ドライプリフォーム、複合材料からなる環状構造体、及びその製造方法
【課題】高強度且つ軽量で、形成が容易であり、且つ、設計の自由度の高い環状ドライプリフォーム及びこれを用いた複合材料からなる環状構造体を提供する。
【解決手段】マンドレル２０の外周に捲回され、マンドレル２０の環方向（０°方向）と交差する方向（＋θ方向）と平行に引き揃えられ、マンドレル２０の環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続した強化繊維からなる第１の強化繊維層１１を設ける。
【解決手段】マンドレル２０の外周に捲回され、マンドレル２０の環方向（０°方向）と交差する方向（＋θ方向）と平行に引き揃えられ、マンドレル２０の環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続した強化繊維からなる第１の強化繊維層１１を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環状のマンドレルの外周に配された中空環状のドライプリフォーム、これを用いた複合材料からなる環状構造体、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機のリングフレームのような環状構造体は、高強度且つ軽量であることが求められるため、強化繊維に樹脂を含浸させてなる複合材料で形成されることがある。しかし、リングフレームは、通常、コの字型やＴ字型などの折れ曲がり部を有する異形断面を有しており、このような異形断面のリングフレームを複合材料で形成することは容易ではない。
【０００３】
例えば特許文献１には、組物（ブレーディング）からなるドライプリフォームを用いて、断面Ｌ字形状の環状構造体を形成する方法が示されている。具体的には、まず、図１４に示すように、長手方向に配向した繊維（中央糸）１０５ｂと、長手方向に対して±αの組角度で配向した繊維（組糸）１０５ａとからなる３軸構造の繊維組織をなした長板状のドライプリフォーム１０５を形成する。この長板状のドライプリフォーム１０５を、図１５に示すように短手方向中間部で屈曲して平板部１２１及び垂直部１２２からなる断面Ｌ字形状とし、これを垂直部１２２を内側にして円弧状に変形させる。そして、図１６に示すように、複数の円弧状のドライプリフォーム１０５を連結することにより、断面Ｌ字形状の環状のドライプリフォーム１０２を形成している。
【０００４】
しかし、図１４に示すような組物からなるドライプリフォームは、組糸１０５ａが波状にクリンプするため、直線状の強化繊維と比べると繊維方向の強度が低くなる。また、組糸１０５ａを中央糸１０５ｂとクリンプさせるために、中央糸１０５ｂは隙間を開けて並べる必要があるため、中央糸１０５ｂの密度が低下して長手方向の強度が低下すると共に、中央糸１０５ｂ間の隙間に樹脂が侵入することで重量増を招く。さらに、複数の円弧状のドライプリフォーム１０５を連結して環状のドライプリフォーム１０２を構成することで、強化繊維が環方向で不連続となるため、環方向の強度低下を招く。
【０００５】
一方、特許文献２には、所定方向に強化繊維を配向させた複数の繊維層からなる環状構造体が示されている。具体的には、図１７に示すように、第１の繊維方向（＋４５°）を有する繊維層２１０と、第２の繊維方向（−４５°）を有する繊維層２１１と、第３の繊維方向（０°）を有する追加層２１２とを積層してシート状の繊維積層物２０９を形成し、この繊維積層物２０９折り曲げて断面Ｌ字形状のブランクを形成し、この断面Ｌ字形のブランクを環方向に湾曲させることにより、環状構造体が形成される。このように、繊維を一定の方向に引き揃えて繊維層を構成することで各繊維が直線状となるため、繊維がクリンプする組物と比べて繊維方向の強度が高められる。また、繊維をクリンプさせる必要がないため、繊維を隙間なく敷き詰めて密度を高めることができるため、環状構造体の強度がさらに高められると共に、繊維間に進入する樹脂が減じられて環状構造体の軽量化が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−６９１６６号公報
【特許文献２】特開２００８−５４３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献２の方法で製造された環状構造体は、設計の自由度が低い。すなわち、平板部（ベース部分）を一平面内で環方向に湾曲させるためには、第３の繊維方向（環方向）の繊維を配することはできないため、第１及び第２の繊維方向（±４５°）の繊維層のみで構成する必要があり、平板部における環方向の強度が不足する恐れがある。また、繊維を引き揃えてなる繊維層を積層したシート状の繊維積層物２０９（図１７参照）は、組物からなるドライプリフォーム１０５（図１４参照）と比べて繊維の配向自由度が低いため、所望の形状に変形させにくい。特に、環状構造体の断面形状が環方向の一部で異なる場合、かかる形状にシート状の繊維積層物２０９を変形させることは非常に困難である。さらに、例えば航空機の胴体のリングフレームとして用いられる大径（例えば直径５ｍ以上）の環状構造体の場合、上記のようにシート状の繊維積層物２０９を湾曲させて環状構造体を形成する作業は容易ではない。例えば、複数の円弧状のセグメントを連結して形成すれば作業が容易化されるが、この場合、上記と同様に環方向の強度低下を招く。
【０００８】
本発明の解決すべき課題は、高強度且つ軽量で、形成が容易であり、設計の自由度の高い中空環状のドライプリフォーム、及びこれを用いた複合材料からなる環状構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するためになされた本発明は、環状のマンドレルの外周に複数の強化繊維層を積層してなる中空環状のドライプリフォームであって、マンドレルは、後にドライプリフォームから分離されるものであり、マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を有することを特徴とするものである。
【００１０】
このドライプリフォームは、以下のような利点を有する。（１）強化繊維を平行に引き揃えた強化繊維層を有することで、強化繊維をクリンプさせる組物と比べ、高強度化及び軽量化が図られる。（２）環状のマンドレルに強化繊維を螺旋状に捲回するだけで環状のドライプリフォームを形成することができるため、上記特許文献２に示された方法のようなシート状の繊維積層物を折り曲げる作業が不要となり、形成が容易化される。（３）強化繊維をマンドレルの外周に捲回しながら環方向で少なくとも一周連続させることにより、ドライプリフォームを環方向で連続して形成することができるため、複数の円弧状のドライプリフォームを連結する場合と比べて、高強度化が図られる。（４）強化繊維がマンドレルの外周形状に倣いながら捲回されるため、環状構造体の断面形状が環方向で異なる場合でも、ドライプリフォームの形状をマンドレルの形状に追従させることができる。
【００１１】
