JP2014224241A - 異種材料接合部および異種材料の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維補強材料と金属材料の接合方法の提供。
【解決手段】第１の本体部材は、第１の上面および下面を有する繊維補強材料からなる第１の層を備えている。第２の本体部材は、金属を含んでいる。ステープルは、クラウンによって接続された第１および第２の枝を備えている。第１および第２の枝は、クラウンが第１の上面に隣接して位置するように第１の層を貫いて挿入される。ワイヤラダーが、第１の下面に隣接して配置され、複数の横木によって互いに接続された第１および第２のレールを備えている。第１および第２の枝が、対応する第１および第２の横木に引っかかる。接着剤が、第１および第２の本体部材の間に配置され、クラウンの少なくとも一部分を覆う。他の異種材料接合部ならびに異種材料接合部の形成方法も提供される。
【選択図】なし
【解決手段】第１の本体部材は、第１の上面および下面を有する繊維補強材料からなる第１の層を備えている。第２の本体部材は、金属を含んでいる。ステープルは、クラウンによって接続された第１および第２の枝を備えている。第１および第２の枝は、クラウンが第１の上面に隣接して位置するように第１の層を貫いて挿入される。ワイヤラダーが、第１の下面に隣接して配置され、複数の横木によって互いに接続された第１および第２のレールを備えている。第１および第２の枝が、対応する第１および第２の横木に引っかかる。接着剤が、第１および第２の本体部材の間に配置され、クラウンの少なくとも一部分を覆う。他の異種材料接合部ならびに異種材料接合部の形成方法も提供される。
【選択図】なし
Description
本発明は、概して、車両において使用することができるような異種材料接合部に関する。
異なる材料の接合は、民間車両および軍用車両の両方の重量軽減にとって重大な技術的障壁である。
一実施態様によれば、異種材料接合部が、第１の本体部材と、第２の本体部材と、ステープル（ｓｔａｐｌｅ）と、ワイヤラダー（ｗｉｒｅ ｌａｄｄｅｒ）と、接着剤とを備える。前記第１の本体部材は、繊維補強材料からなる第１の層を備えている。前記繊維補強材料からなる前記第１の層は、第１の上面および第１の下面を有している。前記第２の本体部材は、金属を含んでいる。前記ステープルは、第１の枝（ｐｒｏｎｇ）と、第２の枝と、前記第１および第２の枝を接続するクラウン（ｃｒｏｗｎ）とを備えている。前記第１および第２の枝は、前記クラウンが前記第１の上面に隣接して位置するように前記繊維補強材料からなる第１の層を貫いて挿入される。前記ワイヤラダーは、前記第１の下面に隣接して配置され、複数の横木（ｒｕｎｇｓ）によって互いに接続された第１および第２のレールを備えている。前記ステープルの前記第１および第２の枝が、前記ワイヤラダーの対応する第１および第２の横木に引っかかる。前記接着剤が、前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間に配置され、前記ステープルの前記クラウンの少なくとも一部分を覆う。
別の実施態様によれば、異種材料接合部を形成する方法が提供される。この方法は、ステープルの第１および第２の枝が第１の本体部材の繊維補強材料からなる第１の層を通過し、かつ前記ステープルのクラウンが前記第１の層の上面に隣接して位置するように、前記ステープルで前記第１の本体部材の繊維補強材料の前記第１の層を穿刺するステップを含む。この方法は、ワイヤラダーを前記繊維補強材料の前記第１の層の下面に隣接させて配置するステップをさらに含む。ワイヤラダーは、複数の横木によって互いに接続された第１および第２のレールを備えている。この方法は、前記ステープルの前記第１および第２の枝の端部を前記ワイヤラダーの対応する第１および第２の横木に引っかかるように曲げるステップをさらに含む。また、この方法は、前記ステープルの前記クラウンの少なくとも一部分が接着剤によって覆われるように、前記第１の層と第２の本体部材との間に前記接着剤を配置するステップをさらに含む。前記第２の本体部材は、金属を含んでいる。
さらに別の実施態様によれば、異種材料接合部が、第１の本体部材と、第２の本体部材と、補強部材と、固定具本体と、接着剤とを備えている。前記第１の本体部材は、繊維補強材料からなる第１の層を備えている。前記第１の本体部材は、第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面とを有している。前記第２の本体部材は、金属を含んでおり、前記第１の本体部材の前記第１の表面に向かい合わせに配置される。前記補強部材は、前記第１の本体部材の前記第２の表面に隣接して配置される。前記固定具本体は、前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間に配置され、前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間にすき間を維持する。前記固定具本体は、第１の脚および第２の脚を備えており、前記第１および第２の脚の各々が、そこから前記第１の本体部材および前記補強部材を通って延びている。前記第１および第２の脚は、前記補強部材の少なくとも一部分を前記第１の本体部材と前記第１および第２の脚との間に位置させるように構成されている。前記接着剤は、前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間のすき間に配置され、前記固定具本体の少なくとも一部分に接する。
種々の実施態様は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
