WO2021039637A1 - 構造体の製造方法及び構造体 - Google Patents

Abstract

低コストであるにもかかわらず、断面形状の自由度が高いＦＲＰ製の構造体の製造方法及び構造体を提供する。構造体の製造方法は、中空の円筒コア材ＣＹの周囲に、強化繊維と、未硬化の熱硬化性樹脂とを含む複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の積層体ＬＭを形成する巻付工程と、前記積層体ＬＭの外周にテープＴＰ又はフィルムを巻き付けて圧迫する圧迫工程と、前記熱硬化性樹脂が完全硬化する前の状態まで、前記積層体ＬＭを加熱する予加熱工程と、前記テープＴＰ又はフィルムを巻き付けた前記積層体ＬＭと前記円筒コア材ＣＹを、成形型内に配置して加圧することにより、前記円筒コア材ＣＹを非円断面形状に変形させながら、前記熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記積層体ＬＭを加熱する本加熱工程と、を有する。これにより前記円筒コア材ＣＹと前記積層体ＬＭとを一体とした構造体を形成することができる。

Description

構造体の製造方法及び構造体

　本発明は、構造体の製造方法及び構造体に関する。

　例えばバイクや自動車などには、従来から金属製の構造体が多用されているが、近年推進されている車両の電動化等に対応し、比較的重量のある金属製の構造体に代えて、高強度と軽量化を両立させた新たな構造体が望まれている。比較的軽量でありながら高強度を持つ素材として、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）が知られており、一例としてＦＲＰ製の中空円筒部材が自転車のフレームなどに採用されている。

　ところで、構造体によっては、例えば周囲部品との干渉を回避すべく、長手方向に直交する断面形状を長手方向において局所的に変更したい場合がある。このような構造体を、異形断面構造体という。また、複数の構造体を集積して強度を確保する用途に用いる場合、隣接する構造体同士の間に極力隙間が生じないように多角形断面としたい場合もある。このような構造体を、多角形断面構造体という。異形断面構造体又は多角形断面構造体を、ＦＲＰを用いて形成することができると、その用途が拡大するので好ましい。

　ＦＲＰ製の異形断面構造体又は多角形断面構造体は、従来技術でも、例えば所望の外側形状に対応した内側形状を持つ成形型内に、繊維強化樹脂のプリプレグで包んだ崩壊中子等を配置し、オートクレーブやプレス機等によって加圧しながらプリプレグを成形するとともに加熱硬化させる製造工程により得ることができる。構造体内部の崩壊中子等は、製造後に崩壊させて、構造体の開放端から除去することができる。

　しかしながら、このような製造工程を経てＦＲＰ製の異形断面構造体又は多角形断面構造体を成形した場合、成形時の加圧加熱工程でプリプレグに板厚変化が生じた際、形状変化に追従できない強化繊維を起因としたシワやボイド、樹脂リッチなどの外観不具合が生じる恐れがある。

　更に、成形型が複雑な形状を有する場合、プリプレグを成形型の形状に均一に安定的に添わせる作業は困難であり、特にコーナー部など成形型への馴染みの悪い箇所では、樹脂リッチやボイドが発生しやすくなる。このような不具合は外観品質を低下させるばかりでは無く、部品強度など製品品質のバラツキの原因となる。

　これに対し、特許文献１には、任意の中空断面形状を持つＦＲＰ製の構造体を形成する技術が開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、外周に強化繊維基材を配置した中空中子を成形型のキャビティ内に配設し、型締めした後、中子内を加圧しながら成形型内に樹脂を注入して、型に応じた外側形状、すなわち異形断面又は多角形断面を持つＦＲＰ構造体を成形することができる。

特開２００６－１５９４５７号公報

　特許文献１の技術によれば、成形型内に配置した中空中子を加圧しながら成形型内に樹脂を注入することによって、任意の中空断面を持つＦＲＰ中空構造体にシワやボイドなどの不具合が生じないようにできるとされている。しかしながら、かかる技術では成形型内に樹脂を注入するための樹脂流路などの大掛かりな設備が必要になり、コストがかかるという問題がある。

　また、特許文献１の技術によれば、製造後において、ＦＲＰ中空構造体の端部から中空中子を取り出すために比較的大きな開口を設ける必要があり、構造体の用途によっては開口が邪魔になる恐れがある。特に、両端が閉じた形状の異形断面構造体は、製造後に崩壊中子も中空中子も取り出すことができないため、構造体内部に残置せざるを得ず、それにより重量増や異音などの不具合を招く。したがって、従来とは異なる視点で、ＦＲＰ製の構造体を製造する技術が望まれている。

　そこで本発明は、低コストであるにもかかわらず、断面形状の自由度が高いＦＲＰ製の構造体の製造方法及び構造体を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明による構造体の製造方法は、
　中空の円筒コア材の周囲に、強化繊維と、未硬化の熱硬化性樹脂とを含む複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の積層体を形成する巻付工程と、
　前記積層体の外周にテープ又はフィルムを巻き付けて圧迫する圧迫工程と、
　前記熱硬化性樹脂が完全硬化する前の状態であって、前記熱硬化性樹脂の硬化度が３０％～９０％の範囲で、前記積層体を加熱して硬化させる予加熱工程と、
　前記テープ又はフィルムを巻き付けた前記積層体と前記円筒コア材を、成形型内に配置して、前記熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記積層体を加熱すると共に、加圧することにより前記円筒コア材を非円断面形状に変形させる本加熱工程と、を有し、
　前記円筒コア材と前記積層体とを一体とした構造体を形成する。

　また、本発明による構造体の製造方法は、
　マンドレルの周囲に、第１強化繊維と、未硬化の第１熱硬化性樹脂とを含む第１複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の内側積層体を形成する第１巻付工程と、
　前記内側積層体の周囲を圧迫する第１圧迫工程と、
　前記第１熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記内側積層体を加熱する第１加熱工程と、
　硬化した前記内側積層体の周囲に、第２強化繊維と、未硬化の第２熱硬化性樹脂とを含む第２複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の外側積層体を形成する第２巻付工程と、
　前記外側積層体の周囲を圧迫する第２圧迫工程と、
　前記第２熱硬化性樹脂が完全硬化する前の状態まで、前記外側積層体を加熱する予加熱工程と、
　前記外側積層体及び前記内側積層体より前記マンドレルを引き抜く引抜工程と、
　前記外側積層体と前記内側積層体を、成形型内に配置して、前記第２熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記外側積層体を加熱すると共に、加圧することにより前記外側積層体を変形させる本加熱工程と、を有する。

　さらに、本発明による構造体は、
　第１強化繊維を含む第１熱硬化性樹脂を硬化させて形成された内側積層体と、
　第２強化繊維を含む第２熱硬化性樹脂を硬化させて形成された外側積層体と、を有する中空の構造体であって、
　前記内側積層体の端部から外方へと前記外側積層体がはみ出して形成されており、
　前記外側積層体の内側に挿入された前記内側積層体が、前記外側積層体の形状を保持し、
　前記内側積層体の内側に別部材が挿入され、前記別部材と前記内側積層体との間に空間が形成されており、
　前記内側積層体の端部から外方へとはみ出した前記外側積層体の端部の内周の一部は、前記別部材の外周に密着している。

　さらに、本発明による構造体は、
　第１強化繊維を含む第１熱硬化性樹脂を硬化させて形成された内側積層体と、
　第２強化繊維を含む第２熱硬化性樹脂を硬化させて形成された外側積層体と、を有する中空の構造体であって、
　前記内側積層体の端部から外方へと前記外側積層体がはみ出して形成されており、
　前記外側積層体の内側に挿入された前記内側積層体が、前記外側積層体の形状を保持し、
　前記外側積層体の一方の端部に別部材が挿入され、前記外側積層体の他方の端部は別部材が挿入されない状態で閉じている。

