(57)【要約】【課題】ブレイダーにより糸条を多層に組物構成し、所定厚みの厚肉パイプを製造すると共に、糸条の弛みや蛇行による材料特性の低下を生じない、ＦＲＰ製の厚肉パイプおよび厚肉パイプの製造方法を提供することである。【解決手段】マンドレルに糸条を多層の組物構成で巻き付けて、前記糸条と、該糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて成形する厚肉パイプであって、前記多層の組物構成を、本巻き層と該本巻き層の所定数毎に前記本巻き層を締付けるための締付け層とで構成するＦＲＰ製厚肉パイプとした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンドレルに糸条を多層の組物構成で巻き付けて、前記糸条と、該糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて成形する厚肉パイプの製造方法であって、所定層数の本巻き層を組成する工程と、該本巻き層を締付ける締付け層を組成する工程とを順次行うことを特徴とする厚肉パイプの製造方法。
【請求項２】
前記締付け層の組角度を、前記本巻き層の組角度より大きい組角度として組成することを特徴とする請求項１に記載の厚肉パイプの製造方法。
【請求項３】
前記締付け層の組角度が４５°以上の組角度であることを特徴とする請求項１または２に記載の厚肉パイプの製造方法。
【請求項４】
マンドレルに糸条を多層の組物構成で巻き付けて、前記糸条と、該糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて成形する厚肉パイプであって、前記多層の組物構成を、本巻き層と該本巻き層の所定数毎に前記本巻き層を締付けるための締付け層とで構成したことを特徴とする厚肉パイプ。
【請求項５】
前記締付け層の組角度を、前記本巻き層の組角度より大きい組角度としたことを特徴とする請求項４に記載の厚肉パイプ。
【請求項６】
前記締付け層の組角度が４５°以上の組角度であることを特徴とする請求項４または５に記載の厚肉パイプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の糸条或いは繊維束（以下、単に糸条と称する）をマンドレルの周囲に巻き付けて種々の組成体を組成する繊維強化複合材料のパイプの製造方法に係り、特に糸条を複数層に組物構成して製造される厚肉パイプおよび厚肉パイプの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、ガラス繊維や炭素繊維、あるいはナイロン繊維等の高強力糸条よりなる繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ：以下、ＦＲＰという。）でパイプやシャフトを製造している。代表例としてはカーボン繊維を混入したカーボンシャフトと呼ばれるシャフトが知られている。このような繊維強化複合材料の製造は、一端から他端に向って外径が略同じか又は単調に減少する単一テーパーの棒状のマンドレル上に離型剤を塗布した上で、極細の炭素繊維を多数並列してエポキシ樹脂等で固めシート状としたプリプレグを複数層重ね巻きして真直なシャフトを成形し、これをオーブン又は金型に装填して加熱硬化する方法が、効率的で精度が良いとして一般的に用いられている。
【０００３】
また、繊維強化複合材料の製造方法としては、フィラメントワインディング成形、シートワインディング成形の他に自動的に組成体を成形するブレイディング成形方法も知られている。
【０００４】
上記のブレイディング成形方法は、種々の形状のＦＲＰを連続的に自動生産可能とするものであるが、あくまでも比較的薄肉のストレートなパイプやシャフト形状のＦＲＰ製造方法である。
【０００５】
また、ブレイディング成形を行うブレイダーを複数連設して、連続的に組物構成を形成することで比較的厚肉なパイプを製造する方法も公開されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１１５５２号公報（第１−４頁、第７図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ブレイディング成形によって厚肉パイプを製造する際に、単に組物層を複数層組成して厚肉状としても、その状態で成形硬化させると弛んだ繊維が蛇行して成形されるので、材料特性の低下を招く。
