WO2013146837A1 - 管状体の製造方法 - Google Patents

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花輪達也
三島邦裕
飯田靖
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東レ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a production method for producing a tubular body by a filament winding method (hereinafter simply referred to as “FW method”) using reinforcing fibers such as carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber.
  • FW method filament winding method
  • the FW method is a method in which continuous reinforcing fibers (hereinafter simply referred to as “continuous fibers”) are impregnated with a resin, and the continuous fibers are wound around a rotating cylindrical mandrel at an appropriate winding angle and formed into a predetermined shape.
  • this method is advantageous in that the strength and elastic modulus of the fiber can be drawn out to the maximum, and the lamination direction is precise and highly reliable.
  • it is required to select suitably the winding angle (fiber orientation) of the fiber with respect to a mandrel. For this reason, it is advantageous if the winding angle can be arbitrarily selected within a range from 0 ° parallel to the mandrel axis to 90 ° perpendicular to the axis.
  • the winding angle of continuous fibers cannot be made too low due to the problem of fiber yarn slipping, and the limit is about 30 °.
  • a continuous fiber impregnated with resin is wound around a mandrel and slipped to both ends of a mandrel body 20 of the FW method for forming a tubular body.
  • a molding method in which a fixing jig 21 is mounted, a continuous fiber is turned so as to pass through the anti-slip jig 21, and wound at an appropriate angle is well known.
  • this anti-slip jig 21 is a ring with a pin made of dry wood that is fitted into the mandrel shaft portion 22 and contacts the end of the trunk portion, and the cutting of the molded body is performed at the position of the dry wood ring with pin.
  • Patent Document 1 A technique related to a method for forming a tubular body by filament winding, in which the tubular body is formed by performing the above.
  • the anti-slip jig 21 has a pin configuration, so that the continuous fiber is always wound around the anti-slip jig, so that the continuous fiber can be stably wound without any slippage regardless of the winding angle.
  • the continuous fiber since the continuous fiber is turned in a state where the continuous fiber is hung on the pin, an extra tensile tension acts in the width direction of the continuous fiber, and as a result, the fiber width of the continuous fiber shrinks. End up. Therefore, in order to obtain a tubular body that satisfies the desired quality by heat-curing after the end of winding, it has to be cut at a position considerably inside the pin, resulting in a disadvantage that the yield is deteriorated.
  • a molding method based on the FW method that does not use a non-slip jig is well known as means for enabling low-angle winding with good yield and good lamination.
  • the continuous fiber 23 is directly wound around the mandrel barrel 20 with the shaft 22 integrally provided on the mandrel barrel 20 having a small diameter as much as possible.
  • molding method of the tubular body using this is proposed (patent document 2).
  • the object of the present invention is to prevent the shrinkage of the yarn width that occurs when the continuous fiber is folded back and improve the yield even when a tubular body is manufactured by the FW method using a non-slip jig.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a tubular body by the FW method, which enables winding at a low angle with a good lamination state.
  • the present invention employs the following means (1) to (7).
  • a feed roller that feeds the continuous fiber to the mandrel body part from the center to one end of the mandrel body part, and hooks the continuous fiber on a folded part provided at the one end of the mandrel body part, After winding the continuous fiber around the one end of the mandrel body in a state where the central direction of the feed roller and the supply direction of the continuous fiber are orthogonal to each other, the central axis of the feed roller is rotated to reverse the feed roller.
  • a method for producing a tubular body wherein the tubular body is folded back in a direction.
  • the folded portion includes a plurality of needle-shaped portions, and the needle of the needle-shaped portion protrudes by a length of 1 to 10% of the diameter of the mandrel barrel, and the protruding direction of the needle and the direction of the needle.
  • the yarn width of the continuous fiber after being wound around the mandrel body portion contracts by a length of 10% or less of the yarn width (reference width) of the continuous fiber before being wound around the mandrel body portion.
  • the yield which is defined as the ratio of the amount of fibers in the processed part (product part) and the amount of added fibers, is maintained at 90% or more by reducing the amount of fibers wound around the one end of the mandrel body (1) (6) A method for producing a tubular body.
  • the “continuous fiber” means a seamless reinforcing fiber drawn from the bobbin, but if it is applied to a part unrelated to the product, a reinforcing fiber bond may be present.
  • the reinforcing fiber used is preferably a high-strength, high-elasticity fiber in order to satisfy characteristics such as torsional strength and resonance frequency necessary for the torque transmission shaft using the obtained tubular body, such as carbon fiber or glass. Fibers, aramid fibers, boron fibers, ceramic fibers and the like are preferably used, and the reinforcing fibers used are not limited to one type, and may be used in combination.
  • thermosetting resin such as an epoxy resin, an unsaturated epoxy resin, a phenol resin, or a vinyl ester resin is preferably used.
