JPH0669733B2 - 加熱発泡性樹脂とカーボン繊維を組み合わせた軸状部材およびその製造方法 - Google Patents

加熱発泡性樹脂とカーボン繊維を組み合わせた軸状部材およびその製造方法

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JPH0669733B2
JPH0669733B2 JP2331390A JP33139090A JPH0669733B2 JP H0669733 B2 JPH0669733 B2 JP H0669733B2 JP 2331390 A JP2331390 A JP 2331390A JP 33139090 A JP33139090 A JP 33139090A JP H0669733 B2 JPH0669733 B2 JP H0669733B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、自転車、オートバイ、自動車、産業ロボット
のアーム、セーリングヨットやウィンドサーフインのマ
スト、ゴルフシャフト、風車のブレイド(タービンブレ
イド)等の軸状構造部材に利用できる直管、曲管、中
空、中実、断面円形、断面異形等の軸状部材に関し、更
に詳細には、プリプレグ(樹脂をカーボン繊維布に含浸
させたもの)をハニカム構造にして耐衝撃強度、破断強
度および剛性を向上した加熱発泡樹脂を利用した軸状部
材に関する。
<従来の技術> 本発明は上述したように各種の技術分野に利用できる軸
状部材に関するものであるが、その従来技術を自転車フ
レームにおいて説明する。近年、競技用自転車(ロード
レーサー、ビストレーサー、ATB)等のフレームには軽
量化のためにカーボン繊維パイプ(CFRPパイプ)が既に
使用されている。その成形方法としてはカーボンシート
をロール状に巻回するシートロール成形、またカーボン
フィラメントを巻き込んで作るフィラメントワインディ
ング成形等がある。
<発明が解決しようとする問題点> 上記成形方法によって作られるCFRPパイプには構造上の
弱点がある。即ち、パイプ断面の空間部を2個以上に分
割できない、言い換えればパイプ断面をハニカム状に成
形できないことがある。一般のプラスチックパイプにお
いても、強度を格段に向上させるために、ダイスを使っ
た押し出し法によりハニカム状パイプが作られている。
ところがCFRPパイプにおいては素材が繊維状であるため
に、従来の方法ではハニカム状パイプが作れず、その破
断強度の向上には限界があった。また従来のCFRPパイプ
では更なる軽量化を達成するために高弾性のフィラメン
トを使用することにより薄肉化を押し進める方向にあっ
たが、この場合高弾性にも限りがあるため比強度の向上
という点では限界点に到達していた。
<問題点を解決するための手段> 本発明は上記欠点を解消するためになされたもので、そ
の構成を要約していえば、加熱発泡性樹脂からなる長尺
の発泡体をプリプレグ(樹脂をカーボン繊維布に含浸さ
せたもの)で巻回して発泡柱を成形し、この発泡柱を2
本以上接合して軸状体を成形し、この軸状体を加熱して
発泡硬化させる点に特徴を有する。
また、上記軸状部材の具体的製法の一例を要約すると、
金属フィルムをマンドレルに巻回して金属フィルム層を
形成する第1工程と、加熱発泡性樹脂からなる発泡体を
プリプレグで巻回して成形した発泡柱をシート状のプリ
プレグに複数本並設して発泡柱シートを形成する第2工
程と、この発泡柱シートを前記金属フィルム層の外側に
巻回する第3工程と、この積層の完了したマンドレルを
外形型に装填して加熱により発泡硬化させる第4工程と
からなる点に特徴を有する。
<作用> カーボン繊維布からハニカム状の軸状部材を作るために
発明者が着眼した点は、加熱発泡性樹脂からなる長尺の
発泡体をプリプレグ(カーボン繊維布に樹脂を含浸させ
たもの)で巻回して発泡柱を成形することである。この
発泡柱をシート状プリプレグに複数本並設して発泡柱シ
