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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzformteils, das mit einem anderen Harzformteil verbunden werden soll, und ein Verfahren zur Verbindung von Teilen unter Verwendung von faserverstärkten Harzformteilen, die anhand dieses Herstellungsverfahrens erzeugt werden.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Faserverstärkte Harzteile (faserverstärkte Kunststoffe (fiber-reinforced plastics, (FRP)), die aus Harz und im Harz enthaltenen verstärkenden Fasermaterialien (Faserverstärkungsmaterialien) gebildet sind, werden wegen ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit auf verschiedenen industriellen Gebieten verwendet, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Bauindustrie und der Flugzeugindustrie. Zum Beispiel werden in der Automobilindustrie für den Zweck der Erzielung einer Gewichtsreduktion von Fahrzeugen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Festigkeit des Fahrzeugs, um umweltfreundliche Fahrzeuge mit einer verbesserten Kraftstoffeffizienz zu fertigen, die genannten faserverstärkten Harzformteile auf nicht-tragende Teile angewendet, wo Design-Eigenschaften benötigt werden. Die nicht-tragenden Teile beinhalten Rahmenkonstruktionsteile von Fahrzeugen wie Frontteile, mittlere Querstreben, Säulen, Kästen und Böden der Karosserien und Türaußenbleche und Hauben.
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Als Verfahren zur gegenseitigen Verbindung von faserverstärkten Harzteilen wird allgemein ein Verbindungsverfahren mit Klebstoff oder ein Verbindungsverfahren, das Verbindungskomponenten verwendet, wie Verbolzen, Verschrauben und Stanznieten, oder eine Kombination dieser Verfahren angewendet.
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Es gibt eine Reihe von Verfahren zur gegenseitigen Verbindung von faserverstärkten Harzteilen, aber die oben genannten herkömmlichen Verfahren werfen verschiedene Probleme auf.
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Genauer gibt es die folgenden Probleme: das Verfahren, in dem Klebstoff verwendet wird, benötigt einige Zeit, um die Teile aneinander zu binden, und das Verfahren mit Verbolzen, Verschrauben oder Stanznieten erfordert Verbindungskomponenten, wodurch die Fertigungszeit verlängert wird oder die mit den Verbindungskomponenten assoziierten Fertigungskosten steigen.
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Insbesondere ist es im Falle des gegenseitigen Verbindens von faserverstärkten Harzteilen mit dreidimensional komplizierten Formen unter Verwendung von Verbindungskomponenten, beispielsweise Bolzen, nicht leicht, eine Ausrichtung zwischen den faserverstärkten Harzteilen, die verbunden werden sollen, hinzubekommen; daher ist es wahrscheinlich, dass Montageabläufe, um die Teile unter Verwendung der Verbindungskomponenten miteinander zu verbinden, mehr werden. Beim Verbinden durch Klebstoff oder Schweißen ist es schwierig, Klebstoff oder Wärme auf alle zu verbindenden Abschnitte (übereinander liegenden Abschnitte), die dreidimensional kompliziert sind, so gleichmäßig wie möglich aufzutragen.
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Die veröffentlichte
japanische Patentanmeldung Nr. 2002-11795 offenbart ein Verfahren zum Aneinanderfügen von faserverstärkten Kunststoffteilen, die so gestaltet sind, dass Kohlefasermaterialien an einem Verbindungszielabschnitt der FRP-Teile aus jeweiligen FRP-Teilen vorstehen gelassen werden, die FRP-Teile so angeordnet werden, dass sie einander an dem Verbindungszielabschnitt gegenüber liegen, vorstehende Enden der Fasermaterialien übereinander gelegt werden und ein Harzmaterial in eine Region, wo die Kohlefasermaterialien am Verbindungszielabschnitt übereinander gelegt sind, gespeist und dann gehärtet wird. Die veröffentlichte
japansische Patentanmeldung Nr. 2011-79289 gibt ein Verfahren an zum Aneinanderfügen von faserverstärkten Kunststoffteilen, die so gestaltet werden, dass zumindest eine Teilmatrix in einer Oberfläche eines Abschnitts, der an ein Kunstharz eines faserverstärkten Kunststoffsubstrats gefügt werden soll, durch physikalische oder chemische Mittel entfernt wird, um Verstärkungsfasern an der Oberfläche freizulegen, und ein weichgemachtes zweites Polymermaterial in einem Raum ausgebildet wird, wo die Matrix entfernt ist, um mit dem weichgemachten zweiten Polymermaterial in Hohlräume und raue Abschnitt unter den freiliegenden Verstärkungsfasern einzudringen und dann dieses weichgemachte Polymermaterial zu härten, wodurch eine feste Haftung durch mechanische Bindung erreicht wird.
