(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンドレルに巻回した繊維強化プラスチックを硬化させた後、前記マンドレルを抜き取って形成した両端開口の中空構造部材と、
一端部の外周面に周方向に間隔を存して複数の突起を有し、前記一端部が前記中空構造部材の端部に前記突起が食い込んで固定され、他端部にねじ部を有する筒状の第１の端部継手部材と、
前記第１の端部継手部材のねじ部に螺合されるねじ部を有し、前記第１の端部継手部材の開口を閉塞するように結合された第２の端部継手部材と、
前記第１の端部継手部材のねじ部に対応する周壁に設けられた径方向に貫通する孔からなり、前記第１の端部継手部材のねじ部と前記第２の端部継手部材のねじ部とを螺合した状態で、前記孔に接着剤を充填することにより、前記第１の端部継手部材と前記第２の端部継手部材とを結合する結合部と、
を具備したことを特徴とする構造部材。
【請求項２】
全長に亘って同一の外径に形成されたマンドレルの端部の外周面に、筒状でその外周面に周方向に間隔を存して複数の突起を有する端部継手部材を嵌合するとともに、前記マンドレルと前記端部継手部材とを軸方向および周方向移動不能にロックする第１の工程と、
未硬化の繊維強化プラスチックを前記突起を有する端部継手部材を含む前記マンドレルの外周面に巻回する第２の工程と、
前記未硬化の繊維強化プラスチックを硬化させ、前記端部継手部材を備えた中空構造部材を形成する第３の工程と、
前記マンドレルと前記端部継手部材とのロックを解除し、前記端部継手部材を備えた中空構造部材から前記マンドレルを抜き取る第４の工程と、
前記第１の工程から第４の工程を経て得られた前記端部継手部材を備えた中空構造部材を複数本用意し、前記端部継手部材同士を突合せ、複数本の前記中空構造部材を同軸的に位置決めする第５の工程と、
前記未硬化の繊維強化プラスチックの外周面に熱収縮テープを巻き付けた状態で、前記繊維強化プラスチックを加熱硬化させる第６の工程と、
を具備することを特徴とする構造部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、繊維強化プラスチックを用いた構造部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化プラスチックを用いて建築用のトラス部材や宇宙用の構造部材等に用いる構造部材を製造する試みが行なわれている。図５は従来の構造部材を示し、その構造について製造方法と併せて説明する。
【０００３】
構造部材１は、繊維強化プラスチックからなる中空構造部材２を製造する方法としては、フィラメントワインディング法や引き抜き法が知られている。
【０００４】
フィラメントワインディング法は、糸状の繊維を未硬化の熱硬化性樹脂に浸漬させてこの繊維に未硬化の樹脂を含ませた後、円筒状のマンドレル（図示しない）の外周面に巻回し、その後、例えば電気炉に入れて加熱硬化させる。未硬化の樹脂が硬化して得られた円筒状の中空構造部材２の内部からマンドレルを引き抜いたり、またはそのまま残した状態で、建築用のトラス部材や宇宙用の構造部材１として用いる。なお、図５はマンドレルを引き抜いた状態である。
【０００５】
また、引き抜き法は、例えば円周上に平行に引き揃えた繊維を押出し機の口金に通して、繊維が並べられた部分に未硬化の樹脂を供給し、所定時間口金の中で加熱して樹脂を硬化させ、中空構造部材２を形成している。この引き抜き法では、連続的に円筒状の中空構造部材２が製造できるため、成形後、マンドレルを引き抜く必要はない。
【０００６】
このようにして、中空構造部材２を製造した後、中空構造部材２の開口端部に端部継手金具３を取付ける。この端部継手金具３の取付けには、まず中空構造部材２の開口端部側、端部継手金具３のマンドレル嵌め込み部３ａの両方に、リベット４を打ち込むための孔を穿設し、これら互いの孔の位置合わせを確認した後、リベット４を打ち込むことにより、端部継手金具３の取付け作業が終了する。また、端部継手金具３にはノード５のような金具を介して他の構造部材１に対して連結可能な構造部材１が得られる。
【０００７】
ところで、前述のように構成された繊維強化プラスチックからなる中空構造部材２は、高強度であり、孔を穿設することが困難である。これは繊維強化プラスチックは強度が高く、その内部に用途に応じて炭素繊維やアラミド繊維が含まれているので、元々孔を穿設することは困難な上に、繊維同士は樹脂によってしか結合されていないため、穿設加工中に繊維に沿った割れが生じることがあり、加工が困難である。
【０００８】