ートを作り、これをプリプレグをすでに巻回した金属マ
ンドレル上に巻回し、この上にさらにプリプレグを巻回
し、これを少し隙間のある外形型内に装填する。さらに
加熱すると発泡体が発泡しながら体積を膨張し、この内
部膨張圧により外周のプリプレグを外形型内一杯に押さ
えつけ、硬化した後成形済みパイプを取り出し、マンド
レルを引き抜くと環状のパイプ(軸上部材)が出来上が
る。
円周方向に発泡体がカーボン繊維で仕切られ、しかも厚
み方向もカーボン繊維で挟み込みれているため、カーボ
ン繊維がハニカム状に配置された軸状部材が形成され
る。したがって、破断強度も格段に向上し、この軸状部
材を使用する構造物(自転車フレーム、ゴルフシャフト
等)の耐久性、安全性の向上を期することができる。
加えて、金属フィルムをマンドレルの最内周に巻回した
り、最外周に巻回したり、また中間部位に巻回すれば、
急激な外力が加わっても、この金属部分で外力を遮断で
き、耐衝撃強度および破断強度のより一層の増強を達成
できる。
前記マンドレルおよび外形型の断面形状を変えれば断面
円形、楕円形、四角形、八角形等の異形の軸状部材を形
成できる。また、発泡時の膨張圧により外形型の内面形
状と同じ軸状部材ができるから表面精度も外形型の内面
精度できまり、同一物の製作が容易になる。
前記マンドレルが金属材の場合には軽量化のため引き抜
く必要が生じ、軸状部材はパイプ状となる。このマンド
レルを発泡芯材から形成すれば、軽いため引き抜く必要
がなく種々の用途が開ける。例えば、タービン用のブレ
ード(羽根)の場合には断面略楕円形で一端を閉じるた
めマンドレルを引き抜けない。したがって、発泡済みの
発泡体から形成される発泡芯材の外周にプリプレグを巻
回後さらにその外側に前記発泡柱シートを巻回し、その
周囲をプリプレグで巻き込み、外形型内で加熱発泡した
後に、軽量であるが内部が発泡材で充填された軸状部材
が成形できる。曲線状の発泡芯材を使用した場合には自
転車のハンドルバー等のような曲管状の軸状部材も成形
できる。
また、マンドレルや発泡芯材を全く使用しない軸状部材
も成形できる。例えば、断面半円形の発泡体を2本接合
して断面円形の軸状体とし、この周囲をプリプレグで巻
回して外形型内で発泡させれば、外形型に対応した中実
の軸状部材が成形できる。もちろん、その外周または中
間部位に金属フィルムを巻回すれば破断強度を増強でき
る。
前記発泡体の材料としては発泡温度、発泡率、強度など
の条件により種々選べるが、例えば発泡性エポキシ樹
脂、発泡性ウレタン樹脂等がある。
金属フィルムとしてはチタンフィルム、ステンレスフィ
ルム、軽合金フィルム、高張力鋼フィルム等が利用でき
る。
また、本発明の軸状部材の用途としては、自転車、オー
トバイ、自動車、産業ロボットのアーム、セーリングヨ
ットやウィンドウサーフィンのマスト、風車のブレイド
(タービンブレイド)等の軸状部材として利用できる。
<実施例> 以下に、本発明に係る軸状部材およびその製造方法の実
施例を図面にしたがって詳細に説明する。
第1図は完成した軸状部材2の断面図であり、最も内側
にある金属フィルム層4とカーボン繊維布からなる外側
補強層6およびその間に挟まった軸状体8から構成され
ている。
第2図は軸状部材2の製造工程図を示している。第2図
(A)には金属フィルム4aの上面に接着フィルム4bを貼
着し、さらにその上面に樹脂をカーボン繊維布に含浸さ
せたプリプレグ4cを配置する工程を示し、これを第2図
(B)の金属マンドレル9の外周にプリプレグ4cが外側
になるように巻回して金属フィルム層4を形成する。こ
のプリプレグ4cは金属フィルム4aが開かないように円筒
状に保持する働きをする。上記実施例では、金属フィル
ム4aとして軽量性、耐食性、展延性の観点からチタンフ
ィルムを使用したが、ステンレスフィルム、軽合金フィ
ルム、高張力鋼フイルム等も利用できる。
第2図(C)には加熱発泡性樹脂からなる長尺の発泡体
10aを、樹脂をカーボン繊維布に含浸させたプリプレグ1
