JPH10693A - 繊維強化樹脂複合材製円筒部品およびその製造方法 - Google Patents
繊維強化樹脂複合材製円筒部品およびその製造方法Info
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- JPH10693A JPH10693A JP15245896A JP15245896A JPH10693A JP H10693 A JPH10693 A JP H10693A JP 15245896 A JP15245896 A JP 15245896A JP 15245896 A JP15245896 A JP 15245896A JP H10693 A JPH10693 A JP H10693A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 層間剥離のない優れた品質の繊維強化樹脂複
合材製厚肉円筒部品を製作する。 【解決手段】 金属性のマンドレル１の周方向に熱膨脹
率の小さい繊維強化樹脂複合材を積層し、この繊維強化
樹脂複合材層を加熱硬化してマンドレルの補助部材２を
形成し、この補助部材２の外側に弾性率の異なる複数種
類の繊維強化樹脂複合材３を積層し、この積層した繊維
強化樹脂複合材３を加熱硬化する。
合材製厚肉円筒部品を製作する。 【解決手段】 金属性のマンドレル１の周方向に熱膨脹
率の小さい繊維強化樹脂複合材を積層し、この繊維強化
樹脂複合材層を加熱硬化してマンドレルの補助部材２を
形成し、この補助部材２の外側に弾性率の異なる複数種
類の繊維強化樹脂複合材３を積層し、この積層した繊維
強化樹脂複合材３を加熱硬化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、構造部材として用
いられる繊維強化樹脂複合材製円筒部品およびその製造
方法に関する。
いられる繊維強化樹脂複合材製円筒部品およびその製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化樹脂複合材は、比強度、比剛
性、耐食性等の機械的性質に優れているが、繊維強化樹
脂複合材から構造部材を製造する場合には解決しなけれ
ばならない技術課題が多い。
性、耐食性等の機械的性質に優れているが、繊維強化樹
脂複合材から構造部材を製造する場合には解決しなけれ
ばならない技術課題が多い。
【０００３】繊維強化樹脂複合材を用いて複合材製厚肉
円筒部品を作る場合、フィラメントワィディング法、テ
ープワィンディング法、シートワィディング法等が用い
られている。
円筒部品を作る場合、フィラメントワィディング法、テ
ープワィンディング法、シートワィディング法等が用い
られている。
【０００４】繊維強化樹脂複合材は、積層の方向により
熱膨張率が大きく異なる特性を有する。そのため、繊維
強化樹脂複合材を用いて厚肉円筒部品を作る場合、熱硬
化後に、繊維強化樹脂複合材に硬化温度と室温の温度差
に比例した内部応力が発生し、肉厚の厚い円筒部品で
は、繊維強化樹脂複合材に発生する内部応力が、繊維強
化樹脂複合材の層間の結合力を越え、繊維強化樹脂複合
材の層間剥離が発生することがある。
熱膨張率が大きく異なる特性を有する。そのため、繊維
強化樹脂複合材を用いて厚肉円筒部品を作る場合、熱硬
化後に、繊維強化樹脂複合材に硬化温度と室温の温度差
に比例した内部応力が発生し、肉厚の厚い円筒部品で
は、繊維強化樹脂複合材に発生する内部応力が、繊維強
化樹脂複合材の層間の結合力を越え、繊維強化樹脂複合
材の層間剥離が発生することがある。
【０００５】厚肉円筒部品の一般的な積層は、±１０°
／±４５°／±８５°のような多層の積層角度を組み合
わせたものであるが、径が小さく（内径が２００ｍｍ以
下程度）、肉厚が厚い（３０ｍｍ以上）構造では、内部
応力が過大になり、結果的に層間剥離を生じる。
／±４５°／±８５°のような多層の積層角度を組み合
わせたものであるが、径が小さく（内径が２００ｍｍ以
下程度）、肉厚が厚い（３０ｍｍ以上）構造では、内部
応力が過大になり、結果的に層間剥離を生じる。
【０００６】特開平２−２３６０１４号公報には、ねじ
り強化層（軸方向に対して±３０°〜±６０°）と曲げ
強化層（０°〜２０°）を交互に積層することで、加熱
硬化から冷却時における熱膨張係数の違いによる境界層
の剥離を抑える方法が記載されている。
り強化層（軸方向に対して±３０°〜±６０°）と曲げ
強化層（０°〜２０°）を交互に積層することで、加熱
硬化から冷却時における熱膨張係数の違いによる境界層
の剥離を抑える方法が記載されている。
【０００７】また、特開平６−３３５９７３号公報に
は、加熱硬化時の温度バラツキを小さくして、内部応力
を減少させる方法として高周波誘導加熱手段を用いるこ
とが記載されている。
は、加熱硬化時の温度バラツキを小さくして、内部応力
を減少させる方法として高周波誘導加熱手段を用いるこ
とが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】異なる積層方向プライ
を交互に積層する方法では、円筒部品の肉厚は１５ｍｍ
程度が限界であり、円筒部品の肉厚がこれ以上、たとえ
ば、肉厚（１５〜５０ｍｍ）になると、肉厚の増加に伴
い、繊維強化樹脂複合材の内部応力が急激に増加して、
繊維強化樹脂複合材層の層間剥離が生じ、複合材の特性
を活かした高強度、高剛性の円筒構造を製造することが
できない。
を交互に積層する方法では、円筒部品の肉厚は１５ｍｍ
程度が限界であり、円筒部品の肉厚がこれ以上、たとえ
