WO2023095424A1 - 回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置および成形方法 - Google Patents

回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置および成形方法 Download PDF

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molding
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山口晃司
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    • B29C70/54Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing apparatus and molding method for carbon fiber reinforced plastic for reinforcing rotating parts.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • a ring made of CFRP may be formed on the outer peripheral surface of the rotor.
  • the molding of the ring made of CFRP is performed, for example, as follows.
  • thermosetting resin and carbon fiber e.g., unidirectional prepreg
  • a wrapping tape e.g., highly heat-resistant wrapping tape
  • the assembly is placed in an oven. is heated to cure the thermosetting resin to form a CFRP ring having a predetermined shape, and the tape is removed after the ring is formed.
  • wrapping tape as a secondary material is difficult to reuse due to its usage pattern, so it has to be thrown away, and there is also the problem that the secondary material costs a lot.
  • Patent Documents 1 to 3 various techniques utilizing thermal expansion of rubber or elastomer for molding are known (for example, Patent Documents 1 to 3). It is difficult to apply CFRP for part reinforcement to molding. In addition, when forming a CFRP ring on the outermost layer of a rotating part having a circular cross section for reinforcing it, it is desirable to apply a molding pressure evenly in the direction of the center of the rotating part. None of the technologies has come to meet such demands.
  • an object of the present invention is to shorten the manufacturing time and reduce the cost in order to make it suitable for mass production when molding a desired CFRP ring as the outermost layer as a reinforcement of a rotating part having a circular cross section. It is possible to have excellent mass productivity with equipment, and it is possible to reuse used materials repeatedly without using disposable secondary materials, so it is possible to reduce manufacturing costs, and moreover, it is even in the center direction of the rotating parts.
  • the present invention has the following configuration.
  • a manufacturing device that molds a ring made of carbon fiber reinforced plastic as the outermost layer to reinforce a rotating part with a circular cross section, and is a unidirectional prepreg made of thermosetting resin and carbon fiber wound around the rotating part.
  • An apparatus for manufacturing carbon fiber reinforced plastic for reinforcing rotating parts characterized in that an annular pressure source utilizing the thermal expansion of the prepreg is present between the cavity of the mold and the unidirectional prepreg.
  • the pressure source is a flexible object having a coefficient of linear expansion of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 /° C. or more.
  • the carbon fiber reinforcement for reinforcing rotating parts according to any one of (8) to (14), wherein the pressure source is in contact with the unidirectional prepreg and has a certain gap from the mold before heating.
  • a method of molding plastic (16) A cavity of the mold is formed in a through hole, and a preassembly is formed by assembling the rotating part, the unidirectional prepreg, and the pressure source in a predetermined positional relationship, and the preassembly is inserted into the through hole.
  • the rotating part reinforcing carbon according to any one of (8) to (15), wherein after inserting from one side and molding the ring, the assembly with the ring molded is removed from the other side of the through hole.
  • a molding method for fiber-reinforced plastics 16
  • the mold cavity (more precisely, the inner peripheral surface of the cavity) and the unidirectional prepreg (more precisely, the outer periphery of the unidirectional prepreg) (surface)
  • the inner peripheral surface of the cavity of the mold serving as a fixed surface
  • the prepreg is evenly pressurized toward the center of the rotating part having a circular cross section by a pressure source, and the unidirectional prepreg is heat-cured while the uniform molding pressure is applied by this external pressure to form a CFRP ring for reinforcing the rotating part.
  • the uniform molding pressure due to the external pressure can be easily set to a desired pressure depending on the material of the pressure source, the dimension between the cavity of the mold and the unidirectional prepreg before heating, the heating temperature, and the like.
  • the thermal expansion of the pressure source itself accompanying heating of the mold for curing the unidirectional prepreg is used, but after molding the CFRP ring, the pressure source may be removed from the CFRP ring, By appropriately selecting the material, the removed pressure source can be reused repeatedly by cooling to the initial state or by thermal contraction due to cooling to a certain extent. cost can be reduced.
  • the molding according to the present invention it is possible and simple to mold a reinforcing CFRP ring for a rotating part as long as there is a heatable mold having a cavity of a predetermined size and a pressure source as described above. It is possible to easily and quickly manufacture the CFRP ring for reinforcing rotating parts with inexpensive equipment in a short period of time, and achieve excellent mass productivity.
