JPS6232032A - 複合材板体の製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、フィラメント・ワインディング・マシンを用
いて巻付は角を異にする帯状プリプレグをマンドレルに
巻付け、巻付は後これを切開き平板状として硬化させる
複合材板体の製造方法に係り、特に層間剥離の進展を抑
えることができる複合材板体の製造方法に関する。

〔発明の技術的背ｍとその問題点〕

一般に複合材板体は、第８図に示すように層状プリプレ
グと称される薄い層状の複合材１をＺ軸方向、すなわち
層厚方向に複数枚積層し、その後これを硬化させること
により製作されている。

例えば三層構造の場合には、第９図に示すように９０度
層状プリプレグ１ａと一４５層状状プリプレグ１ｂと＋
４５度層層状リプレグ１Ｃとを用い、これらのプリプレ
グ１ａ、１ｂ、ＩＣを積層し硬化させることにより第１
０図に示す複合材板体２を得ている。

ところで、この種の複合材板体２は、第１１図に示すよ
うに各プリプレグ１ａ、１ｂ、１Ｇの層の境界が明確で
マトリクスだけの領域が存在し、Ｚ軸方向を通るＳａＷ
は皆無である。

このため、第１２図に両矢印Ｐで示す方向に繰返し荷重
が加って層間剥離３が発生すると、このｍａｇｔ剥離３
が矢印Ｑ方向に進展し易く、強度低下を引き起こすとい
う欠点がある。

この層間剥離３を防止する方法としては、第１３図に示
すようにＸ軸方向の繊１４ａとＹ軸方向のｍ１４ｂと２
軸方向のｍ雑４Ｃとから複合材板体を構成することが考
えられる。このようにして構成された複合材板体２は、
第１４図に示すように繰返し荷重Ｐが加わって層簡刹１
１３が発生したとしても、第１５図に示すまうに２軸方
向を通る１ｍ１４Ｇが存在するため、このｌｌｌ１４ｃ
により■閤剥離３のそれ以上の３１１１が有効に防止さ
れ、極端な強度低下を引き起こすおそれがなくなる。

このような繊維配向を有する複合材板体は、例えば日経
マグロウヒル社発行日経メカニカル１９８３年１１月２
１日号１０３〜１２５頁に示されているようなフィラメ
ント・ワインディング・マシンを用いて帯状プリプレグ
を巻付けることにより製作することが可能である。

第１６！ｌ　（ａ）〜（ｄ）は、この種のフィラメント
・ワインディング・マシンを用いた従来の複合材板体の
製造方法を示すもので、以下これについて説明する。

まず、第１６図（ａ）に示すように軸まわりに回転駆動
される円柱状のマンドレル５の外周面に、ボビン６から
引出された帯状プリプレグ７を矢印への方向に移動させ
ながら＋４５度の巻付は角でマンドレル５の軸方向始端
から終端まで１回巻付けるとともに、帯状プリプレグ７
を矢印Ｂの方向芦 に移動させながら一４５度の巻付は角でマンドレル５の
軸方向始端から終端まで（ただし＋４５度の場合とは方
向が逆）１回巻付ける。

次いで、帯状プリプレグ７のマンドレル５への巻付は装
置を少しずらせて＋４５度の巻付は角で１回巻付けると
ともに、−４５１の巻付は角で１回巻付ける。この操作
を繰返して第１６図（ｂ）に示すように１４５度の１８
を完成させる。

次いで、第１６図（Ｃ）に示すようにボビン６から引出
された帯状プリプレグ７を矢印Ａの方向に移動させなが
らほぼ９０度の巻付は角でマンドレル５の軸方向９ｈｆ
Ｊａから終端まで１回巻付ける。

この操作を繰返して第１６図（ｄ）に示すように９０度
の層９を完成させる。これにより、第１７図および第１
８図に示すように１４５度のｍ８と９０度の１１１９と
を有する円筒状のプリプレグが製作される。そこで、こ
の円筒体をマンドレル５から取外し、軸方向のカット線
から切開いて平板にし、その後これを硬化させて複合材
板体を完成させる。

