(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維プリプレグの成形体から成る円盤状部材において、
複数枚の強化繊維プリプレグの積層体を具備し、該積層体を構成するそれぞれの強化繊維プリプレグは強化繊維の配列方向が所定の直径方向と平行に配列されるとともに、それぞれの強化繊維プリプレグは互いに強化繊維の配列方向が円周方向に間欠的であってかつ均等に変化して前記積層体が疑似等方性を有し、
マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維ストランドを切断したチョップドストランドによって肉厚部が形成され、前記強化繊維プリプレグの積層体から成る成形体上に一体に成形され、
しかも円筒状接合部が一体に連設されるとともに、該接合部が円周方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグと軸線方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグとから成ることを特徴とする円盤状部材。
【請求項２】
所定の方向に強化繊維が配列されるとともにマトリックス樹脂が含浸された複数枚の強化繊維プリプレグを用い、強化繊維の配列方向が円周方向に間欠的であってかつ均等に変化して疑似等方性を有するように前記複数枚の強化繊維プリプレグを互いに向きを変えた状態で積層して成形型のキャビティ内に配し、
しかもマトリックス樹脂を含浸させた強化繊維ストランドを切断したチョップドストランドをキャビティ内にランダムに充填し、成形型を閉じて加熱することにより前記チョップドストランドによって肉厚部を一体的に備えた状態で成形し、
しかも強化繊維が円周方向と軸線方向とに配列された接続用筒部を一体成形することを特徴とする円盤状部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円盤状部材とその製造方法に係り、とくにマトリックス樹脂を強化繊維によって補強して成る成形体から成る円盤状部材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にローラを組立てる場合には、筒状をなし、外表面がローラ面を構成するローラ本体部の両端の開口を塞ぐようにフランジ部材を両端に取付けるようにしている。このようなフランジ部材として、従来は鋳鉄製のものが用いられていた。ところが鋳鉄製のものは重量が大きく、熱膨張係数が高いという欠点を有している。
【０００３】
そこでこのような鋳鉄製のフランジ部材に代えて、アルミニウム合金から成るフランジ部材を用いるようにし、これによって重量の増加を防止するようにしている。ところがアルミニウム合金から成るフランジ部材は熱膨張係数が大きいという欠点を回避することができない。このような問題点に鑑みて、繊維強化樹脂製の円盤状部材を用いることが試みられている。
【０００４】
例えば特開昭６２−１９４４３号公報には、熱硬化性樹脂を含浸させた織布を、回転体の回転軸から放射線状に配置して形成した積層構造を有する強化プラスチック回転体が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開昭６２−１９４４３号公報に開示されている回転体であって織布を用いた強化プラスチックから成る回転体は、軽量でしかも高強度で、熱膨張係数の小さい回転体になる。ところがこのような回転体は、積層体を得るのに時間がかかる上に、肉厚が部分的に異なる回転体が得られない問題がある。また複雑な形状の回転体を得るには、成形後に後加工、すなわち切削加工を行なわなければならない。ところがこのような切削加工の際に繊維の切断を生じ、強化繊維の補強効果が失われる問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、とくに軽量でかつ高強度で、回転体の半径方向および軸線方向の熱膨張係数が小さく、しかも機械加工を必要としない高精度の円盤状部材とその製造方法とを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の一発明は、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維プリプレグの成形体から成る円盤状部材において、
複数枚の強化繊維プリプレグの積層体を具備し、該積層体を構成するそれぞれの強化繊維プリプレグは強化繊維の配列方向が所定の直径方向と平行に配列されるとともに、それぞれの強化繊維プリプレグは互いに強化繊維の配列方向が円周方向に間欠的であってかつ均等に変化して前記積層体が疑似等方性を有し、
マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維ストランドを切断したチョップドストランドによって肉厚部が形成され、前記強化繊維プリプレグの積層体から成る成形体上に一体に成形され、
しかも円筒状接合部が一体に連設されるとともに、該接合部が円周方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグと軸線方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグとから成ることを特徴とする円盤状部材に関するものである。
【０００８】
また別の発明は、所定の方向に強化繊維が配列されるとともにマトリックス樹脂が含浸された複数枚の強化繊維プリプレグを用い、強化繊維の配列方向が円周方向に間欠的であってかつ均等に変化して疑似等方性を有するように前記複数枚の強化繊維プリプレグを互いに向きを変えた状態で積層して成形型のキャビティ内に配し、
しかもマトリックス樹脂を含浸させた強化繊維ストランドを切断したチョップドストランドをキャビティ内にランダムに充填し、成形型を閉じて加熱することにより前記チョップドストランドによって肉厚部を一体的に備えた状態で成形し、
しかも強化繊維が円周方向と軸線方向とに配列された接続用筒部を一体成形することを特徴とする円盤状部材の製造方法に関するものである。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、連続繊維または長繊維が一方向に引揃えられかつマトリックス樹脂が含浸された繊維層またはマトリックス樹脂が含浸された連続繊維の織物層の複数の積層構造から成り、このような複数の層が円周方向に間欠的にかつ均等にその方向を変化させることによって疑似等方性を有するように積層された連続繊維積層部と、マトリックス樹脂を含浸する短繊維または不連続繊維がランダムに配向した非連続繊維積層部が部分的あるいは全体的に組合わされ、上記マトリックス樹脂が加熱硬化されてこれらが一体になって成形された円盤状の繊維強化複合成形体およびその製造方法に関するものである。
【００１０】
このような態様において、とくにこの成形体を構成する連続繊維積層部の強化繊維が直径方向と平行な方向であって円周方向に間欠的にかつ均等に回転するように変化して疑似等方性を有するように配列されているために、放射状をなす総ての方向の機械的性質をほぼ等しくでき、この円盤状部材の熱膨張係数が抑えられるようになる。また非連続繊維積層部が部分的あるいは全体的に配されており、このような非連続繊維積層部によって肉厚部が構成される。
【００１１】
このような肉厚部は成形時に流動可能であって、これによって成形体の成形時に金型のキャビティになじむように流動するために、ニアネットシェープ（ｎｅａｒ  ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）成形を行なうことが可能になる。すなわち高精度の円盤状部材を成形型によって製作することが可能になる。このようなニアネットシェープ成形は、切削加工等の後加工を必要とせず、これによってコストの低減が可能になるばかりか、切削加工に伴う繊維の切断を伴わない。従ってこれにより機械的特性の低下を防止することが可能になる。
【００１２】
また強化繊維によってその配列方向の熱膨張が抑えられるために、組立て時におけるローラ本体との嵌合い精度を維持することが可能になり、あるいはまた使用時における温度変化に伴う寸法の変化を最小限に抑えることが可能になる。また繊維強化樹脂成形体によって構成されるために、アルミニウム合金よりもさらに軽量になるとともに、回転に伴うイナーシャも小さくなる。とくに補強材として炭素繊維を用いた場合には、円周方向に疑似等方性を有し、より軽量であってしかも高強度の円盤状部材が得られることになる。
【００１３】
ここで使用される強化繊維としては、一般に繊維強化樹脂複合材料における強化繊維として使用される強化用繊維群であってよい。具体的には、無機繊維、有機繊維、金属繊維、金属被覆繊維またはそれらの混合から成り、無機繊維としては炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイト繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が用いられてよい。有機繊維の場合にはアラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維が挙げられる。また金属繊維としては、ステンレス繊維が挙げられる。金属被覆繊維としては、上記の無機繊維および有機繊維の表面にニッケル、銅等の金属層を電解メッキまたは無電解メッキによって形成した繊維であってよい。とくに炭素繊維あるいは黒鉛繊維が好ましく、この場合に通常その目付は５０〜３００ｇ／ｍ2 であってよい。
