繊維強化複合材料とその製造方法
【課題】プリフォームとなる繊維基材の組糸構造を好適化して、複雑な３次元形状に形成されたプリフォームの組糸の密度を一定にして、繊維強化複合材料の強度を均一化し、その信頼性を向上する。
【解決手段】プリフォーム１には、賦形形状が異なる複数個の賦形部Ｚ１〜Ｚ７が、屈折線２４に沿って設けられる。繊維基材２の編組面には、各賦形部Ｚ１〜Ｚ７の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７が設けられる。各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７における組糸４の密度が、賦形過程における各賦形部Ｚ１〜Ｚ７の組糸４の密度変化を補償する密度に設定される。以て、複数個の賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７を備えた繊維基材２でプリフォーム１を形成して、複数個の賦形部Ｚ１〜Ｚ７における組糸４の密度を一定化する。
【解決手段】プリフォーム１には、賦形形状が異なる複数個の賦形部Ｚ１〜Ｚ７が、屈折線２４に沿って設けられる。繊維基材２の編組面には、各賦形部Ｚ１〜Ｚ７の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７が設けられる。各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７における組糸４の密度が、賦形過程における各賦形部Ｚ１〜Ｚ７の組糸４の密度変化を補償する密度に設定される。以て、複数個の賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７を備えた繊維基材２でプリフォーム１を形成して、複数個の賦形部Ｚ１〜Ｚ７における組糸４の密度を一定化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状の繊維強化複合材料とその製造方法に関し、プリフォームとなる繊維基材を作製する過程に特徴を有する。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状の繊維強化複合材料のプリフォームを得る際には、作製が容易な２次元形状の繊維基材を、当該３次元形状を有する賦形型に密着させて賦形する手法が多く採られている。このことは、例えば特許文献１および２などに公知である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８８７９１号公報
【特許文献２】特開２００７−１４４９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記手法によれば、もともとは２次元形状の繊維基材を３次元形状に変形させるため、繊維基材には若干のシワが生じる。ここでシワとは、繊維が極端に折り曲げられた状態を指す。このシワは、後にプリフォームを繊維強化複合材料とした場合に、当該複合材料の強度低下の原因となる。シワが生じないように、２次元形状の繊維基材に切れ目を設けてから、３次元形状の賦形型に密着させることも考えられるが、その場合は、当該切れ目が新たに強度低下の原因になってしまう。
【０００５】
そこで本発明者等は、プリフォームとなる繊維基材として組物を採用することを考えた。組物を構成する２方向の組糸は、織物を構成する緯糸と経糸に比べて互いに動き易く、交差角度が変化し易いという特徴がある。この組糸の動きによれば、組糸の配列を乱すことなく、繊維基材の全体形状を変化させることができる。つまり織物の場合は、３次元形状の賦形型に対して織物を正確に密着させようとすると、シワが生じるのを避けられない。しかし、組物の場合は、賦形型の形状に対応して組糸が動くので、賦形時にシワが生じることはなく、繊維強化複合材料とした際の強度を向上できる。
【０００６】
このように、繊維基材として組物を採用すれば、最終的に、強度の高い繊維強化複合材料を得ることができる。しかし、賦形形状が異なる複数個の賦形部を含む複雑な３次元形状の繊維強化複合材料を製造する場合は、その強度にムラが生じるおそれがある。湾曲しない賦形部（直線部）では、組糸は互いに変位せず、組糸の密度は賦形過程の前後で変化しない。これに対し、湾曲する賦形部（湾曲部）では、組糸が互いに変位するため、その密度は賦形過程の前後で変化する。また、同じ湾曲部でも、湾曲方向または曲率が異なると、組糸の変位量が異なるため、密度の変化は異なる。つまり、繊維基材で組糸の密度を一定化しておいても、賦形過程後のプリフォームにおいて、その密度は一定にはならない。組糸の密度が一定でないプリフォームは、繊維強化複合材料とした際に強度が不均一となり、強度の低い箇所で破損し易く、信頼性に問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、プリフォームとなる繊維基材の組糸構造を好適化して、複雑な３次元形状に形成されたプリフォームの組糸の密度を一定にして、繊維強化複合材料の強度を均一化し、その信頼性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを経て得られる３次元形状の繊維強化複合材料に関する。プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、屈折線に沿って設けられる。繊維基材の編組面には、各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられる。各賦形編組部における組糸の密度が、賦形過程における各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定される。複数個の賦形編組部を備えた繊維基材でプリフォームを形成して、複数個の賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする。繊維基材の組糸の密度は、組糸の組角度の調整などにより変化させることができる。
【０００９】
本発明に係るプリフォームの最も簡単な具体例としては、湾曲しない１個の賦形部（直線部）と湾曲する１個の賦形部（湾曲部）とで構成されるもの、あるいは、形状が異なる２個の湾曲部で構成されるものを挙げることができる。後者において形状が異なるとは、湾曲方向あるいは曲率などが異なっていることを指す。３個以上の賦形部を含むプリフォームの場合も同様に考えることができ、この場合は、同一形状の賦形部を２個以上備えていてもよい。
【００１０】
具体的には、プリフォームが、湾曲する賦形部を含んで形成される。繊維基材は、組糸の間に中央糸が組み込まれた組物からなり、プリフォームの湾曲する賦形部を通るように中央糸が配置してある。
【００１１】
繊維基材が平打組物からなる形態を採ることができる。もしくは繊維基材が丸打組物からなる形態を採ることができる。後者の場合は、賦形過程に先行して、丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、賦形過程において、得られた２層状の繊維基材を賦形型に密着させて、プリフォームを形成する。
【００１２】
また本発明は、組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを含む３次元形状の繊維強化複合材料の製造方法に関する。プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、屈折線に沿って設けられる。繊維基材の編組面には、各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられる。各賦形編組部における組糸の密度が、賦形過程における各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定される。複数個の賦形編組部を備えた繊維基材でプリフォームを形成して、複数個の賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、繊維基材の編組面に、プリフォームに設けられる各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部を設け、各賦形編組部における組糸の密度を、賦形過程における各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定する。具体例を挙げると、湾曲しない賦形部（直線部）では、組糸は変位せず、その密度は変化しないので、対応する賦形編組部の組糸の密度は基準値に設定する。プリフォームの湾曲する賦形部（湾曲部）が、組糸の中心線の間隔が広がるように湾曲しており、賦形前に比べて組糸の密度が小さくなる場合は、対応する賦形編組部の組糸の密度を基準値よりも大きく設定する。逆に湾曲部が、組糸の中心線の間隔が狭まるように湾曲しており、賦形前に比べて組糸の密度が大きくなる場合は、対応する賦形編組部の組糸の密度を基準値よりも小さく設定する。密度を大きくあるいは小さく設定する際の基準値との差は、賦形過程での密度の変化に応じて定める。
【００１４】
このように、繊維基材の各賦形編組部の組糸の密度を、賦形過程における組糸の密度変化を補償する密度に設定していると、賦形過程において、複数個の賦形部における組糸の密度が一定化されたプリフォームを得ることができ、最終的には、強度が均一で信頼性の高い繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１５】
