JP2003291232A - 繊維強化プラスチックからなる構造体 - Google Patents
繊維強化プラスチックからなる構造体Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い損傷許容性と高い剛性とを有し陰極浸漬
塗装に適したＦＲＰ材料からなる構造体を提供する。 【解決手段】 本発明は、異なる種類の繊維と異なる繊
維配向とを備える多層構造を有する繊維強化プラスチッ
クからなる構造体に関する。本発明は、この構造体が、
実質的に中空の芯を囲む少なくとも１つの内部層と、こ
の構造体の負荷軸の方向に少なくとも１つの好ましい繊
維配向を有する少なくとも１つの中間層と、電気絶縁繊
維を有する外部層とを備えるという事実によって特徴づ
けられる。
塗装に適したＦＲＰ材料からなる構造体を提供する。 【解決手段】 本発明は、異なる種類の繊維と異なる繊
維配向とを備える多層構造を有する繊維強化プラスチッ
クからなる構造体に関する。本発明は、この構造体が、
実質的に中空の芯を囲む少なくとも１つの内部層と、こ
の構造体の負荷軸の方向に少なくとも１つの好ましい繊
維配向を有する少なくとも１つの中間層と、電気絶縁繊
維を有する外部層とを備えるという事実によって特徴づ
けられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１に記載の
繊維強化プラスチックからなる構造体に関する。
繊維強化プラスチックからなる構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、航
空および航空宇宙分野から知られているが、自動車産業
における構造体としてますます使用されつつある。その
理由は、より高い製造コストを正当化する軽量構造、お
よび一方で、コスト削減をも可能にするＦＲＰ材料の製
造プロセスに関する最適化に対する必要性が高まってい
るためである。
空および航空宇宙分野から知られているが、自動車産業
における構造体としてますます使用されつつある。その
理由は、より高い製造コストを正当化する軽量構造、お
よび一方で、コスト削減をも可能にするＦＲＰ材料の製
造プロセスに関する最適化に対する必要性が高まってい
るためである。
【０００３】ＦＲＰから構造体を形成する可能な種々の
方法が存在し、サンドイッチ法として知られるものが特
に広く用いられている。この方法では、ＦＲＰからなる
中空輪郭の断面が、芯を提供され、または芯の周りに形
成される。この芯は好ましくは、発泡体または天然の材
料、たとえばバルサ材からなる。芯材料は、構成部材の
剛性に著しく寄与する。
方法が存在し、サンドイッチ法として知られるものが特
に広く用いられている。この方法では、ＦＲＰからなる
中空輪郭の断面が、芯を提供され、または芯の周りに形
成される。この芯は好ましくは、発泡体または天然の材
料、たとえばバルサ材からなる。芯材料は、構成部材の
剛性に著しく寄与する。
【０００４】芯材料の欠点は、第１に付加的なコスト、
第２に、これらの材料が車両のボディシェルの製造に用
いられるプロセスには十分に適していないということで
ある。ボディシェルの金属部材にコーティングするため
に、ボディシェルに、約１９０℃で液体陰極浸漬塗装
（ＣＤＰ）が施される。芯として発砲体または木材を含
むＦＲＰ構成部材は、このプロセスにおいて比較的不安
定である。発泡体は、このような温度においてさらに発
泡する傾向があり、一方で木材は、溶液を飽和点まで吸
収する。また高強度のカーボン繊維構成部材も、ボディ
シェル構造の周囲の金属構成部材との接触腐食につなが
る。
第２に、これらの材料が車両のボディシェルの製造に用
いられるプロセスには十分に適していないということで
ある。ボディシェルの金属部材にコーティングするため
に、ボディシェルに、約１９０℃で液体陰極浸漬塗装
（ＣＤＰ）が施される。芯として発砲体または木材を含
むＦＲＰ構成部材は、このプロセスにおいて比較的不安
