JPH03166937A - 軸状複合部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業用の利用分野） 本発明は、自転車または車椅子のフレームなどに用いて
好適な、金属軸状部材を繊維強化層で強化した軸状複合
部材およびその製造方法に関する。

（従来技術） 従来、自転車または車椅子のフレームを構成する構造体
などにカーボン繊維強化パイプ（ＣＦＲＰ）を用いる技
術が知られている。カーボンｍｍ強化パイプは軽量で強
度および剛性に優れた複合材料である。

カーボン繊維のマトリックス樹脂には一般的にはエボキ
シ樹脂に代表される熱硬化型樹脂が用いられる。これは
熱可塑性樹脂と比較して寸法安定性に優れ、温度条件の
影響を受けて変形することがないからである。

カーボン繊維強化パイプの成形法としては、フィラメン
トワインディング法、ハンドレイアップ法、プルトルー
ジョン法および筒巻き法（ローリングテーブル）などが
知られている。

フィラメントワインディング法は、カーボン繊維を樹脂
に含浸しながらパラレル巻きまたはヘリカル巻きなどで
マンドレルに巻き付け、所定の厚みにし、加熱硬化、脱
型して製品を得る方法である。

ハンドレイアップ法は、マンドレルにカーボン繊維に樹
脂を含浸させたプリプレグを手作業で巻き付け、加熱硬
化、脱型して製品を得る方法である。

プルトルージョン法（引抜成形）は、繊維束に樹脂を含
浸し、所望形状のダイの中に引き込んで加熱固化する方
法である。

筒巻き法は、プリプレグをマンドレルに巻き付ける際に
加熱されている一対のテーブル（ローリングテーブル）
に挟み込み、テーブルの相対運動によりすし巻きのよう
にして巻き、加熱硬化、脱型して製品を得る方法である
。

カーボン繊維強化パイプは優れた複合材料であるが、反
面、靭性か弱く所定以上の応力が作用すると一瞬にして
破断するという脆さも有している。

そのため、自転車や車椅子などに用いるには危険である
ため、直線状のアルミパイプ（直管）の周囲に樹脂をカ
ーボン繊維布に含浸させたプリプレグを巻回し、この樹
脂を硬化させて、アルミ層とカーボン繊維層を重層した
直線状のパイプが提案されている。

このアルミ層とカーボン繊維層を重層したパイプは、フ
ィラメントワインディング法、ハンドレイアップ法およ
び筒巻き法においてマンドレルの代わりにアルミパイプ
を用いて加熱硬化までの工程を実施することにより得ら
れる。ゾルトルージョン法による場合は、繊維束をダイ
の中に引き込む際に同時にアルミパイプを引き込み、ア
ルミ層とカーボン繊維層を重層させればよい。

このアルミ層とカーボン繊維層を重層した直線状のパイ
プを自転車や車椅子のフレームなどに用いるには、幾つ
かのパイプをジョイントで繋ぎ合せ、所望の構造のフレ
ームを得る。

（発明が解決しようとする課題） ところが、直線状のパイプをジョイントで繋ぎ合せる方
法では、曲げ角度に応じたジョイントが必要となり、部
品点数が増加するという不都合がある。また、ジョイン
ト部分の強度が他の部分に比べて劣り、さらにデザイン
的にも問題がある。

一方、上述した従来の方法にて、アルミ層とカーボン繊
維層を有する屈曲した複合部材を製造しようとすれば、
以下のような問題がある。

まず、フィラメントワインディング法では、予め曲げら
れたアルミニウム製の曲管にカーボン繊維を巻き付ける
ことになるが、曲管に繊維を巻き付けるのは非常に困難
である。近年では巻きパターンをコンピュータ制御する
装置も開発されているが、これを用いたとしても種々の
曲管に対応して適切に繊維を巻き付けることは非常に困
難である。また、繊維を巻き付けるものであるため、強
化繊維の層がクロス（織布）であるものは製造できない
。さらに、曲管の曲がった軸に沿って強化繊維を巻くこ
とも不可能である。