　本発明によれば、低コストであるにもかかわらず、断面形状の自由度が高いＦＲＰ製の構造体の製造方法及び構造体を提供することができる。

図１は、第１の実施形態にかかる構造体の製造方法における巻付工程を示す図であり、プリプレグと円筒コア材を平面的に図示している。 図２は、第１の実施形態にかかる構造体の製造方法における圧迫工程を示す図である。 図３は、第１の実施形態にかかる構造体の製造方法における予加熱工程を示す図である。 図４は、未硬化の熱硬化性樹脂にかかるＤＳＣ曲線の一例を示す図であり、縦軸に熱流、横軸に温度を取って示す。 図５は、完全硬化後の熱硬化性樹脂にかかるＤＳＣ曲線の一例を示す図であり、縦軸に熱流、横軸に温度を取って示す。 図６は、第１の実施形態にかかる構造体の製造方法における切断工程を示す図であり、円筒コア材の端部を切断する状態を示す。 図７は、第１の実施形態にかかる構造体の製造方法における本加熱工程の一部を示す図であり、積層体の軸線方向に見た型締め前の状態を示す。 図８は、第１の実施形態にかかる構造体の製造方法における本加熱工程の一部を示す断面図であり、型締めして加熱した状態を示す。 図９は、第１の実施形態にかかる製造方法により製造された構造体の斜視図である。 図１０は、変形例にかかる構造体の製造方法における本加熱工程の一部を示す図であり、積層体の軸線方向に見た型締め前の状態を示す。 図１１は、第１の実施形態の変形例にかかる製造方法により製造された構造体の斜視図である。 図１２は、第２の実施形態にかかる構造体の製造方法における第１巻付工程を模式的に示す図である。 図１３は、第２の実施形態にかかる構造体の製造方法における第１圧迫工程を模式的に示す図であり、プリプレグとマンドレルを平面的に図示している。 図１４は、第２の実施形態にかかる構造体の製造方法における第２巻付工程を模式的に示す図である。 図１５は、第２の実施形態にかかる構造体の製造方法における本加熱工程を模式的に示す図である。 図１６は、型締め時における図１５の構成をＡ－Ａ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。 図１７は、第２の実施形態にかかる製造方法により製造された異形断面形状の構造体の斜視図である。 図１８は、第２の実施形態の第１変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。 図１９は、第１変形例にかかる製造方法により製造された異形断面形状の構造体の斜視図であり、内部構造を透視した状態で示す。 図２０は、第２の実施形態の第２変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。 図２１は、第２変形例にかかる製造方法により製造された異形断面形状の構造体の斜視図である。 図２２は、第２の実施形態の第３変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。 図２３は、第３変形例にかかる製造方法により製造された異形断面形状の構造体の斜視図である。 図２４は、第２の実施形態の第４変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。 図２５は、第４変形例にかかる製造方法により製造された異形断面形状の構造体の斜視図である。 図２６は、第４変形例に類似する構造体の斜視図である。 図２７は、第２変形例に類似する構造体の斜視図である。 図２８は、第３の実施形態にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。 図２９は、型締め時における図２８の構成をＤｘ－Ｄｘ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。 図３０は、本実施形態にかかる製造方法により製造された異形断面形状の構造体と、棒材からなる複合構造体の斜視図である。 図３１は、図３０の構成をＥ－Ｅ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。 図３２は、図３０の構成をＦ－Ｆ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。 図３３は、第３の実施形態に類似する複合構造体の図３２と同様な断面図である。 図３４は、図３３の構成をＧ－Ｇ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。 図３５は、第３の実施形態に類似する複合構造体の図３０と同様な斜視図である。 図３６は、図３５の構成をＨ－Ｈ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。 図３７は、第３の実施形態に類似する複合構造体の図３２と同様な断面図である。

　以下、図面を参照して本発明にかかる実施の形態を説明する。
　なお、本明細書中、「強化繊維」は、炭素(カーボン)繊維、ガラス繊維、アラミド繊維に代表される有機繊維、シリコンカーバイド繊維、金属繊維などであると好ましい。さらに、「熱硬化性樹脂」は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂などであると好ましいが、比較的多く採用されているエポキシ樹脂がより好ましい。

　「積層体」、「内側積層体」、「外側積層体」は、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱または乾燥して半硬化状態にしたプリプレグ（複合素材）のシートを、シートワインディング製法を用いて巻くことで形成でき、またプリプレグのテープを、テープワインディング製法を用いて巻くことで形成できる。
　あるいは、ロービング繊維に樹脂を含浸しながら巻き付けるフィラメントワインディング製法で巻くことによっても、これら積層体を形成できる。ただし、シートワインディング製法やテープワインディング製法であれば、樹脂と強化繊維の比率が管理され安定したプリプレグを用いることができるので、より好ましい。
　プリプレグとしては、例えば東レ株式会社製のトレカ（登録商標）を好適に用いることができる。

　「円筒コア材」は、ある程度の剛性を有しながらも塑性変形可能な薄肉の金属（たとえばＳＵＳ）製とすることが好ましいが、強化繊維に含浸させた熱硬化性樹脂を完全硬化させてなる中空の積層体を用いることもできる。
　「マンドレル」の材質は金属、樹脂、セラミックスなどいずれでも良いが、コストや耐久性の観点からは金属を用いることが好ましい。また、マンドレルの形状は、中実円筒状、或いは中空円筒状であると好ましく、単一ではなく分割可能な形状であってよい。
　「多角形」とは、四角形以上であると好ましい。

　本明細書中、「テープ又はフィルム」は、素材を問わない薄肉状部材を指すものとする。ただし、使いやすさの観点からテープを用いると好ましい。テープは、樹脂製、金属製いずれのものでも良いが作業性の良い樹脂性のものを用いることが好ましい。また、樹脂製テープを用いる場合、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、セロファン、テフロン（登録商標）、ポリイミドなどいずれでも良いが、テープ性状のバランスの良さから、ポリプロピレン、ポリエステルを使用することが好ましい。

［第１の実施形態］
　第１の実施形態にかかる構造体の製造方法について説明する。図１は、巻付工程を模式的に示す図である。図１に示すように、円筒コア材ＣＹおよび各種プリプレグシートＰＳ１～ＰＳ６を準備する。円筒コア材ＣＹは、巻付工程では、プリプレグを積層して巻き付けるためのマンドレルとして用いられ、本加熱工程では、積層体の形状保持のための治具として用いられ、製造後においては、構造体と一体化した補強部材として用いられる。

　円筒コア材ＣＹの外径は、最終的に形成する構造体の外周長に対し、外側に巻き付ける積層体の厚みを考慮して、若干細めに設定する。すなわち、円筒コア材ＣＹに複数枚のプリプレグシートを巻き付けた状態における外径を、最終的に形成する構造体の外周長の設計値と略一致させることが望ましい。

　プリプレグシートＰＳ１～ＰＳ６は、ここではカーボン繊維にエポキシ樹脂の原料を含浸させたシートを用いる。各プリプレグシートでは、カーボン繊維が規則性を持って配向されており、図１中の実線は、そのカーボン繊維の配向方向を示している。以下、カーボン繊維の配向方向は、プリプレグシートを展開した状態でいうものとする。

（巻付工程）
　本製造方法の巻付工程について説明する。プリプレグシートＰＳ１は、カーボン繊維の配向方向が円筒コア材ＣＹの軸線に対し＋４５度方向のシートと、－４５度方向のシートを２層に重ねて張り合わせて１枚のプリプレグシートとしたものであり、構造体が受けるねじれ応力に抗する作用を持つ。このプリプレグシートＰＳ１を、必要に応じて外周に剥離処理を施した円筒コア材ＣＹの外周に巻き付ける。

　プリプレグシートＰＳ２、ＰＳ３及びＰＳ４は、それぞれカーボン繊維の配向方向が円筒コア材ＣＹの軸線に平行であり、構造体が受ける引っ張り応力に抗する作用を持つ。このプリプレグシートＰＳ２、ＰＳ３及びＰＳ４を、プリプレグシートＰＳ１上に順次巻き付けてゆく。

　プリプレグシートＰＳ５は、カーボン繊維の配向方向が円筒コア材ＣＹの軸線に対し直交しており、構造体が圧縮応力を受けた際の膨張に抗する作用を持つ。このプリプレグシートＰＳ５を、プリプレグシートＰＳ４に巻き付ける。

　一対のプリプレグシートＰＳ６は、カーボン繊維の配向方向が円筒コア材ＣＹの軸線に対し直交しており、台形状を持つ。このプリプレグシートＰＳ６を、プリプレグシートＰＳ５の両端に巻き付ける。

　本実施形態において、最外周のプリプレグシートＰＳ６を両端部にのみ巻き付けることで、補強効果を図っている。プリプレグシートの枚数やカーボン繊維の配向方向は、所望する構造体の機械的強度に合わせて適宜変更可能である。

