JP2012051239A - 繊維強化熱可塑性樹脂構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的な荷重が入力された場合にも、構造体の局所的な変形を抑制でき、構造体全体の変形も小さく抑えることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂構造体を提供する。
【解決手段】繊維強化熱可塑性樹脂からなる２つの部材を、空間を介在させて互いに連結した合わせ構造体からなり、一方の部材から他方の部材に向けて両部材間の空間内を延びるとともに合わせ構造体の長手方向に沿って延び、両部材の対向面の両方に接合されているウエブ状補強材を有することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂構造体に関し、とくに、横断面が閉断面となるように形成された構造体の全体の変形量を小さく抑えるのに好適な繊維強化熱可塑性樹脂構造体に関する。

例えば、自動車の各部構造部品等には、軽量化をはかりつつ衝撃荷重による曲げ変形を抑えるために、横断面が閉断面となるように形成された構造部品が用いられることがある。例えば図６、図７に示すように、スチールをプレス成形した部材１０１、１０２を、間に空間１０３を形成するように互いに連結した（例えば、溶接により互いに接合した）構造部品１０４が知られている。このような構造を有する構造部品１０４において、外部から衝撃荷重等の入力荷重１０５が加わった場合、この入力荷重１０５によって、例えば図８に示すように荷重入力部に面座屈１０６が発生し、その部材１０１、ひいては構造部品１０４全体の曲げ変形（例えば、図８に示す方向の曲げ変形）が増大するおそれがある。

上記のような面座屈を防止あるいは抑制するために、部材１０１の厚みの増加あるいは、図６、図７に示すように補強材１０７を介装するなどの対策が講じられることもあるが、このような部材１０１の厚肉化または補強材１０７の設置は構造部品１０４全体の重量を大きく増加させてしまうので、軽量化が望まれる箇所には採用し難い。

一方、構造部品の軽量化をはかるために、材料として繊維強化樹脂（例えば、熱可塑性炭素繊維強化樹脂）の使用が考慮されることもあるが、上記のような閉断面形状を有する構造体に熱可塑性繊維強化樹脂を適用する場合、軽量化を達成しつつ構造体全体として所望の剛性や強度を確保するためには、特別な工夫が要求されることが多い。例えば特許文献１には、熱可塑性炭素繊維強化樹脂を使用するに際して、適切なリブ構造を配置した射出成形体を２体、溶着することで、曲げモーメント力に対抗するようにした構造が開示されている。

ところが、特許文献１に開示されている構造では、部材全体の曲げモーメントに対して剛性・強度を確保するようにしているが、図７、図８に示したような局所的な荷重が入力した場合には、リブ部の割れや破壊によって変形が発生し、部材全体の変形量が増大するおそれが残されている。

特開２００７−２６１３６２号公報

そこで本発明の課題は、部材全体の軽量化をはかるために熱可塑性繊維強化樹脂で構成された構造体について、とくに局所的な荷重が入力された場合にも、構造体の局所的な変形を抑制でき、その抑制を通して構造体全体の変形も小さく抑えることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂構造体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体は、繊維強化熱可塑性樹脂からなる２つの部材を、空間を介在させて互いに連結した合わせ構造体からなり、一方の部材から他方の部材に向けて両部材間の空間内を延びるとともに合わせ構造体の長手方向に沿って延び、両部材の対向面の両方に接合されているウエブ状補強材を有することを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体においては、合わせ構造体を構成する２つの繊維強化熱可塑性樹脂部材間に、ウエブ状補強材が設けられ、該ウエブ状補強材は、両部材の対向面の両方に接合されているので、２つの部材およびウエブ状補強材が一体的に構成されることになり、繊維強化熱可塑性樹脂構造体全体として、ウエブ状補強材の存在により強固な構造体構成が達成される。しかも、このウエブ状補強材は、両部材間にわたって両部材間の空間内を延びるとともに合わせ構造体の長手方向に沿って延びているので、横断面的に強固な構造体構成が達成されるとともに、少なくともウエブ状補強材設置部分では図７や図８に示した入力荷重方向に対して垂直な方向に構造体の強度が向上されるとともに長手方向における構造体の曲げ剛性が大幅に向上され、その部分に局所的に荷重が入力されても面座屈等の構造体の局所的な変形は抑制されることになり、その抑制を通して構造体全体の変形も小さく抑えられる。したがって、構造体の局所的な変形の抑制と構造体全体の変形の抑制が同時に効果的に達成されることになり、目標とする構造体の強度・剛性の向上が実現される。