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Diese Dokumente liefern eine Beschreibung hinsichtlich der Entfernung des gebildeten Polymermaterials auf chemische Weise oder physikalische Weise als Verfahren zum Vorstehenlassen der Kohlefasermaterialien von den jeweiligen FRP-Teilen. Wenn das Matrixharz beispielsweise ein thermoplastisches Harz ist, kann in Betracht gezogen werden, ein Verfahren zum Vorstehenlassen der Kohlefasermaterialien durch Auflösen des Matrixharzes unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels oder ein Verfahren zum Schmelzen des FRP-Teils durch Erwärmen anzuwenden, um das FRP-Teil teilweise zu entfernen, so dass die Kohlefasermaterialien vorstehen. Wenn das Matrixharz indessen ein duroplastisches Harz ist, kann in Betracht gezogen werden, ein Verfahren zum thermischen Abbau des FRP-Teils unter Verwendung eines Laserstrahls anzuwenden, um die Kohlefasermaterialien vorstehen zu lassen.
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Auch wenn eines von den obigen Verfahren angewendet wird, ist es nicht leicht, das Faserverstärkungsmaterial an der Oberfläche des Teils freizulegen. Beispielsweise ist es in dem Verfahren, in dem das Lösungsmittel angewendet wird, schwierig, nur eine gewünschte Region des Teils zu behandeln, da eine Flüssigkeit verwendet wird, und es ist auch nötig, ein Problem der Behandlung des Lösungsmittels ebenso wie Betriebsumgebungen zu betrachten. In dem Verfahren, in dem das faserverstärkte Material durch Erwärmen freiliegend wird, gibt es Probleme dahingehend, dass ein Erwärmen von Teilen schwierig ist und dass es schwierig ist, bevorzugt nur geschmolzenes Harz zu entfernen, da das geschmolzene Harz eine hohe Viskosität aufweist. In dem Verfahren, in dem das Harz unter Verwendung eines Laserstrahls thermisch abgebaut wird, besteht das Problem, dass Standortkosten steigen und ein Standort für eine Produktionsanlage beschränkt ist.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzformteils und ein Verfahren zum Verbinden von Teilen, die unter Verwendung der faserverstärkten Harzformteile erzeugt werden.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzformteils. Das Verfahren beinhaltet: Herstellen eines Formwerkzeugs einschließlich einer oberen Form und einer unteren Form, durch die ein Hohlraum gebildet wird, wobei eine Hohlraumoberfläche der oberen Form oder eine Hohlraumoberfläche der unteren Form mit einem vorstehenden Abschnitt versehen wird und die Hohlraumoberfläche dem Hohlraum zugewandt ist; Einbringen eines Faserverstärkungsmaterials in den Hohlraum, Schließen der oberen Form und der unteren Form, um einen Zustand zu schaffen, in dem der vorstehende Abschnitt auf einen Teil des Faserverstärkungsmaterials drückt, und Füllen des Hohlraums mit einer Harzschmelze, um das Faserverstärkungsmaterial mit der Harzschmelze zu tränken und härten der Harzschmelze, die in das Faserverstärkungsmaterial eingedrungen ist; und Öffnen der oberen Form und der unteren Form, um ein faserverstärktes Harzformteil zu erhalten. Das faserverstärkte Harzformteil weist einen freiliegenden Abschnitt, wo das Faserverstärkungsmaterial an einer Außenseite der gehärteten Harzschmelze freigelegt ist, und einen Abschnitt auf, wo das faserverstärkte Material in die gehärtete Harzschmelze eingebettet ist. Der freiliegende Abschnitt beinhaltet zumindest einen Abschnitt, auf den der vorstehende Abschnitt drückt, wenn die obere Form und die untere Form geschlossen sind.
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Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Harzformteils des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit hoher Genauigkeit und anhand eines preiswerten Verfahrens ein faserverstärktes Harzformteil zu erzeugen, bei dem ein freiliegender Abschnitt an einem gewünschten Abschnitt des faserverstärkten Harzformteils ausgebildet ist, wo ein inneres Faserverstärkungsmaterial an der Außenseite freiliegt.
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Die „Hohlraumoberfläche der oberen Form oder der unteren Form ist mit einem vorstehenden Abschnitt versehen” bedeutet, dass eines oder beide von der oberen Form und von der unteren Form mit mindestens einem vorstehenden Abschnitt versehen ist bzw. sind. Es kann so gestaltet sein, dass eine Position, eine Ebenenform und eine Ebenenabmessung des vorstehenden Abschnitts und/oder die Anzahl der vorstehenden Abschnitte abhängig von der Position eines Verbindungsabschnitts oder der Anzahl der Verbindungsabschnitte, an denen das faserverstärkte Harzformteil, das geformt werden soll, und ein anderes Harzformteil miteinander verbunden werden, eingestellt sind.
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Der vorstehende Abschnitt kann einstückig mit der Hohlraumoberfläche der oberen Form oder der unteren Form auf solche Weise ausgebildet werden, dass er in den Hohlraum vorsteht.
