(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の強化繊維層を積層してなる筒状のドライプリフォームを成形するための方法であって、
長尺状のマンドレルを長手方向一方に送りながら、長手方向に沿って引き揃えた複数の強化繊維束を前記マンドレルの外周に供給することにより前記マンドレルの全周を覆う長手方向強化繊維層を形成し、
前記マンドレルを長手方向一方に送りながら、強化繊維束が捲回されたボビンを前記マンドレルの外周を周方向一方に周回させることにより、長手方向と交差する方向に沿って引き揃えられ、前記マンドレルの全周に隙間なく敷き詰められた強化繊維からなる第１の螺旋方向強化繊維層を形成し、
前記マンドレルを長手方向一方に送りながら、前記ボビンと長手方向に離隔した箇所で、強化繊維束が捲回された他のボビンを前記マンドレルの外周を周方向他方に周回させることにより、前記第１の螺旋方向強化繊維層の強化繊維と長手方向に対して対称な方向に沿って引き揃えられ、前記マンドレルの全周に隙間なく敷き詰められた強化繊維からなる第２の螺旋方向強化繊維層を形成することにより、
前記長手方向強化繊維層、前記第１の螺旋方向強化繊維層、及び前記第２の螺旋方向強化繊維層を積層して前記マンドレルと一体に形成するドライプリフォームの成形方法。
【請求項２】
長手方向強化繊維層を、マンドレルの外周に仮固定する請求項１記載のドライプリフォームの成形方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のドライプリフォーム成形方法により筒状のドライプリフォームを成形する工程と、前記ドライプリフォームに樹脂を含浸固化させる工程とを有する筒状複合材の製造方法。
【請求項４】
長尺状のマンドレルの外周面に一体に設けられた筒状のドライプリフォームであって、
長手方向に沿って引き揃えられ、全周に敷き詰められた強化繊維からなる長手方向強化繊維層と、長手方向と交差する方向に沿って引き揃えられ、全周に隙間なく敷き詰められた強化繊維からなる第１の螺旋方向強化繊維層と、前記第１の螺旋方向強化繊維層の強化繊維と長手方向に対して対称な方向に沿って引き揃えられ、全周に隙間なく敷き詰められた強化繊維からなる第２の螺旋方向強化繊維層とを有し、
前記長手方向強化繊維層、前記第１の螺旋方向強化繊維層、及び前記第２の螺旋方向強化繊維層が積層されたドライプリフォーム。
【請求項５】
請求項４記載のドライプリフォームに樹脂を含浸・固化させてなる複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材のドライプリフォーム及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維に樹脂を含浸・固化させてなる複合材は、軽量且つ高強度であるため、航空機等に用いられる。特に、複数の強化繊維を引き揃えてなる強化繊維層を積層した複合材は、強化繊維を密に配することができるため強度が非常に高い。このような複合材を筒状に形成する方法として、例えば引抜き成形法やフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法と言う。）が知られている。
【０００３】
引抜き成形法は、樹脂を含浸させた繊維を長尺のマンドレルの外周に沿って引き揃えて配し、この繊維を長手方向に引っ張りながらダイスの内孔を通すことにより所定の断面形状に成形した後、樹脂を加熱して固化させることにより複合材を連続成形するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、ＦＷ法は、長尺のマンドレルの外周に樹脂を含浸させた強化繊維を、螺旋状に捲回しながら長手方向で往復させることにより、強化繊維層を積層するものである（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１６６４６７号公報