以上のように本発明は、賦形過程における密度変化を補償できるように、繊維基材の組糸の密度を設定するものであり、同じ繊維基材と賦形型を用いる限り、密度の変化は同一であることを前提としている。これを常に同一にするためには、各組糸に常に同じ動きをさせる必要がある。しかし、プリフォームの湾曲部においては、組糸が予定とは異なる動きをする場合がある。湾曲部内には、組糸が互いに大きく動く箇所と、あまり動かない箇所とがあり、組糸の動きを常に同じにするためには、これらの箇所を常に同一にする必要がある。しかし、全ての組糸が比較的自由に動ける状態にあると、これらの箇所が賦形する度に異なってしまう場合があり、組糸の密度が一定でない不良品のプリフォームが度々製造されてしまう。
【００１６】
そこで本発明では、組糸の間に中央糸を組み込むようにした。中央糸の周辺部では組糸の動きが拘束されるので、プリフォームの湾曲部を通るように中央糸を配置しておけば、湾曲部内で組糸の動かない箇所を定めることができる。そして、組糸の動かない箇所が定まると、組糸の動く箇所も自然と定まる。つまり、湾曲部内の組糸の動きを常に同一にすることができる。換言すれば、組糸が常に予定した通りに動くようになる。これにより、プリフォームの組糸の密度をより確実に一定化できる。
【００１７】
繊維基材を平打組物とした場合は、賦形前の加工を必要とせず、その状態のままで賦形型に密着させて賦形することができるので、繊維強化複合材料の製造工程の工数を削減することができる。一方、繊維基材を丸打組物とした場合は、扁平に押し潰すという簡単な作業で２層状に形成することができ、プリフォームの強度、すなわち、繊維強化複合材料の強度を容易に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態） 本発明に係る繊維強化複合材料とその製造方法の第１実施形態を、図１から図１１を用いて説明する。ここでの繊維強化複合材料は、繊維基材２を作製する組成過程と、繊維基材２を賦形型３に密着させて賦形することによりプリフォーム１を形成する賦形過程と、プリフォーム１に溶融樹脂を含浸させたのち熱硬化させる樹脂含浸硬化過程とを経て、得ることができる。繊維基材２は、多数の組糸４を組んで成る平打組物である。以下ではまず、平打組物２を作製する組成過程について、図２から図５を用いて説明する。
【００１９】
平打組物２を組成するための平打組機は、図２および図３に示すように、中心部が開口する円板状のプレート５と、プレート５に穿設された軌道６に沿って走行する多数のボビンキャリア７などで構成される。マンドレル８は、径方向より軸方向に長い中空円筒状に形成されており、プレート５の開口９の中心部を上下方向に貫通するように配置される。各ボビンキャリア７は、下部が軌道６内に収まるキャリアと、キャリアの上側に装着されたボビンと、ボビンに巻き付けられた組糸４の繰出機構とを備える。組糸４は、複数のガラス繊維あるいはカーボン繊維などを束ねた繊維束である。マンドレル８を上方向に移動させながら、各ボビンキャリア７を軌道６に沿って走行させることにより、マンドレル８の外周面上に組糸４を順次組み付けることができる。
【００２０】
図２に示すように軌道６は、全体として、無限大の記号（∞）を複数個横一列に繋げたものを円形状に湾曲させたような形状を呈している。具体的には、軌道６は、各ボビンキャリア７が蛇行しながら平面視で時計回り方向に周回する往路１１と、蛇行しながら反時計回り方向に周回する復路１２と、往路１１の終点から復路１２の始点に繋がる第１折り返し点１３と、復路１２の終点から往路１１の始点に繋がる第２折り返し点１４とを備える。往路１１と復路１２は多数の箇所で交錯している。
【００２１】
マンドレル８の外周面には、図３および図４に示すように、マンドレル８の軸方向に並ぶ多数のピン１６からなる一対のピン列１７・１７が突出するように形成してあり、各ピン１６の先端は、軌道６の折り返し点１３・１４に指向している。また、プレート５の上面から各ピン列１７に向けて、一対の棒状のガイド１８・１８が配置される。詳しくは、各ガイド１８は、軌道６の往路１１と復路１２に囲まれた折り返し点１３・１４の近接位置を基端として、そこから上斜め方向に伸びるように配置されている。図４に示すように、ボビンキャリア７が折り返し点１３（１４）に接近すると、当該ボビンキャリア７の組糸４がガイド１８の基端部に引っ掛かる。そこからボビンキャリア７がさらに進むと、引っ掛かった組糸４はガイド１８の先端方向に進み、やがて図４に実線で示すように、ガイド１８の先端から１つのピン１６に移る。ピン１６に引っ掛かった組糸４は、図３に示すように、それまでとは逆方向に周回するようにマンドレル８に巻き付けられる。
【００２２】
図５は、マンドレル８に対する組糸４の組み付けが完了した状態を示しており、多数の組糸４で構成された１つの組成体２０が、マンドレル８の外周面上に形成されている。組成体２０の横断面はＣ字形状を呈する。この組成体２０をマンドレル８から分離すると、図６に示すような帯状の平打組物２が得られる。
【００２３】
図６に示すように、平打組物２の幅方向両端部には、平打組物２の長手方向に伸びる中央糸２２がそれぞれ配置される。中央糸２２は、組成過程において、各ガイド１８の基端に隣接する位置からマンドレル８の軸方向に送給されており、組糸４がマンドレル８に巻き付けられる際に組糸４の間に組み込まれる。中央糸２２は組糸４と同様に繊維束からなる。中央糸２２を構成する繊維は、組糸４のそれと同じでもよく、また異なっていてもよい。図６において符号Ｌで示した想像線は、平打組物２を幅方向に等分する二等分線である。２本の中央糸２２・２２は、二等分線Ｌと平行であり、また二等分線Ｌに対して対称である。
【００２４】
組成過程に次いで行われる賦形過程では、図７（ａ）に示すように、繊維基材２を賦形型３に密着させて賦形することにより、３次元形状のプリフォーム１を形成する。賦形型３は、形成対象となるプリフォーム１の形状に対応して成形されており、この賦形型３の形状に合致するように平打組物２を賦形することにより、所望する形状のプリフォーム１を得ることができる。賦形過程ではまず、平打組物２の長手方向の一端側を賦形型３に密着させる。その状態から、密着の範囲を他端側へと広げていき、平打組物２の全体を賦形型３に密着させたところで、賦形過程は完了となる。この作業は手作業で行われる。
【００２５】
図７に示すようにプリフォーム１は、湾曲する１本の屈折線２４と、屈折線２４に連続する２個の構成面２５・２５とからなり、断面はＶ字形状を呈する。屈折線２４の形成箇所は、図６に示した平打組物２の二等分線Ｌに一致する。平打組物２を密着させる作業は、図６に示した二等分線Ｌに沿う折り目を平打組物２に対して先に設けてから行うこともできる。符号２６はプリフォーム１の遊端線を示しており、各遊端線２６の近傍に１本の中央糸２２が配置される。賦形過程において中央糸２２は、その周辺部で組糸４を拘束するため、遊端線２６の長さ寸法は平打組物２の長手方向寸法にほぼ等しい。図７（ｂ）に示すように、２個の構成面２５・２５および２本の中央糸２２・２２は、屈折線２４の全体を含む垂直面Ｘに対して対称である。完成したプリフォーム１は、賦形型３に密着した状態のまま、次の樹脂含浸硬化過程に移される。賦形型３から離型すると、目的の繊維強化複合材料が完成する。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態に係るプリフォーム１は、屈折線２４に沿って一列に並ぶ７個の賦形部Ｚ１〜Ｚ７を備えており、湾曲しない賦形部（直線部）Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７と、湾曲する賦形部（湾曲部）Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６とが交互に配置される。３個の湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６のうち両端側の湾曲部Ｚ２・Ｚ６は、屈折線２４がＶ字断面の頂角方向に凸曲状に湾曲する凸湾曲部であり、中間の湾曲部Ｚ４は、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６とは逆方向に湾曲する凹湾曲部である。各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の曲率は、屈折線２４の全長にわたって一定であり、両凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６の曲率は等しい。
【００２７】
賦形過程において、各直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７では組糸４は変位していないが、各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６では組糸４が互いに変位している。各遊端線２６の近傍には中央糸２２が配置されており、この中央糸２２の周辺部では組糸４が拘束されるので、各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の組糸４は、屈折線２４側で大きく変位している。凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６の屈折線２４上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が広がって、繊維束からなる組糸４の幅寸法が大きくなり、組糸４の密度が小さくなる。一方、凹湾曲部Ｚ４の屈折線２４上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が狭まって、組糸４の幅寸法が小さくなり、組糸４の密度が大きくなる。
