JP2014100829A - 金属／ｃｆｒｐ複合構造体、並びに、その製造方法及び製造設備 - Google Patents

金属／ｃｆｒｐ複合構造体、並びに、その製造方法及び製造設備 Download PDF

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Abstract

【課題】熱間プレス加工された金属材料と炭素繊維強化樹脂材料とを組み合わせることで軽量且つ高強度な金属／ＣＦＲＰ複合構造体を提供すること、並びに、金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造方法及び製造設備を提供すること。
【解決手段】金属製のブランク材（１）を焼入れ可能な温度まで加熱し、熱間プレス加工を施して焼入れされた一次中間製品を得る。その一次中間製品と、炭素繊維および未硬化の熱硬化性樹脂からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグ（１１）とをＣＦＲＰ成形型（１２，１３）にセットし、該プリプレグをプレス成形して一次中間製品の表面にＣＦＲＰが密接した二次中間製品を得る。その二次中間製品を所定時間保温及び加圧することで、ＣＦＲＰプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させ、ＣＦＲＰと一次中間製品との境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって両者を強固に接着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料と炭素繊維強化樹脂（CFRP）材料とを組み合わせてなる金属／ＣＦＲＰ複合構造体、並びに、その製造方法及び製造設備に関するものである。
自動車部品は、燃費向上・環境保護の観点から軽量化が求められており、鋼板を熱間プレス加工（プレス成形と焼入れとを同時に行うことから「ダイクエンチ加工」ともいう）することで、部品の軽量化（薄板厚化）と高強度化とを両立させることが一般的になっている。ここから更に部品を軽量及び高強度化するには、鋼板（鋼材）よりも軽量高強度な材料への置換が有力な選択肢であり、アルミや、繊維と樹脂とを組み合わせた複合材料の適用も検討されている。特に、炭素繊維強化樹脂（CFRP）は軽量高強度な材料であり、将来的に自動車ボディー及びその部品への適用が期待されている。但し、ＣＦＲＰについては、現時点で材料費が高価であり、部品成形時のサイクルタイムが長いこと（ひいては製造コストが高いこと）が課題視されている。
特許文献１（特開平６−１０１７３２）は、アルミニウム合金（衝撃吸収材）と繊維強化プラスチック（高強度軽量材）とをボルトで接合した「複合構造の衝撃吸収用部材」を開示する。但し、文献１の技術は、母材がアルミニウム合金製の事例である。また、アルミニウム母材の成形工程と、高強度軽量材としての繊維強化プラスチックの成形工程と、成形後のアルミニウム母材及び繊維強化プラスチックの接合工程とは、互いに別個独立した工程となっており、多数の工程を経る必要から製造コストが高かった。更にアルミニウム母材と繊維強化プラスチックとの接合はボルトによる接合、つまり点接合であるため、面全体を接合した場合（面接合構造）に比べて複合構造体の強度や剛性が劣ることは否めない。
特許文献２（国際公開ＷＯ９９／１０１６８号公報）は、軽金属材の表面に炭素繊維強化樹脂（CFRP）材を両者間に接着剤層を介して接着した構造材（軽金属／CFRP製構造部材）を開示する。但し、文献２に開示された軽金属は主としてアルミニウムである。また、軽金属の成形工程と、炭素繊維及び樹脂（熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂）からなるＣＦＲＰの成形工程と、成形後の軽金属及びＣＦＲＰの接着工程とは、互いに別個独立した工程となっており、多数の工程を経る必要から製造コストが高かった。更にＣＦＲＰとは別に接着剤を必要とするため、その材料費や接着剤塗布・貼り合わせの加工費が必要となり、この点もコスト増の要因となっている。また、文献２の実施例では、接着剤として（室温）硬化型の接着剤が使用されており、接着剤の硬化時間がかかる分、製造プロセスのサイクルタイムも長くなる傾向にある。