上記のドライプリフォームは、第１の強化繊維層と異なる任意の方向の強化繊維層を設けることができるため、設計の自由度が広がる。例えば、マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は連続し、第１強化繊維層の強化繊維と環方向に関して対称な方向に引き揃えられた強化繊維からなる第２の強化繊維層や、環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を設けることができる。
【００１２】
上記のドライプリフォームを用いれば、複合材料からなる環状構造体を容易に得ることができる。すなわち、上記の中空環状のドライプリフォームを環方向に沿って分割した複数の分割ドライプリフォームと、分割ドライプリフォームに含浸された樹脂とを有する複合材料からなる環状構造体を得ることができる。この環状構造体は、例えば航空機のリングフレームとして用いることができる。
【００１３】
上記のようなドライプリフォームは、環状のマンドレルの外周に強化繊維を螺旋状に捲回することにより、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を形成するドライプリフォーム形成工程と、ドライプリフォームを環方向に沿って複数に分割し、ドライプリフォームとマンドレルとを分離する分離工程と、ドライプリフォームに樹脂を含浸させて複合材料を形成する樹脂含浸工程とを含む方法により製造することができる。
【００１４】
この場合、複数本の強化繊維を平行に引き揃えてなる強化繊維束をマンドレルの外周に捲回させることにより第１の強化繊維層を形成すれば、強化繊維を効率よく捲回することができる。
【００１５】
ドライプリフォームに樹脂を含浸させる樹脂含浸工程は、ドライプリフォームとマンドレルとを分離する分離工程の後に行ってもよいし、分離工程の前に行ってもよい。また、ドライプリフォームが、環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を有する場合、環方向に引き揃えられた強化繊維をマンドレルの外周に供給すると共に、その外周に第１の強化繊維層の強化繊維を螺旋状に捲回すれば、第３の強化繊維層をマンドレルの外周に容易に固定することができる。この場合、強化繊維の表面に樹脂を付着させた後、この強化繊維を環方向に引き揃えてマンドレルの外周に供給して第３の強化繊維層を形成すれば、ドライプリフォーム形成工程と樹脂含浸工程とを同時に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、高強度且つ軽量で、形成が容易であり、且つ、設計の自由度の高い環状ドライプリフォーム及びこれを用いた複合材料からなる環状構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る環状構造体の正面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】上記環状構造体の強化繊維層の積層状態を示す断面図である。
【図４】上記環状構造体の製造方法のドライプリフォーム形成工程を示す正面図であり、第１の強化繊維層及び第３の強化繊維層を供給する様子を示す。
【図５】図４の拡大図である。
【図６】図５のＹ−Ｙ断面図である。
【図７】上記環状構造体の製造方法のドライプリフォーム形成工程を示す正面図であり、第２の強化繊維層を供給する様子を示す。
【図８】中空環状のドライプリフォーム及びマンドレルの断面図である。
【図９】上記環状構造体の製造方法の分離工程を示す断面図である。
【図１０】他の実施形態に係る環状構造体の断面図である。
【図１１】他の実施形態に係る製造方法の分離工程を示す断面図である。
【図１２】他の実施形態に係る環状構造体の断面図である。
【図１３】他の実施形態に係る製造方法のドライプリフォーム形成工程を示す正面図であり、第１の強化繊維層の強化繊維を捲回する様子を示す。
【図１４】組物からなる長板状のドライプリフォームの斜視図である（特許文献１の図４）。
【図１５】図１４の長板状のドライプリフォームを短手方向中間部で折り曲げた状態を示す斜視図である（特許文献１の図５）。
【図１６】図１５のドライプリフォームを連結してなる環状のドライプリフォームを示す斜視図である（特許文献１の図６）。
【図１７】シート状の繊維積層物を示す平面図である（特許文献２の図３）。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態に係る環状構造体１を示す。この環状構造体１は、航空機の胴体のリングフレームとして使用されるものであり、直径は約３〜１０ｍである。環状構造体１は、図２に示すように断面コの字形状を成しており、具体的には、略平板状のウェブ２と、ウェブ２の内径端及び外径端から略垂直に立ち上がった筒状のフランジ３とからなる。環状構造体１は、環方向の一部で断面形状を若干異ならせている。具体的には、詳細な図示は省略するが、特に高強度が要求される箇所では、ウェブ２の短手方向寸法Ｌ2やフランジ３の短手方向寸法Ｌ3を若干大きくして強度向上を図り、要求される強度が比較的低い箇所では、ウェブ２の短手方向寸法Ｌ2やフランジ３の短手方向寸法Ｌ3を若干小さくして軽量化を図っている。
【００２０】
環状構造体１は、複数の強化繊維層を積層してなるドライプリフォームに樹脂を含浸させた複合材料で構成される。強化繊維には、例えば炭素繊維やガラス繊維を使用できる。樹脂には、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を使用することができ、具体的には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリイミド等が使用可能であり、熱可塑性樹脂としてポリエーテルエーテルケトン等が使用可能である。
【００２１】
環状構造体１は、図３に示すように、所定の方向に強化繊維を引き揃えてなる複数の強化繊維層を有する。図示例では、環方向に対して所定の角度で交差した方向（＋θ方向と言う）に強化繊維を配向させた第１の強化繊維層１１と、第１の強化繊維層１１の強化繊維と環方向に関して対称な方向（−θ方向と言う）に強化繊維を配向させた第２の強化繊維層１２と、環方向（０°方向と言う）に強化繊維を配向させた第３の強化繊維層１３とが積層されている。第１〜第３の強化繊維層１１〜１３は、隣接する層と繊維の配向方向が交差するように積層され、本実施形態では、第３の強化繊維層１３（０°）、第１の強化繊維層１１（＋θ）、第２の強化繊維層１２（−θ）・・・、という順番で繰り返して、例えばそれぞれ５〜１０層ずつ積層される。第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２の配向角度θは、２０〜７０°の間で設定され、例えば６０°に設定される。第１〜第３の強化繊維層１１〜１３は、ウェブ２及び一対のフランジ３に連続して設けられる。特に、第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２は、一方のフランジ３の端面３ａから他方のフランジ３の端面３ａまで強化繊維が継ぎ目なく連続し、且つ、一定の角度で配向している。
【００２２】
