JPH0671654A - 樹脂マンドレル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長手方向の熱膨張を抑止して径方向にのみ熱
膨張することが可能で、長さに制限されることなく複合
材料製パイプの品質を大幅に向上させることが出来る樹
脂マンドレルを提供することを目的とする。 【構成】 棒状の芯体２上に熱膨張性の樹脂よりなるマ
ンドレル本体３を装着してなる樹脂マンドレル１におい
て、前記マンドレル本体３の周方向に芯体２の長手方向
に沿って貫通された複数の空洞部３ａを設けると共に、
前記芯体２にマンドレル本体３の両端が芯体２の長手方
向に膨張するのを抑止する抑止部材４を着脱自在に設け
たことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は熱可塑性樹脂をマトリ
クスとする複合材料製パイプの内圧成形に用いられる樹
脂マンドレルに係わり、更に詳しくは、長手方向の熱膨
張を抑止して径方向にのみ熱膨張することが可能な樹脂
マンドレルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱可塑性樹脂をマトリクスとする
複合材料製パイプを作製する際に、ポリテトラフルオロ
エチレン（ＰＴＥＦ）等の熱膨張性の樹脂からなる樹脂
マンドレルが使用されている。この樹脂マンドレルの熱
膨張を利用して複合材料製パイプの内圧成形を行うので
ある。このような樹脂マンドレルとしては、例えば図４
に示すようなものが一般に知られている。

【０００３】前記樹脂マンドレルは鉄やアルミ等からな
る棒状の芯体２１と、この芯体２１上に嵌合装着された
熱膨張性の樹脂よりなる筒状のマンドレル本体２２とか
ら一体的に構成されている。この樹脂マンドレルは複合
材料製パイプを加熱成形する際に該パイプ材料の内周部
にセットされ、マンドレル本体２２が熱膨張して該パイ
プの内周面を押圧することにより複合材料製パイプが内
圧成形されるのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら上述し
た樹脂マンドレルにあっては、マンドレル本体の材料が
等方性であるため、長尺（約１ｍ以上）の複合材料製パ
イプを作製する場合等には、マンドレル本体の長手方向
に対する熱膨張量が顕著となり、このマンドレル本体の
長手方向の伸びにより加熱成形中のパイプ材料が共に移
動して変形を生じ、成形後のパイプの品質を著しく低下
させると言う問題があった。

【０００５】この発明はかかる従来の課題に着目して案
出されたもので、長手方向の熱膨張を抑止して径方向に
のみ熱膨張することが可能で、長さに制限されることな
く複合材料製パイプの品質を大幅に向上させることが出
来る樹脂マンドレルを提供することを目的とするもので
ある。

【０００６】

【発明を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するため、棒状の芯体上に熱膨張性の樹脂よりなるマ
ンドレル本体を装着してなる樹脂マンドレルにおいて、
前記マンドレル本体の周方向に芯体の長手方向に沿って
貫通された複数の空洞部を設けると共に、前記芯体にマ
ンドレル本体の両端が芯体の長手方向に膨張するのを抑
止する抑止部材を着脱自在に設けたことを要旨とするも
のである。

【０００７】

【作用】この発明は上記のように構成され、芯体にマン
ドレル本体の両端が芯体の長手方向に膨張するのを抑止
する抑止部材を設けたので、マンドレル本体の長手方向
の熱膨張を有効に抑止して径方向にのみマンドレル本体
を熱膨張することが出来、加熱成形中のパイプ材料がマ
ンドレル本体の長手方向の伸びによる移動を受けず、該
パイプに変形を生じることがない。従って、長さに制限
されることなく品質が高い複合材料製パイプを得ること
が出来る。

【０００８】また、抑止部材により長手方向への膨張が
阻止されて径方向に対する膨張圧力が高くなるが、マン
ドレル本体には長手方向に沿って両端に貫通する空洞部
がその周方向に形成されているため、この空洞部が変形
することによりマンドレル本体に対する高い膨張圧力が
該空洞部に逃がされ、マンドレル本体は容易に破壊され
ることがない。また更に加熱中に過大な圧力が生じたと
しても前記空洞部に該圧力を逃がすことが出来、外型や
マンドレル本体の破壊を防止することが出来る。

【０００９】また冷却時にマンドレル本体は収縮する
が、空洞部が形成されているため、この空洞部の径方向
の拡張に伴ってマンドレル本体の径方向外側に向かう圧
力が生じ、この圧力によりパイプ材料の内周面が押圧力
を受けながら冷却される。従って、冷却時に型締めを効
果的に行うことが出来、一層均質で品質に優れた成形品
を得ることが可能である。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面に基づいてこの発明の実施例
を説明する。図１はこの発明に係る樹脂マンドレルの斜
視図を示し、この樹脂マンドレル１は棒状の芯体２と、
この芯体２上に嵌合装着された筒状のマンドレル本体３
と、このマンドレル本体３の両端側の芯体２に設けら
れ、マンドレル本体３の長手方向（軸方向）に対する膨
張を抑止する抑止部材４とから構成されている。