特開平６−１０１７３２号公報（段落００１７〜００２２等） 国際公開ＷＯ９９／１０１６８号公報（東レ株式会社）
本発明の目的は、熱間プレス加工された金属材料と炭素繊維強化樹脂（CFRP）材料とを組み合わせることで軽量且つ高強度な金属／ＣＦＲＰ複合構造体を提供すること、及び、そのような金属／ＣＦＲＰ複合構造体を低消費エネルギー、低コストで製造可能な金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造方法を提供すること、及び、その製造方法の実施に適した金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備を提供することにある。
本願では、製造方法、物および製造設備の三つの観点から発明を把握する。
＜金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造方法＞
本発明に係る金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造方法は、
金属製のブランク材を焼入れ可能な温度まで加熱する加熱工程と、
前記ブランク材に熱間プレス加工を施して焼入れされた一次中間製品を得る熱間プレス工程と、
炭素繊維および未硬化の熱硬化性樹脂からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグを準備する準備工程と、
熱間プレスされた一次中間製品およびＣＦＲＰプリプレグをＣＦＲＰ成形型にセットすると共に、ＣＦＲＰプリプレグをプレス成形して、前記一次中間製品の表面にＣＦＲＰプリプレグが密接した二次中間製品を得るＣＦＲＰ成形工程と、
前記ＣＦＲＰ成形工程で得られた二次中間製品を所定時間保温及び加圧することで、ＣＦＲＰプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させると共に、ＣＦＲＰプリプレグと一次中間製品との境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって両者を強固に接着する熱硬化接着工程と、を経ることを特徴とする。
より好ましくは、前記金属は鉄系金属であることを特徴とする。
本発明の製造方法によれば、熱間プレス加工（ダイクエンチ加工）での残り熱を有効利用してＣＦＲＰプリプレグを成形できるので、製造コストの低減、省エネルギー化を図ることができる。一次中間製品とＣＦＲＰプリプレグとを重ね合わせてＣＦＲＰ成形および熱硬化接着をすることができるので、ＣＦＲＰ成形型および硬化接合用保持型の構造を簡素化でき、製造コストの低減することができる。
＜鉄系金属／ＣＦＲＰ複合構造体＞
本発明に係る鉄系金属／ＣＦＲＰ複合構造体は、
鉄系金属製のブランク材を熱間プレス加工して得られる焼入れ済み金属基体と、
前記金属基体の表面の少なくとも一部に密接された炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）と、を備え、
前記炭素繊維強化樹脂は、炭素繊維および熱硬化性樹脂からなるものであり、
前記金属基体と前記炭素繊維強化樹脂とは、当該炭素繊維強化樹脂から提供されて両者の境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって強固に接着されている、ことを特徴とする。
本発明の複合構造体によれば、熱間プレス加工して得られる焼入れ済み金属基体と炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）とを組み合わせることで、軽量で高強度な部品（複合構造体）を比較的低コストで製造することができる。また、ＣＦＲＰの使用量を必要最小限に抑えることができるため、低コストを実現しやすい。
＜金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備＞
本発明に係る金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備は、加熱棟（２）及びプレス機（８）を有する金属／ＣＦＲＰ複合構造体を製造するための設備であって、