上記の環状構造体１は、ドライプリフォーム形成工程、分離工程、及び樹脂含浸工程とを経て製造される。以下、各工程を順に説明する。
【００２３】
ドライプリフォーム形成工程は、図４に示すように、環状のマンドレル２０の外周に強化繊維を供給することにより、中空環状のドライプリフォームを形成する工程である。マンドレル２０は、例えば断面矩形（本実施形態では正方形）であり、図１に示す環状構造体１と同様の環状を成している。図示例では、マンドレル２０を中空として軽量化を図っている。上述のように、環状構造体１は環方向の一部で断面形状を若干異ならせているため、これに合わせて、マンドレル２０も環方向の一部で断面形状を若干異ならせている。
【００２４】
マンドレル２０の外周面に強化繊維を供給する供給装置は、マンドレル２０を環方向一方（図４では時計回り方向、矢印参照）に回転させる回転駆動部（図示省略）と、マンドレル２０の外周面に環方向に沿って強化繊維を供給する環方向繊維供給部３０と、マンドレル２０の外周面に強化繊維を捲回する繊維捲回部４０とを備える。
【００２５】
環方向繊維供給部３０から供給された複数本の強化繊維は、ガイド３１を介してマンドレル２０の外周面に配される。ガイド３１には、強化繊維をガイドする複数のガイド穴（図示省略）が設けられ、このガイド穴で強化繊維をガイドすることにより、強化繊維が環方向に引き揃えられた状態でマンドレル２０の外周面に配される。本実施形態では、断面矩形のマンドレル２０の外周面の全周に均一な密度で環方向の強化繊維が配される。以上により、強化繊維を環方向（０°）に配向させた第３の強化繊維層１３が、マンドレル２０の外周面に供給される。
【００２６】
これと同時に、繊維捲回部４０から供給された複数本の強化繊維を、図５に示すように、ガイド４１を介してマンドレル２０の外周面に捲回する。ガイド４１には、強化繊維をガイドする複数のガイド穴（図示省略）が設けられる。本実施形態では、ガイド穴が環方向に並べて配され、このガイド穴でガイドされた複数の強化繊維が環方向に並べて配列され、これによりシート状の繊維束Ａが形成される。そして、図６に示すように、繊維捲回部４０及びガイド４１を共にマンドレル２０周りで周回させることにより、シート状の繊維束Ａがマンドレル２０の外周に捲回される（図５参照）。このとき、マンドレル２０を環方向一方（矢印参照）に回転させながら、繊維捲回部４０及びガイド４１を周回させることにより、環方向Ｃに対して所定の角度（＋θ）で強化繊維を平行に引き揃えてなるシート状の繊維束Ａが供給される。また、繊維捲回部４０及びガイド４１がマンドレル２０の周りを一周する間に、シート状の繊維束Ａの幅Ｗの分だけマンドレル２０を環方向一方に回転させれば、繊維束Ａがマンドレル２０の外周に隙間なく敷き詰められる。尚、マンドレル２０は、環方向の一部で断面形状が異なっているが、シート状の繊維束Ａを捲回させることにより、繊維束Ａを構成する各強化繊維がそれぞれマンドレル２０の外周形状に倣うため、繊維束Ａ全体をマンドレル２０の外周形状に容易に倣わせることができる。以上により、環方向Ｃと交差する方向（＋θ）に強化繊維を引き揃えてなる第１の強化繊維層１１がマンドレル２０の外周に供給される。以上のように、環方向繊維供給部３０からガイド３１を介してマンドレル２０の外周面に供給された第３の強化繊維層１３の外周を、繊維束Ａで捲回することにより、第３の強化繊維層１３がマンドレル２０の外周に固定される。
【００２７】
回転駆動部によるマンドレル２０の環方向の回転が一周し、第１の強化繊維層の強化繊維が環方向に一周したら、回転駆動部、繊維捲回部４０、及びガイド４１を停止し、繊維捲回部４０から供給された強化繊維、及び、環方向の強化繊維を一旦切断する。そして、図７に示すように、回転駆動部によりマンドレル２０を環方向他方（図７では反時計周り方向、矢印参照）に上記と同速度で回転させると共に、繊維捲回部４０及びガイド４１を上記と同方向に同速度で周回させる。これにより、環方向Ｃに対して所定の角度（−θ）で強化繊維を引き揃えてなるシート状の繊維束Ａがマンドレル２０の外周面に捲回され、第２の強化繊維層１２が第１の強化繊維層１１の外周に積層される。以上を繰り返すことにより、第３の強化繊維層１３、第１の強化繊維層１１、及び第２の強化繊維層１２が順に積層され（図３参照）、マンドレル２０の外周に中空環状のドライプリフォーム５０が形成される（図８参照）。尚、第２の強化繊維層１２の形成方法は上記に限らず、例えば、回転駆動部によりマンドレル２０を環方向一方（図５と同じ方向）に回転させながら、繊維捲回部４０及びガイド４１を図６の矢印と反対方向（時計周り方向）に回転させることにより、第２の強化繊維層１２を形成することもできる。
【００２８】
ドライプリフォーム５０は、バインダー等により仮固定される。具体的には、例えば環方向繊維供給部３０から供給される強化繊維、あるいは繊維捲回部４０から供給される強化繊維に、熱融着性のバインダー繊維を混在させてドライプリフォーム５０を形成した後、これを加熱してバインダー繊維を溶融し、これが固化することにより、ドライプリフォーム５０を仮固定することができる。あるいは、ドライプリフォーム５０を形成した後、その表面に溶着性のパウダー状あるいは霧状のバインダーを供給して仮固定を行うこともできる。尚、必要であれば、強化繊維の端部をマンドレル２０の表面あるいは強化繊維層の表面にバインダー等で仮固定してもよい。
【００２９】
こうして得られた中空環状のドライプリフォーム５０は、図９に示すように、環方向に沿って複数（図示例では２個）に分割され、内部からマンドレル２０が取り出される（分離工程）。これにより、図１に示す環状構造体１と同様の形状、すなわち、ウェブ５２及びフランジ５３からなる断面コの字形状を成した一対の分割ドライプリフォーム５１が得られる。このとき、第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２の強化繊維の端部が、中空環状のドライプリフォーム５０の分割面上に配されるようにすれば、分割ドライプリフォーム５１のウェブ５２やフランジ５３の第１および第２の強化繊維層１１，１２に強化繊維の継ぎ目が全く形成されないため好ましい。
【００３０】
樹脂含浸工程では、マンドレル２０から分離された分割ドライプリフォーム５１に樹脂を含浸させ、この樹脂を固化させることにより複合材料を形成する。樹脂を含浸固化させる方法は限定されず、例えば、ＲＴＭ法（Resin Transfer Molding）により行うことができる。あるいは、環方向繊維供給部３０から供給される強化繊維にディッピング等により予め樹脂を付着させ、この強化繊維を環方向に引き揃えてマンドレル２０の外周に供給してもよい。この場合、環方向の強化繊維がマンドレル２０の外周に供給されることにより、この強化繊維に付着した樹脂がドライプリフォーム５０に含浸されるため、樹脂含浸工程とドライプリフォーム形成工程とを同時に行うことができ、その後に加熱することで複合材料からなる環状構造体１を得ることができる。以上により、複合材料からなる環状構造体１（図１参照）が完成する。
【００３１】
