(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化プラスチック製のフランジ付き管状品を製造する方法であって、
柱状の第１型に、補強繊維にマトリクス樹脂を含浸させたプリプレグを巻き付ける工程と、
前記巻き付けたプリプレグの一部を、前記第１型の半径方向より囲むように第２型を配置する工程と、
前記柱状の第１型の軸直交断面とはまり合う内径形状を有する環形状の展張治具を、前記第１型に沿って移動させ、当該展張治具の軸方向の側面によって前記プリプレグの前記第２型で囲まれていない部分を、その端面より順に半径方向外向きに展張させ、展張させたプリプレグを第２型に略ならう形状とする工程と、
前記第２型と、前記柱状の第１型をその半径方向より取り囲むように配置された第３型とで、プリプレグの前記展張された部分を挟持し、所望のフランジ形状に成形する工程と、
前記成形されたプリプレグを硬化する工程と、
を有し、
前記プリプレグは、補強繊維が前記第１型の柱状軸方向に沿った方向に延びる一方向材であり、
前記プリプレグを成形する工程において、プリプレグの前記展張された部分と共に、この部分とほぼ同形状である織物のプリプレグを、前記第２および第３型により挟持する、
繊維強化プラスチック製フランジ付き管状品の製造方法。
【請求項２】
繊維強化プラスチック製のフランジ付き管状品を製造する方法であって、
柱状の第１型に、補強繊維にマトリクス樹脂を含浸させたプリプレグを複数の層が形成されるように複数回、巻き付ける工程と、
前記巻き付けたプリプレグの一部を、前記第１型の半径方向より取り囲むように第２型を配置する工程と、
前記柱状の第１型に巻き付けられたプリプレグの内側の層の全周外側より、当該プリプレグの長さ方向の一部を取り囲む環形状の展張治具を、前記第１型の軸方向に移動させ、当該展張治具の軸方向の側面によって前記プリプレグの外側の層の前記第２型で囲まれていない部分を、その端面より順に半径方向外向きに展張させ、展張させたプリプレグを第２型に略ならう形状とし、以上の過程を複数形成されたプリプレグの最下層以外の層に対し順次実行する工程と、
前記柱状の第１型の全周外側より取り囲む環形状の展張治具を、前記第１型の軸方向に移動させ、当該展張軸の軸方向の側面によって、前記プリプレグの最下層の前記第２型で囲まれていない部分をその端面より順に半径方向外向きに展張させ、前記展張させたプリプレグ最下層を、第２型に略ならう形状とする工程と、
前記第２型と、前記柱状の第１型をその半径方向より取り囲むように配置された第３型とで、プリプレグの前記展張された部分を挟持し、所望のフランジ形状に成形する工程と、
前記成形されたプリプレグを硬化する工程と、
を有する繊維強化プラスチック製フランジ付き管状品の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の繊維強化プラスチック製フランジ付き管状品の製造方法であって、前記プリプレグは、補強繊維が前記第１型の柱状軸方向に沿った方向に延びる一方向材である、前記製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の繊維強化プラスチック製フランジ付き管状品の製造方法であって、前記プリプレグを成形する工程において、プリプレグの前記展張された部分と共に、この部分とほぼ同形状である織物のプリプレグを、前記第２および第３型により挟持する、前記製造方法。
【請求項５】
請求項１または３または４に記載の繊維強化プラスチック製フランジ付き管状品の製造方法であって、前記第２型を配置する工程において、前記第１および第２型で挟まれる部分には、前記一方向材のプリプレグと共に織物のプリプレグが配置される、前記製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製フランジ付き管状品の製造方法であって、前記プリプレグを展張させる工程は、前記展張治具を複数種類用い、前記プリプレグを段階的に展張させる工程である、前記製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと記す）製の管状品、特にフランジ付きの管状品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＲＰは、軽量、高強度という利点のために、様々の分野でその使用が広まっている。ＦＲＰ製品の製造方法として、一方向に、または織物状に配列された補強繊維にマトリクス樹脂を含浸したプリプレグを積層して所望の形状を得、マトリクス樹脂を硬化するという方法が知られている。
【０００３】