いくつかの実施形態を、図１、図２Ａ〜２Ｈ、図３Ａ〜３Ｃ、図４Ａ〜４Ｈ、図５Ａおよび５Ｂ、図６Ａ〜６Ｃ、ならびに図７に示される例を用いて、以下で詳しく説明する。図面においては、すべての図を通して、類似の参照番号は類似の構成要素を指している。
自動車または他の車両、設備、あるいは他の品物に用いられる異種材料の接合部を供給するために、ステープルは、後述のように、組成が互いに相違する第１および第２の本体部材の付着を促進させる目的で使用され得る。一実施形態においては、第１の本体部材は、繊維補強材料からなる第１および第２の層を含むことができる。繊維補強材料として、炭素繊維補強材料または繊維補強プラスチック（ＦＲＰ）を挙げることができる。一実施形態においては、ＦＲＰは、繊維材料を被包するマトリクス材料を含む。マトリクス材料は、引張特性が極めて強い繊維材料と比べて比較的弱いエポキシ樹脂であってよい。炭素繊維が使用される場合、ＦＲＰは炭素繊維補強ポリマー（ＣＦＲＰ）になる。炭素繊維は、きわめて高い引張強度を有するが、引張荷重以外の荷重に対する強度を有するために樹脂マトリクスが用いられる。さらに、繊維材料の異方性は、マトリクスの全体にわたる力の伝達を介して荷重が加えられる種々の繊維の向きによって均衡される。
第２の本体部材は、車両あるいは他の設備または品物の構成部品を含むことができ、例えばアルミニウム（例えば、アルミニウム合金）などの金属から形成することができる。一実施形態においては、第２の本体部材は、６０００系のアルミニウム合金を含むことができる。軽金属として、アルミニウムは、自動車の構造体の重量の削減を促進することができる。鋼と比べて低い密度を有するが、アルミニウムは、金属疲労、極限強度、および腐食に関するいくつかの懸念を伴う。
繊維補強材料の第１の層１０の一部分が、図１および図４Ａに示されている。一実施形態においては、第１の層１０が、約１．２ｍｍの厚さを有するＣＦＲＰドライ布地を含むことができ、それ自体が６つの部分層（例えば、０、４５、９０、−４５、９０、０）を含むことができる。第１の層１０は、上面１２および下面１４を有するように図示されている。「上」および「下」が、本明細書において、層の表又は裏の面を特定するために使用されており、必ずしも層の特定の水平方向または垂直方向の向きを必要としないことを理解できるであろう。
次に、図２Ａおよび図４Ａに目を向けると、ワイヤラダー２０が、下面１４に隣接して位置し、複数の横木（例えば、２４）によって互いに接続された少なくとも２つのレール（例えば、２２）を備えるものとして図示されている。ワイヤラダー２０を、鋼などの金属から形成することができる。図２Ａは、第１の層１０の上面１２との所望の位置合わせがされた状態にて、第１の層１０に間隔を開けて配置されたステープル３０を示している。ステープル３０は、図２Ａにおいて、第１の枝３２と、第２の枝４２と、第１および第２の枝３２、４２を接続するクラウン５２とを備えるように図示されている。第１の枝３２、第２の枝４２、およびクラウン５２を、図２Ａに示されているように、例えば金属線から一体の構造体としてまとめて形成することができる。第１の枝３２は、第１の枝端部３４を備えることができ、第２の枝４２は、第２の枝端部４４を備えることができる。一実施形態においては、第１および第２の枝端部３４、４４に、図２Ａに示されるように斜角をつけることができる。ステープルは、図２Ａに示した構成以外の任意のさまざまな構成を有することができることを、理解できるであろう。ステープル３０が、図２Ａに示されているような固定前の状態にあるとき、第１の枝３２および第２の枝４２の各々は、互いにほぼ平行であってよい。一実施形態においては、ステープル３０を、例えば鋼、ステンレス鋼、またはアルミニウムなどの金属、あるいは金属合金などから形成することができる。第１の枝３２、第２の枝４２、およびクラウン５２のうちの１つ以上が、腐食の防止ならびに／あるいは接着剤との効果的な相互作用および／または埋め込みの促進など（後述）のために、コーティングがされてもよい。ステープル３０を、例えば線材の曲げおよび切断プロセスなど、種々の適切なプロセスのいずれかによって形成することができる。
次いで、ステープル３０を、図２Ａの位置から移動させることができ、図２Ｂに示されているように、第１および第２の枝３２、４２を繊維補強材料の第１の層１０の近くに位置させることができる。次いで、図２Ｂ〜２Ｆに示されるように、ステープル３０の圧着を促進するためにステープル工具を近づけることができる。より具体的には、図２Ｂに示されるように、ダイ９０をワイヤラダー２０および下面１４に隣接させて配置することができる。ダイ９０は、この特定のプロセスのために設計された相応の形成ダイを備えることができる。ステープル３０をさらに移動させることで、第１および第２の枝３２、４２を図２Ｃに示されるように第１の層１０へと通し、最終的に第１の層１０を貫き（図４Ｂ（ダイ９０は示されていない）を参照）、図２Ｄに示されるようにダイ９０に接触させることができる。第１および第２の枝端部３４、４４の各々の斜角からもたらされるくさびの形状ゆえに、第１の層１０の繊維を、切断したり傷めたりするよりもむしろ外側にずらすことができることによって繊維の損傷を最小限にし、あるいは回避することができる。
ステープル３０をさらに移動させることにより、図２Ｅに示されるように、第１および第２の枝３２、４２を、ダイ９０に接触させ、ワイヤラダー２０の対応する横木２４、２４に引っかかるように曲げ始めることができる。これを、図４Ｃ（ダイ９０は図示されていない）および図４Ｆにおいても見て取ることができる。