  • the use of a multi-cavity mold allows multiple reinforcing CFRP rings to be molded simultaneously, making it more adaptable for mass production.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a molding method of CFRP for reinforcing rotating parts according to one embodiment of the present invention
  • FIG. Fig. 2(a) is a schematic perspective view of a mold in a CFRP manufacturing apparatus for reinforcing rotating parts according to one embodiment of the present invention, and a pre-assembly of a rotating part, a unidirectional prepreg and a pressure source is inserted into a cavity of the mold.
  • FIG.2(b) shows the state which carried out.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a manufacturing apparatus for CFRP for reinforcing rotating parts according to another embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic perspective view showing an example of a molding cycle in a molding method of CFRP for reinforcing rotating parts according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 shows a molding method of CFRP for reinforcing rotating parts according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a manufacturing apparatus for CFRP for reinforcing rotating parts according to one embodiment of the present invention.
  • reference numeral 3 denotes a rotating part whose cross section is circular with respect to the rotating shaft.
  • the outermost layer is a ring made of CFRP (the reinforcement molded in FIG. 4). ) is molded.
  • the CFRP ring for reinforcement is molded by a process of winding a unidirectional prepreg 4 made of thermosetting resin and carbon fiber around the rotating part 3 and then heating and curing it in the mold 1 .
  • a mold 1 is formed with a cavity 2 having a circular cross section.
  • An annular pressure source 5 is interposed between the outer peripheral surfaces of the unidirectional prepregs 4 .
  • the annular pressure source 5 applies external pressure (for example, external pressure P shown in FIG. 1) to the unidirectional prepreg 4 against the inner peripheral surface of the cavity 2 by utilizing its own thermal expansion accompanying heating of the mold 1.
  • the unidirectional prepreg 4 is heat-hardened while an external pressure P is applied to form a reinforcing CFRP ring.
  • thermosetting resin of the unidirectional prepreg 4 made of the thermosetting resin and carbon fiber is not particularly limited, and epoxy resin, cyanate ester resin, bismaleimide resin, polyimide resin, etc. can be used. Epoxy resins are preferred.
  • the type of carbon fiber is not particularly limited, and from the viewpoint of being able to effectively reinforce the rotating part 3 (for example, the rotating part 3 rotating at high speed can be effectively reinforced against centrifugal force), Carbon fibers that extend continuously in the circumferential direction are preferred.
  • the unidirectional prepreg 4 may include a unidirectional prepreg having carbon fibers continuously extending in the circumferential direction of the rotating part 3.
  • the thickness of the unidirectional prepreg 4 in the radial direction of the rotating part is not particularly limited, from the viewpoint of reducing the size and weight of the rotating part 3 with the reinforcing CFRP ring, it is sufficient if only the thickness necessary for the reinforcement can be secured. Smaller is better.
  • the material of the pressure source 5 is not particularly limited as long as it can apply the target external pressure P to the unidirectional prepreg 4 by utilizing its own thermal expansion. /° C. or more and 10 ⁇ 10 ⁇ 4 /° C. or less.
  • Fluoro-rubber is an example of a flexible material having such a coefficient of linear expansion.
  • a more preferable linear expansion coefficient of the flexible object is 2 ⁇ 10 ⁇ 4 /° C. or more and 5 ⁇ 10 ⁇ 4 /° C. or less.
  • Examples of materials for flexible objects having such a coefficient of linear expansion include silicone rubber. Silicon rubber and fluororubber have good releasability, so they can be said to be preferable materials for the demolding process shown in FIG. 4, which will be described later.
  • the external pressure P applied by the pressure source 5 during heat curing of the unidirectional prepreg 4 is not particularly limited as long as the CFRP ring after the unidirectional prepreg 4 is cured has a target thickness. If the thickness is too large, the rotating part 3 may be affected unexpectedly.
  • a preferable external pressure P is, for example, in the range of 0.1 MPa or more and 10 MPa or less.
  • a more preferable range of the external pressure P is 0.2 MPa or more and 8 MPa or less.
  • the thickness of the pressure source 5 is not particularly limited as long as the external pressure P to the unidirectional prepreg 4 due to its own thermal expansion is within a preferable range and a uniform external pressure P can be applied. , it may be difficult to apply a uniform external pressure P within a preferable range. be.