そこで、本出願人は、前述のような問題を解決するために、特願平１０−３２９７４０号として既に出願している。これは、端部継手金具の外周面に複数個の突起を設け、未硬化の繊維強化プラスチックをマンドレルに巻回する際に、端部継手金具の外周面にも巻回することにより、前記突起が未硬化の繊維強化プラスチックに食い込み、繊維強化プラスチックの硬化時に係合するようにしたものである。この方法によれば、硬化後の繊維強化プラスチックに孔を穿設する必要はなく、製造が容易であるとともに、穿設加工中に繊維に沿った割れ等が生じることがないという効果がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願の特願平１０−３２９７４０号は、製造が容易であるものの、未硬化の繊維強化プラスチックを巻回する際に用いるマンドレルを抜き取ることができず、製品の内部に残ってしまうため、中空構造部材の重量アップとなり、取り扱いが困難となるとともに、コストアップの原因となるという問題がある。
【００１０】
この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、中空構造部材の製造が容易であるとともに、繊維強化プラスチックを巻回する際に用いるマンドレルを抜き取ることができ、軽量化、コストダウンを図ることができる構造部材及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記目的を達成するために、請求項１は、マンドレルに巻回した繊維強化プラスチックを硬化させた後、前記マンドレルを抜き取って形成した両端開口の中空構造部材と、一端部の外周面に周方向に間隔を存して複数の突起を有し、前記一端部が前記中空構造部材の端部に前記突起が食い込んで固定され、他端部にねじ部を有する筒状の第１の端部継手部材と、前記第１の端部継手部材のねじ部に螺合されるねじ部を有し、前記第１の端部継手部材の開口を閉塞するように結合された第２の端部継手部材と、前記第１の端部継手部材のねじ部に対応する周壁に設けられた径方向に貫通する孔からなり、前記第１の端部継手部材のねじ部と前記第２の端部継手部材のねじ部とを螺合した状態で、前記孔に接着剤を充填することにより、前記第１の端部継手部材と前記第２の端部継手部材とを結合する結合部とを具備したことを特徴とする構造部材にある。
【００１２】
請求項２は、全長に亘って同一の外径に形成されたマンドレルの端部の外周面に、筒状でその外周面に周方向に間隔を存して複数の突起を有する端部継手部材を嵌合するとともに、前記マンドレルと前記端部継手部材とを軸方向および周方向移動不能にロックする第１の工程と、未硬化の繊維強化プラスチックを前記突起を有する端部継手部材を含む前記マンドレルの外周面に巻回する第２の工程と、前記未硬化の繊維強化プラスチックを硬化させ、前記端部継手部材を備えた中空構造部材を形成する第３の工程と、前記マンドレルと前記端部継手部材とのロックを解除し、前記端部継手部材を備えた中空構造部材から前記マンドレルを抜き取る第４の工程と、前記第１の工程から第４の工程を経て得られた前記端部継手部材を備えた中空構造部材を複数本用意し、前記端部継手部材同士を突合せ、複数本の前記中空構造部材を同軸的に位置決めする第５の工程と、前記未硬化の繊維強化プラスチックの外周面に熱収縮テープを巻き付けた状態で、前記繊維強化プラスチックを加熱硬化させる第６の工程とを具備することを特徴とする構造部材の製造方法にある。
【００１６】
請求項１，２によれば、未硬化の繊維強化プラスチックを硬化させることにより端部継手部材に設けられた突起が繊維強化プラスチックに食い込んだ中空構造部材を形成することができる。中空構造部材からマンドレルを抜き取ることにより、前記端部継手部材を備えた中空構造部材を得ることができ、この端部継手部材を備えた中空構造部材を複数本用意し、前記端部継手部材同士を突合せ、複数本の前記中空構造部材を同軸的に位置決めすることにより、未硬化の繊維強化プラスチックの外周面に熱収縮テープを巻き付ける作業を連続的に行え、作業能率の向上が図れる。しかも、熱収縮テープが収縮して繊維強化プラスチックをマンドレルおよび端部継手部材に密着させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３は第１の実施形態を示し、図１は建築用のトラス部材や宇宙用の構造部材として用いられる構造部材１１を示す。この構造部材１１は、円筒状の中空構造部材１２と、この中空構造部材１２の端部に設けられた第１の端部継手部材１３及び第１の端部継手部材１３に結合される第２の端部継手部材１４とから構成されている。