　このようにして、円筒コア材ＣＹ上に複数のプリプレグシートを巻き付けてなる筒状の積層体ＬＭ（図２）が形成される。

（圧迫工程）
　本製造方法の圧迫工程について説明する。図２は、圧迫工程を模式的に示す図である。図２において、積層体ＬＭを巻き付けた円筒コア材ＣＹの一端を、モータ回転軸などの回転駆動体ＲＤに連結し、薄いテープＴＰ（ここでは透明とする）の一端を積層体ＬＭの外周に張り付ける。

　かかる状態から、回転駆動体ＲＤと共に円筒コア材ＣＹを回転させ、所定の張力を付与しつつテープＴＰを積層体ＬＭの外周に巻き付ける。所定の張力は、積層体ＬＭの外径などの条件によって異なるが、１～５ｋｇｆの範囲であると好ましい。これにより積層したプリプレグシートＰＳ１～ＰＳ６を圧迫加圧することにより、プリプレグシート間の空隙等を排除して積層体ＬＭの緻密化を図ることができる。

　さらにテープＴＰを円筒コア材ＣＹの軸線Ｏの方向に沿って相対移動させることで、テープＴＰが積層体ＬＭの軸線Ｏの方向全体にわたって巻きつき、略均一な厚さの薄い層を形成する。

　ただし、円筒コア材ＣＹに巻き付けた積層体ＬＭを加圧する手段としては、テープに限らない。例えば、熱収縮フィルムからなるチューブなどを積層体ＬＭの周囲に配置して、加熱により熱収縮フィルムを収縮させて積層体ＬＭを圧迫しても良い。

　あるいはゴムテープや、ゴムフィルムをチューブ化したもの（ゴムチューブ）を積層体ＬＭの周囲に配置して、その弾性力で積層体ＬＭを圧迫することもできる。これにより、円筒コア材ＣＹを回転させる回転駆動体が不要になり、設備コストが低減される。

（予加熱工程）
　本製造方法の予加熱工程について説明する。図３は、予加熱工程を模式的に示す図である。テープＴＰを巻いた積層体ＬＭを、円筒コア材ＣＹとともにオーブンＯＶ内に配置する。オーブンＯＶ中で加熱して、積層体ＬＭのプリプレグシートの樹脂を完全硬化前の状態まで加熱する。より具体的には、積層体ＬＭの熱硬化性樹脂の硬化度を、３０～９０％になるように加熱する。

　ここで、熱硬化性樹脂の硬化度について説明する。例えば未硬化のエポキシ樹脂を、室温から２００℃まで５℃／ｍｉｎの速度で加熱していったとき、ＤＳＣ（示差走査熱量測定法）を用いて熱流（発熱又は吸熱）を測定すると、熱硬化性樹脂に特有の現象が生じることがわかる。
　具体的には、図４に示すＤＳＣ曲線のように、約１０３℃付近から急激な発熱が生じ、１１０．７℃で発熱ピークが生じ、以降、急激に発熱が減少する。この発熱は、エポキシ樹脂の昇温加熱により重合（硬化）が生じたことを表す。ここで、１１０．７℃を、このエポキシ樹脂の最大発熱温度という。

　このエポキシ樹脂を、再度室温まで冷やし、再び２００℃まで５℃／ｍｉｎの速度で加熱していくと、図５に示すＤＳＣ曲線のように、発熱ピークは現れず、むしろ吸熱が生じ、１１６．１℃にガラス転移が生じることがわかる。これは、エポキシ樹脂が既に完全硬化しているために生じる現象である。（「エポキシ樹脂の硬化温度・ガラス転移温度調査」、ＭＳＴ技術資料：Ｎｏ．Ｃ０２２０，掲載日：２０１１／１０／２０、財団法人：材料科学技術振興財団）

　一方、エポキシ樹脂を完全硬化させる前に加熱を中断すると、発熱ピークは１１０．７℃を下回るＸ℃となる（図４）。これは、エポキシ樹脂が更に重合できる余地があることを示し、すなわちエポキシ樹脂は完全硬化前の状態となる。
　換言すれば、熱硬化性樹脂を加熱していった時の発熱ピークを随時測定し、最大発熱温度未満のＸ℃となったときに加熱を中断することで、熱硬化性樹脂を完全に硬化する前の状態にとどめることができる。

　図４において、完全硬化時のＤＳＣ曲線とベースラインＢＳとで囲む面積（発熱ピーク面積という）をＳ１とし、発熱ピークがＸ℃であるＤＳＣ曲線とベースラインＢＳとで囲む面積Ｓ２としたときに、（Ｓ２／Ｓ１）×１００％を熱硬化性樹脂の硬化度と定義する。

　本発明者らは、この熱硬化性樹脂の熱特性を利用して、熱硬化性樹脂が完全に硬化する前、例えば３０～９０％の硬化度で積層体ＬＭの加熱を中断することによって、積層体ＬＭの成形性を向上させうることを見出した。３０～９０％の硬化度に対応する発熱ピークＸ℃は、実験やシミュレーションで求めることができる。積層体ＬＭの成形性の向上効果については、本加熱工程に関連して後述する。

（切断工程）
　本製造方法の切断工程について説明する。図６は、切断工程を模式的に示す図である。テープＴＰを巻いた積層体ＬＭをオーブンＯＶから取り出して、図６に示すように積層体ＬＭの端部位置（Ｄ）で、円筒コア材ＣＹの両端を切断する。完全硬化前まで加熱された積層体ＬＭと円筒コア材を含む部材をプリフォーム体という。なお、円筒コア材ＣＹを切断することなく残し、例えば他部品との嵌合結合または、ねじを形成して螺合結合に用いてもよい。

　未加熱の積層体は、樹脂材料の劣化を防ぐべく、冷蔵庫や冷凍庫での保存が必要である。一方、形成されたプリフォーム体における積層体ＬＭは、樹脂材料の硬化度が調整されたものであり、常温で保管しても樹脂材料の劣化が殆どない。したがって、プリフォーム体を量産して保存しておくことで、急な需要にも対応して製品の供給が可能になる。

　また、１種類のプリフォーム体から複数種類の構造体を形成できるため、製造コスト低減を図れる。

（本加熱工程）
　本製造方法の本加熱工程について説明する。図７、８は、本加熱工程を模式的に示す図である。まず、図７に示すように、円筒コア材ＣＹにより内周を支持された積層体ＬＭを、板状の上型ＵＤと、樋状の下型ＬＤとの間に配置する。上型ＵＤと下型ＬＤとで成形型を構成する。

　ここで、下型ＬＤにおける樋底面の幅をＷとし、樋内壁の高さをＨとし、テープＴＰを巻いた積層体ＬＭの外径をＤとしたときに、πＤ≒２（Ｗ＋Ｈ）であると、型の内周長と、最終の構造体の外周長とを略一致させることができ、それにより安定した形状を持つ構造体を得られる。

　その後、図８に示すように、上型ＵＤと下型ＬＤとを相対接近させて型締めを行う。これにより円筒コア材ＣＹが角筒状に塑性変形（一部弾性変形）する。同時に、先の予加熱工程で積層体ＬＭの熱硬化性樹脂が９０％以下の硬化度で加熱されているので、上型ＵＤと下型ＬＤとで形成される内壁形状に倣うように、積層体ＬＭを変形させることができる。

　ここでは、円筒コア材ＣＹがある程度の剛性を有するため、成形型からの加圧力に抗することで、型に倣った積層体ＬＭの変形状態を維持して圧潰することを抑制できる。

　更に、不図示のヒータを用いて上型ＵＤと下型ＬＤの内部を加熱することにより、積層体ＬＭを完全に硬化させることができる。硬化した積層体ＬＭにより、円筒コア材ＣＹも角筒状に変形が維持される。

　本実施形態によれば、積層体ＬＭの周囲に、摺動性が高いテープＴＰが所定の張力で巻かれているので、上型ＵＤと下型ＬＤの加圧に伴って、積層体ＬＭの外表面と成形型の内壁面との間に相対変位が生じた場合にも、両者間に殆ど抵抗なく滑りを生じさせることができる。これにより積層体ＬＭの型馴染み性が向上し、安定した製品形状を得られる。このため、特に角部ＣＲにおいては、テープＴＰによる抗力によって局所的な圧力低下を起こしにくく、積層体ＬＭのシワやボイド、樹脂リッチなどの不具合を効果的に抑制でき、安定した製品品質を得ることができる。

　一方、積層体ＬＭの型馴染み性が向上することで、成形型の圧力を小さくできるとともに、型の強度や剛性を下げることができるから、使用可能な型材料の選択自由度が広がる。また成形型を駆動する設備も簡素化できるので、設備コスト低減を図れる。