ば、肉厚（１５〜５０ｍｍ）になると、肉厚の増加に伴
い、繊維強化樹脂複合材の内部応力が急激に増加して、
繊維強化樹脂複合材層の層間剥離が生じ、複合材の特性
を活かした高強度、高剛性の円筒構造を製造することが
できない。
【０００９】また、高周波誘導加熱を行い、加熱硬化時
の温度のバラツキを小さくして、繊維強化樹脂複合材層
の内部応力を減少させる方法では、マトリックス樹脂に
磁性材料を添加することにより重量が増加し、その結果
として、構造体の重量増加及び性能の低下を引き起こし
かねない。また、その際には、従来から汎用的に用いら
れているオートクレーブや加熱炉に替えて、高周波誘導
加熱装置を製造構造形状に合わせて特別に用意しなけれ
ばならない等の課題がある。
の温度のバラツキを小さくして、繊維強化樹脂複合材層
の内部応力を減少させる方法では、マトリックス樹脂に
磁性材料を添加することにより重量が増加し、その結果
として、構造体の重量増加及び性能の低下を引き起こし
かねない。また、その際には、従来から汎用的に用いら
れているオートクレーブや加熱炉に替えて、高周波誘導
加熱装置を製造構造形状に合わせて特別に用意しなけれ
ばならない等の課題がある。
【００１０】さらに、スチール材（熱膨張率１０〜１２
×１０-6／℃）で作られたマンドレルを使用した場合に
は、加熱硬化後の冷却によりマンドレルが収縮し、これ
により、内側層が半径方向へ収縮して、層間剥離が発生
することがある、本発明は上記した点を考慮してなされ
たもので、従来の設備で内部応力を緩和して肉厚４０ｍ
ｍ程度の厚肉円筒部品を安定した品質で成形する複合材
製厚肉円筒部品の製造方法を提供することを目的とす
る。
×１０-6／℃）で作られたマンドレルを使用した場合に
は、加熱硬化後の冷却によりマンドレルが収縮し、これ
により、内側層が半径方向へ収縮して、層間剥離が発生
することがある、本発明は上記した点を考慮してなされ
たもので、従来の設備で内部応力を緩和して肉厚４０ｍ
ｍ程度の厚肉円筒部品を安定した品質で成形する複合材
製厚肉円筒部品の製造方法を提供することを目的とす
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の複合材製厚肉円
筒部品の製造方法では、加熱硬化後の繊維強化樹脂複合
材層の内部応力を緩和する方法として、厚肉円筒部品の
主構成材が炭素繊維強化樹脂複合材の場合には、ガラス
繊維強化樹脂複合材またはアラミド繊維強化樹脂複合材
のような、炭素繊維強化樹脂複合材より弾性係数の小さ
い緩衝材を数％〜２０％程度、板厚方向に数層に分散し
て入れることにより、加熱硬化後の層間剥離発生の原因
となる各層間に発生する内部応力を緩衝させることがで
きる。
筒部品の製造方法では、加熱硬化後の繊維強化樹脂複合
材層の内部応力を緩和する方法として、厚肉円筒部品の
主構成材が炭素繊維強化樹脂複合材の場合には、ガラス
繊維強化樹脂複合材またはアラミド繊維強化樹脂複合材
のような、炭素繊維強化樹脂複合材より弾性係数の小さ
い緩衝材を数％〜２０％程度、板厚方向に数層に分散し
て入れることにより、加熱硬化後の層間剥離発生の原因
となる各層間に発生する内部応力を緩衝させることがで
きる。
【００１２】また、レイアップ途中で、硬化温度（たと
えば、１８０℃）より低い温度（最終硬化の物性に悪影
響のない温度・時間、たとえば６０〜１３０℃、３０〜
６０分）に加熱しコンパクション（圧力 真空圧〜７kg
f ／cm2 ）を行い、レイアップ時と硬化後の板厚変化を
小さくし、硬化後に発生する繊維の蛇行やリンクルを小
さくして応力集中を小さくする。
えば、１８０℃）より低い温度（最終硬化の物性に悪影
響のない温度・時間、たとえば６０〜１３０℃、３０〜
６０分）に加熱しコンパクション（圧力 真空圧〜７kg
f ／cm2 ）を行い、レイアップ時と硬化後の板厚変化を
小さくし、硬化後に発生する繊維の蛇行やリンクルを小
さくして応力集中を小さくする。
【００１３】また、強度、剛性要求から必要となる強度
部材の内側に、繊維方向の熱膨張率が小さい繊維強化樹
脂複合材層からなる補助部材を設けることで、強度部材
の加熱硬化後の冷却により内側の層が収縮するのを防止
し、厚肉円筒構造の層間剥離発生を防止する。このため
に使用する複合材としては繊維方向の熱膨張率がほぼ零
の炭素繊維強化樹脂複合材が適している。
部材の内側に、繊維方向の熱膨張率が小さい繊維強化樹
脂複合材層からなる補助部材を設けることで、強度部材
の加熱硬化後の冷却により内側の層が収縮するのを防止
し、厚肉円筒構造の層間剥離発生を防止する。このため
に使用する複合材としては繊維方向の熱膨張率がほぼ零
の炭素繊維強化樹脂複合材が適している。
【００１４】また、内部応力の発生は、硬化温度と室温
の温度差に比例することから、加熱硬化サイクルにおい
て、従来の硬化サイクルより性能の低下のない範囲で硬
化サイクルを変更し、硬化温度を下げることで、加熱硬
化時と冷却後の温度差を小さくし、加熱硬化後の内部応
力を小さくする。
の温度差に比例することから、加熱硬化サイクルにおい
て、従来の硬化サイクルより性能の低下のない範囲で硬
化サイクルを変更し、硬化温度を下げることで、加熱硬
化時と冷却後の温度差を小さくし、加熱硬化後の内部応
力を小さくする。
【００１５】また、目的の板厚や用途に応じて、繊維強
化樹脂複合材の積層方向を変化させて応力の発生を抑え
る。
化樹脂複合材の積層方向を変化させて応力の発生を抑え
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。
