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技術 複合材の製造方法

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 杉田浩昭
出願日 2015年10月2日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2015-196637
公開日 2017年4月6日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2017-065218
状態 特許登録済
技術分野 型の被覆による成形、強化プラスチック成形 プラスチック等の注型成形、圧縮成形 プラスチック等の成形用の型
主要キーワード 繊維強化樹脂材 JIS規格 引張せん断試験 繊維強化樹脂シート インサート材 ウエルド レーヨン製 溶融亜鉛メッキ鋼板
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年4月6日)のものです。
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図面 (10)

課題

インサート材繊維強化樹脂材接合する接合部分に貫通孔を設け、この貫通孔に繊維強化樹脂流し込んでも、この貫通孔内における繊維強化樹脂の強度低下を抑えることができる複合材の製造方法を提供する。

解決手段

複合材1の製造方法は、金属製のインサート材10の接合部分14において、強化繊維高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材2が接合された複合材1を製造する。インサート材10の貫通孔11を介して、インサート材10の一方の表面12から他方の表面13に繊維強化樹脂材2(第1の繊維強化樹脂シート21)の繊維強化樹脂の一部が流れるように、他方の表面13から貫通孔11に流れ込む繊維強化樹脂材2(第2の繊維強化樹脂シート22)の繊維強化樹脂をき止めることにより、成形型4内で繊維強化樹脂材2をインサート材10に一体的に成形する。

概要

背景

従来から、部材の軽量化等を図るため、金属製のインサート材繊維強化樹脂材接合した複合材が利用されている。このような複合材の製造方法として、以下に示す製造方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。

具体的には、図9(a)に示すようにして、貫通孔11が形成された金属製のインサート材10を準備し、これを成形型9内に配置する。これと同時に、インサート材10を挟み込むように、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22を配置し、成形型9の上型91および下型92を型締する。これにより、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22をプレス成形する。

プレス成形時には、成形型9内に形成されたキャビティS内を第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22の繊維強化樹脂流動し、貫通孔11に、インサート材10の両面12,13から、それぞれのシートの繊維強化樹脂が流れ込む。

このような結果、図9(b)に示すように、インサート材10の接合部分14において、第1および第2の繊維強化樹脂シート層21A,22Aからなる繊維強化樹脂材2が接合された複合材8を得ることができる。

概要

インサート材が繊維強化樹脂材と接合する接合部分に貫通孔を設け、この貫通孔に繊維強化樹脂を流し込んでも、この貫通孔内における繊維強化樹脂の強度低下を抑えることができる複合材の製造方法を提供する。複合材1の製造方法は、金属製のインサート材10の接合部分14において、強化繊維高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材2が接合された複合材1を製造する。インサート材10の貫通孔11を介して、インサート材10の一方の表面12から他方の表面13に繊維強化樹脂材2(第1の繊維強化樹脂シート21)の繊維強化樹脂の一部が流れるように、他方の表面13から貫通孔11に流れ込む繊維強化樹脂材2(第2の繊維強化樹脂シート22)の繊維強化樹脂をき止めることにより、成形型4内で繊維強化樹脂材2をインサート材10に一体的に成形する。

目的

本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インサート材が繊維強化樹脂材と接合する接合部分に貫通孔を設け、この貫通孔に繊維強化樹脂を流し込んでも、この貫通孔内における繊維強化樹脂の強度低下を抑えることができる複合材の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

金属製のインサート材接合部分において、強化繊維高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材が接合された複合材の製造方法であって、前記インサート材の前記接合部分に、前記インサート材の一方の表面から他方の表面に亘って貫通孔が形成されたインサート材を用い、前記貫通孔を介して、前記インサート材の前記一方の表面から前記他方の表面に前記繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、前記他方の表面から前記貫通孔に流れ込む前記繊維強化樹脂をき止めることにより、前記繊維強化樹脂材を前記インサート材に一体的に成形することを特徴とする複合材の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、金属製のインサート材接合部分において、繊維強化樹脂材が接合された複合材の製造方法に関する。