　またテープＴＰが持つ形状保持機能によって、直角の角部ＣＲに強く押し付けることで形成される積層体ＬＭの側面（第１の面）と上下面（第１の面とは法線方向が異なる第２の面）との交差部が、その曲率が一定もしくは徐々に変化する曲面を持つ（すなわち交差部にエッジが形成されない）。また、その交差部における強化繊維が折れずに曲がる（繊維の連続性が維持される）ことで、構造体の強度を確保できる。

（剥離工程）
　その後、加熱を中止し上型ＵＤと下型ＬＤとを離間させて、角筒状に変形した積層体ＬＭからテープＴＰを剥がすことで、図９に一部を示す矩形断面形状の構造体（多角形構造体）ＳＴ１が完成する。構造体ＳＴ１は、断面が角形に変形した円筒コア材ＣＹの外周に積層体ＬＭを密着形成して両者を一体化しているため、曲げに強い金属の特性と、軽量で強度が高いＦＲＰの特性とを併せ持つハイブリッド構造となっている。このため、例えば車両などの衝撃吸収構造として構造体ＳＴ１を利用可能である。また、構造体ＳＴ１を、金属などの他部品と結合することもでき、それにより用途が拡大する。

（変形例）
　図１０は、変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図７と同様な図である。本変形例では、上型ＵＤと下型ＬＤが共通形状を有し、具体的には台形状の転写面を対向して有しており、型締め時に一対の転写面により六角形状が形成される。本変形例では、上述した実施の形態と同様に、円筒コア材ＣＹの外周に積層体ＬＭが巻き付けられ、その外周にテープＴＰを巻かれたプリフォーム体を用いる。

　図１０に示すように、上型ＵＤと下型ＬＤとの間にプリフォーム体を配置し、上型ＵＤと下型ＬＤを相対接近させて型締めを行う。予加熱工程で積層体ＬＭの熱硬化性樹脂が９０％以下の硬化度で加熱されているので、上型ＵＤと下型ＬＤとで形成される内壁形状に倣うように、積層体ＬＭを六角形状に変形させることができる。更に、不図示のヒータを用いて上型ＵＤと下型ＬＤの内部を加熱することにより、積層体ＬＭを完全に硬化させることができる。

　その後、上型ＵＤと下型ＬＤとを離間させることにより、図１１に示す六角断面形状の構造体（多角形構造体）ＳＴ２を取り出すことができる。構造体ＳＴ２は、断面が六角形状に変形した円筒コア材ＣＹの外周に積層体ＬＭを形成している。例えば、軸線を平行にして構造体ＳＴ２を隙間なく並べることで、隣接する構造体ＳＴ２の間に空間が殆どないハニカム形状の衝撃吸収体を形成することができる。

　なお、後述する第２の実施形態の製造方法における、第１巻付工程と、第１圧迫工程と、第１加熱工程とを経て形成された第１積層体ＬＭ１を、円筒コア材ＣＹとして用いてもよい。また、成形型による加圧変形を、プリフォーム体の長手方向の一部に施してもよく、それにより異形断面を持つ構造体を形成できる。

［第２の実施形態］
　次に、第２の実施形態にかかる製造方法について説明する。図１２は、第１巻付工程を模式的に示す図である。図１に示すように、円形断面のマンドレル（芯棒）ＭＤ、および第１強化繊維に第１熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱または乾燥して半硬化状態にしたプリプレグシート（複合素材）ＰＳ１１、ＰＳ１２を準備する。

　円筒コア材ＣＹと同様に、製品外径よりも若干小さい外径を、マンドレルＭＤの外径とする。またマンドレルＭＤの全長は、構造体の製品長さよりも長くする。

（第１巻付工程）
　このマンドレルＭＤの外周に、必要に応じて離形処理を施し、プリプレグシートＰＳ１１、ＰＳ１２を、マンドレルＭＤに巻き付ける。巻付方法としては、上述したワインディング製法を用いることができる。第１強化繊維及び第１熱硬化性樹脂としては、上述した強化繊維及び熱硬化性樹脂の中から任意のものを選択できる。

　ただし、プリプレグシートＰＳ１１，ＰＳ１２の繊維配向方向は、マンドレルＭＤの軸線に対して１５°以上、９０°以下の範囲で傾いていることが望ましい。これによりプリフォーム体としたときに、型締め時の加圧に抗する強度を確保できる。

　このようにして、マンドレルＭＤ上にプリプレグシートＰＳ１１，ＰＳ１２を巻き付けてなる筒状の第１積層体（内側積層体）ＬＭ１（図１３）が形成される。なお、マンドレルＭＤ上に３枚以上のプリプレグシートを巻き付けることもできる。また、第１積層体の代わりに中空円筒部材をマンドレルＭＤに差し込んで、以下の工程を行ってもよい。

（第１圧迫工程）
　本製造方法の第１圧迫工程について説明する。図１３は、第１圧迫工程を模式的に示す図である。図１３において、第１積層体ＬＭ１を巻き付けたマンドレルＭＤの一端を、モータ回転軸などの回転駆動体ＲＤに連結し、薄い第１テープＴＰ１（フィルムでもよい）の一端を第１積層体ＬＭ１の外周に張り付ける。

　かかる状態から、回転駆動体ＲＤと共にマンドレルＭＤを回転させ、所定の張力を付与しつつ第１テープＴＰ１を第１積層体ＬＭ１の外周に巻き付ける。所定の張力は、第１積層体ＬＭ１の外径などの条件によって異なるが、１～５ｋｇｆの範囲であると好ましい。これにより積層したプリプレグシートＰＳ１１、ＰＳ１２を圧迫加圧することにより、プリプレグシート間の空隙等を排除して第１積層体ＬＭ１の緻密化を図ることができる。

　さらに第１テープＴＰ１をマンドレルＭＤの軸線Ｏの方向に沿って相対移動させることで、第１テープＴＰ１が第１積層体ＬＭ１の軸線Ｏの方向全体にわたって巻きつき、略均一な厚さの薄い層を形成する。

　ただし、マンドレルＭＤに巻き付けた第１積層体ＬＭ１を加圧する手段としては、第１テープに限らない。例えば、熱収縮フィルムからなるチューブなどを第１積層体ＬＭ１の周囲に配置して、加熱により熱収縮フィルムを収縮させて第１積層体ＬＭ１を圧迫しても良い。

　あるいはゴムテープや、ゴムフィルムをチューブ化したもの（ゴムチューブ）を第１積層体ＬＭ１の周囲に配置して、その弾性力で第１積層体ＬＭ１を圧迫することもできる。これにより、マンドレルＭＤを回転させる回転駆動体が不要になり、設備コストが低減される。

（第１加熱工程）
　第１テープＴＰ１を巻いた第１積層体ＬＭ１を、マンドレルＭＤとともに不図示のオーブン内に配置し、例えば炉内温度を１３５℃に設定して、２時間加熱する。これにより、第１積層体ＬＭ１は完全に硬化する。

　その後、オーブンからマンドレルＭＤと共に第１積層体ＬＭ１を取り出し、その外周に巻かれた第１テープＴＰ１を剥がす。その後、第１積層体ＬＭ１の外周表面に対し、研磨などにより粗し加工することで、微小な凹凸構造を形成する。あるいは、第１巻付工程でプリプレグシートＰＳ１２を巻き付けた後の最外層に薄い織物シート（ピールプライ）を巻きつけ第１加熱工程後の第１テープＴＰ１を剥がした後ピールプライを剥がすことで表面に微小な凸凹を形成させてもよい。さらに、第１積層体ＬＭ１の外周に接着シートを巻き付けてもよい。これにより、第１積層体ＬＭ１と、後述する第２積層体ＬＭ２との密着性が高まる。

（第２巻付工程）
　次に、本製造方法の第２巻付工程について説明する。図１４は、第２巻付工程を模式的に示す図である。プリプレグシートＰＳ１３～ＰＳ１７は、第２強化繊維に第２熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱または乾燥して半硬化状態にした複合素材である。第２強化繊維及び第２熱硬化性樹脂としては、上述した強化繊維及び熱硬化性樹脂の中から任意のものを選択できる。第２強化繊維は、第１強化繊維と同一であってもよいし異なっていてもよい。また、第２熱硬化性樹脂は、第１熱硬化性樹脂と同一であってもよいし異なっていてもよい。また、内側積層体の少なくとも一部に、外側積層体が巻き付けられていれば足りる。