定である。発泡体は、このような温度においてさらに発
泡する傾向があり、一方で木材は、溶液を飽和点まで吸
収する。また高強度のカーボン繊維構成部材も、ボディ
シェル構造の周囲の金属構成部材との接触腐食につなが
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、高い損傷許容性と高い剛性とを有し陰極浸漬塗装
に適したＦＲＰ材料からなる構造体を提供することであ
る。また、この構造体は、周囲のボディシェルとの間に
わずかな接触腐食も起こしてはならない。
的は、高い損傷許容性と高い剛性とを有し陰極浸漬塗装
に適したＦＲＰ材料からなる構造体を提供することであ
る。また、この構造体は、周囲のボディシェルとの間に
わずかな接触腐食も起こしてはならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載した本発
明による構造体は、異なる種類の繊維と繊維配向とを備
える多層構造を有する。これらには、内部層と、中間層
と、外部層とが含まれる。内部層は、実質的に中空の芯
を囲んでいる。中間層は、特に構造体の強度に寄与す
る。この目的のために、繊維が、好ましい方向（構造体
に負荷が加わる方向）に配向されている。外部層は、構
造体の最終的な外形を形成するために用いられ、また電
気絶縁繊維で設計されている。その結果、ボディシェル
の隣接する金属製構造体との接触腐食が回避される。
明による構造体は、異なる種類の繊維と繊維配向とを備
える多層構造を有する。これらには、内部層と、中間層
と、外部層とが含まれる。内部層は、実質的に中空の芯
を囲んでいる。中間層は、特に構造体の強度に寄与す
る。この目的のために、繊維が、好ましい方向（構造体
に負荷が加わる方向）に配向されている。外部層は、構
造体の最終的な外形を形成するために用いられ、また電
気絶縁繊維で設計されている。その結果、ボディシェル
の隣接する金属製構造体との接触腐食が回避される。
【０００７】本構造体の創意ある構造によって、芯材料
を不要とすることができるが、それにもかかわらず、比
較され得るサンドイッチ構造と同じ強度および損傷許容
性が保証される。また本構造体は、ＣＤＰプロセスに適
している。
を不要とすることができるが、それにもかかわらず、比
較され得るサンドイッチ構造と同じ強度および損傷許容
性が保証される。また本構造体は、ＣＤＰプロセスに適
している。
【０００８】内部層は、１つまたは複数の編組チューブ
によって適切に形成される。互いに隣り合う複数の編組
チューブによって、ハニカム構造が構造体内に形成され
る。ハニカムは、好ましいどんな形状（多角形または円
形）で構成されていても良く、ウェブ（ｗｅｂ）によっ
て境界が定められる。ウェブは、編組チューブ間の接触
面によって生じ、構造体の強度に寄与する。編組チュー
ブまたは結果として生じるハニカム・セルの数は、好ま
しくは２から６、特に好ましくは３から５である。
によって適切に形成される。互いに隣り合う複数の編組
チューブによって、ハニカム構造が構造体内に形成され
る。ハニカムは、好ましいどんな形状（多角形または円
形）で構成されていても良く、ウェブ（ｗｅｂ）によっ
て境界が定められる。ウェブは、編組チューブ間の接触
面によって生じ、構造体の強度に寄与する。編組チュー
ブまたは結果として生じるハニカム・セルの数は、好ま
しくは２から６、特に好ましくは３から５である。
【０００９】本構造体の長手軸が、高レベルの力が導入
される方向（負荷軸）である場合には、内部層の編組チ
ューブは負荷軸に沿った繊維分を有することが適切であ
る。編組チューブの繊維は概ね、互いに対して６０°の
角度で配列され、長手軸に対して３０°の角度をなす。
される方向（負荷軸）である場合には、内部層の編組チ
ューブは負荷軸に沿った繊維分を有することが適切であ
る。編組チューブの繊維は概ね、互いに対して６０°の
角度で配列され、長手軸に対して３０°の角度をなす。