【００２８】
以上のように、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度は、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６では賦形前より小さくなり、凹湾曲部Ｚ４では大きくなり、そして直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７では変化しない。そのため、平打組物２で組糸４の密度を一定にしていると、賦形過程を経たプリフォーム１では、各賦形部Ｚ１〜Ｚ７で密度がバラバラになってしまう。組糸４の密度が一定でなければ、繊維強化複合材料とした際に強度が不均一となる。本実施形態の繊維強化複合材料は、使用形態において、屈折線２４の周辺部に最も大きい負荷が掛かることが想定されており、複合材料の信頼性の向上のためには、屈折線２４の周辺部の強度を均一化する必要がある。そして、強度の均一化のためには、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度を一定化する必要がある。
【００２９】
そこで本実施形態では、図８に示すように、平打組物２の編組面に、各直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７に対応する賦形編組部（直線編組部）Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７と、各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６に対応する賦形編組部（湾曲編組部）Ｙ２・Ｙ４・Ｙ６とをそれぞれ設けた。そして、湾曲編組部Ｙ２・Ｙ４・Ｙ６の組糸４の密度を、賦形過程における組糸４の密度変化を補償する密度に設定した。具体的には、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７の組糸４の密度を基準値に設定する。凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６では賦形過程で密度が小さくなるので、それに対応する凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６の密度を基準値より大きく設定する。凹湾曲部Ｚ４では賦形過程で密度が大きくなるので、それに対応する凹湾曲編組部Ｙ４の密度を基準値より小さく設定する。各湾曲編組部Ｙ２・Ｙ４・Ｙ６の密度の基準値との差は、対応する各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６での密度の変化に応じて設定する。密度の変化は、湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の曲率などにより定まる。以上のように各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７の密度を設定しておくと、平打組物２を賦形してプリフォーム１を形成したときに、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度が一定となる。
【００３０】
各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７で組糸４の密度が異なる平打組物２は、組成過程において組糸４の組角度を順次変化させることにより、作製することができる。組角度とは、マンドレル８の中心軸に対して組糸４がなす鋭角のことであり、これが９０°に近付くほど組糸４の密度は大きくなる。組角度を変更する手段としては、ボビンキャリア７からの組糸４の繰出角度を変更する方法の他、マンドレル８の移動速度あるいはボビンキャリア７の走行速度を変更する方法などを適用することができる。これらの方法を単独または組み合わせて適用して組角度を変化させると、組糸４が引っ掛かるピン１６の間隔がそれまでとは変化する。つまり、組角度を大きくするほど間隔は小さくなり、逆に組角度を小さくするほど間隔は大きくなる。組角度を大きくしたとき、１本のピン１６に２本以上の組糸４が引っ掛かることがないように、各ピン列１７のピン１６の間隔は充分に小さく設定されている。
【００３１】
図８において符号θ１〜θ３は、平打組物２の各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７での２方向の組糸４の交差角度を示しており、組糸４の組角度が大きくなるほど交差角度は小さくなる。組糸４の密度が基準値である直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７の交差角度θ１と比較して、組角度が大きく組糸４の密度が大きい凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６では、交差角度θ２がθ１より小さい。また、組角度が小さく組糸４の密度が小さい凹湾曲編組部Ｙ４では、交差角度θ３がθ１より大きい。
【００３２】
図９は、プリフォーム１の直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７の組糸４の構成を拡大して示す図であり、組糸４の交差角度φ１および幅寸法Ｗ１は任意の位置で等しい。これら直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７では、賦形過程で組糸４が動かないことから、賦形過程の前後で交差角度および幅寸法は変化しておらず、交差角度φ１は、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７の交差角度θ１に等しい。
【００３３】
図１０（ａ）は、平打組物２の凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６を示しており、ここでは組糸４の交差角度θ２および幅寸法Ｖ２が任意の位置で等しい。これら凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６で幅寸法Ｖ２は、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７に比べて組角度を大きくしている関係で、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７のそれより若干小さくなっている。
【００３４】
図１０（ｂ）は、凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６が凸曲してできるプリフォーム１の凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６を示す。ここで組糸４の交差角度は、交差箇所が屈折線２４に近寄るほど小さくなっており、屈折線２４上（φ２１）で最小、遊端線２６上（φ２２）で最大となる。一方、組糸４の幅寸法は、屈折線２４に近寄るほど大きくなっており、屈折線２４上で最大、遊端線２６上で最小となる。遊端線２６上の幅寸法Ｗ２２は、その近傍に配置された中央糸２２により組糸４が拘束されるために、凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６での幅寸法Ｖ２にほぼ等しい。屈折線２４上の幅寸法Ｗ２１は、着目すべき点として、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７での幅寸法Ｗ１にほぼ等しい。つまり、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度は、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７と凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６とでほぼ等しい。なお、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６において、組糸４の交差角度とは、交差する組糸４の長手方向の中心線どうしがなす角のうち小さい方の角度を指し、組糸４の幅方向とは、前記中心線に直交する方向を指す。次の図１１（ｂ）に示す凹湾曲部Ｚ４でも同様とする。
【００３５】
図１１（ａ）は、平打組物２の凹湾曲編組部Ｙ４を示しており、ここでは組糸４の交差角度θ３および幅寸法Ｖ３が任意の位置で等しい。この凹湾曲編組部Ｙ４で幅寸法Ｖ３は、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７に比べて組角度を小さくしている関係で、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７のそれより若干大きくなっている。
【００３６】
図１１（ｂ）は、凹湾曲編組部Ｙ４が凹曲してできるプリフォーム１の凹湾曲部Ｚ４を示す。ここで組糸４の交差角度は、交差箇所が屈折線２４に近寄るほど大きくなっており、屈折線２４上（φ３１）で最大、遊端線２６上（φ３２）で最小となる。一方、組糸４の幅寸法は、屈折線２４に近寄るほど小さくなっており、屈折線２４上で最小、遊端線２６上で最大となる。遊端線２６上の幅寸法Ｗ３２は、その近傍に配置された中央糸２２により組糸４が拘束されるために、凹湾曲編組部Ｙ４での幅寸法Ｖ３にほぼ等しい。屈折線２４上の幅寸法Ｗ３１は、着目すべき点として、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７での幅寸法Ｗ１にほぼ等しい。つまり、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度は、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７と凹湾曲部Ｚ４とでほぼ等しい。