　プリプレグシートＰＳ１３は、繊維の配向方向がマンドレルＭＤの軸線に対し＋４５度方向のシートと、－４５度方向のシートを２層に重ねて張り合わせて１枚のプリプレグシートとしたものであり、構造体が受けるねじれ応力に抗する作用を持つ。このプリプレグシートＰＳ１３を、第１積層体ＬＭ１の両端から長手方向にはみ出させるようにして、マンドレルＭＤの外周に巻き付ける。巻付方法としては、上述したワインディング製法を用いることができ、以下、同様である。

　プリプレグシートＰＳ１４、ＰＳ１５は、それぞれ繊維の配向方向がマンドレルＭＤの軸線に平行であり、構造体が受ける引っ張り応力に抗する作用を持つ。このプリプレグシートＰＳ１４、ＰＳ１５を、同じ長さのプリプレグシートＰＳ１３上に順次巻き付けてゆく。

　プリプレグシートＰＳ１６は、繊維の配向方向がマンドレルＭＤの軸線に対し直交しており、構造体が圧縮応力を受けた際の膨張に抗する作用を持つ。このプリプレグシートＰＳ１６を、同じ長さのプリプレグシートＰＳ１５に巻き付ける。

　一対のプリプレグシートＰＳ１７は、繊維の配向方向がマンドレルＭＤの軸線に対し直交しており、台形状を持つ。このプリプレグシートＰＳ１７を、プリプレグシートＰＳ１６の両端に巻き付ける。

　本実施形態において、最外周のプリプレグシートＰＳ１７を両端部にのみ巻き付けることで、補強効果を図っている。プリプレグシートの枚数や繊維の配向方向は、所望する構造体の機械的強度に合わせて適宜変更可能である。

　このようにして、第１積層体ＬＭ１上に、複数のプリプレグシートを巻き付けてなる筒状の第２積層体（外側積層体）ＬＭ２が形成される。なお、第１積層体ＬＭ１と、第２積層体ＬＭ２とは、長手方向に沿って段差が生じないように、なだらかに外径変化が生じるように接合されていると好ましい。

（第２圧迫工程）
　マンドレルＭＤに形成した第２積層体ＬＭ２の外周に、第１の実施形態の圧迫工程と同様な態様で、第２テープＴＰ２（フィルムでもよい）を巻き付ける。第２テープの代わりに、上述したような他の圧迫手段を用いてもよい。

（予加熱工程）
　第２積層体ＬＭ２の外周に第２テープＴＰ２を巻いたマンドレルＭＤを、不図示のオーブン内に配置して、第１の実施形態の予加熱工程と同様な態様で、第２積層体ＬＭ２のプリプレグシートの樹脂を完全硬化前の状態まで、すなわち、第２積層体ＬＭ２の熱硬化性樹脂の硬化度が、３０～９０％になるように加熱する。

（引抜工程）
　その後、マンドレルＭＤを、オーブンから取り出して第１積層体ＬＭ１及び第２積層体ＬＭ２より引き抜く。このとき、第２積層体ＬＭ２は、既に加熱硬化している第１積層体ＬＭ１により支持され、また第２積層体ＬＭ２の外周に第２テープＴＰ２が巻かれているので、マンドレルＭＤを引き抜いても円筒形状を維持できる。完全硬化された第１積層体ＬＭ１と、完全硬化前まで加熱された第２積層体ＬＭ２を含む部材をプリフォーム体という。第２積層体ＬＭ２をマンドレルＭＤに巻きつけて緻密化したプリフォーム体は、比較的簡単な設備で且つ、安定的な品質で製作できる。

　第１積層体ＬＭ１が完全加熱状態であったとしても、第２積層体ＬＭ２が未加熱であれば、その樹脂材料の劣化を防ぐべく、冷蔵庫や冷凍庫での保存が必要である。一方、形成されたプリフォーム体においては、第１積層体ＬＭ１は安定し、第２積層体ＬＭ２は樹脂材料の硬化度が調整されたものであり、常温で保管しても樹脂材料の劣化が殆どない。したがって、プリフォーム体を量産して保存しておくことで、急な需要にも対応して製品の供給が可能になる。

　また、１種類のプリフォーム体から複数種類の構造体（後述する図１７，１９，２１，２３参照）を形成できるため、製造コスト低減を図れる。

（本加熱工程）
　本製造方法の本加熱工程について説明する。図１５は、本加熱工程を模式的に示す図である。図１６は、型締め時における図１５の構成をＡ－Ａ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。

　まず、図１５に示すように、第１積層体ＬＭ１及び第２積層体ＬＭ２からなるプリフォーム体の両端を挟むように、一対の上型ＵＤと下型ＬＤを配置する。上型ＵＤと下型ＬＤとで成形型を構成する。

　上型ＵＤと下型ＬＤとは共通の形状を有する。具体的に、ブロック状の上型ＵＤは、平坦面ＵＤｃと、第２積層体ＬＭ２と略同径である半円筒状の凹面ＵＤａと、平坦面ＵＤｃと凹面ＵＤａとの間をつなぐ凹曲面状の遷移面ＵＤｂとを有する。また、ブロック状の下型ＬＤは、平坦面ＬＤｃと、第２積層体ＬＭ２と略同径である半円筒状の凹面ＬＤａと、平坦面ＬＤｃと凹面ＬＤａとの間をつなぐ凹曲面状の遷移面ＬＤｂとを有する。

　図１５に示すように、第１積層体ＬＭ１の端部の径方向外側に凹面ＵＤａ、ＬＤａが位置し、且つ第２積層体ＬＭ２の端部の径方向外側に平坦面ＵＤｃ、ＬＤｃが位置するようにして、上型ＵＤと下型ＬＤとの間にプリフォーム体を配置する。

　かかる状態で、上型ＵＤと下型ＬＤとを相対接近させて型締めを行うと、平坦面ＵＤｃ、ＬＤｃがプリフォーム体の端部を挟み込むようになる。先の予加熱工程で第２積層体ＬＭ２の熱硬化性樹脂が９０％以下の硬化度で加熱されているので、平坦面ＵＤｃ、ＬＤｃにより、第２積層体ＬＭ２を平らに押しつぶすように容易に変形させることができる（図１６参照）。

　このとき、所定の張力で第２積層体ＬＭ２の周囲に第２テープＴＰ２を巻き付けているので、また第２テープＴＰ２が持つ形状保持機能によって、第２積層体ＬＭ２が平板状に押しつぶされても、第２積層体ＬＭ２の端部両縁（図１６で左右側）の外表面は、曲率が一定もしくは徐々に変化する曲面を持つ。これにより、構造体の外観品質、及び曲げやねじれに対する強度を向上できる。また、両縁を通る強化繊維も折れずに曲がる（繊維の連続性が維持される）ことで、更に高い強度を確保できる。ただし、構造体の断面形状によっては、第２テープＴＰ２を必ずしも使用する必要はない。

　一方、第２積層体ＬＭ２の中央部は、硬化した第１積層体ＬＭ１によって成形型の加圧力に抗して円筒状に保持される。特に、第１積層体ＬＭ１の外周における第２積層体ＬＭ２には、凹面ＵＤａ、ＬＤａを設けたことで加圧力が直接印加されることなく、精度良い円筒形状を維持できる。

　更に、不図示のヒータやオーブンを用いて上型ＵＤと下型ＬＤおよび第２積層体ＬＭ２全体を加熱することにより、変形した状態で第２積層体ＬＭ２を完全に硬化させることができる。

　その後、上型ＵＤと下型ＬＤを離間させ、第２テープＴＰ２を剥がすことで、図１７に示す異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ３を得ることができる。構造体ＳＴ３は、中空円筒形状の中央部ＣＴと、閉じた平板状の端部ＥＤとを有する。中央部ＣＴと端部ＥＤとの間をつなぐ中間面ＭＰは、遷移面ＵＤｂ、ＬＤｂにより上下方向から加圧されてそれぞれ部分球状に形成される。中間面ＭＰを設けることで、中央部ＣＴと端部ＥＤとの間の急激な形状変化が回避され、応力集中などを抑制できる。

　例えば端部ＥＤにボルト穴を形成するなどすれば、このボルト穴を用いて構造体ＳＴ３と他部品とをボルト締結することができる。ここで、構造体ＳＴ３の両方の端部ＥＤは、いずれも水平面に一致する形状としている。しかしながら、成形型の型締め方向を変えることで、一方の端部ＥＤを水平面に一致させたとき、他方の端部ＥＤが垂直面に一致するような構造体ＳＴ３とすることもできる。また、一対の上型ＵＤと下型ＬＤのみを用いて、片方の端部ＥＤを順次成形してもよい。これにより設備コストが大幅に低減する。