  • an epoxy resin is particularly preferably used in consideration of the point that excellent mechanical properties can be obtained later.
  • “reciprocating in parallel” means parallelism between the moving direction of the feed roller and the rotation axis direction of the mandrel body in order to wind the continuous fiber around the mandrel body with the same winding angle and the same winding tension.
  • the feed roller moving direction and the rotation axis of the mandrel body portion are continuously arranged in parallel. There is no need to reciprocate the fiber.
  • the “perpendicular state” means a state where the angle between the central axis direction of the feed roller and the continuous fiber supply direction is substantially orthogonal, and falls within an error range of ⁇ 5 ° with respect to the orthogonal (90 °). It is preferable.
  • the orthogonal state may be maintained when the continuous fiber is wound around one end of the mandrel body, and when the continuous fiber is passed around the folded portion or the center axis of the feed roller is rotated. , It may be out of the above range.
  • a non-slip jig for preventing the continuous fibers from slipping at both ends of the mandrel body is used.
  • (A) is a schematic front view which shows an example of the mandrel used for this invention
  • (b) is a schematic perspective view explaining attachment of a folding
  • (A)-(d) is a schematic front view which demonstrates in order each step of the folding operation
  • (A) And (b) is a schematic front view which shows the example of the mandrel of a prior art, respectively.
  • a preferred embodiment of the method for producing a tubular body of the present invention is a case where a tubular body is produced by the FW method using a non-slip jig for preventing slippage of continuous fibers at both ends of a mandrel body, This will be described with reference to the drawings.
  • FIGS. 1A and 1B are a schematic front view illustrating an example of a mandrel used in the method for manufacturing a tubular body according to the present invention and a schematic perspective view illustrating attachment of a folding member, respectively.
  • the mandrel 1 is provided with a linear portion 10 that hits the central barrel, and a shaft portion 11 (rotating shaft) that is integrally connected in the direction of both end shafts.
  • the shaft portion diameter d of the shaft portion 11 is configured to be smaller than the trunk portion diameter D of the straight portion 10 so that a stepped portion 12 having a sufficient width is formed at the end of the straight portion 10.
  • a folding member 13 having a hole having substantially the same diameter as the shaft portion diameter d of the shaft portion 11 passes through the shaft portion 11. It is installed.
  • the folding member 13 is for preventing the continuous fiber 15 supplied from the feed roller 14 and wound around the mandrel 1 from slipping.
  • the folding step portion 17 having a smooth inclination and the mandrel 1 on the step portion are provided.
  • a plurality of needle-shaped members 16 projecting in an oblique direction with respect to the axial direction and a folded linear portion 18 having a larger diameter than the shaft portion 11 of the mandrel 1 are provided.
  • the material of the folded member 13 is not particularly limited, but is preferably made of metal such as iron, aluminum, stainless steel, and alloys thereof for strength and handling for fixing the needle-shaped member 16. Wood, resin, etc. can be used as long as they have the same strength.
  • the folding member 13 When performing the FW method using the mandrel 1 with the folding member 13 mounted, first, the folding member 13 is abutted against the stepped portions 12 formed at both ends of the linear portion 10, and is mounted and fixed. Then, the mandrel 1 is attached to a predetermined FW device, and the continuous fiber 15 impregnated with the resin is supplied from the feed roller 14 along with the rotation of the mandrel 1, and for example, winding with a winding angle ⁇ is performed. The continuous fiber 15 is wound around the mandrel 1 as shown in FIG. 1, and the continuous fiber 15 reaching the end of the mandrel 1 passes between the needle-shaped members 16 of the folding member 13 and then turns back.
  • the continuous fiber 15 is wound around the folded straight portion 18 through the folded step portion 17 of the member 13, the continuous fiber 15 is returned to the straight portion 10 of the mandrel 1 through the other needle-shaped members, toward the folded member 13 on the other end side. It is done by turning in the same way. This operation is repeated a plurality of times to finish winding the desired number of windings / stacks, and then the continuous fibers 15 wound around both ends are cut and removed, and then the resin is heat-cured and then removed from the mandrel 1.
  • a tubular body can be obtained by wicking.
  • the needle-shaped member 16 means a member having a pointed tip, but the shape of the tip may be any shape as long as the continuous fibers 15 can be easily applied.
  • the needle-shaped member 16 is easily broken, avoiding the situation that it must be frequently replaced, and when the continuous fiber 15 is wound around the mandrel 1,
  • the diameter of the needle-shaped member 16 is preferably 2 to 5 mm, and more preferably 3 to 4 mm.
  • the material of the needle-shaped member is not particularly limited, but it is preferable to select a material having handleability and strength that does not cause the needle-shaped member 16 to bend even if the continuous fiber 15 is wound a plurality of times.
  • metal such as iron, aluminum, stainless steel and alloys thereof can be used, but wood and resin can be used as long as they have similar strength.
