JPH0584841A - 繊維補強熱可塑性樹脂からなる異形管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 繊維補強熱可塑性樹脂からなる異形管を安価
に容易に製造できる方法を提供すること。 【構成】 本発明の異形管の製造方法は、繊維補強熱可
塑性樹脂からなるパイプの表面にプラスチックフィルム
又は金属フォイルを密着させて該表面を被覆した後、前
記パイプの中空部に熱膨張性のマンドレルを挿入し、つ
いで、これらを加熱して前記マンドレルを熱膨張させな
がら前記パイプを前記マンドレルと共に塑性変形させて
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、繊維補強熱可塑性樹脂
からなる異形管の有利な製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、繊維補強熱可塑性樹脂、すなわち
熱可塑性樹脂をマトリックスとする連続繊維補強複合材
（Thermoplastic Composite 、以下、ＴＰＣという）で
異形管を作製する場合には、得られる製品形状に合うよ
うにプリフォームを先ず作り、ついで製品形状に合わせ
た金型を用いることが不可欠であった。しかし、製品形
状に合わせた金型を用いることは、製品の形状的な精度
においては申し分ないが、一方では複雑形状の金型は高
価であるので少量しか製品を生産しない場合などには不
経済である。また、異形管の形状に合うプリフォームの
作製は、横断面が円形で長手方向に真っ直ぐな単純形状
のパイプのプリフォームの作製の場合に比して手間がか
かってしまう。

【０００３】さらに、このように製品形状に合わせたプ
リフォームおよび金型を用いる場合には、精度や形状の
自由度においては勝るものの、長手方向に僅かにカーブ
したり（例えば、パイプ半径の100 倍程度の曲率）、僅
かに偏平であったり（例えば、偏平比0.8 程度）するパ
イプを効率的に生産するのが困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情にかんがみなされたものであって、繊維補強熱可塑
性樹脂からなる異形管、すなわちＴＰＣ異形管を安価に
容易に製造できる方法を提供することを目的とする。こ
こで、異形管とは、横断面が円形で長手方向に真っ直ぐ
なパイプ以外の管をいい、例えば横断面が円形で軸と交
差する方向に曲がった曲がり管、横断面が三角形、四角
形等の多角形で長手方向に真っ直ぐな管、横断面が三角
形、四角形等の多角形で軸と交差する方向に曲がった曲
がり管、長手方向において部分的に潰れた管などであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のＴＰＣ異形管の
製造方法は、繊維補強熱可塑性樹脂からなるパイプの表
面にプラスチックフィルム又は金属フォイルを密着させ
て該表面を被覆した後、前記パイプの中空部に熱膨張性
のマンドレルを挿入し、ついで、これらを加熱して前記
マンドレルを熱膨張させながら前記パイプを前記マンド
レルと共に塑性変形させることを特徴とする。

【０００６】以下、本発明の構成につき詳しく説明す
る。 本発明では、まず、繊維補強熱可塑性樹脂からなる
パイプの表面にプラスチックフィルム又は金属フォイル
を密着させて該表面を被覆する。この場合、例えば、図
１に示すように、熱可塑性樹脂をマトリックスとするプ
リプレグ２を横断面が円形で長手方向に真っ直ぐな円筒
状外型１と熱膨張性のマンドレル３との間に配置し、円
筒状外型１とプリプレグ２との間には脱型の手だてとし
てプラスチックフィルム又は金属フォイルを離型用に介
在させる。ここで用いるプラスチックフィルムは、プリ
プレグ２を構成する熱可塑性樹脂の可塑化温度に耐え得
る耐熱性を有するものであり、例えば、ポリイミドフィ
ルム、ポリテトラフルオロエチレンフィルムなどであ
る。また、金属フォイルは、同様に熱可塑性樹脂の可塑
化温度に耐え得る耐熱性を有するものであって、例え
ば、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス箔等である。

【０００７】ついで、プリプレグ２を構成する熱可塑性
樹脂の可塑化温度以上の温度にプリプレグ２およびマン
ドレル３を加熱してプリプレグ２の中空部内でマンドレ
ル３を熱膨張させ、熱可塑性樹脂を溶融又は軟化させる
と共にマンドレル３の熱膨張による押圧力でプリプレグ
２を型締めする。この後、円筒状外型１と共にプリプレ
グ２およびマンドレル３を冷却し、マンドレル３をプリ
プレグ２の中空部から引き抜くと共に円筒状外型１を除
去すればよい。これによって、表面にプラスチックフィ
ルム又は金属フォイルが密着して表面がこれらによって
覆われた（以下、“皮被り”という）、繊維補強熱可塑
性樹脂からなる横断面が円形で長手方向に真っ直ぐなパ
イプ（以下、直管という）が得られる。

