JPS6016332B2 - 複合材の厚肉円筒成形法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フィラメントワインディング法により、強化
材となる繊維に母材を含浸させて複合材を成形し、この
複合材を用いて回転体などの厚肉円筒を成形する複合材
の厚肉円筒成形法に関するものである。

フィラメントワインディング法による複合材を用いた円
筒体の成形は、まず、強化材となるガラス繊維や炭素繊
維に母材となる樹脂や金属を溶融状態で含浸させながら
マンドレルに円筒体に巻付け、その後、陣温槽内におい
て一定温度で加熱し、熔融状態の母材を硬化させる。母
材を溶融状態としているのは、強化繊維に含浸させやす
いこと、均一な巻付けができることなど作業性構造の均
一性などのためである。従釆、フィラメントワインディ
ング法による複合材円筒の成形は、円筒の内外蚤比が非
常に小さく、例えば、外径／内隆三１．１程度の薄肉の
ものが大部分であった。

これは、厚肉円筒成形技術がないこと、需要が主として
パイプなどの薄肉のものが多いことなどによる。しかし
ながら、近年、複合材料の比強度の高さを回転体などに
有効に適用するためには、どうしても、厚肉の円筒の成
形の確立が望まれている。しかしながら、従来のパイプ
などを成形すると同じ方法で厚肉円筒を成形すると、成
形時にクラックを生じて使いものにならないのが現状で
あり、たとえクラックが見かけ上でなくても、残留応力
が非常に大きく、許容値を低くしている。一般に高分子
材料は溶融状態から硬化剤を投入して硬化し、固体とな
る。

硬化の態様としては高温で硬化するものと、常温で硬化
するものとの二種類があるが、硬化反応に伴なし１１収
縮を起す。さらに高温形のものでは、熱膨脹率が大きい
ことから、さらにこの収縮が加わる。第１図に、硬化反
応中の高分子の体積変化を模式的に示す。したがって、
この硬化反応時の収縮による残留応力で、成形時の割れ
が問題になっている。たとえば、プラスチック部品の金
属インサート部の成形割れなどは典型的な例で、他にも
事故例は数多し、。一方、複合材料においても、樹脂マ
トリクスとして高分子材料を用いると、やはり同種の現
象を生ずる。円周方向だけに繊維を配向するフィラメン
トワインディング法による厚肉円筒Ａでは、第２図に示
すような成形後の残留応力分布を生ずる。すなわち、円
周方向の応力ｏｅは内周で引張、外周で圧縮となり、半
径方向の応力。ｒに関しては、およそ円筒Ａの真中の位
置で引張の最大をとる。一方、内外蚤比を大きくすると
、当然のことながら、両方向の最大応力は大きくなる。
このような厚肉円筒では、円周方向は繊維で補強されて
いるため、破壊を生ずることはないが、半径方向は繊維
が何の効果を有しないため限界応力に容易に達し、同心
円状のクラックを生じてしまう。このような欠陥がある
と、強度の信頼性および回転における安定性がきわめて
悪くなるため、これらの問題を解消した厚肉円筒の成形
技術の開発が望まれている。このため、従来は割れのな
い厚肉円筒を作るために第３図に示すように内外径比の
小さい薄肉円筒Ｂを積重ねていたが、これは非常に多く
の労力と時間を要する欠点があった。本発明は、強度の
信頼性および回転における安定性のすぐれた複合材の厚
肉円筒を成形する成形法を提供することを目的とする。
本発明の特徴は、フィラメントワインディング成形機に
よってガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維に母材とな
る樹脂や金属などを溶融状態で含浸させ、これをマンド
レルに巻付けて複合材の円筒体をつくり、これを硬化手
段で硬化する過程において円筒体の厚さ方向から荷重を
加えて円筒体を厚さ方向に収縮させ、硬化後、この荷重
を取除くようにして厚肉円筒を成形することである。

フィラメントワインディング法による円筒体の硬化にお
いては、半径方向の収縮量と円周方向の収縮量との差に
よってひずみを生じ、これが硬化過程においてクラッチ
を生じてしまう。特に、半径方向の収縮はクラックに大
きな影響をもつ。本発明の如く成形することにより、硬
化後の収縮を機械的に除去することになり、残留応力の
発生および割れのない、強度の信頼性および回転におけ
る安定性のすぐれた複合材の厚肉円筒を成形することが
できる。

