JP2011143609A - インサート部品を有する繊維強化樹脂部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インサート部品を有する繊維強化樹脂部材の成形において、成形後に追加加工を必要とせず、容易に精密な位置決めが可能な製造方法を提供する。
【解決手段】インサート部品４を有する繊維強化樹脂部材の製造方法であって、プリフォーム１の外表面に設けた突出部７を、成形型１０に設けた凹部８に嵌入し、前記インサート部品４を成形型１０によって位置決めすることを特徴とする。更に突出部７をスチールにし、成形型１０の凹部８の底部に磁石９を配置すれば、突出部７を磁力で固定でき正確な位置決めができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や航空機などの輸送機器に広く用いられている繊維強化樹脂部材において、他の部品との接合のためのインサート部品を有する繊維強化樹脂部材およびその製造方法に関する。

エポキシ樹脂などの樹脂を、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維で強化した、繊維強化樹脂複合材料は、軽量、高強度、高剛性であるため、自動車や航空機などの輸送機器の部材、テニスラケットやスキー板などのスポーツ用具等に広く用いられている。これらの繊維強化樹脂部材の製造方法の一つとして、樹脂とは別に強化繊維基材だけを予め所定の形状に賦形し、その後、強化繊維基材に樹脂を含浸させるというレジントランファー成形法（ＲＴＭ成形法と称される）が、自動車部材等の低コスト成形法として注目されている。

繊維強化樹脂部材の利点の一つとして、部材の一体成形が挙げられる。従来金属部品等では複数の部品を別々に加工した後、溶接などで組み合わせて一つの部材を製作していたが、繊維強化樹脂部材では複数の部品を一体化して成形でき、複数を組み合わせた部材よりも物性やコストに優れるという利点がある。

ただし、繊維強化樹脂部材においても、全ての部品を一体化するのが技術的あるいはコスト的に困難である場合は、何点かの部品に分割して成形し、成形後にボルトやリベットなどの機械的接合方法で接合する必要がある。そういったケースでは繊維強化樹脂部材同士あるいは繊維強化樹脂部材と他材料の部材との接合を容易にするため、予め繊維強化樹脂部材内に接合のためのインサート部品を埋設して成形する方法が一般的である。

レジントランファー成形法によってインサート部品を有する繊維強化樹脂部品を製造する場合、樹脂が含浸されていない強化繊維基材（ドライの強化繊維基材と称する）と一緒にインサート部品を配置して賦形し、樹脂を注入、硬化させて製作している。ただし、樹脂を注入する前のドライの強化繊維基材は変形しやすいため、樹脂を注入して硬化させる前にインサート部品の位置がずれてしまうことが多く、他の部品との接合に必要な精度を持つ製品を安定して製作することが出来ないという問題があった。

この課題を解決する方法として、予め強化繊維基材にボルト孔の無いインサート部材を埋設しておき、一体成形後にタップによってインサート部材に孔開け加工をすることにより、精度の良いインサート部材を製造するという技術が提案されているが（特許文献１参照）、成形後に改めてタップによる孔開け加工をするため、加工コストがかさむという欠点があった。あるいは、成形後のタップによる孔開け加工をせずに加工時間の短縮を図る技術が提案されているが（特許文献３参照）、この場合はインサート部材の位置決め精度を保証することが出来ない。

また、強化繊維基材中のコア材にインサート部品を配置して、インサート部品の位置決めをするという技術が提案されているが（特許文献２参照）、コア材自体剛性がさほど高くないためインサート部品の位置がずれる、あるいは強化繊維基材に樹脂を含浸させる時に型内でコア材の位置がずれるといった問題があり、所望の位置決め精度が得られていないというのが現実である。

特開平５−２５３９４６号公報 特開２００６−１７５６０６号公報 特開２００９−２８５９９２号公報

本発明の課題は、上記した従来技術の問題点に鑑み、インサート部品を有する繊維強化樹脂部材の製造方法において、成形後に追加加工を必要とせず、容易に精密な位置決めが可能な製造方法を提供することにある。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、
（１）少なくとも複数の強化繊維基材を積層してなるプリフォームを型に配置し、樹脂を含浸する繊維強化樹脂部材の製造方法であって、前記型に凹部を設け、前記強化繊維基材の層間にインサート部品を挟装するとともに、前記プリフォームの外表面に突出する突起部を設け、前記突起部を前記凹部に嵌入させてプリフォームを位置決めすることを特徴とする繊維強化樹脂部材の製造方法。
（２）前記突起部が、前記インサート部品に設けられた孔に嵌入した位置決め部材であることを特徴とする（１）に記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
（３）前記突起部が、前記インサート部品と一体に設けられたことを特徴とする（１）に記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
（４）前記突起部が、前記凹部に設けられた磁石に吸着固定されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
（５）前記凹部の側面に設けた傾斜面と前記突起部の軸方向とのなす角度βが、前記突起部の軸方向と前記型の垂直方向とのなす角度αより大きく設けられていることを特徴とする、（１）〜（４）のいずれかに記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
である。