図２Ｆは、完全に挿入されてダイ９０に押し付けられたステープル３０を示しており、第１および第２の枝３２、４２が、対応する横木２４、２４に引っかかるように完全に曲げられて、クラウン５２が、第１の層１０の上面１２に隣接しかつ接触している。これを、図４Ｄ（ダイ９０は図示されていない）および図４Ｇにおいても見て取ることができる。図２Ｆに示した状態においては、第１および第２の枝３２、４２が、対応する横木２４、２４から間隔を置いて配置されているように図示されている。これらの曲げられたステープル３０とワイヤラダー２０との間の小さなすき間は、ステープル３０を所定の位置にしっかりと付勢するうえで重要となりうる。
ダイ９０が取り除かれるとき、図２Ｇに示されるように、第１および第２の枝３２、４２が対応する横木２４、２４に接触し、クラウン５２の中央部５４が第１の層１０の上面１２に接触し、クラウン５２の側方の部分５６が第１の層１０の上面１２から離れるように、ステープル３０のクラウン５２が撓むことができる。これを、図４Ｅおよび図４Ｈにおいても見て取ることができる。ダイ９０が取り除かれると、ステープル３０は、より変形の少ない状態となるように応力を開放するためにスプリングバックすることができる。これにより、ステープル３０と横木２４との間に完全な接触をもたらし、したがって位置決めおよび位置の制御を容易にし、ステープル３０を第１の層１０にしっかりと固定又は「留める」ことができる。ステープル３０の線材の特性および形状を、挿入プロセスにおけるステープル３０の塑性変形を避けるように選択することができる。ワイヤラダー２０が、各々のステープル３０の第１および第２の枝３２、４２の形状を制御することができ、荷重を複合構造の全体へと平等に分配するように、各々のステープル３０を複合構造の全体に結合させることができる。したがって、ステープル３０からの支持の「応力」をワイヤラダー２０へと分配でき、ワイヤラダー２０が、接合部から複合構造全体への一様かつ完全に分布した荷重の伝達を促進し、局所的に応力を受ける状態を低減することができる。ダイ９０を、図２Ｆ〜２Ｈに示されるように、ステープル３０がワイヤラダー２０へと滑らかに湾曲し、その後に端部３６、４６が第１の層１０の平面にほぼ平行になるように湾曲するように、コンピュータ援用エンジニアリングを使用して設計することができる。ダイ９０は、ステープル３０の中央の曲率も制御することができる。
次いで、繊維補強材料からなる第１の本体部材の第２の層７０を、図２Ｈに示されるように、ワイヤラダー２０に隣接させて配置することができる。より具体的には、第２の層７０が、上面７２および下面７４を備えることができ、上面７２をワイヤラダー２０に隣接させることができる。第２の層７０は、例えば第１の層１０と同じ種類のＣＦＲＰを含むことができる。この構成において、ワイヤラダー２０ならびにステープル３０の第１および第２の枝３２、４２のそれぞれの端部３６、４６を、図２Ｈに示されるように第１の層１０と第２の層７０との間（の空間６４）に埋め込み、あるいは挟むことができる。次いで、さらなる工程を行う前に、第１および第２の層１０および７０の全体に樹脂を注入し、硬化させることができる。しかしながら、説明を分かりやすくするために、図２Ｈまたは後述の図３Ａ〜３Ｃにおいては、樹脂が図示されていない。別の実施形態において、樹脂を、本明細書に記載のプロセスにおいてより早期またはより後に塗布し、硬化させてもよいことを理解できるであろう。この例は、硬化前の複合材料／樹脂系を示しているが、他の変形形態が容易に硬化後の複合材料／樹脂系を使用できることを、理解できるであろう。
空間６４に位置する第１および第２の枝３２、４２の部位によって、空間６４が「樹脂豊富」な領域となる可能がある。この領域が複合材料の積層において弱い帯域となる可能性をなくし、あるいは少なくするために、樹脂豊富な領域を減らし、また、応力が第１および第２の層１０および７０の間で伝わり易くするために、追加の繊維材料をワイヤラダー２０へと追加することができる。任意の追加の繊維材料によって、完全に設置されたステープル３０が繊維の上に直接露出することがなく、「工程後」の滑り、ならびに繊維の早期の損傷または破断が生じないことを、達成することができる。
図３Ａに示されるように、接着剤６６を、例えば車両のフレーム部品（例えば、アルミニウムで形成されている）などの第２の本体部材６８へと塗布することができる。接着剤６６を、例えば硬化前であるゲルの状態で塗布することができる。次いで、ステープル３０を、図３Ｂに示されるように、ステープル３０のクラウン５２が接着剤６６を通過して第２の本体部材６８に接触するように配置することができる。上述した工程におけるステープル３０への圧着または変形の様相および程度が、後述の接着作業において使用される接着剤６６の接着線（ｂｏｎｄｌｉｎｅ）厚さを確立および制御する固定されたステープル形状をステープル３０にもたらすことができる。したがって、接着剤６６の接着線厚さを、ステープル３０のクラウン５２の形状によって厳密に制御でき、接合部を「自動固定（ｓｅｌｆ−ｆｉｘｔｕｒｉｎｇ）」にすることができる。ステープル３０は、従来の複合材料／金属の接合部に存在する鋭い接触面を避けることを可能にし、したがって破壊モードＩの割れに対する弱さを軽減することができる。一実施形態においては、接着層が、複合材料（例えば、第１の層１０）から接着層へと突き出す補強部材を有することができる。別の実施形態においては、複合材料の層（例えば、１０、７０）を、層間のせん断に対する弱さを軽減するためにピンで固定することができる。