参照して説明する。
【００１７】図１は本発明の複合材製厚肉円筒部品の製
造方法に用いられる成形用マンドレル１を示す。この成
形用マンドレル１は、スチール材（熱膨張率１０〜１２
×１０-6／℃）で作られている。成形用マンドレル１の
外面１ａは、加熱硬化後の離型が容易にできるように、
一端側から他端側に若干のテーパーを有する。
造方法に用いられる成形用マンドレル１を示す。この成
形用マンドレル１は、スチール材（熱膨張率１０〜１２
×１０-6／℃）で作られている。成形用マンドレル１の
外面１ａは、加熱硬化後の離型が容易にできるように、
一端側から他端側に若干のテーパーを有する。
【００１８】成形用マンドレル１の外面１ａには、図２
に示すように、カーボン繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲ
Ｐ）２ａが、成形用マンドレル１につけたテーパー面を
相殺するように板厚変化をつけて、周方向に角度θ（ほ
ぼ９０度°）で数ミリ（３〜５ｍｍ）レイアップされ
る。成形用マンドレル１の外面１ａにレイアップされた
カーボン繊維強化樹脂複合材２ａは、図６に示す硬化サ
イクル、すなわち、１６５℃で２４０分加熱硬化される
ことで補助部材２を形成する。この硬化サイクルは、従
来の硬化サイクル（１８０℃で１２０分）であってもよ
い。
に示すように、カーボン繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲ
Ｐ）２ａが、成形用マンドレル１につけたテーパー面を
相殺するように板厚変化をつけて、周方向に角度θ（ほ
ぼ９０度°）で数ミリ（３〜５ｍｍ）レイアップされ
る。成形用マンドレル１の外面１ａにレイアップされた
カーボン繊維強化樹脂複合材２ａは、図６に示す硬化サ
イクル、すなわち、１６５℃で２４０分加熱硬化される
ことで補助部材２を形成する。この硬化サイクルは、従
来の硬化サイクル（１８０℃で１２０分）であってもよ
い。
【００１９】成形用マンドレル１にレイアップされた補
助部材２の上に、図示しない耐熱性の高い薄膜、たとえ
ば、テフロンテープが補助部材２の全面を覆うように貼
着される。この薄膜は、補助部材２をこの補助部材２の
上にレイアップされる強度部材３から完全に分離するた
めに用いられる。
助部材２の上に、図示しない耐熱性の高い薄膜、たとえ
ば、テフロンテープが補助部材２の全面を覆うように貼
着される。この薄膜は、補助部材２をこの補助部材２の
上にレイアップされる強度部材３から完全に分離するた
めに用いられる。
【００２０】強度部材３の炭素繊維強化樹脂複合材間の
積層方向に違いがある場合、炭素繊維強化樹脂複合材の
繊維方向によって熱膨張率が異なってくる。たとえば、
炭素繊維強化樹脂複合材では、炭素繊維の影響を強く受
けて繊維方向の熱膨張率は殆どないが、繊維と直交する
方向では繊維の影響が弱く、母材の樹脂の影響を強く受
けて熱膨張率は大きい。炭素繊維強化樹脂複合材を硬化
温度から室温に冷却した時に、強度部材３の間で積層方
向に差があれば、それらの間に熱膨張差による応力（歪
み）が大きくなる。この応力により、強度部材３の層間
に剥離を生じることがある。強度部材３の層間では積層
方向の差が小さいほど、より厚肉の円筒部品が得られる
ことになる。
積層方向に違いがある場合、炭素繊維強化樹脂複合材の
繊維方向によって熱膨張率が異なってくる。たとえば、
炭素繊維強化樹脂複合材では、炭素繊維の影響を強く受
けて繊維方向の熱膨張率は殆どないが、繊維と直交する
方向では繊維の影響が弱く、母材の樹脂の影響を強く受
けて熱膨張率は大きい。炭素繊維強化樹脂複合材を硬化
温度から室温に冷却した時に、強度部材３の間で積層方
向に差があれば、それらの間に熱膨張差による応力（歪
み）が大きくなる。この応力により、強度部材３の層間
に剥離を生じることがある。強度部材３の層間では積層
方向の差が小さいほど、より厚肉の円筒部品が得られる
ことになる。
【００２１】補助部材２の上にレイアップされる強度部
材３は、図３ないし図５に示すように、３段階の工程に
より成形される。
材３は、図３ないし図５に示すように、３段階の工程に
より成形される。
【００２２】すなわち、成形用マンドレル１にレイアッ
プされた補助部材２のテフロンテープの上に、図３に示
すように、強度部材３を構成する炭素繊維強化樹脂複合
材と緩衝材のガラス繊維強化複合材の全プライの１／３
の強度部材３ａを成形用マンドレル１の軸線に対して±
１７度の方向にレイアップする。
プされた補助部材２のテフロンテープの上に、図３に示
すように、強度部材３を構成する炭素繊維強化樹脂複合
材と緩衝材のガラス繊維強化複合材の全プライの１／３
の強度部材３ａを成形用マンドレル１の軸線に対して±
１７度の方向にレイアップする。
【００２３】円筒軸に働く外力として曲げあるいは引張
り圧縮が殆どで、ねじりがたいして大きくない場合は、
積層方向を軸方向に近付けた方が強度の高い円筒部材が
得られると考えられるが、積層方向が軸方向に近付けば
繊維強化樹脂複合材の積層作業が困難になる。強度、剛
性が確保できるならば積層方向は軸方向から離したほう
がよいことが分かっているので、与えられた条件におい
て、必要強度と必要剛性を確保し積層作業を容易にする
ものとし均一の積層方向である±１７°を設定した。こ
の数値は固定されるものではなく、必要に応じて変化す
るものである。
り圧縮が殆どで、ねじりがたいして大きくない場合は、
積層方向を軸方向に近付けた方が強度の高い円筒部材が
得られると考えられるが、積層方向が軸方向に近付けば