前記加熱棟（２）は、金属製のブランク材を焼入れ可能な温度まで加熱するための第１の加熱室（４）と、第２の加熱室（２０）とを備え、
前記プレス機は、
前記ブランク材に熱間プレス加工を施して一次中間製品を得るための熱間プレス手段（９，１０）と、
熱間プレスされた一次中間製品、並びに、炭素繊維および未硬化の熱硬化性樹脂からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグをＣＦＲＰ成形型（１２，１３）にセットすると共に、ＣＦＲＰプリプレグをプレス成形して、前記一次中間製品の表面にＣＦＲＰプリプレグが密接した二次中間製品を得るためのＣＦＲＰ成形手段（１２，１３）と、
を備え、
前記第２の加熱室（２０）は、前記二次中間製品を硬化接合用保持型（１６，１７）に保持した状態で所定時間保温および加圧することで、ＣＦＲＰプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させると共に、ＣＦＲＰプリプレグと一次中間製品との境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって両者を強固に接着するためのものであり、
当該第２の加熱室（２０）は、前記第１の加熱室の直上に設けられて前記第１の加熱室からの余熱を熱源とする、ことを特徴とする。
より好ましくは、前記加熱棟（２）は更に、前記二次中間製品を保持する前の前記硬化接合用保持型（１６，１７）を予熱するための第３の加熱室（２６）を備え、この第３の加熱室は、前記第２の加熱室の直上に設けられて前記第１及び第２の加熱室からの余熱を熱源とし、
前記硬化接合用保持型（１６，１７）は複数組用意されており、
前記加熱棟（２）は更に、前記複数組の保持型を前記第２及び第３の加熱室（２０，２６）内で循環的に搬送するための搬送機構（１８，１９，２１〜２４，２７）を備えている、ことを特徴とする金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備である。
本発明の製造設備によれば、第２の加熱室は、第１の加熱室の直上に設けられて第１の加熱室からの余熱を熱源としているため、二次中間製品の硬化接合のための設備費を低減すると共に、省エネルギー及び製造コストの削減を図ることができる。また、複数組の硬化接合用保持型で同時に多数のワーク（二次中間製品）を処理できるので、熱硬化性樹脂の熱硬化に長い時間が必要な場合でも、トータルで１製品あたりのサイクルタイムを短縮することができ、高い生産性を実現することができる。
本発明によれば、熱間プレス加工された金属材料と炭素繊維強化樹脂（CFRP）材料とを組み合わせることで軽量且つ高強度な金属／ＣＦＲＰ複合構造体を提供することができる。また、本発明の製造方法及び製造設備によれば、軽量且つ高強度な金属／ＣＦＲＰ複合構造体を低消費エネルギー、低コストで製造することができる。
金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備の概要を示す図。 ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）の型開き時の概略断面図。 ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）の型閉じ時の概略断面図。 硬化接合用保持型（１６，１７）の型開き時の概略断面図。 硬化接合用保持型（１６，１７）の型閉じ及び搬送時の概略断面図。 ＣＦＲＰ成形型および硬化接合用保持型の下型に関する平面図。 ＣＦＲＰ成形型および硬化接合用保持型の全体側面図。
以下、本発明の実施形態及び好ましい変更態様につき図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施に適した金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備を示す。この製造設備は、図１の左寄り位置に描かれた加熱棟２と、図１の右寄り位置に描かれたプレス機８とを備える。中でも加熱棟２は、三階建て構造（多段構造）を有しており、第１階部分（最下層）に配設された第１の加熱室４、第２階部分（中間層）に配設された第２の加熱室２０、及び、第３階部分（最上層）に配設された第３の加熱室２６を備えている。加熱棟２のその他の付帯設備については、後ほど説明する。プレス機８には、ダイクエンチ（ＤＱ）成形型（９，１０）と、ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）とが併設されている。