ハンドレイアップ法では、曲管にプリプレグを手作業で
巻き付けるが、工数がかかり作業性に劣る欠点を有して
いる。

ゾルトルージョン法は、同じ断面のストレート材の成形
しかできず、曲管に適用することはできない。

筒巻き法では、ローリングテーブルを用いてプリブレグ
を巻き付けるため、やはり曲管に適用することはできな
い。

さらに、いずれの方法も生産性が低いという問題点があ
る。

本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、その目
的とするところは、軽量で強度および剛性に優れるとと
もに従来のカーボン繊維強化パイプのように破断するこ
とがなく、かつ屈曲した軸状複合部材およびその軸状複
合部材を高い生産性で製造する方法を提供することにあ
る。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記の課題を達成するために、本発明に係る軸状複合部
材は、屈曲した金属軸状部材と、該金属軸状部材の外面
に接触または他の層を介して積層された繊維強化層とを
具備することを特徴とする。

また屈曲した金属軸状部材と、この金属軸状部材と同軸
的に設けられ、該金属軸状部材の一端部から他端部まで
連続する幅を有した断面螺旋状の繊維強化層とを具備し
たことを特徴とする。

さらに本発明に係る軸状複合部材の製造方法は、直線状
の金属軸状部材に、強化繊維に樹脂を含浸させたプリプ
レグを巻回する工程と、該プリプレグを巻回した金属軸
状部材を屈曲させる工程と、該屈曲させた金属軸状部材
の樹脂を硬化させる工程とを具備することを特徴とする
。

（作　用） 上記構成の本発明に係る軸状複合部材は、繊維強化層を
有するので、強度および剛性に優れている。また、屈曲
しているので、ジョイントなしで種々の構造体を構成で
きる。金属軸状部材を有しているので、従来のカーボン
繊維強化パイプに見られたような所定以上の応力で破断
するようなことかない。繊維強化層により高強度が実現
されるので、金属を多く使用する必要がなく軽量となる
。

本発明に係る軸状複合部材の製造方法は、直線状の金属
軸状部材にプリブレグを巻回するので、どのような種類
のプリプレグであっても簡単に巻き付けることができる
。プリプレグの巻回の後、その金属軸状部材を屈曲させ
、樹脂を硬化させればよいので、製造は簡単であり高生
産性である。

金属軸状部材にプリプレグを巻回するので、繊維の方向
は任意に設定でき、屈曲した部材の曲がった軸に沿って
強化繊維を配したものも得られる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る軸状複合部材であるカ
ーボン繊維強化アルミパイプの斜視図、第２図はそのＸ
−Ｙ拡大断面図である。これらの図において、１は屈曲
部２を有するカーボン繊維強化アルミパイプ、１１はこ
のパイプ１の中空部、１２はアルミ層、１３はアルミ層
１２の外面に接触して設けられた第１のカーボン繊維強
化層、１４は第１のカーボン繊維強化層１３の外側に設
けられた第２のカーボン繊維強化層、１５は第２のカー
ボン繊維強化層１４の外側に設けられた第３のカーボン
繊維強化層である。

第１および第２のカーボン繊維強化層１３．１４は、そ
れぞれクロスプリプレグを２巻きして形成したものであ
るから、カーボン繊維の織布（クロス）が２層となって
いる。第３のカーボン繊維強化層１５は化粧巻きによる
層である。第１および第２のカーボン繊維強化層１３．
１４は目付けの大きいクロスで形成されているが、化粧
巻きの第３のカーボン繊維強化層１５は見栄えを良くす
るため目付けの小さいもので形成されている。

このようなカーボン繊維強化アルミバイプ１は、カーボ
ン繊維強化層１３，１４．１５を有するので、強度およ
び剛性に極めて優れている。また、屈曲しているので、
ジョイントなしで種々の構造体を構成できる。アルミ層
１１を有しているので、従来のカーボン繊維強化パイプ
に見られたような所定以上の応力で破断するような現象
は発生しない。カーボン繊維強化層１Ｂ．１４．１５に
より高強度が実現されるので、アルミ層１１は厚くする
必要がなく軽量となる。