  • the needle-shaped member 16 has a pitch equal to or less than the yarn width of the continuous fiber 15 from the viewpoint of preventing the continuous fiber 15 from slipping in the circumferential direction of the mandrel and shifting the winding position. It is preferable that they are arranged.
  • the protrusion angle ⁇ (°) is preferably in the range of 0 ° ⁇ ⁇ 90 °, and 30 ° ⁇ ⁇ 45 °. More preferably, it is in the range.
  • the needle protrusion amount L (mm) of the needle-shaped member 16 is 1 to 10% of the trunk diameter D (mm) of the straight portion 10 of the mandrel 1 from the same viewpoint.
  • the protruding amount L protrudes by a length of 1 to 5% of the body diameter D (mm). It is more preferable.
  • FIGS. 3A to 3D are schematic front views for sequentially explaining each step of the folding operation at the end of the mandrel.
  • the feed roller 14 moves in accordance with the winding speed of the mandrel 1, thereby winding the continuous fiber 15 impregnated with the resin.
  • the mandrel 1 and the feed roller 14 are once stopped after the continuous fiber 15 is wound around the needle-shaped member 16 of the folding member 13 attached to the end of the mandrel.
  • the feed roller 14 is rotated until the central axis XX of the mandrel 1 and the central axis YY of the feed roller 14 are parallel,
  • the mandrel 1 is also rotated together to take up the slack of the continuous fibers that occur.
  • the feed roller 14 is moved in the central direction of the mandrel 1 by the change of the winding angle ⁇ .
  • the rotation of the feed roller 14 and the mandrel 1 and the movement of the feed roller 14 toward the center of the mandrel are performed simultaneously. However, these operations may not be performed simultaneously.
  • the feed roller 14 and the mandrel 1 may be rotated after being moved toward the center of the mandrel, or the mandrel 1 may be rotated after the feed roller 14 is rotated and then moved toward the center of the mandrel 1.
  • the movement of the feed roller 14 in the central direction of the mandrel and the rotation of the mandrel 1 may be performed at the same time. It is preferable to carry out before or simultaneously with rotation from the viewpoint of preventing narrowing of continuous fibers.
  • the central axis YY of the feed roller 14 and the supply direction of the continuous fiber remain orthogonal, that is, the central axis XX of the mandrel 1 and the feed roller 14
  • the continuous fiber 15 is wound around the folded straight portion 18 while the central axis YY remains parallel.
  • the winding amount (winding length) of the continuous fiber 15 is determined by the desired number of windings. That is, since the next winding position of the continuous fiber 15 at the time of folding back toward the center of the mandrel 1 is determined, it is wound around the folded straight line portion 18 by the length that the winding position has shifted in the previous folding operation.
  • the continuous fiber 15 may be wound around the folded straight line portion 18 for the rotation period of the mandrel 1, but only the length of the above-described deviation is wound. This is effective because the amount of fibers finally discarded is the smallest and the yield is improved.
  • the feed roller 14 is rotated at a winding angle in the other end direction from the state where the central axis XX of the mandrel 1 and the central axis YY of the feed roller 14 are parallel. Then, the feed roller 14 is moved in accordance with the winding speed of the mandrel 1 toward the other end side. The above operation is repeated to wind a desired number of windings / stacks.
  • each step of the folding operation described in the above embodiment may be performed continuously, or may be performed intermittently for each step.
  • the mandrel 1 is a continuous fiber in the case where D / d ⁇ 3, where D (mm) is the trunk diameter of the straight portion 10 of the mandrel 1 and d (mm) is the shaft diameter of the shaft 11. Even if the step (shoulder) 12 at the end of the straight portion 10 of the mandrel 1 is made to have a smooth curved surface in consideration of prevention of tearing 15, the continuous fiber 15 does not slide in the center direction of the mandrel 1, and this step 12 Since the winding can be performed while maintaining the winding angle ⁇ , the mandrel 1 may not be provided with the folding member 13.
  • the winding angle ⁇ is set to 0 °. The closer the fibers are, the more the continuous fiber 15 slides toward the center of the mandrel 1.
  • stable winding can be performed at any winding angle, and the yarn width can be reduced. This is particularly effective because it can prevent shrinkage and improve the yield.
  • the yarn width of the continuous fiber 15 wound around the straight portion 10 of the mandrel 1 was set as a reference width, and a portion where the yarn width contracted to 10% with respect to the reference width was set as a product portion of the obtained tubular body.
  • the ratio between the amount of continuous fibers and the amount of fibers used as the product part of the tubular body is defined as a yield
  • the yarn width of the continuous fibers can be increased even when a folded member having a needle-shaped portion is used by using the manufacturing method described above. Since it is possible to perform favorable winding without narrowing, it is possible to reduce the amount of fibers wound around the end of the mandrel, that is, the amount of fibers that are finally cut and discarded, The yield can be increased to 90% or more.