【００３７】
以上のように本実施形態では、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度が一定であるプリフォーム１を得ることができ、最終的に、屈折線２４の周辺部の強度が均一な繊維強化複合材料を製造できる。この複合材料は、屈折線２４の周辺部に大きい負荷が掛かっても破損し難く、信頼性の高いものである。
【００３８】
（第２実施形態） 本発明に係る繊維強化複合材料の第２実施形態を、図１２を用いて説明する。本実施形態は、各中央糸２２を屈折線２４の近傍に配置する点が、先の第１実施形態と相違する。この配置によれば、屈折線２４の近傍で組糸４の動きが拘束されるので、屈折線２４の長さ寸法は平打組物２の長手方向寸法にほぼ等しい。
【００３９】
賦形過程において各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の組糸４は、遊端線２６側で大きく変位している。凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６の遊端線２６上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が狭まって、組糸４の幅寸法が小さくなり、組糸４の密度が大きくなる。そのため、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６に対応する平打組物２の凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６では、組糸４の密度が基準値より小さく設定してある。一方、凹湾曲部Ｚ４の遊端線２６上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が広がって、組糸４の幅寸法が大きくなり、組糸４の密度が小さくなる。そのため、凹湾曲部Ｚ４に対応する平打組物２の凹湾曲編組部Ｙ４では、密度が基準値より大きく設定してある。本実施形態のプリフォーム１は、各遊端線２６の周辺部で組糸４の密度が一定である。
【００４０】
（第３実施形態） 本発明に係る繊維強化複合材料の第３実施形態を、図１３から図１５を用いて説明する。本実施形態は、プリフォーム１となる繊維基材として丸打組物２を採用する点が、先の第１実施形態と相違する。図１３および図１４は、丸打組物２を組成するための丸打組機を示しており、ピン１６とガイド１８を備えない点の他、軌道６の構成が第１実施形態とは異なっている。軌道６は、半数のボビンキャリア７が蛇行しながら平面視で時計回り方向に周回する無端状の第１軌道３１と、残り半数のボビンキャリア７が蛇行しながら反時計回り方向に周回する無端状の第２軌道３２とを備える。第１軌道３１と第２軌道３２は多数の箇所で交錯している。軌道６に沿ってボビンキャリア７が走行すると、マンドレル８の外周面上に、組糸４が螺旋状に巻き付けられる。
【００４１】
マンドレル８に対する組糸４の組み付けが完了すると、図１５に想像線で示すような円筒状の丸打組物２が得られる。この丸打組物２は、マンドレル８から分離した後、図１５に実線で示すように、外周面側から扁平に押し潰して２層帯状に成形する。その後、賦形過程に移り、得られた２層状の丸打組物２を賦形型３に密着させて賦形することにより、プリフォーム１を形成することができる。それ以外の点は先の第１実施形態と同様であるため、同様の部材には同様の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
その他本発明は、プリフォーム１が、曲率の異なる複数の湾曲部を備える場合、あるいは、直線部を備えずに複数個の湾曲部のみで構成される場合などにも適用することができる。プリフォーム１の湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６のみに中央糸２２を配置する形態を採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係るプリフォームの形態を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る平打組機の平面図である。
【図３】第１実施形態に係る平打組機の正面図である。
【図４】第１実施形態に係る平打組機のガイドとピンの作用を説明する図である。
【図５】第１実施形態に係る平打組機による組糸の組み付けが完了した状態のマンドレルの横断面図である。
【図６】第１実施形態に係る平打組物の構成を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態に係るプリフォームが完成した状態を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】第１実施形態に係る平打組物の組糸の密度の大小関係を説明する図である。
【図９】第１実施形態に係るプリフォームの直線部の拡大図である。
【図１０】第１実施形態に係る賦形過程での組糸の変位を示しており、（ａ）は、平打組物の凸湾曲編組部の拡大図、（ｂ）は、凸湾曲編組部に対応するプリフォームの凸湾曲部の拡大図である。
【図１１】第１実施形態に係る賦形過程での組糸の変位を示しており、（ａ）は、平打組物の凹湾曲編組部の拡大図、（ｂ）は、凹湾曲編組部に対応するプリフォームの凹湾曲部の拡大図である。
【図１２】第２実施形態に係るプリフォームの形態を示す図である。
【図１３】第３実施形態に係る丸打組機の平面図である。
【図１４】第３実施形態に係る丸打組機の正面図である。
【図１５】第３実施形態に係る丸打組物の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ プリフォーム
２ 繊維基材（平打組物・丸打組物）
３ 賦形型
４ 組糸
２２ 中央糸
２４ 屈折線
２６ 遊端線
Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７ 繊維基材の賦形編組部（直線編組部）
Ｙ２・Ｙ６ 繊維基材の賦形編組部（凸湾曲編組部）
Ｙ４ 繊維基材の賦形編組部（凹湾曲編組部）
Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７ プリフォームの賦形部（直線部）
Ｚ２・Ｚ６ プリフォームの賦形部（凸湾曲部）
Ｚ４ プリフォームの賦形部（凹湾曲部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状の繊維強化複合材料とその製造方法に関し、プリフォームとなる繊維基材を作製する過程に特徴を有する。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状の繊維強化複合材料のプリフォームを得る際には、作製が容易な２次元形状の繊維基材を、当該３次元形状を有する賦形型に密着させて賦形する手法が多く採られている。このことは、例えば特許文献１および２などに公知である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８８７９１号公報
【特許文献２】特開２００７−１４４９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記手法によれば、もともとは２次元形状の繊維基材を３次元形状に変形させるため、繊維基材には若干のシワが生じる。ここでシワとは、繊維が極端に折り曲げられた状態を指す。このシワは、後にプリフォームを繊維強化複合材料とした場合に、当該複合材料の強度低下の原因となる。シワが生じないように、２次元形状の繊維基材に切れ目を設けてから、３次元形状の賦形型に密着させることも考えられるが、その場合は、当該切れ目が新たに強度低下の原因になってしまう。
【０００５】
そこで本発明者等は、プリフォームとなる繊維基材として組物を採用することを考えた。組物を構成する２方向の組糸は、織物を構成する緯糸と経糸に比べて互いに動き易く、交差角度が変化し易いという特徴がある。この組糸の動きによれば、組糸の配列を乱すことなく、繊維基材の全体形状を変化させることができる。つまり織物の場合は、３次元形状の賦形型に対して織物を正確に密着させようとすると、シワが生じるのを避けられない。しかし、組物の場合は、賦形型の形状に対応して組糸が動くので、賦形時にシワが生じることはなく、繊維強化複合材料とした際の強度を向上できる。
【０００６】