  • the thickness of the pressure source 5 is preferably in the range of 1 to 100 times the thickness of the unidirectional prepreg 4, and more preferably in the range of 2 to 80 times.
  • the unidirectional prepreg 4 Before the pressure source 5 is heated and thermally expanded, i.e. the unidirectional prepreg 4 is inserted together with the rotating part 3 into the cavity 2 of the mold 1 and between the cavity 2 and the unidirectional prepreg 4 an annular pressure source 5 is formed. is interposed, the pressure source 5 is in contact with the unidirectional prepreg 4, and preferably has a certain gap with the mold 1 (with the inner peripheral surface of the cavity 2 of the mold 1). Since the unidirectional prepreg 4 is molded into the reinforcing CFRP ring of the rotating part 3, the unidirectional prepreg 4 is brought into contact with the pressure source 5 and held in a predetermined positional relationship before the external pressure P is applied.
  • the pressure source 5 is placed in the cavity 2 of the mold 1 together with the rotating part 3 and the unidirectional prepreg 4 wound thereon (that is, as a pre-assembly). Since insertion is preferable in terms of process, in order to ensure ease of insertion at that time, in addition, from the viewpoint of ease of demolding after heat curing molding of the CFRP ring, the pressure source 5 is set before heating. It is preferable to have a certain gap from the inner peripheral surface of the cavity 2 of the mold 1 . By doing so, the pressure source 5 (for example, the pressure source 5 provided on the unidirectional prepreg 4) can be easily inserted into the cavity 2 of the mold 1 before heat curing molding of the CFRP ring. After molding, preferably after the pressure source 5 is thermally shrunk to some extent, the pressure source 5 can be easily removed from the mold 1 together with the molded CFRP ring.
  • the rotating component 3 to be molded with the reinforcing CFRP ring is, for example, a rotor of a motor
  • the rotating component 3 may have a magnet.
  • the mold 1 is made of a magnetic material
  • the mold 1 is made of a non-magnetic material (for example, non-magnetic metal), such fears can be eliminated.
  • FIG. 3 illustrates the case where there are four cavities 2, since the number of cavities 2 and the number of molds 1 can be easily increased, it is possible to easily handle a huge amount of production.
  • FIG. 4 shows an example in which one mold 1 as shown in FIG. 1 has one cavity 2, but one mold 1 as shown in FIG. It is also applicable when
  • the cavity 2 of the mold 1 is formed in a through-hole, and the rotating part 3, the unidirectional prepreg 4 wound thereon and the pressure source 5 provided thereon are in place. It is inserted from one side (from above) into the through-hole forming the cavity 2 in the form of a pre-assembly 6 which is assembled in relation to each other and is shown in FIG.
  • the unidirectional prepreg 4 is formed into a reinforcing CFRP ring by heat curing while external pressure is applied to the unidirectional prepreg 4 using the thermal expansion of the pressure source 5 accompanying the heating of the mold 1 .
  • Process (B) of FIG. 4 shows the state of the unidirectional prepreg 4 immediately after heat curing. 3, the assembly of rotating part 3, heat-cured unidirectional prepreg 4, and pressure source 5 is locally cooled to keep the temperature of mold 1 substantially constant while pressure source 5 is heated. contracted.
  • the local cooling mechanism 8 is incorporated in the demolding mechanism 9 .
  • the pressure source 5 is removed from the demolded assembly 11, and the removed pressure source 5 is repeatedly reused for assembling the pre-assembly 6 described above for the next molding.
  • the assembly 11 from which the pressure source 5 has been removed becomes a rotating component 12 with a reinforcing CFRP ring (that is, a rotating component 3 provided with a reinforcing CFRP ring 13 formed on the outermost layer) as a target product. .
  • the series of manufacturing or molding processes as described above is a process that can be executed repeatedly. 2, since the process can be executed while continuously moving the pre-assembly 6 and the molded assembly 11 from top to bottom, mass production can be easily handled and automated. is also possible.
  • the present invention can be applied to the manufacture of all rotating parts that require molding of reinforcing CFRP rings for rotating parts with a circular cross section.