  • the tubular body manufacturing method according to the present invention can be applied to any tubular body manufacturing method used as a torque transmission shaft for vehicles, ships, helicopters, etc., and the application range is not limited thereto. .
  • Mandrel 10 Linear part 11: Shaft part 12: Step part 13: Folding member 14: Feed roller 15: Continuous fiber 16: Needle-shaped member 17: Folding step part 18: Folding straight part 20: Mandrel body part 21: Sliding Stop jig 22: Mandrel shaft part 23: Continuous fiber 24: Step part (shoulder part) D: trunk diameter d: shaft diameter L: protrusion amount ⁇ : winding angle ⁇ : protrusion angle

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Abstract

　所定の周速度でマンドレル軸部と共に回転するマンドレル胴部に対し、樹脂を含浸させた連続繊維をマンドレル胴部の回転軸と平行に往復動させながら巻き付ける管状体の製造方法であって、連続繊維をマンドレル胴部に供給するフィードローラをマンドレル胴部の中央から一端まで平行移動させ、マンドレル胴部の一端に設けられた折り返し部に連続繊維を引っ掛け、フィードローラの中心軸方向と連続繊維の供給方向とが直交した状態でマンドレル胴部の一端に連続繊維を巻き付けた後に、フィードローラの中心軸を回転させてフィードローラを逆方向へ折り返し移動させる管状体の製造方法。滑り止め治具を用いたフィラメントワインディング（ＦＷ）法により管状体を製造するにあたり、連続繊維の折り返し時において生じる糸幅の収縮を防ぐことで歩留まりを向上させ、かつ、積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする、ＦＷによる管状体の製造方法を提供する。

Description

管状体の製造方法
　本発明は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維を用いてフィラメントワインディング法（以下単に「ＦＷ法」と称する）により管状体を製造する製造方法に関する。
　ＦＷ法は、連続した強化繊維（以下単に「連続繊維」と称する）に樹脂を含浸させながら、回転する筒状のマンドレルに適宜の巻き付け角度で連続繊維を巻き付けて所定の形状に成形する方法であり、この方法は、繊維の強度、弾性率を最高限に引き出すことが出来ること、及び積層方向が精密で信頼性が高いこと等の利点がある。そして、ＦＷ法により得られた管状体製品に要求される特性から、マンドレルに対する繊維の巻き付け角度（繊維配向）を適宜選択することが必要とされる。このため巻き付け角度としては、マンドレル軸に平行な０゜から軸に垂直な９０゜までの範囲内で任意に選ぶことができれば好都合である。
　通常、筒状のマンドレルを用いてＦＷ法により管状体を成形する場合、繊維糸の滑りという問題から連続繊維の巻き付け角度を余り低くはできず、３０°程度が限度であったが、製品に所要の特性を付与するために、巻き付け角度をさらに低角度とすることが要求されることがある。
　このような低角度の巻き付けを行う場合、図４（ａ）に示すような、樹脂を含浸させた連続繊維をマンドレルに巻き付け、管状体を成形するＦＷ法のマンドレル胴部２０の両端部に滑り止め治具２１を装着し、該滑り止め治具２１を通るように連続繊維をターンさせて適切な角度で巻き付ける成形方法が良く知られている。例えば、この滑り止め治具２１がマンドレル軸部２２にはめ込まれていて、胴部の端部に接触する乾燥木材製のピン付きリングであり、成形体の切断を該ピン付き乾燥木材リングの位置で行うことで管状体を成形する、フィラメントワインディングによる管状体の成形方法に関する技術が提案されている（特許文献１）。
　この技術では滑り止め治具２１をピン構成とすることで、連続繊維の巻き付けに際し必ず滑り止め治具にかけて巻くので、巻き付け角度をいかなる角度にしても連続繊維が滑ることなく安定した巻き付け操作が可能となるが、ピンに連続繊維を掛けた状態で連続繊維をターンさせるがために、連続繊維の幅方向に余計な引張り張力が作用してしまい、この結果、連続繊維の繊維幅が収縮してしまう。従って、巻き付け終了後に加熱硬化して所望の品質を満足する管状体を得るためには、ピンよりかなり内側の位置で切断しなければならないことから、歩留まりが悪くなるという欠点があった。