接着剤６６は、ステープル３０のクラウン５２の少なくとも一部分を覆うことができる。この構成において、接着剤６６を、第２の本体部材６８と第１の層１０との間に位置させることができる。ステープル３０の独特な形状が、ひとたびステープル３０が第２の本体部材６８に接触したときに、理想的な接着剤の厚さの実現を保証し、接合部の結持力性能の改善を助けることができる。接着剤６６を、第２の層７０および第２の本体部材６８の両方に対して満足する接着品質を達成するように選択することができる。また、接着剤６６は、異種材料の接合部の主要な懸念である電解腐食を低減または防止するための絶縁層ももたらすことができる。
一実施形態においては、ステープル３０の一部分（あるいは、より具体的には少なくともステープル３０のクラウン５２の一部分）を、図３Ｃに示されるように第２の本体部材６８へと埋め込むことができる。ステープル３０（例えば、鋼から形成されている）の一部分を第２の本体部材６８（例えば、アルミニウムから形成されている）へと埋め込むプロセスは、以下に示される埋め込みを促進するための別の作業のうち１つ以上と併せて接着剤６６を適切な厚さへと分散させるためのＣＦＲＰ部品への軽い圧力の印加を含むことができる。埋め込みを促進するための別の作業とは、例えば超音波接合、アルミニウムの局所的なレーザ加熱およびその後の押し付け、ならびにステープルの位置に低硬度のアルミニウムを配置できて接合を形成するために直接的な圧縮の圧力または超音波圧縮プロセスを使用することができるハイブリッド合金ソリューションなどである。一実施形態においては、埋め込みプロセスに先立って複合材料の樹脂を、ステープル３０が配置された状態で硬化させることができる一方で、接着剤６６を、埋め込みプロセスの後で硬化させることができる。したがって、ステープル３０が、接着剤６６を補強し、破壊モードＩの荷重を支え、構造全体の一体化を助けることができる。完成した異種材料接合部８０が、図３Ｃに示されている。
図５Ａおよび５Ｂが、図３Ａおよび３Ｂのそれぞれの構成とおおむね同様であるが、ステープルの形状が異なっている構成を示している。付された符号は、先頭に「１」が付されている点を除き、図１、図２Ａ〜２Ｈ、および図３Ａ〜３Ｃの構成要素と同様の構成要素を示すように与えられている。図５Ａおよび５Ｂの構成においては、接着剤１６６が、埋め込みプロセスが存在しない第２の本体部材１６８へのステープル１３０の取り付けを促進することができる。例えば、第１および第２の複合材料の層１１０、１７０の硬化後に、接着剤１６６がステープル１３０に接着し、さらに第２の本体部材１６８（例えば、アルミニウムから形成されている）にも接着して、異種材料接合部１８０の接合を促進する。接着に加え、ステープル１３０は、接着剤１６６の厚さの一貫性を保証するうえでも役に立つ。対照的に、上述したように、図３Ｃの異種材料接合部８０は、ステープル３０の一部分の第２の本体部材６８への埋め込みをさらに含んでいる。
したがって、本明細書に開示の通りの異種材料接合部８０、１８０は、複合材料／金属の接触面を補強しながら一体に固定し、自動固定（ｓｅｌｆ−ｆｉｘｔｕｒｉｎｇ）の接合部を生み出すことができる高レート（ｈｉｇｈ ｒａｔｅ）な金属固定（ｐｉｎｎｉｎｇ）システムを促進することができる。これは、接着剤を後続の製造工程において完全に硬化させることを可能にできる一方で、一定の接着線の厚さを維持することも可能にできる。したがって、樹脂の含浸前に繊維予備成形物へと一体化される鋼線を使用することによって、高強度の繊維をアルミニウム製の基材に直接的または間接的に接続することができる。
したがって、異種材料接合部８０、１８０が、例えばＣＦＲＰ層のアルミニウム層への拘束または取り付けなど、異なる材料の効果的な拘束または取り付けを促進できることを理解できるであろう。いくつかの実施形態においては、いくつかの異種材料接合部８０、１８０を、密な集団にて互いに近接させて（例えば、数ミリメートルだけ離して）設けることができ、あるいは一様に分布させることができる。アセンブリの配置を、機能上の強度の要件によって決めることができ、単位面積当たりのステープルの密度が高いほど、高い強度がもたらされる。異方性の接合の特性により、異種材料接合部８０、１８０の他の構成要素に対するステープル３０、１３０の望ましい向きが左右されうる。図７は、室内または外部の車体パネルなどの１つ以上の構成部品が１つ以上の異種材料接合部８０、１８０を含むことができる車両を示している。
図６Ａは、異種材料接合部について高い温度での準静的および動的な試験を可能にするために、図６Ｂの装置およびオーブンなどの機械式の試験装置およびオーブンにおいて使用することができる複合材料−金属の形式のスーパーラップせん断試験片または試料を示している。さらに、複合材料−金属の試料を用いた準静的なねじり試験を、図６Ｃに示した装置などのＭＴＳ Ａｘｉａｌ−Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ試験装置を使用して実行することができる。この試験および腐食の評価の結果にもとづいて、ステープルの取り入れおよび接着剤による接合の両方の作業のためのプロセスパラメータを最適化することができる。
任意の種々の適切なステープルの形状、設置パターン、および設置パラメータ（速度、力など）を、異種材料接合部の他の構成要素との最適な使用を促進するように選択することができる。層を貫いてステープルを挿入する際の層の損傷の防止など、種々の種類の層における使用についてステープルの適切性を達成するために、ステープルの形状を適宜に変更できることを理解できるであろう。また、ステープルの腐食を、ステープルの形成に適した材料の適切な選択および／またはステープルのコーティングによって防止できることも理解できるであろう。これに加え、あるいはこれに代えて、第２の本体部材のコーティングによって腐食を防止することができる。異種材料接合部の構成を、接合部の準静的な引張、撓み、疲労、およびクリープ荷重の評価、異なる材料の組み合わせに起因する問題、加速腐食試験、ステープル導入プロセスに起因する複合材料の損傷の評価、ならびに異なる材料の電解腐食に応じて、選択することができる。