【００２２】
次に、構造部材１１について図２に基づいて説明する。例えばアルミニウム製の円筒状または円柱状のマンドレル１５は成形しようとする中空構造部材１２の長さに対応する長さを有しており、このマンドレル１５の一端部には第１の端部継手部材１３が外嵌できるようになっている。
【００２３】
第１の端部継手部材１３は、一端側に小径筒部１６、他端側に大径筒部１７を有しており、小径筒部１６はマンドレル１５に密に嵌合する内径に形成され、大径筒部１７はマンドレル１５より大径の内径に形成されている。さらに、大径筒部１７の内周面にはマンドレル１５の外径より大きい内径の雌ねじ部１８が形成されている。
【００２４】
また、第１の端部継手部材１３の小径筒部１６の外周面には周方向に等間隔に設けた突起からなる係合部１９が設けられている。さらに、大径筒部１７の一部には小径の挿入孔２０が雌ねじ部１８を貫通して径方向に穿設され、マンドレル１５にも挿入孔２０に対応して同一径のロック孔２１が穿設されている。そして、第１の端部継手部材１３の外側から挿入孔２０を貫通してロック孔２１に仮止め部材としての固定ピン２２を挿入することにより、マンドレル１５に対して第１の端部継手部材１３を軸方向及び周方向にロックできるようになっている。なお、挿入孔２０及びロック孔２１は円周上に１ヵ所または複数ヵ所でもよい。
【００２５】
また、第１の端部継手部材１３の大径筒部１７の端部側の外周面には結合部としての環状溝２３が設けられており、これは図３に示すように、第１の端部継手部材１３をマンドレル１５とともに同軸的に突合わせたときに、両第１の端部継手部材１３を結合する連結部材としてのクランプリング２４と係合するようになっている。
【００２６】
すなわち、第１の端部継手部材１３を取付けたマンドレル１５相互を突合わせると、第１の端部継手部材１３相互間に間隙２５ができるため、この間隙２５にリング状のスペーサ２６をマンドレル１５に外嵌した状態に設ける。さらに、スペーサ２６の外側にクランプリング２４を嵌合し、クランプリング２４の両端の環状凸部２４ａを前記環状溝２３に係合することにより、第１の端部継手部材１３相互を結合できるようになっている。なお、クランプリング２４は柔軟な素材で形成して第１の端部継手部材１３の軸方向から装着してもよく、２分割されたリングで、第１の端部継手部材１３の径方向から装着してもよい。
【００２７】
次に、構造部材１１を製造する製造方法について説明する。
【００２８】
まず、マンドレル１５の端部に第１の端部継手部材１３を外嵌し、挿入孔２０とロック孔２１とを位置合わせした後、固定ピン２２を挿入孔２０からロック孔２１に挿入してマンドレル１５に対して第１の端部継手部材１３を軸方向及び周方向に移動不能にロックする。
【００２９】
次に、マンドレル１５の外周面に炭素繊維やアラミド繊維等の未硬化の繊維強化プラスチックであるプリプレグ３０を巻回するとともに、第１の端部継手部材１３の小径筒部１６の外周面にも巻回する。このとき、プリプレグ３０を小径筒部１６の外周面に巻回する最初の段階においては係合部１９を避けて巻回し、最後の段階において係合部１９をプリプレグ３０で覆うように巻回することにより、係合部１９にプリプレグ３０が係合し、しかも埋没した状態となる。なお、プリプレグ３０はフィラメントワインディングで成形しても、オートクレーブ成形（例えばシートワインディング）で成形してもよい。
【００３０】
次に、マンドレル１５及び第１の端部継手部材１３の小径筒部１６にプリプレグ３０を巻回したもの（以下、半製品という）を２本用意し、第１の端部継手部材１３をマンドレル１５とともに同軸的に突合わせる。そして、両第１の端部継手部材１３相互間にできた間隙２５にスペーサ２６をマンドレル１５に外嵌した状態でセットする。さらに、スペーサ２６の外側にクランプリング２４を嵌合し、クランプリング２４の両端の環状凸部２４ａを第１の端部継手部材１３の環状溝２３に係合して半製品の第１の端部継手部材１３相互を結合する。
【００３１】
この状態で、半製品のプリプレグ３０の外周面に熱収縮テープ３１をスパイラル状に巻き付ける。このとき、２本の半製品が同軸的に結合されているため、熱収縮テープ３１を巻き付ける作業が連続的に行なえ、テープ自動巻き付け機によって巻き付けるにしても、手作業で巻き付けるにしても能率的である。
【００３２】
次に、半製品を連結したクランプリング２４の外周面付近で熱収縮テープ３１を切断する。そして、クランプリング２４を取り外し、さらに、スペーサ２６も取り外して第１の端部継手部材１３相互を分離するとともに、熱収縮テープ３１の端部を処理して巻き付けが解けないように固定する。