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In dem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der vorstehende Abschnitt einen Kern beinhalten, der an der Hohlraumoberfläche der oberen Form oder der Hohlraumoberfläche der unteren Form angeordnet ist.
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Bei der oben genannten Gestaltung kann der Kern unabhängig von der oberen Form oder von der unteren Form verwendet werden, und dieser Kern kann in einem ungebundenen Zustand einfach an einer gewünschten Stelle der Hohlraumoberfläche angeordnet werden. Alternativ dazu kann der Kern so verbunden werden, dass er auf der Hohlraumoberfläche angeordnet ist.
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Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Faserverstärkungsmaterial ein Endlosfaserverstärkungsmaterial, ein Langfaserverstärkungsmaterial oder ein Kurzfaserverstärkungsmaterial beinhalten. Das Endlosfaserverstärkungsmaterial ist ein Fasermaterial, dessen Faserlänge mehr als 50 mm beträgt, wie von den japanischen Industrienormen (JIS) vorgegeben ist, und das in einer vorgegebenen Form (d. h. einer dreidimensionalen Form, die der Form eines zu formenden faserverstärkten Harzgusskörpers ungefähr entspricht) zusammengefasst wird. Das Langfaserverstärkungsmaterial ist ein Faserverstärkungsmaterial mit einer Faserlänge, die kürzer ist als die des Endlosfaserverstärkungsmaterials, genauer mit einer Faserlänge innerhalb eines Bereichs von weniger als 50 mm bis mehr als 10 mm, das in einer vorgegebenen Form zusammengefasst wird. Das Kurzfaserverstärkungsmaterial ist ein Faserverstärkungsmaterial mit einer Faserlänge von 10 mm oder weniger. Ein Beispiel für diese Faserverstärkungsmaterialien können Kohlefasern, Metallfasern und/oder Keramikfasern oder eine Mischung aus zwei oder mehr davon beinhalten.
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Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Faserverstärkungsmaterial im Hohlraum des Formwerkzeugs angeordnet und das Formwerkzeug wird dann geschlossen. Wenn das Formwerkzeug diese geschlossene Formwerkzeugstellung einnimmt, wird ein Zustand erzeugt, in dem der vorstehende Abschnitt auf den vorgegebenen Abschnitt das Faserverstärkungsmaterials drückt. Wenn beispielsweise die Hohlraumoberfläche der oberen Form mit zwei vorstehenden Abschnitten versehen ist, drücken die beiden vorstehenden Abschnitte an zwei Stellen auf das Faserverstärkungsmaterial. Falls der vorstehende Abschnitt sowohl am Werkzeugoberteil als auch am Werkzeugunterteil vorgesehen ist, drücken die entsprechenden vorstehenden Abschnitte auf die obere und die untere Oberfläche des Faserverstärkungsmaterials. Während der vorstehende Abschnitt auf die oben geschilderte Weise an der vorgegebenen Stelle auf das Faserverstärkungsmaterial drückt, wird der Hohlraum mit der Harzschmelze gefüllt, so dass die Harzschmelze in das Faserverstärkungsmaterial eindringt und sich im gesamten Hohlraum verteilt.
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Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das „Füllen des Hohlraums mit einer Harzschmelze” durch Spritzgießen oder Strangpressen der Harzschmelze ausgeführt werden.
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Das Harz zur Verwendung im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges thermoplastisches Harz oder duroplastisches Harz sein; das thermoplastische Harz kann ein kristalliner Kunststoff, beispielsweise Polyamid (PA) oder Polypropylen (PP), oder ein amorpher Kunststoff wie Polystyrol (PS) oder Polyvinylchlorid (PVC) sein; und das duroplastische Harz kann ein Epoxidharz oder dergleichen sein.
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Die Harzschmelze, die in den Hohlraum gespeist wird, dringt in das Faserverstärkungsmaterial ein, dringt aber in den Abschnitt, auf den der vorstehende Abschnitt direkt drückt, und in dessen Randbereiche (in Abschnitte, auf die kein direkter Druck ausgeübt wird, die aber wegen des Einflusses des unter direktem Druck stehenden Abschnitts verformt werden) kaum ein, da diese Abschnitte verdichtend verformt werden.
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Die Harzschmelze dringt somit in die Abschnitte des Faserverstärkungsmaterials ein, bei denen es sich nicht um den Abschnitt, auf den der vorstehende Abschnitt drückt, und dessen angrenzende Abschnitte handelt, und die Harzschmelze verteilt sich über den gesamten Hohlraum auf solche Weise, dass sie das Faserverstärkungsmaterial umgibt, und wird schließlich gehärtet.