管状品もＦＲＰ製のものが作製されている。管状品においては、部品同士を結合するために、フランジを設ける場合がある。このフランジ付き管状品をＦＲＰで作製する方法として、管状部とフランジ部とにおいて、別個にプリプレグを積層して、その後樹脂を硬化する方法が知られている。また、短冊状のプリプレグをＬ字状に曲げ、複数のプリプレグのＬ字の一辺を管状に配置し、放射状に並ぶ他辺によってフランジを形成する方法も知られている。この場合、積層されるプリプレグを層ごとに円周方向にずらして配置することにより、フランジ部分の隙間をなくすようにしている。さらに、短冊状の部分と扇形の部分を有するプリプレグにより、短冊状の部分で管状部を、扇形の部分でフランジ部を形成する方法も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の管状部とフランジ部のプリプレグが別個である場合、補強繊維が連続していないために、管状部とフランジ部の接合部分で強度が低いという問題があった。Ｌ字状に曲げた短冊状のプリプレグを用いる場合は、前記の接合部分の強度の問題は解消されるものの、フランジ部分において、プリプレグの配置が不均一となり、フランジどうしの密着性に問題が生じ、さらには強度的にも不均一となる場合があるという問題があった。短冊状の部分と扇形の部分を組み合わせたプリプレグを使用する場合は、前述の問題を解消することが可能であるが、複雑な形状のプリプレグを作成する必要があること、プリプレグの積層に手間がかかりコスト高となるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題を解決するためになされたものであり、強度、特に管状部とフランジ部の接合部分の強度を高めると共に、外観のきれいな、低コストのＦＲＰ製のフランジ付き管状品を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかるＦＲＰ製フランジ付き管状品の製造方法は、以下の過程を含む。柱状の第１型にプリプレグを巻き付け、さらに巻き付けられたプリプレグの一部を囲むように第２型を配置する。この状態で、プリプレグは、軸方向に第２型に囲まれた部分と、第２型に囲まれておらず第１型の周囲に巻き付いているだけの露出した部分を有する。前者の部分が管となり、後者がフランジとなる。次に、第１型の軸直交断面とはまり合う内径形状を有する環形状の治具を用いて、プリプレグの露出した部分の展張を行う。この治具（以下、展張治具と記す）を第１型の軸方向に移動させ、その側面によってプリプレグの端部より順次、半径方向外向きに展張させる。プリプレグの露出した部分が展張し、第２型の側面にほぼならう形状となったら、この部分を第２型と第３型で挟持し、所望のフランジ形状に成形する。そして、プリプレグの樹脂成分を硬化させて、ＦＲＰ製のフランジ付き管状品を得る。前記プリプレグは、補強繊維が第１方の柱状軸方向に沿った方向に延びる一方向材であり、プリプレグを成形する工程において、プリプレグの前記展張された部分と共に、この部分とほぼ同形状である織物のプリプレグを、第２および第３型により挟持する。
【０００７】
このようにして得られた製品は、管部分とフランジ部分とで、補強繊維が連続しており、高い強度を確保することができる。また、フランジ部分において補強繊維がほぼ放射状に配置され、より強度が要求されるフランジ内側の付け根部分の補強繊維の密度を高くすることができる。また、フランジ部分の強度の異方性が少なくなる。一方向材の繊維方向に直交する方向の強度を、織られた補強繊維により向上することにより、繊維方向に割れることを防止することができる。
【０００８】
また、本発明の他の態様の繊維強化プラスチック製のフランジ付き管状品を製造する方法は、柱状の第１型に、補強繊維にマトリクス樹脂を含浸させたプリプレグを複数の層が形成されるように複数回、巻き付ける工程と、前記巻き付けたプリプレグの一部を、前記第１型の半径方向より取り囲むように第２型を配置する工程と、前記柱状の第１型に巻き付けられたプリプレグの内側の層の全周外側より、当該プリプレグの長さ方向の一部を取り囲む環形状の展張治具を、前記第１型の軸方向に移動させ、当該展張治具の軸方向の側面によって前記プリプレグの外側の層の前記第２型で囲まれていない部分を、その端面より順に半径方向外向きに展張させ、展張させたプリプレグを第２型に略ならう形状とし、以上の過程を複数形成されたプリプレグの最下層以外の層に対し順次実行する工程と、前記柱状の第１型の全周外側より取り囲む環形状の展張治具を、前記第１型の軸方向に移動させ、当該展張軸の軸方向の側面によって、前記プリプレグの最下層の前記第２型で囲まれていない部分をその端面より順に半径方向外向きに展張させ、前記展張させたプリプレグ最下層を、第２型に略ならう形状とする工程と、前記第２型と、前記柱状の第１型をその半径方向より取り囲むように配置された第３型とで、プリプレグの前記展張された部分を挟持し、所望のフランジ形状に成形する工程と、前記成形されたプリプレグを硬化する工程と、を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１には、本実施形態にＦＲＰ製フランジ付き管状品の製造工程の概略が示されている。