【０００８】
また、特許文献１に記載の厚肉パイプ製造方法は、ブレイダーにより糸条を連続的に組成し、厚肉パイプを製造するものであるが、軟質材からなる長尺棒状体を複数円周上に配列し、その周囲に糸条を巻回して組成し厚肉パイプを形成するものである。
【０００９】
そのために、所定厚さの厚肉パイプを製造する際には、前記長尺棒状体の太さを適宜選択する必要があり、また複数層に前記長尺棒状体を組み合わせることも必要となる。
【００１０】
本発明の目的は、上記問題点を解消するために、ブレイダーにより糸条を多層に組物構成し、所定厚みの厚肉パイプを製造すると共に、糸条の弛みや蛇行による材料特性の低下を生じない、ＦＲＰ製の厚肉パイプおよび厚肉パイプの製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、マンドレルに糸条を多層の組物構成で巻き付けて、前記糸条と、該糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて成形する厚肉パイプの製造方法であって、所定層数の本巻き層を組成する工程と、該本巻き層を締付ける締付け層を組成する工程とを順次行うことを特徴としている。
【００１２】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、所定層数の組物構成の本巻き層により曲げ剛性を高めることができ、さらに、前記本巻き層の所定層数毎に締付け層によりパイプ全体を固く締付けることで、成形後の製品として十分堅固で且つ所定外径寸法の厚肉パイプを製造することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、前記締付け層の組角度を、前記本巻き層の組角度より大きい組角度として組成することを特徴としている。
【００１４】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、数十層の組物組成体であっても、同一糸条の大きい組角度の締付け層によりパイプ全体を固く締付けることで、均一な材質で且つ、十分堅固な厚肉パイプを製造することができ、本来の材料特性を発揮する厚肉パイプを得ることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、前記締付け層の組角度が４５°以上の組角度であることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成を有する請求項３に係る発明によれば、曲げ剛性を高めるために小さい組角度の本巻き層を複数層組成しても、その外周を組角度４５°以上の締付け層により組成することで、十分堅固な厚肉パイプを製造することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、マンドレルに糸条を多層の組物構成で巻き付けて、前記糸条と、該糸条に含浸させた樹脂とを一体的に硬化させて成形する厚肉パイプであって、前記多層の組物構成を、本巻き層と該本巻き層の所定数毎に前記本巻き層を締付けるための締付け層とで構成したことを特徴としている。
【００１８】
上記の構成を有する請求項４に係る発明によれば、所定層数の組物構成の本巻き層により曲げ剛性を高めることができ、さらに、前記本巻き層の所定層数毎に締付け層によりパイプ全体を固く締付けることで、成形後の製品として十分堅固で且つ所定外径寸法と材料特性を有するＦＲＰ製の厚肉パイプを得ることができる。
【００１９】
請求項５に係る発明は、前記締付け層の組角度を、前記本巻き層の組角度より大きい組角度として組成することを特徴としている。
【００２０】
上記の構成を有する請求項５に係る発明によれば、数十層の組物組成体であっても、同一糸条の大きい組角度の締付け層によりパイプ全体を固く締付けることで、均一な材質で且つ、十分堅固な厚肉パイプを製造することができ、本来の材料特性を発揮する厚肉パイプを得ることができる。
【００２１】
請求項６に係る発明は、前記締付け層の組角度が４５°以上の組角度であることを特徴とする。