次に、第１．２図のカーボン繊維強化アルミパイプの製
造方法を説明する。

まず第３図（ａ）に示す断面形状を有ずるアルミバイプ
３に、カーボン繊維の織布にエポキシ樹脂を含浸させた
クロスプリブレグを巻き付ける。

軽き付けは第４図に示すようにローリングテーブルを用
いて行った。同図において、下側のテーブル４１にはア
ルミパイプ３とクロスプリプレグ４２とが載置されてい
る。そして、上側のテーブル４３で矢印Ｃの方向に押圧
しながら、下側のテーブル４１を矢印Ａの方向へ移動さ
せる。これにより、アルミバイブ３が矢印Ｂのように回
転し、クロスプリブレグ４２がすし巻きのようにアルミ
バイブ３に巻き付けられる。

この成形法は、装置が極めて単純で低廉である。

また、プリプレグの繊維の方向は任意に設定して巻き付
けることができるので、フィラメントワインディング法
では難しい軸巻きが可能である。作業環境がドライで良
好であり、ボイドも少なく生産性も高い。

この実施例では、アルミパイプ３の回りにカーボン繊維
のクロスプリプレグを２巻きする工程を２回行い、その
後最外層に化粧巻きとして目付けの小さいクロスプリプ
レグを巻き付けた。プリプレグを巻き付けた中間品５の
断面を第３図（ｂ）に示す。３１，３２．３３はそれぞ
れ第１、第２、第３の強化繊維層となるプリプレグの層
である。

次に、プリプレグを巻き付けたアルミパイプの中間品５
を所望の形状に屈曲させる。この実施例では、ペンディ
ングマシンを用いて屈曲させた。

第５図は、屈曲の様子を示す概略図である。中間品５の
一端５２を固定しペンディングマシンのロール５１に中
間品５を押し当て、矢印Ｄのような力を作用させ、点線
で示すように屈曲させている。

ペンディングマシンは、このような軸状部材を簡単に屈
曲させることのできる装置である。曲げ角度は所望の通
りに設定できる。

次に、屈曲させた中間品５を硬化炉にいれて、樹脂を熱
硬化させる。

以上で第１．２図に示す本実施例の軸状複合部材が製造
できた。本実施例の製造方法はプリブレグをローリング
テーブルで簡単にアルミパイプに巻き付け、その後屈曲
させているので、生産性が高い。マンドレルを使用する
必要もない。また、プリプレグの繊維の方向は任意に設
定して巻き付けることができるので、屈曲した軸の方向
に強化繊維が配された軸状部材も簡単に製造できる。こ
れにより、軸の方向に沿って極めて強い強度を有する屈
曲した軸状複合部材が得られる。

なお、上記の実施例ではアルミパイプを用いたが、パイ
プに限らずｆｆｉ６図のような断面を有する軸状部材す
なわち金属フィルム６１を巻回して軸状にしたものを用
いても良い。また、コルゲートバイブに適用してもよい
。第７図は、コルゲートパイブ７１にガラス繊維のプリ
プレグ７２を巻き付けた状態を示す長さ方向の断面図で
ある。７３は接着剤を示す。コルゲートパイプ７１に接
着剤７３を多めに塗布し、ガラス繊維のプリプレグ７２
を巻き付ける。以後は、上記の実施例と同様にすればよ
い。

用いる金属はアルミに限らず、例えば鉄またはチタンな
ども用いることができる。強化繊維としては、カーボン
繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維などの無機繊維の他、
アラミド繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維な
どの有機繊維を用いることもできる。巻き付けるプリプ
レグは、クロスプリプレグに限らず、一方向のＵＤプリ
プレグなどを用いても良い。また、繊維の方向も適宜選
択して巻き付けることができる。ただし、金属の軸状部
材にプリプレグを巻き付けて屈曲する際には、プリプレ
グが屈曲に追従する必要があるが、この点ではクロスプ
リプレグが優れている。また、幅の細いテープ状のプリ
プレグ用いても良い。なお、本発明では、直線状金属軸
状部材にプリプレグを巻回した後、屈曲させる工程を経
て軸状複合部材を製造するものであるから、出来上がっ
た軸状複合部材としては、屈曲した金属軸状部材に幅広
のプリプレグが巻回されている状態のものを得ることが
できる。これに対し、金属軸状部材を屈曲した後にプリ
プレグを巻回する製造法が考えられるが、この場合、幅
広のプリプレグを巻回することができない。