繊維強化樹脂複合材の積層作業が困難になる。強度、剛
性が確保できるならば積層方向は軸方向から離したほう
がよいことが分かっているので、与えられた条件におい
て、必要強度と必要剛性を確保し積層作業を容易にする
ものとし均一の積層方向である±１７°を設定した。こ
の数値は固定されるものではなく、必要に応じて変化す
るものである。
【００２４】主材の炭素繊維強化樹脂複合材と緩衝材の
ガラス繊維強化樹脂複合材の割合は、要求される強度や
弾性率を満たすように、複合則により決定される。
ガラス繊維強化樹脂複合材の割合は、要求される強度や
弾性率を満たすように、複合則により決定される。
【００２５】今回の場合、炭素繊維強化樹脂複合材とガ
ラス繊維強化樹脂複合材は、強度は大差なく弾性率が大
きく異なる。そこで、弾性率が必要値を満たすように下
記の弾性率の複合則の式で検討して炭素繊維強化樹脂複
合材を９、ガラス繊維強化樹脂複合材を１の割合とし
た。 Ｅ＝Ｅｒ×Ｖｒ＋Ｅｂ×Ｖｂ ここで、Ｅ＝要求弾性率 Ｅｒ＝強度部材の弾性率 Ｅｂ＝緩衝材の弾性率 Ｖｒ＝強度部材の体積割合 Ｖｂ＝緩衝材の体積割合 成形用マンドレル１の補助部材２の上にレイアップされ
た強度部材３ａは、円筒度の確保、ローカルな蛇行及び
リンクルの発生を防止するため、１００℃に加熱され、
圧力 ６kgf ／cm2 で３０分間コンパクション処理され
る。
ラス繊維強化樹脂複合材は、強度は大差なく弾性率が大
きく異なる。そこで、弾性率が必要値を満たすように下
記の弾性率の複合則の式で検討して炭素繊維強化樹脂複
合材を９、ガラス繊維強化樹脂複合材を１の割合とし
た。 Ｅ＝Ｅｒ×Ｖｒ＋Ｅｂ×Ｖｂ ここで、Ｅ＝要求弾性率 Ｅｒ＝強度部材の弾性率 Ｅｂ＝緩衝材の弾性率 Ｖｒ＝強度部材の体積割合 Ｖｂ＝緩衝材の体積割合 成形用マンドレル１の補助部材２の上にレイアップされ
た強度部材３ａは、円筒度の確保、ローカルな蛇行及び
リンクルの発生を防止するため、１００℃に加熱され、
圧力 ６kgf ／cm2 で３０分間コンパクション処理され
る。
【００２６】その後、成形用マンドレル１の強度部材３
ａの上に、図４に示すように、全プライの内１／３の強
度部材３ｂをレイアップする。強度部材３ａの上にレイ
アップされた強度部材３ｂは、円筒度の確保、ローカル
な蛇行及びリンクルの発生を防止するため、圧力 ６kg
f ／cm2 、温度１００℃の環境条件で３０分間コンパク
ション処理される。
ａの上に、図４に示すように、全プライの内１／３の強
度部材３ｂをレイアップする。強度部材３ａの上にレイ
アップされた強度部材３ｂは、円筒度の確保、ローカル
な蛇行及びリンクルの発生を防止するため、圧力 ６kg
f ／cm2 、温度１００℃の環境条件で３０分間コンパク
ション処理される。
【００２７】さらに、図５に示すように、成形用マンド
レル１の強度部材３ｂの上に全プライの内１／３の強度
部材３ｃをレイアップする。強度部材３ｂの上にレイア
ップされた強度部材３ｃは、図６に示す硬化サイクル、
すなわち、１６５℃で２４０分加熱硬化される。この加
熱硬化処理を経ることで、炭素繊維強化樹脂複合材製厚
肉円筒部品が成形される。
レル１の強度部材３ｂの上に全プライの内１／３の強度
部材３ｃをレイアップする。強度部材３ｂの上にレイア
ップされた強度部材３ｃは、図６に示す硬化サイクル、
すなわち、１６５℃で２４０分加熱硬化される。この加
熱硬化処理を経ることで、炭素繊維強化樹脂複合材製厚
肉円筒部品が成形される。
【００２８】コンパクション条件（圧力、温度・時間・
回数）は、最終硬化後の複合材製厚肉円筒部品の物性に
悪影響がない範囲で設定される。
回数）は、最終硬化後の複合材製厚肉円筒部品の物性に
悪影響がない範囲で設定される。
【００２９】本発明の好ましい実施の形態では、強度部
材３の成形に際して、強度部材３を構成する繊維強化樹
脂複合材を３回に分けて積層し、繊維強化樹脂複合材の
間に等間隔にガラス繊維強化複合材を１層積層する配置
とし、１回目の積層後と２回目の積層後に、それぞれ６
kgf ／cm2 、１００℃の環境条件で３０分間コンパクシ
ョン処理を行った。
材３の成形に際して、強度部材３を構成する繊維強化樹
脂複合材を３回に分けて積層し、繊維強化樹脂複合材の
間に等間隔にガラス繊維強化複合材を１層積層する配置
とし、１回目の積層後と２回目の積層後に、それぞれ６
kgf ／cm2 、１００℃の環境条件で３０分間コンパクシ
ョン処理を行った。
【００３０】本発明の好ましい実施の形態では、強度部
材３の積層数の構成とコンパクション処理のタイミング
は、８層の繊維強化樹脂複合材→１層のガラス繊維強化
樹脂複合材→９層の繊維強化樹脂複合材→１層のガラス
繊維強化樹脂複合材→８層の繊維強化樹脂複合材→コン
パクション処理→１層の繊維強化樹脂複合材→１層のガ
ラス繊維強化樹脂複合材→９層の繊維強化樹脂複合材→
１層のガラス繊維強化樹脂複合材→９層の繊維強化樹脂
複合材→１層のガラス繊維強化樹脂複合材→５層の繊維
強化樹脂複合材→コンパクション処理→４層の繊維強化
樹脂複合材→１層のガラス繊維強化樹脂複合材→９層の
繊維強化樹脂複合材→１層のガラス繊維強化樹脂複合材
→９層の繊維強化樹脂複合材→１層のガラス繊維強化樹
脂複合材→３層の繊維強化樹脂複合材であり、この後、
加熱硬化が行われる。
材３の積層数の構成とコンパクション処理のタイミング
は、８層の繊維強化樹脂複合材→１層のガラス繊維強化
樹脂複合材→９層の繊維強化樹脂複合材→１層のガラス
繊維強化樹脂複合材→８層の繊維強化樹脂複合材→コン
パクション処理→１層の繊維強化樹脂複合材→１層のガ