ところで、この方法で製造された複合材板体は。

第９図ないし第１１図に示す層状プリプレグ１ａ。

Ｉｂ、ＩＣを用いる場合と異なり、＋４５度の層と一４
５度の層との間には明確な境界がなく、したがってＦＪ
間剥離の問題は生じない。

ところが、１４５度の１１８と９０度のＩｉ９との境界
は明確でマトリクスだけの領域が存在し、両層８，９ｆ
ｌにＺ軸方向、すなわち層厚方向に通る繊維は全くない
。このため、１４５度の層８と９０度の１１９との間に
は、層状プリプレグを用いる場合と同様層間剥離の問題
がある。

〔発明の目的〕

本発明はかかる現況に鑑みなされたもので、万一層間剥
離が生じても、その進展を有効に防止して極端な強度低
下を防止できる複合材外板の製造方法を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、マンドレルへの巻付は角を相互に異にする少
くとも３種類の帯状プリプレグを用い、各帯状プリプレ
グを、全種類の帯状プリプレグが、　一点で交差する交
点が多数箇所で生じるようにマンドレルの軸方向始端か
ら終端まで１回ずつ順次巻付けて第１回巻付は作業を完
了させ、次いで前回の交点と異なる位置に交点がくるよ
うにして２回目以降の巻付は作業を行ない、巻付は作業
完了後これを切開いて平板とし硬化させるようにし、も
って、各種類の帯状プリプレグに二次元的な配向と三次
元的な配向との両方の機能を持たせるようにしたことを
特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第６図を参照して
説明する。

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る複合材板体の製造
方法の一例を示すもので、まず、第１図（ａ）に示すよ
うにボビン６から引出された帯状プリプレグ７を、マン
ドレル５の外周面に±４５度の巻付は角で１往復だけ巻
付ける。すると、±４５度の各帯状プリプレグ７は、半
ピツチ毎に相互に交差することになる。

次いで、帯状プリプレグ７を９０度に近い巻付は角、例
えば８０度の角度でマンドレル５の軸方向始端から終端
まで１回巻付ける。この角度は比較的粗い巻き方になり
しかも可及的９０度に近くなり、かつ何巻き目かに±４
５度の交差点に必ず　−゛。

交差するような角度に設定する。これにより、第１図（
ｂ）に示すように３本の帯状プリプレグ７が一箇所で交
差する交点Ｋがマンドレル５の外周面に多数箇所できる
ことになる。

このように、±４５度および９０度になるべく近い角度
（以下これを単に９０度と称する）の３種類の巻付は角
で帯状プリプレグ７を１回ずつ巻付けて第１回巻付は作
業を完了させた時点では、±４５度あるいは９０度の帯
状プリプレグ７が直接マンドレル５の外周面に巻付けら
れている部分と、２本の帯状プリプレグ７が交差してい
る部分と、３本の帯状プリプレグ７が交差している部分
とが存在していることになる。すなわち、帯状プリプレ
グ７がマンドレル５の径方向に対し、１１！になってい
る部分と、３層になっている部分とが存在していること
になる。

ここで、第２図（ａ）、（ｂ）に示すように２１本の帯
状プリプレグ７が交差して２Ｉｉｉになっている部分を
考えると、マンドレル５の外面側に位置する帯状プリプ
レグ７は交差した後マンドレル５の外周面に直接巻付け
られて第１１Ｉ目と第２１ｉ目をマンドレル５の径方向
に走ることになる。すなわち三次元的な配向となる。

同様に、第３図（ａ）、（ｂ）に示すように３本の帯状
プリプレグ７が交差して３１１になっている部分を考え
ると、中間の帯状プリプレグ７は、２本交差の場合と同
様第１１１目と第２ｇ１目との間をマンドレル５の径方
向に走り、また最外部の帯状プリプレグ７は、第１１１
目から第３Ｉｌｌ目にかけてマンドレル５の径方向に走
ることになる。

前記第１回巻付は作業完了後、第１図（Ｃ）に示すよう
に巻付は位置をずらせて±４５度の巻付は角で帯状プリ
プレグ７をマンドレル５に１往復巻付け、その後第１図
（ｄ）に示すように巻付は位置をずらせて９０度の巻付
は角で帯状プリプレグ７を軸方向に１回巻付け、第２回
目の巻付°け作業を完了させる。