【００１１】芯体２は耐熱性を有し、かつ熱膨張変化が
少なく、室温でマンドレル本体３に密着可能な材料から
構成されるのが好ましく、例えば鉄やアルミ等の金属材
料やセラミック等から構成されている。マンドレル本体
３は熱膨張性を有する樹脂より構成され、例えはＰＴＥ
Ｆや超高分子量ポリエチレン等である。またマンドレル
本体３には図２及び図３に示すように、該マンドレル本
体３の長手方向に沿って（芯体２が嵌合する貫通孔３ｂ
と平行）両端に貫通する複数の空洞部３ａがマンドレル
本体３の周方向に沿って形成されている。この空洞部３
ａの数や形状等については、実際には形成の容易さや個
々のマンドレル本体３の形状や実使用条件に照らして決
定されるが、幾つかの原則を下記に示す。

【００１２】この空洞部３ａの空隙率は、マンドレル本
体３の体積に対して１〜３割であることが好ましい。１
割未満であると、マンドレル本体３の両端が抑止部材４
により制限されているため加熱中にマンドレル本体３が
破壊する。３割を越えると、マンドレル本体３の強度が
低下すると共に、成形される複合材料製パイプに対する
冷却時の型締め圧力が低下して、十分な型締め効果を得
ることが出来ない場合が多くなる。

【００１３】また空洞部３ａは大きな空隙を有する空洞
部３ａを複数設けるよりも、小さな空隙を有する空洞部
３ａを多数設けた方が好ましく、更に空洞部３ａをマン
ドレル本体３の周方向に沿って局在化して設けるより
も、該周方向に沿って略等間隔で均一的に配置すること
が好ましい。空洞部３ａが大き過ぎると冷却時の型締め
圧力等が不均一となり、また局在化すると冷却時の型締
め圧力等が不均一になると共にその部分でマンドレル本
体３の強度が低下する。

【００１４】また更に、空洞部３ａの断面形状は周囲か
ら受ける圧力を均等に分散するために円形或いは楕円形
状が好ましく、またマンドレル本体３の外周面から空洞
部３ａまで近接しすぎずに適切な距離Ｌ１（空洞部３ａ
の直径に対してその１／２以上）であることが好まし
い。距離Ｌ１が小さすぎると、空洞部３ａがある部分と
ない部分とで冷却時の型締め圧力が不均一となり、十分
な型締め効果を得ることが出来ない。上述した原則はそ
れぞれにおいて決定的な問題を生じない範囲で選択され
る。

【００１５】抑止部材４はリング形状に形成され、この
リング形状の内周部の貫通孔４ａは芯体２の外周に嵌合
可能に形成され、リング部４ｂの大きさは抑止効果が現
れる範囲で、出来るだけ小さいことが挿入の際の取扱い
の上で好ましい。熱膨張時のマンドレル本体３の両端面
の大きさを基準に形成されることが普通である。そして
この抑止部材４はマンドレル本体３の両端面に当接させ
て該両端の芯体２に着脱自在に設けられている。抑止部
材４の着脱は例えば芯体２の端部にネジ溝を形成し、抑
止部材４を突き当て用部材を介してナットで着脱するよ
うにしてもよく、その着脱する構成は特に問うものでは
ない。抑止部材４はマンドレル本体３が使用時の温度条
件ではゴム的な固さであるため、強度的にそれほど考慮
する必要はなく、例えば１〜２mmの厚さを有する鉄板等
で構成することが出来る。次に、上述したこの発明の樹
脂マンドレル１における作用について説明する。熱可塑
性樹脂をマトリクスとする複合材料製パイプの材料であ
るプリプレグによりプリフォームを成形し、外型に挿入
した後、該プリフォームの中空内周部にマンドレル本体
３が対応するように樹脂マンドレル１をセットし、マン
ドレル本体３の両端に抑止部材４を装着した後所定の時
間加熱すると、マンドレル本体３は熱により膨張する。

【００１６】この時、マンドレル本体３の長手方向への
膨張は抑止部材４により抑止されるので、該マンドレル
本体３は径方向にのみ膨張してその外周面が複合材料製
パイプのプリフォームの内周面を押圧して内圧成形す
る。その結果、加熱成形中のパイプ材料がマンドレル本
体３の長手方向の伸びによる移動を受けず、該パイプ材
料に位置ずれ等の変形を生じることがないため、長さに
制限されることなく品質が高い複合材料製パイプを得る
ことが可能である。