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Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Formwerkzeug geöffnet und das produzierte faserverstärkte Harzformteil wird aus dem Formwerkzeug befreit. In dem faserverstärkten Harzformteil, das aus dem Formwerkzeug befreit wird, ist ein Abschnitt ausgebildet, in den keine Harzschmelze eindringt, da der vorstehende Abschnitt auf diesen Abschnitt drückt und ihn verdichtend verformt. Ein solcher Abschnitt, in den keine Harzschmelze eingedrungen ist, wird der freiliegende Abschnitt, wo das Faserverstärkungsmaterial im gehärteten Harz der Außenseite ausgesetzt ist. An diesem freiliegenden Abschnitt wird das faserverstärkte Harzformteil mit dem vorgegebenen Harzformteil verbunden, wodurch der Verbindungsabschnitt auf solche Weise ausgebildet wird, dass er das Faserverstärkungsmaterial enthält, das sich am freiliegenden Abschnitt befindet. Somit ist es möglich, die beiden Teile mit hoher Verbindungskraft zu verbinden.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbindung von Teilen. Das Verfahren beinhaltet: Anordnen eines ersten freiliegenden Abschnitts eines ersten faserverstärkten Harzformteils gegenüber einem zweiten freiliegenden Abschnitt eines zweiten faserverstärkten Harzformteils, wobei das erste faserverstärkte Harzformteil und das zweite faserverstärkte Harzformteil anhand des Verfahrens des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzeugt werden; und gegenseitiges Verbinden des ersten faserverstärkten Harzformteils und des zweiten faserverstärkten Harzformteils durch Härten einer Harzschmelze, die zumindest zwischen dem ersten freiliegenden Abschnitt und dem zweiten freiliegenden Abschnitt eingebracht wird, um zumindest den ersten freiliegenden Abschnitt und den zweiten freiliegenden Abschnitt miteinander zu verbinden.
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Im zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Harzblock (ein fester Körper) zwischen dem ersten freiliegenden Abschnitt und dem zweiten freiliegenden Abschnitt gehalten und der Harzblock wird erwärmt und geschmolzen, so dass das geschmolzene Harz des Harzblocks zwischen den ersten freiliegenden Abschnitt und den zweiten freiliegenden Abschnitt fließen kann.
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Im zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden der erste freiliegende Abschnitt und der zweite freiliegende Abschnitt so angeordnet, dass sie einander gegenüber liegen, und ein bereits geschmolzenes Harz kann in einen Zwischenraum zwischen dem ersten faserverstärkten Harzformteil und dem zweiten faserverstärkten Harzformteil, der den ersten freiliegenden Abschnitt und den zweiten freiliegenden Abschnitt enthält, fließen gelassen werden.
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Im zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein drittes faserverstärktes Harzformteil hergestellt werden. Ferner können die oberen und unteren Oberflächen des ersten faserverstärkten Harzformteils jeweils mit den ersten freiliegenden Abschnitten versehen werden. Dann können ein zweiter freiliegender Abschnitt des zweiten faserverstärkten Harzformteils und ein dritter freiliegender Abschnitt des dritten faserverstärkten Harzformteils auf dem ersten freiliegenden Abschnitt der oberen Oberfläche bzw. dem ersten freiliegenden Abschnitt der unteren Oberfläche angeordnet werden, der erste freiliegende Abschnitt und der zweite freiliegende Abschnitt können miteinander verbunden werden, und der erste freiliegende Abschnitt und der dritte freiliegende Abschnitt können ebenfalls miteinander verbunden werden, und zwar durch Härten der Harzschmelze, wodurch das erste faserverstärkte Harzformteil, das zweite faserverstärkte Harzformteil und das dritte faserverstärkte Harzformteil miteinander verbunden werden.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden von Teilen. Das Verfahren beinhaltet: Anordnen des freiliegenden Abschnitts des faserverstärkten Harzformteils gegenüber einem vorgegebenen Harzformteil, wobei das faserverstärkte Harzformteil anhand des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt wird; Erwärmen und Schmelzen eines Harzes eines gegenüber liegenden Abschnitts des vorgegebenen Harzformteils, der dem freiliegenden Abschnitt gegenüber liegt; Tränken des freiliegenden Abschnitts mit dem geschmolzenen Harz des gegenüber liegenden Abschnitts; und Härten des geschmolzenen Harzes des gegenüber liegenden Abschnitts, wobei das geschmolzene Harz in den freiliegenden Abschnitt eingedrungen ist, um das faserverstärkte Harzformteil und das vorgegebene Harzformteil miteinander zu verbinden.
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Im Verbindungsverfahren des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann eines von den beiden Teilen, die miteinander verbunden werden sollen, das faserverstärkte Harzformteil sein, das mit dem freiliegenden Abschnitt versehen ist, der anhand des Herstellungsverfahrens des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzeugt worden ist, und das andere Teil kann ein Harzformteil sein, das nicht mit einem freiliegenden Abschnitt versehen ist.
