(57)【要約】【課題】本発明は非一様な断面形状を有する中空棒状構造体製品を一体成形する製造方法に関するものであって、特に部材の材質が繊維強化プラスチックである場合に好適な中空棒状構造体の製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも繊維強化型プラスチックからなる中空棒状構造体の製造方法であって、前記中空棒状構造体より小さい相似形状を有し熱膨張性を有する可とう性中子に、少なくとも一つの開口部を確保するようにプリプレグ基材を巻きつけて積層体とする賦形工程と、前記中空棒状構造体より大きく、相似形状をしたキャビティー面をもつ金型の内面に、一定肉厚からなる熱膨張性弾性体シートを配し、前記積層体を前記熱膨張性弾性体シートの内側に配置したのち前記金型を閉じ、前記金型を加熱することにより、前記可とう性中子および前記シートの熱膨張により圧力を付与しつつ硬化させる硬化工程と、硬化後、前記開口部より前記可とう性中子を引き抜く工程とからなる中空棒状構造体の製造方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも繊維強化型プラスチックからなる中空棒状構造体の製造方法であって、
前記中空棒状構造体より小さい相似形状を有し熱膨張性を有する可とう性中子に、少なくとも一つの開口部を確保するようにプリプレグ基材を巻きつけて積層体とする賦形工程と、
前記中空棒状構造体より大きく、相似形状をしたキャビティー面をもつ金型の内面に、一定肉厚からなる熱膨張性弾性体シートを配し、前記積層体を前記熱膨張性弾性体シートの内側に配置したのち前記金型を閉じ、前記金型を加熱することにより、前記可とう性中子および前記シートの熱膨張により圧力を付与しつつ硬化させる硬化工程と、
硬化後、前記開口部より前記可とう性中子を引き抜く工程とからなることを特徴とする中空棒状構造体の製造方法。
【請求項２】
前記可とう性中子が、長手軸方向に沿って複数に分割されている請求項１に記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項３】
前記可とう性中子の外周にカバーを被覆させてから前記プリプレグ基材を巻きつける請求項１または２に記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項４】
前記熱膨張性弾性体シートが、前記可とう性中子より硬度が高い請求項１〜３のいずれかに記載の中空構造体の製造方法。
【請求項５】
前記開口部が前記中空棒状構造体の長手方向に対して垂直とならないように設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項６】
前記中空棒状構造体の長手軸方向に垂直な断面が、長手方向に沿って非一様な断面である請求項１〜５のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項７】
前記開口部とは異なる部分の前記中空棒状構造体の内部に金属部品が内包されている請求項１〜６のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項８】
フィルム状接着剤が貼付された前記金属部品と前記可とう性中子とに、前記プリプレグ基材を巻きつけてなる請求項７に記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項９】
前記可とう性中子及び前記熱膨張性弾性体シートがシリコンゴムである請求項１〜８のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記プリプレグ基材が一方向性の炭素繊維プリプレグである請求項１〜９のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非一様な断面形状を有する中空棒状構造体製品を一体成形する製造方法に関するものであって、特に部材の材質が繊維強化プラスチックである場合に好適な中空棒状構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、棒状構造体は様々な製品において構造部材や動力伝達部材等に用いられている。このうち、自転車のクランクアームや、往復動式内燃機関のクランク、コンロッドなど、一方の端部に動力源、もう一方の端部に動力によって駆動される回転軸等の動力伝達材が結合される部材は、軽量性が求められると同時に荷重に対する高い剛性が求められる。そこで高い剛性と軽量性を両立させるために、棒状構造体を中空構造にするという要求がある。
【０００３】
中空体を成形する方法としては、コの字型断面の部材を作りこの部材を向かい合わせに張り合わせる、もしくはコの字断面の開口部を後工程で蓋をする、などの方法やプルトルージョン成形法、フィラメントワインディング法、エアバッグを用いた内圧成形法、溶解性材料を中子に用いた成形法、熱膨張性材料を中子に用いた成形方法などが知られている。
【０００４】