上記本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体においては、例えば、上記ウエブ状補強材がいずれか一方の部材と一体に成形された繊維強化熱可塑性樹脂からなり、その先端部が他方の部材に溶着されている構成を採ることができる。このように構成すれば、ウエブ状補強材をいずれか一方の部材と一体に成形することにより、該ウエブ状補強材を容易に目標とする形状に形成することが可能になり、その先端部を他方の部材に溶着することにより、容易にかつ確実にウエブ状補強材の両部材への接合構造を達成できる。

この場合、少なくとも上記ウエブ状補強材が一体に成形されている部材が射出成形により成形されていることが好ましい。射出成形では、強化繊維含有熱可塑性樹脂を容易に所定形状に成形することが可能であるので、上記ウエブ状補強材一体化部材がより確実に所定形状に成形されることになる。

また、本発明においては、上記ウエブ状補強材を、合わせ構造体の長手方向に沿って延びる平板状補強材から構成することができる。このような構成においては、ウエブ状補強材が構造体の曲げ剛性向上にとって最も効果的な構造体長手方向に沿って連続的に延びることができるので、ウエブ状補強材延設部全長にわたって曲げ剛性が効率よく向上される。その結果、構造体の局所的な変形の抑制と構造体全体の変形の抑制が同時により効果的に達成される。

このような構造体の長手方向に沿って延びる平板状補強材から構成されたウエブ状補強材では、このウエブ状補強材が、上記一方の部材から他方の部材に向かう方向の一方向に並行に強化繊維が配列された一方向繊維強化熱可塑性樹脂材（例えば、一方向繊維強化熱可塑性樹脂シート）によって補強されている構造とすることもできる。このように構成すれば、両部材間にわたって延びるウエブ状補強材の、とくに両部材間距離を縮める方向の荷重に対して高い抗力（強度）を持たせることができ、前述したような面座屈等の局所変形をより確実に抑制できる。

また、合わせ構造体側については、例えば、上記２つの部材の少なくとも一方の部材が、合わせ構造体の長手方向である一方向に並行に強化繊維が配列された一方向繊維強化熱可塑性樹脂材によって補強されている構造とすることもできる。このように構成すれば、合わせ構造体を構成する部材側についても、構造体の局所的な変形を抑制するための強度・剛性の向上、さらには構造体全体の変形を抑制、とくに曲げ変形を抑制するための強度・剛性の向上がより確実に達成されることになる。

また、本発明においては、上記ウエブ状補強材と上記一方の部材の他方の部材への対向面との間に、両者に接合されたリブが設けられている構造とすることもできる。このように構成すれば、ウエブ状補強材が、その片面あるいは両面側からリブで構造的に補強されることになるので、ウエブ状補強材の割れや変形、座屈等がより確実に防止されることになり、ウエブ状補強材が２つの部材に対して、ひいては構造体全体に対して、より確実に所望の補強効果を発揮できるようになる。また、このリブは、それが接合される上記一方の部材の強度・剛性を補強することにもなるので、構造体全体がより効果的にかつ確実に補強される。

このようなリブを設ける場合、リブは、ウエブ状補強材および上記一方の部材と一体に成形された繊維強化熱可塑性樹脂からなることが好ましい。このように構成すれば、多少複雑な形状のリブであっても、所定の成形型さえ用意すれば、リブを容易に所望の形態に形成することができる。

また、上記リブの形態としては、特に限定されないが、例えば、ウエブ状補強材に対してトラス形状に配置されている形態とすることができる。トラス形態とすることで、少ない材料量にて効率よく所望の補強機能を発現可能になる。

また、本発明においては、上記２つの部材としては、合わせ構造体を構成できるものであれば特に限定されないが、本発明は、横断面が閉断面となるように上記２つの部材が互いに連結されているものの場合、とくに、優れた効果が得られる。すなわち、前述したように、合わせ構造体を構成する場合、その合わせ構造体の強度・剛性を高く設定するためには図６、図７に示したように従来から横断面を閉断面形状に形成する場合が多いが、このような場合においても、図６、図７に示したような重量の大きい補強材（補強材１０７）を介装することなく、両部材間にわたって延びるウエブ状補強材の接合構造によって、構造体の横断面における強度を高く保ちつつ、構造体全体の軽量化と強度・剛性の向上とを効率よく達成することができる。

