JP2013203004A - 成形品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開口部を効果的に補強することにより、軽量かつ強度の高い成形品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】開口部２を有する成形品１において、開口部２の周囲に、開口部２の周方向に延在するよう配置された連続繊維４を含む補強構造３を有する成形品１であって、補強構造３が、開口部の周縁から３〜３０ｍｍの範囲のリング状構造である成形品。
【選択図】図２

Description

本発明は、開口部を有する成形品において、開口部周囲の補強構造とその製造方法に関する。

多くの成形品は、ねじ止めやリベット止めなどをするための固定部分として用いる穴、点検口やサービスホールなどの貫通部、軽量化等の目的のための抜き穴など、開口部を有する。しかし、成形品が力を受けた際には、開口部で応力集中が起こり、破壊の起点となることが多い。そのため、多くの成形品で開口部周囲を補強することが行われているが、効果的でない補強のために多大な重量増加をもたらしている場合が多く問題となっている。

たとえば特許文献１では、開口部の側壁に金属を塗布しているため、亀裂抑制には効果があるものの、比重の高い金属を使用するため重量増加が大きくなるというデメリットが生じていた。また、金属塗布には過大な設備が必要な上、高温環境となるため成形品本体の素材に耐熱性が必要となり、使用可能な素材が制限されてしまう。

また、特許文献２では、鉄筋コンクリート構造の開口部に複数の補強用鋼板を埋め込む方法を提案している。建築物であれば重量制限は大きくないとも考えられるが、軽量化を目的とした可動部品に対しては、このような補強方法では重量増加が大きく、効果的ではない。

特開昭６２−２９７５１７号公報 特開２００４−２９３１８１号公報

本発明の目的は、開口部を効果的に補強することにより、軽量かつ強度の高い成形品およびその製造方法を提供することにある。

上記課題に対し各種検討した結果、本発明者は開口部の周からの亀裂は開口部に対する引き剥がし方向の応力と相関があることを見出した。さらに、開口部の周囲に沿って連続繊維を配置する補強構造により、開口部からの亀裂の発生を抑制できることを見出した。以上の知見を元に本発明者は本発明に想到した。
（１）開口部を有する成形品において、開口部の周囲に、開口部の周方向に配置された連続繊維を含む補強構造を有することを特徴とする成形品。
（２）前記補強構造が、開口部の周縁から３〜３０ｍｍの範囲のリング状構造であることを特徴とする（１）に記載の成形品。
（３）前記補強構造の厚さが、０．２〜１０ｍｍの範囲にあることを特徴とする（１）または（２）に記載の成形品。
（４）前記連続繊維が、破断伸度が１％を超える繊維であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の成形品。
（５）前記成形品の本体部分が、主に樹脂もしくは繊維強化樹脂からなることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の成形品。
（６）前記連続繊維が、炭素繊維であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の成形品。
（７）連続繊維を一方向に引き揃えて樹脂を含浸したプリプレグから形成したリング状基材を、補強構造として開口部の周囲に配置し、成形することを特徴とする成形品の製造方法。
（８）前記リング状基材を、前記開口部を囲むように載置したあと、加熱成形することを特徴とする（７）に記載の成形品の製造方法。
（９）前記リング状基材を、単独で加熱成形したあと、成形品本体に接合することを特徴とする（７）に記載の成形品の製造方法。
（１０）プリプレグをマンドレルにロール状に巻きつけたあと輪切りすることにより、前記リング状基材を形成することを特徴とする（７）〜（９）のいずれかに記載の成形品の製造方法。
（１１）プリプレグを補強構造の厚さに相当する幅に切り出したテープ状基材を、マンドレルに巻きつけることによって前記リング状基材を形成することを特徴とする（７）〜（９）のいずれかに記載の成形品の製造方法。
（１２）前記マンドレルが、成形品開口部形状に対応する断面形状であることを特徴とする（１０）または（１１）に記載の成形品の製造方法。

本発明によれば、効果の高い方法で開口部が補強された、軽量かつ強度の高い成形品を得ることが出来る。

本発明に係る補強構造の概略斜視図である。 本発明に係る補強構造を上から見た投影図である。 本発明におけるリング状中間基材の製造方法の一例である。

以下、本発明について図面を用いて説明する。

図１、２に本発明の開口部補強の例を示す。成形品１は開口部２を持ち、開口部の周囲には補強構造３が配置されている。開口部２の形状は円形、多角形等、特に限定されるものではないが、ボルト固定穴等、重量を支持したり荷重を伝達したりする部分に関わる開口部である場合には、円形であると本発明の補強構造の効果がより顕著に現れるので好ましい。補強構造３は内部に連続繊維４を有している。連続繊維４は繊維方向が開口部２の周方向に沿うように配置されている。