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Abstract

断面が円状の回転部品の補強として最外層に炭素繊維強化プラスチックからなるリングを成形する製造装置であって、回転部品に巻き付けられた熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグを加熱硬化させる型において、型のキャビティと一方向プリプレグの間に、自身の熱膨張を利用して一方向プリプレグに所望の外圧をかける環状の圧力源が存在する回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置、および成形方法。大量生産にも適合可能とし、安価な設備にて優れた量産性を有し、使い捨ての副資材が不要で使用部材の繰り返し再利用が可能で製造の低コスト化が可能であり、しかも回転部品の中心方向に均等に成形圧力をかけることが可能な製造装置と成形方法を提供できる。

Description

回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置および成形方法
 本発明は、回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置および成形方法に関する。
 回転部品を補強するために、該回転部品の外面に炭素繊維強化プラスチック(以下、CFRPと略称することもある。)を成形する技術が知られている。例えば、モータのロータを補強するために、該ロータの外周面にCFRPからなるリングを成形することがある。このCFRPからなるリングの成形は、従来、例えば次のように行われている。
 回転部品としてのロータの外周面上に熱硬化性樹脂と炭素繊維からなるプリプレグ(例えば一方向プリプレグ)を巻き付け、その上にラッピングテープ(例えば耐熱性の高いラッピングテープ)を巻き付け、そのアッセンブリをオーブンで加熱し熱硬化性樹脂を硬化させて所定形状のCFRPからなるリングを成形し、リング成形後にテープを除去する。このような成形方法により、外周面がCFRPリングで補強されたロータが得られる。
 しかしながら、上記のような従来の成形方法においては、とくにラッピングテープの巻き付けや除去に手間がかかり、自動化が困難である。そのため、製造時間の短縮や量産性が求められる回転部品の補強用CFRPリングの成形技術としては、革新的な改良技術あるいは全く異なる成形技術が強く要望されている。
 また、副資材としてのラッピングテープは、その使用形態から再利用は難しいため使い捨てにならざるを得ず、副資材に多大なコストがかかるという問題もある。
 一方、本発明に関連する技術として、ラバーやエラストマーの熱膨張を成形に利用する技術は各種知られているが(例えば、特許文献1~3)、これらの従来の成形技術はいずれも、回転部品補強用CFRPの成形への適用は困難である。また、断面が円状の回転部品の補強用にその最外層にCFRPリングの成形が求められる場合、回転部品の中心方向に均等に成形圧力が加わることが望ましいが、上記のような従来の成形技術はいずれも、このような要望を満たす技術とはなっていない。
特開平4-294126号公報 特開平3-272832号公報 特開2008-018623号公報
 そこで本発明の課題は、とくに断面が円状の回転部品の補強として最外層に所望のCFRPリングを成形するに際し、大量生産にも適合可能とするために、製造時間の短縮が可能で安価な設備にて優れた量産性を有することが可能であり、かつ使い捨ての副資材が不要で使用部材の繰り返し再利用が可能で製造の低コスト化が可能であり、しかも回転部品の中心方向に均等に成形圧力をかけることが可能で望ましい成形を行うことが可能な、回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置および成形方法を提供することにある。
 上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を有する。
(1)断面が円状の回転部品の補強として最外層に炭素繊維強化プラスチックからなるリングを成形する製造装置であって、回転部品に巻き付けられた熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグを加熱硬化させる型において、型のキャビティと一方向プリプレグの間に、自身の熱膨張を利用する環状の圧力源が存在することを特徴とする、回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(2)前記圧力源が、線膨張係数が1×10-4/℃以上の可撓性物体である、(1)に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(3)前記可撓性物体の材料が、シリコンゴムまたはフッ素ゴムである、(2)に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(4)前記型が非磁性体からなる、(1)~(3)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(5)前記圧力源の厚みが、前記一方向プリプレグの厚みに対して、1~100倍の範囲にある、(1)~(4)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(6)一つの前記型に、少なくとも2つ以上のキャビティが存在する、(1)~(5)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(7)前記圧力源が、前記一方向プリプレグと当接し、前記型とは一定の隙間を持つ、(1)~(6)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