異種材料接合部８０、１８０は、異なる材料を接合または接着するための従来の接着の方法と比べていくつかの利点をもたらすことができる。異種材料接合部８０、１８０のどちらも、高強度の繊維とアルミニウムまたは他の金属との間により効率的な荷重の伝達を確立しつつ、繊維の損傷を回避または最小限にすることで、接合部の全体としての効率を改善することができる。ＦＲＰの布地レイアウトへのステープルの一体化により、布地の損傷が少なくなり、あるいは皆無になる。さらに、補強された接着による接合部および強化された複合構造を有するなどにより、異種材料接合部８０、１８０は、従来の接合部よりも少なくとも２０％強度を増すことができ、複合材料の曲げ剛性も向上する。異種材料接合部８０、１８０は、炭素繊維複合材料およびアルミニウム製の自動車部品の接合に使用できるだけでなく、例えば自動車または他の用途における使用または使用の候補として、炭素繊維複合材料と高強度鋼、マグネシウム系、および他の金属系など、他の金属−複合材料の組み合わせの接合にも使用することができる。結果として、異種材料接合部８０、１８０は、一連のさまざまな軽量材料に適用することが可能であり、考えられるさまざまな自動車および他の接合部の形状に適用することが可能である。
異なる材料の接合は、民間車両および軍用車両の両方の重量軽減に対する重要な技術的障壁である。金属−複合材料の接合部の強度の改善により、アルミニウムおよび炭素繊維複合材料の両方を、より多くの用途に使用できるようになる。例えば、異種材料接合部８０、１８０の実装により、軽量の金属および複合材料を大量生産の乗用車両、商用車両、および軍用車両のプラットフォームにおいてより広く使用することを可能にでき、これらの車両の燃料経済性を高めることができる。この技術は、将来の車両における低質量の材料の大規模かつより効果的な取り入れを促進できる。アルミニウムは、鋼構造の置き換えに用いられた場合に３０〜５０％の質量削減をもたらすことができ、炭素繊維複合材料は、鋼構造を置き換えるときに４０〜６０％の質量削減をもたらすことができる。車両の質量が１０％減るごとに、燃料消費の５〜８％の減少を実現できる。軽金属および炭素繊維複合材料のより広汎な使用を可能にすることによって、石油の使用量の大幅な削減を達成することができる。
また、異種材料接合部８０、１８０の使用は、最小限のコストで大量生産の自動車工場に容易に組み入れることができる高レートの固定プロセスによるＣＦＲＰの金属との接合を促進することもでき、したがって製造面およびコスト面での効率の良さをもたらし、複合材料の異なる材料への典型的な接着剤による接合における一般的な信頼性および生産性の障害のいくつかを克服する。この技術は、すでに自動車メーカーによって使用されている標準的な産業ロボットおよび自動化技術を使用して達成することができる低コストの材料（例えば、ワイヤおよびステープル）、ならびに特殊な訓練をあまり必要としない産業用として容認可能な工具およびプロセスを使用し、したがってこの技術は自動車産業にとって経済的に成立可能である。
異種材料接合部８０、１８０は、異なる材料の接合における従来の手法の他の欠点を克服することができる。構造的な接合における最終目標は、構造的に重要な材料を効率的な方法で「接続」することにある。現行の接合方法は、圧縮およびせん断荷重の場合において効果的であるかもしれないが、引張または剥離の荷重においては有効でないかもしれない。従来の方法は、高強度の繊維への直接の結合というよりはむしろ樹脂への結合ゆえに、繊維の損傷または乏しい接続性に関する欠点を抱えている。
例えば、金属およびＣＦＲＰパネルを接合するための現行の方法として、ボルト、リベット、および接着のような古典的な方法が挙げられる。ボルトおよびリベットは、複合材料に穴を形成することによって繊維の連続性を破壊する。従来の接着技術は、高強度の繊維を高強度の金属へと効果的に接合しない。未だ研究段階にある最近の方法は、ねじ、くぎ、および挟み込みを含む。ねじおよびくぎは、依然として繊維および樹脂マトリクスの或る程度の損傷を伴う。挟み込みは、単に両面を接着するのみであり、ＣＦＲＰ材料の完全性を損なう、ＣＦＲＰパネルへの穴の形成を依然として必要とする場合もある。
接着は、炭素繊維複合材料を金属材料系へと接合するためのもう１つの従来の方法である。これは、自動車製造の環境において必要とされる速度での接合部の形成に関していくつかの困難をもたらし、自動車の構造体において直面する使用荷重において困難を生じさせる。例えば、接着剤／複合樹脂の結合および接着剤／金属の結合が、通常は破壊モードＩの「剥離」荷重において最も弱い、著しく対照的な接触面であり、したがって典型的には、そのような荷重を避けるための設計において配慮が必要である。また、一定の予測可能な接着線の厚さを維持することも、接合部の性能にとってやはり重要であり、接着剤は、より丈夫である繊維補強よりもむしろ複合材料の樹脂の豊富な表面層へと結合する傾向にある。結果として、接着は、組み立て工場において部品を接合するために時間および取り付け具の両方を大量に必要とし、これが製造コストの増加につながる可能性がある。硬化サイクル時間を短縮するために種々の手法が試みられてきたが、構造の用途における大量生産（２００，０００ユニット／年を超える）の実現には不充分である。