0bで巻回して発泡柱10を形成する工程が示されている。
第2図(D)では、複数本の発泡柱10をシート状のプリ
プレグ12上に並設して発泡柱シート14を成形している。
この実施例では8本の発泡柱10を並設し、その左側には
外側補強用のプリプレグ端12aが延出している。
この発泡柱シート14の発泡柱10側を第2図(B)の金属
フィルム層4に接着しながら1周だけ巻回して軸状体8
を形成し、プリプレグ端12aをこの軸状体8の外周に2
〜3層巻回して外側補強層6を形成し、第2図(E)の
発泡前軸状部材2aを形成する。
この発泡前軸状部材2aを割型状の外形型16の型空間16a
内に第2図(F)のように装填する。型空間16aの内径
は発泡前軸状部材2aの外径よりわずかに大きいことが第
2図(F)のI−I断面図である第2図(G)からも分
かるであろう。この外形型16を加熱すると発泡体10aが
発泡し始め、型空間16a内の全面に内部膨張圧によって
外側補強層6が押し付けられ、一定時間(例えば1時
間)発泡後硬化すると、型空間16aの形状と同形の外形
を有する軸状部材2が完成する。この完成後の軸状部材
2が第1図に示されている。
第2実施例として、金属フィルム層4をプリプレグを巻
回した内側補強層に変え、第2図(E)の最外周に金属
フィルムを巻回して金属フィルム層とすることもでき
る。
さらに第3実施例として、上記第2実施例のさらに外周
にプリプレグを巻回した外側補強層を形成することもで
きる。
第3図には第4実施例が示されている。(A)のよう
に、発泡体10aの上に金具10cを配置した場合には、
(B)のように金具10cが組み込まれるため、軸状部材
2を相互に連結するためのガイドとなる。また他の金具
を組み込めば、これにねじ孔をあけることもできる。
上記実施例群では、カーボン繊維がハニカム状に連続し
てネットワークを作るので破断強度が極めて高くなり、
また金属フィルム層4により耐衝撃強度も格段に向上す
る。
第4図には第5実施例として風車用のタービンブレイド
が示されている。この実施例では上述のようなマンドレ
ルは使われず、加熱発泡済みの発泡体からなる発泡芯材
18がその代わりとして用いられる。この発泡芯材18は引
き抜くことができない。この周りに2本以上の幅広の発
泡柱10が接合して巻回され、軸状体8を形成する。さら
に外周全面にプリプレグが巻回されて外側補強層6が形
成され、前面部に補強用の金属フィルム層4が設けられ
ている。この全体を外形型内に装填して加熱し発泡硬化
させれば、タービンブレイドとしての軸状部材2が完成
する。図面から分かるように、カーボン繊維がハニカム
構造を作っている。
第5図に示す第6実施例はマンドレルを全く使わない。
断面半円形の発泡柱10を接合して断面円形となし、この
周囲をプリプレグで巻回して外側補強層6を形成する。
さらに最外周に金属フィルム層4を形成した後、外形型
内で加熱発泡させれば軸状部材2が完成する。
第6図は第7実施例を示す。(A)のような扇型の発泡
柱シートを用いると、(B)のように外周がテーパー状
の軸状部材2を成形することもできる。
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、
設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
<発明の効果> 本発明は以上詳述したように、発泡体をプリプレグで巻
回して発泡柱を成形し、この発泡柱を2本以上接合して
軸状体を成形し、この軸状体を加熱発泡して硬化させた
軸状部材であるから、カーボン繊維がハニカム状に連続
してネットワークを形成し、このネットワークが外力を
分散吸収する結果、破断強度、耐衝撃強度および剛性が
極めて増強される。
また、内周面、外周面もしくは中間部位に金属フィルム
層を設けた場合には、この金属弾性が外力を分散吸収
し、前記強度の補強的硬化を発揮する。したがって、軽
量で強度性の高い軸状部材を提供し、各種産業上の応用