　これを解決するために、歩留まり良くかつ積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする手段として、滑り止め治具を用いないＦＷ法による成形方法が良く知られている。例えば、図４（ｂ）に示すように、連続繊維２３を直接巻き付けるマンドレル胴部２０に一体的に設けられた軸部２２を可及的に小径として胴部と軸部間に連続繊維の巻き付けを可能とする段部（肩部）２４を設け、好ましくは前記胴部径をＤ、軸部径をｄ、連続繊維の巻き付け角をαとしたとき、数式１を満足するフィラメントワインディング用のマンドレルおよびこれを使用した管状体の成形方法が提案されている（特許文献２）。
［数式１］
　ｓｉｎα＝ｄ／Ｄ
 
　この技術においては、巻き付け角度αを０°に近づける程、あるいは連続繊維の断裂防止を考慮してマンドレル段部面を曲面に形成する程、やはり繊維の滑りが問題となることがあった。また逆に、段部への巻き付け時に、巻き付け角度αが大きくなる場合に、繊維のマンドレル中央側への滑りが問題となることもあった。
特公平６－２６８５８号公報 特開平３－２８１２２８号公報
　上記の従来技術の課題を解決するには、いかなる巻き付け角度であっても安定した巻き付けを行うために、マンドレルの両端部に連続繊維の滑りを防止するための滑り止め治具を設ける必要がある。
　本発明の目的は、上述したような点に鑑み、滑り止め治具を用いたＦＷ法により管状体を製造する場合においても、連続繊維の折り返し時において生じる糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させ、かつ、積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする、ＦＷ法による管状体の製造方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、本発明は以下（１）～（７）の手段を採用するものである。
（１）所定の周速度でマンドレル軸部と共に回転するマンドレル胴部に対し、樹脂を含浸させた連続繊維を前記マンドレル胴部の回転軸と平行に往復動させながら巻き付ける管状体の製造方法であって、前記連続繊維を前記マンドレル胴部に供給するフィードローラを前記マンドレル胴部の中央から一端まで平行移動させ、前記マンドレル胴部の前記一端に設けられた折り返し部に前記連続繊維を引っ掛け、前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付けた後に、前記フィードローラの中心軸を回転させて前記フィードローラを逆方向へ折り返し移動させることを特徴とする管状体の製造方法。
（２）前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させると同時または移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、（１）の製造方法。
（３）前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で、前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、（２）の管状体の製造方法。
（４）前記折り返し部が複数本の針形状部を備え、該針形状部の針が前記マンドレル胴部の直径の１～１０％の長さ分だけ突き出しており、前記針の突き出し方向と前記マンドレル胴部の回転軸とがなす突き出し角度をθ（°）としたとき条件式１が充足される、（１）～（３）の管状体の製造方法。
［条件式１］
　０°＜θ＜９０°
（５）前記針の直径が２～５ｍｍである、（４）の管状体の製造方法。
（６）前記マンドレル胴部の直径をＤ（ｍｍ）、前記マンドレル軸部の直径をｄ（ｍｍ）としたとき条件式２が充足される、（１）～（５）の管状体の製造方法。
［条件式２］
　Ｄ／ｄ＜３
（７）前記マンドレル胴部に巻き付けられた後の前記連続繊維の糸幅が、前記マンドレル胴部に巻き付けられる前の前記連続繊維の糸幅（基準幅）の１０％以下の長さ分だけ収縮した部分（製品部）の繊維量と投入した繊維量との比率として定義される歩留まりを、前記マンドレル胴部の前記一端に巻き付ける繊維量を少なくすることで９０％以上に保持する、（１）～（６）の管状体の製造方法。
　本発明において、「連続繊維」とは、ボビンから引き出されるつなぎ目のない強化繊維のことを意味するが、製品に関係のない部分にかかるのであれば、強化繊維のつなぎが存在しても差し支えない。使用される強化繊維としては、得られる管状体を用いたトルク伝達軸に必要なねじり強度、共振周波数などの特性を満たすために、高強度、高弾性の繊維が望ましく、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維などが好適に用いられ、使用される強化繊維は一種類に限定されず、併用して用いても良い。
　また、連続繊維に含浸させる「樹脂」としては、エポキシ樹脂、不飽和エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が好適に用いられるが、これらの中でも、良好な作業性と成形後の優れた機械特性を得ることができる点を考慮すると、エポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。