【０００８】熱可塑性樹脂をマトリックスとするプリプ
レグ２は、具体的には、複数本の連続繊維を引き揃えて
一方向に帯状に配列した一般にトウと呼ばれる繊維束に
マトリックスの熱可塑性樹脂を含浸させたもの（一方向
引き揃えのプリプレグ（UDプリプレグ) ）などである。
シート状又は短冊状（スリットテープ）をしている。こ
のプリプレグ２を構成する繊維束に用いる繊維として
は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維（芳香族ポリ
アミド繊維）、炭化珪素繊維、ボロン繊維、アルミナ繊
維等の耐熱性を備えた強度の大きい連続繊維を例示する
ことができる。

【０００９】また、マトリックスの熱可塑性樹脂として
は、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエー
テルエーテルケトン（PEEK) 、ポリフェニレンサルファ
イド(PPS) 、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテル
スルフォン(PES) 、ポリアリレンケトン、ポリアリレン
サルファイド、ポリアリルイミド、ポリアミドイミド、
ポリイミド、ポリイミドスルフォン、ポリスルフォン、
ポリエステル等の高融点又は高軟化点の熱可塑性樹脂で
ある。

【００１０】マンドレル３は、熱膨張性のものであっ
て、具体的にはフッ素系樹脂からなる中実又は中空のも
のである。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロ
エチレン（PTFE、商品名テフロン) 、ポリ弗化アルコキ
シエチレン樹脂(PFA) 、弗化エチレンプロピレンエーテ
ル共重合体樹脂(FEP) 等の熱膨張性が大で耐熱性の高い
樹脂を例示することができる。

【００１１】円筒状外型１は、成形時の加工温度に耐え
得る耐熱性に優れたものであり、例えば銅パイプ等の金
属パイプである。熱可塑性樹脂をマトリックスとするプ
リプレグ２をマンドレル３と円筒状外型１との間に介在
させるには、プリプレグは硬化したものであるため、硬
化したシート状のプリプレグを渦巻状に巻いてその表面
に離型用としてプラスチックフィルム又は金属フォイル
を被せ、これを円筒状外型１内に挿入するとよい。ま
た、渦巻状に巻くに際して、ハンダゴテ等にてプリプレ
グにスポット溶接を施して仮止めしておいてもよい。

【００１２】また、上記のようにして皮被り直管を得る
こと以外に、一般に市販されている繊維補強熱可塑性樹
脂からなるパイプの表面にプラスチックフィルム又は金
属フォイルを巻き付けて該表面を被覆してもよい。 つぎに、図２に示すように、上記のようにして得ら
れる皮被り直管４の中空部に別の熱膨張性のマンドレル
３を挿入し、ついで、これらを加熱してマンドレル３を
熱膨張させながら皮被り直管４をマンドレル３と共に塑
性変形させる。この場合、加熱は熱可塑性樹脂の可塑化
温度以上の温度で行う。皮被り直管４の皮が外型として
機能してマンドレル３の熱膨張を拘束する。塑性変形と
しては、具体的には、例えば、皮被り直管４の長手方向
において皮被り直管４を湾曲させるのである。すなわ
ち、皮被り直管４をその軸と交差する方向に曲げるので
ある。このとき、皮被り直管４の皮は、パイプ表面に密
着した状態のまま伸びるので直管表面に凹凸や皺が生じ
ることがない。なお、マンドレル３の熱膨張は、外径が
同一又は異なるマンドレルで複数回行うことができる。

【００１３】この後、湾曲した皮被り直管４をマンドレ
ル３と共に冷却し、マンドレル３を湾曲した皮被り直管
４の中空部から引き抜くと共に皮を除去することによ
り、図３に示すような形状の湾曲したＴＰＣ異形管５を
得ることができる。この場合、マンドレル３は冷却によ
りその径が収縮しているために容易に引き抜くことがで
きる。また、皮の除去は例えば機械的に行うか又は薬品
で皮を溶解させることによればよい。

【００１４】上記塑性変形は、内面（成形面）に耐熱性
・保温性を有する層を設けた分割金型内で行うとよい。
この分割金型の一例を図４に示す。図４は上型６と下型
７とからなる２つ割りモールドを示したもので、上型６
の内面６ａおよび下型７の内面６ｂには耐熱性・保温性
を有する層がそれぞれ設けられている。この層を耐熱性
・保温性を有するとしたのは、この層が塑性変形時の温
度に耐え得るようにすると共に金型に急激な冷却が生じ
るのを防止するためである。この層としては、例えば、
シリコーンゴムシートを配置すればよい。また、分割金
型の材質としては塑性変形時の温度に耐え得る耐熱性を
有する金属を用いるとよい。