第１型１０は、所望する管の内面の断面形状に一致する断面形状を有する柱形状を有する。最も一般的な円管を作製する場合は、第１型は円柱形状である。この型の材質については、樹脂を成形し、硬化させる際に十分な強度や、耐熱性などを有する材質であることが要求される。また、樹脂を加圧により成形する場合、均一に加圧するために柔軟性を有する材質とすることもできる。このような材料として、例えばシリコンゴムなどがある。
【００１０】
第１型１０の周囲にプリプレグ１２を配置する（ａ）。プリプレグ１２は、補強繊維にマトリクス樹脂を含浸させたものである。また、プリプレグ１２は、後述するように展張性が求められるため、１方向にのみ補強繊維を配置した一方向材を用いることが好ましい。一方向材を用いるのは、繊維が配置された方向以外にはある程度の展張性を有しているためである。ただし、十分な展張性を得られるのであれば、織物材であってもよい。補強繊維は、従来より用いられてきた材料、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セラミック繊維などが適宜使用できる。また、マトリクス樹脂も、従来用いられてきたエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、またナイロン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＰＥＴ樹脂などの熱可塑性樹脂を適宜使用できる。さらには、紫外線硬化性など、他の硬化特性を有する樹脂を用いることも可能である。
【００１１】
プリプレグ１２の周囲に、これを取り囲むように第２型１４を配置する（ｂ）。第２型１４の内周の形状は、製品の外周形状に一致する形状であり、軸方向においては、製品の管部分の長さに相当する寸法を有している。第２型の材質は、第１型の説明と同様の材料から選択することができる。なお、前述したように、第１型に、柔軟性を有する材料を選択した場合には、第２型には硬質な材料を使用する。一方、第２型に柔軟性材料を選択した場合は、第１型には硬質な材料を使用する。プリプレグ１２の、第２型１４に囲まれていない部分、すなわち露出した部分は、後述の工程によって、製品のフランジ部分となる部分である。また、製品のフランジ部分を成形するための側面１６は、すり鉢状となっており、これによりフランジ部分の付け根付近が厚くなる。
【００１２】
次に、展張治具１８を用いてプリプレグ１２の露出した部分を展張させる（ｃ）。展張治具１８は、柱状の第１型の軸直交断面において、その内周が第１型の外周に、はまり合う形状の環形状であり、さらに、第２型１４に対向する面２０は、プリプレグを半径方向に展張するために好ましい形状を有している。また、展張治具１８のプリプレグ１２に接触する側面は、マトリクス樹脂が付着しにくく、また滑りやすい材質であることが好ましい。例えば、フッ素樹脂の被膜を形成することができる。展張治具１８を、図中矢印で示すように、第１型１０を案内として型の軸方向に移動させ、その側面２０によって、プリプレグ１２の端部から順に半径方向外側に向けて展張させる。プリプレグ１２の露出部分全体を展張させて、展張された部分が第２型の側面１６に、ほぼならうようにする。また、展張する際には、マトリクス樹脂を軟化させるために加熱を行うことが好ましい。加熱方法としては、プリプレグの露出部分に温風を供給する、赤外線などにより輻射加熱する、あるいは展張治具内にヒータを配置し、ここから熱伝導により加熱するなどが考えられる。
【００１３】
そして、展張治具１８を取り外し、管状品のフランジ部を成形するための第３型２２を配置する（ｄ）。第３型２２は、その内周が第１型１０の外周に、はまる形状であり、第２型の側面１６に対向する面はフランジ部の端面に要求される形状となっている。第３型２２の材質は、前述の第１、第２型と同様の材料から選択することができる。そして、第１、第２、第３型により、展張により変形したプリプレグ１２を加圧し、所定の形状とした状態で硬化を行う。硬化は、マトリクス樹脂に熱硬化性樹脂を用いた場合であれば、硬化温度まで加熱する。また、マトリクスに熱可塑性樹脂を用いた場合であれば、形を維持する温度にまで冷却する。
【００１４】