コの字断面部材を用いた方法では、後工程による溶接や接着などの接合工程が煩雑であり品質の管理が難しく生産性を下げている。プルトルージョン法では一様の断面をした真っ直ぐなパイプしか製造できずしかも設備費が高い欠点がある。フィラメントワインディング法では強化用繊維の長繊維の比率を高められるので比較的強度の高い中空体が得られるが、軸対称の製品しか製造できず、しかも設備費が高い欠点がある。エアバッグを用いた内圧成形法では、エアバッグを除去する工程が煩雑であり、また一様な断面形状以外では均一な内圧を付与することが困難である。溶解性材料を中子に用いる方法では、溶解性材料として石膏や低融点合金、ワックスなどを用いる方法が知られているが、この方法では個別に中子を作製する工程が必要なこと、溶融除去のための工程が煩雑で、時間を要することなどからコスト高につながり大量生産に向かず、リサイクル性の観点からも好ましくない。
【０００５】
前述のような方法に対して、外型の内部にラバー成形型を配置し、ラバー成形型を加熱して熱膨張による成形圧力を被成形物に加えて成形する方法が特許文献１に開示されている。この成形方法では、ラバー成形型の内部に、被成形物の外形に沿って、被成形物の樹脂粘度が最低粘度を経た直後に成形圧力が加わるように、ほぼ均一な隙間が設けられているので、気泡の巻き込み等を抑制した成形品を得ることができる。しかし、形状が複雑になったり、被成形物に使用する樹脂の種類が多様になったりすると、同一形状であっても、その都度隙間の異なるラバー成形型を準備する必要が生じるため、多品種に迅速に対応することには限界があった。
【０００６】
また、溶解材料を中子に用いる方法に対しては、予め別工程でワックスにより中子を製作しその中子を用いて繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）部品を成形する方法が特許文献２に開示されている。この方法では、溶出したワックスを回収し再利用することでリサイクル性を向上させているが、成形の都度中子を製作する必要がありコスト高につながるとともに、溶出したワックスも１００％の歩留まりで回収することが難しいため成形を繰り返すたびに目減りしていくという難点がある。
【０００７】
熱膨張性材料を中子に用いる方法としては、シリコンゴムを用いた成形法が特許文献３に開示されている。この方法では、熱膨張性シリコンゴムを中子として用い熱膨張性を利用して圧力を付与する成形方法がとられているが、製品外表面が金型に直接当接するため中空部位の断面変化に伴うシリコンゴム中子の体積膨張率の違いにより、断面の小さい部位（シリコン中子の体積が小さく膨張率が小さい部位）では圧力が低く、断面の大きい部位（シリコン中子の体積が大きく膨張率が大きい部位）では圧力が高くなるため圧力差による外観上のムラがでるなどの難点がある。
【０００８】
以上のように、非一様断面形状を有する中空棒状構造体を一体成形により製造することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−０１８６２３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０７８５３号公報
【特許文献３】特開２００５−５１５０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、一体成形により非一様断面を有する中空棒状構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、
（１）少なくとも繊維強化プラスチックからなる中空棒状構造体の製造方法であって、前記中空棒状構造体より小さい相似形状を有し熱膨張性を有する可とう性中子に、少なくとも一つの開口部を確保するようにプリプレグ基材を巻きつけて積層体とする賦形工程と、
前記中空棒状構造体より大きく、相似形状をしたキャビティー面をもつ金型の内面に、一定肉厚からなる熱膨張性弾性体シートを配し、前記積層体を前記熱膨張性弾性体シートの内側に配置したのち前記金型を閉じ、前記金型を加熱することにより、前記可とう性中子および前記シートの熱膨張により圧力を付与しつつ硬化させる硬化工程と、
硬化後、前記開口部より前記可とう性中子を引き抜く工程とからなることを特徴とする中空棒状構造体の製造方法。
（２）前記可とう性中子が、長手軸方向に沿って複数に分割されている（１）に記載の中空棒状構造体の製造方法。
（３）前記可とう性中子の外周にカバーを被覆させてから前記プリプレグ基材を巻きつける（１）または（２）に記載の中空棒状構造体の製造方法。
（４）前記熱膨張性弾性体シートが、前記可とう性中子より硬度が高い（１）〜（３）のいずれかに記載の中空構造体の製造方法。
（５）前記開口部が前記中空棒状構造体の長手方向に対して垂直とならないように設けられている（１）〜（４）のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
（６）前記中空棒状構造体の長手軸方向に垂直な断面が、長手方向に沿って非一様な断面である（１）〜（５）のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
（７）前記開口部とは異なる部分の前記中空棒状構造体の内部に金属部品が内包されている（１）〜（６）のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
（８）フィルム状接着剤が貼付された前記金属部品と前記可とう性中子とに、前記プリプレグ基材を巻きつけてなる（７）に記載の中空棒状構造体の製造方法。
（９）前記可とう性中子及び前記熱膨張性弾性体シートがシリコンゴムである（１）〜（８）のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