【００１５】この分割金型を用いて塑性変形を行う場合
には、皮被り直管４およびマンドレル３をオーブン内で
加熱してマンドレル３を熱膨張させると共に皮被り直管
４を構成する熱可塑性樹脂を溶融又は軟化させ、ついで
これら皮被り直管４およびマンドレル３をこの状態のま
まオーブンから取り出して室温雰囲気下に分割金型内に
入れて成形を行えばよい。この室温雰囲気下での成形作
業は、オーブン内で塑性変形を行う場合に比して安全性
が高く、有利である。また、冷却は、皮被り直管４およ
びマンドレル３が入ったままの分割金型を水没させるこ
とにより行えばよい。これにより冷却が均等に行われる
ので、形状のバラツキの少ない品質にすぐれたＴＰＣ異
形管を最終的に得ることができる。

【００１６】

【実施例】

実施例１ 皮被りの直管（外径30 mm 、肉厚１mm、積層構成±30
°、長さ500 mm、PEEK/炭素繊維、皮はポリイミドフィ
ルム( ユーピレックス25R 、宇部興産製、登録商標））
に、外径26 mm 、内径13 mm のPTFE製中空マンドレルを
挿入し、その両端を支持して400 ℃のオーブン中に約１
時間静置し、自重にて中央部で約10 mm 撓ませた。

【００１７】このとき皮被りの直管は曲がり、管表面に
密着している皮は密着状態を保って管表面に追随し、皺
や弛みは発生しなかった。同時に、マンドレルは熱膨張
して管内面に密着し、皮とマンドレルに挟まれた溶融又
は軟化状態のマトリックスが押圧されて管が型締めされ
た。ついで、この曲がった皮被り管をマンドレルと共に
水中に投じ、マトリックスおよびマンドレルを冷却し、
管からマンドレルを引き抜くと共に皮を除去することに
よりＴＰＣ曲がり管を得た。なお、皮の除去は、管の端
部から引き裂きながら手で剥がしていった。離型剤を少
量塗布したポリイミドフィルムを皮として用いた場合に
は、僅かな力でパイプ表面から剥がすことができた。

【００１８】得られた曲がり管は、補強繊維の乱れやボ
イド、クラックや層間剥離などの欠陥がなく、内外面も
直管のときの状態と同様に平滑であり、良好であった。 実施例２ 皮被りの直管（外径20 mm 、肉厚１mm、積層構成±45
°、長さ300 mm、PEEK/炭素繊維、皮はポリイミドフィ
ルム( ユーピレックス25R 、宇部興産製、登録商標））
に、直径16 mm のPTFE製中実マンドレルを挿入し、その
直管の一端部約100 mmを２枚の鉄板で挟み、鉄板間には
16mmまでその間隔が狭まるようにスペーサを設け、鉄板
に約50 kgfの荷重をかけながらこれらを400 ℃のオーブ
ン中に吊した。約１時間後には直管の一端部が16 mm の
厚さに変形していた。

【００１９】ついでこれらを水中に投し、マトリックス
およびマンドレルを冷却し、管からマンドレルを引き抜
くと共に皮を除去することにより、端部が偏平で他の部
分は断面が円形であって真っ直ぐなＴＰＣ異形管を得
た。なお、皮の除去は、実施例１と同様にして行った。
得られた異形管は、補強繊維の乱れやボイド、クラック
や層間剥離などの欠陥がなく、内外面も直管のときの状
態と同様に平滑であり、良好であった。

【００２０】実施例３ 皮被りの直管（外径24 mm 、肉厚１.75mm 、積層構成±
25°、長さ400 mm、PEEK/ 炭素繊維、皮はポリイミドフ
ィルム( ユーピレックス25R 、宇部興産製、登録商
標））に、直径19 mm のPTFE製マンドレルを挿入した。
つぎに、このようにしてマンドレルが挿入された皮被り
の直管を平らな台にのせて380℃のオーブン中に約１時
間静置し、マトリックス樹脂が融けたPEEK/ 炭素繊維の
パイプが熱膨張したマンドレルとポリイミドフィルムの
皮で挟持された状態とした。

【００２１】この状態のものを図４に示す分割金型に入
れ、溶融したマトリックス樹脂が固化する前にその金型
を閉じて賦形を行った（約２分間のうちに行えばよ
い）。この場合に用いた分割金型は、内面に３mm厚の布
引きシリコーンゴムパッドが貼ってあり、型を閉じたと
きの内径が上記のマトリックス樹脂が融けた状態のパイ
プの外径にほぼ一致しており、曲がり部分が約300 mmＲ
であってその部分の曲がり角度は６°であった。