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Das „vorgegebene Harzformteil” kann ein faserverstärktes Harzformteil, das ein Faserverstärkungsmaterial (aber keinen freiliegenden Abschnitt) aufweist, ein Harzformteil ohne freiliegenden Abschnitt oder ohne Faserverstärkungsmaterial und dergleichen beinhalten.
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Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der gegenüberliegende Abschnitt des vorgegebenen Harzformteils, der dem freiliegenden Abschnitt gegenüber liegt (und dessen Randbereiche), erwärmt, und das geschmolzene Harz des gegenüber liegenden Abschnitts dringt in den freiliegenden Abschnitt ein, und die Harzschmelze wird gehärtet, wodurch das faserverstärkte Harzformteil und das vorgegebene Harzformteil miteinander verbunden werden.
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Gemäß dem zweiten Aspekt und dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es nicht nötig, Verbindungskomponenten wie Klebstoff oder Bolzen zu verwenden. Somit können mindestens zwei Harzformteile auf effiziente Weise miteinander verbunden werden, ohne die Fertigungskosten zu erhöhen. Dies wird dadurch erreicht, dass das faserverstärkte Harzformteil, das mit dem freiliegenden Abschnitt versehen ist, der ein Verbindungsziel ist, anhand des Verfahrens des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
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Wie oben beschrieben, ist es gemäß dem Verfahren zur Ausbildung des faserverstärkten Harzformteil des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung möglich, in dem Prozess der Herstellung des faserverstärkten Harzformteils den freiliegenden Abschnitt, wo das Faserverstärkungsmaterial an der Außenseite freiliegt, mit hoher Genauigkeit anhand eines einfachen Verfahrens auszubilden. Gemäß dem Verfahren zum Verbinden der Teile des zweiten Aspekts und des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mindestens zwei Harzformteile zu niedrigen Produktionskosten miteinander zu verbinden (Verbindung zwischen den beiden faserverstärkten Harzformteilen, Verbindung zwischen einem faserverstärkten Harzformteil und einem vorgegebenen Harzformteil usw.). Während des Verbindens des faserverstärkten Harzformteils und des anderen Harzformteils werden diese Teile an den freiliegenden Abschnitten, die im faserverstärkten Harzformteil enthalten sind, verbunden, oder das faserverstärkte Harzformteil wird an dem freiliegenden Abschnitt, der im faserverstärkten Harzformteil enthalten ist, mit dem vorgegebenen Harzformteil verbunden, wodurch der Verbindungsabschnitt gebildet wird, der das Faserverstärkungsmaterial des freiliegenden Abschnitts enthält. Somit ist es möglich, die beiden Harzformteile mit hoher Verbindungskraft zu verbinden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung von als Beispiele dienenden Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen und in denen:
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1 eine Zeichnung ist, die einen ersten Schritt und einen Teil eines zweiten Schrittes eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Harzformteils einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Ansicht entlang einer Linie A-A von 1 ist;
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3 eine Zeichnung ist, die einen Teil des zweiten Schrittes im Anschluss an 1 zeigt;
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4 eine Zeichnung ist, die einen Teil des dritten Schritts und ein gefertigtes faserverstärktes Harzformteil zeigt;
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5A und 5B Zeichnungen sind, die ein Verfahren zum Verbinden von Teilen einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und wo das Verfahren zum Verbinden von Teilen der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge 5A und 5B ausgeführt wird; und
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6A und 6B Zeichnungen sind, die ein Verfahren zum Verbinden von Teilen einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und wo das Verfahren zum Verbinden von Teilen der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Reihenfolge 6A und 6B ausgeführt wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzformteils einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Ein faserverstärktes Harzformteil oder ein Harzformteil, d. h. ein anderes Teil, das in den Zeichnungen dargestellt ist, weist eine plane Form auf, und somit weist ein Verbindungsabschnitt desselben auch eine plane Form auf, aber diese Teile und dieser Verbindungsabschnitt können auch eine dreidimensionale Form, beispielsweise eine gekrümmte Form oder eine wellige Form, aufweisen. In den dargestellten Beispielen wird ein vorstehender Abschnitt mit einem Kern ausgebildet, der auf einer Hohlraumoberfläche eines Werkzeugoberteil angeordnet wird, aber der vorstehende Abschnitt kann auch in die Hohlraumoberfläche der oberen Form oder einer unteren Form integriert sein. Die Anzahl der vorstehenden Abschnitte und die Position und die plane Form des vorstehenden Abschnitts sind nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.
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1 ist eine Zeichnung, die einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt des Verfahrens zum Herstellen des faserverstärkten Harzformteils der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist eine Zeichnung, die den zweiten Schritt im Anschluss an 1 zeigt. 4 ist eine Zeichnung, die einen Teil eines dritten Schritts ebenso wie ein gefertigtes faserverstärktes Harzformteil zeigt.