【００２２】
上記の構成を有する請求項６に係る発明によれば、曲げ剛性を高めるために小さい組角度の本巻き層を複数層組成しても、その外周を組角度４５°以上の締付け層により組成することで、十分堅固な厚肉パイプを得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る厚肉パイプおよび厚肉パイプの製造方法の実施の形態について、図１から図５に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る厚肉パイプの全体斜視図である。図２は糸状の組物構成を示す概略説明図である。図３は組成される糸条の組角度の説明図である。図４はブレイダーの一例を示す概略的な正面図であり、図５は図４に示したブレイダーの概略側断面図である。
【００２５】
図４および図５にもとづき、複数本の強化繊維糸条を交錯させて組成体を組成する自動機であるブレイダーの一構成例について説明する。ブレイダーＢＲは、ブレイダー本体Ｂｂとマンドレル装置Ｂｍから構成されている。この発明の適用例において、前記マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍの位置を制御するための装置であり、マンドレルｍを把持して水平移動および回転動作を行うものである。
【００２６】
前記ブレイダー本体Ｂｂは、軸線が水平で一側に開口ｅを有するほぼ円筒状の機台Ｆｂ内に配置された曲率半径Ｒの曲面状の上板Ｕと、上板Ｕの周方向に穿設された軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣと、ボビンキャリアーＣを軌道に沿って走行させるための駆動装置Ｄと、糸条案内装置Ｇを有している。
【００２７】
そして、ボビンキャリアーＣに載置されたボビンからボビンの軸線方向に引き出される糸条Ｙが上板Ｕのほぼ中心に集合し、また、マンドレル装置Ｂｍに取り付けられたマンドレルｍの位置は、マンドレルｍ上に形成される組物の組み上げ点Ｐが上板Ｕの中心に位置するようになっている。マンドレル装置Ｂｍは、マンドレルｍを一次元、二次元あるいは三次元的に位置制御することができる。
【００２８】
こうして、ボビンキャリアーＣが駆動装置Ｄによって軌道に沿って走行させられるとともに、マンドレルｍの位置がマンドレル装置Ｂｍによって制御され、その結果、多数の糸条Ｙが交錯し、また、必要に応じて、機台ＦｂのフレームＦｂ’にほぼ水平に配置されたボビンキャリアーＣから中糸用糸条ｙが、軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣから巻き戻され組み上げられる糸条Ｙに交絡することにより、ブレイディング（組物）が行われて種々の形状のマンドレルｍ上に組物が組み上げられる。
【００２９】
ブレイディングによる組物作製が完了した後、適当な切断装置によって糸条Ｙおよびｙが切断され、完成した組物を備えたマンドレルｍは、マンドレル装置Ｂｍから取り外される。
【００３０】
上記ブレイダーＢＲにより糸条Ｙを複数層組成して製造される厚肉パイプ１について図１から図３により詳細に説明する。心棒となるマンドレルｍの外周に先ず第二の組角度（大きい組角度）θｂの組物層を糸条Ｙｂにより組成する。その外周部を覆うように第一の組角度（小さい組角度）θａの組物層を糸条Ｙａにより複数層組成する。所定層の第一の組角度θａの組物層を組成した後で再度大きい組角度である第二の組角度θｂの組物層を糸条Ｙｂにより組成する。さらにその外周部を覆うように第一の組角度θａの組物層を糸条Ｙａにより複数層組成するようにして、所望厚みの厚肉パイプ１を形成するものである。
【００３１】
ここでいう組角度θとは、巻回されながら組成される糸条Ｙと軸線とのなす角度であって、組角度が小さいとは、軸線と平行に近づく角度で組成されることをいう。なお、上記第一の組角度θａと第二の組角度θｂとは、θｂ＞θａの関係を有する。
【００３２】