【００１７】また、抑止部材４により長手方向への膨張
が阻止されて径方向に対する膨張圧力が高くなるが、マ
ンドレル本体３には長手方向に沿って両端に貫通する複
数の空洞部３ａが形成されているため、この空洞部３ａ
が変形することによりマンドレル本体３に対する高い膨
張圧力が該空洞部３ａに逃がされ、マンドレル本体３は
容易に破壊されることがない。また更に加熱中に過大な
圧力が生じたとしても前記空洞部３ａに該圧力を逃がす
ことが出来、外型やマンドレル本体３の破壊を防止する
ことが出来る。

【００１８】その上、芯体２が内側にあることにより成
形時にマンドレル本体３の外方向への熱膨張を大きくす
ることが出来るので、細めのマンドレル本体３であって
もパイプ材料の内周面に対する押圧力を十分に得ること
が出来る。加熱成形後、パイプ材料は外型及び樹脂マン
ドレル１がセットされた状態で水等で冷却される。マン
ドレル本体３は冷却により収縮するが、空洞部３ａが形
成されているため、この空洞部３ａの径方向の拡張に伴
ってマンドレル本体３の径方向外側に向かう圧力が生
じ、この圧力によりパイプ材料の内周面が押圧力を受け
ながら冷却される。従って、冷却時に型締めを効果的に
行うことが出来、一層均質で品質に優れた成形品を得る
ことが可能である。

【００１９】また前記使用された樹脂マンドレル１から
抑止部材４を取り外し、実質的に無負荷状態でマンドレ
ル本体３を構成する樹脂の結晶化温度以上の温度で加熱
した後、該結晶化温度以下の温度まで冷却することによ
り再使用することが出来る。樹脂マンドレル１は芯体２
を有しているため、再使用処理においてマンドレル本体
３が不必要以上に縮小することが防止される。

【００２０】以上のようにこの発明は、マンドレル本体
３の長手方向に沿って貫通された複数の空洞部３ａをそ
の周方向に設けると共に、芯体２にマンドレル本体３の
両端の長手方向に対する膨張を抑止する抑止部材４を着
脱自在に設けたので、長手方向の熱膨張を抑止して径方
向にのみ熱膨張することが可能で、成形品である複合材
料製パイプの品質を長さに制限されることなく大幅に向
上させることが出来る。また冷却時に型締めを行うこと
が出来るので、熱可塑性樹脂をマトリクスとする複合材
料製パイプを一層均質で品質に優れたものとすることが
可能である。

【００２１】また、抑止部材４により長手方向への膨張
が阻止されていても、マンドレル本体３には複数の空洞
部３ａが形成されているため、高い膨張圧力が該空洞部
３ａに逃がされ、マンドレル本体３の破壊を容易に防止
することが出来る。また更に加熱中に過大な圧力が生じ
たとしても前記空洞部３ａに該圧力を逃がすことが出
来、外型やマンドレル本体３の破壊を防ぐことが出来
る。

【００２２】以下に、この発明の実施例を比較例と共に
更に具体的に説明する。 実施例ー１ マンドレル本体をＰＴＦＥより構成し、外径４３mm、内
径１８mm、長手方向の長さ１００mm、貫通する空洞部の
径を６mmとし、該空洞部を図３に示すように等間隔で１
０個形成した。このマンドレル本体を鉄製で全長１１０
０mmの芯体に１０本密着した状態で連ねて樹脂マンドレ
ルを構成した。従ってこの樹脂マンドレルの実効長は１
ｍになっている。また抑止部材は厚さ３mmの鉄製で、外
径４２mm、内径１８mmである。

【００２３】次に定法に従い、ＰＥＥＫ（ポリエーテル
エーテルケント）／ＣＦ（カーボン繊維）製プリプレグ
（ＡＰＣー２／ＡＳ４ ＩＣＩーＦｉｂｅｒｉｔｅ社
製）による複合材料製パイプのプリフォームを成形し、
銅製の外型に挿入し、前記樹脂マンドレルを挿入した後
抑止部材をマンドレル本体の両端に芯体を介して固定装
着した。なお外型の外径は５５mm、プリフォームの長さ
が１０００mmで樹脂マンドレルの実効長と一致させた。
また、積層は±３０°の１０回繰り返しで肉厚が２．５
mmとなるように巻いてある。

【００２４】続いてオーブン中で３８０℃で１２０分加
熱した後、冷却水中で冷却してＰＥＥＫ／ＣＦ製の複合
材料製パイプを得た。該パイプの内周面にはパイプ材料
の位置ずれ等による変形の発生も皆無であり、外観的に
全く欠陥のない良好で品質の高い複合材料製パイプを得
ることが出来た。 比較例ー１ マンドレル本体にその両端に貫通する空洞部を形成しな
い他は実施例１と同様である。