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Wie in 1 dargestellt ist, wird ein Formwerkzeug 10 hergestellt, das aufweist: eine obere Form 1 und eine untere Form 2, von denen beiden ein Hohlraum 3 gebildet wird (erster Schritt).
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Das Formwerkzeug 10 wird geöffnet, ein Faserverstärkungsmaterial 20 wird in den Hohlraum 3 eingebracht, ein vorstehender Abschnitt 4, der von einem Kern in Blockform gebildet wird, wird an einer gewünschten Stelle des Faserverstärkungsmaterials 20 platziert, und das Formwerkzeug 10 wird dann geschlossen.
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Der vorstehende Abschnitt 4 kann an einer vorgegebenen Stelle der Hohlraumoberfläche der oberen Form 1 angefügt sein. Das dargestellte Beispiel zeigt einen Fall, in dem ein einzelner vorstehender Abschnitt 4 verwendet wird, aber es kann auch eine Mehrzahl von vorstehenden Abschnitten 4 an mehreren vorgegebenen Stellen verwendet werden. Der dargestellte vorstehende Abschnitt 4 weist eine rechtwinklige plane Form auf, aber es kann jede Form, beispielsweise ein Quadrat und ein Kreis, ausgewählt werden, und die plane Fläche des vorstehenden Abschnitts 4 kann abhängig von der Anzahl der vorstehenden Abschnitte 4 und der Verbindungskraft bzw. -festigkeit, die für einen Verbindungsabschnitt zwischen den beiden Teilen erforderlich ist, eingestellt werden.
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Das Faserverstärkungsmaterial 20, das in den Hohlraum 3 eingebracht werden soll, kann irgendein Endlosfaserverstärkungsmaterial, Langfaserverstärkungsmaterial oder Kurzfaserverstärkungsmaterial sein, und es kann bevorzugt sein, ein Endlosfaserverstärkungsmaterial mit einer Faserlänge von 50 mm oder mehr, ein Langfaserverstärkungsmaterial mit einer Faserlänge von weniger als 50 mm, beispielsweise von mehr als 10 mm bis etwa 30 mm oder weniger, zu verwenden, um ein hochfestes Teil zu erzeugen.
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Wie in 2 dargestellt ist, wird das Faserverstärkungsmaterial 20 durch Zusammenfassen von Endlosfaserverstärkungsfasern und anderen zu einer Form und einer Abmessung, die einer Form und einer Abmessung des Hohlraums 3 ähneln, gebildet, und ein Beispiel für ein Ausgangsmaterial für das Faserverstärkungsmaterial 20 kann eines der folgenden Materialien oder eine Mischung aus zwei oder mehreren davon sein: keramische Fasern, die aus Bor, Aluminium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirconiumoxid oder dergleichen bestehen; anorganische Fasern wie Glasfasern und Kohlefasern; Metallfasern wie Kupfer, Stahl, Aluminium, Edelstahl oder dergleichen; und anorganische Fasern, die aus Polyamid, Polyester oder dergleichen bestehen.
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Das Faserverstärkungsmaterial 20 wird in den Hohlraum 3 des Formwerkzeugs 10 eingebracht, und die obere Form 1 und die untere Form 2 werden geschlossen, wodurch ein Zustand geschaffen wird, in dem der vorstehende Abschnitt 4 auf einen vorgegebenen Abschnitt des Faserverstärkungsmaterials 20 drückt, wie in 1 und 2 dargestellt ist.
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Wie in 2 dargestellt ist, wird, wenn der vorgegebene Abschnitt des Faserverstärkungsmaterials 20 vom vorstehenden Abschnitt 4 mit einer Druckkraft P nach unten gedrückt wird, nicht nur der Abschnitt, auf den der vorstehende Abschnitt 4 direkt drückt, sondern auch eine Randregion desselben nach unten verformt.
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Während der vorstehende Abschnitt 4 weiter auf den vorgegebenen Abschnitt des Faserverstärkungsmaterials 20 im Hohlraum 3 drückt, wird der Hohlraum 3 mit einer Harzschmelze 30 gefüllt, wie in 3 dargestellt ist.
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Als Rohmaterial bzw. Ausgangsmaterial für die Harzschmelze 30 kann irgendein thermoplastisches Harz oder duroplastisches Harz verwendet werden; und als das thermoplastische Harz kann irgendeines der folgenden Materialien oder ein Material, das eine Mischung aus zwei oder mehreren der folgenden beinhaltet, verwendet werden: kristalliner Kunststoff wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA: Nylon 6, Nylon 66, usw.) Polyacetal (POM) und Polyethylenterephthalat (PET); und amorpher Kunststoff wie Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA), ABS-Harz und thermoplastisches Epoxidharz. Ein Beispiel für das duroplastische Harz kann ein Epoxidharz, ein Phenolharz und ein auf ungesättigtem Polyester basierendes Harz oder dergleichen beinhalten.