このように、繊維基材として組物を採用すれば、最終的に、強度の高い繊維強化複合材料を得ることができる。しかし、賦形形状が異なる複数個の賦形部を含む複雑な３次元形状の繊維強化複合材料を製造する場合は、その強度にムラが生じるおそれがある。湾曲しない賦形部（直線部）では、組糸は互いに変位せず、組糸の密度は賦形過程の前後で変化しない。これに対し、湾曲する賦形部（湾曲部）では、組糸が互いに変位するため、その密度は賦形過程の前後で変化する。また、同じ湾曲部でも、湾曲方向または曲率が異なると、組糸の変位量が異なるため、密度の変化は異なる。つまり、繊維基材で組糸の密度を一定化しておいても、賦形過程後のプリフォームにおいて、その密度は一定にはならない。組糸の密度が一定でないプリフォームは、繊維強化複合材料とした際に強度が不均一となり、強度の低い箇所で破損し易く、信頼性に問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、プリフォームとなる繊維基材の組糸構造を好適化して、複雑な３次元形状に形成されたプリフォームの組糸の密度を一定にして、繊維強化複合材料の強度を均一化し、その信頼性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを経て得られる３次元形状の繊維強化複合材料に関する。プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、屈折線に沿って設けられる。繊維基材の編組面には、各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられる。各賦形編組部における組糸の密度が、賦形過程における各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定される。複数個の賦形編組部を備えた繊維基材でプリフォームを形成して、複数個の賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする。繊維基材の組糸の密度は、組糸の組角度の調整などにより変化させることができる。
【０００９】
本発明に係るプリフォームの最も簡単な具体例としては、湾曲しない１個の賦形部（直線部）と湾曲する１個の賦形部（湾曲部）とで構成されるもの、あるいは、形状が異なる２個の湾曲部で構成されるものを挙げることができる。後者において形状が異なるとは、湾曲方向あるいは曲率などが異なっていることを指す。３個以上の賦形部を含むプリフォームの場合も同様に考えることができ、この場合は、同一形状の賦形部を２個以上備えていてもよい。
【００１０】
具体的には、プリフォームが、湾曲する賦形部を含んで形成される。繊維基材は、組糸の間に中央糸が組み込まれた組物からなり、プリフォームの湾曲する賦形部を通るように中央糸が配置してある。
【００１１】
繊維基材が平打組物からなる形態を採ることができる。もしくは繊維基材が丸打組物からなる形態を採ることができる。後者の場合は、賦形過程に先行して、丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、賦形過程において、得られた２層状の繊維基材を賦形型に密着させて、プリフォームを形成する。
【００１２】
また本発明は、組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを含む３次元形状の繊維強化複合材料の製造方法に関する。プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、屈折線に沿って設けられる。繊維基材の編組面には、各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられる。各賦形編組部における組糸の密度が、賦形過程における各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定される。複数個の賦形編組部を備えた繊維基材でプリフォームを形成して、複数個の賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、繊維基材の編組面に、プリフォームに設けられる各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部を設け、各賦形編組部における組糸の密度を、賦形過程における各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定する。具体例を挙げると、湾曲しない賦形部（直線部）では、組糸は変位せず、その密度は変化しないので、対応する賦形編組部の組糸の密度は基準値に設定する。プリフォームの湾曲する賦形部（湾曲部）が、組糸の中心線の間隔が広がるように湾曲しており、賦形前に比べて組糸の密度が小さくなる場合は、対応する賦形編組部の組糸の密度を基準値よりも大きく設定する。逆に湾曲部が、組糸の中心線の間隔が狭まるように湾曲しており、賦形前に比べて組糸の密度が大きくなる場合は、対応する賦形編組部の組糸の密度を基準値よりも小さく設定する。密度を大きくあるいは小さく設定する際の基準値との差は、賦形過程での密度の変化に応じて定める。
【００１４】
このように、繊維基材の各賦形編組部の組糸の密度を、賦形過程における組糸の密度変化を補償する密度に設定していると、賦形過程において、複数個の賦形部における組糸の密度が一定化されたプリフォームを得ることができ、最終的には、強度が均一で信頼性の高い繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１５】
以上のように本発明は、賦形過程における密度変化を補償できるように、繊維基材の組糸の密度を設定するものであり、同じ繊維基材と賦形型を用いる限り、密度の変化は同一であることを前提としている。これを常に同一にするためには、各組糸に常に同じ動きをさせる必要がある。しかし、プリフォームの湾曲部においては、組糸が予定とは異なる動きをする場合がある。湾曲部内には、組糸が互いに大きく動く箇所と、あまり動かない箇所とがあり、組糸の動きを常に同じにするためには、これらの箇所を常に同一にする必要がある。しかし、全ての組糸が比較的自由に動ける状態にあると、これらの箇所が賦形する度に異なってしまう場合があり、組糸の密度が一定でない不良品のプリフォームが度々製造されてしまう。
【００１６】
そこで本発明では、組糸の間に中央糸を組み込むようにした。中央糸の周辺部では組糸の動きが拘束されるので、プリフォームの湾曲部を通るように中央糸を配置しておけば、湾曲部内で組糸の動かない箇所を定めることができる。そして、組糸の動かない箇所が定まると、組糸の動く箇所も自然と定まる。つまり、湾曲部内の組糸の動きを常に同一にすることができる。換言すれば、組糸が常に予定した通りに動くようになる。これにより、プリフォームの組糸の密度をより確実に一定化できる。
【００１７】
繊維基材を平打組物とした場合は、賦形前の加工を必要とせず、その状態のままで賦形型に密着させて賦形することができるので、繊維強化複合材料の製造工程の工数を削減することができる。一方、繊維基材を丸打組物とした場合は、扁平に押し潰すという簡単な作業で２層状に形成することができ、プリフォームの強度、すなわち、繊維強化複合材料の強度を容易に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態） 本発明に係る繊維強化複合材料とその製造方法の第１実施形態を、図１から図１１を用いて説明する。ここでの繊維強化複合材料は、繊維基材２を作製する組成過程と、繊維基材２を賦形型３に密着させて賦形することによりプリフォーム１を形成する賦形過程と、プリフォーム１に溶融樹脂を含浸させたのち熱硬化させる樹脂含浸硬化過程とを経て、得ることができる。繊維基材２は、多数の組糸４を組んで成る平打組物である。以下ではまず、平打組物２を作製する組成過程について、図２から図５を用いて説明する。
【００１９】
平打組物２を組成するための平打組機は、図２および図３に示すように、中心部が開口する円板状のプレート５と、プレート５に穿設された軌道６に沿って走行する多数のボビンキャリア７などで構成される。マンドレル８は、径方向より軸方向に長い中空円筒状に形成されており、プレート５の開口９の中心部を上下方向に貫通するように配置される。各ボビンキャリア７は、下部が軌道６内に収まるキャリアと、キャリアの上側に装着されたボビンと、ボビンに巻き付けられた組糸４の繰出機構とを備える。組糸４は、複数のガラス繊維あるいはカーボン繊維などを束ねた繊維束である。マンドレル８を上方向に移動させながら、各ボビンキャリア７を軌道６に沿って走行させることにより、マンドレル８の外周面上に組糸４を順次組み付けることができる。
【００２０】
図２に示すように軌道６は、全体として、無限大の記号（∞）を複数個横一列に繋げたものを円形状に湾曲させたような形状を呈している。具体的には、軌道６は、各ボビンキャリア７が蛇行しながら平面視で時計回り方向に周回する往路１１と、蛇行しながら反時計回り方向に周回する復路１２と、往路１１の終点から復路１２の始点に繋がる第１折り返し点１３と、復路１２の終点から往路１１の始点に繋がる第２折り返し点１４とを備える。往路１１と復路１２は多数の箇所で交錯している。
【００２１】
マンドレル８の外周面には、図３および図４に示すように、マンドレル８の軸方向に並ぶ多数のピン１６からなる一対のピン列１７・１７が突出するように形成してあり、各ピン１６の先端は、軌道６の折り返し点１３・１４に指向している。また、プレート５の上面から各ピン列１７に向けて、一対の棒状のガイド１８・１８が配置される。詳しくは、各ガイド１８は、軌道６の往路１１と復路１２に囲まれた折り返し点１３・１４の近接位置を基端として、そこから上斜め方向に伸びるように配置されている。図４に示すように、ボビンキャリア７が折り返し点１３（１４）に接近すると、当該ボビンキャリア７の組糸４がガイド１８の基端部に引っ掛かる。そこからボビンキャリア７がさらに進むと、引っ掛かった組糸４はガイド１８の先端方向に進み、やがて図４に実線で示すように、ガイド１８の先端から１つのピン１６に移る。ピン１６に引っ掛かった組糸４は、図３に示すように、それまでとは逆方向に周回するようにマンドレル８に巻き付けられる。
【００２２】
図５は、マンドレル８に対する組糸４の組み付けが完了した状態を示しており、多数の組糸４で構成された１つの組成体２０が、マンドレル８の外周面上に形成されている。組成体２０の横断面はＣ字形状を呈する。この組成体２０をマンドレル８から分離すると、図６に示すような帯状の平打組物２が得られる。
