JP2015030286A - 車両構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで量産可能な、繊維強化樹脂を用いて構成された中空部を有する車両構造体と、その製造方法を提供する。
【解決手段】金属製中空フレーム２と、金属製中空フレーム２の周囲部および周囲部からの面状延設部に配置された繊維強化樹脂部材３とを有し、金属製中空フレーム２と繊維強化樹脂部材３が繊維強化樹脂部材３の成形を介して一体化されていることを特徴とする車両構造体１、およびその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂を用いて構成された中空部を有する車両構造体とその製造方法に関する。

繊維強化樹脂を用いて車両構造体（例えば、車両のフロア構造体）を製造する試みが行われつつある（例えば、特許文献１）。このような繊維強化樹脂製車両構造体は、例えばＲＴＭ法（Resin Transfer Molding）によって成形されるが、その一部に中空部を有する場合、形状が複雑になる傾向にある。そのため、樹脂含浸前のプリフォームの作製に多くの時間が必要となり、製造コストが高くなるとともに、１日に製造できる数は少ない。

また、中空部を作るためには、内部にコア材を埋め込んだり、成形後に何らかの方法でコア材を取り除くなど工程が必要になり、製造工程全体が複雑になって、高コストの原因となる。

さらに、ＲＴＭ法において樹脂注入時間の短縮、品位向上（ボイド低減など）をはかるために高圧で（例えば、７ＭＰａ程度で）樹脂を注入すると、合成樹脂製等の通常の材質のコア材では圧力でつぶれてしまい、樹脂リッチな部分ができやすい。そのため、量産を難しくしている。

特開２０１２−５６３５４号公報

そこで本発明の課題は、上記のような従来技術に鑑み、低コストで量産可能な、繊維強化樹脂を用いて構成された中空部を有する車両構造体と、その製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る車両構造体は、金属製中空フレームと、該金属製中空フレームの周囲部および該周囲部からの面状延設部に配置された繊維強化樹脂部材とを有し、前記金属製中空フレームと前記繊維強化樹脂部材が該繊維強化樹脂部材の成形を介して一体化されてい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車両構造体においては、中空部を有する金属製中空フレーム（例えば、金属製角パイプや丸パイプからなる金属製中空フレーム）が使用され、該金属製中空フレームの周囲部と該周囲部から延びる面状延設部とに繊維強化樹脂部材が配置され、両部材が繊維強化樹脂部材の成形（例えば、ＲＴＭ）を介して一体化されている。金属製中空フレームは、成形時の樹脂の注入圧に耐えることができる中空構造を有していればよい。金属製中空フレームの周囲部に繊維強化樹脂部材を配置することにより中空部を形成するので、比較的複雑な形状の車両構造体であっても容易に中空部を有する形態に構成可能となり、とくにプリフォームの作製を短時間で行うことが可能になる。また、中空部自体を形成するための特別な工程は不要であるから、製造工程全体の簡素化が可能である。そして、金属製中空フレームは、成形時の高い樹脂注入圧に耐えることができるため、高圧樹脂注入、それによる樹脂注入時間の短縮（ひいては、短時間の成形サイクルの実現）、成形品の品位向上（ボイドなどの低減）が可能になり、所望の高品質の車両構造体が低コストで量産できるようになる。

上記本発明に係る車両構造体においては、上記金属製中空フレームの周囲部の一部に対しては上記繊維強化樹脂部材が配置されておらず、該部位で金属製中空フレームが外部に露出されている構造とすることができる。例えば、金属製中空フレームの端部（例えば、両端部）が、繊維強化樹脂部材の配置部分から突き出した構造とすることができる。このような構造においては、金属製中空フレームの外部への露出部を、例えば他部品との接合部として有効に利用することが可能になり、他部品を金属製の部材と接合できるので、接合の信頼性が向上される。

また、上記面状延設部に配置された繊維強化樹脂部材の両側に上記金属製中空フレームが設けられている構造とすることができる。このような構造においては、ある面積を有する車両構造体の両側に金属製中空フレームが位置する構造とできるので、プリフォーム段階において全体を所定の形態に保ちやすくなり、成形時においても、プリフォーム全体の型内への移動、配置が容易化されるとともに、樹脂注入時に強化繊維基材を所定の位置に保持しやすくなり、成形品の品位向上にも寄与できるようになる。

また、上記金属製中空フレームの周囲部に配置された繊維強化樹脂部材と上記金属製中空フレームとの間に弾性材層が介在されていることも好ましい。このように構成すれば、金属製中空フレームを構成する金属と繊維強化樹脂部材との線膨張係数差を弾性材層で吸収することが可能になり、金属製中空フレームと繊維強化樹脂部材との所望の一体化構造を確実に維持できるようになる。弾性材層としては、例えば、ウレタン系等の接着シートの層、粘着シートの層、金属製中空フレームの表面に塗布した樹脂コーティング層等の薄膜のシート状の層が挙げられる。

