JPH0780257B2 - 複合材料梁桁材の製造方法 - Google Patents

複合材料梁桁材の製造方法

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JPH0780257B2
JPH0780257B2 JP62095366A JP9536687A JPH0780257B2 JP H0780257 B2 JPH0780257 B2 JP H0780257B2 JP 62095366 A JP62095366 A JP 62095366A JP 9536687 A JP9536687 A JP 9536687A JP H0780257 B2 JPH0780257 B2 JP H0780257B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、繊維強化プラスチックス(以下、FRPとい
う)の梁桁材及びその製造方法、特にテープワインデン
グ法(以下、TW法と略称)によって繊維ストランドに樹
脂を含浸させ、マンドレルに巻き上げる方法に関するも
のである。
[従来技術及びその問題点] 軽量且つ高強度の桁材として、繊維と樹脂からなる複合
材料の梁桁材は既に考案され、その製造方法は公知であ
る。
たとえば特公昭48−12483号,特公昭61−12781号には実
質的には伝統的なプリプレグ法による複合材料の梁桁材
が、特開昭57−176232号,特開昭61−179731号及び第4
回次世代産業基盤技術シンポジウム−金属・複合材料技
術−予稿集には所謂レジントランスファーモールデング
法(以下、RTM法と略称)による複合材料の梁桁材が記
されている。
これらの方法によるFRP製の桁材は、他の方法、たとえ
ばミルドファイバー等の短繊維を含む樹脂の射出成形等
の方法に比べて繊維含有率(以下、V1と略称)が高く、
繊維物性を良く活性はしているが、生産性等に問題があ
り、殊に連続生産,自動化生産,大量生産等には必ずし
も適しているとは言えない。
これらの方法と同様にV1が高く、繊維の物性を最大限に
活用出来る方法としてフィラメントワイデング法がある
がパイプ・ボンベ等の種々の用途には用いられているが
梁桁材等構造材料としては管状物のみにほぼ限られてい
た。本発明者は上記問題点について種々検討をした結
果、多様な断面の桁材の製造に有効で且つ、生産性にも
優れコスト的にも比較的有利な方法を完成し既に出願し
ている。
複合材料桁材は元来プリプレグ法で考えられた。つま
り、引き揃えた薄層の繊維列に熱硬化性の樹脂の原料を
浸透させ、これを判硬化させて(Bステージと呼称され
る)繊維を含んだ半硬化樹脂である中間成形体とし、所
要の大きさ、形状に切り取り、張り合わせて構造材料の
形状にし、完全に硬化させて複合材料梁桁材とする。特
公昭48−12482号,特公昭61−12781号も実質的にはこの
方法である。この方法は手間が掛かり容易な製造方法で
はないので改善が考えられ、例えばいわゆるRTM法が考
えられている。この方法では予め繊維を所要の複合材料
梁桁材の形に為しておき、この繊維形成物に樹脂を浸透
させて樹脂成形物とする。一般に繊維形成物を金型に収
めて置き、熱硬化性樹脂を未硬化又は原料で圧入,浸透
させる。特開昭57−176232号,特開昭61−179731号も実
質的にはこの方法である。この方法でも補強繊維形成物
の組立てとこの構造体への樹脂の注入・浸透が課題にな
っている。図1には第4回次世代産業基盤技術シンポジ
ウムにおける発表から樹脂含浸・反応・冷却・取りだし
のバランスを示す図を引用した。即ち、現状技術におい
てRTM法による桁材の製造は工業的に満足される水準に
は至っていない。
本発明者はかかる現状に鑑み、所謂フィラメントワイン
デング法による複合材料梁桁材の製造方法を発明し、出
願している。しかしながらフィラメントワインデング法
の欠点としてエンドレスの長尺の製品を作ることは出来
ない。
[問題を解決するための手段] 上記の問題を解決するために、本発明者は、TW法の利用
を考えた。
TW法では一般に軸を回しながらその回りに繊維ストラン
ド、又はテープを巻き上げるので、一工程で巻き上げる
か又はエンドレスに長尺製品を巻き上げようとすると繊
維の巻き上げ方向と角度は同一になってしまう。軸の回
りを繊維原料を回せばこのような自体は避けられるが工
程,装置としては複雑になってしまう。巻き上げ方向と
角度が一定の複合材料成形物は異方性が大きく、梁桁材
料としては一般には極めて使い難い。
本発明者はTW法により得られる異方性の筒状の成形物
を、そのまま変形しながら異方性の問題にならない梁桁
材を作ることが出来ることに気付いて、I・Tビーム等
を複合材料で合理的に作る方法として、本発明を考案す
るに至った。
従って、本方法では大別して中間成形体の製造と中間成
形体からの梁桁材の製造が課題となる。繊維と樹脂の複
合材料の中間成形体をTW法で作るに際して、最終製品を
念頭において中間成形体として如何なる性質を持たせる
かを考え、どのような繊維・樹脂を選び、どのように巻
