JP2016120602A

JP2016120602A - インサート成形品

Info

Publication number: JP2016120602A
Application number: JP2014260273A
Authority: JP
Inventors: 明博高橋; Akihiro Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-07-07

Abstract

【課題】金属インサート周りの部分において繊維材の充填が十分となり、金属インサートと繊維含有樹脂材の接合強度が高く、もって高強度なインサート成形品を提供する。【解決手段】金属インサート２０が繊維含有樹脂材５０に内包されているインサート成形品１００であって、繊維含有樹脂材５０は、繊維材の繊維長が相対的に短い第一の繊維材を含有する第一の繊維含有樹脂材３０と、第一の繊維材に比して相対的に繊維長の長い第二の繊維材を含有する第二の繊維含有樹脂材４０とから構成され、金属インサート２０が第一の繊維含有樹脂材３０に内包されている。【選択図】図２

Description

本発明は、金属インサートが繊維含有樹脂材に内包されているインサート成形品に関するものである。

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の繊維強化プラスチック(FRP)内にアルミ等からなる金属インサートが内包されているインサート成形品は、車両の様々な部位で適用されている。

このインサート成形品の製造方法としては、金属インサートをFRP内に接着剤にて接着固定する方法があるが、接着剤が硬化するまでの時間が製造時間の律速になることと製造時間短縮のためには加熱処理が必要になるなど、生産サイクルタイムが長くなり易い、もしくは工程増になり易いといった課題を有している。より具体的には、使用される接着剤にはエポキシ系の接着剤が多用されているが、接着強度を十分に発現するべく、常温では24時間、140℃の高温雰囲気下では10分程度の加熱が必要になる。さらに、接着剤の塗布が不十分な場合には接着剤自体の劣化等により、接着強度が低下し、金属インサートの脱離に繋がる可能性もある。

そこで、接着剤にてFRPに金属インサートを接着固定する代わりに、射出成形や圧縮成形にて双方の接合をおこなう方法が適用されている。具体的には、成形型内に金属インサートを載置し、溶融した繊維含有樹脂を射出する方法や、成形型内に金属インサートを載置するとともに裁断された繊維材からなる繊維材群を配設してマトリックス樹脂を射出する方法、さらには、成形型内に金属インサートを載置し、さらにシートモールディングコンパウンド(SMC)を成形型内に配設して加熱および加圧（圧縮）を実施する方法などである。

ところで、上記するSMCの圧縮成形等によってインサート成形品を成形する場合、繊維長の長い繊維含有樹脂材を使用することで強度や剛性の高いインサート成形品が一般に得られるものの、流動性や成形性の観点も踏まえて、25mm程度の繊維長の繊維材が主として用いられている。この25mm程度の繊維長の繊維材は、繊維含有樹脂材の一般部には強度と成形性の双方の観点から好ましいものの、繊維含有樹脂材の金属インサート周りの部分にとっては繊維長が長過ぎて繊維材の充填が不十分となり易く、結果として強度が不十分なインサート成形品が成形され易くなる。

ここで、特許文献１には、固定された凸字状金具を有するSMC成形品の製造方法に関し、両端部に貫通穴を設けた凸字状金具の凸部内側に、凸部形状に対応する形状の入れ子をいれ、凸字状金具に対応するキャビティ形状を有して貫通穴と凸字状金具の両端外周部位置に窪みを設けた金型に入れ子を装填し、その上にシート状成形材料を配して加熱加圧するSMC成形品の製造方法が開示されている。

この製造方法によっても接着剤を使用せずにSMC成形品を製造することから、接着剤を使用する製造方法の場合の課題は生じ得ない。しかしながら、上記する課題、すなわち、繊維含有樹脂材の金属インサート周りの部分において繊維材の充填が不十分となり、強度が不十分なインサート成形品が成形されるといった課題を解消することはできない。

特開２００２−１３７２３９号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、金属インサート周りの部分において繊維材の充填が十分となり、金属インサートと繊維含有樹脂材の接合強度が高く、もって高強度なインサート成形品を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるインサート成形品は、金属インサートが繊維含有樹脂材に内包されているインサート成形品であって、前記繊維含有樹脂材は、繊維材の繊維長が相対的に短い第一の繊維材を含有する第一の繊維含有樹脂材と、該第一の繊維材に比して相対的に繊維長の長い第二の繊維材を含有する第二の繊維含有樹脂材とから構成され、金属インサートが前記第一の繊維含有樹脂材に内包されているものである。