背景技術

0002

従来から、部材の軽量化等を図るため、金属製のインサート材に繊維強化樹脂材を接合した複合材が利用されている。このような複合材の製造方法として、以下に示す製造方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。

0003

具体的には、図9(a)に示すようにして、貫通孔11が形成された金属製のインサート材10を準備し、これを成形型9内に配置する。これと同時に、インサート材10を挟み込むように、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22を配置し、成形型9の上型91および下型92を型締する。これにより、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22をプレス成形する。

0004

プレス成形時には、成形型9内に形成されたキャビティS内を第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22の繊維強化樹脂流動し、貫通孔11に、インサート材10の両面12,13から、それぞれのシートの繊維強化樹脂が流れ込む。

0005

このような結果、図9(b)に示すように、インサート材10の接合部分14において、第1および第2の繊維強化樹脂シート層21A,22Aからなる繊維強化樹脂材2が接合された複合材8を得ることができる。

先行技術

0006

特開2013−141814号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、図9(b)に示す複合材8は、貫通孔11内において、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22の繊維強化樹脂材が合流し、合流部分Pが形成される。この合流部分Pでは、貫通孔11のエアが残存し、ボイドが形成されるおそれがあるばかりでなく、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22の繊維強化樹脂材の強化繊維が絡み合わないことも想定される。このような結果、図9(b)に示す複合材8に引張荷重が作用した場合、この合流部分Pにおいて、せん断力に対する強度が低下するおそれがある。

0008

本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インサート材が繊維強化樹脂材と接合する接合部分に貫通孔を設け、この貫通孔に繊維強化樹脂を流し込んでも、この貫通孔内における繊維強化樹脂の強度低下を抑えることができる複合材の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

前記課題を鑑みて、本発明に係る複合材の製造方法は、金属製のインサート材の接合部分において、強化繊維と高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材が接合された複合材の製造方法であって、前記インサート材の前記接合部分に、前記インサート材の一方の表面から他方の表面に亘って貫通孔が形成されたインサート材を用い、前記貫通孔を介して、前記インサート材の前記一方の表面から前記他方の表面に前記繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、前記他方の表面から前記貫通孔に流れ込む前記繊維強化樹脂をき止めることにより、前記繊維強化樹脂材を前記インサート材に一体的に成形することを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、繊維強化樹脂材を成形する際に、インサート材の貫通孔を介して、インサート材の両面のうち一方の表面から他方の表面に、繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、他方の表面から貫通孔に流れ込もうとする繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂を堰き止める。

0011

これにより、貫通孔内において、インサート材の両面から繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れ込み難いため、繊維強化樹脂による合流部分が形成され難く、貫通孔内において、ボイドが形成され難い。

0012

さらに、貫通孔内において、繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が、一方向から流れ込むため、繊維強化樹脂の強化繊維は、インサート材の厚さ方向に沿って方向性を持って配列されることになる。

0013

このような結果、複合材に引張荷重が作用しても、貫通孔内の繊維強化樹脂材に作用するせん断力に対する強度を高め、複合材のせん断強度を高めることができる。

図面の簡単な説明

0014

(a)は、本発明の第1実施形態に係る複合材の製造方法で製造される複合材の上面図であり、(b)は、その底面図である。
(a)は、図1(a)に示す複合材のA−A矢視断面図であり、(b)は、図1(a)に示す複合材のB−B矢視断面図である。
(a)、(b)は、図2(a)に相当する部分の本発明の第1実施形態に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図である。
(a)、(b)は、図2(b)に相当する部分の本発明の第1実施形態に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図である。
(a)は、本発明の本実施形態の変形例に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図であり、(b)は、図5(a)に示す複合材のC−C矢視断面図である。
(a)は、実施例に係る複合材の上面図であり、(b)は、(a)の断面図である。
(a)は、比較例1、2に係る複合材の上面図であり、(b)は、(a)の断面図である。
実施例および比較例1、2に係る複合材のせん断力の測定結果を示した図である。
(a)は、従来に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図であり、(b)は、従来に係る複合材の断面図である。