【特許文献２】特開２０１０−０００６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、引抜き成形では、多数のボビンから供給された強化繊維を、ダイスの成形穴を通すことにより成形しているため、断面形状は長手方向で一定とせざるを得ず、成形品の形状が制約される。また、引抜き成形法では、強化繊維が、引抜き装置による張力のみでダイスの成形穴の内周面に押し付けられているに過ぎないため、強化繊維が成形穴の内周面に完全に倣わず、成形品の寸法精度が低下する恐れがある。
【０００７】
一方、ＦＷ法では、マンドレルの外周に強化繊維を捲回することにより、成形品がマンドレルの外周形状に倣って精度良く成形される。また、マンドレルの形状を変更することで、成形品の形状を自由に設計できる。しかし、ＦＷ法では、強化繊維をマンドレルの外周に螺旋状に捲回しながら長手方向に往復させるため、マンドレルの長手方向両端部で折り返す必要がある。筒状の複合材を成形する場合、通常、この折り返し部分の強化繊維層は廃棄されるため、歩留まりが低下する。また、ＦＷ法では、マンドレルに捲回する方向（螺旋方向）の繊維は供給しやすいが、マンドレルの長手方向に沿った繊維は供給しにくい。このため、例えば、マンドレルの長手方向両端に外径に突出したピンを設け、このピンの間を掛け渡すようにして長手方向の繊維を予め配置する必要がある。この場合、長手方向の強化繊維の配置に非常に手間がかかる。特に、マンドレルが湾曲している場合や、マンドレルの断面形状が長手方向で異なる場合には、マンドレルの外周に長手方向の強化繊維を配置することが極めて困難となる。
【０００８】
本発明は、マンドレルの外周に強化繊維を捲回することによりドライプリフォームを成形するにあたり、歩留まりを高めると共に、長手方向の強化繊維の配置を容易化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するためになされた本発明は、複数の強化繊維層を積層してなる筒状のドライプリフォームを成形するための方法であって、長尺状のマンドレルを長手方向一方に送りながら、長手方向に沿って引き揃えた複数の強化繊維束をマンドレルの外周に供給することによりマンドレルの全周を覆う長手方向強化繊維層を形成すると共に、マンドレルの外周に螺旋状に強化繊維束を捲回することによりマンドレルの全周を覆う螺旋方向強化繊維層を形成するものである。
【００１０】
上記の成形方法により、長尺状のマンドレルの外周面で成形された筒状のドライプリフォームであって、長手方向に沿って引き揃えられ、全周に敷き詰められた強化繊維からなる長手方向強化繊維層と、長手方向と交差する方向に沿って引き揃えられ、全周に敷き詰められた強化繊維からなる螺旋方向強化繊維層とを有するドライプリフォームを得ることができる。
【００１１】
上記のように、本発明のドライプリフォームの成形方法では、マンドレルを長手方向一方に送りながら、マンドレルの全周を長手方向強化繊維層及び螺旋方向強化繊維で覆う（ラッピングする）ことで、配向方向の異なる複数の強化繊維層を積層している。これにより、ＦＷ法のようにマンドレルの長手方向で強化繊維を往復させる必要がないため、折り返しによる強化繊維の無駄が省かれ、歩留まりが高められる。また、マンドレルを長手方向に送りながら、長手方向に引き揃えた複数の強化繊維束をマンドレルの外周に連続的に供給することで、予めマンドレルの外周に長手方向の強化繊維を配置する場合と比べて、長手方向の強化繊維の配置が容易化される。
【００１２】
上記のドライプリフォームの形成方法において、強化繊維束が捲回されたボビンを、マンドレルの外周を周方向一方に周回させることにより、第１の螺旋方向強化繊維層を形成すると共に、上記のボビンと長手方向に離隔した箇所で、強化繊維束が捲回された他のボビンを、マンドレルの外周を周方向他方に周回させることにより、第２の螺旋方向強化繊維層を形成すれば、配向方向の異なる複数の強化繊維層を連続的に積層することができる。
【００１３】
長手方向強化繊維層をマンドレルの外周に形成した後、この長手方向強化繊維層をマンドレルの外周に仮固定すれば、マンドレルが湾曲した場合や、マンドレルの断面形状が長手方向で異なる場合であっても、マンドレルの外周面形状に沿って長手方向強化繊維層を配置することができる。尚、「仮固定」とは、強化繊維層に樹脂を含浸・固化して完全に固定する工程とは別に設けられるものであり、強化繊維層をマンドレルの外周に倣わせるために暫定的に固定するものである。また、長手方向強化繊維層のマンドレルへの仮固定は、マンドレルの外周面に長手方向強化繊維層を直接仮固定する場合だけでなく、マンドレルの外周に形成した他の強化繊維層の外周に長手方向強化繊維層を仮固定する場合も含む。