【００１４】
これに対して強化繊維プリプレグあるいは強化繊維織物に含浸されるマトリックス樹脂としては、通常強化繊維複合材料のマトリックス樹脂として用いられている熱硬化性樹脂であってよく、とくにエポキシ樹脂が好適に使用される。エポキシ樹脂硬化剤は、エポキシ基と反応し得る活性基を有する化合物であれば用いることができる。好ましくは、アミノ基、酸無水物基、アジド基を有する化合物が適している。具体的にはジシアンジアミド、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体やアミノ安息香酸エステル類が適している。エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等が使用される。
【００１５】
なお上記強化繊維プリプレグあるいは強化繊維織物においては、上記の熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を混合して用いることも好適である。好適な熱可塑性樹脂としては、ポリアクリレート、ポリアミド、アラミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン等である。これらの熱可塑性樹脂を併用することによって、靭性の高い硬化性成形物を供給することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態に係る円盤状部材から成るフランジ１０を用いたローラ１１を示している。円筒状をなすローラ１１はその目的に応じた材料、例えば金属あるいはプラスチックから構成されており、円筒状をなしている。すなわちローラ１１はその両端が開口になっている。そしてこのようなローラ１１の両端の開口を塞ぐように、ローラ１１の両側にそれぞれフランジ１０が組合わされるようになっている。
【００１７】
フランジ１０は図２および図３に示すように、その内部に円盤状補強部１５を備えている。この円盤状補強部１５は主として一方向プリプレグの積層体から構成されている。そしてこのような円盤状補強部１５上には肉厚部１６が設けられるとともに、このような肉厚部１６上に同心円状に周溝１７、１８が形成されている。
【００１８】
さらにこのようなフランジ１０はローラ１１の両端の開口の内周と嵌合するように円筒状接続部２０を備えている。このような円筒状接続部２０は円筒状補強部２１と、このような円筒状補強部２１の外周部に一体に設けられている肉厚部２２とから構成されている。
【００１９】
次にとくに円盤状補強部１５の構成について説明する。円盤状補強部１５は強化繊維、例えば炭素繊維を一方向に配列してマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグ２５または織物プリプレグを図４および図５に示すように４５°ずつ回転させて円周方向に間欠的であってかつ均等に配し、これによって疑似等方性を有するようにした積層体から構成されている。すなわち所定の枚数のプリプレグ２５を互いに強化繊維の配列方向が４５°ずつずれるように配列している。なお一方向プリプレグ２５に代えて強化繊維織物プリプレグを用いるようにしてもよい。
【００２０】
図６および図７はプリプレグ２５を３０°ずつ円周方向に間欠的であってかつ均等に変化させて配列し、これによって疑似等方性を有するようにしたものである。また図８および図９は、プリプレグ２５を６０°ずつ円周方向に間欠的に方向を変化させて疑似等方性を有するようにしたものである。
【００２１】
すなわち何れの場合においても、一方向プリプレグ２５または織物プリプレグが円周方向に間欠的であってしかも均等に回転して変化し、これによって円周方向に沿って疑似等方性を有するように積層して円盤状補強部１５を形成するようにしている。すなわち補強部１５としてマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグ２５または織物プリプレグが用いられる。
【００２２】