本発明によれば、繊維強化樹脂部材に埋設されるインサート部品を型によって位置決めできるため、プリフォームの形状に因らず、位置精度の高いインサート部材を有する繊維強化樹脂部材を容易に製造する事ができる。

本発明の一実施態様を示す図であり、ネジ穴を有するインサート部品を使用したプリフォームを型に配置した状態を示す断面図である。 本発明の一実施態様を示す図であり、突起部を有するインサート部品を使用したプリフォームを型に配置した状態を示す断面図である。 本発明の一実施態様を示す図であり、ネジ穴を有するインサート部品を使用したプリフォームを、インサート部品面直方向に対してα度傾けた型に配置した状態を示す断面図である。

以下に本発明を図１に示す一実施態様に基づいて説明する。

図１は、穴付きインサート部品を使用したプリフォームを成形型に配置する様子を示した断面図である。

プリフォーム１は中心部にコア材２、表面部に強化繊維基材３を使用する構成で成り立っており、インサート部品４は強化繊維基材３の層間、あるいは強化繊維基材３とコア材２との間に配置される。

強化繊維基材３はガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維などの連続繊維や不連続（短）繊維からなる、織物、不織布、マットなどの布帛形態を有しており、繊維強化樹脂部材に要求される剛性や強度等に応じて複数枚の布帛材料を積層して構成されている。

インサート部品とは、繊維強化樹脂部材を他の部品と機械的に接合させるために繊維強化樹脂部材の中に埋設される部品で、ボルトやナットなど他の部品と機械的に接合するための機能を持ち、スチールやアルミなどの金属材料やプラスチック材料等からなっている。ここでは炭素繊維織物を積層したプリフォーム表面部に炭素繊維織物間に挟まれる形で配置されている。

図１に示すインサート部品４は他の部材を接合するためのネジ穴５を備えており、成形時にはインサート部品４のネジ穴５に、図１のようにプリフォーム表面部の強化繊維基材３よりも外側に突出部７が突出するように位置決め部材６が装着される。

位置決め部材６とは、繊維強化樹脂部材の成形時に、成形時にインサート部品４のネジ穴５内への樹脂流入を防ぐために、成形中のみ仮に差し込まれるボルト状の部材で、成形後は取り外される治具である。位置決め部材６の材料はスチールなどの金属材料、プラスチック材料、ゴム等、ボルト形状を保持できる材質であれば差し支えないが、より正確な位置決めのためには剛性の高いスチール製であることが好ましい。

突出部７とは、位置決め部材６をネジ穴５に差し込んだ時にプリフォーム表面より外側に突出する部分のことを指す。位置決め部材６をネジ穴５に差し込んだときに、突出部７をプリフォーム表面から外側に突出させることが出来ればどのような形状でも差し支えないが、位置決め部材６がネジ穴５に差し込まれた部分よりも直径の大きな円形であると、ボルトの向きに関係なく金型の凹部８へ嵌め込むことができるため好適である。

また、インサート部品４の穴はネジ穴でなくても差し支えなく、ネジ穴でない場合はネジ山のない位置決め部材６を差し込むことで位置決めが可能となる。

上型１０には、型締め時に位置決め部材６の突出部７を収納できるように、突出部７の形状に合わせて型を抉った凹部８が設けられており、型締めの際、位置決め部材６の突出部７を成形型の凹部８へ嵌め込むことでインサート部品を正確に位置決めすることが出来る。凹部８は、位置決め部材６の突出部７を収めることができる形状であれば特に制限されないが、突出部７を凹部８に嵌めたときに固定しやすいように突出部７と略同形状であることが好ましい。

凹部８は上型、下型のどちらに設けても差し支えなく、成形品の形状や作業環境を鑑みてより効率の良い方を選択することができる。なお、片面型を採用する場合は型凹部を下型に設け、上型の替わりにバギングフィルムで型締めする方法を選択することも可能である。

また、図１に示す通り凹部８の底位置に磁石９を配置することで、凹部８に位置決め部材６の突出部７を嵌め込んだとき、突出部７を磁力で固定することが出来る。凹部８の底位置とは、型表面から最も奥まった面のことで、位置決め部材６の突出部７が凹部８の底位置に接することで、位置決め部材６の正確な位置決めが可能となる。