補強構造３は、開口部２の周方向に沿って配置されていることが好ましい。図１、２においては、円形の開口部２の外周にリング状に配置されている態様が図示されている。図１、２において、リングの幅は亀裂の発生を抑制できるだけの大きさ、すなわち想定される初期亀裂寸法よりも大きいことが必要である。具体的には３ｍｍ以上あることが好ましい。また、リングの幅は大きすぎると亀裂抑制の効果に比して重量が増えすぎるため、３０ｍｍ以下であることが好ましい。開口部２の形状が円形以外であっても、好ましい幅の範囲は同等である。

補強構造３の厚さは、０．２ｍｍ以上であれば、亀裂発生を抑制することができ、１０ｍｍ以下とすれば、補強構造３を配置しても重量増を抑制できる点で好ましい。

連続繊維４は、開口部２の周方向に発生する応力の大部分を負担する。そのため亀裂の進展を抑制するために、繊維は破断するまでにある程度伸びることが好ましい。具体的には破断伸度が１％を超える繊維であることが好ましい。炭素繊維は軽量かつ高強度であり破断伸度も１％を超え、一部の品種では３％近くまで達するものもあるため本発明の連続繊維４として好適である。

成形品１の本体部分の構成材料は金属や樹脂等、特に限定されるものではないが、主に樹脂もしくは繊維強化樹脂であると、亀裂を抑制するという本発明の補強効果が高く、好ましい。

補強構造３の母材は特に限定されるものではないが、繊維を開口部の周に沿って狙った位置に配置するための成形性や重量等の条件から、樹脂であることが好ましい。繊維を一方向にひきそろえ樹脂を含浸させたプリプレグを用いて補強構造３を成形すると、繊維を狙った位置にムラや蛇行なく配置することができ、亀裂を抑制する効果が高く、特に好ましい。

プリプレグを用いて補強構造３を成形する際に、リング状の中間基材５を作成し、補強構造として成形する製造方法を採ると、連続繊維を狙った位置にムラや蛇行なく配置することができ、亀裂を抑制する効果が高く、好ましい。リング状中間基材５を単独で加熱成形したあと、成形品本体の開口部２の周囲に載置、接合する製造方法を採る場合、連続繊維４を狙った位置にムラや蛇行なく配置することが容易となり、補強効果が高い。また、リング状中間基材５を成形品の開口部２を囲むように載置したあと加熱成形する製造方法を採る場合、接合手順を省くことができたり、成形品本体と同時成形でき成形コストの低減が可能とすることができる。性能、コスト等の条件に合わせてこれらの製造方法を適宜選ぶことができる。

図３に示すように、プリプレグ６のシートを、マンドレル７を芯として巻きつけロール状にし、補強構造の厚さに相当する幅で輪切りすることにより、リング状中間基材５を作成する製造方法を採る場合、リング状中間基材５を大量に作成することが可能になり、成形コストも低減できる。また、プリプレグ６を補強構造の厚さに相当する幅のテープ状基材として切り出し、テープ状基材をマンドレル７を芯として巻きつけ、リング状中間基材５とする製造方法を採る場合、この手順の機械化が容易であり、低コストでばらつきの少ない製造方法として好適である。本発明では、いずれの製造方法を用いることも好ましい。

リング状中間基材５を作成する際のマンドレル７は、成形品の開口部形状に対応する断面形状であると、容易に所望の形状とすることができ、好ましい。

本発明の効果を実証するため、以下のとおり実施例および比較例による実験を行った。なお、本発明は、これら実施例等によって何ら制限されるものではない。

（実施例１）
高さ２，０００ｍｍ、幅２，０００ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミ（Ａ５０５２−Ｏ）の平板で、略正方形の開口部を有するアルミ部材について検討した。開口部は２００ｍｍ×２００ｍｍの略正方形でコーナー部は半径２０ｍｍの円弧状に加工した。開口部周囲に幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの補強構造を接着した。補強構造の使用材料は弾性率２３５ＧＰａ、引張強度５ＧＰａの炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ（東レ（株）製Ｐ３０５１Ｓ−１５）を用いた。このプリプレグを３ｍｍ幅に切り出したテープ状基材を、開口部形状に対応する断面形状のマンドレルに巻きつけリング状中間基材とし、リング状中間基材単独でオートクレーブで加熱成形し、エポキシ接着剤でアルミ部材に接着した。