本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３２】
上記の実施形態では、分離工程の後に樹脂含浸工程を行っているが、これとは逆に、図８に示す中空環状のドライプリフォーム５０に樹脂を含浸させて中空環状の複合材料を形成した後、この複合材料を環方向に沿って分割して内部からマンドレル２０を取り出してもよい。
【００３３】
また、上記の実施形態では、断面コの字形状の環状構造体１を示しているが、これに限らず、例えば、図１０に示すような断面Ｈ形状の環状構造体１０１を形成することもできる。この場合、断面コの字形状の一対の分割ドライプリフォーム５１にそれぞれ樹脂を含浸させて環状構造体１を形成した後、これらを背面同士で固定することで、断面Ｈ形状の環状構造体１０１が得られる。あるいは、断面コの字形状の一対の分割ドライプリフォーム５１の背面同士を合わせて配置し、この状態で樹脂を含浸させることにより、断面Ｈ形状の環状構造体１が得られる。
【００３４】
また、上記の実施形態では、分離工程で、中空環状のドライプリフォーム５０が２つに分割された場合を示しているが、これに限らず、例えば図１１に示すように３つに分割してもよい。図示例では、円筒状の分割ドライプリフォーム６１と、断面Ｌ字形状の一対の分割ドライプリフォーム６２とに分割される。これらの分割ドライプリフォーム６１，６２に樹脂を含浸させることにより、環状構造体２６１，２６２が得られる。これらの環状構造体２６１，２６２は、それぞれ個別に使用することもできるし、図１２のように組み合せて一体化することにより、断面Ｈ字形状の環状構造体２０１を構成することもできる。
【００３５】
また、上記の実施形態では、繊維捲回部４０から、環方向に強化繊維を並べてなるシート状の繊維束Ａを供給する場合を示したが、これに限られない。例えば、図１３に示すように、マンドレル２０の外周に複数（図示例では８個）の繊維捲回部４０を等間隔に配置してもよい。ガイド部４１は、マンドレル２０の外周を囲むように環状に設けられ、ガイド穴が等間隔に設けられる。この複数の繊維捲回部４０及びガイド部４１を共に矢印方向に回転させることにより、強化繊維がマンドレル２０の外周に捲回される。この場合、マンドレル２０の外周に供給された環方向の強化繊維（第３の強化繊維層１３）を、複数の繊維捲回部４０から供給された強化繊維で全周にわたってほぼ同時に押さえることができる。
【００３６】
また、上記の実施形態では、マンドレル２０の断面が矩形の場合を示したが、これに限らず、例えば断面台形や断面円形とすることもできる。
【００３７】
また、上記の実施形態では、環方向に対して傾斜した方向（＋θ方向、−θ方向）に配向した第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２と、環方向（０°方向）に配向した第３の強化繊維層１３とを有する場合を示したが、これに限られず、要求される強度の方向の応じて適宜変更すればよい。例えば、第２の強化繊維層１２及び第３の強化繊維層１３の何れか又は双方を省略してもよい。あるいは、第１〜第３の強化繊維層１１〜１３に加えて、他の方向に傾斜した強化繊維層を加えてもよい。
【００３８】
また、上記の実施形態では、環状構造体１を航空機のリングフレームとして用いる場合を示したが、これに限らず、例えば、自転車や自動車のリムなどに使用することもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 環状構造体
２ ウェブ
３ フランジ
１１ 第１の強化繊維層
１２ 第２の強化繊維層
１３ 第３の強化繊維層
２０ マンドレル
３０ 環方向繊維供給部
３１ ガイド
４０ 繊維捲回部
４１ ガイド
５０ ドライプリフォーム
Ａ シート状の繊維束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環状のマンドレルの外周に配された中空環状のドライプリフォーム、これを用いた複合材料からなる環状構造体、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機のリングフレームのような環状構造体は、高強度且つ軽量であることが求められるため、強化繊維に樹脂を含浸させてなる複合材料で形成されることがある。しかし、リングフレームは、通常、コの字型やＴ字型などの折れ曲がり部を有する異形断面を有しており、このような異形断面のリングフレームを複合材料で形成することは容易ではない。
【０００３】
例えば特許文献１には、組物（ブレーディング）からなるドライプリフォームを用いて、断面Ｌ字形状の環状構造体を形成する方法が示されている。具体的には、まず、図１４に示すように、長手方向に配向した繊維（中央糸）１０５ｂと、長手方向に対して±αの組角度で配向した繊維（組糸）１０５ａとからなる３軸構造の繊維組織をなした長板状のドライプリフォーム１０５を形成する。この長板状のドライプリフォーム１０５を、図１５に示すように短手方向中間部で屈曲して平板部１２１及び垂直部１２２からなる断面Ｌ字形状とし、これを垂直部１２２を内側にして円弧状に変形させる。そして、図１６に示すように、複数の円弧状のドライプリフォーム１０５を連結することにより、断面Ｌ字形状の環状のドライプリフォーム１０２を形成している。
【０００４】
しかし、図１４に示すような組物からなるドライプリフォームは、組糸１０５ａが波状にクリンプするため、直線状の強化繊維と比べると繊維方向の強度が低くなる。また、組糸１０５ａを中央糸１０５ｂとクリンプさせるために、中央糸１０５ｂは隙間を開けて並べる必要があるため、中央糸１０５ｂの密度が低下して長手方向の強度が低下すると共に、中央糸１０５ｂ間の隙間に樹脂が侵入することで重量増を招く。さらに、複数の円弧状のドライプリフォーム１０５を連結して環状のドライプリフォーム１０２を構成することで、強化繊維が環方向で不連続となるため、環方向の強度低下を招く。
【０００５】
一方、特許文献２には、所定方向に強化繊維を配向させた複数の繊維層からなる環状構造体が示されている。具体的には、図１７に示すように、第１の繊維方向（＋４５°）を有する繊維層２１０と、第２の繊維方向（−４５°）を有する繊維層２１１と、第３の繊維方向（０°）を有する追加層２１２とを積層してシート状の繊維積層物２０９を形成し、この繊維積層物２０９折り曲げて断面Ｌ字形状のブランクを形成し、この断面Ｌ字形のブランクを環方向に湾曲させることにより、環状構造体が形成される。このように、繊維を一定の方向に引き揃えて繊維層を構成することで各繊維が直線状となるため、繊維がクリンプする組物と比べて繊維方向の強度が高められる。また、繊維をクリンプさせる必要がないため、繊維を隙間なく敷き詰めて密度を高めることができるため、環状構造体の強度がさらに高められると共に、繊維間に進入する樹脂が減じられて環状構造体の軽量化が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−６９１６６号公報