さらに、従来のＦＲＰおよびＣＦＲＰ部品は、ポリウレタンの接着、機械的なリベット、およびボルトなどといった種々の方法を使用してアルミニウム部品に接合される。接着では、ＦＲＰの高強度の繊維をアルミニウムに効率的に接続することがない。剥離または引張荷重における不具合モードが、樹脂／繊維の接触面における樹脂マトリクスの割れに起因して生じる。リベットまたはボルトなどの機械的な接合は、繊維を貫く穴の穿刺／穿孔または繊維を貫く裂けのいずれかによって高強度の繊維に大きな損傷を引き起こしかねない。繊維の裂けは、繊維を局所的な樹脂マトリクスから引き抜き、局所的なマトリクスに損傷を引き起こし、局所的なＦＲＰの材料の強度をさらに低下させかねないため、ＦＲＰの高強度材料にとってより有害である。下記は、それらの全体が、本明細書に援用される。
（１）Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．， Ｂｏｅｍａｎ，Ｒ．Ｇ．，ａｎｄ Ｐａｕｌａｕｓｋａｓ，Ｆ．Ｌ．，「Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｔ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９４ ＤＯＥ Ｃｏｎｔｒａｃｔｏｒｓ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，Ｖｏｌ．２，２４−２７ Ｏｃｔｏｂｅｒ（１９９４）。
（２）Ｐａｕｌａｕｓｋａｓ，Ｆ．Ｌ．， ＭｃＭｉｌｌａｎ，Ａ．Ｄ．，ａｎｄ Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．，「Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｖｉａ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｏ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」，Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ（ＭＲＳ），Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，８−１２ Ａｐｒｉｌ（１９９６）。
（３）Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．，ａｎｄ Ｂｏｅｍａｎ，Ｒ．Ｇ．，「Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｔ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９４ ＤＯＥ Ｃｏｎｔｒａｃｔｏｒｓ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，Ｖｏｌ．２，２４−２７ Ｏｃｔｏｂｅｒ（１９９４）。
（４）Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．，ａｎｄ Ｂｏｅｍａｎ，Ｒ．Ｇ．，「ＤＯＥ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ：Ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ Ｅｆｆｏｒｔｓ」，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ‘９９ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｏｏｌｏｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ａｎａｈｅｉｍ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ（１９９９）。
（５）Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．，「Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｇｌｏｂａｌ Ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ２０００，Ｉｎｔｅｒｔｅｃｈ，Ｓａｎ Ａｎｔｏｎｉｏ，ＴＸ，４−６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ（２０００）。
（６）Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．，「Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｉｎ Ｆｕｔｕｒｅ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ」，Ｓａｍｐｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ ２００１。
（７）Ｗａｒｒｅｎ，Ｃ．Ｄ．，「Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｆｕｅｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ」，Ｔｈｅ Ｇｌｏｂａｌ Ｏｕｔｌｏｏｋ ｆｏｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ２００５，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ，１１−１３ Ｏｃｔｏｂｅｒ（２００５）。