以下、本発明の実施例を図面に沿って説明する。

第４図は、本発明の厚肉円筒の成形法に使用するフィラ
メントワインディング用の治具を示す。

１はマンドレルであり、これに強化繊維２を巻きつけて
成形する。

３は形を整える目的とマトリクスの流出とを防ぐための
ガイド板であり、成形硬化後、取外しのために、表面に
雛型剤が塗布されている。

この治具を回転機にとりつけ、強化繊維２を適当な張力
のもとに、マトリクスを含浸させて、ガイド板３の内周
から外周を一回で連続的にワインディングして厚肉円筒
４を成形する。これを加熱硬化すると、第２図に示すよ
うな残留応力を発生し、とくに半径方向成分のためにク
ラックを生じてしまう。これらはいずれも収縮によって
起るものであり、硬化過程でこの収縮を何らかの方法で
除去すれば、この成形時の割れは生じないばかりか、逆
に有益な圧縮残留応力が生ずるような方向にももってい
けるのである。この除去方法を厚肉円筒で軸方向厚さが
薄い場合、とくにロータなどに用いる場合に限定して説
明する。円形をなす面内で、これを除去することは不可
能である。従って、第５図ａに示すように厚肉円筒４の
厚さ方向から、一様な力Ｐで、硬化前に圧縮しておくと
、第５図ｂに示すように厚肉円筒４の半径方向では、厚
さ方向の弾性係数をＥｚ、 ポァソン比をしＺとすると
、葦‐し乳なるひずみを生ずる。即ち、半径方向には伸
びようとする。この状態で硬化させれば、硬化後、外力
Ｐを取除いても、初期の力Ｐの設定調整によって半径方
向の残留応力を軽減することができる。さらに硬化収縮
量、熱収縮量を求め、それによって生ずるひずみ値およ
び分布がわかれば、外力Ｐの大きさおよび分布も決定で
きる。第６図はフィラメントワインディング法により成
形割れを生じない厚肉円筒の硬化方法の一例を示す。

この例では対象をフィラメントワインディング法により
成形されるロータの場合を説明する。この図において、
第４図と同符号のものは同一部分である。５は加熱硬化
させるための一定温度条件を与える恒温槽である。

厚肉円筒４に対してガイド板３を介して荷重６を加え、
加圧する。この加圧手段として油圧を用いてもよいし、
その他の方法も用いることもできる。この加圧されたガ
イド板３をベアリング７を介して台８上に支え歯車９を
介してモータ１０１こより回転させながら硬化させる。
第６図は横型のものであるが、厚み方向の組織の均質さ
を要求される場合には、縦型の方がよい。このように、
溶融状態の樹脂などの母材を含浸させた強化繊維で成形
した厚肉円筒４を、硬化過程において厚さ方向に収縮さ
せ、この状態で硬化させると厚肉円筒４の硬化後の厚さ
方向の収縮を除去することができる。これにより、成形
時に割れのない厚肉円筒を作ることができる。また、割
れのない厚肉円筒をきわめて短時間で成形することがで
きる。例えば、内径３０め、外径３０００のもので比較
すると、時間的には約１／４９塁度に減少することがで
きる。

更に、新しい面は仕上げ作業のみで出すことができるの
で、切削によりその都度仕上げる薄膜積層による厚肉円
筒に〈らべると材料的にも有益となる。以上説明したよ
うに、本発明によれば、強度の信頼性および回転におけ
る安定性がきわめてすぐれた複合材の厚肉円筒を成形す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高分子材料の硬化にともなう収縮の模式図、第
２図は厚肉円筒の成形後の残留応力分布を説明する図、
第３図は従釆の薄肉円筒の積層によって成形した多層厚
肉円筒を示す正面図、第４図は本発明の方法に用いられ
るフィラメントワインディング用治具を示す縦断側面図
、第５図ａ，ｂは本発明の方法による敵方向負荷による
厚肉円筒の変形を説明するための図、第６図は本発明の
方法の具体例を示す図である。 １・・…・マンドレル、２・・・・・・強化繊維、３・
・…・ガイド板、４……厚肉円筒、５・・・・・・恒温
槽、６…・・・荷重、９…・・・歯車、１０…・・・モ
ータ。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ フイラメントワインデイング法により強化材となる
   繊維に溶融状態の母材を含浸させて複合体を成形し、こ
   の複合体を巻付けて円筒体とし、この円筒体を硬化させ
   る過程において、円筒体の厚さ方向から一様な荷重を加
   えることにより円筒体を厚さ方向に収縮させ、硬化後、
   この荷重を取除くようにして厚肉円筒を成形することを
   特徴とする複合材の厚肉円筒成形方法。