ラス繊維強化樹脂複合材→９層の繊維強化樹脂複合材→
１層のガラス繊維強化樹脂複合材→９層の繊維強化樹脂
複合材→１層のガラス繊維強化樹脂複合材→５層の繊維
強化樹脂複合材→コンパクション処理→４層の繊維強化
樹脂複合材→１層のガラス繊維強化樹脂複合材→９層の
繊維強化樹脂複合材→１層のガラス繊維強化樹脂複合材
→９層の繊維強化樹脂複合材→１層のガラス繊維強化樹
脂複合材→３層の繊維強化樹脂複合材であり、この後、
加熱硬化が行われる。
【００３１】３回目の積層後に最終加熱硬化させた。最
終加熱硬化条件は６kgf ／cm2 の圧力、１６５℃の温
度、２４０分の硬化時間であり、従来の加熱硬化条件６
kgf ／cm2 ，１８０℃，１２０分より温度を下げること
を目的に設定した。加熱硬化温度を低く設定したことで
室温との差が小さくなり熱応力を緩和できた。条件の変
更により複合材の性能に変化のないことは確認した。す
なわち、試験片を１６５℃の温度、２４０分の条件にお
いて、加熱硬化した場合に、その試験片はガラス転移点
温度において変化がないことや吸水量を測定することに
より未反応物質が１８０℃、１２０分で硬化させたもの
と同等であることを確認した。また、この試験片を最終
加熱硬化させて強度試験を行い、強度低下がないことも
確認した。これにより、上記最終加熱硬化条件が決定さ
れた。
終加熱硬化条件は６kgf ／cm2 の圧力、１６５℃の温
度、２４０分の硬化時間であり、従来の加熱硬化条件６
kgf ／cm2 ，１８０℃，１２０分より温度を下げること
を目的に設定した。加熱硬化温度を低く設定したことで
室温との差が小さくなり熱応力を緩和できた。条件の変
更により複合材の性能に変化のないことは確認した。す
なわち、試験片を１６５℃の温度、２４０分の条件にお
いて、加熱硬化した場合に、その試験片はガラス転移点
温度において変化がないことや吸水量を測定することに
より未反応物質が１８０℃、１２０分で硬化させたもの
と同等であることを確認した。また、この試験片を最終
加熱硬化させて強度試験を行い、強度低下がないことも
確認した。これにより、上記最終加熱硬化条件が決定さ
れた。
【００３２】コンパクション処理は、積層材の円筒度の
確保と局部的な蛇行やリンクルの発生を防止するために
行うものであり、その条件は樹脂が流動を始める温度と
加熱硬化しない時間を目安に、最終硬化後の複合材の物
性が低下しない範囲で設定される。すなわち、コンパク
ション後の樹脂の特性調査と最終硬化後の強度試験によ
り決定し、コンパクションの条件は、温度が６０〜１３
０℃で、圧力は通常の加熱硬化条件の３〜６kgf ／cm2
である。
確保と局部的な蛇行やリンクルの発生を防止するために
行うものであり、その条件は樹脂が流動を始める温度と
加熱硬化しない時間を目安に、最終硬化後の複合材の物
性が低下しない範囲で設定される。すなわち、コンパク
ション後の樹脂の特性調査と最終硬化後の強度試験によ
り決定し、コンパクションの条件は、温度が６０〜１３
０℃で、圧力は通常の加熱硬化条件の３〜６kgf ／cm2
である。
【００３３】硬化条件と物性との関係を表１に示す。
【００３４】
【表１】 上記測定結果にによれば、本発明による硬化サイクル
（硬化時間２４０分、硬化温度１６５℃）は、従来の硬
化サイクル（硬化時間１２０分、硬化温度１８０℃）と
同等の性能が得られた。これにより、硬化温度と室温と
の温度差を小さくすることが可能となった。
（硬化時間２４０分、硬化温度１６５℃）は、従来の硬
化サイクル（硬化時間１２０分、硬化温度１８０℃）と
同等の性能が得られた。これにより、硬化温度と室温と
の温度差を小さくすることが可能となった。
【００３５】本発明により成形された複合材製厚肉円筒
部品は、主材を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）
とし、緩衝材をガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲ
Ｐ）とし、主材と緩衝材の割合を強度・剛性要求から
９：１とし、積層構成を単一方向の±１７°（１００
％）とした。この単一方向の積層構成は、積層構成±１
０°（６５％）／±４５°（２５％）／±８５°（１０
％）と同等の曲げ強度と剛性を有する。
部品は、主材を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）
とし、緩衝材をガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲ
Ｐ）とし、主材と緩衝材の割合を強度・剛性要求から
９：１とし、積層構成を単一方向の±１７°（１００
％）とした。この単一方向の積層構成は、積層構成±１
０°（６５％）／±４５°（２５％）／±８５°（１０
％）と同等の曲げ強度と剛性を有する。
【００３６】図７は、硬化サイクルにおける硬化後の複
合材製厚肉円筒部品の内部応力の解析結果（ＮＡＳＴＲ
ＡＮ）を示す。
合材製厚肉円筒部品の内部応力の解析結果（ＮＡＳＴＲ
ＡＮ）を示す。
【００３７】図７において、実線で示す内部応力の変化
は、積層構成を単一方向の±１７°（１００％）とし、
硬化温度を１６５℃とした複合材製厚肉円筒部品であ
り、破線で示す内部応力の変化は、積層構成を±１０°
（６５％）／±４５°（２５％）／±８５°（１０％）
とし、硬化温度を１８０℃とした複合材製厚肉円筒部品
であり、一点鎖線で示す内部応力の変化は、積層構成を
±１０（６５％）／±４５°（２５％）／±８５°（１
０％）とし、硬化温度を１６５℃とした複合材製厚肉円
