｍｍである。

これら中間材料１、２についてそれぞれ、幅ｂが１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５０ｍｍの７種類のＵＤテープを作成した。以下では、中間材料１について、幅ｂが小さいものから順に試験例１～７、中間材料２について、幅ｂが小さいものから順に試験例８～１４とする。

＜搬送ローラ＞
搬送ローラとして、半径５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、３５ｍｍ、７６ｍｍの６種類のものを準備した。

＜断面二次モーメントＩｚ＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、厚みｈと幅ｂから、下記式（３）により断面二次モーメントＩｚを算出した。その結果を表１に示した。

Ｉｚ＝ｂ・ｈ^３／１２・・・・・（３）
＜断面係数Ｚ＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、厚みｈと幅ｂから、下記式（４）により断面係数Ｚを算出した。その結果を表１に示した。

Ｚ＝ｂ・ｈ^２／６・・・・・（４）

＜曲げモーメントＭ＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、上記式（１）に基づいて、６種類の搬送ローラの外周面に沿わせた場合の曲げモーメントＭの値を算出した。その結果を表２に示した。

＜ＵＤテープの表面に発生する曲げ応力σ＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、下記式（５）に基づいて、曲げモーメントＭが作用した際の各ＵＤテープの表面に発生する曲げ応力σの値を算出した。その結果を表３に示した。

σ＝Ｍ／Ｚ＝（Ｅ・Ｉｚ／Ｒ）／Ｚ・・・・・（５）

＜σ比率σｒ＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、上記式（２）に基づいて、σ比率σｒの値を算出した。その結果を表４に示した。

＜ＵＤテープの搬送し易さの評価＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、６種類の搬送ローラに沿わせて搬送させた場合のＵＤテープの搬送し易さを評価した。

ＵＤテープの搬送し易さは、ＵＤテープを搬送ローラの外周面に沿わせた場合のＵＤテープの解け易さを官能評価で行い、ＵＤテープが搬送ローラの外周面に沿い易いかどうかを評価した。官能評価は以下の３段階で行った。その結果を。表５に示した。

〇；解けない。
△；何とか解けない。
×；解ける。

表５の結果より、ＵＤテープの幅が小さくなるほど解け難く搬送し易い傾向が見られた。ＵＤテープの幅が大きいほど剛性が増すためであると考えられる。より剛性の高い中間材料１では、例えば、搬送ローラの半径Ｒが１５ｍｍであれば、幅２ｍｍ以下のＵＤテープの搬送が可能であり、搬送ローラの半径Ｒが２０ｍｍであれば、幅２．５ｍｍ以下のＵＤテープの搬送が可能であり、搬送ローラの半径Ｒが３５ｍｍであれば、幅４．０ｍｍ以下のＵＤテープの搬送が可能である。また、より剛性の低い中間材料２では、搬送ローラの半径Ｒが５ｍｍであっても、幅１．５ｍｍ以下のＵＤテープの搬送が可能であり、搬送ローラの半径Ｒが１０ｍｍであれば、幅３ｍｍ以下のＵＤテープの搬送が可能であり、搬送ローラの半径Ｒが１５ｍｍ以上であれば、幅４．０ｍｍ以下のＵＤテープの搬送が可能である。

表５の官能評価の結果を、表２～表４の各ＵＤテープの曲げモーメントＭの計算値、曲げモーメントＭが作用した際の各ＵＤテープの表面に発生する曲げ応力σの計算値、各ＵＤテープのσ比率σｒの計算値と比較すると、ＵＤテープの搬送し易さは、搬送ローラの外周面に沿わせた場合の曲げモーメントＭの計算値と相関が見られることがわかった。曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下である場合に搬送し易く、０．００２２（ｋｇｆ・ｍ）以下である場合にさらに搬送し易いことがわかった。

＜ＵＤテープの編組し易さの評価＞
試験例１～１４のＵＤテープについて、６種類の搬送ローラに沿わせて搬送し、編組した場合のＵＤテープの編組し易さを評価した。ブレイディング装置２０において、ボビン３１の半径を１０２ｍｍ、ボビン３２の半径を３５ｍｍ、ボビン３３の半径を３５ｍｍとした。３個の搬送ローラ３４は、それぞれ半径が異なる６種類の場合について、すべて同径のものを取り付けた。ＵＤテープの編組は、編組点Ｂの雰囲気温度が約３９０℃、編組点Ｂより上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度が約３６５℃に調整して行った。