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Die in den Hohlraum 3 gefüllte Harzschmelze 30 dringt in das Faserverstärkungsmaterial 20 ein und verteilt sich im gesamten Hohlraum 3, dringt aber in einen Abschnitt des Faserverstärkungsmaterials 20, auf den der vorstehende Abschnitt 4 direkt drückt, oder in dessen Randbereiche (Abschnitte, die nicht direkt mit Druck beaufschlagt werden, die aber wegen des Einflusses des direkt mit Druck beaufschlagten Abschnitts verformt werden) kaum ein.
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Die Harzschmelze 30, die in den Hohlraum 3 gespeist wird, wird gehärtet (das bisher genannte ist der zweite Schritt), und anschließend wird die Form 10 zur Entformung geöffnet, um ein faserverstärktes Harzformteil 40 zu erzeugen (dritter Schritt), wie in 4 dargestellt ist. Wie in 4 dargestellt ist, ist in dem erzeugten faserverstärkten Harzformteil 40 das Faserverstärkungsmaterial 20 grundsätzlich im gehärteten Harz eingebettet, aber der Abschnitt, auf den der vorstehende Abschnitt 4 gedrückt hat, ist verdichtend verformt worden; daher ist ein freiliegender Abschnitt 40a ausgebildet worden, in den die Harzschmelze nicht eingedrungen ist, und das innere Faserverstärkungsmaterial 20 liegt im freiliegenden Abschnitt 40a an der Außenseite frei.
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Wie oben beschrieben, wird in dem dargestellten Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Harzformteils das Verfahren angewendet, das beinhaltet, dass das Faserverstärkungsmaterial 20 mit der Harzschmelze 30 getränkt wird, während der vorstehende Abschnitt 4, der aus dem Kern und anderem gebildet ist, auf den gewünschten Abschnitt des Faserverstärkungsmaterials 20 drückt, um das faserverstärkte Harzformteil 40 zu bilden. Somit ist es möglich, das faserverstärkte Harzformteil 40 mit hoher Genauigkeit anhand eines einfachen Verfahrens zu bilden, während der freiliegende Abschnitt 40a gebildet wird, in dem das innere Faserverstärkungsmaterial 20 an den gewünschten Abschnitten des faserverstärkten Harzformteils 40 an der Außenseite freiliegt.
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Nun wird ein Verfahren zum Verbinden von Teilen gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 5A und 5B beschrieben. Die zweite Ausführungsform ist ein Verfahren, bei dem zwei Teile unter Verwendung der faserverstärkten Harzformteile 40, wie in 4 dargestellt, verbunden werden. Die in 5A und 5B dargestellten Schritte werden hintereinander ausgeführt.
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Wie in 5A dargestellt ist, werden freiliegende Abschnitte 40a der faserverstärkten Harzformteile 40 jeweils so angeordnet, dass sie einander gegenüber liegen, und ein Harzblock 50 wird zwischen den beiden freiliegenden Abschnitten 40a angeordnet. Als Material zum Ausbilden des Harzblocks 50 wird vorzugsweise das gleiche Material wie das Material des Matrixharzes des faserverstärkten Harzformteils 40 verwendet, damit es eine bevorzugte Gleichartigkeit aufweist.
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Der Harzblock 50 und dessen Randbereiche werden so erwärmt, dass sie schmelzen, und das geschmolzene Harz dringt in beide freiliegenden Abschnitte 40a und fließt auch in einen Zwischenraum zwischen den faserverstärkten Harzformteilen 40, die einander gegenüber liegen. Das geschmolzene Harz, das in den Zwischenraum zwischen den faserverstärkten Harzformteilen 40 geflossen ist, wird gehärtet, wodurch die beiden faserverstärkten Harzformteile 40 an einer Grenzflächenverbindungsschicht 60, die durch Härten des geschmolzenen Harzes gebildet wird, verbunden werden, wodurch ein verbundener Strukturkörper 100 erzeugt wird, wie in 5B dargestellt.
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Gemäß dem dargestellten Verfahren zum Verbinden der Teile werden keine Verbindungskomponenten wie Klebstoff und Bolzen verwendet, und daher können die beiden faserverstärkten Harzformteile 40 auf effiziente Weise zu geringen Fertigungskosten miteinander verbunden werden. Wenn die beiden faserverstärkten Harzformteile 40 miteinander verbunden werden, werden die faserverstärkten Harzformteile 40 an den jeweiligen freiliegenden Abschnitten 40a, die in den faserverstärkten Harzformteilen 40 enthalten sind, miteinander verbunden, wodurch der Verbindungsabschnitt gebildet wird, der das Faserverstärkungsmaterial 20 enthält, das an den freiliegenden Abschnitten 40a angeordnet ist; daher ist es möglich, die beiden faserverstärkten Harzformteile 40 mit hoher Verbindungskraft zu verbinden.