【００２３】
図６に示すように、平打組物２の幅方向両端部には、平打組物２の長手方向に伸びる中央糸２２がそれぞれ配置される。中央糸２２は、組成過程において、各ガイド１８の基端に隣接する位置からマンドレル８の軸方向に送給されており、組糸４がマンドレル８に巻き付けられる際に組糸４の間に組み込まれる。中央糸２２は組糸４と同様に繊維束からなる。中央糸２２を構成する繊維は、組糸４のそれと同じでもよく、また異なっていてもよい。図６において符号Ｌで示した想像線は、平打組物２を幅方向に等分する二等分線である。２本の中央糸２２・２２は、二等分線Ｌと平行であり、また二等分線Ｌに対して対称である。
【００２４】
組成過程に次いで行われる賦形過程では、図７（ａ）に示すように、繊維基材２を賦形型３に密着させて賦形することにより、３次元形状のプリフォーム１を形成する。賦形型３は、形成対象となるプリフォーム１の形状に対応して成形されており、この賦形型３の形状に合致するように平打組物２を賦形することにより、所望する形状のプリフォーム１を得ることができる。賦形過程ではまず、平打組物２の長手方向の一端側を賦形型３に密着させる。その状態から、密着の範囲を他端側へと広げていき、平打組物２の全体を賦形型３に密着させたところで、賦形過程は完了となる。この作業は手作業で行われる。
【００２５】
図７に示すようにプリフォーム１は、湾曲する１本の屈折線２４と、屈折線２４に連続する２個の構成面２５・２５とからなり、断面はＶ字形状を呈する。屈折線２４の形成箇所は、図６に示した平打組物２の二等分線Ｌに一致する。平打組物２を密着させる作業は、図６に示した二等分線Ｌに沿う折り目を平打組物２に対して先に設けてから行うこともできる。符号２６はプリフォーム１の遊端線を示しており、各遊端線２６の近傍に１本の中央糸２２が配置される。賦形過程において中央糸２２は、その周辺部で組糸４を拘束するため、遊端線２６の長さ寸法は平打組物２の長手方向寸法にほぼ等しい。図７（ｂ）に示すように、２個の構成面２５・２５および２本の中央糸２２・２２は、屈折線２４の全体を含む垂直面Ｘに対して対称である。完成したプリフォーム１は、賦形型３に密着した状態のまま、次の樹脂含浸硬化過程に移される。賦形型３から離型すると、目的の繊維強化複合材料が完成する。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態に係るプリフォーム１は、屈折線２４に沿って一列に並ぶ７個の賦形部Ｚ１〜Ｚ７を備えており、湾曲しない賦形部（直線部）Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７と、湾曲する賦形部（湾曲部）Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６とが交互に配置される。３個の湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６のうち両端側の湾曲部Ｚ２・Ｚ６は、屈折線２４がＶ字断面の頂角方向に凸曲状に湾曲する凸湾曲部であり、中間の湾曲部Ｚ４は、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６とは逆方向に湾曲する凹湾曲部である。各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の曲率は、屈折線２４の全長にわたって一定であり、両凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６の曲率は等しい。
【００２７】
賦形過程において、各直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７では組糸４は変位していないが、各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６では組糸４が互いに変位している。各遊端線２６の近傍には中央糸２２が配置されており、この中央糸２２の周辺部では組糸４が拘束されるので、各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の組糸４は、屈折線２４側で大きく変位している。凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６の屈折線２４上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が広がって、繊維束からなる組糸４の幅寸法が大きくなり、組糸４の密度が小さくなる。一方、凹湾曲部Ｚ４の屈折線２４上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が狭まって、組糸４の幅寸法が小さくなり、組糸４の密度が大きくなる。
【００２８】
以上のように、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度は、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６では賦形前より小さくなり、凹湾曲部Ｚ４では大きくなり、そして直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７では変化しない。そのため、平打組物２で組糸４の密度を一定にしていると、賦形過程を経たプリフォーム１では、各賦形部Ｚ１〜Ｚ７で密度がバラバラになってしまう。組糸４の密度が一定でなければ、繊維強化複合材料とした際に強度が不均一となる。本実施形態の繊維強化複合材料は、使用形態において、屈折線２４の周辺部に最も大きい負荷が掛かることが想定されており、複合材料の信頼性の向上のためには、屈折線２４の周辺部の強度を均一化する必要がある。そして、強度の均一化のためには、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度を一定化する必要がある。
【００２９】
そこで本実施形態では、図８に示すように、平打組物２の編組面に、各直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７に対応する賦形編組部（直線編組部）Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７と、各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６に対応する賦形編組部（湾曲編組部）Ｙ２・Ｙ４・Ｙ６とをそれぞれ設けた。そして、湾曲編組部Ｙ２・Ｙ４・Ｙ６の組糸４の密度を、賦形過程における組糸４の密度変化を補償する密度に設定した。具体的には、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７の組糸４の密度を基準値に設定する。凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６では賦形過程で密度が小さくなるので、それに対応する凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６の密度を基準値より大きく設定する。凹湾曲部Ｚ４では賦形過程で密度が大きくなるので、それに対応する凹湾曲編組部Ｙ４の密度を基準値より小さく設定する。各湾曲編組部Ｙ２・Ｙ４・Ｙ６の密度の基準値との差は、対応する各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６での密度の変化に応じて設定する。密度の変化は、湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の曲率などにより定まる。以上のように各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７の密度を設定しておくと、平打組物２を賦形してプリフォーム１を形成したときに、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度が一定となる。
【００３０】
各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７で組糸４の密度が異なる平打組物２は、組成過程において組糸４の組角度を順次変化させることにより、作製することができる。組角度とは、マンドレル８の中心軸に対して組糸４がなす鋭角のことであり、これが９０°に近付くほど組糸４の密度は大きくなる。組角度を変更する手段としては、ボビンキャリア７からの組糸４の繰出角度を変更する方法の他、マンドレル８の移動速度あるいはボビンキャリア７の走行速度を変更する方法などを適用することができる。これらの方法を単独または組み合わせて適用して組角度を変化させると、組糸４が引っ掛かるピン１６の間隔がそれまでとは変化する。つまり、組角度を大きくするほど間隔は小さくなり、逆に組角度を小さくするほど間隔は大きくなる。組角度を大きくしたとき、１本のピン１６に２本以上の組糸４が引っ掛かることがないように、各ピン列１７のピン１６の間隔は充分に小さく設定されている。
【００３１】
図８において符号θ１〜θ３は、平打組物２の各賦形編組部Ｙ１〜Ｙ７での２方向の組糸４の交差角度を示しており、組糸４の組角度が大きくなるほど交差角度は小さくなる。組糸４の密度が基準値である直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７の交差角度θ１と比較して、組角度が大きく組糸４の密度が大きい凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６では、交差角度θ２がθ１より小さい。また、組角度が小さく組糸４の密度が小さい凹湾曲編組部Ｙ４では、交差角度θ３がθ１より大きい。