(8)断面が円状の回転部品の補強として最外層に炭素繊維強化プラスチックからなるリングを成形する方法であって、熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグを回転部品に巻き付けた後、型内で加熱硬化させるプロセスにおいて、型のキャビティと一方向プリプレグの間に、自身の熱膨張を利用する環状の圧力源を介在させ、前記プリプレグに対し前記圧力源により外圧をかけることを特徴とする、回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(9)前記圧力源が、線膨張係数が1×10-4/℃以上の可撓性物体である、(8)に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(10)前記可撓性物体の材料が、シリコンゴムまたはフッ素ゴムである、(9)に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(11)前記一方向プリプレグに対し前記圧力源により0.1MPa以上10MPa以下の外圧をかける、(8)~(10)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(12)前記型が非磁性体からなる、(8)~(11)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(13)前記圧力源の厚みが、前記一方向プリプレグの厚みに対して、1~100倍の範囲にある、(8)~(12)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(14)一つの前記型に、少なくとも2つ以上のキャビティが存在し、同時に少なくとも2つ以上のリングを成形する、(8)~(13)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(15)前記圧力源が、加熱前において、前記一方向プリプレグと当接し、前記型とは一定の隙間を持つ、(8)~(14)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(16)前記型のキャビティが貫通孔に形成されており、前記回転部品と前記一方向プリプレグと前記圧力源を所定の位置関係に組み付けてプリアッセンブリを形成し、該プリアッセンブリを前記貫通孔に一方の側から挿入して前記リングを成形した後、リングが成形されたアッセンブリを貫通孔の他方の側から脱型する、(8)~(15)のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(17)前記アッセンブリを脱型する際に、前記アッセンブリを局所的に冷却することで、前記型の温度を一定に保ったまま、前記圧力源を熱収縮させ脱型する、(16)に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
(18)脱型したアッセンブリから前記圧力源を取り外し、取り外した圧力源を繰り返し使用する、(16)または(17)に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
 本発明に係る回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置および成形方法によれば、型のキャビティ(より正確にはキャビティの内周面)と一方向プリプレグ(より正確には一方向プリプレグの外周面)との間に介在された、可撓性物体等からなる環状の圧力源自身の熱膨張により、固定面としての型のキャビティの内周面に対し、回転部品に巻き付けられていた一方向プリプレグが、圧力源により断面円状の回転部品の中心方向に向けて均等に加圧され、この外圧による均等な成形圧力がかけられつつ一方向プリプレグが加熱硬化され、回転部品補強用のCFRPリングが望ましい形態、つまり、目標とする望ましい厚み寸法を全周にわたって均等に有するCFRPリングに成形される。上記外圧による均等な成形圧力は、圧力源の材質、型のキャビティと一方向プリプレグ間の加熱前寸法、加熱温度等により、容易に所望圧力に設定可能である。
 このCFRPリングの成形においては、一方向プリプレグを硬化させるための型の加熱に伴う圧力源自身の熱膨張が利用されるが、CFRPリングの成形後には圧力源はCFRPリングから取り外されればよく、材質の適切な選定により取り外された圧力源は初期状態への冷却あるいはある程度の冷却による熱収縮により繰り返し再使用が可能であり、従来のラッピングテープを用いる方法における使い捨ての副資材は不要で、製造の低コスト化が可能になる。
 また、本発明に係る成形では、所定サイズのキャビティを有する加熱可能な型と、上記のような圧力源さえあれば、回転部品に対し補強用CFRPリングを成形することが可能であり、簡単で安価な設備で容易にかつ短時間のうちに迅速に目標とする回転部品補強用CFRPリングの製造が可能になり、優れた量産性を実現できる。さらに、複数のキャビティを有する型を使用すれば、複数の補強用CFRPリングを同時に成形することが可能になり、一層の大量生産に対しても適合させることが可能になる。