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6A und 6B sind Zeichnungen, die die dritte Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden der Teile gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, das in der Reihenfolge 6A und 6B ausgeführt wird.
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Das Verbindungsverfahren der dritten Ausführungsform ist ein Verfahren, bei dem das faserverstärkte Harzformteil 40 und ein anderes Harzformteil 70, das keinen freiliegenden Abschnitt aufweist, hergestellt werden und das Teil 40 und das Teil 70 miteinander verbunden werden. Wie in 6A dargestellt ist, wird ein Teil des anderen Harzformteils 70 so angeordnet, dass es dem freiliegenden Abschnitt 40a des faserverstärkten Harzformteils 40 gegenüber liegt, und anschließend werden der gegenüber liegende Abschnitt 70a und Randbereiche davon erwärmt.
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Dadurch, dass der gegenüber liegende Abschnitt 70a und dessen Randbereiche erwärmt werden, schmilzt das Harz, das sich an dieser Stelle befindet, und das geschmolzene Harz dringt in den freiliegenden Abschnitt 40a ein und fließt dann in einen Zwischenraum zwischen dem faserverstärkten Harzformteil 40 und dem anderen Harzformteil 70, die einander gegenüber liegen. Das geschmolzene Harz, das in den Zwischenraum zwischen dem faserverstärkten Harzformteil 40 und dem anderen Harzformteil 70 geflossen ist, wird gehärtet, wodurch das faserverstärkte Harzformteil 40 und das andere Harzformteil 70 an einer Grenzflächenverbindungsschicht 80, die durch Härten des geschmolzenen Harzes gebildet wird, verbunden werden, wodurch ein verbundener Strukturkörper 100A erzeugt wird.
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Anhand des dargestellten Verfahrens zum Verbinden der Teile werden keine Verbindungskomponenten wie Klebstoff und Bolzen verwendet, und daher ist es auch möglich, das faserverstärkte Harzformteil 40 und das andere Harzformteil 70 zu geringen Fertigungskosten miteinander zu verbinden. Während das faserverstärkte Harzformteil 40 und das andere Harzformteil 70 miteinander verbunden werden, wird der Verbindungsabschnitt gebildet, der das Faserverstärkungsmaterial 20 enthält, das am freiliegenden Abschnitt 40a freiliegt, da das faserverstärkte Harzformteil 40 mit dem freiliegenden Abschnitt 40a versehen ist, wo das Faserverstärkungsmaterial 20 freiliegt, und daher ist es möglich, das faserverstärkte Harzformteil 40 und das andere Harzformteil 70 mit hoher Verbindungskraft miteinander zu verbinden.
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Nun wird ein Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wurde ein Formwerkzeug verwendet, das einen Hohlraum zum Ausbilden einer flachen Platte mit einer Plattendicke von 2 mm aufwies, und ein Kern wurde an einer vorgegebenen Position einer Hohlraumoberfläche des Formwerkzeugs angefügt. Ein Kohlefasergewebe von 400 g/m2 in Leinenbindung wurde in dieses Formwerkzeug eingebracht, und das Formwerkzeug wurde geschlossen. Eine Temperatur des Formwerkzeugs wurde auf 160°C eingestellt. Als thermoplastisches Harz zur Einbringung in den Hohlraum wurde eine Mischung verwendet, die durch Hinzufügen eines Katalysators und eines Aktivators zu ε-Caprolactam, bei dem es sich um ein Ausgangsmaterial für Polyamid handelt, gebildet wird. Das thermoplastische Harz wurde bei 100°C geschmolzen, und das Formwerkzeug wurde mit dem geschmolzenen thermoplastischen Harz gefüllt. Nachdem es zehn Minuten lang gehalten wurde, um das thermoplastische Harz zu polymerisieren, wurde das Formwerkzeug geöffnet, um ein Formteil daraus zu entformen. Das erzeugte Formteil wurde untersucht, und es wurde gefunden, dass ein freiliegender Abschnitt, wo innere Kohlefasern freilagen, an einem Abschnitt ausgebildet worden war, wo der Kern auf das Kohlefasergewebe mit der Leinenbindung gedrückt hatte. Es wurden zwei Formteile auf die geschilderte Art und Weise hergestellt, und ihre jeweiligen freiliegenden Abschnitte wurden durch Schmelzen und Härten eines thermoplastischen Harzes, das aus dem gleichen Material bestand, aneinander gefügt, wodurch die beiden Formteile fest miteinander verbunden wurden.
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Wie oben beschrieben, wurden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, aber konkrete Gestaltungen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf geeignete Weise geändert werden, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002-11795 [0007]
- JP 2011-79289 [0007]