以上の説明された実施形態および例、例示および説明を目的として提示されており、すべてを述べ尽くそうとしたものでも、本発明を上述の形態に限定しようとするものでもない。多数の変更形態が、上述の教示に照らして可能である。それらの変更形態のいくつかは、すでに説明済みであり、他の変更形態も当業者であれば理解できるであろう。実施形態は、想定される特定の用途に適した種々の実施形態の原理を最も上手く説明するために選択され、説明されている。当然ながら、技術的範囲は、本明細書に記載の例に限定されず、当業者であれば任意のいくつかの用途および同等の装置に採用することが可能である。
１０ 第１の層
１２ 第１の層１０の上面
１４ 第１の層１０の下面
２０ ワイヤラダー
２２ レール
２４ 横木
３０ ステープル
３２ 第１の枝
３４ 第１の枝端部
３６ 第１の枝３２の端部
４２ 第２の枝
４４ 第２の枝端部
４６ 第２の枝４２の端部
５２ クラウン
５４ クラウン５２の中央部
５６ クラウン５２の側方部分
６４ 空間
６６ 接着剤
６８ 第２の本体部材
７０ 第２の層
７２ 第２の層７０の上面
７４ 第２の層７０の下面
８０ 異種材料接合部
９０ ダイ
１１０ 第１の層
１２０ ワイヤラダー
１３０ ステープル
１６６ 接着剤
１６８ 第２の本体部材
１７０ 第２の層
１８０ 異種材料接合部
１２ 第１の層１０の上面
１４ 第１の層１０の下面
２０ ワイヤラダー
２２ レール
２４ 横木
３０ ステープル
３２ 第１の枝
３４ 第１の枝端部
３６ 第１の枝３２の端部
４２ 第２の枝
４４ 第２の枝端部
４６ 第２の枝４２の端部
５２ クラウン
５４ クラウン５２の中央部
５６ クラウン５２の側方部分
６４ 空間
６６ 接着剤
６８ 第２の本体部材
７０ 第２の層
７２ 第２の層７０の上面
７４ 第２の層７０の下面
８０ 異種材料接合部
９０ ダイ
１１０ 第１の層
１２０ ワイヤラダー
１３０ ステープル
１６６ 接着剤
１６８ 第２の本体部材
１７０ 第２の層
１８０ 異種材料接合部
Claims (38)
- 繊維補強材料からなる第１の層を備えており、前記繊維補強材料からなる第１の層が第１の上面および第１の下面を有している第１の本体部材と、
金属を含む第２の本体部材と、
第１の枝、第２の枝、ならびに前記第１および第２の枝を接続しているクラウンを備えており、前記クラウンが前記第１の上面に隣接して位置するように、前記第１および第２の枝が前記繊維補強材料からなる第１の層を貫いて挿入されるステープルと、
前記第１の下面に隣接して配置され、複数の横木によって互いに接続された第１および第２のレールを備えており、前記ステープルの前記第１および第２の枝が、対応する第１および第２の横木に引っかかるワイヤラダーと、
前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間に配置され、前記ステープルの前記クラウンの少なくとも一部分を覆う接着剤と
を含む、異種材料接合部。 - 前記第１の本体部材が、繊維補強材料からなる第２の層をさらに備え、前記繊維補強材料からなる第２の層が、第２の上面および第２の下面を有しており、前記ワイヤラダーならびに前記第１および第２のそれぞれの枝の端部が前記繊維補強材料からなる第１および第２の層の間に挟まれるように、前記第２の上面が前記ワイヤラダーに隣接する、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記繊維補強材料が、炭素繊維補強材料を含む、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記繊維補強材料が、繊維補強プラスチックを含む、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記繊維補強材料が、マトリクス材料によって被包されている、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記マトリクス材料が、エポキシ樹脂を含んでいる、請求項５に記載の異種材料接合部。
- 前記金属が、金属合金を含む、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記第２の本体部材の金属が、アルミニウムを含む、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記繊維補強材料が、炭素繊維補強プラスチックを含む、請求項８に記載の異種材料接合部。
- 前記第１および第２の枝が、前記ステープルが非固定の状態にあるときに互いにほぼ平行である、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記第１の枝が、第１の枝端部を備え、前記第２の枝が、第２の枝端部を備え、前記第１および第２の枝端部の各々が、斜角をつけられている、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記第１の枝、前記第２の枝、および前記クラウンが、単一の構造物として一体に形成されている、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記ステープルが、金属から形成されている、請求項１２に記載の異種材料接合部。
- ステープルが、金属合金から形成されている、請求項１２に記載の異種材料接合部。
- 前記ステープルの表面にコーティングをさらに含んでいる、請求項１２に記載の異種材料接合部。
- 前記第１の枝、前記第２の枝、および前記クラウンのうちの少なくとも１つの表面にコーティングをさらに含んでいる、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 複数のステープルをさらに含んでいる、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 請求項１に記載の異種材料接合部を備えている、車両。