【００３３】
次に、熱収縮テープ３１が巻き付けられたプリプレグ３０をマンドレル１５及び第１の端部継手部材１３を加熱炉に入れ、所定時間加熱することにより、プリプレグ３０を加熱硬化して中空構造部材１２を形成する。このとき、係合部１９はプリプレグ３０に埋没して係合されるとともに、熱収縮テープ３１は加熱によって収縮されるため、プリプレグ３０をマンドレル１５及び第１の端部継手部材１３の小径筒部１６の外周面に密着させることができる。
【００３４】
なお、樹脂が熱硬化性ではなく、熱可塑性のものである場合も同様の工程でトラス状の部材を構成することができる。また、樹脂が紫外線硬化性のものである場合には加熱炉ではなく紫外線硬化炉を用いることができる。この場合でも加熱炉と併用することは可能なので熱収縮テープが収縮して製品に圧力をかけることによる製造上の効果を得ることは可能である。
【００３５】
中空構造部材１２が完成した後、熱収縮テープ３１を解き、固定ピン２２をロック孔２１及び挿入孔２０から抜き取ってマンドレル１５と第１の端部継手部材１３とを分離し、マンドレル１５を中空構造部材１２から抜き取る。
【００３６】
次に、第１の端部継手部材１３の雌ねじ部１８に第２の端部継手部材１４の雄ねじ部３２を螺合して第１と第２の端部継手部材１３，１４を結合する。さらに、固定ピン２２を抜いて開口した挿入孔２０及びロック孔２１に接着剤３３を充填することにより、第１と第２の端部継手部材１３，１４を強固に結合することができ、構造部材１１が完成する。
【００３７】
第２の端部継手部材１４には軸方向にボルト３４が突出して設けられており、このボルト３４にノード３５を取付けることができ、このノード３５に他の構造部材等を取付けることにより、建築用のトラス構造や宇宙用の構造部材等を構築できる。
【００３８】
なお、３６はカラーで、トラスがノード３５に組み付けられる前の状態で第２の端部継手部材１４からボルト３４が外れない機能と、ボルト３４をノード３５にねじ込む際に外からボルト３４を回すことができるようにする機能、及び組み立てられた状態で圧縮力をノード３５からトラス部材に伝達する機能を持っている。このカラー３６はいくつもの形態が可能であるが、どのような形態のものであってもこの発明の本質には影響するものではない。
【００３９】
図４は第２の実施形態を示し、第１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。本実施形態は、第１の端部継手部材３７の大径筒部３８の外周面に雄ねじ部３９を設け、第２の端部継手部材４０の円筒部４１の内周面に雌ねじ部４２を設け、雄ねじ部３９に螺合して結合したものである。
【００４０】
なお、前記実施形態においては、中空構造部材を円筒状に形成したが、円筒形に限定されず、例えば多角形筒状など他の形状に形成してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１，２によれば、未硬化の繊維強化プラスチックを硬化させることにより端部継手部材に設けられた突起が繊維強化プラスチックに食い込んだ中空構造部材を形成することができる。中空構造部材からマンドレルを抜き取ることにより軽量化を図ることができる。さらに、端部継手部材を備えた中空構造部材を複数本用意し、端部継手部材同士を突合せ、複数本の中空構造部材を同軸的に位置決めすることにより、未硬化の繊維強化プラスチックの外周面に熱収縮テープを巻き付ける作業を連続的に行え、作業能率の向上が図れる。しかも、熱収縮テープが収縮して繊維強化プラスチックをマンドレルおよび端部継手部材に密着させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す、構造部材の半縦断側面図。
【図２】同実施形態を示し、マンドレルにプリプレグを巻回した状態の半縦断側面図。
【図３】同実施形態を示し、プリプレグに熱収縮テープを巻き付ける状態を示す半縦断側面図。
【図４】この発明の第２の実施形態を示す、構造部材の半縦断側面図。
【図５】従来の構造部材の半縦断側面図。
【符号の説明】
１１…構造部材
１２…中空構造部材
１３…第１の端部継手部材
１４…第２の端部継手部材
１５…マンドレル
１９…係合部
２２…固定ピン（仮止め部材）
３０…プリプレグ（繊維強化プラスチック）
３１…熱収縮テープ
【図１】
0004241984.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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