0015

以下に、図1図5を参照して、本発明の実施形態に係る複合材の製造方法を説明する。

0016

図1(a),(b)および図2(a),(b)に示すように、本実施形態では、金属製のインサート材10の接合部分14において、強化繊維と高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材2が接合された複合材1を製造する。繊維強化樹脂材2は、第1および第2の繊維強化樹脂シート層21A,22Aからなる。

0017

複合材1の一部を構成するインサート材10は、金属製であり、接合部分14には、複数の貫通孔11,11…が形成されている。各貫通孔11は、インサート材10の一方の表面12から他方の表面13に亘って形成されている。インサート材10の接合部分14では、繊維強化樹脂材2が接合部分14を挟み込むように形成されており、接合部分14以外の部分15は、繊維強化樹脂材2から露出している。

0018

各貫通孔11には、第1および第2の繊維強化樹脂シート層21A,22Aのいずれか一方の繊維強化樹脂21b,22bが充填されている。より具体的には、図2(a)では、貫通孔11には、第1の繊維強化樹脂シート層21Aの繊維強化樹脂21bが充填され、これに隣接する貫通孔11では、図2(b)に示すように、第2の繊維強化樹脂シート層22Aの繊維強化樹脂22bが充填される。

0019

このようにして、配列された複数の貫通孔11には、第1の繊維強化樹脂シート層21Aの繊維強化樹脂21bと、第2の繊維強化樹脂シート層22Aの繊維強化樹脂22bとが交互に充填されている。

0020

さらに、繊維強化樹脂材2の両面には、貫通孔11の近傍において、凹溝21a,22aが形成されている。凹溝21a,22aは、後述する第1または第2の繊維強化樹脂シート21,22の繊維強化樹脂が貫通孔11に流れ込むことを堰き止める際に、突出部41a,42aにより成形される凹溝である(図3(a)および図4(a)参照)。したがって、凹溝21a,22aを挟んで、第1の繊維強化樹脂シート層21Aの繊維強化樹脂と、第2の繊維強化樹脂シート層22Aの繊維強化樹脂とが、形成されることになる。

0021

以下に、複合材1の製造方法を図3(a),(b)および図4(a),(b)を参照しながら説明する。

0022

まず、接合部分14において、インサート材10の一方の表面12から他方の表面13に亘って貫通した複数の貫通孔11が形成されたインサート材を準備する。これと同時に、接合部分14に接合する第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22を準備する。第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22が、本発明でいう「繊維強化樹脂材」に相当する。

0023

第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22を構成する強化繊維は、ガラス繊維金属繊維有機繊維、または炭素繊維のいずれの繊維であってもよいが、本実施形態では、炭素繊維である。強化繊維は、インサート材10の厚さ(すなわち貫通孔11の深さ)よりも、長いことが好ましい。

0024

さらに、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22を構成する高分子樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれの樹脂であってもよいが、本実施形態では、熱可塑性樹脂である。

0025

次に、接合部分14に貫通孔11が形成されたインサート材10を、型開きした成形型4内に配置する。これと同時に、接合部分14の一部(端部)を挟み込むように、インサート材10の一方側(図では右側)に第1および第2の繊維強化樹脂シート(一対の繊維強化樹脂シート)21,22を配置する。そして、上型41および下型42を型締めすることにより、熱プレス成形で繊維強化樹脂材2を成形する。

0026

より具体的には、図3(a)に示すように、第1の繊維強化樹脂シート21の繊維強化樹脂を貫通孔11に流す領域では、第2の繊維強化樹脂シート22と接触する下型42に、突出部42aが設けられている。

0027

下型42の突出部42aは、成形時に貫通孔11よりもインサート材10の一方側(図では右側)において、インサート材10の他方の表面13に接触する。一方、上型41は、成形時に、貫通孔11よりもインサート材10の一方側(図では右側)で、インサート材10の一方の表面12に接触せず、貫通孔11よりもインサート材10の他方側(図では左側)で、インサート材10の一方の表面12に接触する。