- 請求項１に記載の異種材料接合部を複数備えている、車両。
- 前記ステープルの前記クラウンの少なくとも一部分が前記第２の本体部材へと埋め込まれている、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 前記クラウンの中央部分が前記繊維補強材料からなる第１の層の上面に接触し、前記クラウンの側方部分が前記繊維補強材料からなる第１の層の上面から離れているように、前記ステープルの前記クラウンが撓められる、請求項１に記載の異種材料接合部。
- 異種材料接合部を形成する方法であって、
ステープルで第１の本体部材の繊維補強材料の第１の層を、前記ステープルの第１および第２の枝が前記第１の層を通過し、かつ前記ステープルのクラウンが前記第１の層の上面に隣接して位置するように穿刺するステップと、
複数の横木によって互いに接続された第１および第２のレールを備えているワイヤラダーを、前記繊維補強材料の第１の層の下面に隣接させて配置するステップと、
前記ステープルの前記第１および第２の枝の端部を前記ワイヤラダーの対応する第１および第２の横木に引っかかるように曲げるステップと、
前記第１の層と金属を含む第２の本体部材との間に接着剤を、前記ステープルの前記クラウンの少なくとも一部分が前記接着剤によって覆われるように配置するステップと
を含んでいる、方法。 - 前記ステープルの少なくとも一部分を前記第２の本体部材へと埋め込むステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記埋め込むステップの後で前記接着剤を硬化させるステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
- 前記第１の本体部材の繊維補強材料の第２の層を、前記ワイヤラダー、および前記ステープルの前記第１および第２の枝の前記端部を前記繊維補強材料の第１の層と第２の層との間に挟むように、前記ワイヤラダーに隣接させて配置するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記第１の繊維補強材料が、炭素繊維補強プラスチックであり、前記第２の本体部材が、アルミニウムである、請求項２２に記載の方法。
- 前記繊維補強材料をマトリクス材料で被包するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記マトリクス材料が、エポキシ樹脂を含む、請求項２７に記載の方法。
- 前記ステープルが複数である、請求項２２に記載の方法。
- ダイが、前記第１および第２の枝が前記対応する第１および第２の横木から離れるように前記対応する第１および第２の横木に引っかかるように前記端部が曲がることを促進するために前記クラウンに接触し、
前記ダイが取り除かれたときに前記第１および第２の枝が対応する前記第１および第２の横木に接触するように、前記ステープルの前記クラウンが前記ダイによって撓められる、請求項２２に記載の方法。 - 前記ダイが取り除かれたときに、前記クラウンの中央部分が前記第１の層の上面に接してかつ前記クラウンの側方部分が前記第１の層の上面から離れるように、前記ステープルの前記クラウンが撓められる、請求項３０に記載の方法。
- 前記ステープルをコーティングするステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記金属が、金属合金を含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記第１および第２の枝の端部に斜角をつけるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記第１の枝、前記第２の枝、および前記クラウンが、単一の構造物として一体に形成されている、請求項２２に記載の方法。
- 繊維補強材料からなる第１の層を備えており、第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有している第１の本体部材と、
金属を含んでおり、前記第１の本体部材の前記第１の表面に向かい合わせに配置された第２の本体部材と、
前記第１の本体部材の前記第２の表面に隣接して配置された補強部材と、
前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間に位置して前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間のすき間を維持するとともに、第１の脚および第２の脚を備えており、前記第１および第２の脚の各々が、そこから前記第１の本体部材および前記補強部材を通って延びており、前記第１および第２の脚が、前記補強部材の少なくとも一部分を前記第１の本体部材と前記第１および第２の脚との間に位置させるように構成されている固定具本体と、
前記第１の本体部材と前記第２の本体部材との間のすき間に位置し、前記固定具本体の少なくとも一部分に接する接着剤と
を備える、異種材料接合部。 - 前記補強部材が、複数の横木によって一体に接続された第１および第２のレールを備えているワイヤラダーであり、前記第１および第２の脚が、前記ワイヤラダーの対応する第１および第２の横木に引っかかる、請求項３６に記載の異種材料接合部。
- 前記固定具本体の第１の部分が、前記第２の本体部材に係合し、前記固定具本体の第２の部分が、前記第１の本体部材に係合するように前記第１の部分から延びている、請求項３６に記載の異種材料接合部。
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