ここで上記プリプレグ２５と織物プリプレグとをサンドイッチ状に配するようにしてもよい。あるいはまた積層されたプリプレグ２５を織物プリプレグによって包むようにしてもよい。とくに織物プリプレグの場合にはバラバラになり難いために、積層時の取扱い性を改善することが可能になり、積層時にプリプレグがばらけるのを防止できるようになる。
【００２３】
このような一方向プリプレグ２５または織物プリプレグから成る円盤状補強部１５上には、肉厚部１６が一体に形成される。このような肉厚部は紐状のプリプレグを比較的短い寸法に切断したチョップドプリプレグをランダムに配向して成形したものである。すなわちチョップドストランドを金型内に配し、円盤状補強部１５と一緒に金型のキャビティ内に充填して加圧および加熱することにより、肉厚部１６を一体に成形するようにしている。
【００２４】
またこのようなフランジ１０のローラ１１と組合わされる円筒状接合部２０は円筒状補強部２１と肉厚部２２とから構成されている。ここで円筒状補強部２１は図１０および図１１に示すように、一方向プリプレグ２６または織物プリプレグから構成されるとともに、強化繊維の配列方向が円周方向と軸線方向とに配列されている。より好ましくは円周方向に配列されたプリプレグ２６と軸線方向に配列されたプリプレグ２６とを交互に積層するとよい。さらにはこのようなプリプレグ２６の積層体を織物プリプレグによって包むようにしてよい。
【００２５】
図１２および図１３はこのような構造の円盤状のフランジ１０を成形するための金型を示しており、この金型は上型３１と下型３２とから構成されており、しかも下型３２の上面にキャビティ３３が形成されている。そしてこのような金型３１、３２を閉じると、キャビティ３３の空間の形状がフランジ１０の形状と一致するようにしている。
【００２６】
このような金型の下型３２のキャビティ３３上には、上記の円盤状補強部１５と円筒状補強部２１と、そして肉厚部１６、２２を構成するためのチョップドストランドとを充填する。そしてこのような状態において金型を閉じるとともに、加熱することによって、プリプレグあるいは織物を構成する強化繊維に含浸されているマトリックス樹脂が流動硬化し、これによって図２および図３に示すようなフランジ１０が成形される。
【００２７】
【実施例】
最大径が３８２ｍｍであって、軸線方向の最大寸法が５８ｍｍの図２および図３に示すようなフランジ１０を試作した。ここで要求される熱膨張係数のスペックは、半径方向のそれが５×１０-6／℃以下であって、軸線方向のそれが１０×１０-6／℃以下である。
【００２８】
まず円盤状補強部１５として次のような積層構造を採用した。
【００２９】
Ｗ３１０１／Ｑ１１２            ０／９０°        １Ｐｌｙ
Ｑ−１１１２（２１６ｇ／ｍ2 ）  ４５°疑似等方  ２４Ｐｌｙ（１ｋｇ）
Ｗ３１０１／Ｑ１１２            ０／９０°        １Ｐｌｙ
また円筒状補強部２１については次のような組成としている。
【００３０】
Ｗ３１０１／Ｑ１１２            ０／９０°        ２Ｐｌｙ
Ｑ−１１１２（２１６ｇ／ｍ2 ）  ０°              ８Ｐｌｙ
Ｗ３１０１／Ｑ１１２            ０／９０°        ２Ｐｌｙ（０．５ｋｇ）
Ｑ−１１１２（２１６ｇ／ｍ2 ）  ０°              ８Ｐｌｙ
Ｗ３１０１／Ｑ１１２            ０／９０°        ２Ｐｌｙ
なおここでＷ３１０１／Ｑ１１２は織物プリプレグ（平織）であって、エポキシ樹脂を炭素繊維織物に含浸させている。またＱ−１１１２（２１６ｇ／ｍ2 ）は一方向プリプレグであって、炭素繊維を一方向に配列するとともに、これにエポキシ樹脂を含浸させたものである。
【００３１】
また肉厚部１６、２２については、炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたストランドを短い寸法に切断したチョップドストランドを用いた。
【００３２】
このようなそれぞれの材料を図１２に示す下型３２内のキャビティ３３上に配し、この金型を図１３に示すように閉じるとともに、２００トンの型締め力を付加し、上型を１２５℃に上記加熱するとともに、下型を１３０℃に加熱し、１時間の成形を行なった。そしてこの後に１３０℃で２時間のアフタキュアを行なった。これによって切削加工等の後加工を必要としない図２および図３に示すフランジ１０が高精度に成形された。ちなみにこのようなフランジ１０の半径方向の熱膨張係数は２〜３×１０-6／℃であって、軸線方向の熱膨張係数は７〜８×１０-6／℃であった。