本実施形態では出発材料として、板状の金属製ブランク材１と、シート状の炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグ１１とを使用する。
ブランク材１とは、焼入れ可能な金属の板材からなるブランク材であって、例えば高張力鋼板（厚さ：１〜３ｍｍ）を打抜き加工用プレス機で所定の平面形状に打抜き加工して平板状としたものである。一般に高張力鋼とは、低炭素鋼に少量の合金元素を添加することで４００〜１２００ＭＰａ（メガパスカル）程度の引張強度を実現した強靭な鋼材をいい、オーステナイト域温度からの焼入れが可能な鉄系金属である。本実施形態ではブランク材１として、厚さ約２ｍｍ、引張強度が５００〜１０００ＭＰａの高張力鋼板を用いた。またブランク材１は、第１加熱室４での高温加熱時にブランク材表面に酸化スケールが生成しないように、Ａｌめっき又はＺｎめっきが施された鋼板を採用した。
他方、ＣＦＲＰプリプレグ１１は、炭素繊維に未硬化の熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）を含浸させてなるものであり、これは市販プリプレグに若干の手を加えることで得ることができる。即ち一般に市販されているＣＦＲＰプリプレグは厚さが０．１〜０．５ｍｍのものが多いが、本実施形態では、市販プリプレグを複数枚重ね合わせて厚さを１〜３ｍｍに調整したものをＣＦＲＰプリプレグ１１として用いた。
［製造手順］
図１の製造設備を用いた製造工程を以下に説明する。
熱間プレス加工（ダイクエンチ（ＤＱ）ともいう）の対象となるブランク材１は、投入装置３によって加熱棟２の第１加熱室４に投入される。第１加熱室４内には、複数の搬送ローラー５による水平な搬送経路が設定されると共に、図示しない電気又はガス加熱手段が設けられている。ブランク材１は搬送ローラー５上を図１の左から右に向けて搬送され、この搬送時間（約１〜１０分）中に８００〜１０５０℃の温度に加熱される。このように第１加熱室４でブランク材１は焼入れ可能な温度にまで加熱される。
第１加熱室４を通り抜けたブランク材（高温状態のブランク材６）は、搬出装置７に取り出され、プレス機８に運ばれる。高温状態ブランク材６はＤＱ成形型の下型９にセットされ、ＤＱ成形型の上型１０との間で熱間プレスされて、プレス成形（付形）と焼入れとを同時に施される。こうして一次中間製品としての焼入れ済み金属基体１４が得られる。熱間プレス（ダイクエンチ）の結果、金属基体１４の引張強度は１４００〜１８００ＭＰａにまで高められる。なお、焼入れの効果を高めるために、ＤＱ成形型（９，１０）の内部に冷却水路を設けることは好ましい。
熱間プレス直後の焼入れ済み金属基体１４の温度は約１００〜２５０℃であり、この温度は上記プリプレグの熱硬化温度にほぼ対応する。ＤＱ成形型（９，１０）から取り出された金属基体１４は、ＣＦＲＰ成形型の下型１２にセットされると共に、その上にＣＦＲＰプリプレグ１１がセットされる（図１，２参照）。そして、熱間プレス加工と同期したプレスストロークでＣＦＲＰ成形型の上型１３を下型１２に押し付けて、ＣＦＲＰプリプレグ１１を金属基体１４の形状に沿わせた形状に成形し且つ貼り付ける（図３参照）。こうして、一次中間製品としての金属基体１４の表面にＣＦＲＰプリプレグ１１が密接した二次中間製品としての仮貼着複合ワーク１５が得られる。なお、ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）は後述する硬化接合用保持型（１６，１７）と構造的に類似するため、ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）及び硬化接合用保持型（１６，１７）の詳細構造については、後ほどまとめて説明する。