（第１変形例）
　図１８は、第１変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。本変形例では、第２の実施形態と同様に上型ＵＤと下型ＬＤとを用いて、プリフォーム体の加圧および加熱を行うが、加圧前に、金属製の板材ＭＴを、第２積層体ＬＭ２の両端にインサートする。その後の上型ＵＤと下型ＬＤの型締めにより、板材ＭＴは、第２積層体ＬＭ２の端部の上部と下部により圧着され、その状態を維持したまま、第２積層体ＬＭ２が加熱硬化する。

　第１変形例によれば、上型ＵＤと下型ＬＤの加熱加圧により、図１９に示す異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ４が製造される。構造体ＳＴ４は、中空円筒形状の中央部ＣＴと、板材ＭＴをインサートした端部ＥＤとを有する。このため、端部ＥＤにボルト穴を形成しても破断しにくくなり、構造体としての機能がより高まる。なお、第２積層体ＬＭ２の端部にインサートする部品は、金属に限らない。例えば、ゴムや樹脂などをインサートすることで、構造体ＳＴ４の中央部ＣＴ内を密封し、外部から気体や流体が流入すること阻止することもできる。

（第２変形例）
　図２０は、第２変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。本変形例では、第２の実施形態とは異なる形状の上型ＵＤと下型ＬＤとを用いる。具体的に、ブロック状の上型ＵＤは、平坦面ＵＤｃと、第２積層体ＬＭ２と略同径である半円筒状の凹面ＵＤａと、平坦面ＵＤｃと凹面ＵＤａとの間をつなぐ平面状の遷移面ＵＤｂとを有する。また、ブロック状の下型ＬＤは、平坦面ＬＤｃと、第２積層体ＬＭ２と略同径である半円筒状の凹面ＬＤａと、平坦面ＬＤｃと凹面ＬＤａとの間をつなぐ平面状の遷移面ＬＤｂとを有する。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

　第２変形例によれば、上型ＵＤと下型ＬＤの加熱加圧により、図２１に示す異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ５が製造される。構造体ＳＴ５は、中空円筒形状の中央部ＣＴと、閉じた平板状の端部ＥＤと、中央部ＣＴと端部ＥＤとの間をつなぐ中間面ＭＰを有する。中間面ＭＰは、遷移面ＵＤｂ、ＬＤｂにより上下方向から加圧されてそれぞれ平面状に形成されたものである。

（第３変形例）
　図２２は、第３変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。本変形例では、第２の実施形態とは異なる形状の上型ＵＤと下型ＬＤとを用いる。具体的に、ブロック状の上型ＵＤは、平坦面ＵＤｃと、平坦面ＵＤｃに対して上方にシフトした半円筒状の凹面ＵＤａと、凹面ＵＤａにつながる凹曲面状の遷移面ＵＤｂと、遷移面ＵＤｂと平坦面ＵＤｃとの間に形成された斜面ＵＤｄとを有する。ブロック状の下型ＬＤは、平坦面ＬＤｃと、平坦面ＬＤｃに対して上方にシフトした半円筒状の凹面ＬＤａと、凹面ＬＤａにつながる凹曲面状の遷移面ＬＤｂと、遷移面ＬＤｂと平坦面ＬＤｃとの間に形成された斜面ＬＤｄとを有する。斜面ＵＤｄ、ＬＤｄは型締め時に平行となる。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

　第３変形例によれば、上型ＵＤと下型ＬＤの加熱加圧により、図２３に示す異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ６が製造される。構造体ＳＴ６は、中空円筒形状の中央部ＣＴと、閉じた平板状の端部ＥＤと、中央部ＣＴと端部ＥＤとの間に形成された傾斜板部ＣＬを有する。傾斜板部ＣＬは、斜面ＵＤｄ、ＬＤｄにより加圧されて傾いた板状に成形されたものである。構造体ＳＴ６は、傾斜板部ＣＬが形成されているために、端部ＥＤに対して中央部ＣＴが上方にシフトした形状を有し、これにより構造体ＳＴ６の周囲の部品との干渉を回避することができる。中央部ＣＴの断面形状に、任意の曲率を持たせることもできる。

（第４変形例）
　図２４は、第４変形例にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。本変形例では、第２積層体ＬＭ２の両端内側に第１積層体ＬＭ１をそれぞれ内挿したプリフォーム体を用いる。また、上型ＵＤと下型ＬＤは板状であって、プリフォーム体の中央（第１積層体ＬＭ１が存在しない位置）を加熱押圧する。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

　第４変形例によれば、上型ＵＤと下型ＬＤの加熱加圧により、図２５に示す異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ７が製造される。構造体ＳＴ７は、平らにつぶれた中央部ＣＴと、中空円筒形状の端部ＥＤとを有している。構造体ＳＴ７の中央部ＣＴを完全につぶさず、その内部で両方の端部ＥＤ間の連通を確保するようにしてもよい。

　なお、成形型は平板形状のほか、アングル形状であってもよく、これにより第２積層体ＬＭ２を加圧して潰すことにより、断面方向において繊維の連続性を損なわない構造体を成形できる。

（その他の変形例）
　図２６は、第４変形例に類似する構造体ＳＴ８の斜視図である。構造体ＳＴ８は、３か所の中空円筒部Ｂと、２か所の平板部Ｃとを有する。図２７は、第２変形例に類似する構造体ＳＴ９の斜視図である。構造体ＳＴ９において、端部ＥＤは第２の実施形態の成形型により平板状に潰され、中央部ＣＴは第１の実施形態の成形型により楕円断面形状に形成されている。第１積層体ＬＭ１はある程度変形可能であるため、成形型で押圧することにより、構造体ＳＴ９のように、円筒断面に限らず、長手方向の任意の位置で、任意の断面形状を持たせることが可能である。すなわち、本実施形態によれば、プリフォーム体の中央部の変形量と、端部の変形量とを異ならせることにより、任意の形状の異形端面構造体を形成できる。ただし、長手方向に沿って同一型形状の成形型を用いることで、第１の実施形態のように、多角形断面を持つ構造体を形成することもできる。

　以上述べたように、本実施形態によれば、成形時の外圧に耐えられる第１積層体ＬＭ１と、完全硬化前の状態まで調整された第２積層体ＬＭ２とを有するプリフォーム体を比較的簡単な方法で製作し、そのプリフォーム体を使用することで、品質の安定した、楕円あるいは多角形の閉断面形状を含むＦＲＰ製パイプや、それに加えて端部および/あるいは中間部が平板上に潰れた輪郭形状を有するＦＲＰ製パイプを、生産性及びコストの観点から効率よく製造することができる。

　本実施形態により形成される構造体は、長手方向に沿った任意の位置の断面形状を、円形断面（楕円断面を含む）、非円形断面（多角形断面、平板断面、自由形状断面）のように任意の断面形状とすることができる。

［第３の実施形態］
　図２８は、第３の実施形態にかかる製造方法の本加熱工程を示す、図１５と同様な図である。図２９は、型締め時における図２８の構成をＤｘ－Ｄｘ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。

　本実施形態では、第２積層体ＬＭ２の長手方向中央に、第２積層体ＬＭ２よりも長手方向寸法が短い第１積層体ＬＭ１を内挿したプリフォーム体を用いる。また、上型ＵＤは、その端部と遷移面ＵＤｂとをつなぐ断面円弧状の上溝ＵＤｅを備える。一方、下型ＬＤは、その端部と遷移面ＬＤｂとをつなぐ断面円弧状の下溝ＬＤｅを備える。それ以外の構成（本加熱工程直前までの工程を含む）は、上述した実施の形態と同様である。

　図２８に示すように、第２積層体ＬＭ２および第１積層体ＬＭ１の内部に、第２積層体ＬＭ２と長手方向寸法がほぼ等しく、ＣＦＲＰなどの繊維強化プラスチック、セラミックス、樹脂または金属（ステンレス、銅、真鍮、アルミなど）から形成された中空の棒材（別部材）ＴＢを挿入する。ただし、棒材ＴＢの長手方向寸法を、第２積層体ＬＭ２の長手方向寸法より長くしてもよい（以下の実施形態においても同様）。さらに、第１積層体ＬＭ１の端部の径方向外側に凹面ＵＤａ、ＬＤａが位置し、且つ棒材ＴＢの端部の径方向外側に上溝ＵＤｅと下溝ＬＤｅが位置するようにして、上型ＵＤと下型ＬＤとの間にプリフォーム体と棒材ＴＢとを配置する。