本発明の一実施態様に係る回転部品補強用CFRPの成形方法を示す概略斜視図である。 本発明の一実施態様に係る回転部品補強用CFRPの製造装置における型の概略斜視図(図2(a))および該型のキャビティ内に回転部品、一方向プリプレグおよび圧力源のプリアッセンブリを挿入した状態を示す概略斜視図(図2(b))である。 本発明の別の実施態様に係る回転部品補強用CFRPの製造装置の概略斜視図である。 本発明の一実施態様に係る回転部品補強用CFRPの成形方法における成形サイクルの一例を示す概略斜視図である。
 以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
 図1は、本発明の一実施態様に係る回転部品補強用CFRPの成形方法を示しており、図2は、本発明の一実施態様に係る回転部品補強用CFRPの製造装置を示している。図1、図2において、符号3は、回転軸に対し横断面が円状の回転部品を示しており、この回転部品3の補強として最外層にCFRPからなるリング(図4に成形された補強用CFRPリング13として図示)が成形される。
 上記補強用のCFRPリングは、熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグ4を回転部品3に巻き付けた後、型1内で加熱硬化させるプロセスによって成形される。型1には、横断面が円状のキャビティ2が形成されており、型1のキャビティ2(キャビティ2の内周面)と、キャビティ2内に回転部品3とともに挿入された一方向プリプレグ4(一方向プリプレグ4の外周面)の間には、環状の圧力源5が介在される。この環状の圧力源5は、型1の加熱に伴う自身の熱膨張を利用して、キャビティ2の内周面に対し、一方向プリプレグ4に外圧(例えば、図1に示す外圧P)をかけることができるようになっており、一方向プリプレグ4は外圧Pをかけられながら加熱硬化され、補強用CFRPリングに成形される。
 上記熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグ4の熱硬化性樹脂の種類としては、とくに限定されず、エポキシ樹脂やシアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂等が使用可能であり、中でもエポキシ樹脂が好ましい。炭素繊維の種類としてもとくに限定されず、回転部品3を効果的に補強できる(例えば、高速で回転される回転部品3を遠心力に対して効果的に補強できる)観点から、回転部品3の周方向に連続的に延びる炭素繊維であることが好ましい。一方向プリプレグ4としては、回転部品3の周方向に連続的に延びる炭素繊維を有する一方向プリプレグが含まれていればよく、その一方向プリプレグの単層構成のほか、その一方向プリプレグの積層構成、他の方向に延びる炭素繊維を有する層との積層構成、さらには他の層(例えば、織物を含むプリプレグ層)との積層構成などであってもよい。また、一方向プリプレグ4の回転部品径方向厚みについては、とくに限定されないが、補強用CFRPリング付き回転部品3の小型・軽量化の観点からは、補強に必要な厚みさえ確保できればよいので、極力小さい方が好ましい。
 圧力源5の材質としては、自身の熱膨張を利用して一方向プリプレグ4に目標とする外圧Pをかけることができるものであればとくに限定されないが、例えば線膨張係数が1×10-4/℃以上、10×10-4/℃以下の可撓性物体であることが好ましい。このような線膨張係数を有する可撓性物体の材料として、例えばフッ素ゴムが挙げられる。可撓性物体のより好ましい線膨張係数は2×10-4/℃以上、5×10-4/℃以下である。このような線膨張係数を有する可撓性物体の材料として、例えばシリコンゴムが挙げられる。シリコンゴムやフッ素ゴムは良好な離型性を有するので、後述の図4に示す脱型プロセスに関しても好ましい材料と言える。
 一方向プリプレグ4の加熱硬化時に加えられる圧力源5による外圧Pとしては、一方向プリプレグ4が硬化した後のCFRPリングが目標とする厚みに成形されれば、とくに限定されないが、小さすぎると目標とする厚みあるいは均等な厚みに成形できないおそれがあり、大きすぎると回転部品3に予期しない影響を及ぼすおそれがある。好ましい外圧Pとしては、例えば0.1MPa以上10MPa以下の範囲である。より好ましい外圧Pの範囲は0.2MPa以上8MPa以下である。
 圧力源5の厚みとしても、自身の熱膨張による一方向プリプレグ4への外圧Pが好ましい範囲内であり、かつ均等な外圧Pをかけることができる限り、とくに限定されないが、厚みが小さすぎると、好ましい範囲内で均等な外圧Pをかけることが困難になるおそれがあり、大きすぎると熱膨張時に自身の予期しない変形を生じるおそれがあり、均等な外圧Pをかけることが困難になるおそれがある。好ましい圧力源5の厚みとしては、一方向プリプレグ4の厚みに対して、1~100倍の範囲にあり、より好ましくは2~80倍の範囲である。