【００１０】内部層の繊維は好ましくはガラス繊維であ
る。これは安価であり、高い伸び率を有するため損傷許
容性に対して有利な効果を有する。
る。これは安価であり、高い伸び率を有するため損傷許
容性に対して有利な効果を有する。
【００１１】対照的に、中間層は好ましくはカーボン繊
維またはアラミド繊維で形成される。これらは内部層の
ガラス繊維よりも強度が著しく高いが、カーボン繊維は
ガラス繊維よりも脆い。
維またはアラミド繊維で形成される。これらは内部層の
ガラス繊維よりも強度が著しく高いが、カーボン繊維は
ガラス繊維よりも脆い。
【００１２】中間層の繊維配向は、構造体の最大の力の
作用に沿って好ましい方向を有する。繊維配向は、構造
体の長手軸に沿って一方向に配置されることが特に好ま
しい。
作用に沿って好ましい方向を有する。繊維配向は、構造
体の長手軸に沿って一方向に配置されることが特に好ま
しい。
【００１３】外部層もまた、内部層と同様に、編組チュ
ーブによって適切に形成される。この編組チューブは、
内部層を囲んで層間剥離を防ぐ。
ーブによって適切に形成される。この編組チューブは、
内部層を囲んで層間剥離を防ぐ。
【００１４】外部層の繊維は、内部層の繊維と同様に、
好ましくはガラス繊維で形成する。これは費用対効果が
高く、構造体の損傷許容性を増加させる。さらに重要な
点は、ガラス繊維が電気絶縁性であり、特に中間層がカ
ーボン繊維からなる場合に、外部層のガラス繊維によっ
て、カーボン繊維と、隣接する金属部材との間の直接接
触が防止されるということである。
好ましくはガラス繊維で形成する。これは費用対効果が
高く、構造体の損傷許容性を増加させる。さらに重要な
点は、ガラス繊維が電気絶縁性であり、特に中間層がカ
ーボン繊維からなる場合に、外部層のガラス繊維によっ
て、カーボン繊維と、隣接する金属部材との間の直接接
触が防止されるということである。
【００１５】本発明による構造体は好ましくは、少なく
とも１つの取付け部材によってボディシェルに取り付け
られる。取付け部材は好ましくは、金属製である。
とも１つの取付け部材によってボディシェルに取り付け
られる。取付け部材は好ましくは、金属製である。
【００１６】取付け部材は、構造体の層内に組み込まれ
ていても良いし、たとえば（結果として接触腐食が全く
生じない場合には）層間で積層されていても良いし、ま
たは構造体に接着して結合されていても良い。
ていても良いし、たとえば（結果として接触腐食が全く
生じない場合には）層間で積層されていても良いし、ま
たは構造体に接着して結合されていても良い。
【００１７】本発明による構造体の好ましい実施形態
を、添付の図を参照して、より詳細に説明する。
を、添付の図を参照して、より詳細に説明する。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１に、車両ボディシェルのルー
フ交差部材として用いられる構造体を示す。構造体は、
長手方向に湾曲している。構造体の芯には、通路の形状
に構成された空洞１２が存在する。空洞１２は、ウェブ
１０によって互いに隔離されている。
フ交差部材として用いられる構造体を示す。構造体は、
長手方向に湾曲している。構造体の芯には、通路の形状
に構成された空洞１２が存在する。空洞１２は、ウェブ
１０によって互いに隔離されている。
【００１９】図２に、構造体２の構造を示す。図２で
は、本発明による構造体の三層を、一方をもう一方から
引っ込めて示し、必須の層が見えるようにしてある。こ
れらは、内部層４、中間層６、および外部層８である。
は、本発明による構造体の三層を、一方をもう一方から
引っ込めて示し、必須の層が見えるようにしてある。こ
れらは、内部層４、中間層６、および外部層８である。
【００２０】本発明による構造体を製造する好都合な方
法を以下に説明する。
法を以下に説明する。
【００２１】図２において、内部層４は、互いに隣り合
って配置された５本の編組チューブを備えている。この