　また、「平行に往復動させる」とは、連続繊維をマンドレル胴部に同じ巻き角度、同じ巻き張力で巻き付けるために、フィードローラの移動方向とマンドレル胴部の回転軸方向との間の平行度がズレないように連続繊維を往復動させることをいい、往復動作の向きは正確に平行であることが好ましい。ただし、連続繊維を折り返し部に掛け渡し、フィードローラの中心軸を回転させて逆方向へ折り返す折り返し動作時においては、フィードローラの移動方向とマンドレル胴部の回転軸とが平行になるように連続繊維を往復動させる必要はない。
　さらに「直交した状態」とは、フィードローラの中心軸方向と連続繊維の供給方向とがなす角度が略直交した状態をいい、直交（９０°）に対して±５°の誤差範囲内に入ることが好ましい。なお、上記直交した状態は、連続繊維をマンドレル胴部の一端に巻き付ける際に保たれていれば良く、折り返し部への連続繊維の掛け渡し時や、フィードローラの中心軸の回転時などにおいては、上記範囲から外れても良い。
　本発明に係る管状体の製造方法によれば、連続繊維を用いてＦＷ法により管状体を製造するにあたり、マンドレル胴部の両端に連続繊維の滑りを防止するための滑り止め治具を用いる場合においても、連続繊維の折り返し時において生じる糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させ、かつ、積層状態も良好な低角度の巻き付けを行うことができる。
（ａ）は本発明に用いられるマンドレルの一例を示す概略正面図であり、（ｂ）は折り返し部材の取付けを説明する概略斜視図である。 本発明に用いられる針形状部材の針の突き出し量を説明する概略正面図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明に用いられるマンドレル胴部の一端での折り返し動作の各ステップを順に説明する概略正面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来技術のマンドレルの例を示す概略正面図である。
　以下に、本発明の管状体の製造方法の好ましい実施形態を、マンドレル胴部の両端に連続繊維の滑りを防止するための滑り止め治具を用いたＦＷ法によって管状体を製造する場合について、図を参照しながら説明する。
　図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明による管状体の製造方法に用いるマンドレルの一例を示す概略正面図および折り返し部材の取付けを説明する概略斜視図である。
　図１（ａ）において、マンドレル１には中央の胴部に当たる直線部１０と、その両端軸の方向に一体的に連設される軸部１１（回転軸）が設けられている。この軸部１１の軸部径ｄは、直線部１０の端に十分な広さの段部１２が形成されるように直線部１０の胴部径Ｄよりも小径に構成されている。また、図１（ｂ）に示すように、マンドレル１の直線部１０の両端には、軸部１１の軸部径ｄとほぼ同径の穴を有する折り返し部材１３がこの穴に軸部１１を通じて装着されている。折り返し部材１３は、フィードローラ１４から供給され、マンドレル１に巻き付けられる連続繊維１５の滑りを防止するためのものであり、滑らかに傾斜の付いた折り返し段部１７と、その段部にマンドレル１の軸方向に対して斜め方向に突き出た複数本の針形状部材１６と、マンドレル１の軸部１１より大径な折り返し直線部１８が備えられている。この折り返し部材１３の材質については特に限定されるものではないが、針形状部材１６を固定するための強度や取り扱い上、鉄、アルミ、ステンレス及びそれら合金等の金属製であることが好ましいが、同様の強度を有するものであれば、木材や樹脂等も使用可能である。
　この折り返し部材１３を装着したマンドレル１を用いてＦＷ法を実施する場合、まず、直線部１０の両端部に形成されている段部１２に折り返し部材１３を当て止め、装着し固定する。そして、このマンドレル１を所定のＦＷ装置に取り付け、マンドレル１の回転と共にフィードローラ１４から樹脂を含浸させた連続繊維１５を供給し、例えば巻き付け角度がαの巻き付けを行う。マンドレル１に対する連続繊維１５の巻き付けは、図１に示すごとく直線部１０に巻き付けて、マンドレル１の端部に至った連続繊維１５は、折り返し部材１３の針形状部材１６間を通り、続いて折り返し部材１３の折り返し段部１７を経て折り返し直線部１８に連続繊維１５を巻き付けた後に、他の針形状部材間を通って再びマンドレル１の直線部１０に戻り、他端側の折り返し部材１３に向かい、同様にしてターンすることによって行われる。この操作を複数回繰り返して、所望とする巻数・積層数の巻き付けを終了した後、両端部に巻かれた連続繊維１５を切断し取り去ってから、樹脂の加熱硬化を行い、次いでマンドレル１から脱芯することで管状体を得ることができる。