（１０）前記プリプレグ基材が一方向性の炭素繊維プリプレグである（１）〜（９）のいずれかに記載の中空棒状構造体の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一体成形により非一様断面を有する中空棒状構造体を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明により得られる中空棒状構造体の一例を示した概略図である。
【図２】本発明に用いられる、可とう性中子の分割状態を示した概略図である。
【図３】本発明に用いられる、カバー材を示した概略図である
【図４】本発明の一実施態様である金属部品一体成形で用いられる金属部品の概略図である。
【図５】本発明における賦形工程を示した概略図である。
【図６】本発明における硬化工程での、（ａ）金型内配置を示した展開図、（ｂ）各部材が            金型内部に収納された状態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１〜図６には、本発明の一実施態様に係る中空棒状構造体とその製造方法を示している。なお、図１〜図６は本発明の例を示したもので特に構成部材の形状や材質等については本実施態様に示したものには限定されない。
【００１６】
図１に示すような本実施態様に係る中空棒状構造体１０は、中空棒状構造体１０より小さい相似形状を有し熱膨張性を有する可とう性中子１に、少なくとも一つの開口部を確保するようにプリプレグ基材４を巻きつけて積層体とする賦形工程と、中空棒状構造体１０より大きく、相似形状をしたキャビティー面をもつ金型６、７の内面に、一定肉厚からなる熱膨張性弾性体シート５を配し、積層体を熱膨張性弾性体シート５の内側に配置したのち金型６、７を閉じ、金型６、７を加熱することにより、可とう性中子１および熱膨張性弾性体シート５の熱膨張により圧力を付与しつつ硬化させる硬化工程と、硬化後、開口部より可とう性中子１を引き抜く工程とからなることを特徴としている。
【００１７】
本発明に用いる可とう性中子１は、中空棒状構造体１０と相似形状をなしており、中空棒状構造体１０を製造するための中子として提供される。特に、図２に示すように、長手軸方向に沿って複数の分割された可とう性中子１ａ〜１ｄに分割することで、後述する開口部２ａから容易に分解、引き抜き除去を行うことができ、繰り返し使用することが可能となる。分割する数や形状は、目的とする中空棒状構造体１０に応じて適宜設定することができる。
【００１８】
可とう性中子１は、熱膨張性を有する可とう性材料からなることが本発明では重要である。具体的には、ＮＢＲ（ノルマルブチレンラバー）ゴムやシリコンゴムを用いることが好ましく、この中でも加熱硬化工程における耐熱性の点からシリコンゴムを用いることが好ましい。
【００１９】
また、本発明では、可とう性中子１の外周を、図３に示すような中空棒状構造体１０と相似形状に形成されたカバー材２で覆うことも好ましい態様である。カバー材２内部に可とう性中子１を隙間なく設置させると、後述する賦形工程においてプリプレグ基材４を巻きつけるにあたり、目的とする中空棒状構造体１０の形状を容易に保持できるとともに、可とう性中子１に直接プリプレグ基材４に含浸された樹脂が付着しないため、樹脂が付着することなく寸法精度を維持したまま繰り返し使用することができる。なお、カバー材２は、分割された可とう性中子１ａ〜１ｄを容易に挿入しやすいように、中空棒状構造体１０軸方向に沿って切れ目を設けることが好ましい。
【００２０】
また、カバー材２には、後述する硬化工程後に分割された可とう性中子１ａ〜１ｄを容易に抜き取るために、開口部２ａを設けることが重要である。開口部２ａを設ける位置は特に限定しないものの、中空棒状構造体１０の一方の端部に設けると、分割された可とう性中子１ａ〜１ｄが一方向に抜き取ることができる点で好ましい態様である。開口部２ａの開口する向きは、目的とする中空棒状構造体１０に応じて適宜設定できるが、中空棒状構造体１０の成形後、開口部２ａに他の部材を嵌入、接着して使用する場合には、中空棒状構造体１０の長手軸方向に対して垂直でない方向に開口していることが好ましく、長手軸方向にほぼ並行に開口していると長手軸方向に対して垂直に部材を設けることができるため、さらに好ましい態様である。
【００２１】
カバー材２の材質は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどのように、熱硬化性樹脂が含浸されたプリプレグ基材４に対し離型性に優れた材料を選択することが好ましい。
【００２２】
図４は、本実施態様で用いられる金属部品３を示している。金属部品３は、主に本発明により得られる中空棒状構造体１０が機械要素の一部として用いられる際に、接合のためのねじ穴を開けたりするために用いられる部材である。金属部品３の材質は特に限定しないが、耐候性や軽量性の観点から、アルミニウムが好ましく用いられる。プリプレグ基材４と接する金属部品３の表面にあらかじめフィルム接着剤などを配してから、カバー材２内に収められた可とう性中子１とあわせてプリプレグ基材４に内包させることにより、金属部品３を内包した中空棒状構造体１０を一体成形することが可能になる。
【００２３】