0028

このようにして、図3(a),(b)に示すように、第1の繊維強化樹脂シート21の繊維強化樹脂を貫通孔11に流す領域では、成形時に、他方の表面13から貫通孔11に流れ込もうとする第2繊維強化樹脂シート22の繊維強化樹脂が突出部42aで堰き止められる。これと同時に、成形型4のキャビティSに、第1の繊維強化樹脂シート21の繊維強化樹脂が、貫通孔11を介して、インサート材10の一方の表面12から他方の表面13に流れる流路が形成される。

0029

一方、図4(a)に示すように、第2の繊維強化樹脂シート22の繊維強化樹脂を貫通孔11に流す領域では、第2の繊維強化樹脂シート21と接触する上型41に、突出部41aが設けられている。

0030

より具体的には、上型41の突出部41aは、成形時に貫通孔11よりもインサート材10の一方側(図では右側)において、インサート材10の一方の表面12に接触する。一方、下型42は、成形時に、貫通孔11よりもインサート材10の一方側で、インサート材10の他方の表面13に接触せず、貫通孔11よりもインサート材10の他方側(図では左側)で、インサート材10の他方の表面13に接触する。

0031

このようにして、図4(a),(b)に示すように、第2の繊維強化樹脂シート22の繊維強化樹脂を貫通孔11に流す部分では、成形時に、一方の表面12から貫通孔11に流れ込もうとする第1繊維強化樹脂シート21の繊維強化樹脂が突出部41aで堰き止められる。これと同時に、成形型4のキャビティSに、第2の繊維強化樹脂シート22の繊維強化樹脂が、貫通孔11を介して、インサート材10の他方の表面13から一方の表面12に流れる流路が形成される。

0032

そして、図3(a),(b)に示すように、上型41と下型42を型締めし、熱プレス成形する際に、貫通孔11を介して、インサート材10の両面のうち一方の表面12から他方の表面13に第1の繊維強化樹脂シート21の繊維強化樹脂の一部が流れ込む。一方、図4(a),(b)に示す貫通孔11には、インサート材10の両面のうち他方の表面13から一方の表面12に第2の繊維強化樹脂シート22の繊維強化樹脂の一部が流れ込む。

0033

このようにして、インサート材10の配列された複数の貫通孔11,11,…には、第1および第2の繊維強化樹脂シート21,22の繊維強化樹脂21b,22bが交互に流れることになる。その後、繊維強化樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂材2をインサート材10に一体的に成形した複合材1を得ることができる。

0034

本実施形態では、図9(a),(b)に示したように、貫通孔11内において、インサート材10の両面から双方の繊維強化樹脂シートの繊維強化樹脂が流れ込み難い。このため、繊維強化樹脂による合流部分Pが形成され難く、貫通孔11内において、ボイドが形成され難い。

0035

特に、これまでは、繊維強化樹脂の高分子樹脂が、熱可塑性樹脂である場合、熱可塑性樹脂は冷却されながら硬化するので、貫通孔11内の合流部分Pにウエルド(具体的には、双方の熱可塑性樹脂の溶け込み不十分による欠陥部)が発生し易い。しかしながら、本実施形態では、熱可塑性樹脂を用いても、貫通孔11内に合流部分がないのでこのような問題は生じない。

0036

さらに、上述した製造方法により、貫通孔11内において、繊維強化樹脂21b,22bの強化繊維は、インサート材10の厚さ方向に沿って方向性を持って配列されることになる。

0037

このような結果、複合材1に引張荷重が作用しても、貫通孔11内の繊維強化樹脂材2に作用するせん断力に対する強度を高め、複合材1の引張強度を高めることができる。特に、本実施形態では、強化繊維に、炭素繊維を用いたので、他の繊維に比べて、このようなせん断力に対する強度をさらに高めることができる。

0038

また、図5(a),(b)に示すように、インサート材10に、2列に並んだ複数の貫通孔11を形成してもよく、すべての貫通孔11に、第1の繊維強化樹脂シート層21Aの繊維強化樹脂21bが充填されるように、複合材1Aを製造してもよい。