以上の方法で作製されたフランジ付き管状品は、管状部とフランジ部の補強繊維の連続性が維持されているので、二つの部分の接続部における強度が確保される。また、展張によりフランジ部を形成しているために、フランジ部の内側が厚く、外側が薄くなっており、応力が集中するフランジ付け根の強度を高めるのに有利である。フランジ部の補強繊維は、半径方向に配置され、また、その密度も周方向において均一となり、強度的に、また寸法的にも等方性を得ることができる。
【００１５】
図２は、プリプレグを展張する工程の一例を示す図である。この一連の工程、特に（ｂ）〜（ｃ）は、図１に示す工程（ｃ）に相当し、図１の場合のように１種の展張治具では、プリプレグ１２を適切な形状に展張できない場合に好適な工程である。なお、図２には右側のみを表示し、左側については省略する。第１展張治具１８ａは、プリプレグ１２をやや開いた状態に展張するための治具であり、このために好適な側面形状を有している。この第１展張治具１８ａを、所定の位置まで移動させ、その側面によりプリプレグ１２の展張を行う（ｂ）。
【００１６】
第２展張治具１８ｂは、第１展張治具１８ａにより展張されたプリプレグ１２を更に大きく展張させるのに好適な形状を有している。図示する例では、外径がより大きくなり、プリプレグ１２に接する側面の形状が、プリプレグ１２を更に広く、大きく曲げられるような形状となっている。そして、第１展張治具１８ａに代えて、第２展張治具１８ｂを配置し、これを所定の位置まで軸方向に移動させる（ｃ）。
【００１７】
第３展張治具１８ｃは、第２展張治具１８ｂより、プリプレグ１２を更に広く展張するのに好適な形状を有している。図示する例では、外径がより大きく、第２展張治具１８ｂにより広げられたプリプレグ１２を、更に広く、大きく展張させるに好適な側面形状を有している。第２展張治具１８ｂに代えて、第３展張治具１８ｃを配置し、これを所定の位置まで治具方向に移動させ、プリプレグ１２を展張する（ｄ）。
【００１８】
なお、以上、３種の展張治具を用いる場合について説明したが、用いる展張治具の種類については、適宜選択する。
【００１９】
図３は、一方向材のプリプレグ１２に対して、織物材のプリプレグ２４，２６を追加した例を示す図である。製造工程は、図１に示す工程にほぼ準じるが、相違する点について、以下説明する。
【００２０】
第１型１０に一方向材のプリプレグ１２を巻き付けた後、製品の管状部となる部分の外側に、織物材のプリプレグ２４を巻き付ける。プリプレグ２４の繊維の方向は、織物の縦横の一方の繊維を軸方向に一致させるように配置することも、また双方を軸方向に交差するように配置することも可能である。そして、第２型１４を配置する。織物材のプリプレグ２４の端（図中上方の端）と第２型１４の端の位置はほぼ一致する。そして、前述の方法などにより、一方向材のプリプレグ１２を展張する。展張後、フランジ部の端面に織物材のプリプレグ２６を配置する。このプリプレグ２６は、異方性を低減するために、複数枚用いることができる。そして、第１〜３型１０，１４，２２により加圧成形を行う。
【００２１】
なお、織物材のプリプレグ２４，２６は、製品に要求される強度などの性能を満足できれば、管状部、フランジ部のいずれか一方のみ配置することもできる。
【００２２】
図４は、厚肉の管状品を作製する場合に、特に好適な製造工程を説明するための図である。プリプレグ１２を一度に展張することができない場合、プリプレグ１２を離型フィルム２８を挟んで何層か積層し、何度かに分けてプリプレグ１２の展張を行う。
【００２３】
以上、長繊維に樹脂を含浸したプリプレグを用いたＦＲＰ管状品の製造方法について説明したが、他の形式のプリプレグを用いることも可能である。例えば、熱硬化性樹脂に短繊維を分散させてシート状としたＳＭＣ（Sheet Moulding Compound）や、短繊維を分散してフィルム状に下熱可塑性樹脂フィルムなどを使用することができる。
【００２４】
さらに、第２型のフランジ側表面（側面１６）に溝を設けることにより、リブ付きのフランジを成形することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態のＦＲＰ製フランジ付き管状品の製造工程を示す図である。
【図２】  複数の展張治具を用いてプリプレグを展張する工程を説明するための図である。
【図３】  一方向材と織物材のプリプレグの組み合わせを説明するための図である。
【図４】  複数回に分けてプリプレグを展張する工程を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  第１型、１２  プリプレグ、１４  第２型、１８  展張治具、２２  第３型。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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