【特許文献２】特開２００８−５４３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献２の方法で製造された環状構造体は、設計の自由度が低い。すなわち、平板部（ベース部分）を一平面内で環方向に湾曲させるためには、第３の繊維方向（環方向）の繊維を配することはできないため、第１及び第２の繊維方向（±４５°）の繊維層のみで構成する必要があり、平板部における環方向の強度が不足する恐れがある。また、繊維を引き揃えてなる繊維層を積層したシート状の繊維積層物２０９（図１７参照）は、組物からなるドライプリフォーム１０５（図１４参照）と比べて繊維の配向自由度が低いため、所望の形状に変形させにくい。特に、環状構造体の断面形状が環方向の一部で異なる場合、かかる形状にシート状の繊維積層物２０９を変形させることは非常に困難である。さらに、例えば航空機の胴体のリングフレームとして用いられる大径（例えば直径５ｍ以上）の環状構造体の場合、上記のようにシート状の繊維積層物２０９を湾曲させて環状構造体を形成する作業は容易ではない。例えば、複数の円弧状のセグメントを連結して形成すれば作業が容易化されるが、この場合、上記と同様に環方向の強度低下を招く。
【０００８】
本発明の解決すべき課題は、高強度且つ軽量で、形成が容易であり、設計の自由度の高い中空環状のドライプリフォーム、及びこれを用いた複合材料からなる環状構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するためになされた本発明は、環状のマンドレルの外周に複数の強化繊維層を積層してなる中空環状のドライプリフォームであって、マンドレルは、後にドライプリフォームから分離されるものであり、マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を有することを特徴とするものである。
【００１０】
このドライプリフォームは、以下のような利点を有する。（１）強化繊維を平行に引き揃えた強化繊維層を有することで、強化繊維をクリンプさせる組物と比べ、高強度化及び軽量化が図られる。（２）環状のマンドレルに強化繊維を螺旋状に捲回するだけで環状のドライプリフォームを形成することができるため、上記特許文献２に示された方法のようなシート状の繊維積層物を折り曲げる作業が不要となり、形成が容易化される。（３）強化繊維をマンドレルの外周に捲回しながら環方向で少なくとも一周連続させることにより、ドライプリフォームを環方向で連続して形成することができるため、複数の円弧状のドライプリフォームを連結する場合と比べて、高強度化が図られる。（４）強化繊維がマンドレルの外周形状に倣いながら捲回されるため、環状構造体の断面形状が環方向で異なる場合でも、ドライプリフォームの形状をマンドレルの形状に追従させることができる。
【００１１】
上記のドライプリフォームは、第１の強化繊維層と異なる任意の方向の強化繊維層を設けることができるため、設計の自由度が広がる。例えば、マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は連続し、第１強化繊維層の強化繊維と環方向に関して対称な方向に引き揃えられた強化繊維からなる第２の強化繊維層や、環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を設けることができる。
【００１２】
上記のドライプリフォームを用いれば、複合材料からなる環状構造体を容易に得ることができる。すなわち、上記の中空環状のドライプリフォームを環方向に沿って分割した複数の分割ドライプリフォームと、分割ドライプリフォームに含浸された樹脂とを有する複合材料からなる環状構造体を得ることができる。この環状構造体は、例えば航空機のリングフレームとして用いることができる。
【００１３】
上記のようなドライプリフォームは、環状のマンドレルの外周に強化繊維を螺旋状に捲回することにより、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を形成するドライプリフォーム形成工程と、ドライプリフォームを環方向に沿って複数に分割し、ドライプリフォームとマンドレルとを分離する分離工程と、ドライプリフォームに樹脂を含浸させて複合材料を形成する樹脂含浸工程とを含む方法により製造することができる。
【００１４】
この場合、複数本の強化繊維を平行に引き揃えてなる強化繊維束をマンドレルの外周に捲回させることにより第１の強化繊維層を形成すれば、強化繊維を効率よく捲回することができる。
【００１５】
ドライプリフォームに樹脂を含浸させる樹脂含浸工程は、ドライプリフォームとマンドレルとを分離する分離工程の後に行ってもよいし、分離工程の前に行ってもよい。また、ドライプリフォームが、環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を有する場合、環方向に引き揃えられた強化繊維をマンドレルの外周に供給すると共に、その外周に第１の強化繊維層の強化繊維を螺旋状に捲回すれば、第３の強化繊維層をマンドレルの外周に容易に固定することができる。この場合、強化繊維の表面に樹脂を付着させた後、この強化繊維を環方向に引き揃えてマンドレルの外周に供給して第３の強化繊維層を形成すれば、ドライプリフォーム形成工程と樹脂含浸工程とを同時に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、高強度且つ軽量で、形成が容易であり、且つ、設計の自由度の高い環状ドライプリフォーム及びこれを用いた複合材料からなる環状構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る環状構造体の正面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】上記環状構造体の強化繊維層の積層状態を示す断面図である。
【図４】上記環状構造体の製造方法のドライプリフォーム形成工程を示す正面図であり、第１の強化繊維層及び第３の強化繊維層を供給する様子を示す。
【図５】図４の拡大図である。
【図６】図５のＹ−Ｙ断面図である。
【図７】上記環状構造体の製造方法のドライプリフォーム形成工程を示す正面図であり、第２の強化繊維層を供給する様子を示す。
【図８】中空環状のドライプリフォーム及びマンドレルの断面図である。
【図９】上記環状構造体の製造方法の分離工程を示す断面図である。
【図１０】他の実施形態に係る環状構造体の断面図である。
【図１１】他の実施形態に係る製造方法の分離工程を示す断面図である。
【図１２】他の実施形態に係る環状構造体の断面図である。
【図１３】他の実施形態に係る製造方法のドライプリフォーム形成工程を示す正面図であり、第１の強化繊維層の強化繊維を捲回する様子を示す。
【図１４】組物からなる長板状のドライプリフォームの斜視図である（特許文献１の図４）。
【図１５】図１４の長板状のドライプリフォームを短手方向中間部で折り曲げた状態を示す斜視図である（特許文献１の図５）。
【図１６】図１５のドライプリフォームを連結してなる環状のドライプリフォームを示す斜視図である（特許文献１の図６）。