 圧力源5が加熱され熱膨張される前には、すなわち、型1のキャビティ2内に回転部品3とともに一方向プリプレグ4が挿入され、キャビティ2と一方向プリプレグ4の間に環状の圧力源5が介在された状態においては、圧力源5は、一方向プリプレグ4とは当接し、型1とは(型1のキャビティ2の内周面とは)一定の隙間を持っていることが好ましい。一方向プリプレグ4が回転部品3の補強用CFRPリングへと成形されることから、外圧Pが加えられる前から一方向プリプレグ4が圧力源5に当接されて所定の位置関係に保持されていることが好ましいのは勿論のこと、後述の図4に示すように、圧力源5は回転部品3、それに巻き付けられた一方向プリプレグ4とともに(つまり、プリアッセンブリとして)、型1のキャビティ2内に挿入されることがプロセス上好ましいので、その際の挿入の容易性を確保するために、加えてCFRPリングの加熱硬化成形後の脱型のしやすさの面から、圧力源5は加熱前において型1のキャビティ2の内周面とは一定の隙間を持っていることが好ましい。このようにしておけば、CFRPリングの加熱硬化成形前には圧力源5(例えば、一方向プリプレグ4上に設けられた圧力源5)を型1のキャビティ2内に容易に挿入でき、加熱硬化成形後には、好ましくは圧力源5をある程度熱収縮させた後には、成形されたCFRPリングとともに圧力源5を型1から容易に脱型させることが可能になる。
 また、補強用CFRPリングの成形対象となる回転部品3が、例えばモータのロータである場合等においては、回転部品3が磁石を有する場合がある。このような場合には、型1が磁性体から構成されていると、上記のようなプリアッセンブリを型1のキャビティ2内に挿入する際、回転部品3の磁力により目標とする位置への挿入が困難になるおそれがある。型1が非磁性体(例えば、非磁性金属)から構成されていると、このようなおそれを除去することができる。
 上記のような本発明に係る回転部品補強用CFRPの製造装置や成形方法においては、例えば図3に示すように、一つの型1に、少なくとも2つ以上のキャビティ2を存在させ、同時に少なくとも2つ以上のCFRPリングを成形することが可能である。一つの型1の加熱により、上述したような圧力源5の熱膨張による外圧をかけながらの一方向プリプレグ4の加熱硬化を複数の一方向プリプレグ4に対して同時に行うことができ、目標とするCFRPリングを複数同時成形することが可能になる。このような装置、プロセスにより、量産性が大幅に向上され、低コストで容易に大量生産が可能になる。なお、図3にはキャビティ2が4つの場合を例示したが、キャビティ2の数や型1の数は容易に増加できるので、膨大な量の製造にも容易に対応可能である。
 さらに、本発明に係る回転部品補強用CFRPの製造装置や成形方法では、大量生産に対応するために、かつ、製造の低コスト化のために、図4に例示するようなプロセスを採用することが好ましい。図4は、図1に示したような一つの型1に一つのキャビティ2が存在する場合を例に示してあるが、図3に示したような一つの型1に複数のキャビティ2が存在する場合にも同様に適用可能である。
 図4に示す例においては、型1のキャビティ2が貫通孔に形成されており、回転部品3とその上に巻き付けられた一方向プリプレグ4とその上に設けられた圧力源5が所定の位置関係に組み付けられてプリアッセンブリ6の形態にてキャビティ2を形成している貫通孔に一方の側から(上方側から)挿入され、加熱硬化プロセス7(プロセス(A))において、図1に示したように、型1の加熱に伴う圧力源5の熱膨張を利用して一方向プリプレグ4に外圧がかけられながら一方向プリプレグ4が加熱硬化により補強用CFRPリングに成形される。
 図4のプロセス(B)は、一方向プリプレグ4の加熱硬化直後の状態を示しており、プロセス(C)において、局所冷却機構8が加熱硬化直後の一方向プリプレグ4、圧力源5および回転部品3に当接され、回転部品3と加熱硬化された一方向プリプレグ4と圧力源5のアッセンブリが局所的に冷却され、型1の温度を実質的に一定に保ったまま、圧力源5が熱収縮される。図示例では、局所冷却機構8は、脱型機構9に組み込まれている。
 圧力源5がある程度熱収縮されると、初期状態に近づいて、圧力源5とキャビティ2を形成している貫通孔の内周面との間に加熱前の初期状態の隙間が生じるかそれに近い状態となり、上方から押し込まれる脱型機構9によって、回転部品3と加熱硬化され補強用CFRPリングに成形された一方向プリプレグ4と圧力源5のアッセンブリ11は、プロセス(D)にて、貫通孔の他方の側から(下方側から)容易に脱型される(脱型プロセス10)。
 脱型されたアッセンブリ11からは圧力源5が取り外され、取り外された圧力源5は、次の成形のために、前述したプリアッセンブリ6の組みつけに繰り返し再使用される。圧力源5が取り外されたアッセンブリ11は、目標とする製造物としての補強用CFRPリング付き回転部品12(つまり、最外層に成形された補強用CFRPリング13が設けられた回転部品3)となる。
 上記のような一連の製造あるいは成形プロセスは、繰り返し実行可能なプロセスであり、圧力源5の熱膨張を利用した一方向プリプレグ4の加熱硬化成形プロセスも、貫通孔に形成された型1のキャビティ2に対し、上方から下方へと連続的にプリアッセンブリ6、成形後のアッセンブリ11を移動させつつ実行することが可能なプロセスであるから、容易に大量生産に対応することが可能であり、自動化も可能である。
 本発明は、断面が円状の回転部品に対し補強用CFRPリングの成形が求められるあらゆる回転部品の製造に適用可能である。
1 型
2 キャビティ
3 回転部品
4 一方向プリプレグ
5 圧力源
6 プリアッセンブリ
7 加熱硬化プロセス
8 局所冷却機構