き上げるかは最も重要な課題である。しかしながらこの
TW法製品を中間成形物として取扱い、如何にして梁桁材
として異方性が問題にならない物を作るかも重要な課題
である。
検討してみるとTW法で巻き上げた中間成形体は一定の方
向性を持ち、従って押しつぶして二面を貼合せれば実質
的に方向性が問題無くなることが判った。従ってTW法に
よる管状の中間成形体をBステージで変形してI,H,T,L
等に変形して梁桁材ビームとすればよいことになる。
中間成形体として取扱う場合、マンドレルから外さずに
取扱うこともしばしばなされるが本発明者は最終製品の
成形の際の便宜も考慮して外すことを考えた。マンドレ
ルを変形させることも出来るが繰り返し使用を考えると
離脱することが好ましい。マンドレルからの離脱に際し
てはある種のポリエステル,テフロン(登録商標名)等
をマンドレルに巻き付け、又はコーテングすることが好
ましい。しかしながらこれだけでは問題は解決せず取り
外しに際して力を加えると変形してしまう。この変形量
を所定の範囲に収めるには取り外し時の樹脂の粘度が重
要な因子であり、且つ、繊維方向が重要な問題であるこ
とが判った。取り外し時の樹脂の粘度は少なくとも103
ポイズ以上であることが好ましく、全ての層の繊維が同
一の巻き上げ角度で成り立っていることは好ましくな
く、取り外し時の変形の主体は中間成形体の軸方向への
“詰り”によることが判った。従って取り外しに際して
軸方向に詰らないように別途繊維を配置すれば良いこと
になる。即ち、一方向に引き揃えた繊維を好ましくはマ
ンドレル軸に平行に、少なくとも平行に近い角度に巻き
付けた層を含ませる。好ましくは一方向に引き揃えたシ
ート状物であるが類似効果のあるシート等、たとえば織
物の一つの繊維方向を採用しても良い。特にこの層はマ
ンドレルに一番近い最内層にも用いることが好ましい。
この内層を含ませることは成形後の梁桁材の物性を好ま
しいものにする効果も合わせ持っている。
中間成形体の製品への成形に際し変形させて硬化する
が、I・Tビーム等を成形するに際して管状中間成形体
を押しつぶす際、如何に実施するかが重要な課題にな
る。樹脂の粘度,樹脂と繊維の比率等にもよるが本発明
者の検討結果によれば曲部の半径が補強繊維がガラス繊
維、炭素繊維では1mm以上、アラミド繊維の場合には0.5
mm以上でないと最終製品の強度が著しく低下してしま
う。また、樹脂量は繊維の0.4倍以上、樹脂粘度は107
イズ以下でなければ同様に強度が低下してしまう。中間
成形体のマンドレルからの離脱も考慮すると取り外しの
ための力を加えた際に僅かな歪みは必要であるのでフィ
ラメントワインデングによる繊維の巻き上げ角度は45〜
88゜とすることが好ましい。
この変形に際して中間成形体の内部に新たに少量の樹脂
を加えることが出来るし、加えることが好ましい場合が
ある。中間成形体の樹脂の硬化が進み過ぎ、接着力を低
下させた時等である。また、この際、補強繊維を追加す
ることも出来るが当初の繊維方向の計画の際に適当に計
画出来れば基本的には必要としない。
[作用] 上記方法においては、繊維と樹脂からなる良好な複合材
料梁桁材が安価に出来る。また、この方法の採用により
自動化と連続化が採用できる。
即ち、従来のプリプレグ法のように素材の貼合せも必要
ではなく、中間成形体の変形効果で製品が作り得るし、
RTM法のように繊維補強構造を作ることも、この構造に
樹脂を押し込むことも必要ではない。つまり樹脂と補強
繊維を一体とした中間成形体を比較的容易に得、この中
間成形体を同様に容易に変形・硬化して製品に出来る。
図2にはこの中間成形体の変形の例をHビーム化を例と
して示してある。つまりTW法で巻き上げた中間成形体
(この場合は円筒状)は中央部を押しつぶして圧着し、
次に上下に残った環状部を押しつぶしてH型として樹脂
を硬化させる。ヒンジになる部分を小さくとればI型に
なる。最初に中間成形体の中央部を押しつぶす際に一方
に片寄せ、環状部を一つしか残さなければTビームとな
る。同様にしてLビーム他も出来る。
樹脂及び補強繊維は必要に応じて定められ、特に限定は
無い。目的に応じて炭素繊維,ガラス繊維,アラミド繊
維その他の補強繊維から選ばれる。複数の繊維を併用す
ることも出来る。樹脂は一般には熱硬化性樹脂を用い
る。しかし、熱可塑性樹脂でも良い。両者の混合でも可
能である。熱硬化性樹脂の場合、エポキシ,ポリエステ
ル,ビニルエステル,ポリイミド,その他が目的に応じ
て選ばれる。熱可塑性樹脂の場合には溶媒に溶かして用
いることも、この溶媒をラクタム等の反応性溶媒とする
ことも出来るし、エポキシ樹脂等のモノマー,オリゴマ
ーとすることも出来る。
[実施例] 以下、この発明の実施例を第2図,第3図及び第4図に
基づいて説明する。
第2図に基づく説明は既に行った。つまり、まず補強繊
維に樹脂を含浸して一方向に引き揃えてマンドレルに巻
き上げる。この際、マンドレルと共に回転するクリール
スタンドから繊維を連続的に送りだしてマンドレルに添