また、本発明に係る車両構造体においては、車両構造体が複雑な形状を有する場合には、その複雑形状部を別の部材で作製しておくことも可能であり、その場合には、上記繊維強化樹脂部材に、その別の部材が接合されればよい。この接合には、例えば接着を適用できる。

また、上述したように、上記金属製中空フレームに別の部材が接合されている構造とすることもできる。別の部材を金属製中空フレームに接合すれば、接合の信頼性の向上が可能となる。

このような本発明に係る車両構造体において、上記繊維強化樹脂部材の強化繊維としてはとくに限定されず、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維、さらにはこれら強化繊維の組み合わせが使用できるが、車両構造体の強度、剛性の確保や所望の機械特性の設計のし易さ等の面からは、強化繊維として炭素繊維を含むことが好ましい。

また、上記繊維強化樹脂部材のマトリックス樹脂としてもとくに限定されず、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも使用可能である。成形にＲＴＭ法を用いる場合には、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を使用するとよい。

さらに、本発明に係る車両構造体は、車両用のあらゆる構造体に適用可能であるが、とくに車両のフロア構造体として好適なものである。

また、本発明は、車両構造体の製造方法についても提供する。すなわち、金属製中空フレームの周囲部および該周囲部からの面状延設部に強化繊維基材を配置するとともに、配置された強化繊維基材を所定形状に賦形するプリフォーム作製工程と、
作製されたプリフォームを成形金型内に配置する配置工程と、
樹脂を前記成形金型内に注入して前記強化繊維基材に含浸させ、樹脂含浸強化繊維基材と前記金属製中空フレームを一体化する成形工程と、
を含むことを特徴とする車両構造体の製造方法である。

このような本発明に係る車両構造体の製造方法においては、上記金属製中空フレームの周囲部の一部を、上記強化繊維基材が配置されず、かつ、上記樹脂が注入されない部位に形成することができ、この部位を前述した金属製中空フレームの外部への露出部として形成できる。この場合は、金属中空フレームの露出部にＯ−リングを巻いたり、金型側に作製した溝にシリコンゴムを配置したりすることで金型の間とのシール機構を設けることができ、金属製中空フレームの内部に樹脂が入らないようにすることが可能となる。

また、上記プリフォーム作製工程として、
上記強化繊維基材の一部を上記金属製中空フレームの周囲部に配置し該周囲部で所定形状に賦形して１次プリフォームを作製する第１の工程と、
上記強化繊維基材の残りの部位の少なくとも一部を上記面状延設部に配置し該面状延設部で所定形状に賦形して２次プリフォームを作製する第２の工程を有することもできる。このようにすれば、とくに第２の工程において強化繊維基材の面状延設部に比較的複雑な形状部を形成でき、複雑な形状を有する車両構造体の製造にも対応できるようになる。

また、上記金属製中空フレームの周囲部に上記強化繊維基材を配置するに際し、該強化繊維基材を金属製中空フレームの外周に巻き付ける手法を採ることができる。このようにすれば、シート状の強化繊維基材を用い、それを金属製中空フレームの周囲部に容易に配置できる。

また、上記金属製中空フレームの周囲部に上記強化繊維基材を配置するに際し、該金属製中空フレームと強化繊維基材との間に弾性材層を介在させる手法を採ることもできる。弾性材層としては前述したような薄膜のシート状の層を使用できる。このようにすれば、前述したように、成形体において、金属製中空フレームを構成する金属と繊維強化樹脂部材との線膨張係数差を弾性材層で吸収することが可能になる。

また、上記金属製中空フレームと上記強化繊維基材との間に樹脂拡散媒体を介在させることもできる。このようにすれば、成形のための樹脂注入時に樹脂を良好に拡散させることが可能になり、成形品の品位向上に寄与できる。

さらに、上記金属製中空フレームとして、表面に樹脂流動用溝を有する金属製中空フレームを用いることもできる。このようにすれば、成形のための樹脂注入時に樹脂を良好に流動させることが可能になり、成形品の品位向上に寄与できる。

このように、本発明に係る車両構造体およびその製造方法によれば、とくにプリフォームの作製が容易になり、また、成形時に高い樹脂注入圧にも耐えることができるようになるので、短時間の成形サイクル（ハイサイクル）にて高品質の車両構造体を量産（例えば、年間５０００台以上の量産）することが可能になる。また、金属製中空フレームの露出部に他部品を接合できるようにすれば、接合の信頼性を向上することができる。