筒部品である。
は、積層構成を単一方向の±１７°（１００％）とし、
硬化温度を１６５℃とした複合材製厚肉円筒部品であ
り、破線で示す内部応力の変化は、積層構成を±１０°
（６５％）／±４５°（２５％）／±８５°（１０％）
とし、硬化温度を１８０℃とした複合材製厚肉円筒部品
であり、一点鎖線で示す内部応力の変化は、積層構成を
±１０（６５％）／±４５°（２５％）／±８５°（１
０％）とし、硬化温度を１６５℃とした複合材製厚肉円
筒部品である。
【００３８】ここで、複合材製厚肉円筒部品の積層構成
をなす炭素繊維強化樹脂複合材とガラス繊維強化樹脂複
合材の割合は、９：１である。
をなす炭素繊維強化樹脂複合材とガラス繊維強化樹脂複
合材の割合は、９：１である。
【００３９】また、積層構成を±１０°（６５％）／±
４５°（２５％）／±８５°（１０％）とした複合材製
厚肉円筒部品では、±８５°がガラス繊維強化樹脂複合
材であり、±１０°と±４５°が炭素繊維強化樹脂複合
材であり、積層数の構成とコンパクションのタイミング
は下記の通りである。
４５°（２５％）／±８５°（１０％）とした複合材製
厚肉円筒部品では、±８５°がガラス繊維強化樹脂複合
材であり、±１０°と±４５°が炭素繊維強化樹脂複合
材であり、積層数の構成とコンパクションのタイミング
は下記の通りである。
【００４０】±１０°５層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８
５°１層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層
→±８５°１層→±４５°１層→±１０°２層→コンパ
クション ±１０°４層→±４５°１層→±８５°１層→±４５°
１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１層→±
４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°１層→±１０°２層→コンパクション ±１０°４層→±４５°１層→±８５°１層→±４５°
１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１層→±
４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°３層→本硬化 図７の解析結果によれば、実線で示す複合材製厚肉円筒
部品は、硬化温度を下げることと積層方向を単一にする
ことにより、内部応力が大幅に減少することが分かる。
層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８
５°１層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層
→±８５°１層→±４５°１層→±１０°２層→コンパ
クション ±１０°４層→±４５°１層→±８５°１層→±４５°
１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１層→±
４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°１層→±１０°２層→コンパクション ±１０°４層→±４５°１層→±８５°１層→±４５°
１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１層→±
４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°３層→本硬化 図７の解析結果によれば、実線で示す複合材製厚肉円筒
部品は、硬化温度を下げることと積層方向を単一にする
ことにより、内部応力が大幅に減少することが分かる。
【００４１】本発明により製造された複合材製厚肉円筒
部品と他の製造方法で製造された複合材製厚肉円筒部品
の層間剥離の実験結果を下記する表２で示す。
部品と他の製造方法で製造された複合材製厚肉円筒部品
の層間剥離の実験結果を下記する表２で示す。
【００４２】
【表２】 この実験結果によれば、肉厚１１ｍｍ（Ｎｏ．１）は、
特別な方法をとらなくても、層間剥離は発生しなかっ
た。
特別な方法をとらなくても、層間剥離は発生しなかっ
た。
【００４３】肉厚３０ｍｍ（Ｎｏ．２）は、肉厚のほぼ
中央で層間剥離が発生した。
中央で層間剥離が発生した。
【００４４】肉厚３０ｍｍ（Ｎｏ．３）は、緩衝材の提
供及び加熱コンパクションを行うことで、層間剥離は発
生しなかった。
供及び加熱コンパクションを行うことで、層間剥離は発
生しなかった。
【００４５】この厚肉円筒部品の強度部材の積層数の構
成とコンパクションのタイミングは下記の通りである。
なお、±１０°と±４５°が炭素繊維強化樹脂複合材
で、±８５°がガラス繊維強化樹脂複合材である。
成とコンパクションのタイミングは下記の通りである。
なお、±１０°と±４５°が炭素繊維強化樹脂複合材
で、±８５°がガラス繊維強化樹脂複合材である。
【００４６】±１０°５層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８
５°１層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層
→±８５°１層→±４５°１層→±１０°２層→コンパ
クション ±１０°４層→±４５°１層→±８５°１層→±４５°
１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１層→±