本発明のインサート成形品は、繊維含有樹脂材を第一の繊維含有樹脂材と第二の繊維含有樹脂材の二層構造とし、相対的に繊維長の短い第一の繊維材を含有する第一の繊維含有樹脂材に金属インサートが内包されている構成を適用したことにより、金属インサート周りに繊維長の短い第一の繊維材が十分に充填され、金属インサートに対する第一の繊維材の絡み付きが良好になり、このことによって金属インサートと繊維含有樹脂材の接合強度が高くなり、もって高強度かつ高剛性のインサート成形品である。

ここで、金属インサートはアルミや鉄などから形成される。

また、繊維含有樹脂材を構成する樹脂としては、不飽和ポリエステルやエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。また、繊維含有樹脂材に含まれている繊維材や金属インサートに直接配設される繊維材には、短繊維や長繊維が適用できるが、少なくとも第一の繊維材は短繊維が適用され、第一、第二の繊維材がともに短繊維からなる場合には、第一の繊維材の繊維長が相対的に短い短繊維から形成される。ここで、本明細書において「短繊維」とは、繊維長が20mm程度以下の繊維材を指称し、これよりも繊維長の長い繊維材を長繊維とする。たとえば、第二の繊維材の繊維長を25mm程度に設定し、第一の繊維材の繊維長をその半分程度の長さに設定することができる。

また、繊維含有樹脂材に含まれている第一、第二の繊維材の素材としては、セラミック繊維、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、金属繊維、有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合材が挙げられる。

金属インサート周りの繊維含有樹脂材に含有される繊維材（第一の繊維材）が短繊維であることから、第一の繊維材が金属インサートに絡み易くなり、第一の繊維含有樹脂材と金属インサートとの接合強度が高くなる。

また、本発明によるインサート成形品の好ましい実施の形態は、前記第一の繊維含有樹脂材を形成する第一の樹脂材の溶融粘度が、前記第二の繊維含有樹脂材を形成する第二の樹脂材の該溶融粘度に比して高いものである。

たとえばSMCを成形型内に配設して圧縮成形する製造方法では、プレヒートされ、軟化したSMCを成形型のキャビティ内にある金属インサートに配設し、型閉めすることでSMCが加圧されてインサート成形品が成形される。この際、金属インサートが埋設される第一の繊維含有樹脂材のマトリックス樹脂（第一の樹脂材）の溶融粘度が相対的に高いことにより、軟化した第一の樹脂材の流動によってその内部の第一の繊維材の付随的な移動が促進され、金属インサートに対する第一の繊維材の絡まりを促進させることができる。

また、本発明によるインサート成形品の好ましい実施の形態は、前記金属インサートのうち、第一の繊維含有樹脂材と接する外側表面に凹凸が設けてあるものである。

金属インサートの外側表面に凹凸が設けてあることで第一の繊維材の絡み付きが一層促進されるとともに、凹凸によって奏されるアンカー効果により、第一の繊維含有樹脂材における金属インサートの引き抜き強度が高められる。

以上の説明から理解できるように、本発明のインサート成形品によれば、繊維含有樹脂材を第一の繊維含有樹脂材と第二の繊維含有樹脂材の二層構造とし、相対的に繊維長の短い第一の繊維材を含有する第一の繊維含有樹脂材に金属インサートが内包されている構成を適用したことにより、金属インサート周りに繊維長の短い第一の繊維材が十分に充填され、金属インサートに対する第一の繊維材の絡み付きが良好になり、このことによって金属インサートと繊維含有樹脂材の接合強度が高くなり、もって強度と剛性の高いインサート成形品を提供することができる。

本発明のインサート成形品の製造方法を概説した縦断面図である。本発明のインサート成形品の実施の形態の縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明のインサート成形品とその製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示する製造方法はSMCを使用した圧縮成形であるが、溶融樹脂をキャビティに射出する射出成形等、他の成形方法を適用してもよいことは勿論のことである。

（インサート成形品とその製造方法の実施の形態）
図１は本発明のインサート成形品の製造方法を概説した縦断面図であり、図２は製造されたインサート成形品の実施の形態の縦断面図である。

まず、図１を参照してインサート成形品の製造方法を概説する。同図で示すように、上型１と下型２から構成される成形型１０を用いて、成形型１０の型開き状態において、下型２のキャビティに臨む内面に設けられた固定治具３に金属インサート２０を固定する。

ここで、金属インサート２０は、アルミニウムやその合金、鉄などから形成された略円柱状を呈しており、その中央にナット溝を具備するとともに、その外側面にはローレット加工等で成形された凹凸２０aが設けられており、ナット溝に固定治具３を挿入して金属インサート２０の固定が図られる。