0039

(実施例)
図6(a),(b)に示す複合材(試験片)1Bを作製した。具体的には、インサート材として、幅30mm、厚さ1.0mmの溶融亜鉛メッキ鋼板JIS規格:SCGA270C)を準備し、一方側の端部から50mmの位置に、φ8mmの貫通孔を成形した。

0040

次に、繊維強化樹脂シートとして、熱可塑性樹脂に炭素繊維を分散させた、幅30mm、厚さ1mmのシート(ランダム強化材:東レ製)を2枚準備した。これらの繊維強化樹脂シートを260℃で5分間予熱し、これらに十分に熱が伝わったことを確認した後に、以下に示す熱プレス成形を行った。

0041

具体的には、図3(a)の断面形状に相当する試験片成形用の成形型内を準備し、金型を150℃に温度調整し、下型の上に、第2の繊維強化樹脂シート、インサート材、第1の繊維強化樹脂シートの順に配置し、20MPaの圧力で、2分間熱プレス成形を行った。これにより、図6(a),(b)に示す、複合材1Bを得た。なお、インサート材10の貫通孔11には、インサート材10の一方の表面12から他方の表面13に流れるように、第1の繊維強化樹脂シート層21Aの繊維強化樹脂21bが充填されていた。

0042

(比較例1)
実施例と同じようにして、図7(a),(b)に示す形状の複合材8を作製した。実施例と相違する点は、繊維強化樹脂シートとして、熱硬化性樹脂に炭素繊維を分散させたシート(カーボンSMC:三菱レーヨン製)を用い、インサート材10の両面12,13から貫通孔11に挟み込むようにして、繊維強化樹脂シートを熱プレス成形した点である。なお、インサート材10の貫通孔11には、第1および第2の繊維強化樹脂シート層21A,21Bの一部の繊維強化樹脂が充填されていた。

0043

(比較例2)
実施例と同じようにして、図7(a),(b)に示す形状の複合材8を作製した。実施例と相違する点は、インサート材10の両面12,13から貫通孔11に挟み込むようにして、繊維強化樹脂シート(実施例と同じもの)を熱プレス成形した点である。

0044

引張せん断試験
実施例、比較例1、および比較例2に係る複合材を、標準状態(23℃×50%RH)に所定の期間保持し、これらの複合材の物性を安定させた。その後、インサート材10の端部と、繊維強化樹脂材2の端部と把持し、インサート材10と繊維強化樹脂材2とが分離するまで、複合材を引張し、その時の荷重をせん断力として測定した。この結果を図8に示す。図8は、比較例1のせん断力を100として、実施例および比較例2のせん断力を示している。

0045

<結果>
図8に示すように、実施例に係る複合材のせん断力が最も高く、比較例2に係る複合材のせん断力が最も低かった。実施例では、貫通孔11内で、ウエルドが形成されず、第一の繊維強化樹脂シート層21Aの強化繊維が、インサート材10の厚さ方向に沿って方向性を持って配列されていた(図6(b)参照)。一方、比較例2では、貫通孔11内で、第1および第2繊維強化樹脂シート層21A,22Bの合流部分にウエルドが形成されていた(図7(b)参照)。このような点が起因して、実施例に係る複合材のせん断力が、比較例2に係る複合材のものより高くなったと考えられる。

0046

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

実施例

0047

本実施形態では、一対の繊維強化樹脂シートを用いて、成形時にこれらをインサート材に挟み込むように成形した。しかしながら、たとえば、貫通孔を介して、インサート材の一方の表面から他方の表面に繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、他方の表面から貫通孔に流れ込む前記繊維強化樹脂を堰き止めることができるのであれば、1枚の繊維強化樹脂シートを用いて、複合材を製造してもよい。

0048

1:複合材、2:繊維強化樹脂材、4:成形型、10:インサート材、11:貫通孔、14:接合部分、21:第1の繊維強化樹脂シート、22:第2の繊維強化樹脂シート。

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