本発明の一実施態様に係る車両構造体の斜視図である。 本発明の一実施態様に係る車両構造体の製造方法を示す概略構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る車両構造体を示しており、とくに、車両のフロア構造体を示している。図１において、１は車両構造体としてのフロア構造体の全体を示しており、前後方向の矢印は、車両の前後方向を示している。フロア構造体１は、本実施態様では、車両の幅方向両側に配置された金属製角パイプからなる金属製中空フレーム２と、該金属製中空フレーム２の周囲部４と該周囲部４からの面状延設部５（本実施態様では、両金属製中空フレーム２間の面状延設部５）に配置された繊維強化樹脂部材３とを有している。これら金属製中空フレーム２と繊維強化樹脂部材３とは、後述するような繊維強化樹脂部材３の成形を介して一体化されている。なお、図示は省略するが、金属製中空フレーム２の周囲部に配置された繊維強化樹脂部材３とその金属製中空フレーム２との間には、両部材の線膨張係数差を吸収するための弾性材層が介在されていてもよい。

上記金属製中空フレーム２の周囲部の一部に対しては、本実施態様では金属製中空フレーム２の両端部に対しては、繊維強化樹脂部材３が配置されておらず、該部位で金属製中空フレーム３が外部に突き出して露出されている。この露出部分は、他部品との接合部として利用可能であり、金属製中空フレーム２に直接他部品を接合できるため、接合の信頼性が高められる。また、金型との間のシール機構を露出部分に設けることにより、金属製中空フレーム内部に樹脂が入ることを防止することが可能となる。

また、図示例では、６、７は繊維強化樹脂部材３とは別に作製された部材を示しており、これら別の部材６、７が、接着により繊維強化樹脂部材３に接合されている。ただし、これら別の部材６、７に相当する部分が、繊維強化樹脂部材３の成形とともに一体成形可能な場合には、別の部材６、７の接合を省略してもよい。

繊維強化樹脂部材３の強化繊維としては、例えば炭素繊維が使用され、繊維強化樹脂部材３のマトリックス樹脂としては、例えば熱硬化性樹脂が使用される。強化繊維は、例えば後述の如くプリフォームの形態に賦形され、例えばＲＴＭ法により、プリフォームに熱可塑性樹脂が注入、含浸されて所望の成形体に成形される。

このような車両構造体としてのフロア構造体１は、例えば図２に示すような方法によって製造される。なお、図２に例示した製造方法では、上述した別の部材６は設けられず、それに相当する部分が繊維強化樹脂部材３と一体成形される場合を例示している。

まず、図２（Ａ）に示すように、例えばシート状の強化繊維基材１１（例えば、複数の強化繊維層が積層された基材）と、その両側に配置される各パイプからなる金属製中空フレーム１２が準備される。

そして本実施態様では、図２（Ｂ）に示すように、シート状の強化繊維基材１１の幅方向両側部分が、各金属製中空フレーム１２の外周に巻き付けられて各金属製中空フレーム１２の周囲部で所定形状に賦形されて１次プリフォーム１３が作製される（第１の工程）。このとき、金属製中空フレーム１２とその周囲部に配置される強化繊維基材１１との間に、前述したような成形後の金属と繊維強化樹脂との線膨張係数差を吸収するための弾性材層（図示略）を介在させたり、成形段階での樹脂の良好な拡散を確保するための樹脂拡散媒体の層（図示略）を介在させたりすることもできる。また、表面に樹脂流動用溝を有する金属製中空フレームを使用することも可能である。

次に本実施態様では、図２（Ｃ）に示すように、上記１次プリフォーム１３が賦形型または賦形型を兼用した下型１４、上型１５からなる成形金型１６（本実施態様では後者）の下型１４の所定位置に配置され、上型１５が閉じられ強化繊維基材１１の中央部にハット形部位１７を有する所定形状に賦形されて２次プリフォーム１８が作製される（第２の工程）。

成形金型１６が閉じられ、そのキャビティ内が例えばシール材１９でシールされた状態で、例えばＲＴＭ法による成形が行われる。成形は、例えば図２（Ｄ）に示すように、上型１５に設けられた吸引口２０を通しての吸引によりキャビティ内が減圧され、その真空圧を利用してマトリックス樹脂２１が上型１５に設けられた樹脂注入口２２を通して注入され、注入された樹脂がキャビティ内で拡散されつつ強化繊維基材１１に含浸される。あるいは、このような減圧注入を採用するのではなく、樹脂注入口２２からマトリックス樹脂２１を加圧注入することもできる。注入、含浸された樹脂の硬化後に、成形体として車両構造体としてのフロア構造体２３が脱型される。

このような成形においては、中空部を形成するために金属製パイプからなる金属製中空フレーム１２が用いられているので、たとえ高圧で樹脂注入しても所定の中空部の形状は良好に維持される。高圧で樹脂注入できることから、成形サイクルを短くでき、量産が可能になる。また、高圧で樹脂注入できるため、ボイド等が生じにくくなり、成形品の品位向上も可能になる。さらに、金属製中空フレーム１２がつぶれないことから、つぶれた場合に生じやすい樹脂リッチな部位の発生も回避でき、この面からも成形品の品位向上が可能になる。