所定本数の糸条Ｙを組物組成しながら、所望される厚みまで組物層を形成した外層にラッピングテープＷＲを巻回し、加熱装置にて加熱し樹脂を硬化させて厚肉パイプ１を製造する。完成された厚肉パイプ１は、内径部分の最内層が第二の組角度θｂのＦＲＰ層１１であり、その上に第一の組角度θａの複数層の厚いＦＲＰ層２、その上に第二の組角度θｂのＦＲＰ層１２、次いでその上に第一の組角度θａの複数層の厚いＦＲＰ層３、第二の組角度θｂのＦＲＰ層１３、第一の組角度θａの複数層の厚いＦＲＰ層４、第二の組角度θｂのＦＲＰ層１４を備え、最外層にラッピングテープが硬化した外層２０から構成されている。
【００３３】
この時に、小さい組角度である第一の組角度θａの複数層の厚いＦＲＰ層は、組物層が緩くならない程度の厚さとしている。これは組角度θが小さい場合、組物層の締まりが締まりにくく緩みがちとなるために、小さい組角度の組物層を一定以上厚くすることができないからである。
【００３４】
一般に、組物構成によるパイプ状のＦＲＰ組成体は複数層数の組物組成体であって、小さい組角度で且つ１０層以上の組物層を有する厚肉のパイプ状組成体を製造することは困難である。
【００３５】
単に多層の組物構成により厚肉のパイプ状組成体を製造すると、外層部にいくにつれて弛みが生じてくる。弛みが生じた状態のまま加熱硬化して厚肉パイプを成形しても、繊維が蛇行したり曲がったりするので、曲げ強度や引張強度等の材料特性は十分には得られない。
【００３６】
そのために、小さい組角度である第一の組角度θａの組物層（本巻き層となる）を所定層数組成した後で、少なくとも１層の大きい組角度である第二の組角度θｂの組物層（締付け層）で締付けるように組成すると、厚肉で且つ締まりのよい組物組成パイプを製造することができ、本来の材料特性が得られる。つまり、本巻き層である組物層の組角度よりも大きな組角度の締付け層で締付けるように組成し、十分な材料特性を発揮可能とした構成である。また、所定層数の小さな組角度である第一の組角度θａを少なくとも１層の第二の組角度θｂで巻回して締付ける構成とし、その構成を順次繰り返すことで、さらに厚いパイプを製造することができる。
【００３７】
この時に、第二の組角度θｂの組物層は１層に限定されるものではなく、２層でも３層でもよく、所定層数の第一の組角度θａの本巻き層を締め付けて、所定の外径寸法に保持する強度を有する程度の層数でよい。
【００３８】
また、組物構成された外層をラッピングテープで巻いて締付ける構成とするので、ラッピングテープのみで十分な締付け力が得られる場合には、前記組物構成の最外層部に組角度の大きい締付け層を設けなくてもよい。
【００３９】
前記中間層部の締付け層を糸条Ｙの組物構成ではなく、所定層数の本巻き層毎にラッピングテープを巻き付ける構成としてもよいが、前記ラッピングテープの材質が糸条Ｙと異なる場合には、組物層内に異物が残ることになり、所望の材料特性や形状精度が得られ難いことがある。そのために、同一糸条Ｙによって、組角度を大きくして締付け層を構成する方法がより好適である。
【００４０】
図１に示す厚肉パイプ１は、内径ｄの中空部と製品外径Ｄの厚肉パイプ１であり、小さい組角度である第一の組角度θａのＦＲＰ層（１，２，３，４）と大きい組角度である第二の組角度θｂのＦＲＰ層（１１，１２，１３，１４）とが順次積層されて構成されている。また、最外層はラッピングテープＷＲを巻回して加熱硬化したものである。
【００４１】
上記したように本発明に係る厚肉パイプ１の製造方法は、ブレイディングシステムにより熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）または熱可塑性樹脂（例えばポリエチレン樹脂）を含浸又は混繊してある複数の糸条Ｙ（あるいは紐状のプリプレグ、例えばガラス繊維や炭素繊維）をマンドレルｍに巻き付けるように交錯させて、ブレイディング組成体（組物組成体）を成形するものである。前記組物組成体を作製後に加熱処理することで、糸条やプリプレグに含浸していた樹脂が硬化し、互いの組物層（ブレイディング層）を溶融一体化して、極めて強固なパイプ成形品を完成させることができる。
【００４２】
この時に、組物組成体の表面に、ポリエステルフィルムやポリプロピレンフィルム等のＦＲＰ成形用ラッピングテープＷＲを巻き付けた状態で、金型を使用せずに、前記ラッピングテープＷＲの熱収縮性を利用し、成形圧力を付与させて、加熱硬化させることができる。
【００４３】