9 脱型機構
10 脱型プロセス
11 アッセンブリ
12 補強用CFRPリング付き回転部品
13 成形された補強用CFRPリング
P 外圧

Claims (18)

  1.  断面が円状の回転部品の補強として最外層に炭素繊維強化プラスチックからなるリングを成形する製造装置であって、回転部品に巻き付けられた熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグを加熱硬化させる型において、型のキャビティと一方向プリプレグの間に、自身の熱膨張を利用する環状の圧力源が存在することを特徴とする、回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  2.  前記圧力源が、線膨張係数が1×10-4/℃以上の可撓性物体である、請求項1に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  3.  前記可撓性物体の材料が、シリコンゴムまたはフッ素ゴムである、請求項2に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  4.  前記型が非磁性体からなる、請求項1~3のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  5.  前記圧力源の厚みが、前記一方向プリプレグの厚みに対して、1~100倍の範囲にある、請求項1~4のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  6.  一つの前記型に、少なくとも2つ以上のキャビティが存在する、請求項1~5のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  7.  前記圧力源が、前記一方向プリプレグと当接し、前記型とは一定の隙間を持つ、請求項1~6のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの製造装置。
  8.  断面が円状の回転部品の補強として最外層に炭素繊維強化プラスチックからなるリングを成形する方法であって、熱硬化性樹脂と炭素繊維からなる一方向プリプレグを回転部品に巻き付けた後、型内で加熱硬化させるプロセスにおいて、型のキャビティと一方向プリプレグの間に、自身の熱膨張を利用する環状の圧力源を介在させ、前記プリプレグに対し前記圧力源により外圧をかけることを特徴とする、回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  9.  前記圧力源が、線膨張係数が1×10-4/℃以上の可撓性物体である、請求項8に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  10.  前記可撓性物体の材料が、シリコンゴムまたはフッ素ゴムである、請求項9に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  11.  前記一方向プリプレグに対し前記圧力源により0.1MPa以上10MPa以下の外圧をかける、請求項8~10のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  12.  前記型が非磁性体からなる、請求項8~11のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  13.  前記圧力源の厚みが、前記一方向プリプレグの厚みに対して、1~100倍の範囲にある、請求項8~12のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  14.  一つの前記型に、少なくとも2つ以上のキャビティが存在し、同時に少なくとも2つ以上のリングを成形する、請求項8~13のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  15.  前記圧力源が、加熱前において、前記一方向プリプレグと当接し、前記型とは一定の隙間を持つ、請求項8~14のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  16.  前記型のキャビティが貫通孔に形成されており、前記回転部品と前記一方向プリプレグと前記圧力源を所定の位置関係に組み付けてプリアッセンブリを形成し、該プリアッセンブリを前記貫通孔に一方の側から挿入して前記リングを成形した後、リングが成形されたアッセンブリを貫通孔の他方の側から脱型する、請求項8~15のいずれかに記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  17.  前記アッセンブリを脱型する際に、前記アッセンブリを局所的に冷却することで、前記型の温度を一定に保ったまま、前記圧力源を熱収縮させ脱型する、請求項16に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
  18.  脱型したアッセンブリから前記圧力源を取り外し、取り外した圧力源を繰り返し使用する、請求項16または17に記載の回転部品補強用炭素繊維強化プラスチックの成形方法。
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