わせても良い。この繊維の追加は必須ではない。この軸
方向の繊維を加える場合には繊維は樹脂を含浸させるこ
とが好ましい。マンドレルはテフロン(登録商標名)等
のコーテングを実施して置くか、最初に回転するマンド
レルにポリエステル等のテープを巻き付ける。次いで、
一般のTW法の手法に従って樹脂と繊維が選ばれ、樹脂を
含浸した繊維ストランドの巻き上げ角度は45〜88゜から
選ばれる。TW法で巻き上げる層は軸方向の補強繊維があ
ればその上に巻き付ける。必要があればTW法の層は重ね
る。TW法の巻き上げ層間に、必要ならば軸方向の繊維を
補強する。つまり、巻き付ける層を重ねる。最も管端に
はTW法で巻き付けるのみである。何れにしても繊維に樹
脂を含浸させたものを、テフロン(登録商標名)コーテ
ング等を施したマンドレルに巻き上げ、所定の巻き上げ
が完了したらそのまま半硬化する。所定の粘度、つまり
103〜107ポイズになったときマンドレルから外し、以下
は図3の通り、既に説明したように中央部を圧着し、残
った管状部を圧着し、硬化させる。
図4は本発明方法を工業的に実施する方法の例である。
上記の如くTW法で作られた中間成形体(1)は圧着ロー
ラー(2)で圧着され、圧着ヒーター(3)で接着し、
ガイド(4)を通りながら圧着ローラー(5)で圧着さ
れ、圧着ヒーター(6)で接着する。必要があれば形状
維持のための補助器具で形状を保ちながら硬化炉で最終
的に硬化される。写真1は補強繊維をテクノーラ繊維と
し、樹脂をエポキシ樹脂とし、本発明方法で作ったHビ
ームの例である。
[効果] この発明は以上のようなものであるから、FRPである複
合材料梁桁材が安価に容易に作られる。特公昭61−1278
1号に示された方法のようにプリプレグを接着する煩わ
しさも無く、特開昭61−17973号に示された方法のよう
に繊維のみの組立てによる梁桁材を作りこれに樹脂を浸
透させると言う問題も無い。極めて合理的に複合材料梁
桁材が製造し得る方法である。連続化も極めて容易であ
る。
また、本発明方法によればH,L,Iビーム以外の梁桁材も
製造可能である。
例えばTW法で巻き上げた管状中間成形体の中央部を圧着
する際に予めプルトルージョン法等で作って置いた丸棒
を、環状部にあたる位置に挿入して置けば、2本の丸棒
を接続した構造材料が作れるし、管状中間成形体を中央
部で圧着したのみで硬化させれば、2本のパイプを接続
した構造材料が得られる。
即ち、本発明方法は工業的には生産性に優れ、且つ、多
様な構造材料の作り得る価値の高い方法である。
【図面の簡単な説明】
図1はRTMにおける作業時間のバランスを示すグラフで
あり、図2はTW法による中間成形体の製造法の一例であ
り、図3は中間成形体の変形手順の例であり、図4は本
発明を工業的に実施する場合の変形法の例である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 E04C 3/28 7806−2E B29L 31:10

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】繊維ストランド,シート及び/又はテープ
    に樹脂又はその前駆体を含浸し、それを連続して常に同
    じ方向にマンドレルに巻き上げて樹脂含浸した中間成形
    体を作り、該中間成形体中の樹脂を半ば硬化させた状態
    でマンドレルから取りはずし、これを目的の構造材料の
    形状に変形し、その目的形状を維持しながら樹脂を更に
    硬化させることを特徴とする複合材料梁桁材の製造方
    法。
  2. 【請求項2】上記中間成形体の形成が、繊維ストランド
    に樹脂又はその前駆体を含浸し、これを連続して常に同
    じ方向にマンドレルに巻き上げる工程と繊維を引き揃え
    若しくは織物となし樹脂と一体化してシート状にしてマ
    ンドレルに巻きつける工程とに組合せによりなされる特
    許請求の範囲第1項記載の複合材料梁桁材の製造方法。
  3. 【請求項3】上記樹脂を含浸した繊維シートの繊維方向
    の一つがマンドレルの巻き上げ軸に対する巻き上げ角度
    でほぼ0゜とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載
    の複合材料梁桁材の製造方法。
  4. 【請求項4】上記繊維ストランドの巻き角度を45〜88゜
    とする特許請求の範囲第1項〜第3項記載のいずれかの
    複合材料梁桁材の製造方法。
  5. 【請求項5】上記変形が、軸に直角に切断した断面にお
    ける曲がり部の形状が全て半径1mm以上である特許請求
    の範囲第1項記載の複合材料梁桁材の製造方法。
  6. 【請求項6】上記変形と更なる硬化とが変形の段階に合
    わせて逐次融着及び/又は硬化させることにより実施さ
    れる特許請求の範囲第1項記載の複合材料梁桁材の製造
    方法。
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