目的のために、それ自体は知られているプロセスを用い
て、編組チューブをプラスチック・フィルム・チューブ
上へ引き出し、互いに隣り合う複数の被覆プラスチック
・フィルム・チューブを、中間層６で囲む。そして今度
は、この構造を、外部層８を形成するさらに大きな編組
チューブで覆う。この組立品を成型ツール内へ導入し
て、芯のプラスチック・フィルム・チューブを膨張させ
ることによって、型を満たす。繊維間の自由空間に、加
圧した状態で樹脂を充填する。樹脂を硬化させて、プラ
スチック・フィルム・チューブを取り除く。芯の空洞１
２が、同じ場所に残る。樹脂によって互いに接着して結
合している内部層４の編組チューブによって、ウェブ１
０が形成される。
って配置された５本の編組チューブを備えている。この
目的のために、それ自体は知られているプロセスを用い
て、編組チューブをプラスチック・フィルム・チューブ
上へ引き出し、互いに隣り合う複数の被覆プラスチック
・フィルム・チューブを、中間層６で囲む。そして今度
は、この構造を、外部層８を形成するさらに大きな編組
チューブで覆う。この組立品を成型ツール内へ導入し
て、芯のプラスチック・フィルム・チューブを膨張させ
ることによって、型を満たす。繊維間の自由空間に、加
圧した状態で樹脂を充填する。樹脂を硬化させて、プラ
スチック・フィルム・チューブを取り除く。芯の空洞１
２が、同じ場所に残る。樹脂によって互いに接着して結
合している内部層４の編組チューブによって、ウェブ１
０が形成される。
【００２２】ＦＲＰの母体を構成する樹脂は、軟化温度
Ｔｇが約１９０℃の高温フェノール樹脂であることが好
ましい。内部層の編組チューブは、構成部材の長手軸１
８の方向に付加的な繊維部分を含み得る交差した組ひも
（ｃｒｏｓｓ−ｂｒａｉｄ）を有する。内部層の繊維１
３は、ガラス繊維からなる。
Ｔｇが約１９０℃の高温フェノール樹脂であることが好
ましい。内部層の編組チューブは、構成部材の長手軸１
８の方向に付加的な繊維部分を含み得る交差した組ひも
（ｃｒｏｓｓ−ｂｒａｉｄ）を有する。内部層の繊維１
３は、ガラス繊維からなる。
【００２３】カーボン繊維１４からなる中間層６が、内
部層４上に積層されている。カーボン繊維１４は、長手
軸１８に沿って配向されている。これは、負荷時の構造
体に作用する主な力の方向に対応する（図３を参照）。
カーボン繊維１４は、この負荷状態に対する強度が十分
である。
部層４上に積層されている。カーボン繊維１４は、長手
軸１８に沿って配向されている。これは、負荷時の構造
体に作用する主な力の方向に対応する（図３を参照）。
カーボン繊維１４は、この負荷状態に対する強度が十分
である。
【００２４】突然の（破局的な）脆性破壊を避けるため
に、外部層８もまた、ガラス繊維１６で主に構成されて
いる。外部層のガラス繊維１６と内部層４のガラス繊維
１３とは、カーボン繊維１４と同じ強度ではないが、高
い伸び率で特徴づけられる。さらに外部層８の繊維１６
もまた、編組チューブとして形成されていて、外部層８
によって一つに束ねた状態に保持されている個々の層の
層間剥離が防止される。
に、外部層８もまた、ガラス繊維１６で主に構成されて
いる。外部層のガラス繊維１６と内部層４のガラス繊維
１３とは、カーボン繊維１４と同じ強度ではないが、高
い伸び率で特徴づけられる。さらに外部層８の繊維１６
もまた、編組チューブとして形成されていて、外部層８
によって一つに束ねた状態に保持されている個々の層の
層間剥離が防止される。
【００２５】特に強度が高い繊維と特に弾性的な繊維と
を組み合わせ、高強度の繊維を主な力の方向に沿って配
置することによって、望ましい特性の構造体２となり、
中心部分の材料を不要にできる。ウェブ１０と通路１２
とによって構成されるハニカム構造も、強度を改善する
一因となっている。外部層８のガラス繊維１６は、中間
層６内の導電性カーボン繊維１４を金属化合物から隔離
することで接触腐食を防止するため、さらに有利な効果
を有する。