プレス機８から取り出された仮貼着複合ワーク１５は、加熱棟２の第２階部分と第３階部分を循環的に移動可能な硬化接合用保持型（１６，１７）にセットされる（図１，図４参照）。具体的には、仮貼着複合ワーク１５は、第１の保持型運搬装置１９上に待機する硬化接合用保持型の下型１６にセットされ、その直後に、上型昇降装置１８によって硬化接合用保持型の上型１７が重ね合わされる。そして、仮貼着複合ワーク１５は上下の保持型１６，１７によって挟着された状態で第２加熱室２０内に送り込まれる（図５参照）。なお、本実施形態の製造設備には、硬化接合用保持型の下型１６と上型１７のペアが複数組用意されている（図１参照）。
図１及び図５に示すように、第２加熱室２０内には、複数の搬送ローラー２１による水平な搬送経路が設定されている。保持型（１６，１７）と共に仮貼着複合ワーク１５は、搬送ローラー２１上を図１の右から左に向けて搬送され、この搬送時間（約１〜１０分）中、１００〜２５０℃に加温・保持される。なお、第２加熱室２０には特別な加熱装置は設けられておらず、当該加熱室２０を１００〜２５０℃に加温又は保温するための熱は、下側の第１加熱室４から伝達される余熱（伝導熱や廃熱）を利用している。なお、第２加熱室２０において、温度調節用に補助的な電気式又はガス式加熱装置を用いてもよい。また、第２加熱室２０の天井部分には、搬送ローラー２１と対向する圧着ローラー２２が複数配設されており（図１，５参照）、硬化接合用保持型（１６，１７）に保持された仮貼着複合ワーク１５は、圧着ローラー２２群による加圧力を受けつつ第２加熱室２０を搬送される。なお、圧着ローラー２２群は加圧対象物に合わせて搬送ローラー２１との間隔（つまり加圧力）を変更できるように、上下に位置調節可能となっている。
仮貼着複合ワーク１５が第２加圧室２０を通り抜けること（即ち一定の加圧力を受けつつ所定温度で所定時間保持されること）で、ＣＦＲＰプリプレグ１１に含まれる熱硬化性樹脂が熱硬化すると共に、ＣＦＲＰプリプレグ１１と金属基体１４との境界域に浸み出した熱硬化性樹脂の熱硬化によって両者（１１，１４）が強固に接着される。こうして、目的とする金属／ＣＦＲＰ複合構造体（完成品２５）が得られる。
なお、本実施形態では、第１加熱室４でのブランク材１の加熱時間は１〜１０分間であり、第２加熱室２０での仮貼着複合ワーク１５の加温時間も１〜１０分間であるので、第１加熱室４の通過時間と第２加熱室２０の通過時間とが同期するように搬送ローラー５，２１による搬送速度を調整することで、ブランク材１の加熱工程のサイクルタイムと、仮貼着複合ワーク１５の熱硬化接着工程のサイクルタイムとを同じにして理想的な連続生産を実現することができる。
図１に示すように、第２加熱室２０を通り抜けた硬化接合用保持型（１６，１７）は、第２の保持型搬送装置２３上に搬出される。上型昇降装置２４により硬化接合用保持型の上型１７だけが持ち上げられ、金属／ＣＦＲＰ複合構造体の完成品２５が取り出される。その後、保持型搬送装置２３は硬化接合用保持型の下型１６を乗せた状態で第３階部分（第３加熱室２６の高さ）に上昇する。そして、上型昇降装置２４により予め持ち上げられていた上型１７が下型１６に組み合わされ、合体した両型１６，１７は第３加熱室２６内に送り込まれる。
第３加熱室２６内には、複数の搬送ローラー２７による水平な搬送経路が設定されている。硬化接合用保持型（１６，１７）は搬送ローラー２７上を図１の左から右に向けて搬送され、第１の保持型搬送装置１９の位置に到達する。硬化接合用保持型（１６，１７）が第３加熱室２６を通過する所要時間は、仮貼着複合ワーク１５が第２加熱室２０を通過する時間と同じ（即ち約１〜１０分）に設定されている。この搬送時間中、硬化接合用保持型（１６，１７）は１００〜２５０℃に加温又は保温される。なお、第３加熱室２６には特別な加熱装置は設けられておらず、当該加熱室２６を１００〜２５０℃に加温又は保温するための熱は、下側の第１加熱室４及び第２加熱室２０から伝達される余熱（伝導熱や廃熱）を利用している。なお、第３加熱室２６において、温度調節用に補助的な電気式又はガス式加熱装置を用いてもよい。
１００〜２５０℃に予熱後、第１の保持型搬送装置１９上に搬出された硬化接合用保持型（１６，１７）は、上型昇降装置１８により上型１７が持ち上げられて下型１６と分離される。そして、保持型搬送装置１９は下型１６のみを乗せた状態で、第２階部分（第２加熱室２０の高さ）に降下する。そして再び、仮貼着複合ワーク１５がセットされて第２加熱室２０内に進み、第３加熱室２６を経て保持型搬送装置１９の位置に帰還するという循環的な搬送操作が繰り返される。