４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°１層→±１０°２層→本硬化 肉厚４２ｍｍ（Ｎｏ．４）は、緩衝材の提供及び加熱コ
ンパクションを行なったが、肉厚中央付近でほぼ全周か
つ全長に渡り層間剥離が発生した。
層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８
５°１層→±４５°１層→±１０°６層→±４５°１層
→±８５°１層→±４５°１層→±１０°２層→コンパ
クション ±１０°４層→±４５°１層→±８５°１層→±４５°
１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１層→±
４５°１層→±１０°６層→±４５°１層→±８５°１
層→±４５°１層→±１０°２層→本硬化 肉厚４２ｍｍ（Ｎｏ．４）は、緩衝材の提供及び加熱コ
ンパクションを行なったが、肉厚中央付近でほぼ全周か
つ全長に渡り層間剥離が発生した。
【００４７】肉厚４２ｍｍ（Ｎｏ．５）は、緩衝材の適
用及び加熱コンパクションの適用に加え、補助部材を適
用し、硬化温度を１８０℃から１６５℃に下げたが、局
部的な層間剥離が発生した。
用及び加熱コンパクションの適用に加え、補助部材を適
用し、硬化温度を１８０℃から１６５℃に下げたが、局
部的な層間剥離が発生した。
【００４８】肉厚４２ｍｍ（Ｎｏ．４，Ｎｏ．５）の積
層数の構成とコンパクションのタイミングは、前記の図
７の破線または一点鎖線のケースと同じである。
層数の構成とコンパクションのタイミングは、前記の図
７の破線または一点鎖線のケースと同じである。
【００４９】肉厚４２ｍｍ（Ｎｏ．６）は、積層構成を
単一（すべて±１７°）構成にし、緩衝材の適用、補助
部材の適用及び加熱コンパクションの適用に加え、硬化
温度を１６５℃に下げた。これによれば、層間剥離のな
い優れた品質を得ることができた。
単一（すべて±１７°）構成にし、緩衝材の適用、補助
部材の適用及び加熱コンパクションの適用に加え、硬化
温度を１６５℃に下げた。これによれば、層間剥離のな
い優れた品質を得ることができた。
【００５０】なお、積層方法を±１０°／±４５°の炭
素繊維強化樹脂複合材と±８５°のガラス繊維強化樹脂
複合材の構成と加熱コンパクションの組合せで、積層方
向を単一にせず、かつ、補助材を用いず最終加熱硬化温
度を変更しないで、層間剥離が発生しない３０ｍｍの厚
肉円筒部品を得ることができる。この円筒部品はねじり
用の±４５°の方向に炭素繊維を配しており曲げにもね
じりにも強い厚肉円筒部品である。
素繊維強化樹脂複合材と±８５°のガラス繊維強化樹脂
複合材の構成と加熱コンパクションの組合せで、積層方
向を単一にせず、かつ、補助材を用いず最終加熱硬化温
度を変更しないで、層間剥離が発生しない３０ｍｍの厚
肉円筒部品を得ることができる。この円筒部品はねじり
用の±４５°の方向に炭素繊維を配しており曲げにもね
じりにも強い厚肉円筒部品である。
【００５１】以上、内径８０ｍｍ（半径４０ｍｍ）の円
筒において本願発明を説明してきたが、限界の肉厚まで
は確認しておらず、限界まで確認すれば、表２に記載以
上の厚肉円筒も得られるものである。また、円筒におい
ては内径が変われば同じ肉厚でも内部応力が変化するも
のであり、内径を変えて本願発明の製造方法を適用すれ
ば表２に記載された値とは、一部異なる範囲の肉厚の円
筒が得られる。例えば、内径を８０ｍｍより大きく取っ
た場合には内部応力が小さくなり、内径８０ｍｍで得ら
れる以上に肉厚の円筒部品が得られる。本願は、このよ
うに内径を変化させて実施する場合まで、その技術範囲
に含むものである。
筒において本願発明を説明してきたが、限界の肉厚まで
は確認しておらず、限界まで確認すれば、表２に記載以
上の厚肉円筒も得られるものである。また、円筒におい
ては内径が変われば同じ肉厚でも内部応力が変化するも
のであり、内径を変えて本願発明の製造方法を適用すれ
ば表２に記載された値とは、一部異なる範囲の肉厚の円
筒が得られる。例えば、内径を８０ｍｍより大きく取っ
た場合には内部応力が小さくなり、内径８０ｍｍで得ら
れる以上に肉厚の円筒部品が得られる。本願は、このよ
うに内径を変化させて実施する場合まで、その技術範囲
に含むものである。
【００５２】
【発明の効果】本発明によれば、加熱硬化後の内部応力
を減少させることにより、層間剥離のない優れた品質の
複合材製厚肉円筒部品を製作できる。
を減少させることにより、層間剥離のない優れた品質の
複合材製厚肉円筒部品を製作できる。
【図１】本発明による複合材製厚肉円筒部品の製造方法
に用いるマンドレルの側面図。
に用いるマンドレルの側面図。
【図２】本発明による複合材製厚肉円筒部品の製造方法
の第１工程を示す図。
の第１工程を示す図。
【図３】本発明による複合材製厚肉円筒部品の製造方法
の第２工程を示す図。
の第２工程を示す図。
【図４】本発明による複合材製厚肉円筒部品の製造方法
の第３工程を示す図。
の第３工程を示す図。
【図５】本発明による複合材製厚肉円筒部品の製造方法
の第４工程を示す図。
の第４工程を示す図。
【図６】本発明による複合材製厚肉円筒部品の製造方法
の硬化サイクルを示す図。
の硬化サイクルを示す図。
【図７】複合材製厚肉円筒部品の内部応力の解析結果を
示す図。
示す図。