【図１７】シート状の繊維積層物を示す平面図である（特許文献２の図３）。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態に係る環状構造体１を示す。この環状構造体１は、航空機の胴体のリングフレームとして使用されるものであり、直径は約３〜１０ｍである。環状構造体１は、図２に示すように断面コの字形状を成しており、具体的には、略平板状のウェブ２と、ウェブ２の内径端及び外径端から略垂直に立ち上がった筒状のフランジ３とからなる。環状構造体１は、環方向の一部で断面形状を若干異ならせている。具体的には、詳細な図示は省略するが、特に高強度が要求される箇所では、ウェブ２の短手方向寸法Ｌ2やフランジ３の短手方向寸法Ｌ3を若干大きくして強度向上を図り、要求される強度が比較的低い箇所では、ウェブ２の短手方向寸法Ｌ2やフランジ３の短手方向寸法Ｌ3を若干小さくして軽量化を図っている。
【００２０】
環状構造体１は、複数の強化繊維層を積層してなるドライプリフォームに樹脂を含浸させた複合材料で構成される。強化繊維には、例えば炭素繊維やガラス繊維を使用できる。樹脂には、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を使用することができ、具体的には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリイミド等が使用可能であり、熱可塑性樹脂としてポリエーテルエーテルケトン等が使用可能である。
【００２１】
環状構造体１は、図３に示すように、所定の方向に強化繊維を引き揃えてなる複数の強化繊維層を有する。図示例では、環方向に対して所定の角度で交差した方向（＋θ方向と言う）に強化繊維を配向させた第１の強化繊維層１１と、第１の強化繊維層１１の強化繊維と環方向に関して対称な方向（−θ方向と言う）に強化繊維を配向させた第２の強化繊維層１２と、環方向（０°方向と言う）に強化繊維を配向させた第３の強化繊維層１３とが積層されている。第１〜第３の強化繊維層１１〜１３は、隣接する層と繊維の配向方向が交差するように積層され、本実施形態では、第３の強化繊維層１３（０°）、第１の強化繊維層１１（＋θ）、第２の強化繊維層１２（−θ）・・・、という順番で繰り返して、例えばそれぞれ５〜１０層ずつ積層される。第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２の配向角度θは、２０〜７０°の間で設定され、例えば６０°に設定される。第１〜第３の強化繊維層１１〜１３は、ウェブ２及び一対のフランジ３に連続して設けられる。特に、第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２は、一方のフランジ３の端面３ａから他方のフランジ３の端面３ａまで強化繊維が継ぎ目なく連続し、且つ、一定の角度で配向している。
【００２２】
上記の環状構造体１は、ドライプリフォーム形成工程、分離工程、及び樹脂含浸工程とを経て製造される。以下、各工程を順に説明する。
【００２３】
ドライプリフォーム形成工程は、図４に示すように、環状のマンドレル２０の外周に強化繊維を供給することにより、中空環状のドライプリフォームを形成する工程である。マンドレル２０は、例えば断面矩形（本実施形態では正方形）であり、図１に示す環状構造体１と同様の環状を成している。図示例では、マンドレル２０を中空として軽量化を図っている。上述のように、環状構造体１は環方向の一部で断面形状を若干異ならせているため、これに合わせて、マンドレル２０も環方向の一部で断面形状を若干異ならせている。
【００２４】
マンドレル２０の外周面に強化繊維を供給する供給装置は、マンドレル２０を環方向一方（図４では時計回り方向、矢印参照）に回転させる回転駆動部（図示省略）と、マンドレル２０の外周面に環方向に沿って強化繊維を供給する環方向繊維供給部３０と、マンドレル２０の外周面に強化繊維を捲回する繊維捲回部４０とを備える。
【００２５】
環方向繊維供給部３０から供給された複数本の強化繊維は、ガイド３１を介してマンドレル２０の外周面に配される。ガイド３１には、強化繊維をガイドする複数のガイド穴（図示省略）が設けられ、このガイド穴で強化繊維をガイドすることにより、強化繊維が環方向に引き揃えられた状態でマンドレル２０の外周面に配される。本実施形態では、断面矩形のマンドレル２０の外周面の全周に均一な密度で環方向の強化繊維が配される。以上により、強化繊維を環方向（０°）に配向させた第３の強化繊維層１３が、マンドレル２０の外周面に供給される。
【００２６】
これと同時に、繊維捲回部４０から供給された複数本の強化繊維を、図５に示すように、ガイド４１を介してマンドレル２０の外周面に捲回する。ガイド４１には、強化繊維をガイドする複数のガイド穴（図示省略）が設けられる。本実施形態では、ガイド穴が環方向に並べて配され、このガイド穴でガイドされた複数の強化繊維が環方向に並べて配列され、これによりシート状の繊維束Ａが形成される。そして、図６に示すように、繊維捲回部４０及びガイド４１を共にマンドレル２０周りで周回させることにより、シート状の繊維束Ａがマンドレル２０の外周に捲回される（図５参照）。このとき、マンドレル２０を環方向一方（矢印参照）に回転させながら、繊維捲回部４０及びガイド４１を周回させることにより、環方向Ｃに対して所定の角度（＋θ）で強化繊維を平行に引き揃えてなるシート状の繊維束Ａが供給される。また、繊維捲回部４０及びガイド４１がマンドレル２０の周りを一周する間に、シート状の繊維束Ａの幅Ｗの分だけマンドレル２０を環方向一方に回転させれば、繊維束Ａがマンドレル２０の外周に隙間なく敷き詰められる。尚、マンドレル２０は、環方向の一部で断面形状が異なっているが、シート状の繊維束Ａを捲回させることにより、繊維束Ａを構成する各強化繊維がそれぞれマンドレル２０の外周形状に倣うため、繊維束Ａ全体をマンドレル２０の外周形状に容易に倣わせることができる。以上により、環方向Ｃと交差する方向（＋θ）に強化繊維を引き揃えてなる第１の強化繊維層１１がマンドレル２０の外周に供給される。以上のように、環方向繊維供給部３０からガイド３１を介してマンドレル２０の外周面に供給された第３の強化繊維層１３の外周を、繊維束Ａで捲回することにより、第３の強化繊維層１３がマンドレル２０の外周に固定される。
【００２７】
回転駆動部によるマンドレル２０の環方向の回転が一周し、第１の強化繊維層の強化繊維が環方向に一周したら、回転駆動部、繊維捲回部４０、及びガイド４１を停止し、繊維捲回部４０から供給された強化繊維、及び、環方向の強化繊維を一旦切断する。そして、図７に示すように、回転駆動部によりマンドレル２０を環方向他方（図７では反時計周り方向、矢印参照）に上記と同速度で回転させると共に、繊維捲回部４０及びガイド４１を上記と同方向に同速度で周回させる。これにより、環方向Ｃに対して所定の角度（−θ）で強化繊維を引き揃えてなるシート状の繊維束Ａがマンドレル２０の外周面に捲回され、第２の強化繊維層１２が第１の強化繊維層１１の外周に積層される。以上を繰り返すことにより、第３の強化繊維層１３、第１の強化繊維層１１、及び第２の強化繊維層１２が順に積層され（図３参照）、マンドレル２０の外周に中空環状のドライプリフォーム５０が形成される（図８参照）。尚、第２の強化繊維層１２の形成方法は上記に限らず、例えば、回転駆動部によりマンドレル２０を環方向一方（図５と同じ方向）に回転させながら、繊維捲回部４０及びガイド４１を図６の矢印と反対方向（時計周り方向）に回転させることにより、第２の強化繊維層１２を形成することもできる。