図５は、カバー材２内に収められた可とう性中子１と金属部品３とをプリプレグ基材４で巻き付け、積層体を得る賦形工程を示している。プリプレグ基材４は、最終製品形状である中空棒状構造体１０の展開図から想致されるカットパターンにあらかじめ裁断されたものを用い、金属部品３を開口部２ａとは対極にある端部に配置する。また、開口部２ａを被覆しないカットパターンを選択することで、硬化完了後に分割された可とう性中子１ａ〜１ｄを容易に抜き取り可能とする積層体を得ることが可能になる。
【００２４】
本発明に用いられるプリプレグ基材４に適した強化繊維としては、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維などを用いることができる。用いられる強化繊維の形態としては、本発明により得られる中空棒状構造体の使用目的に応じ、応力および剛性などの使用条件に合わせ、最適設計に基づき一方向性の強化繊維を複数枚用いて適宜配向、積層させることが好ましい。外観意匠性の要求から積層体の最外層にクロス織物を配することも可能である。
【００２５】
また、用いられる樹脂としては、エポキシ樹脂のほかポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂が好適に使用される。
【００２６】
積層体作製の工程においては、前述のようにカットパターンに基づき予め裁断されたプリプレグ基材４を複数枚積層して積層体が得られるが、この際、巻きつけの合わせ目が各層で同じところに集中しないようなカットパターンを考案することが、得られる中空棒状構造体の強度面では有利になる。
【００２７】
開口部２ａの周囲は積層後、トリムし端面を切りそろえておくかもしくは積層のための治具により各層の切断端面をそろえて巻きつけるなどすることで、後に続く加熱硬化後の成形体においてバリの発生を抑えることができ、可とう性中子１の引き抜きに際して作業の難易度を下げることができる。
【００２８】
図６は、積層体の硬化工程を示しており、（ａ）は展開図を、（ｂ）は積層体を挟持させた状態を、それぞれ示している。
【００２９】
本発明により提供される中空棒状構造体１０より大きく、相似形状を有するキャビティー面を持つ金型６、７の内面に、一定肉厚からなる熱膨張性弾性体シート５を配し、積層体を熱膨張性弾性体シート５の内側に配置したのち、金型６，７を閉じる。このように挟持された積層体を内包する金型６，７を加熱することにより、可とう性中子１および熱膨張性弾性体シート５が熱膨張することで、積層体に圧力を付与しつつ樹脂を硬化させるとともに、金属部品３に貼着したフィルム接着剤を融着させることにより、目的とする中空棒状構造体１０を得ることができる。
金型６，７に用いられる材料は、加工性および伝熱性に優れ、また加熱時の膨張が小さい材料、例えば炭素鋼Ｓ４５Ｃなどを用いることが好ましい。金型の加熱手段としては、閉じた金型６、７をそのままオーブンに投入し加熱するか、ホットプレスで加熱するか、金型に穿孔加工を施し棒状ヒーターを設置するなどの加熱手段をとることが可能である。
【００３０】
本発明に用いられる熱膨張性弾性体シート５の材質は、可とう性中子１と同質材料を用いても良いし、異なる材料を用いても良い。例えば、熱膨張性弾性体シート５をＮＢＲ（ノルマルブチレンラバー）ゴムで作製し、可とう性中子１をシリコンゴムで作製するなどしても良い。熱膨張性弾性体シート５の硬度をＨｓ５、可とう性中子１のＨｓ１としたとき、Ｈｓ５≧Ｈｓ１となるように材料を選択することで、加熱により可とう性中子１および熱膨張性弾性体シート５は膨張するものの、熱膨張性弾性体シート５の硬度が高いため、可とう性中子１が積層体の内側から膨張しやすく、金型６、７のキャビティー面に押し付ける方向に膨張する。このとき、熱膨張性弾性体シート５の肉厚を一定にすることで、中空棒状構造体１０の外面から付与される熱膨張による圧力が一定となるため、可とう性中子１の断面形状のばらつきによる体積膨張率の差に起因する熱膨張ムラを緩和でき、最終製品となる中空棒状構造体１０の外形寸法を精度良く得ることが可能になる。
【００３１】
硬化後、カバー材２の開口部２ａより可とう性中子１を引き抜く工程が続く。引き抜き工程において、従来技術では中子の制約により長手方向に対して垂直な断面で開口部を設ける必要があったり、製品の断面形状が開口部よりも小さく且つ一様な形状であることが必要であったりしたが、本発明においては、中子の可とう性と分割形状を最適化することで長手方向に対して垂直でない開口部から引き抜くことができ、また、非一様断面形状を有する中空棒状構造体を成形することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る中空棒状構造体及びその製造方法は自転車クランクアームや、往復動式内燃機関のクランク、コンロッドなど一方の端部に動力源、もう一方の端部に動力によって駆動される回転軸等の動力伝達材が結合されるあらゆる部材に適用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１    可とう性中子
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ  分割された可とう性中子
２    カバー材
２ａ  開口部
３    金属部品
４    プリプレグ基材
５    熱膨張性弾性体シート
６    金型（上型）
７    金型（下型）
１０    中空棒状構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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