ここで、各巻付は角の帯状プリプレグ７のマンドレル５
への巻付は位置を第１回目の巻付は作業の位置からずら
せているので、第４図（ａ）。

（ｂ）に示すように３本の帯状プリプレグ７の交点に′
が第１目目の巻付は作業における交点にとはずれた位置
に生じること°になる。これは、３ｇｌになっている部
分が２倍になったことを意味する。

このように交点の位置をずらせながら第３０目以降の巻
付は作業を順次行ない、マンドレル５の外周面が少なく
とも１層の帯状プリプレグ７ですでに被われるようにし
て第１段巻付は作業を完了させる。

次いで、交点の位置をずらせながら第２段以降の巻付は
作業を順次行なう。

第５図（ａ）〜（ｅ）は第２段の巻付は作業まで完了し
た時点における帯状プリプレグ７の状態を示すもので、
図中斜線を施した帯状プリプレグ７は第１段巻付は作業
によりマンドレル５に巻付けられたものを、また斜線を
施していない帯状プリプレグ７は第２段巻付は作業によ
りマンドレルに巻付けられたものをそれぞれ示す。また
、第６図（ａ）〜（ｅ）は、第５図（ａ）〜（ｅ）に対
応した三次元配向の状態をそれぞれ示す。

第６ｔｇ（ａ）〜（ｅ）から明らかなように、第６図（
ａ）の場合には、第１層Ｓ　と第２層Ｓ２との境界が明
確でマトリクスだけの領域が存在するが、第６図（ｂ）
〜（ｅ）の場合には、第１層Ｓ　な□いし第４層Ｓ４の
うちのいずれか２層間あす るいは３層間にわたって帯状プリプレグ７が配されるこ
とになる。したがって、各層８１〜Ｓ４を全体的に見た
場合には、層間にマトリクスだけが存在するといった明
確な境界面は存在しないことになり、万−例えば第６図
（ａ）に示す部分で層間剥離が発生しても、第６図（ｄ
）、（ｅ）に示す部分により層間剥離がそれ以上進展す
ることがなくなる。これは、第２段の巻付は作業完了時
点までのことに限定されず、何段巻付は作業を行なって
も同様である。

このようにして所定段の巻付は作業が完了したならば、
従来と同様、円筒状のプリプレグをマンドレル５から抜
き取って切開き、平板状とした後硬化させて複合材板体
とする。

以上のようにして、帯状プリプレグ７が三次元配向とな
るので、居間に境界がなくなり、万一層間剥離が発生し
ても、この層間剥離を部分的に留め、層間剥離の進展を
有効に防止することができる。

第７図は本発明の他の実施例を示すもので、３個のボビ
ン６ａ、６ｂ、６ｃを用いて±４５度および９０度の各
巻付は各を有する帯状プリプレグ７を３本同時にマンド
レル５に巻付けるようにしたものである。

このようにしても、送り速度および巻付は方法を工夫す
ることにより前記同様の三次元配向が実現でき、しかも
製造時間を大幅に短縮できる。

なお、前記両実施例においては、９０度の巻付は角を有
する帯状プリプレグ７が１本に対して±４５度の巻付は
角を有する帯状プリプレグ７も各１本となっているが、
９０度の巻付は角を有する帯状プリプレグ７のマンドレ
ル５への巻回数は、±４５度の巻付は角を有する帯状プ
リプレグ７のマンドレル５への巻回数よりも当然多くな
る。これを例えば１０倍とした場合には、複合材板体の
９０度方向のｍｉｔが＋４５１１７）ｉｉＩｉｉａ（７
３１０Ｆとなり、±４５度方向の耐力が相対的に低くな
ってしまう。

そこで、これが問題となる場合には、±４５度の巻付は
角で帯状プリプレグ７を巻付ける際に、マンドレル５の
周方向の異なる位置から例えば１０本の帯状プリプレグ
７を同時に巻付けるようにする。これによりこのような
問題を解決でき、しかも三次元配向を実現できる。