次に、厚肉パイプ１の実施例について説明する。内径部分の最内層の大きい組角度である第二の組角度θｂのＦＲＰ層１１として、組角度６０°の組物組成体を１層形成し、その上に組角度１０°の組物組成体を８層形成し、さらに組角度６０°の組物組成体を１層形成し、次に組角度１０°の組物組成体を９層形成し、さらに組角度６０°の組物組成体を１層形成し・・・、と順次積層していき、全４０層の所定厚さの厚肉パイプ１を形成した。
【００４４】
つまり、合計４０層の組物組成体を形成する時には、１層目と１０層目、２０層目、３０層目、４０層目とに大きい組角度６０°のＦＲＰ層とし、その中間部の本巻き層に相当する小さい組角度１０°のＦＲＰ層を形成して、最外層にラッピングテープＷＲを巻回してパイプ状の組物組成体を形成した。
【００４５】
上記の構成の厚肉パイプ１は、小さい組角度１０°の複数層の組物組成体により強固な曲げ剛性を得ることができる。またこの時に、パイプ軸線に平行な組角度０°の中糸用糸条ｙを混入した組成体としてもよい。この中糸用糸条ｙを含む構成とすればさらに曲げ剛性の強い組物組成体を形成することができる。
【００４６】
もちろん、前記中糸用糸条ｙは、大きい組角度６０°の組物組成体中に混入させることも可能である。しかし、該中糸用糸条ｙを含む組物組成体とすれば、組角度の小さい糸条が増加することになって、締まり難い組物組成体となるので、その分、締付け層による締付け力を増加させることが必要である。
【００４７】
前記のように、厚肉パイプ１は大きい組角度の締付け層を有する組物組成体として形成されており、一定層数の小さい組角度の組物層毎に締付け層を介在させて、順次組物組成体全体を締付けながら組物構成を行う構成であるので、外径寸法の安定したきっちりと締まった構造となり、本来の材料特性を十分発揮することができる。
【００４８】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る製造方法により得られる厚肉パイプ１は、曲げ強度や引張強度等に関して本来の材料特性を備えるＦＲＰパイプ部材であることが確認された。そのために、本厚肉パイプ１は、所定の曲げ強度や引張強度を要求される各種の構成部材として利用可能であり、特にＦＲＰ製品で軽量化が可能であるために、軽量化と同時に所定の曲げ強度や引張強度を要求される構成部材として有効利用が可能である。
【００４９】
また、実施例として合計４０層の組物組成体について説明したが、本発明に係る厚肉パイプは、それ以上の組物層の厚肉パイプを形成することも可能であり、小さい組角度の組物組成体に緩みが生じない層数（８〜１０層）毎に、組角度の大きい締付け層を介在させる構成とすればよい。この組角度の大きい締付け層としては、下部組成体を締付ける程度の組角度である４５°以上の組角度が必要であると共に、多数の糸条Ｙａを組成する際に隣り合った糸条Ｙａ同士に隙間が生じず、きっちりと配列される程度の組角度が望ましく、本実施例の６０°近辺が好適であった。
【００５０】
【発明の効果】
上記したように本発明によれば、組物層が弛むこともなく、きっちりと締まった組物構成の厚肉パイプを製造することができ、所望される形状寸法と材料特性を有するＦＲＰ製の厚肉パイプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る厚肉パイプの全体斜視図である。
【図２】糸状の組物構成を示す概略説明図である。
【図３】組成される糸条の組角度の説明図である。
【図４】ブレイダーの一例を示す概略的な正面図である。
【図５】図４に示したブレイダーの概略側断面図である。
【符号の説明】
１    厚肉パイプ
２，３，４    ＦＲＰ層（第一の組角度：本巻き層）
１１，１２，１３，１４    ＦＲＰ層（第二の組角度：締付け層）
２０      外層（ラッピングテープ）
Ｙａ，Ｙｂ    糸条（樹脂を含浸した糸条）
θ      組角度
θａ    第一の組角度（本巻き層）
θｂ    第二の組角度（締付け層）
ＢＲ      ブレイダー
【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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