１ マンドレル ２ 補助部材 ３ａ，３ｂ，３ｃ 強度部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 9:00 23:00 (72)発明者 滝 沢 尚 哉 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 (72)発明者 南 雲 隆 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内
Claims (11)
- 【請求項１】弾性係数が異なる複数種類の繊維強化樹脂
複合材を交互に積層することを特徴とする繊維強化樹脂
複合材製円筒部品の製造方法。 - 【請求項２】上記繊維強化樹脂複合材を積層する途中に
おいてコンパクション処理を行うことを特徴とする請求
項１記載の繊維強化樹脂複合材製円筒部品の製造方法。 - 【請求項３】金属性のマンドレルの周方向に熱膨張係数
の小さい繊維強化樹脂複合材を積層し、この繊維強化樹
脂複合材層を加熱硬化して補助部材を形成し、この補助
部材の外側に繊維強化樹脂複合材を積層し、この繊維強
化樹脂複合材層を加熱硬化することを特徴とする繊維強
化樹脂複合材製円筒部品の製造方法。 - 【請求項４】前記補助部材の外側に積層される繊維強化
樹脂複合材が弾性係数の異なる複数種類の繊維強化樹脂
複合材であることを特徴とする請求項３記載の繊維強化
樹脂複合材製円筒部品の製造方法。 - 【請求項５】複数種類の上記繊維強化樹脂複合材の中の
弾性係数の最も小さい繊維強化樹脂複合材を軸方向に対
し±８０〜９０度の方向に積層することを特徴とする請
求項１，２，４のいずれかに記載の繊維強化樹脂複合材
製円筒部品の製造方法。 - 【請求項６】複数種類の繊維強化樹脂複合材の積層方向
が一定であることを特徴とする請求項１，２，４のいず
れかに記載の繊維強化樹脂複合材製円筒部品の製造方
法。 - 【請求項７】熱膨張率の小さい繊維強化樹脂複合材料を
金属製円柱マンドレルの周方向に積層し第１加熱条件で
加熱硬化させて補助部材を形成する工程と、この補助部
材を耐熱性の高い薄膜で覆う工程と、補助部材を覆った
薄膜の上に繊維強化樹脂複合材料を積層して第１繊維強
化樹脂複合材層を形成する工程と、この第１繊維強化樹
脂複合材層の上に第１繊維強化樹脂複合材層の繊維強化
樹脂複合材料より弾性係数が小さい繊維強化樹脂複合材
料を積層して第２繊維強化樹脂複合材層を形成する工程
と、この第２繊維強化樹脂複合材層の上に第１繊維強化
樹脂複合材層と同じ繊維強化樹脂複合材料を積層して第
３繊維強化樹脂複合材層を形成する工程と、この第３繊
維強化樹脂複合材層の上に第２繊維強化樹脂複合材層と
同じ繊維強化樹脂複合材料および第３繊維強化樹脂複合
材層と同じ繊維強化樹脂複合材料を交互に所定回数繰り
返して積層する工程と、積層した繊維強化樹脂複合材層
全体を第１の加熱条件より温度を低く時間を短く設定し
た第２の加熱条件でコンパクション処理して強度部材を
形成する工程と、この強度部材の上に第２繊維強化樹脂
複合材層と同じ繊維強化樹脂複合材料および第３繊維強
化樹脂複合材層と同じ繊維強化樹脂複合材料を交互に所
定回数繰り返して積層する工程と、積層した繊維強化樹
脂複合材層全体を上記第２加熱条件でコンパクション処
理して強度部材を形成する工程と、この強度部材の上に
所定の厚みの厚肉円筒体を形成するように第２繊維強化
樹脂複合材層と同じ繊維強化樹脂複合材料および第３繊
維強化樹脂複合材層と同じ繊維強化樹脂複合材料を交互
に所定回数繰り返して積層する工程と、積層した繊維強
化樹脂複合材層全体を上記第１加熱条件で加熱硬化する
工程とを有する繊維強化樹脂複合材製厚肉円筒部品の製
造方法。 - 【請求項８】弾性係数が異なる複数種類の繊維強化樹脂
複合材を交互に積層したことを特徴とする繊維強化樹脂
複合材製厚肉円筒部品。 - 【請求項９】繊維強化樹脂複合材の積層方向が一定であ
ることを特徴とする請求項８に記載の繊維強化樹脂複合
材製厚肉円筒部品。 - 【請求項１０】繊維強化樹脂複合材の積層方向が軸方向
に対して±５〜３０度であることを特徴とする請求項９
に記載の繊維強化樹脂複合材製厚肉円筒部品。 - 【請求項１１】弾性係数の異なる複数種類の繊維強化樹
脂複合材の中の最も小さい繊維強化樹脂複合材の積層方
向が軸線に対して±８０〜９０度であることを特徴とす
る請求項８に記載の繊維強化樹脂複合材製厚肉円筒部
品。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15245896A JPH10693A (ja) | 1996-06-13 | 1996-06-13 | 繊維強化樹脂複合材製円筒部品およびその製造方法 |
| US08/870,419 US5985073A (en) | 1996-06-13 | 1997-06-05 | Method of manufacturing a cylindrical part by fiber reinforced plastic composite material |
| CA 2207495 CA2207495C (en) | 1996-06-13 | 1997-06-11 | Cylindrical part manufactured by fiber reinforced plastic composite material and the method thereof |
| KR1019970024230A KR100237256B1 (ko) | 1996-06-13 | 1997-06-12 | 섬유 강화 플라스틱 복합 재료로 제조된 원통형 부품과 그의 제조방법 |
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