ＵＤテープの編組し易さは、ＵＤテープを搬送ローラ３４の外周面に沿わせて搬送し、編組した場合に編組が可能であったかどうかで評価した。評価は１回乃至複数回、以下の要領で行った。その結果を。表６に示した。表中、〇×の数は評価数である。また、括弧で示されている部分は、搬送ローラ３４への巻き付けが容易かどうかのみを評価している。なお、搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、各試験例での搬送ローラ３４の半径Ｒ（ｍｍ）を示している。

〇；ＵＤテープは破損せず、編組できた。
×；ＵＤテープが破損するなど、編組できなかった。
－；未実施

表６の結果より、ＵＤテープの幅が大きくなるほど編組し易い傾向が見られた。より剛性の高い中間材料１では、例えば、搬送ローラ３４の半径Ｒが１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍのいずれも、幅１．５ｍｍ以上のＵＤテープで編組まで可能だった。搬送ローラ３４の半径Ｒが１０ｍｍの場合には、幅２．５ｍｍ以上、半径Ｒが１５ｍｍの場合には、幅２．０ｍｍ以上、半径Ｒが２０ｍｍの場合には、幅１．５ｍｍ以上で、すべての回で編組まで可能だった。また、より剛性の低い中間材料２では、搬送ローラ３４の半径Ｒが５ｍｍであっても、すべてのＵＤテープで編組まで可能だった。搬送ローラ３４の半径Ｒが１０ｍｍの場合には、幅１．５ｍｍ以上、半径Ｒが１５ｍｍ以上の場合には、すべての回で編組まで可能だった。

表６の官能評価の結果を、表２～表４の各ＵＤテープの曲げモーメントＭの計算値、曲げモーメントＭが作用した際の各ＵＤテープの表面に発生する曲げ応力σの計算値、各ＵＤテープのσ比率σｒの計算値と比較すると、ＵＤテープの編組し易さは、各ＵＤテープのσ比率σｒの計算値と相関が見られることがわかった。σ比率σｒの値が１．２以下である場合に編組までし易く、１．０以下である場合にさらに搬送、編組がし易いことがわかった。

（試験２；編組点Ｂ及び編組点Ｂの上流側近傍の雰囲気温度についての検討）
上記実施形態におけるヒータ４０による加熱温度について検討した。
＜ヒータ４０のヒータ本体４１の温度＞
ヒータ本体４１の加熱温度は、４３０℃、４８０℃、５３０℃に設定した。

＜編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度の調整＞
加熱本体部４３に貫設された吹出口４５ｂの数を変更することにより、編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度を調整した。吹出口４５ｂが８個の場合、吹出口４５ａ、４５ｂの総面積は１１１９ｍｍ^２であり、吹出口４５ｂが４個の場合、吹出口４５ａ、４５ｂの総面積は８０５ｍｍ^２であり、吹出口４５ｂが０個の場合、吹出口４５ａの面積は４９１ｍｍ^２である。また、温風吹出し部４２からの温風吹出し面積に対する、吹出口４５ａ、４５ｂから上流側への温風吹出し面積の割合を、面積割合（％）として算出した。左右一対の温風吹出し部４２からの吹出口の総面積が２５１３ｍｍ^２であることから、これに対する吹出口４５ａ、４５ｂの総面積の割合は、吹出口４５ｂが８個、４個、０個の場合、それぞれ４４．９％、３２．０％、１９．５％であった。

それぞれの場合について、編組点Ｂの雰囲気温度、編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度を測定した。また、編組点Ｂの雰囲気温度と上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度との温度差を算出した。その結果を、表７に示した。

＜ＵＤテープの編組し易さの評価＞
中間材料１のＵＤテープであって、幅１．５ｍｍのものを、搬送ローラに沿わせて搬送し、編組した場合のＵＤテープの編組し易さを評価した。ブレイディング装置２０において、ボビン３１の半径を１０２ｍｍ、ボビン３２の半径を３５ｍｍ、ボビン３３の半径を３５ｍｍ、３個の搬送ローラ３４の半径を２０ｍｍとした。