　ここで、針形状部材１６は、先端が尖っている部材を意味するが、先端部の形状は連続繊維１５が容易に掛かる形状であれば差し支えない。連続繊維１５の折り返しを複数回繰り返すことで針形状部材１６が折れ易くなり、頻繁に交換しなければならないという事態を回避すること、および、連続繊維１５をマンドレル１に巻き付けた際に繊維間の隙間が大きくなり製品として使用できる部分を減少させないという観点から、係る針形状部材１６の直径は２～５ｍｍであることが好ましく、３～４ｍｍであることがより好ましい。なお、針形状部材の材質については、特に限定されるものではないが、取り扱い性や連続繊維１５が複数回巻き付けられても針形状部材１６が折れ曲がらない強度を有するものを選択することが好ましく、折り返し部材１３と同様に、鉄、アルミ、ステンレス及びそれら合金等の金属製が挙げられるが、同様の強度を有するものであれば、木材や樹脂製も使用可能である。また、マンドレル端部での折返し動作において、連続繊維１５がマンドレルの周方向に滑り、巻き付け位置がズレることを防止するという観点から、針形状部材１６は、連続繊維１５の糸幅以下のピッチで配置されていることが好ましい。
　さらに、針形状部材１６の針の突き出す方向とマンドレルの中心軸とがなす角度をθ（°）とした場合、フィードローラ１４を回転させる際に連続繊維１５が針形状部材１６から抜け落ちないようにすること、および、フィードローラ１４をマンドレル１に近づけて、フィードローラ１４から供給された連続繊維１５がマンドレル１と接触するまでの距離（フリーレングス）を小さくすることにより、折り返し部材１３に掛かることで収縮する連続繊維１５の糸幅を早期のうちに回復させるという観点から、突き出し角度θ（°）は０°＜θ＜９０°の範囲にあることが好ましく、３０°＜θ＜４５°の範囲にあることがより好ましい。また、図２に示すように針形状部材１６の針の突き出し量Ｌ（ｍｍ）は、同上の観点から、マンドレル１の直線部１０の胴部径Ｄ（ｍｍ）の１～１０％の長さ分だけ突き出していることが好ましいが、フィードローラ１４をマンドレル１に極力近づけるようにするためには、突き出し量Ｌは胴部径Ｄ（ｍｍ）の１～５％の長さ分だけ突き出していることがより好ましい。
　上述したマンドレル１を用いた管状体の製造方法について、連続繊維の糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させ、かつ積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする折り返し動作の詳細について、図３を用いてさらに詳しく説明する。
　図３（ａ）～（ｄ）はマンドレル端部での折り返し動作の各ステップを順に説明する概略正面図である。
　図３（ａ）に示すように、管状体の製品部となる直線部１０では、マンドレル１の巻き速度に合わせてフィードローラ１４が移動することで、樹脂を含浸させた連続繊維１５の巻き付けを行い、マンドレル端部に装着された折り返し部材１３の針形状部材１６に連続繊維１５を掛け渡してから一度マンドレル１とフィードローラ１４を一旦停止させる。
　次いで図３（ｂ）に示すように、フィードローラ１４をマンドレル１の中心軸Ｘ－Ｘとフィードローラ１４の中心軸Ｙ－Ｙが平行となるまで回転させるのと同時に、フィードローラ１４の回転によって生じる連続繊維の弛み分を巻き取るためにマンドレル１も併せて回転させる。このとき、フィードローラ１４を巻き付け角度αの変化分だけマンドレル１の中央方向へ併せて移動させる。このように構成することで連続繊維１５に余分な引張り張力を与えることがなくなり、フィードローラ１４上で連続繊維１５が滑ることによって生じる連続繊維の狭幅化を防ぐことができる。なお、上記実施形態ではフィードローラ１４とマンドレル１の回転と、フィードローラ１４のマンドレル中央方向への移動の動作とを同時に行ったが、これらは同時に行わなくても良く、フィードローラ１４をマンドレル１の中央方向へ移動させた後に、フィードローラ１４とマンドレル１を回転させても良いし、フィードローラ１４を回転させた後にマンドレル１の中央方向に移動させてからマンドレル１を回転させても良いし、または、フィードローラ１４を回転させた後に、フィードローラ１４のマンドレル中央方向への移動とマンドレル１の回転を同時に実施しても良く、フィードローラ１４のマンドレル中央方向への移動を、マンドレル１の回転前もしくは同時に実施することが、連続繊維の狭幅化を防ぐ観点から好ましい。
　次いで図３（ｃ）に示すように、フィードローラ１４の中心軸Ｙ－Ｙと前記連続繊維の供給方向とが直交した状態のまま、つまり、マンドレル１の中心軸Ｘ－Ｘとフィードローラ１４の中心軸Ｙ－Ｙが平行な状態のままで、折り返し直線部１８に連続繊維１５を巻き付ける。このように構成することで、連続繊維１５が狭幅化することなく広幅の状態を維持することができる。ここで、連続繊維１５の巻き付け量（巻き付け長さ）は所望する巻き数によって決定される。つまり、マンドレル１の中央方向へ折り返す際の連続繊維１５の次の巻き付け位置が決定しているため、これまでの折り返し動作の中で巻き付け位置がズレた長さ分だけ折り返し直線部１８に巻き付ける。なお、この巻き付け量は、折り返す際の巻き付け位置が合っていれば、折り返し直線部１８に連続繊維１５をマンドレル１の回転の周期分巻き付けても良いが、上記したズレた長さ分のみを巻き付けると最終的に廃棄する繊維量が最も少なくなり歩留まりが向上するため、効果的である。