を組み合わせ、高強度の繊維を主な力の方向に沿って配
置することによって、望ましい特性の構造体２となり、
中心部分の材料を不要にできる。ウェブ１０と通路１２
とによって構成されるハニカム構造も、強度を改善する
一因となっている。外部層８のガラス繊維１６は、中間
層６内の導電性カーボン繊維１４を金属化合物から隔離
することで接触腐食を防止するため、さらに有利な効果
を有する。
【００２６】図３に、図１および２に示す本発明による
構造体２の（ルーフ交差部材２としての）取付けを概略
的に示す。ルーフ交差部材２は、車両の左側面と車両の
右側面とをＢピラー２２の高さにおいて接続しており、
側面衝突（力線Ｆで示す）の場合には、Ｂピラー２２が
内側へ曲がることを防ぐ。ルーフ交差部材２は、取付け
部材２０によってＢピラー２２に溶接されている。取付
け部材２０もまた、ルーフ交差部材２に合わせて接着し
て結合されている。そのため、取付け部材２０は、ルー
フ交差部材２に、確実に固定する仕方でまた材料間結合
によって結合しており、力Ｆをルーフ交差部材２に伝え
ることができる。これらの記述に基づいて、図４に、Ｂ
ピラー２２の高さにおいてスポット溶接部２６によって
ルーフ・ピラー２４に溶接された取付け部材２０の３次
元的な例図を示す。
構造体２の（ルーフ交差部材２としての）取付けを概略
的に示す。ルーフ交差部材２は、車両の左側面と車両の
右側面とをＢピラー２２の高さにおいて接続しており、
側面衝突（力線Ｆで示す）の場合には、Ｂピラー２２が
内側へ曲がることを防ぐ。ルーフ交差部材２は、取付け
部材２０によってＢピラー２２に溶接されている。取付
け部材２０もまた、ルーフ交差部材２に合わせて接着し
て結合されている。そのため、取付け部材２０は、ルー
フ交差部材２に、確実に固定する仕方でまた材料間結合
によって結合しており、力Ｆをルーフ交差部材２に伝え
ることができる。これらの記述に基づいて、図４に、Ｂ
ピラー２２の高さにおいてスポット溶接部２６によって
ルーフ・ピラー２４に溶接された取付け部材２０の３次
元的な例図を示す。
【００２７】原則的に、本発明による構造体は、車両の
ボディシェルまたはシャーシの全ての部品に適合させる
ことができる。また、この構造体は、平坦なデザイン、
例えば隔壁の形状であっても良い。そして中間層の繊維
を、発生する主な力の方向に沿って配向させる。
ボディシェルまたはシャーシの全ての部品に適合させる
ことができる。また、この構造体は、平坦なデザイン、
例えば隔壁の形状であっても良い。そして中間層の繊維
を、発生する主な力の方向に沿って配向させる。
【００２８】記述した繊維の選択−内部および外部層用
のガラス繊維、中間層用のカーボン繊維−は、実際に好
適であることが判明している適切な選択である。この選
択によって、記述した構造体に対するコスト、嵩、強
度、および伸び率がうまく折衷されている。他の構成部
材における要求に合うようにこれらの基準の重み付けが
変わる場合には、他の繊維の組合せも適切であり得る。
たとえば、強度に対する要求がもっと低い場合には、中
間層をガラス繊維から形成することもできる。このよう
な処置によって、構成部材のコストが下がる。たとえば
負荷の方向が複数ある結果、要求がもっと高い場合に
は、付加的な中間層を導入することが適切であり得る。
これは、たとえば異なる好ましい配向にある繊維を有す
る第２の中間層によって行うことができる。また別個の
層からなる織物を、混合繊維から、たとえばアラミドお
よびポリエチレン繊維から、形成しても良い。
のガラス繊維、中間層用のカーボン繊維−は、実際に好
適であることが判明している適切な選択である。この選
択によって、記述した構造体に対するコスト、嵩、強
度、および伸び率がうまく折衷されている。他の構成部
材における要求に合うようにこれらの基準の重み付けが
変わる場合には、他の繊維の組合せも適切であり得る。
たとえば、強度に対する要求がもっと低い場合には、中
間層をガラス繊維から形成することもできる。このよう