ＵＤテープの編組し易さは、ＵＤテープをボビン３１、３２、３３、及び搬送ローラ３４の外周面に沿わせて搬送し、編組した場合に編組が可能であったかどうかを以下の３段階で評価した。評価は複数回行った。その結果を表７に示した。表中、「編組テスト」欄の〇×の数は評価数である。

〇；ＵＤテープが適度に熱軟化し、良好に編組できた。
△；編組点がヒータ部から上流側へ移動した。
×；ＵＤテープが破損し、編組できなかった。

「△」で示す編組点の移動の現象は、ＵＤテープの加熱不足の場合に生じる典型的な現象である。また、「×」で示すＵＤテープの破損の現象は、ＵＤテープが過度に加熱されたことによってＰＥＥＫ樹脂が溶融し過ぎたことによる現象である。

表７の結果より、ＵＤテープの編組点Ｂの雰囲気温度を、熱可塑性樹脂（ＰＥＥＫ樹脂）の融点である３４０℃より０～７０℃高くなるように設定し、編組点Ｂより上流側約２０ｍｍ地点Ｃの雰囲気温度を、融点に比べて±４０℃となる範囲に設定することで、編組が良好に行えることがわかった。さらに、ＵＤテープの編組点Ｂより上流側約２０ｍｍ地点Ｃでの雰囲気温度を、編組点Ｂでの雰囲気温度より０～８０℃低くなるように設定することで、非常に良好に編組が行えることがわかった。

Ｂ…編組点、Ｃ…編組点Ｂの上流側約２０ｍｍ地点（編組点より約２０ｍｍ手前地点）、１０…パイプ、１１…ＵＤテープ（テープ基材）、３１…ボビン（搬送ローラ）、３２…ボビン（搬送ローラ）、３３…ボビン（搬送ローラ）、３４…搬送ローラ、４０…ヒータ、４１…ヒータ本体、４２…温風吹出し部、４３…加熱本体部。

Claims (4)

1. 繊維強化樹脂製のテープ基材を編組して成形された繊維強化樹脂製パイプの製造方法であって、
   強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されてなる前記テープ基材を、搬送ローラの周面に沿わせて搬送する搬送工程と、
   搬送された前記テープ基材を加熱しながら編組する編組工程と
   を備え、
   前記搬送工程における前記搬送ローラの半径Ｒ（ｍｍ）は、７６ｍｍ以下であり、
   前記半径Ｒ（ｍｍ）は、前記テープ基材の断面二次モーメントをＩｚ、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の引張弾性率をＥとしたとき、下記式（１）により算出した前記テープ基材の曲げモーメントＭの値が０．００２４（ｋｇｆ・ｍ）以下となる値に設定されているとともに、ＪＩＳ Ｋ７１６５に準拠する引張試験により得られた前記テープ基材の破壊時の引張応力をσｂ、前記曲げモーメントＭが作用した際の前記テープ基材の表面に発生する曲げ応力をσとしたとき、下記式（２）により得られたσ比率σｒの値が１．２以下となる値に設定されており、
   前記編組工程では、前記テープ基材を編組する編組点の雰囲気温度を、前記熱可塑性樹脂の融点より０～７０℃高い温度範囲になるように設定することを特徴とする繊維強化樹脂製パイプの製造方法。
   Ｍ＝Ｅ・Ｉｚ／Ｒ・・・・・（１）
   σｒ＝σ／σｂ・・・・・（２）
2. 前記編組工程では、前記編組点より２０ｍｍ手前地点の雰囲気温度を、前記融点に比べて±４０℃の温度範囲になるように設定することを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂製パイプの製造方法。
3. 前記編組工程では、前記編組点より２０ｍｍ手前地点の雰囲気温度を、前記編組点の雰囲気温度より０～８０℃低い温度範囲になるように設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂製パイプの製造方法。
4. 前記テープ基材は、ＵＤテープであることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂製パイプの製造方法。

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