　かかる状態で、上型ＵＤと下型ＬＤとを相対接近させて型締めを行うと、上溝ＵＤｅと平坦面ＵＤｃ、および下溝ＬＤｅと平坦面ＬＤｃがプリフォーム体の端部を挟み込むようになる。先の予加熱工程で第２積層体ＬＭ２の熱硬化性樹脂が９０％以下の硬化度で加熱されているので、上溝ＵＤｅと下溝ＬＤｅの押圧により、第２積層体ＬＭ２の一部を棒材ＴＢの外周に密着させ、また棒材ＴＢの両側にある残りの第２積層体ＬＭ２を、平坦面ＵＤｃ、ＬＤｃにより平らに押しつぶすように容易に変形させることができる（図２９参照）。なお、棒材ＴＢの第２積層体ＬＭ２と密着する外周面に、予め接着剤を塗布するか接着フィルムを巻いておくことで、棒材ＴＢと第２積層体ＬＭ２との密着度を高めることができる。

　このとき、所定の張力で第２積層体ＬＭ２の周囲に第２テープＴＰ２を巻き付けているので、また第２テープＴＰ２が持つ形状保持機能によって、第２積層体ＬＭ２が平板状に押しつぶされても、第２積層体ＬＭ２の端部両縁（図２９で左右側）の外表面は、曲率が一定もしくは徐々に変化する曲面を持つ。これにより、構造体の外観品質、及び曲げやねじれに対する強度を向上できる。また、両縁を通る強化繊維も折れずに曲がる（繊維の連続性が維持される）ことで、更に高い強度を確保できる。ただし、構造体の断面形状によっては、第２テープＴＰ２を必ずしも使用する必要はない。

　一方、第２積層体ＬＭ２の中央部は、硬化した第１積層体ＬＭ１によって成形型の加圧力に抗して円筒状に保持される。特に、第１積層体ＬＭ１の外周における第２積層体ＬＭ２には、凹面ＵＤａ、ＬＤａを設けたことで加圧力が直接印加されることなく、精度良い円筒形状を維持できる。また、第１積層体ＬＭ１が円筒状に維持されることに加え、棒材ＴＢの端部が上溝ＵＤｅと下溝ＬＤｅを介して成形型の中央に保持されることにより、第１積層体ＬＭ１の内部に挿入された棒材ＴＢの外周は、第１積層体ＬＭ１の内周に密着することがなく、両者間に精度良い円管状の空間ＳＰ（後述する図３１、３２）が形成されることとなる。

　更に、本加熱工程を通して、不図示のヒータやオーブンを用いて上型ＵＤと下型ＬＤおよび第２積層体ＬＭ２全体を加熱することにより、変形した状態で第２積層体ＬＭ２を完全に硬化させることができる。

　その後、上型ＵＤと下型ＬＤを離間させ、第２テープＴＰ２を剥がすことで、図３０～３２に示すような、異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ１０と、棒材ＴＢとからなる複合構造体ＨＢ１を得ることができる。構造体ＳＴ１０は、中空円筒形状の中央部ＣＴと、平板状の端部ＥＤとを有する。第２積層体ＬＭ２における端部ＥＤの内周の一部は、棒材ＴＢの外周に密着し、残りの内周は相互に密着している。ただし、第１積層体ＬＭ１から長手方向外方へとはみ出した第２積層体ＬＭ２の端部近傍と棒材ＴＢとは接していない。また、端部ＥＤの上下面中央には棒材ＴＢに対応して、断面半月状の隆起部ＨＭが構造体ＳＴ１０の長手方向に延在している。

　本実施形態によれば、図３１、３２に示すように、構造体ＳＴ１０の内周と、棒材ＴＢの外周との間に、構造体ＳＴ１０の外部に対して密封された空間ＳＰが形成される。また、空間ＳＰは、中空の棒材ＴＢの内部空間に対しても密封されている。このため、例えば空間ＳＰ内に第１の流体を流し、また棒材ＴＢ内に第２の流体を通過させることで、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行わせることができる。

　あるいは、中空の棒材ＴＢの周壁に多数の貫通孔を設け、内燃機関のエキゾースパイプなどに接続すれば、複合構造体ＨＢ１を、空間ＳＰを膨張室とした消音器として機能させることもできる。また、棒材ＴＢは中空に限らず、中実であってもよい。さらには、複数の複合構造体ＨＢ１の中空棒材ＴＢの端部にオネジ／メネジ構造、スウェージロック構造（あるいはフレキ管をつなぐ）等を設けて相互に連結することができる。これによって、連結する複合構造体ＨＢ１の個数を熱交換器などの仕様に応じて調整することができ、パッケージ化を図ることが可能になる。また、密閉された空間ＳＰにガスを封入すると、構造体ＳＴ１０が浮力を持つため、複数の複合構造体ＨＢ１の中空棒材ＴＢの内部に紐／ロープを通して相互に繋げることで、浮き具、ブイ、オイルフェンスなどに利用できる。さらに、中空棒材ＴＢの空間ＳＰの周壁を浸透膜構造やイオン（電子）交換膜とすることで、複合構造体ＨＢ１を浄水ろ過器や電池用の構造体としても利用できる。

（その他の変形例）
　図３３は、第３の実施形態に類似する複合構造体ＨＢ２の図３２と同様な断面図である。図３４は、図３３の構成をＧ－Ｇ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。

　本実施形態においては、第２積層体ＬＭ２内に共通する形状の２つの第１積層体ＬＭ１を間隔をあけて配置したプリフォーム体を形成し、このプリフォーム体に棒材ＴＢを挿入し、さらに図２８と同様な成形型を２セット用いて本加熱工程を実行することにより、異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ１１と、棒材ＴＢとからなる複合構造体ＨＢ２を形成できる。複合構造体ＨＢ２は、外部に対して密封され、独立した２つの空間ＳＰを有する。

　なお、中空の棒材ＴＢの外周に第１積層体ＬＭ１の内周を密着させる際に、型締め方向の押圧力を高めることで、図３４に示すように、棒材ＴＢの断面を楕円形状に変形させることもできる。複合構造体ＨＢ２の両端の断面も同様である。ただし、第２積層体ＬＭ２の内側の棒材ＴＢには径方向の外圧が印加されないので、棒材ＴＢの断面は円形状のままである。棒材ＴＢの断面形状は、円形に限定されず、例えば六角形状、八角形状などの断面形状とすることは任意である。また、予め局所的に変形させた断面を持つ棒材を用いて、複合構造体ＨＢ２を形成してもよい。

　図３５は、第３の実施形態に類似する複合構造体ＨＢ３の図３０と同様な斜視図である。図３６は、図３５の構成をＨ－Ｈ断面で矢印方向に見た状態を示す図である。本変形例の複合構造体ＨＢ３は、図２８に示す成形型の代わりに、図１５に示す成形型を用いて、異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ１２と、棒材ＴＢとからなる複合構造体ＨＢ３を得ることができる。

　より具体的には、第３の実施形態と同様に、第２積層体ＬＭ２および第１積層体ＬＭ１の内部に、第２積層体ＬＭ２と長手方向寸法がほぼ等しい、ＣＦＲＰなどの繊維強化プラスチック、樹脂または金属から形成された中空の棒材ＴＢを挿入し、さらに図１５に示す成形型を用いて加圧することで、第１積層体ＬＭ１の端部ＥＤと棒材ＴＢの端部とが平坦につぶれた複合構造体ＨＢ３を得ることができる。それ以外の構成は、図３０に示す実施形態と同様である。

　本変形例においては、第１積層体ＬＭ１と棒材ＴＢとの間に密封された空間ＳＰが形成され、また両端がつぶれた棒材ＴＢの内部に別の空間ＳＰＸが形成される。空間ＳＰと空間ＳＰＸとは互いに連通しないため、それぞれ別なガスまたは液体を封入できる。端部ＥＤの貫通孔に形成して、ボルトなどを挿通して他部品と締結することで、複合構造体ＨＢ３を補強材として用いることができる。