【００３２】
図９は、プリフォーム１の直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７の組糸４の構成を拡大して示す図であり、組糸４の交差角度φ１および幅寸法Ｗ１は任意の位置で等しい。これら直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７では、賦形過程で組糸４が動かないことから、賦形過程の前後で交差角度および幅寸法は変化しておらず、交差角度φ１は、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７の交差角度θ１に等しい。
【００３３】
図１０（ａ）は、平打組物２の凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６を示しており、ここでは組糸４の交差角度θ２および幅寸法Ｖ２が任意の位置で等しい。これら凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６で幅寸法Ｖ２は、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７に比べて組角度を大きくしている関係で、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７のそれより若干小さくなっている。
【００３４】
図１０（ｂ）は、凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６が凸曲してできるプリフォーム１の凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６を示す。ここで組糸４の交差角度は、交差箇所が屈折線２４に近寄るほど小さくなっており、屈折線２４上（φ２１）で最小、遊端線２６上（φ２２）で最大となる。一方、組糸４の幅寸法は、屈折線２４に近寄るほど大きくなっており、屈折線２４上で最大、遊端線２６上で最小となる。遊端線２６上の幅寸法Ｗ２２は、その近傍に配置された中央糸２２により組糸４が拘束されるために、凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６での幅寸法Ｖ２にほぼ等しい。屈折線２４上の幅寸法Ｗ２１は、着目すべき点として、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７での幅寸法Ｗ１にほぼ等しい。つまり、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度は、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７と凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６とでほぼ等しい。なお、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６において、組糸４の交差角度とは、交差する組糸４の長手方向の中心線どうしがなす角のうち小さい方の角度を指し、組糸４の幅方向とは、前記中心線に直交する方向を指す。次の図１１（ｂ）に示す凹湾曲部Ｚ４でも同様とする。
【００３５】
図１１（ａ）は、平打組物２の凹湾曲編組部Ｙ４を示しており、ここでは組糸４の交差角度θ３および幅寸法Ｖ３が任意の位置で等しい。この凹湾曲編組部Ｙ４で幅寸法Ｖ３は、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７に比べて組角度を小さくしている関係で、直線編組部Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７のそれより若干大きくなっている。
【００３６】
図１１（ｂ）は、凹湾曲編組部Ｙ４が凹曲してできるプリフォーム１の凹湾曲部Ｚ４を示す。ここで組糸４の交差角度は、交差箇所が屈折線２４に近寄るほど大きくなっており、屈折線２４上（φ３１）で最大、遊端線２６上（φ３２）で最小となる。一方、組糸４の幅寸法は、屈折線２４に近寄るほど小さくなっており、屈折線２４上で最小、遊端線２６上で最大となる。遊端線２６上の幅寸法Ｗ３２は、その近傍に配置された中央糸２２により組糸４が拘束されるために、凹湾曲編組部Ｙ４での幅寸法Ｖ３にほぼ等しい。屈折線２４上の幅寸法Ｗ３１は、着目すべき点として、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７での幅寸法Ｗ１にほぼ等しい。つまり、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度は、直線部Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７と凹湾曲部Ｚ４とでほぼ等しい。
【００３７】
以上のように本実施形態では、屈折線２４の周辺部の組糸４の密度が一定であるプリフォーム１を得ることができ、最終的に、屈折線２４の周辺部の強度が均一な繊維強化複合材料を製造できる。この複合材料は、屈折線２４の周辺部に大きい負荷が掛かっても破損し難く、信頼性の高いものである。
【００３８】
（第２実施形態） 本発明に係る繊維強化複合材料の第２実施形態を、図１２を用いて説明する。本実施形態は、各中央糸２２を屈折線２４の近傍に配置する点が、先の第１実施形態と相違する。この配置によれば、屈折線２４の近傍で組糸４の動きが拘束されるので、屈折線２４の長さ寸法は平打組物２の長手方向寸法にほぼ等しい。
【００３９】
賦形過程において各湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６の組糸４は、遊端線２６側で大きく変位している。凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６の遊端線２６上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が狭まって、組糸４の幅寸法が小さくなり、組糸４の密度が大きくなる。そのため、凸湾曲部Ｚ２・Ｚ６に対応する平打組物２の凸湾曲編組部Ｙ２・Ｙ６では、組糸４の密度が基準値より小さく設定してある。一方、凹湾曲部Ｚ４の遊端線２６上では、賦形前と比べて隣接する組糸４の中心線の間隔が広がって、組糸４の幅寸法が大きくなり、組糸４の密度が小さくなる。そのため、凹湾曲部Ｚ４に対応する平打組物２の凹湾曲編組部Ｙ４では、密度が基準値より大きく設定してある。本実施形態のプリフォーム１は、各遊端線２６の周辺部で組糸４の密度が一定である。
【００４０】
（第３実施形態） 本発明に係る繊維強化複合材料の第３実施形態を、図１３から図１５を用いて説明する。本実施形態は、プリフォーム１となる繊維基材として丸打組物２を採用する点が、先の第１実施形態と相違する。図１３および図１４は、丸打組物２を組成するための丸打組機を示しており、ピン１６とガイド１８を備えない点の他、軌道６の構成が第１実施形態とは異なっている。軌道６は、半数のボビンキャリア７が蛇行しながら平面視で時計回り方向に周回する無端状の第１軌道３１と、残り半数のボビンキャリア７が蛇行しながら反時計回り方向に周回する無端状の第２軌道３２とを備える。第１軌道３１と第２軌道３２は多数の箇所で交錯している。軌道６に沿ってボビンキャリア７が走行すると、マンドレル８の外周面上に、組糸４が螺旋状に巻き付けられる。
【００４１】
マンドレル８に対する組糸４の組み付けが完了すると、図１５に想像線で示すような円筒状の丸打組物２が得られる。この丸打組物２は、マンドレル８から分離した後、図１５に実線で示すように、外周面側から扁平に押し潰して２層帯状に成形する。その後、賦形過程に移り、得られた２層状の丸打組物２を賦形型３に密着させて賦形することにより、プリフォーム１を形成することができる。それ以外の点は先の第１実施形態と同様であるため、同様の部材には同様の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
その他本発明は、プリフォーム１が、曲率の異なる複数の湾曲部を備える場合、あるいは、直線部を備えずに複数個の湾曲部のみで構成される場合などにも適用することができる。プリフォーム１の湾曲部Ｚ２・Ｚ４・Ｚ６のみに中央糸２２を配置する形態を採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係るプリフォームの形態を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る平打組機の平面図である。
【図３】第１実施形態に係る平打組機の正面図である。
【図４】第１実施形態に係る平打組機のガイドとピンの作用を説明する図である。
【図５】第１実施形態に係る平打組機による組糸の組み付けが完了した状態のマンドレルの横断面図である。
【図６】第１実施形態に係る平打組物の構成を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態に係るプリフォームが完成した状態を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】第１実施形態に係る平打組物の組糸の密度の大小関係を説明する図である。
【図９】第１実施形態に係るプリフォームの直線部の拡大図である。
【図１０】第１実施形態に係る賦形過程での組糸の変位を示しており、（ａ）は、平打組物の凸湾曲編組部の拡大図、（ｂ）は、凸湾曲編組部に対応するプリフォームの凸湾曲部の拡大図である。