【００２８】
ドライプリフォーム５０は、バインダー等により仮固定される。具体的には、例えば環方向繊維供給部３０から供給される強化繊維、あるいは繊維捲回部４０から供給される強化繊維に、熱融着性のバインダー繊維を混在させてドライプリフォーム５０を形成した後、これを加熱してバインダー繊維を溶融し、これが固化することにより、ドライプリフォーム５０を仮固定することができる。あるいは、ドライプリフォーム５０を形成した後、その表面に溶着性のパウダー状あるいは霧状のバインダーを供給して仮固定を行うこともできる。尚、必要であれば、強化繊維の端部をマンドレル２０の表面あるいは強化繊維層の表面にバインダー等で仮固定してもよい。
【００２９】
こうして得られた中空環状のドライプリフォーム５０は、図９に示すように、環方向に沿って複数（図示例では２個）に分割され、内部からマンドレル２０が取り出される（分離工程）。これにより、図１に示す環状構造体１と同様の形状、すなわち、ウェブ５２及びフランジ５３からなる断面コの字形状を成した一対の分割ドライプリフォーム５１が得られる。このとき、第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２の強化繊維の端部が、中空環状のドライプリフォーム５０の分割面上に配されるようにすれば、分割ドライプリフォーム５１のウェブ５２やフランジ５３の第１および第２の強化繊維層１１，１２に強化繊維の継ぎ目が全く形成されないため好ましい。
【００３０】
樹脂含浸工程では、マンドレル２０から分離された分割ドライプリフォーム５１に樹脂を含浸させ、この樹脂を固化させることにより複合材料を形成する。樹脂を含浸固化させる方法は限定されず、例えば、ＲＴＭ法（Resin Transfer Molding）により行うことができる。あるいは、環方向繊維供給部３０から供給される強化繊維にディッピング等により予め樹脂を付着させ、この強化繊維を環方向に引き揃えてマンドレル２０の外周に供給してもよい。この場合、環方向の強化繊維がマンドレル２０の外周に供給されることにより、この強化繊維に付着した樹脂がドライプリフォーム５０に含浸されるため、樹脂含浸工程とドライプリフォーム形成工程とを同時に行うことができ、その後に加熱することで複合材料からなる環状構造体１を得ることができる。以上により、複合材料からなる環状構造体１（図１参照）が完成する。
【００３１】
本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３２】
上記の実施形態では、分離工程の後に樹脂含浸工程を行っているが、これとは逆に、図８に示す中空環状のドライプリフォーム５０に樹脂を含浸させて中空環状の複合材料を形成した後、この複合材料を環方向に沿って分割して内部からマンドレル２０を取り出してもよい。
【００３３】
また、上記の実施形態では、断面コの字形状の環状構造体１を示しているが、これに限らず、例えば、図１０に示すような断面Ｈ形状の環状構造体１０１を形成することもできる。この場合、断面コの字形状の一対の分割ドライプリフォーム５１にそれぞれ樹脂を含浸させて環状構造体１を形成した後、これらを背面同士で固定することで、断面Ｈ形状の環状構造体１０１が得られる。あるいは、断面コの字形状の一対の分割ドライプリフォーム５１の背面同士を合わせて配置し、この状態で樹脂を含浸させることにより、断面Ｈ形状の環状構造体１が得られる。
【００３４】
また、上記の実施形態では、分離工程で、中空環状のドライプリフォーム５０が２つに分割された場合を示しているが、これに限らず、例えば図１１に示すように３つに分割してもよい。図示例では、円筒状の分割ドライプリフォーム６１と、断面Ｌ字形状の一対の分割ドライプリフォーム６２とに分割される。これらの分割ドライプリフォーム６１，６２に樹脂を含浸させることにより、環状構造体２６１，２６２が得られる。これらの環状構造体２６１，２６２は、それぞれ個別に使用することもできるし、図１２のように組み合せて一体化することにより、断面Ｈ字形状の環状構造体２０１を構成することもできる。
【００３５】
また、上記の実施形態では、繊維捲回部４０から、環方向に強化繊維を並べてなるシート状の繊維束Ａを供給する場合を示したが、これに限られない。例えば、図１３に示すように、マンドレル２０の外周に複数（図示例では８個）の繊維捲回部４０を等間隔に配置してもよい。ガイド部４１は、マンドレル２０の外周を囲むように環状に設けられ、ガイド穴が等間隔に設けられる。この複数の繊維捲回部４０及びガイド部４１を共に矢印方向に回転させることにより、強化繊維がマンドレル２０の外周に捲回される。この場合、マンドレル２０の外周に供給された環方向の強化繊維（第３の強化繊維層１３）を、複数の繊維捲回部４０から供給された強化繊維で全周にわたってほぼ同時に押さえることができる。
【００３６】
また、上記の実施形態では、マンドレル２０の断面が矩形の場合を示したが、これに限らず、例えば断面台形や断面円形とすることもできる。
【００３７】
また、上記の実施形態では、環方向に対して傾斜した方向（＋θ方向、−θ方向）に配向した第１の強化繊維層１１及び第２の強化繊維層１２と、環方向（０°方向）に配向した第３の強化繊維層１３とを有する場合を示したが、これに限られず、要求される強度の方向の応じて適宜変更すればよい。例えば、第２の強化繊維層１２及び第３の強化繊維層１３の何れか又は双方を省略してもよい。あるいは、第１〜第３の強化繊維層１１〜１３に加えて、他の方向に傾斜した強化繊維層を加えてもよい。
【００３８】
また、上記の実施形態では、環状構造体１を航空機のリングフレームとして用いる場合を示したが、これに限らず、例えば、自転車や自動車のリムなどに使用することもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 環状構造体
２ ウェブ
３ フランジ
１１ 第１の強化繊維層
１２ 第２の強化繊維層
１３ 第３の強化繊維層
２０ マンドレル
３０ 環方向繊維供給部
３１ ガイド
４０ 繊維捲回部
４１ ガイド
５０ ドライプリフォーム
Ａ シート状の繊維束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のマンドレルの外周に複数の強化繊維層を積層してなる中空環状のドライプリフォームであって、
前記マンドレルは、後に前記ドライプリフォームから分離されるものであり、
前記マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を有することを特徴とするドライプリフォーム。
【請求項２】
複数本の強化繊維を平行に引き揃えてなるシート状の強化繊維束を前記マンドレルの外周に捲回することにより、前記第１の強化繊維層を形成した請求項１記載のドライプリフォーム。