【００１４】
上記のドライプリフォーム連続成形方法により筒状のドライプリフォームを成形する工程と、このドライプリフォームに樹脂を含浸固化させる工程とを経ることにより、筒状の複合材を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、マンドレルの外周に強化繊維を捲回することによりドライプリフォームを成形するにあたり、歩留まりを高めると共に、長手方向の強化繊維の配置を容易化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るドライプリフォームの成形方法に用いる成形装置の側面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線から矢印方向に見た断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ線から矢印方向に見た断面図である。
【図４】ドライプリフォームの一部を切り欠いた側面図である。
【図５】他の実施形態に係るドライプリフォームの成形方法に用いる成形装置の側面図である。
【図６】他の実施形態に係るドライプリフォームの成形方法に用いる成形装置の側面図である。
【図７】マンドレルの外周に補強部材を配置した様子を示す側面図である。
【図８】補強部材の外周から強化繊維を捲回した様子を示す側面図である。
【図９】他の実施形態に係るドライプリフォームの成形方法を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係るドライプリフォームは、図１に示す成形装置１を用いて成形される。この成形装置１は、長尺状のマンドレル２と、マンドレル２を長手方向一方（図１の右側）に送る駆動部（図示省略）と、長手方向の強化繊維を供給する長手方向繊維供給部（図示省略）と、螺旋方向の強化繊維を供給する螺旋方向繊維供給部３と、切断部４とを有する。強化繊維としては、例えば炭素繊維やガラス繊維が使用される。尚、以下では、マンドレル２の長手方向一方側（図１の右側）を前方、その反対側を後方と言う。
【００１８】
マンドレル２は、例えば金属、樹脂、複合材、あるいは水等の溶剤により溶解可能な材料で長尺状に形成される。本実施形態のマンドレル２は、直線状に延び、長手方向で断面形状が一定であり、図示例では断面矩形（正方形）を成している（図２参照）。マンドレル２は、図示しない駆動部で前方に搬送され、後方端部には別のマンドレル２’の前方端部が当接している。
【００１９】
長手方向繊維供給部は、複数の強化繊維を引き揃えて樹脂で一体化された帯状の繊維束Ｔ１が捲回された複数のボビン（図示省略）を有する。各ボビンから引き出された複数の繊維束Ｔ１は、ガイド５に案内されてマンドレル２の全周に均一に配置され、これによりマンドレル２の全周を覆う長手方向強化繊維層１１が形成される。
【００２０】
螺旋方向繊維供給部３は、複数の強化繊維を引き揃えて樹脂で一体化された帯状の繊維束Ｔ２、Ｔ３がそれぞれ捲回され、長手方向に離隔して配置された複数（本実施形態では２つ）のボビン６、７からなる。図示例では、複数の繊維束Ｔ２、Ｔ３が、シート状に引き揃えた状態でボビン６、７に捲回されている。後方側のボビン６は、図２に示すように、マンドレル２の外周を周方向一方（図中時計回り方向）に周回する。これにより、マンドレル２の外周に形成された長手方向強化繊維層１１の外周に繊維束Ｔ２が螺旋状に捲回され、第１の螺旋方向強化繊維層１２が形成される（図４参照）。また、前方側のボビン７は、図３に示すように、マンドレル２の外周を周方向他方（図中反時計回り方向）に周回し、これにより第１の螺旋方向強化繊維層１２の外周に繊維束Ｔ３が螺旋状に捲回され、第２の螺旋方向強化繊維層１３が形成される（図４参照）。このとき、繊維束Ｔ２、Ｔ３がマンドレル２の外周を一周する間に、マンドレル２が繊維束Ｔ２、Ｔ３の幅の分だけ前方に搬送される。これにより、繊維束Ｔ２、Ｔ３がマンドレル２の外周に隙間なく敷き詰められ、螺旋方向強化繊維層１２、１３がそれぞれマンドレル２の全周を覆うように形成される。図示例では、第１の螺旋方向強化繊維層１２及び第２の螺旋方向強化繊維層１３の配向方向が、長手方向に対して対称となっている。例えば、第１の螺旋方向強化繊維層１２の配向方向が長手方向に対して＋４５°、第２の螺旋方向強化繊維層１３の配向方向が長手方向に対して−４５°となっている（図４参照）。