また、図１に示したように、金属製中空フレーム２の両端部を繊維強化樹脂部材３が配置された領域から突き出すように構成すれば、前述したように、この金属製中空フレーム３の露出部分で他部品との接合が可能となって接合の信頼性が高められるとともに、プリフォームの段階では、強化繊維基材１１が配置された領域から突き出した金属製中空フレーム１２の端部部分をプリフォームをハンドリング（移送や配置等）するための操作用部分として利用でき、製造段階での操作性を向上することも可能になる。このような操作性の向上は、成形サイクル全体の一層の短縮に寄与できる。

本発明に係る車両構造体およびその製造方法は、車両用のあらゆる構造体に適用可能であり、とくに車両のフロア構造体に適用して有用なものである。

１、２３ 車両構造体としてのフロア構造体
２、１２ 金属製中空フレーム
３ 繊維強化樹脂部材
４ 金属製中空フレームの周囲部
５ 面状延設部
６、７ 別の部材
１１ 強化繊維基材
１３ １次プリフォーム
１４ 下型
１５ 上型
１６ 成形金型
１７ ハット形部位
１８ ２次プリフォーム
１９ シール材
２０ 吸引口
２１ マトリックス樹脂
２２ 樹脂注入口

Claims (16)

1. 金属製中空フレームと、該金属製中空フレームの周囲部および該周囲部からの面状延設部に配置された繊維強化樹脂部材とを有し、前記金属製中空フレームと前記繊維強化樹脂部材が該繊維強化樹脂部材の成形を介して一体化されていることを特徴とする車両構造体。
2. 前記金属製中空フレームの周囲部の一部に対しては前記繊維強化樹脂部材が配置されておらず、該部位で金属製中空フレームが外部に露出されている、請求項１に記載の車両構造体。
3. 前記面状延設部に配置された繊維強化樹脂部材の両側に前記金属製中空フレームが設けられている、請求項１または２に記載の車両構造体。
4. 前記金属製中空フレームの周囲部に配置された繊維強化樹脂部材と前記金属製中空フレームとの間に弾性材層が介在されている、請求項１〜３のいずれかに記載の車両構造体。
5. 前記繊維強化樹脂部材に、別の部材が接合されている、請求項１〜４のいずれかに記載の車両構造体。
6. 前記金属製中空フレームに、別の部材が接合されている、請求項１〜５のいずれかに記載の車両構造体。
7. 前記繊維強化樹脂部材の強化繊維として炭素繊維を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の車両構造体。
8. 前記繊維強化樹脂部材のマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の車両構造体。
9. 車両のフロア構造体からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の車両構造体。
10. 金属製中空フレームの周囲部および該周囲部からの面状延設部に強化繊維基材を配置するとともに、配置された強化繊維基材を所定形状に賦形するプリフォーム作製工程と、
    作製されたプリフォームを成形金型内に配置する配置工程と、
    樹脂を前記成形金型内に注入して前記強化繊維基材に含浸させ、樹脂含浸強化繊維基材と前記金属製中空フレームを一体化する成形工程と、
    を含むことを特徴とする、車両構造体の製造方法。
11. 前記金属製中空フレームの周囲部の一部を、前記強化繊維基材が配置されず、かつ、前記樹脂が注入されない部位に形成する、請求項１０に記載の車両構造体の製造方法。
12. 前記プリフォーム作製工程が、
    前記強化繊維基材の一部を前記金属製中空フレームの周囲部に配置し該周囲部で所定形状に賦形して１次プリフォームを作製する第１の工程と、
    前記強化繊維基材の残りの部位の少なくとも一部を前記面状延設部に配置し該面状延設部で所定形状に賦形して２次プリフォームを作製する第２の工程を有する、請求項１０または１１に記載の車両構造体の製造方法。
13. 前記金属製中空フレームの周囲部に前記強化繊維基材を配置するに際し、該強化繊維基材を金属製中空フレームの外周に巻き付ける、請求項１０〜１２のいずれかに記載の車両構造体の製造方法。
14. 前記金属製中空フレームの周囲部に前記強化繊維基材を配置するに際し、該金属製中空フレームと強化繊維基材との間に弾性材層を介在させる、請求項１０〜１３のいずれかに記載の車両構造体の製造方法。
15. 前記金属製中空フレームと前記強化繊維基材との間に樹脂拡散媒体を介在させる、請求項１０〜１４のいずれかに記載の車両構造体の製造方法。
16. 表面に樹脂流動用溝を有する金属製中空フレームを用いる、請求項１０〜１５のいずれかに記載の車両構造体の製造方法。

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