な処置によって、構成部材のコストが下がる。たとえば
負荷の方向が複数ある結果、要求がもっと高い場合に
は、付加的な中間層を導入することが適切であり得る。
これは、たとえば異なる好ましい配向にある繊維を有す
る第２の中間層によって行うことができる。また別個の
層からなる織物を、混合繊維から、たとえばアラミドお
よびポリエチレン繊維から、形成しても良い。
【図１】ＦＲＰ材料からなる湾曲した構造体を示す図で
ある。
ある。
【図２】図１からの構造体の層を示す図である。
【図３】車両のボディシェルへの構造体の組み込みを概
略的に示す図である。
略的に示す図である。
【図４】車両ボディシェルへの構造体の取付けを示す３
次元的な図である。
次元的な図である。
２ 構造体
４ 内部層
６ 中間層
８ 外部層
１０ ウェブ
１２ 空洞
１３ ガラス繊維
１４ カーボン繊維
１６ ガラス繊維
１８ 長手軸
２０ 取付け部材
２２ Ｂピラー
２４ ルーフ・ピラー
２６ スポット溶接部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 パトリック キム
ドイツ国 70329 シュトゥットガルト
ロールアッカーシュトラーセ 229
(72)発明者 マルティーン コーシュミーダー
ドイツ国 70180 シュトゥットガルト
ホイシュタイクシュトラーセ 54
Ｆターム(参考） 3D003 AA01 BB01 CA31 CA34
4F100 AA37B AD11B AG00A AK47B
BA03 BA07 BA10A BA10C
BA21 DC02A DG01C DG13A
DG13C DH02 GB32 JG04C
Claims (11)
- 【請求項１】 異なる種類の繊維と異なる繊維配向とを
備える多層構造を有する繊維強化プラスチックからなる
構造体であって、実質的に中空の芯を囲む少なくとも１
つの内部層と、前記構造体の負荷軸の方向に少なくとも
１つの好ましい繊維配向を有する少なくとも１つの中間
層と、電気絶縁繊維を有する外部層とを備えることを特
徴とする構造体。 - 【請求項２】 内部層が少なくとも１つの編組チューブ
を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。 - 【請求項３】 内部層が、前記構造体の断面でウェブを
形成する複数の編組チューブを備えることを特徴とする
請求項１または２に記載の構造体。 - 【請求項４】 内部層の編組チューブが、長手軸に沿っ
た繊維を有することを特徴とする請求項１から３のいず
れか一項に記載の構造体。 - 【請求項５】 内部層がガラス繊維を含むことを特徴と
する請求項１から４のいずれか一項に記載の構造体。 - 【請求項６】 中間層がカーボン繊維またはアラミド繊
維を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一
項に記載の構造体。 - 【請求項７】 中間層の繊維が、長手軸に沿って一方向
に配置されていることを特徴とする請求項１から６のい
ずれか一項に記載の構造体。 - 【請求項８】 外部層が編組チューブを含むことを特徴
とする請求項１から７のいずれか一項に記載の構造体。 - 【請求項９】 外部層がガラス繊維を含むことを特徴と
する請求項１から８のいずれか一項に記載の構造体。 - 【請求項１０】 前記構造体がそれをボディシェルに取
り付けるための少なくとも１つの部材を有することを特
徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の構造
体。 - 【請求項１１】 取付け部材が、前記構造体の層内に組
み込まれ、または前記構造体に接着して結合されている
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記
載の構造体。
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