故に本実施形態では、装置１８，１９、ローラー２１，２２、装置２３，２４、ローラー２７により、「複数組の硬化接合用保持型（１６，１７）を第２及び第３の加熱室（２０，２６）内で循環的に搬送するための搬送機構」が構成される。
［ＣＦＲＰ成形型および硬化接合用保持型］
ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）と硬化接合用保持型（１６，１７）とはほぼ同じ構造を有するため、一括して以下に説明する。なお、図７は、仮貼着複合ワーク１５を保持したＣＦＲＰ成形型（１２，１３）又は硬化接合用保持型（１６，１７）の全体側面を示し、図６は、仮貼着複合ワーク１５を保持したＣＦＲＰ成形型又は硬化接合用保持型から上型（１３，１７）を取り除いた状態の平面視（上面視）を示す。そして、図４及び図２は、図６のＡ−Ａ線に沿った断面図に相当する。
図２及び図４に示すように、ＣＦＲＰ成形型の下型１２と硬化接合用保持型の下型１６とはほぼ同じ構造をしている。図６及び図７に示すように、これら下型（１２，１６）は、下型ベースプレート２８上に等間隔で配列された複数列のワーク支持部３０（図６では４列図示）を有しており、各列のワーク支持部３０の両サイドにはエンドブロック２９が立設されている。複数列のワーク支持部３０は、焼入れ済み金属基体１４の全表面のうちのＣＦＲＰプリプレグ１１を貼り付ける一部表面部位に対応させて配置されている。複数列のワーク支持部３０は専らワークのプリプレグ対応部位のみを支えるものの、これらは協力して、成形後の金属基体１４の形状に合致した下側保持のための形状（骨組み）を提供する。このため、ＣＦＲＰプリプレグ１１を貼り付けない金属基体１４の残り部位は、実質的にサポートフリー（支持無し）状態となっている。これら下型（１２，１６）は、金属基体１４を位置決めし且つ固定するためのワーク支持用の下側治具３６，３８を備えている。
図２及び図４に示すように、ＣＦＲＰ成形型の上型１３と硬化接合用保持型の上型１７とはほぼ同じ構造をしている。図６及び図７に示すように、これら上型（１３，１７）は、上型ベースプレート３３の下側に取り付け台３２を介して押圧部３１を備えている。この押圧部３１は、焼入れ済み金属基体１４の全表面のうちのＣＦＲＰプリプレグ１１を貼り付ける一部表面部位に対応させて設けられている。これら上型（１３，１７）は、金属基体１４を位置決めし且つ固定するためのワーク支持用の上側治具３７，３９を備えている（図７参照）。そして図６及び図７に示すように、ワークとしての金属基体１４（図６及び図７では、自動車のＢピラーを想定した形状に描かれている）の軸方向両端部を、下側治具３６，３８と上側治具３７，３９との間に挟み込むことで金属基体１４を固定している。
本実施形態によれば、ＣＦＲＰプリプレグ１１に含まれるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂にはそれ自体に接着力があるため、硬化接合用保持型（１６，１７）に保持して加熱（保温）及び加圧を加えることで金属製のブランク材１とＣＦＲＰプリプレグ１１とを強固に接着することができる。ＣＦＲＰプリプレグ１１の成形および貼付けに必要な加圧力は０．１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．９８〜４９．０Ｎ／ｃｍ２）と比較的低圧なので、上型（１３，１７）の押圧部３１の構成素材は耐熱ウレタンまたは耐熱ゴムで足りる。この押圧部３１は成形狙い寸法から最大５ｍｍ程度大きく寸法設定されており、当該押圧部３１のたわみ（弾性変形）に基づいてＣＦＲＰプリプレグ１１がブランク材１に押し付けられる。ちなみに押圧部３１の押圧力が過度に大きくならないように、エンドブロック２９の高さを調整したり、又は、押圧部３１をＺＡＳ（亜鉛合金の一種）等の柔らかい金属材料やＳＫＤ等の金型材料で構成したりしてもよい。
焼入れ済み金属基体１４は高強度且つ高剛性な形状であり、押圧部３１による上記加圧力程度の外力では変形しない。それ故、下型（１２，１６）において細壁形状のワーク支持部３０を複数列間欠的に配置してなる簡易な支持構造を採用しても、加圧力を十分に受け止めることができるので、ＣＦＲＰプリプレグ１１の成形および保持に何ら支障を生じない。