【００２１】
以上のようにして、図４に示すように、マンドレル２の外周に、長手方向強化繊維層１１及び螺旋方向強化繊維層１２、１３が積層されてなる長尺筒状のドライプリフォーム１０が形成される。長尺筒状のドライプリフォーム１０の内周面は、マンドレル２の外周面と密着し、マンドレル２の外周面の形状に倣って成形される。
【００２２】
このように、マンドレル２を長手方向一方に送りながら、長手方向強化繊維層１１及び螺旋方向強化繊維層１２、１３が積層されるため、ＦＷ法のように強化繊維を折り返す必要が無く、歩留まりが高められる。特に、本実施形態のように、マンドレル２、２’・・・を連続的に成形装置１に供給することにより、長手方向の強化繊維（繊維束Ｔ１）及び螺旋方向の強化繊維（繊維束Ｔ２、Ｔ３）を途切れなく連続的に供給できるため、歩留まりがさらに高められる。
【００２３】
その後、切断部４により、長尺筒状のドライプリフォーム１０が所定の長さで切断され、マンドレル２及びドライプリフォーム１０’の一体品が得られる（図１参照）。そして、マンドレル２とドライプリフォーム１０’とを分離し、ドライプリフォーム１０’に樹脂を含浸・固化させることにより、複合材が完成する。このように、ドライプリフォーム１０’に樹脂を含浸・固化させる前に、ドライプリフォーム１０’からマンドレル２を分離することで、容易に分離することができる。尚、分離に問題が無ければ、ドライプリフォーム１０’に樹脂を含浸・固化させて複合材を形成した後、この複合材の内周からマンドレル２を分離してもよい。
【００２４】
本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して、重複説明を省略する。
【００２５】
上記の実施形態では、マンドレル２が直線状である場合を示したが、これに限らず、例えば図５に示すように湾曲したマンドレル２を使用することもできる。また、上記の実施系形態では、マンドレル２の断面形状が長手方向で一定である場合を示したが、これに限らず、断面形状を長手方向で異ならせてもよい。例えば図６に示す例では、マンドレル２が、大径部２ａと、小径部２ｃと、これらを連続するテーパ部２ｂとを有している。また、マンドレル２の断面形状は矩形に限らず、円形や楕円形、あるいは多角形であってもよい。これらの場合、ボビン６、７に捲回されたシート状の強化繊維は独立した複数の繊維束Ｔ２、Ｔ３からなるため、各繊維束Ｔ２、Ｔ３がマンドレル２の外周面形状に沿って配置され、ドライプリフォーム１０を高精度に成形することができる。尚、マンドレル２を溶解可能な材料で形成すれば、マンドレル２及びドライプリフォーム１０が引抜き不可能なアンダーカット形状である場合であっても、マンドレル２を水等の溶剤により溶解させてドライプリフォーム１０の内周からマンドレル２を除去することにより、中空筒状のドライプリフォーム１０を得ることができる。
【００２６】
また、特に補強したい箇所がある場合は、強化繊維層の間に補強部材を挟みこんでもよい。例えば、図７に示すように、長手方向強化繊維層１１の外周に、平板状の補強部材２０を配置する。補強部材２０は、複合材や金属板、繊維織物などからなり、矩形、円形、楕円形など、補強する箇所に応じた形状とされる。そして、図８に示すように、長手方向強化繊維層１１及び補強部材２０の外周から繊維束Ｔ２を捲回することにより、長手方向強化繊維層１１と第１の螺旋方向強化繊維層１２との間に補強部材２０が保持される。このとき、補強部材２０により、繊維束Ｔ２の周方向長さが部分的に異なるが、独立した複数の繊維束Ｔ２が、それぞれ補強部材２０による周方向長さの変化に追従するため、補強部材２０の外周及びその前後を繊維束Ｔ２で滑らかに捲回することができる。