を開くものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る第1実施例の断面図、第2図
(A)〜(G)はその製造工程図、第3図(A)・
(B)は第4実施例の説明図、第4図はタービンブレイ
ドに適用された第5実施例の断面図、第5図は第6実施
例の断面図、第6図(A)・(B)は第7実施例の説明
図である。 2……軸状部材 2a……発泡前軸状部材 4……金属フィルム層 4a……金属フィルム 4b……接着フィルム 4c……プリプレグ 6……外側補強層 8……軸状体 9……マンドレル 10……発泡柱 10a……発泡体 10b……プリプレグ 10c……金具 12……プリプレグ 12a……プリプレグ 14……発泡柱シート 16……外形型 18……発泡芯材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B29K 105:06 B29L 9:00 4F 23:00 4F 31:30 4F

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】加熱発泡性樹脂からなる長尺の発泡体10a
    を樹脂をカーボン繊維布に含浸させたプリプレグ10bで
    巻回して発泡柱10を成形し、この発泡柱10を2本以上接
    合して軸状体8を成形し、この軸状体8を加熱して発泡
    硬化させた加熱発泡性樹脂とカーボン繊維を組み合わせ
    た軸状部材。
  2. 【請求項2】前記軸状体8の内部空間に加熱発泡性樹脂
    を発泡硬化させた発泡芯材18を内装した請求項1記載の
    軸状部材。
  3. 【請求項3】前記軸状体8の外周面に前記プリプレグを
    巻回して外側補強層6を形成した請求項2記載の軸状部
    材。
  4. 【請求項4】前記軸状体8の外周面または中間部位に金
    属フィルム4aを巻回して金属フィルム層4を形成した請
    求項3記載の軸状部材。
  5. 【請求項5】前記発泡柱10を周方向に接合して環状の軸
    状体8を成形し、この軸状体8の内周面および外周面に
    前記プリプレグを巻回して内側補強層および外側補強層
    6を形成した請求項1記載の軸状部材。
  6. 【請求項6】前記環状の軸状体8の内周面、外周面また
    は中間部位に金属フィルム4aを巻回して金属フィルム層
    4を形成した請求項5記載の軸状部材。
  7. 【請求項7】前記金属フィルム4aがチタンフィルム、ス
    テンレスフィルム、軽合金フィルムまたは高張力鋼フィ
    ルムである請求項4または6記載の軸状部材。
  8. 【請求項8】金属フィルム4aをマンドレル9に巻回して
    金属フィルム層4を形成する第1工程と、加熱発泡性樹
    脂からなる発泡体10aをプリプレグ10bで巻回して成形し
    た発泡柱10をシート状のプリプレグ12に複数本並設して
    発泡柱シート14を形成する第2工程と、この発泡柱シー
    ト14を前記金属フィルム層4の外側に巻回する第3工程
    と、この積層の完了したマンドレル9を外形型16に装填
    して加熱により発泡硬化させる第4工程とからなる軸状
    部材の製造方法。
  9. 【請求項9】プリプレグをマンドレルに巻回する第1工
    程と、加熱発泡性樹脂からなる発泡体10aをプリプレグ1
    0bで巻回した発泡柱10をシート状のプリプレグ12に複数
    本並設して発泡柱シート14を形成する第2工程と、この
    発泡柱シート14を前記マンドレル9のプリプレグ上に巻
    回する第3工程と、さらにこの外周に金属フイルム層4
    を形成する第4工程と、この積層の完了したマンドレル
    9を外形型16に装填して加熱により発泡硬化させる第5
    工程とからなる軸状部材の製造方法。
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