【００２５】加熱成形中に、マンドレル本体が熱膨張
し、空洞部が形成されていないためにマンドレル本体の
端部から変形し破壊されながらマンドレル本体の樹脂が
押し出された。このため、樹脂マンドレルは破壊されて
再使用が出来なくなり、また成形品の両端部が約１０cm
にわたり肉厚変動が起こり、良好な複合材料製パイプを
得ることが出来なかった。 比較例ー２ マンドレル本体をＰＴＦＥより構成し、両端に貫通する
空洞部を設けずに外径４５mm、内径１８mm、長手方向の
長さ１００mmに形成した。このマンドレル本体を実施例
１同様の芯体に８本密着した状態で連ねて樹脂マンドレ
ルを構成した。従ってこの樹脂マンドレルの実効長は８
００mmになっている。またマンドレル本体の長手方向に
対する熱膨張を抑止する抑止部材も設けられていない。
後は実施例１と同様な手順に従った。

【００２６】加熱成形中に樹脂マンドレルは伸び、１０
００mmの長さのＰＥＥＫ／ＣＦ製の複合材料製パイプが
成形された。大略は外観的にも何ら問題のない良好な成
形品であったが、一方の端部において内面のプリプレグ
層が一部製品の外に押し出され、繊維の配向が乱れると
共に肉厚の減少が認められ、一部に不具合が生じた。こ
のような不具合はあらゆる場合に発生するとは限らない
が、樹脂マンドレルが相当な距離（この場合それぞれの
端部において１００mm）移動する際にしばしば現れるこ
とが確認されている。

【００２７】実施例ー１よりもやや大きいＰＴＦＥ製の
マンドレル本体を用いたのは、同じサイズのＰＴＦＥ製
のマンドレル本体では、膨張がやや不足で型締めが弱い
ためである。実施例ー１では細めのＰＴＦＥ製マンドレ
ル本体を用いているにもかかわらず、長手方向の熱膨張
を抑制しているので、その分の熱膨張が径方向の膨張を
増加させるからである。 実施例ー２ 実施例ー１で使用した樹脂マンドレルから抑止部材を取
り外し、芯体を支持してオーブン中で３８０℃の温度で
６０分加熱した。加熱後のマンドレル本体は歪みが取り
除かれて自然な形状（即ち、径方向にも軸方向にみ等し
く膨張）となっていた。これを２℃／分の速度で２００
℃まで徐却した。その結果マンドレル本体は歪みが取り
除かれ、使用前の状態にほぼ戻った状態で芯体上に隙間
をおいて並んだ。この隙間を詰めて並べなおし、抑止部
材を取り付けて再び実施例ー１と同じ条件で成形を繰り
返すと、同様に良好で品質の高い複合材料製パイプを得
ることが出来た。

【００２８】

【発明の効果】この発明は上記のように構成され、マン
ドレル本体の周方向に芯体の長手方向に沿って貫通され
た複数の空洞部を設けると共に、前記芯体にマンドレル
本体の両端が芯体の長手方向に膨張するのを抑止する抑
止部材を着脱自在に設けたので、マンドレル本体が破壊
されることなく径方向にのみ熱膨張することが出来、加
熱成形中のパイプ材料がマンドレル本体の長手方向の伸
びによる移動を受けず、成形品である複合材料製パイプ
の品質を長さに制限されることなく大幅に向上させるこ
とが出来る効果がある。

【００２９】また冷却時にマンドレル本体は収縮する
が、空洞部が形成されているため、この空洞部の径方向
の拡張に伴ってマンドレル本体の径方向外側に向かう圧
力が生じ、この圧力によりパイプ材料の内周面が押圧力
を受けながら冷却されるので、冷却時に型締めを効果的
に行うことが出来、一層均質で品質に優れた成形品を得
ることが出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る樹脂マンドレルの斜視図であ
る。

【図２】図１の断面図である。

【図３】マンドレル本体の側面図である。

【図４】従来の樹脂マンドレルの断面図である。

【符号の説明】

１ 樹脂マンドレル ２ 芯体 ３ マンドレル本体 ３ａ 空洞部 ４ 抑止部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 棒状の芯体上に熱膨張性の樹脂よりなる
   マンドレル本体を装着してなる樹脂マンドレルにおい
   て、前記マンドレル本体の周方向に芯体の長手方向に沿
   って貫通された複数の空洞部を設けると共に、前記芯体
   にマンドレル本体の両端が芯体の長手方向に膨張するの
   を抑止する抑止部材を着脱自在に設けたことを特徴とす
   る樹脂マンドレル。