【００２７】
また、上記の実施形態では、一つのボビン６にシート状に引き揃えた繊維束Ｔ２、Ｔ３が捲回されているが、複数の繊維束Ｔ２、Ｔ３ごとにボビンを設けてもよい。これにより、マンドレル２が湾曲したり（図５参照）、マンドレル２の断面形状が軸方向で異なったり（図６参照）、あるいはマンドレル２の外周に補強部材２０を配置したとき（図７及び図８参照）に、各繊維束Ｔ２、Ｔ３の引き出し長さを異ならせることができるため、繊維束Ｔ２をマンドレル２や補強部材２０により一層追従させやすくなる。この場合、マンドレルの送り速度、ボビンの周回速度、及びマンドレルに対する繊維束の入射角度（長手方向に対するボビン周回方向の傾斜角度）等のパラメータを調整することにより、マンドレルの断面変化に対して繊維束を追従させることができる。
【００２８】
また、長手方向強化繊維層１１をマンドレル２の外周に仮固定してもよい。例えば図９に示すように、ガイド５を通して繊維束Ｔ１を長手方向に引き揃え、マンドレル２の外周に長手方向強化繊維層１１を形成した直後に、長手方向強化繊維層１１の外周から仮固定繊維３１を螺旋方向（略フープ方向）に捲回することで、長手方向強化繊維層１１がマンドレル２に仮固定される。具体的には、仮固定繊維３１が捲回されたボビン３０を、マンドレル２の外周を周回させることにより、長手方向強化繊維層１１の外周に仮固定繊維３１を捲回し、長手方向強化繊維層１１がマンドレル２の外周に仮固定される。仮固定繊維３１は、例えば熱融着性樹脂繊維や強化繊維、あるいはこれらを混在させたものを使用することができる。仮固定繊維３１は、必ずしも長手方向で隙間なく捲回する必要はなく、図示のように所定の間隔で螺旋状に捲回してもよい。尚、仮固定の方法は上記に限らず、例えば、繊維束に融点の低い熱融着性繊維を混在させ、この繊維束で形成した強化繊維層を加熱して熱融着生繊維を溶融・固化することで仮固定を行うこともできる。あるいは、強化繊維層に熱融着性樹脂からなるパウダーや液体を付着させ、この強化繊維層を加熱して熱融着性樹脂を溶融・固化することで仮固定を行うこともできる。また、図示例では、長手方向強化繊維１１がマンドレル２の外周に直接仮固定されているが、これに限らず、長手方向強化繊維層１１が他の強化繊維層の外周に配される場合は、長手方向強化繊維層１１が他の強化繊維層の外周に仮固定される。
【００２９】
また、上記の実施形態では、マンドレル２、２’・・・を連続的に供給し、ドライプリフォーム１０を連続成形する場合を示したが、これに限らず、マンドレル１本ごとに分割してドライプリフォームを成形してもよい。
【００３０】
また、上記の実施形態では、マンドレル２をドライプリフォーム１０’から分離した場合を示したが、マンドレルとドライプリフォームとを一体化したまま樹脂を含浸・固化し、マンドレルを含む複合材としてもよい。
【００３１】
また、長手方向強化繊維層や螺旋方向強化繊維層の数は上記に限らず、例えば長手方向強化繊維層を複数設けたり、螺旋方向強化繊維層を１層、あるいは３層以上設けてもよい。この場合、各繊維層の数に応じて、長手方向繊維供給部や螺旋方向繊維供給部の数及び設置場所を設定すればよい。
【符号の説明】
【００３２】
１     成形装置
２     マンドレル
３     螺旋方向繊維供給部
４     切断部
５     ガイド
６、７ ボビン
１０   ドライプリフォーム
１１   長手方向強化繊維層
１２   第１の螺旋方向強化繊維層
１３   第２の螺旋方向強化繊維層
Ｔ１   繊維束（長手方向の強化繊維）
Ｔ２、Ｔ３    繊維束（螺旋方向の強化繊維）
【図１】
0005889604.tif 000002
【図２】
0005889604.tif 000003
【図３】
0005889604.tif 000004
【図４】
0005889604.tif 000005
【図５】
0005889604.tif 000006
【図６】
0005889604.tif 000007
【図７】
0005889604.tif 000008
【図８】
0005889604.tif 000009
【図９】
0005889604.tif 000010