【００３３】
【発明の効果】
本願の一発明は、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維プリプレグの成形体から成る円盤状部材において、複数枚の強化繊維プリプレグの積層体を具備し、該積層体を構成するそれぞれの強化繊維プリプレグは強化繊維の配列方向が所定の直径方向と平行に配列されるとともに、それぞれの強化繊維プリプレグは互いに強化繊維の配列方向が円周方向に間欠的であってかつ均等に変化して前記積層体が疑似等方性を有し、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維ストランドを切断したチョップドストランドによって肉厚部が形成され、強化繊維プリプレグの積層体から成る成形体上に一体に成形され、しかも円筒状接合部が一体に連設されるとともに、該接合部が円周方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグと軸線方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグとから成るようにしたものである。
【００３４】
従って円周方向の総ての方向においてほぼ同一の機械的性質を有するとともに、肉厚部が形成された円盤状部材が提供される。
【００３５】
円筒状接合部が一体に連設されるとともに、該接合部が円周方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグと軸線方向に強化繊維が配列した強化繊維プリプレグとから成る構成によれば、このような接合部によってこの円盤状部材をローラの端部の開口部に嵌合させることが可能になる。しかもこのような円筒状接合部はその強化繊維が円周方向と軸線方向とに配列しているために、円周方向と軸線方向とにそれぞれ所定の強度を有することになる。
【００３６】
製造方法に関する発明は、所定の方向に強化繊維が配列されるとともにマトリックス樹脂が含浸された複数枚の強化繊維プリプレグを用い、強化繊維の配列方向が円周方向に間欠的であってかつ均等に変化して疑似等方性を有するように複数枚の強化繊維プリプレグを互いに向きを変えた状態で積層して成形型のキャビティ内に配し、しかもマトリックス樹脂を含浸させた強化繊維ストランドを切断したチョップドストランドをキャビティ内にランダムに充填し、成形型を閉じて加熱することによりチョップドストランドによって肉厚部を一体的に備えた状態で成形し、しかも強化繊維が円周方向と軸線方向とに配列された接続用筒部を一体成形するようにしたものである。
【００３７】
従ってこのような成形方法によれば、円周方向に疑似等方性を有する強化繊維成形体から成る円盤状部材を効率的に成形することが可能になる。しかもこのような成形体がチョップドストランドによって構成される肉厚部を一体的に備えるために、このような円盤状部材の形状を任意の形状とすることが可能になる。
【００３８】
強化繊維が円周方向と軸線方向とに配列された接続用筒部が一体成形されている構成によれば、接続用筒部を後から付加する必要がなくなり、しかも接続用筒部の接合強度を十分な値にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラの分解斜視図である。
【図２】フランジの縦断面図である。
【図３】フランジの正面図である。
【図４】繊維の配列方向を示す平面図である。
【図５】プリプレグの配列方向を示す分解斜視図である。
【図６】繊維の配列方向を示す平面図である。
【図７】プリプレグの配列方向を示す分解斜視図である。
【図８】繊維の配列方向を示す平面図である。
【図９】プリプレグの配列方向を示す分解斜視図である。
【図１０】円筒状接続部の繊維の配列を示す斜視図である。
【図１１】円筒状接続部のプリプレグの配列を示す分解斜視図である。
【図１２】開かれた状態の成形型の縦断面図である。
【図１３】閉じた状態の成形型の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  フランジ
１１  ローラ
１５  円盤状補強部
１６  肉厚部
１７、１８  周溝
２０  円筒状接続部
２１  円筒状補強部
２２  肉厚部
２５、２６  プリプレグ
３１  上型
３２  下型
３３  キャビティ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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