本発明における繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維の種類としては、とくに限定されず、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維などの強化繊維を使用することができるが、とくに炭素繊維からなる場合、高い強度・弾性率を有するため、構造体の局所的な変形、さらには構造体全体の変形をより効果的に抑制することができる。

また、本発明における繊維強化熱可塑性樹脂の熱可塑性樹脂の種類もとくに限定されないが、使用可能な樹脂を例示すると、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、液晶ポリエステルや、アクリロニトリルとスチレンの共重合体等を挙げることができる。これらの混合物でもよい。また、ナイロン６とナイロン６６との共重合ナイロンのように共重合したものであってもよい。さらに得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等を添加しておくことができる。

このような本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の用途もとくに限定されず、軽量化、高強度・高剛性化等が求められるあらゆる合わせ構造体に展開可能であり、とくに自動車用構造部材（例えば、各種メンバーや各種ピラー部材等）に好適なものである。

本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体によれば、両部材間に特定形態のウエブ状補強材を設けることにより、図７や図８に示したような入力荷重に対しても構造体の局所的な変形、さらには構造体全体の変形を効率よく確実に抑制できるようになる。したがって、軽量性を確保しつつ、強度・剛性が効率よく向上され、変形量が抑制された望ましい構造体を実現できる。

本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の概略横断面図である。 図１の構造体の概略斜視図である。 図１の構造体における一方の部材の内部側構造を示す部分斜視図である。 図１の構造体における一方の部材の内部側構造を示す概略平面図である。 図４とは別の形態に係る構造体の一方の部材の内部側構造を示す概略平面図である。 従来の構造体の一例を示す概略横断面図である。 図６の構造体の概略斜視図である。 図６の構造体における一方の部材の変形の例を示す概略斜視図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１〜図４は、本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体を示している。図１、図２において、１は、強化繊維に炭素繊維を用いた繊維強化熱可塑性樹脂構造体全体を示しており、構造体１は、繊維強化熱可塑性樹脂からなる２つの部材２、３を、間に空間４を介在させて互いに連結した合わせ構造体からなる。構造体１は、一方の部材２から他方の部材３に向けて両部材２、３間の空間４内を延びるとともに合わせ構造体の長手方向に沿って延び、両部材２、３の対向面の両方に接合されているウエブ状補強材５を有している。本実施態様では、このウエブ状補強材５は、合わせ構造体の長手方向に沿って延びる平板状補強材に形成されている。また、ウエブ状補強材５の両部材２、３の対向面の両方への接合は、ウエブ状補強材５が射出成形により一方の部材２と一体に成形された繊維強化熱可塑性樹脂からなり、ウエブ状補強材５の先端部が他方の部材３に溶着部６で溶着されることによって達成されている。本実施態様では、２つの部材２、３の連結も溶着されることによって達成されており（溶着部６）、互いに連結された２つの部材２、３は、閉断面の横断面形状を形成している。

ウエブ状補強材５の両面と一方の部材２の他方の部材３への対向面との間には、図１、図３、図４に示すように、両者に接合されたリブ７が設けられている。本実施態様では、リブ７も、繊維強化熱可塑性樹脂からなり、ウエブ状補強材５および一方の部材２と射出成形により一体に成形されている。このリブ７は、本実施態様では、ウエブ状補強材５と一方の部材２との間で、図３、図４に示すようなトラス形状に形成されている。つまり、リブ７は、ウエブ状補強材５に対してトラス形状に配置されている。

また、本実施態様では、ウエブ状補強材５の片面または両面に、図３に示すように、一方の部材２から他方の部材３に向かう方向の一方向に並行に強化繊維が配列された一方向繊維強化熱可塑性樹脂材８が一体に設けられており、該一方向繊維強化熱可塑性樹脂材８によってウエブ状補強材５が上記方向に補強されている。また、２つの部材２、３ののうち少なくとも一方の部材２が、図２に示すように、合わせ構造体の長手方向である一方向に並行に強化繊維が配列された一方向繊維強化熱可塑性樹脂材９によって合わせ構造体の長手方向に補強されている。