また、前記両実施例においては、±４５度の巻付は角を
有する帯状プリプレグ７と９０度の巻付は角を有する帯
状プリプレグ７の３種類の帯状プリプレグ７を用いてい
るが、この巻付は角のものに限定されることはない。

（発明の効果〕 以上説明したように、本発明は、マンドレルへの巻付は
角を相互に異にする３種類の帯状プリプレグを用い、各
帯状プリプレグを、全種類の帯状プリプレグが一点で交
差する交点が多数箇所で生じるようにマンドレルの軸方
向始端から終端まで１回ずつ順次巻付けて第１回巻付は
作業を完了させ、次いで、前回の交点と異なる位置に交
点がくるようにして２回目以降の巻付は作業を順次行な
い、巻付は作業完了後これを切開いて平板とし硬化させ
るようにしているので、各種類の帯状プリプレグの交差
により三次元的な配向が実現できる。

このため、万一層間剥離が生じても、その進展を有効に
防止して強度低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る複合材板体の製造
方法の一例を工程順に示す説明図、第２図（ａ）、（ｂ
）は２本のプリプレグの交差の状態を示す説明図、第３
図（ａ）、（ｂ）は３本のプリプレグの交差の状態を示
す説明図、第４図（ａ）、（ｂ）は第１回巻付は作業に
よる交点と第２回巻付は作業による交点との関係を示す
説明図、第５図（ａ）〜（ｅ）は第２段巻付は作業完了
時点における各プリプレグの交差状態をそれぞれ示す説
明図、第６図（ａ）〜（ｅ）はその時の三次元配向の状
態をそれぞれ示す説明図、第７図は本発明の他の実施例
を示す斜視図、第８図は一般的な複合材板体の構造を示
す斜視図、第９図および第１０図は層状プリプレグを用
いた三層構造の従来の複合材板体の製造方法をそれぞれ
示す説明図、第１１図は第１０図のＸＩ−ＸＩ線線入大
断面図第１２図は従来の複合材板体における層間剥離お
よびその進展を示す説明図、第１３図は三次元配向の複
合材板体を示す説明図、第１４図はこの複合材板体にお
ける層間剥離とその進展状態とを示す説明図、第１５図
は第１４図のＸｖ部拡大図、第１６図（ａ）〜（ｄ）は
フィラメント・ワインディング・マシンを用いた従来の
複合材板体の製造方法の一例を工程順に示す説明図、第
１７図および第１８図はこの方法によりマンドレル上に
巻付けられた筒体の層の状態を示す説明図である。 ５・・・マンドレル、６．６ａ、６ｂ、６ｃ・・・ボビ
ン、７・・・帯状プリプレグ、Ｋ、に’・・・交点、Ｓ
ｌ・・・第１層、Ｓ２・・・第２層、Ｓ３・・・第３ｍ
。 Ｓ４・・・第４層。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）弔２図　
　　　　　　　第３図 （ｃ）　　　　　　　　（ｄ）　　　　　　　　（ｅ）
第５目 （ｃ）　　　　　　　　　　（ｄ）　　　　　　　　　
（ｅ）第６図 第８＠　　　　　　　第９図 第１０図　　　　　　ｆｔ！ｙｌ１図 第１２図 惑１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、フィラメント・ワインディング・マシンのマンドレ
   ル外周面に巻付け角を相互に異にして巻付けられる少く
   とも３種類の帯状プリプレグを備え、前記各帯状プリプ
   レグを、全種類の帯状プリプレグが一点で交差する交点
   が多数箇所で生じるようにマンドレルの軸方向始端から
   終端まで１回ずつ順次巻付けて第１回巻付け作業を完了
   させ、次いで前回の交点と異なる位置に交点がくるよう
   にして２回目以降の巻付け作業を順次行ない、巻付け作
   業完了後これを切開いて平板とし硬化させることを特徴
   とする複合材板体の製造方法。 ２、巻付け角を相互に異にする複数種類の帯状プリプレ
   グとして、巻付け角が＋４５度の帯状プリプレグと、巻
   付け角が−４５度の帯状プリプレグと、巻付け角が９０
   度に近い角度をなす帯状プリプレグの３種類の帯状プリ
   プレグを用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の複合材板体の製造方法。