軸状部材の断面は円形に限らず、三角形や四角形など種
々の形状のものを用いることができる。

軸状部材の外面側に強化繊維の層を設ける他、パイプの
内側に強化繊維の層を設けてもよい。また、これらを組
み合わせて多層にしてもよい。

本実施例の製造方法において、金属の軸状部材にプリプ
レグを巻回する前には、金属の表面を荒らし脱脂する表
面処理を行うのが望ましい。また、金属と強化繊維の層
との界面に接着剤層を設けてもよい。接着剤としてはペ
ースト状またはフィルム状接着剤のどちらも用いること
ができるが、プリブレグを巻き付けた後に屈曲させるた
め、屈曲に追従するペースト状接着剤の方が望ましい。

このような表面処理または接着剤を用いることにより、
金属と強化繊維層とが強固に固着し強度を上げることが
できる プリブレグを巻回した後、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリエステルまたはシリコンなどの熱収縮テープを
巻回してもよい。熱収縮テープを巻回することにより、
その後の屈曲工程でプリプレグの剥がれヤしわがよるこ
とを防止でき、成形性のよい軸状部材が得られる。熱収
縮テープは熱硬化の工程の後に剥がせばよい。

熱硬化工程の後工程として、しわ取り、研磨またはラッ
カーの塗布などの表面仕上げを行ってもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、屈曲した金属軸
状部材の外面に繊維強化層を設けているので、軽量で強
度および剛性に優れ、従来のカーボン繊維強化パイプの
ように破断することがない屈曲した軸状複合部材が提供
される。したがって、ジョイントを用いないで各種のフ
レーム構造体などが構成でき、デザイン的効果も高い。

また、本発明に係る軸状複合部材の製造方法は、直線状
の金属軸状部材にプリプレグを巻回し、これを屈曲し、
硬化させているので、高い生産性で屈曲した軸状複合部
材が製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る軸状複合部材である
カーボン繊維強化アルミパイプの斜視図、第２図は、第
１図のカーボン繊維強化アルミパイプのＸ−Ｙ断面図、 第３図は、アルミバイブおよびアルミパイプにプリプレ
グを巻き付けた状態を示す断面図、第４図は、ローリン
グテーブルを用いてアルミパイプにプリプレグを巻き付
ける工程を示す斜視図、 第５図は、ペンディングホイールに中間品を押し当てて
屈曲させている工程を示す概略図、第６図は、金属フィ
ルムを巻回した軸状部材の断面図、 第７図は、コルゲートパイプに適用した例を示す断面図
である。 １：カーボン繊維強化アルミパイプ、１１：中空部、１
２：アルミ層、１３：第１のカーボン繊維強化層、１４
：第２のカーボン繊維強化層、１５：第３のカーボン繊
維強化層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）屈曲した金属軸状部材と、 該金属軸状部材の外面に接触または他の層を介して積層
   された繊維強化層と を具備したことを特徴とする軸状複合部材。
2. （２）屈曲した金属軸状部材と、この金属軸状部材と同
   軸的に設けられ、該金属軸状部材の一端部から他端部ま
   で連続する幅を有した断面螺旋状の繊維強化層とを具備
   したことを特徴とする軸状複合部材。
3. （３）直線状の金属軸状部材に、強化繊維に樹脂を含浸
   させたプリプレグを巻回する工程と、該プリプレグを巻
   回した金属軸状部材を屈曲させる工程と、 該屈曲させた金属軸状部材の樹脂を硬化させる工程と を具備したことを特徴とする軸状複合部材の製造方法。