この場合、位置決め部材６はスチール製であることが好ましいが、アルミ製やプラスチック製であっても凹部８の底位置に接する面に強磁性体が配置されていれば適用することができる。

成形型は、いわゆる型と称され、スチールやアルミニウムなどの金属材料や、ＦＲＰ材料等からなる。図１に示すように、上下型の間で形成されるキャビティ中に樹脂を注入して、プリフォーム１に樹脂を含浸、硬化させて繊維強化樹脂部材を製造する。通常、注入には、樹脂を加圧し、硬化には、樹脂を加熱する。樹脂が硬化した後は、成形型を開けて、繊維強化樹脂部材を取り出す。

樹脂は、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましいが、ポリプロピレンやポリエチレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂であっても、さらにはこれら樹脂の混合樹脂であっても差し支えない。このうち、炭素繊維を使った自動車部材やスポーツ用具に好ましいのは、接着性に優れるエポキシ樹脂である。

図２は、突起部１３を有するインサート部品１２を使用したプリフォームを成形型に配置する様子を表している。

突起部１３を有するインサート部品１２とは、ボルトやロケートピンなどの突起部１３がインサート部品から連続してプリフォームの外まで突出している部品であり、この場合は位置決め部材を取り付ける必要がない。ただし、突起部１３がネジ山等を有する場合、注入した樹脂がネジ山に回り込むのを防止するためにカバー１４を装着することも好ましい方法である。また、突起部１３を有するインサート部品１２がスチール製でなくアルミ製やプラスチック製である場合、スチール製のカバーを取り付けることで、凹部の底位置に配置された磁石による正確な位置決めが可能となる。

図３は、インサート部品面直方向１５が型開閉方向１６に対してα度の傾きを有する場合に、ネジ穴を有するインサート部品を使用したプリフォームを配置する様子を表している。

このとき、型凹部側面１７のインサート部品面直方向１５に対しての傾きをβ度とすると、α＜βとなるように配置されることが好ましい。このことによって、型を開閉するときも、凹部が突出部と干渉せず、スムーズな型開けが可能となる。インサート部品面直方向とは、インサート部品のネジ穴やボルトなどの軸方向のことを指し、インサート部品が折れ曲がっている場合や、曲面になっている場合でも、ネジ穴やボルトの軸方向をインサート部品面直方向とする。

位置決め部材１９の突出部側面部１８には特に勾配が無くても差し支えないが、型凹部形状と一致するように位置決め部材１９の突出部側面部１８にインサート部品の面直方向に対してβ度の勾配をつけると、突出部を型凹部へ隙間無く嵌め込むことができ、より正確な位置決め部材１９の位置決めが可能となる。

インサート部品が突起部を有する場合、突起部の側面部あるいは突起部のカバー側面部は特に勾配が無くても差し支えないが、型凹部側面と同様にインサート部品面直方向に対してβ度の勾配をつけると、インサート部品の突出部を型凹部へ隙間無く嵌め込むことが出来るため、より好ましい。

本発明の部材が接合する他部材としては、ボルトやネジ穴などを有する様々な部材が考えられるが、例えば自動車部材に使用した場合、ネジ穴を有するインサート部品を使用した繊維強化樹脂パネルを金属製フレームにボルト接合する、あるいは、突起部を有するインサート部品を使用した繊維強化樹脂製フレームを、金属製フレームとボルトで接合する、といった利用法が挙げられる。

本発明のインサート部品を有する繊維強化樹脂部材は、インサート部品によって従来の繊維強化樹脂部材よりも接合が容易であるため、自動車や産業用ロボットのように部品点数の多い製品の部材として好適である。適用が考えられる自動車部材としては、フード、ルーフ、ドア等のパネル部材や、フロア、バンパ、フレーム等の構造部材がある。

（実施例１）
インサート部品として、図１に示すように、中央部にＭ８のネジ穴を取り付けた、厚みが１ｍｍ、一辺の長さが８０ｍｍの正方形のスチール部材を用いた。このインサート部品が４個埋設された、寸法１２００ｍｍ×７００ｍｍ×８０ｍｍの自動車ルーフを以下のように成形した結果、位置精度の良いインサート部品をもつ繊維強化樹脂部材を得ることができた。