【請求項３】
前記マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は連続し、前記第１の強化繊維層の強化繊維と環方向に関して対称な方向に引き揃えられた強化繊維からなる第２の強化繊維層を有する請求項１又は２記載のドライプリフォーム。
【請求項４】
環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を有する請求項１〜３の何れかに記載のドライプリフォーム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のドライプリフォームを環方向に沿って分割した複数の分割ドライプリフォームと、前記分割ドライプリフォームに含浸された樹脂とを有する複合材料からなる環状構造体。
【請求項６】
航空機のリングフレームとして用いられる請求項５記載の環状構造体。
【請求項７】
環状のマンドレルの外周に強化繊維を螺旋状に捲回することにより、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を有するドライプリフォームを形成するドライプリフォーム形成工程と、
前記ドライプリフォームを環方向に沿って複数に分割し、前記ドライプリフォームと前記マンドレルとを分離する分離工程と、
前記ドライプリフォームに樹脂を含浸させて複合材料を形成する樹脂含浸工程とを含む環状構造体の製造方法。
【請求項８】
複数本の強化繊維を平行に引き揃えてなる強化繊維束を前記マンドレルの外周に螺旋状に捲回することにより、前記第１の強化繊維層を形成する請求項７記載の環状構造体の製造方法。
【請求項９】
前記分離工程の後、前記樹脂含浸工程を行う請求項７又は８記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記樹脂含浸工程の後、前記分離工程を行う請求項７又は８記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記ドライプリフォームが、環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を有し、
前記環方向に引き揃えられた強化繊維を前記マンドレルの外周に供給すると共に、その外周に前記第１の強化繊維層の強化繊維を螺旋状に捲回することにより、前記第３の強化繊維層を前記マンドレルの外周に固定する請求項７〜１０の何れかに記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１２】
強化繊維の表面に樹脂を付着させた後、この強化繊維を環方向に引き揃えて前記マンドレルの外周に供給して前記第３の強化繊維層を形成することにより、前記ドライプリフォーム形成工程と前記樹脂含浸工程とを同時に行う請求項１１記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１】
環状のマンドレルの外周に複数の強化繊維層を積層してなる中空環状のドライプリフォームであって、
前記マンドレルは、後に前記ドライプリフォームから分離されるものであり、
前記マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を有することを特徴とするドライプリフォーム。
【請求項２】
複数本の強化繊維を平行に引き揃えてなるシート状の強化繊維束を前記マンドレルの外周に捲回することにより、前記第１の強化繊維層を形成した請求項１記載のドライプリフォーム。
【請求項３】
前記マンドレルの外周に螺旋状に捲回され、環方向で少なくとも一周は連続し、前記第１の強化繊維層の強化繊維と環方向に関して対称な方向に引き揃えられた強化繊維からなる第２の強化繊維層を有する請求項１又は２記載のドライプリフォーム。
【請求項４】
環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を有する請求項１〜３の何れかに記載のドライプリフォーム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のドライプリフォームを環方向に沿って分割した複数の分割ドライプリフォームと、前記分割ドライプリフォームに含浸された樹脂とを有する複合材料からなる環状構造体。
【請求項６】
航空機のリングフレームとして用いられる請求項５記載の環状構造体。
【請求項７】
環状のマンドレルの外周に強化繊維を螺旋状に捲回することにより、環方向で少なくとも一周は継ぎ目なく連続し、環方向と交差する方向に引き揃えられた強化繊維からなる第１の強化繊維層を有するドライプリフォームを形成するドライプリフォーム形成工程と、
前記ドライプリフォームを環方向に沿って複数に分割し、前記ドライプリフォームと前記マンドレルとを分離する分離工程と、
前記ドライプリフォームに樹脂を含浸させて複合材料を形成する樹脂含浸工程とを含む環状構造体の製造方法。
【請求項８】
複数本の強化繊維を平行に引き揃えてなる強化繊維束を前記マンドレルの外周に螺旋状に捲回することにより、前記第１の強化繊維層を形成する請求項７記載の環状構造体の製造方法。
【請求項９】
前記分離工程の後、前記樹脂含浸工程を行う請求項７又は８記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記樹脂含浸工程の後、前記分離工程を行う請求項７又は８記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記ドライプリフォームが、環方向で少なくとも一周は連続し、環方向に引き揃えられた強化繊維からなる第３の強化繊維層を有し、
前記環方向に引き揃えられた強化繊維を前記マンドレルの外周に供給すると共に、その外周に前記第１の強化繊維層の強化繊維を螺旋状に捲回することにより、前記第３の強化繊維層を前記マンドレルの外周に固定する請求項７〜１０の何れかに記載の環状構造体の製造方法。
【請求項１２】
強化繊維の表面に樹脂を付着させた後、この強化繊維を環方向に引き揃えて前記マンドレルの外周に供給して前記第３の強化繊維層を形成することにより、前記ドライプリフォーム形成工程と前記樹脂含浸工程とを同時に行う請求項１１記載の環状構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２０１００２（Ｐ２０１２−２０１００２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７９９０（Ｐ２０１１−６７９９０）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２３８２３４）シキボウ株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２３８２３４）シキボウ株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
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