　図３７は、第３の実施形態に類似する複合構造体の図３２と同様な断面図である。本変形例の複合構造体ＨＢ４は、異形断面形状の構造体（異形断面構造体）ＳＴ１３と、棒材ＴＢとからなる。中空の棒材ＴＢは、第１積層体ＬＭ１の長手方向外方へとはみ出した第２積層体ＬＭ２の一方の端部ＥＤのみに密着した状態で挿入されている。また、第１積層体ＬＭ１の長手方向外方へとはみ出した第２積層体ＬＭ２の他方の端部ＥＤは、棒材ＴＢが挿入されることなく開口を閉じた形状となっている。第１積層体ＬＭ１の長手方向外方へとはみ出した第２積層体ＬＭ２の両端近傍の部位は、空間ＳＰに接している。共通する構成については、重複する説明を省略する。

　本変形例によれば、空間ＳＰを、液体や気体などの常圧式または加圧式のタンクとして利用できる。一般的にタンクに接続する配管には、バルブなどが接続されることが多い。本変形例においては、端部ＥＤから突き出た棒材ＴＢにねじを形成して、不図示のバルブなどに直接接続することができ、また中央部ＣＴ内に液体や気体を貯留可能である。かかる構成により、バルブを介して中央部ＣＴと外部との間で液体や気体の移動を行うことが可能になる。また、棒材ＴＢと他の配管とを、継手を介して接続することもできる。

　本発明の構造体は、歩行アシストや介護アシストにおいて研究が進み、一部で実用されているパワースーツのフレーム部品などに用いると、CFRP材料の特性（軽量高強度高剛性）と、この異形断面/多角形構造を有効に活用できる。更には、オートバイ、自動車などの車両に本発明の構造体を用いることで、強度を確保しつつ軽量化を図ることができ、燃費向上に貢献できる。特に、棒材と構造体からなる複合構造体は、軽量で高強度に加え、棒材の材料によっては靭性も有するため、歩行/介護アシスト用フレーム、オートバイ/自動車用構造体以外にも利用可能性が広がり、広範な産業の発達に貢献できる。

ＰＳ１～ＰＳ６、ＰＳ１１～ＰＳ１７　　プリプレグシート
ＭＤ　マンドレル
ＣＹ　円筒コア材
ＴＰ　テープ
ＯＶ　オーブン
ＲＤ　回転駆動体
ＵＤ　上型
ＬＤ　下型
ＬＭ１　第１積層体
ＬＭ２　第２積層体
ＳＴ１～ＳＴ１３　構造体
ＴＢ　棒材
ＨＢ１～ＨＢ４　複合構造体

Claims (17)

1. 　中空の円筒コア材の周囲に、強化繊維と、未硬化の熱硬化性樹脂とを含む複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の積層体を形成する巻付工程と、
   　前記積層体の外周にテープ又はフィルムを巻き付けて圧迫する圧迫工程と、
   　前記熱硬化性樹脂が完全硬化する前の状態であって、前記熱硬化性樹脂の硬化度が３０％～９０％の範囲で、前記積層体を加熱して硬化させる予加熱工程と、
   　前記テープ又はフィルムを巻き付けた前記積層体と前記円筒コア材を、成形型内に配置して、前記熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記積層体を加熱すると共に、加圧することにより前記円筒コア材を非円断面形状に変形させる本加熱工程と、を有し、
   　前記円筒コア材と前記積層体とを一体とした構造体を形成する、
   構造体の製造方法。
2. 　前記本加熱工程後において、前記成形型から前記積層体を取り出して、前記テープまたはフィルムを剥がす、
   請求項１に記載の構造体の製造方法。
3. 　前記複合素材は、前記強化繊維に前記熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグである、
   請求項１に記載の構造体の製造方法。
4. 　マンドレルの周囲に、第１強化繊維と、未硬化の第１熱硬化性樹脂とを含む第１複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の内側積層体を形成し、
   　前記内側積層体の周囲を圧迫し、
   　前記第１熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記内側積層体を加熱することによって、前記円筒コア材を形成する、
   請求項１に記載の構造体の製造方法。
5. 　マンドレルの周囲に、第１強化繊維と、未硬化の第１熱硬化性樹脂とを含む第１複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の内側積層体を形成する第１巻付工程と、
   　前記内側積層体の周囲を圧迫する第１圧迫工程と、
   　前記第１熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記内側積層体を加熱する第１加熱工程と、
   　硬化した前記内側積層体の周囲に、第２強化繊維と、未硬化の第２熱硬化性樹脂とを含む第２複合素材を複数枚、巻き付けて筒状の外側積層体を形成する第２巻付工程と、
   　前記外側積層体の周囲を圧迫する第２圧迫工程と、
   　前記第２熱硬化性樹脂が完全硬化する前の状態まで、前記外側積層体を加熱する予加熱工程と、
   　前記外側積層体及び前記内側積層体より前記マンドレルを引き抜く引抜工程と、
   　前記外側積層体と前記内側積層体を、成形型内に配置して、前記第２熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記外側積層体を加熱すると共に、加圧することにより前記外側積層体を変形させる本加熱工程と、を有する、
   構造体の製造方法。
6. 　前記第１圧迫工程において、前記内側積層体の全周に第１テープ又は第１フィルムを巻き付けて圧迫し、
   　前記第１加熱工程後において、前記内側積層体の外周から前記第１テープまたは第１フィルムを剥がす、
   請求項５に記載の構造体の製造方法。
7. 　前記第２圧迫工程において、前記外側積層体の全周に第２テープ又は第２フィルムを巻き付けて圧迫し、
   　前記本加熱工程後において、前記外側積層体の外周から前記第２テープまたは第２フィルムを剥がす、
   請求項５に記載の構造体の製造方法。
8. 　前記第１複合素材は、前記第１強化繊維に前記第１熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグであり、前記第２複合素材は、前記第２強化繊維に前記第２熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグである、
   請求項５に記載の構造体の製造方法。
9. 　前記予加熱工程において、前記第２熱硬化性樹脂の硬化度が３０％～９０％の範囲になるよう、前記外側積層体を加熱する、請求項５に記載の構造体の製造方法。
10. 　前記内側積層体から長手方向外方へと前記外側積層体がはみ出して形成されており、前記本加熱工程において、前記外側積層体の端部側の変形量を、前記内側積層体の中央側の変形量と異ならせる、
    請求項５に記載の構造体の製造方法。
11. 　前記外側積層体の長手方向寸法は、前記内側積層体の長手方向寸法より長くなっており、
    　前記引抜工程後に、前記外側積層体および前記内側積層体内に中空または中実の棒材を挿入する工程を有し、
    　前記本加熱工程において、前記外側積層体と前記内側積層体と前記棒材を、成形型内に配置して、前記第２熱硬化性樹脂が完全硬化するまで前記外側積層体を加熱すると共に、
    加圧することにより前記外側積層体を前記棒材に密着させる、
    請求項５に記載の構造体の製造方法。
12. 　前記内側積層体により支持された前記外側積層体と、前記棒材との間に密封空間を形成する、
    請求項１１に記載の構造体の製造方法。
13. 　前記棒材は中空であり、前記密封空間は前記棒材の内部と連通しない、
    請求項１２に記載の構造体の製造方法。
14. 　第１強化繊維を含む第１熱硬化性樹脂を硬化させて形成された内側積層体と、
    　第２強化繊維を含む第２熱硬化性樹脂を硬化させて形成された外側積層体と、を有する中空の構造体であって、
    　前記内側積層体の端部から外方へと前記外側積層体がはみ出して形成されており、
    　前記外側積層体の内側に挿入された前記内側積層体が、前記外側積層体の形状を保持し、
    　前記内側積層体の内側に別部材が挿入され、前記別部材と前記内側積層体との間に空間が形成されており、
    　前記内側積層体の端部から外方へとはみ出した前記外側積層体の端部の内周の一部は、前記別部材の外周に密着している、構造体。
15. 　前記別部材は中空である、ことを特徴とする請求項１４に記載の構造体。
16. 　第１強化繊維を含む第１熱硬化性樹脂を硬化させて形成された内側積層体と、
    　第２強化繊維を含む第２熱硬化性樹脂を硬化させて形成された外側積層体と、を有する中空の構造体であって、
    　前記内側積層体の端部から外方へと前記外側積層体がはみ出して形成されており、
    　前記外側積層体の内側に挿入された前記内側積層体が、前記外側積層体の形状を保持し、
    　前記外側積層体の一方の端部に別部材が挿入され、前記外側積層体の他方の端部は別部材が挿入されない状態で閉じている、構造体。
17. 　前記別部材は中空である、ことを特徴とする請求項１６に記載の構造体。

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