　最後に図３（ｄ）に示すように、マンドレル１の中心軸Ｘ－Ｘとフィードローラ１４の中心軸Ｙ－Ｙが平行な状態から、フィードローラ１４を他端方向の巻き角度となるよう回転させた後に、他端側へ向かってマンドレル１の巻き速度に合わせてフィードローラ１４を移動させる。以上の動作を繰り返して所望の巻き数・積層数の巻き付けを行っていく。
　なお、以上の実施形態で説明した、折り返し動作の各ステップは連続的に実施しても良いし、ステップ毎に間欠的に実施しても良い。
　また、マンドレル１は、マンドレル１の直線部１０の胴部径をＤ（ｍｍ）、軸部１１の軸部径をｄ（ｍｍ）としたとき、Ｄ／ｄ≧３である場合では、連続繊維１５の断裂防止を考慮してマンドレル１の直線部１０端の段部（肩部）１２を滑らかな曲面形状にしても、連続繊維１５がマンドレル１の中央方向に滑ることなく、この段部１２に巻き付け角度αを保持したまま巻き付けることができるため、マンドレル１に折り返し部材１３が備わっていなくても良い。一方で、自動車や船舶、ヘリコプターなどのトルク伝達軸に好適に用いられるような、Ｄ／ｄ＜３以下のマンドレル１で細径の管状体を製造する場合においては、巻き付け角度αを０°に近づけるほど、連続繊維１５がマンドレル１の中央方向へ滑ってしまうのに対し、上述した製造方法を用いれば、いかなる巻き付け角度であっても安定した巻き付けを行うことが可能であり、かつ糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させることができるため特に有効である。
　また、マンドレル１の直線部１０に巻かれる連続繊維１５の糸幅を基準幅とし、この基準幅に対して１０％まで糸幅が収縮する部分を、得られる管状体の製品部とし、投入した連続繊維の繊維量と管状体の製品部となる繊維量との比率を歩留まりとした場合、上述した製造方法を用いることで、針形状部を有する折り返し部材を用いても連続繊維の糸幅が狭幅化することなく、かつ良好な巻き付けを行うことができるため、マンドレルの端部に巻き付けられた繊維量、つまり最終的に切断されて廃棄される繊維量を少なくすることが可能であり、歩留まりを９０％以上にすることができる。
　本発明に係る管状体の製造方法は、車輌、船舶、ヘリコプターなどのトルク伝達軸として用いられる、あらゆる管状体の製造方法に応用することができ、さらにその応用範囲はこれらに限られるものではない。
　１：マンドレル
１０：直線部
１１：軸部
１２：段部
１３：折り返し部材
１４：フィードローラ
１５：連続繊維
１６：針形状部材
１７：折り返し段部
１８：折り返し直線部
２０：マンドレル胴部
２１：滑り止め治具
２２：マンドレル軸部
２３：連続繊維
２４：段部（肩部）
Ｄ：胴部径
ｄ：軸部径
Ｌ：突き出し量
α：巻き付け角度
θ：突き出し角度

Claims (7)

  1. 　所定の周速度でマンドレル軸部と共に回転するマンドレル胴部に対し、樹脂を含浸させた連続繊維を前記マンドレル胴部の回転軸と平行に往復動させながら巻き付ける管状体の製造方法であって、前記連続繊維を前記マンドレル胴部に供給するフィードローラを前記マンドレル胴部の中央から一端まで平行移動させ、前記マンドレル胴部の前記一端に設けられた折り返し部に前記連続繊維を引っ掛け、前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付けた後に、前記フィードローラの中心軸を回転させて前記フィードローラを逆方向へ折り返し移動させることを特徴とする管状体の製造方法。
  2. 　前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させると同時または移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、請求項１に記載の管状体の製造方法。
  3. 　前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で、前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、請求項２に記載の管状体の製造方法。
  4. 　前記折り返し部が複数本の針形状部を備え、該針形状部の針が前記マンドレル胴部の直径の１～１０％の長さ分だけ突き出しており、前記針の突き出し方向と前記マンドレル胴部の回転軸とがなす突き出し角度をθ（°）としたとき条件式１が充足される、請求項１～３のいずれかに記載の管状体の製造方法。
    ［条件式１］
    　０°＜θ＜９０°
  5. 　前記針の直径が２～５ｍｍである、請求項４に記載の管状体の製造方法。
  6. 　前記マンドレル胴部の直径をＤ（ｍｍ）、前記マンドレル軸部の直径をｄ（ｍｍ）としたとき条件式２が充足される、請求項１～５のいずれかに記載の管状体の製造方法。
    ［条件式２］
    　Ｄ／ｄ＜３
  7. 　前記マンドレル胴部に巻き付けられた後の前記連続繊維の糸幅が、前記マンドレル胴部に巻き付けられる前の前記連続繊維の糸幅の１０％以下の長さ分だけ収縮した部分の繊維量と投入した繊維量との比率として定義される歩留まりを、前記マンドレル胴部の前記一端に巻き付ける繊維量を少なくすることで９０％以上に保持する、請求項１～６のいずれかに記載の管状体の製造方法。
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