次に、金属インサート２０に二種類の樹脂材をチャージする。具体的には金属インサート２０側から順に、第一の繊維材を含有する第一の樹脂材３０’、第二の繊維材を含有する第二の樹脂材４０’である。

ここで、金属インサート２０に直接接触し、金属インサート２０の周りに配設される第一の繊維材の繊維長は第二の繊維材の繊維長に比して相対的に短く設定されており、たとえば第一の繊維材の繊維長は20mm以下、第二の繊維材の繊維長はそれよりも長く（25mm程度）設定できる。

第一の樹脂材３０’、第二の樹脂材４０’はいずれも、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を素材としている。好ましくは、第二の樹脂材４０’に比して第一の樹脂材３０’の溶融粘度（インサート成形時の溶融粘度）が高くなるように双方の樹脂材の粘度調整をおこなっておくのが好ましい。

ここで、第一、第二の繊維材としては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合材を適用できる。

金属インサート２０に対し、第一の樹脂材３０’、第二の樹脂材４０’を順に載置し（チャージ）、加熱された成形型１０の型閉めをおこなうことで第一の樹脂材３０’、第二の樹脂材４０’を高温雰囲気下で加圧成形（圧縮成形）する。

脱型後、金属インサート２０から固定治具３を取り外すことにより、図２で示すインサート成形品１００が製造される。

インサート成形品１００は、繊維長が相対的に短い第一の繊維材を含有する第一の繊維含有樹脂材３０と、相対的に繊維長の長い第二の繊維材を含有する第二の繊維含有樹脂材４０とから構成される繊維含有樹脂材５０と、第一の繊維含有樹脂材３０に内包されている金属インサート２０と、から構成される。

金属インサート２０の外周面に凹凸２０ａが形成されていることで、凹部に第一の樹脂材が入り込み、アンカー効果にて第一の繊維含有樹脂材３０からの金属インサート２０の引き抜き強度が高くなる。

また、金属インサート２０周りに短繊維の第一の繊維材が絡み合って配設されていることで、上記アンカー効果と相俟って、金属インサート２０と第一の繊維含有樹脂材３０の接合強度が高くなり、もって高強度かつ高剛性のインサート成形品１００となる。

（インサート成形品の性能を検証した実験とその結果）
本発明者等は実際にインサート成形品を製作し、その性能を検証する実験をおこなった。

＜試験体の製作方法＞
不飽和ポリエステル樹脂からなる第一、第二の樹脂材（第一の樹脂材の溶融粘度を相対的に高くしておく）内における第一、第二の繊維材の含有量をともに50質量％程度に設定し、第一、第二の繊維材にはともに炭素繊維を適用し、第一の繊維材の繊維長を12mm、第二の繊維材の繊維長を25mmとし、金属インサートの周りにSMCを用いた圧縮成形にて実施例にかかる試験体を製作した。また、第二の繊維材が含有された第二の樹脂材のみを用いて、同様の方法で圧縮成形にて比較例にかかる試験体を製作した。

＜実験結果＞
試験体の金属インサートの空回りトルク値を測定した。その結果、比較例のトルク値は29Nmであったのに対して、実施例のトルク値は35Nmとなり、比較例に比して2割程度もトルク値が向上することが分かった。

これは、実施例の試験体が、金属インサートの周囲に短繊維の繊維材を含有した繊維含有樹脂材が配設された結果、金属インサートと繊維含有樹脂材（第一の繊維含有樹脂材）との接合強度が高くなったことによるものであると考えられる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…上型、２…下型、３…固定治具、１０…成形型、２０…金属インサート、３０…第一の繊維含有樹脂材、３０’…第一の樹脂材（第一の繊維材を含有する第一の樹脂材）、４０…第二の繊維含有樹脂材、４０’…第二の樹脂材（第二の繊維材を含有する第二の樹脂材）、５０…繊維含有樹脂材、１００…インサート成形品

Claims

金属インサートが繊維含有樹脂材に内包されているインサート成形品であって、
前記繊維含有樹脂材は、繊維材の繊維長が相対的に短い第一の繊維材を含有する第一の繊維含有樹脂材と、該第一の繊維材に比して相対的に繊維長の長い第二の繊維材を含有する第二の繊維含有樹脂材とから構成され、
金属インサートが前記第一の繊維含有樹脂材に内包されているインサート成形品。
前記第一の繊維含有樹脂材を形成する第一の樹脂材の溶融粘度が、前記第二の繊維含有樹脂材を形成する第二の樹脂材の該溶融粘度に比して高い請求項１に記載のインサート成形品。
前記金属インサートのうち、第一の繊維含有樹脂材と接する外側表面に凹凸が設けてある請求項１または２に記載のインサート成形品。