［実施形態の効果］
以下、本実施形態の利点等について説明する。
従来技術（特許文献１，２）では、アルミニウム母材の成形工程と、繊維強化プラスチックの成形工程と、成形後のアルミニウム母材及び繊維強化プラスチックの接合又は接着工程とが互いに別個独立しており、多数の工程を経る必要から製造コストが高いという欠点があった。これに対し本実施形態では、鋼板の熱間プレス加工用設備を若干改造した図１のような設備を使って、ＣＦＲＰプリプレグ１１の成形と金属基体１４への接着接合とを連続的に実施できるため、従来よりも製造コストを低く抑えることができる。
従来技術（特許文献２）では、熱硬化性樹脂材料の硬化に必要な温度を確保するためには特別な加熱装置を必要とするであろう。これに対し本実施形態では、熱硬化接着工程を担保する第２加熱室２０の熱源として、熱間プレス工程を担保する第１加熱室４からの余熱を利用するため、第２加熱室２０に追加の加熱装置を必要とせず、設備コストを低くできる。また、第１加熱室４からの余熱を利用するため、熱効率に優れ、エネルギーの節約、ひいては製造コストの低減を図ることができる。
熱間プレス加工直後の金属基体１４は１００〜２５０℃の温度レベルにまで冷却されており、このときの温度は幸いにも熱硬化性樹脂の成形・硬化温度と同レベルである。それ故、焼入れ後の金属基体１４が保持する熱量を熱硬化性樹脂の成形・硬化に有効利用することができ、結果的に製造工程の簡略化、低コスト化、省エネ化を図ることができる。
本実施形態のプレス機８によれば、高温状態のブランク材６の熱間プレス加工と、ＣＦＲＰプリプレグ１１の成形及び重ね合わせとを、同じプレスストロークで行うことができるため、設備コストの低減と省エネルギーとを図ることができる。
本実施形態では、ＣＦＲＰプリプレグ１１の成形を金属基体１４に重ね合わせる形で行うので、ＣＦＲＰ成形型のダイス側（凹側）の型（即ち下型１２）の構造を簡易なものとすることができ、型費低減が可能である。
本実施形態では、ＣＦＲＰプリプレグ１１の成形を金属基体１４に重ね合わせる形で行い、その後に保持型（１６，１７）で加温及び加圧状態で所定時間保持するので、ＣＦＲＰプリプレグ１１を金属基体１４に密に沿わせた形態で精度良く一体成形することができる。また、その際、ＣＦＲＰプリプレグ１１に含浸されている熱硬化性樹脂が浸み出して接着接合に関与するので、接着剤を改めて塗布する等の追加工程が不要であり、極めて生産効率が良い。
一般に熱硬化性樹脂は熱硬化に１分以上の時間を必要とするため、仮にＣＦＲＰ成形型（１２，１３）内で熱硬化させるとサイクルタイムが長くなってしまう。これに対し本実施形態では、ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）とは別に、簡易で低コストな硬化接合用保持型（１６，１７）を複数組用意し、これらを循環的に繰り返し使用するため、全工程トータルでのサイクルタイムを大幅に短縮できる。
本実施形態では、加熱棟２を図１のように多段構造とすることで、限られた設置面積内であっても複数組の硬化接合用保持型（１６，１７）を順送するスペースを確保することができる。
［変更例］
図１の製造設備において、ＣＦＲＰ成形型（１２，１３）にセットする前のＣＦＲＰプリプレグ１１を予熱するための予熱室５０を併設してもよい。
１，６…ブランク材，２…加熱棟，４…第１の加熱室，８…プレス機，９，１０…ダイクエンチ成形型（熱間プレス手段），１１…ＣＦＲＰプリプレグ，１２，１３…ＣＦＲＰ成形型（ＣＦＲＰ成形手段），１４…焼入れ済み金属基体（一次中間製品），１５…仮貼着複合ワーク（二次中間製品），１６，１７…硬化接合用保持型，２０…第２の加熱室，２６…第３の加熱室，１８，１９，２１〜２４，２７…硬化接合用保持型を循環的に搬送するための搬送機構。

Claims (5)

  1. 金属製のブランク材を焼入れ可能な温度まで加熱する加熱工程と、
    前記ブランク材に熱間プレス加工を施して焼入れされた一次中間製品を得る熱間プレス工程と、
    炭素繊維および未硬化の熱硬化性樹脂からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグを準備する準備工程と、