【００２２】ついで、この閉じたままの金型を冷水中に
水没させ、パイプの固化を行った。得られた曲がり管
は、実施例１および２におけると同様に、外観的および
形状的に優れたものであった。また、上記の手順を20本
の同じ皮被りの直管について行ったところ、得られる曲
がり管の曲がり角の誤差が非常に少なく、曲がり角が20
本のうち19本が６°±0.2 °の範囲に入っていた。これ
に対し、内面に布引きシリコーンゴムパッドが貼ってな
い分割金型を用いて同様に行ったところ、20本のうち19
本が6.5°±2.0°の範囲であった。したがって、内面に
布引きシリコーンゴムパッドが貼ってある分割金型を用
いると、貼ってない分割金型を用いる場合に比して得ら
れる曲がり管の形状面での精度と確度が格段に優れるこ
とが判る。

【００２３】比較例１ 皮を剥いた直管を利用した他は、実施例１と同じ手順と
方法で曲がり管を作製した。得られた管は、所々で層間
剥離が生じており、外部に膨れが発生していた。また、
外表面は光沢を失い、凹凸に満ちていた。パイプとして
の強度が期待できない製品であった。

【００２４】比較例２ マンドレルを用いない他は、実施例２と同様にして端部
の偏平な管を作製した。得られた管は、真っ直ぐな部分
では問題は発見されなかったが、偏平化した部分の曲率
半径が小さな箇所で層間剥離が生じており、偏平化した
部分から直管につながる部分でもやはり層間剥離が生じ
ており、変形させた部分での強度が期待できない製品で
あった。

【００２５】比較例３ 実施例１におけると同じ最終製品の形状の外型（製品を
取り出す都合から、割り型であり、この型の製作費は実
施例１で直管を得るのに用いた規格品の銅パイプに比し
て約１万倍である）に、編み上げ方式（ブレーダー方
式）のプリフォームおよびPTFE製マンドレルを仕込み、
型の内面には脱型のための離型剤を塗布しておいた。

【００２６】ついで、400 ℃のオーブン中にこれらを置
き、マンドレルを十分に熱膨張させて型締めをおこなっ
た。しかし、ブレーダー方式のプリフォーム（曲げて型
に入れるためにはブレーダー方式であることが不可欠）
であるためプリフォームの空隙が大きく、このため型締
めはマンドレルを順次少しづつ太いものに代えて都合３
回行わなければならなかった。

【００２７】最終的には、実施例１におけると同様の寸
法・形状の管が得られた。この管は、プリフォームがブ
レーダーである点および離型剤を用いて外型より脱型さ
せるために、表面光沢がやや劣るほかは遜色のない良好
なものであった。しかしながら、型が非常に高価である
こと、型締めの回数も多いなどの問題があった。したが
って、少量多品種の生産には不向きである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、繊
維補強熱可塑性樹脂からなるパイプの表面にプラスチッ
クフィルム又は金属フォイルを密着させて該表面を被覆
した後、このパイプの中空部に熱膨張性のマンドレルを
挿入し、ついで、これらを加熱してこのマンドレルを熱
膨張させながらパイプをマンドレルと共に塑性変形させ
るために、従来におけるように複雑で高価な割り型を用
いることがなくかつ複雑で面倒なプリフォームを必要と
しないので、ＴＰＣ異形管を安価に容易に製造すること
が可能となる。また、いちいち最小形状に合わせた外型
を必要としないので、多品種少量生産には好適である。
さらに、工程を一部繰り返すことにより相当に複雑な形
状のものも制作することができる。本発明によって得ら
れるＴＰＣ異形管は、例えば、自転車のフレームやテニ
スラケットを構成するパイプ部品、構造用又は配管用の
パイプなどに利用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】円筒状外型とプリプレグとマンドレルとの位置
関係を示す斜視説明図である。

【図２】表面にプラスチックフィルム又は金属フォイル
を密着させて該表面を被覆した繊維補強熱可塑性樹脂か
らなる直管の中空部に熱膨張性のマンドレルを挿入した
様子を示す斜視説明図である。

【図３】本発明によって得られる異形管の一例を示す説
明図である。

【図４】異形管の製造に用いる金型の一例を示す説明図
である。 １ 円筒状外型、２ プリプレグ、３ マンドレル、４
皮被り直管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 23:22 4Ｆ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維補強熱可塑性樹脂からなるパイプの
   表面にプラスチックフィルム又は金属フォイルを密着さ
   せて該表面を被覆した後、前記パイプの中空部に熱膨張
   性のマンドレルを挿入し、ついで、これらを加熱して前
   記マンドレルを熱膨張させながら前記パイプを前記マン
   ドレルと共に塑性変形させてなる繊維補強熱可塑性樹脂
   からなる異形管の製造方法。
2. 【請求項２】 内面に耐熱性・保温性を有する層を設け
   た分割金型内で塑性変形を行う請求項１の異形管の製造
   方法。