【図１１】第１実施形態に係る賦形過程での組糸の変位を示しており、（ａ）は、平打組物の凹湾曲編組部の拡大図、（ｂ）は、凹湾曲編組部に対応するプリフォームの凹湾曲部の拡大図である。
【図１２】第２実施形態に係るプリフォームの形態を示す図である。
【図１３】第３実施形態に係る丸打組機の平面図である。
【図１４】第３実施形態に係る丸打組機の正面図である。
【図１５】第３実施形態に係る丸打組物の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ プリフォーム
２ 繊維基材（平打組物・丸打組物）
３ 賦形型
４ 組糸
２２ 中央糸
２４ 屈折線
２６ 遊端線
Ｙ１・Ｙ３・Ｙ５・Ｙ７ 繊維基材の賦形編組部（直線編組部）
Ｙ２・Ｙ６ 繊維基材の賦形編組部（凸湾曲編組部）
Ｙ４ 繊維基材の賦形編組部（凹湾曲編組部）
Ｚ１・Ｚ３・Ｚ５・Ｚ７ プリフォームの賦形部（直線部）
Ｚ２・Ｚ６ プリフォームの賦形部（凸湾曲部）
Ｚ４ プリフォームの賦形部（凹湾曲部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、
前記繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを経て得られる３次元形状の繊維強化複合材料であって、
前記プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、前記屈折線に沿って設けられており、
前記繊維基材の編組面には、前記各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられており、
前記各賦形編組部における組糸の密度が、前記賦形過程における前記各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定されており、
複数個の前記賦形編組部を備えた前記繊維基材で前記プリフォームを形成して、複数個の前記賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記プリフォームが、湾曲する賦形部を含んで形成されており、
前記繊維基材は、組糸の間に中央糸が組み込まれた組物からなり、
前記中央糸が、前記湾曲する賦形部を通るように配置してある請求項１記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記繊維基材が平打組物からなる請求項１または２記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記繊維基材が丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた２層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームが形成してある請求項１または２記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、
前記繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを含む３次元形状の繊維強化複合材料の製造方法であって、
前記プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、前記屈折線に沿って設けられており、
前記繊維基材の編組面には、前記各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられており、
前記各賦形編組部における組糸の密度が、前記賦形過程における前記各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定されており、
複数個の前記賦形編組部を備えた前記繊維基材で前記プリフォームを形成して、複数個の前記賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記プリフォームが、湾曲する賦形部を含んで形成されており、
前記繊維基材は、組糸の間に中央糸が組み込まれた組物からなり、
前記中央糸が、前記湾曲する賦形部を通るように配置してある請求項５記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記繊維基材が平打組物からなる請求項５または６記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記繊維基材が丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた２層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームを形成する請求項５または６記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項１】
組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、
前記繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを経て得られる３次元形状の繊維強化複合材料であって、
前記プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、前記屈折線に沿って設けられており、
前記繊維基材の編組面には、前記各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられており、
前記各賦形編組部における組糸の密度が、前記賦形過程における前記各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定されており、
複数個の前記賦形編組部を備えた前記繊維基材で前記プリフォームを形成して、複数個の前記賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記プリフォームが、湾曲する賦形部を含んで形成されており、
前記繊維基材は、組糸の間に中央糸が組み込まれた組物からなり、
前記中央糸が、前記湾曲する賦形部を通るように配置してある請求項１記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記繊維基材が平打組物からなる請求項１または２記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記繊維基材が丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた２層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームが形成してある請求項１または２記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
組物からなる繊維基材を作製する組成過程と、
前記繊維基材を賦形型に密着させて賦形することにより、屈折線を備えた３次元形状のプリフォームを形成する賦形過程と、
前記プリフォームに溶融樹脂を含浸させたのち硬化させる樹脂含浸硬化過程とを含む３次元形状の繊維強化複合材料の製造方法であって、
前記プリフォームに、賦形形状が異なる複数個の賦形部が、前記屈折線に沿って設けられており、
前記繊維基材の編組面には、前記各賦形部の形成箇所に対応して、複数個の賦形編組部が設けられており、
前記各賦形編組部における組糸の密度が、前記賦形過程における前記各賦形部の組糸の密度変化を補償する密度に設定されており、
複数個の前記賦形編組部を備えた前記繊維基材で前記プリフォームを形成して、複数個の前記賦形部における組糸の密度が一定化してあることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記プリフォームが、湾曲する賦形部を含んで形成されており、
前記繊維基材は、組糸の間に中央糸が組み込まれた組物からなり、
前記中央糸が、前記湾曲する賦形部を通るように配置してある請求項５記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記繊維基材が平打組物からなる請求項５または６記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記繊維基材が丸打組物からなり、
前記賦形過程に先行して、前記丸打組物を扁平に押し潰して２層状に形成し、
前記賦形過程において、得られた２層状の前記繊維基材を前記賦形型に密着させて、前記プリフォームを形成する請求項５または６記載の繊維強化複合材料の製造方法。
【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】
【公開番号】特開２０１０−５８３８１（Ｐ２０１０−５８３８１Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２６７０１（Ｐ２００８−２２６７０１）
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００６２９７）村田機械株式会社 (4,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【出願人】（０００００６２９７）村田機械株式会社 (4,916)
【Ｆターム（参考）】
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