このように構成された繊維強化熱可塑性樹脂構造体１においては、合わせ構造体を構成する２つの繊維強化熱可塑性樹脂部材２、３間に、両部材２、３間にわたって空間４内を延び、両部材２、３の対向面の両方に一体的に接合されるウエブ状補強材５が設けられているので、構造体１に局所的な外部荷重が加わる場合にあっても、ウエブ状補強材５が該入力荷重に対抗する方向の強度・剛性を発揮する構造を構成でき、構造体１の局所的な変形を抑制でき、該局所的な変形の抑制を通して、構造体１全体としての変形も小さく抑えることができる。とくに本実施態様では、ウエブ状補強材５も繊維強化熱可塑性樹脂で構成されて両部材２、３と一体的に形成されているので、変形抑制に対してより高い強度・剛性が得られる。しかも、ウエブ状補強材５は、合わせ構造体の長手方向に沿って延びる平板状の形状に形成されているので、小さな体積、重量にて、効率よく構造体１が補強されることになる。

また、本実施態様では、一体成形された適切な形状のリブ７で、ウエブ状補強材５自体および両部材２、３を含む繊維強化熱可塑性樹脂構造体１全体がさらに補強されているので、ウエブ状補強材５自体はより変形しにくくなり、かつ、繊維強化熱可塑性樹脂構造体１全体もさらに変形しにくいものとなる。したがって、構造体１の局所的な変形、構造体１全体としての変形は、一層小さく抑えられる。

さらに、本実施態様では、一方向繊維強化熱可塑性樹脂材８によってウエブ状補強材５が外部からの入力荷重に対抗する方向に適切に補強されているので、ウエブ状補強材５自体、ひいては繊維強化熱可塑性樹脂構造体１全体の変形がさらに小さく抑えられる。さらにまた、本実施態様では、２つの部材２、３ののうち少なくとも一方の部材２が一方向繊維強化熱可塑性樹脂材９によって合わせ構造体の長手方向に補強されているので、繊維強化熱可塑性樹脂構造体１全体の変形がさらに一層小さく抑えられる。

なお、上記リブの形態は、上記実施態様に示したリブ７の形態には限定されず、任意の形態に設定可能である。例えば図５に示すように、一方の部材１２とウエブ状補強材１３を備えた繊維強化熱可塑性樹脂構造体１１において、ウエブ状補強材１３の両面と一方の部材１２の他方の部材への対向面との間に、トラス形状のリブ１４がウエブ状補強材１３および一方の部材１２と射出成形により一体に成形されており、各リブ１４はその三角形山形の途中で互いに交差するように配置されている。このようなリブ１４の形態を採れば、より強固な補強が可能になる。

本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体は、自動車の各部構造体をはじめ、あらゆる分野の構造体に適用可能であり、とくに箱型横断面を有する構造体に好適なものである。

１、１１ 繊維強化熱可塑性樹脂構造体
２、１２ 一方の部材
３ 他方の部材
４ 空間
５、１３ ウエブ状補強材
６ 溶着部
７、１４ リブ
８、９ 一方向繊維強化熱可塑性樹脂材

Claims (12)

1. 繊維強化熱可塑性樹脂からなる２つの部材を、空間を介在させて互いに連結した合わせ構造体からなり、一方の部材から他方の部材に向けて両部材間の空間内を延びるとともに合わせ構造体の長手方向に沿って延び、両部材の対向面の両方に接合されているウエブ状補強材を有することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
2. 前記ウエブ状補強材がいずれか一方の部材と一体に成形された繊維強化熱可塑性樹脂からなり、先端部が他方の部材に溶着されている、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
3. 少なくとも前記ウエブ状補強材が一体に成形されている部材が射出成形により成形されている、請求項２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
4. 前記ウエブ状補強材が合わせ構造体の長手方向に沿って延びる平板状補強材からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
5. 前記ウエブ状補強材が、前記一方の部材から他方の部材に向かう方向の一方向に並行に強化繊維が配列された一方向繊維強化熱可塑性樹脂材によって補強されている、請求項４に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
6. 前記２つの部材の少なくとも一方の部材が、合わせ構造体の長手方向である一方向に並行に強化繊維が配列された一方向繊維強化熱可塑性樹脂材によって補強されている、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
7. 前記ウエブ状補強材と前記一方の部材の他方の部材への対向面との間に、両者に接合されたリブが設けられている、請求項２〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
8. 前記リブが、前記ウエブ状補強材および前記一方の部材と一体に成形された繊維強化熱可塑性樹脂からなる、請求項７に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
9. 前記リブが、前記ウエブ状補強材に対してトラス形状に配置されている、請求項７または８に記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
10. 前記２つの部材が、横断面が閉断面となるように互いに連結されている、請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
11. 繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が炭素繊維からなる、請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。
12. 自動車用構造部材からなる、請求項１〜１１のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂構造体。

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