強化繊維基材３として、炭素繊維クロス基材（東レ（株）製“トレカ（登録商標）織物”ＣＯ６３４３、織り組織：平織り、織物目付：２００ｇ／ｍ^２、強化繊維：Ｔ３００−３Ｋ）４枚を成形品の展開図形状に裁断した。厚みが２０ｍｍのポリウレタンフォームからなるコア材２（密度：０．１５ｇ／ｃｍ^３）の上下面に炭素繊維クロス基材２枚ずつを巻き付け、上面の炭素繊維クロス基材の層間に上記インサート部品４を埋設した。インサート部品のネジ穴５に位置決め部材６を差し込み、突出部７が炭素繊維クロス基材の外側に突出するようにして、プリフォーム１を作製した。成形型の上型１０には、インサート部品のネジ穴に当たる位置に凹部８を設け、凹部８の底位置には位置決め部材固定用の磁石９を配置した。

上記プリフォームを成形型下型１１のキャビティの所定の位置にセットし、成形型上型１０を閉じて密閉した後、樹脂を成形型内に注入した。樹脂を注入して１００℃で４０分間加熱し、樹脂を硬化させた後、成形品を脱型した。樹脂は主剤として“エピコート（登録商標）”８２８（油化シェルエポキシ社製、エポキシ樹脂）、硬化剤は東レ（株）でブレンドしたＴＲ−Ｃ３５Ｈ（イミダゾール誘導体）を混合して得た液状エポキシ樹脂を使用した。

脱型した成形品を確認したところ、４カ所のインサート部品の位置決め部材の突出部にはほとんど樹脂が回っておらず、樹脂注入時には設計通り凹部に位置決め部材が嵌っていたことが推測された。脱型した成形品から位置決め部材を取り外すことで、所望のインサート部品付き繊維強化樹脂部材を得た。

成形した自動車ルーフのインサート部品にスタッドボルト差し込み、フレームに取り付けたところ成形品の修正を必要とせず設計通りボルト接合する事ができた。

（実施例２）
インサート部品として、図２に示すように、中央部に突起部としてＭ８のボルトが接続された、厚みが１ｍｍ、一辺の長さが８０ｍｍの正方形のスチール部材を用い、インサート部品の突起部１３には、ネジ山を覆うカバー１４を取り付けて型凹部へ隙間無く嵌るようにした。

前記変更以外は実施例１と同様の手法で繊維強化樹脂部材を成形した。成形した自動車ルーフをフレームに取り付けたところ、成形品の修正を必要とせず設計通りにボルト接合することができた。

（実施例３）
インサート部品として実施例１で使用した部品と同等のものを用い、図３に示すように、インサート部品面直方向１５を型開閉方向１６に対して１０度傾けた位置に配置した。上型の型凹部側面１７はインサート部品面直方向に対して２０度の傾きを設け、位置決め部材１９の突出部側面部１８にも同様に２０度の角度を付けた。

前記変更以外は実施例１と同様の手法で繊維強化樹脂部材を成形した。成形した自動車ルーフをフレームに取り付けたところ、成形品の修正を必要とせず設計通りにボルト接合することができた。

（比較例）
実施例１と同様の手法でプリフォームを作製し、上型のかわりにバギングフィルムを用いて成形した。上型をバギングフィルムとした以外は実施例１と同様の手法で繊維強化樹脂部材を成形した。

成形した自動車ルーフは、金型による位置決めを実施せず、インサート部品はコア材の窪みによる位置決めだったため、インサート部品のボルト位置がずれており、フレームに取り付けることができなかった。

１：プリフォーム
２：コア材
３：強化繊維基材
４：インサート部品
５：ネジ穴
６：位置決め部材
７：突出部
８：凹部
９：磁石
１０：上型
１１：下型
１２：インサート部品
１３：突起部
１４：カバー
１５：インサート部品面直方向
１６：型開閉方向
１７：型凹部側面
１８：突出部側面部
１９：位置決め部材

Claims (5)

1. 少なくとも複数の強化繊維基材を積層してなるプリフォームを型に配置し、樹脂を含浸する繊維強化樹脂部材の製造方法であって、前記型に凹部を設け、前記強化繊維基材の層間にインサート部品を挟装するとともに、前記プリフォームの外表面に突出する突起部を設け、前記突起部を前記凹部に嵌入させてプリフォームを位置決めすることを特徴とする繊維強化樹脂部材の製造方法。
2. 前記突起部が、前記インサート部品に設けられた孔に嵌入した位置決め部材であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
3. 前記突起部が、前記インサート部品と一体に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
4. 前記突起部が、前記凹部に設けられた磁石に吸着固定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。
5. 前記凹部の側面に設けた傾斜面と前記突起部の軸方向とのなす角度βが、前記突起部の軸方向と前記型の垂直方向とのなす角度αより大きく設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。

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