アルミ部材の下辺を完全拘束し、上辺の幅方向すなわちせん断荷重がかかる方向に１００ｋＮの荷重をかけた。このときの開口部周囲の損傷について調べた。

（比較例１）
開口部周囲の補強をしない以外は、実施例１と同様の条件にて、開口部周囲の損傷について調べた。

その結果、実施例１、比較例１それぞれに荷重をかけたところ、比較例１では開口部コーナー部に亀裂を生じたが、実施例１では亀裂を生じなかった。すなわち、本発明による補強効果が確認できた。

（実施例２）
高さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の平板で、中央に開口部として直径３．１ｍｍの円孔を有するＣＦＲＰ部材について検討した。補強構造の使用材料は、弾性率２３５ＧＰａ、引張強度５ＧＰａの炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ（東レ（株）製Ｐ３０５１Ｓ−１５）を使用し、このプリプレグを直径３ｍｍのマンドレルに巻きつけ、外形２０ｍｍのロール状としたあと、厚さ１．２ｍｍの輪切りとしリング状中間基材を作成した。このリング状中間基材をＣＦＲＰ部材本体となる積層体に載置し、オートクレーブにて同時に加熱成形した。成形後に直径３．１ｍｍの円孔をダイヤモンドドリルで加工し、開口部とした。

円孔にＭ３の六角ボルトを通し、ナットで締め付け、ナットをつかんでボルトの頭を引き抜く試験を行った。このとき、円孔周囲が破壊してボルトが引き抜かれる荷重を測定した。

（比較例２）
実施例２と同じプリプレグ（東レ（株）製Ｐ３０５１Ｓ−１５）を２０ｍｍ角の正方形に切り出し、積層構成が［４５°／０°／−４５°／９０°］ｓｙｍ．（対称構成）となるように８層積層した積層体（厚さ１．２ｍｍ）を補強構造とした。この積層体をＣＦＲＰ部材本体となる積層体に載置し、オートクレーブにて同時に加熱成形した。成形後に直径３．１ｍｍの円孔をダイヤモンドドリルで加工し、開口部とした。その後は実施例２と同様の評価条件にて、ボルトが引き抜かれる荷重を測定した。

実施例２、比較例２ともにボルトが引き抜かれる荷重を測定したところ、比較例２では４．０ｋＮの荷重でボルトが引き抜かれたが、実施例２では５．５ｋＮの荷重で引き抜かれた。これにより本発明の開口部の周方向に延在するよう配置された連続繊維の補強効果の高さが示された。

本発明は、輸送機械、機械部品、電気製品、建築物、土木構造物、日用雑貨等、開口部を有する構造に幅広く応用することができる。

１：成形品
２：開口部
３：補強構造
４：連続繊維
５：リング状中間基材
６：プリプレグ
７：マンドレル

Claims (12)

1. 開口部を有する成形品において、開口部の周囲に、開口部の周方向に配置された連続繊維を含む補強構造を有することを特徴とする成形品。
2. 前記補強構造が、開口部の周縁から３〜３０ｍｍの範囲のリング状構造であることを特徴とする請求項１に記載の成形品。
3. 前記補強構造の厚さが、０．２〜１０ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の成形品。
4. 前記連続繊維が、破断伸度が１％を超える繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成形品。
5. 前記成形品の本体部分が、主に樹脂もしくは繊維強化樹脂からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成形品。
6. 前記連続繊維が、炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成形品。
7. 連続繊維を一方向に引き揃えて樹脂を含浸したプリプレグから形成したリング状基材を、補強構造として開口部の周囲に配置し、成形することを特徴とする成形品の製造方法。
8. 前記リング状基材を、前記開口部を囲むように載置したあと、加熱成形することを特徴とする請求項７に記載の成形品の製造方法。
9. 前記リング状基材を、単独で加熱成形したあと、成形品本体に接合することを特徴とする請求項７に記載の成形品の製造方法。
10. プリプレグをマンドレルにロール状に巻きつけたあと輪切りすることにより、前記リング状基材を形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の成形品の製造方法。
11. プリプレグを補強構造の厚さに相当する幅に切り出したテープ状基材を、マンドレルに巻きつけることによって前記リング状基材を形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の成形品の製造方法。
12. 前記マンドレルが、成形品開口部形状に対応する断面形状であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の成形品の製造方法。

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