    熱間プレスされた一次中間製品およびＣＦＲＰプリプレグをＣＦＲＰ成形型にセットすると共に、ＣＦＲＰプリプレグをプレス成形して、前記一次中間製品の表面にＣＦＲＰプリプレグが密接した二次中間製品を得るＣＦＲＰ成形工程と、
    前記ＣＦＲＰ成形工程で得られた二次中間製品を所定時間保温及び加圧することで、ＣＦＲＰプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させると共に、ＣＦＲＰプリプレグと一次中間製品との境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって両者を強固に接着する熱硬化接着工程と、
    を経ることを特徴とする、金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造方法。
  2. 前記金属は鉄系金属である、ことを特徴とする請求項１に記載の金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造方法。
  3. 鉄系金属製のブランク材を熱間プレス加工して得られる焼入れ済み金属基体と、
    前記金属基体の表面の少なくとも一部に密接された炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）と、を備え、
    前記炭素繊維強化樹脂は、炭素繊維および熱硬化性樹脂からなるものであり、
    前記金属基体と前記炭素繊維強化樹脂とは、当該炭素繊維強化樹脂から提供されて両者の境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって強固に接着されている、
    ことを特徴とする鉄系金属／ＣＦＲＰ複合構造体。
  4. 加熱棟（２）及びプレス機（８）を有する金属／ＣＦＲＰ複合構造体を製造するための設備であって、
    前記加熱棟（２）は、金属製のブランク材を焼入れ可能な温度まで加熱するための第１の加熱室（４）と、第２の加熱室（２０）とを備え、
    前記プレス機は、
    前記ブランク材に熱間プレス加工を施して一次中間製品を得るための熱間プレス手段（９，１０）と、
    熱間プレスされた一次中間製品、並びに、炭素繊維および未硬化の熱硬化性樹脂からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）プリプレグをＣＦＲＰ成形型（１２，１３）にセットすると共に、ＣＦＲＰプリプレグをプレス成形して、前記一次中間製品の表面にＣＦＲＰプリプレグが密接した二次中間製品を得るためのＣＦＲＰ成形手段（１２，１３）と、
    を備え、
    前記第２の加熱室（２０）は、前記二次中間製品を硬化接合用保持型（１６，１７）に保持した状態で所定時間保温および加圧することで、ＣＦＲＰプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させると共に、ＣＦＲＰプリプレグと一次中間製品との境界に位置する熱硬化性樹脂の熱硬化によって両者を強固に接着するためのものであり、
    当該第２の加熱室（２０）は、前記第１の加熱室の直上に設けられて前記第１の加熱室からの余熱を熱源とする、ことを特徴とする金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備。
  5. 前記加熱棟（２）は更に、前記二次中間製品を保持する前の前記硬化接合用保持型（１６，１７）を予熱するための第３の加熱室（２６）を備え、この第３の加熱室は、前記第２の加熱室の直上に設けられて前記第１及び第２の加熱室からの余熱を熱源とし、
    前記硬化接合用保持型（１６，１７）は複数組用意されており、
    前記加熱棟（２）は更に、前記複数組の保持型を前記第２及び第３の加熱室（２０，２６）内で循環的に搬送するための搬送機構（１８，１９，２１〜２４，２７）を備えている、ことを特徴とする請求項４に記載の金属／ＣＦＲＰ複合構造体の製造設備。
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