JP2016215499A - 繊維強化樹脂成型体及びその製造方法並びに固定具 - Google Patents

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Abstract

【課題】繊維強化樹脂成型体の層間強度を効果的に向上させる。【解決手段】繊維強化樹脂成型体は、補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7と、複数枚の繊維強化シート7を互いに積層する状態で、対向する繊維強化シート7同士の接合界面8に介在されて、この接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2を備える複数の固定具1とを備えている。【選択図】図2

Description

本発明は、炭素繊維等の補強繊維を樹脂で固定してシート状に形成された繊維強化シートを複数枚積層してプレス成形してなる繊維強化樹脂成型体とその製造方法、及びこの繊維強化樹脂成型体に使用する固定具に関する。
耐熱性に優れたシート材は、車両や航空機など各種分野に使用されている。特に繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics:FRP)は、埋設される補強繊維でプラスチックが補強されることから、プラスチック単体では到底に実現できない優れた強度を実現する。FRPに使用される補強繊維には、主としてガラス繊維が使用されるが、アルミニウム繊維やステンレス繊維などの金属繊維、アラミド繊維やPBO繊維などの有機繊維、及びシリコンカーバイト繊維などの無機繊維なども使用される。さらに近年、極めて優れた物性を示すことから、炭素繊維などの無機繊維なども使用されるようになった。
補強繊維として炭素繊維を使用する炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastics:CFRP)は、複数のプリプレグを積層してプリフォームとし、これをプレス成形して製作される。プリプレグは、炭素繊維をシート状に加工している繊維シートに熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化シートとして製作される。繊維シートは、連続、もしくは不連続の補強繊維を一方向に配列させたり、織物加工させたりして製作される(特許文献1及び2参照)。また、熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics:CFRTP)も開発されている。
国際公開WO2007/097436号 特開2010−235779号公報
しかしながら、積層構造を持つFRPでは、図30に示すように繊維強化シート70同士の層間は樹脂が主体となる樹脂リッチ層71となって繊維では補強されないことから、この部分の強度が弱くなり、層間剥離が大きな問題となっていた。層間剥離は、積層構造において起きる破壊であり、図31に示すように材料内部において発生するため、外傷がない状態でも複合材料全体の強度低下に繋がる。現在、航空機材料などに用いられているFRPは積層構造を有することが多く、層間強度の改善が大きな課題となっていた。
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の目的の一は、層間強度を向上させた繊維強化樹脂成型体及びその製造方法並びに固定具を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
上記の目的を達成するため、本発明の繊維強化樹脂成型体によれば、補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7と、複数枚の繊維強化シート7を互いに積層する状態で、対向する繊維強化シート7同士の接合界面8に介在されて、この接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2を備える複数の固定具1とを備えている。
上記構成により、互いに積層される繊維強化シート同士の接合界面に固定具を介在させることにより、繊維強化樹脂成型体の層間強度を高めることができる。とくに、本発明の繊維強化樹脂成型体は、接合界面に介在される固定具が、接合界面に対して交差する方向に突出する突起を備え、この突起を介して積層される繊維強化シート同士を連結するので、簡単な構造としながら、確実に繊維強化シート同士の層間強度を高めることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、XY平面上にランダムに載置される状態で、突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となるように形成することができる。
上記構成により、固定具を繊維強化シート同士の接合界面にランダムに載置する状態において、突起の突出方向を接合界面に対して交差する方向とすることができ、積層される繊維強化シート同士の接合界面に能率良く固定具を配置しながら、突出する突起を介して繊維強化シート同士を確実に連結できる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、接合界面8に対して両面側に突出する突起2を備えることができる。
上記構成により、接合界面の両面側に突出する突起を介して、接合界面の両面に積層される繊維強化シート同士を連結して層間強度を高めることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、同一平面上にない少なくとも2本の線分10を含む3本以上の線分10を互いに交差する姿勢で一体的に連結した形状とすることができる。本明細書において、線分が互いに交差するとは、ねじれの位置も含む広い意味で使用する。
上記構成により、3本以上の線分を互いに交差する姿勢で連結する簡単な構造としながら、同一平面上にない少なくとも2本の線分を含むことで、接合界面に対して交差する方向に突出する突起を確実に形成することができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、接合界面8に沿って積層される平面積層部3と、平面積層部3に対して交差する方向に突出する突起2を備えることができる。
上記構成により、平面積層部を接合界面に沿って積層する状態で、平面積層部から突出する突起を、対向する繊維強化シートに確実に連結できる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、平面積層部3が、同一平面上に配置された、複数の線分10、湾曲された線材12、ループ部24のいずれかとすることができる。
上記構成により、平面積層部を線分や線材、ループ部等とすることで、固定具全体を軽量にできる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、平面積層部3を、板状部26とすることができる。
上記構成により、平面積層部を板状とすることで、接合界面に沿って確実に積層することができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、複数の線分10を一点で連結すると共に、この連結点15から各線分10が異なる方向に放射状に突出させることができる。
上記構成により、一の連結点から異なる方向に放射状に突出する各線分を備える固定具を繊維強化シート同士の接合界面に介在させるので、複数の方向に突出する各線分を突起として、対向する繊維強化シート同士をより確実に連結できる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、接合界面8に沿って延長された線材28と、この線材28の延長方向に対して交差する姿勢で固定された複数の突起2とを備えることができる。
上記構成により、接合界面に沿って線材を配置しながら、この線材から突出する複数の突起を介して、対向する繊維強化シート同士を確実に連結できる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、固定具1を構成する要素を溶着により固定することができる。
上記構成により、固定具を構成する要素同士を確実に固定することができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、1本の金属線を折曲又は湾曲して形成することができる。
上記構成により、1本の金属線を折曲又は湾曲加工することで、所定の立体形状の固定具を簡単かつ容易に形成できる。とくに、1本の金属線を折曲又は湾曲して複数の線分や線材が連結された形状とするので、複数の部材を連結して固定する構造に比べて製造工程を簡単にしながら、連結部分における強度を高めることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1が、固定具1を構成する要素の表面に凹凸を設けることができる。
上記構成により、固定具の突起の表面に凹凸を設けて、対向する繊維強化シートとの連結強度をより高くすることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、複数の固定具1を、繊維強化シート7同士の接合界面8において略均一に配置することができる。
上記構成により、複数の固定具を接合界面に均一に配置することで、互いに対向する繊維強化シート同士を斑なく安定して連結することができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1を金属製とすることができる。また、本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1を、酸化亜鉛製またはステンレス鋼製とすることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、固定具1の大きさを、5mm以下とすることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、記固定具1を、三次元造型機で成型することができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体は、繊維強化シート7の樹脂を、熱硬化性樹脂とすることができる。また、本発明の繊維強化樹脂成型体は、繊維強化シート7の樹脂を、熱可塑性樹脂とすることができる。
本発明の固定具は、補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7を積層して形成される繊維強化樹脂成型体の各繊維強化シート7同士の接合界面8に介在される固定具である。固定具は、接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2を備えており、この突起2は、固定具1がXY平面上に載置される状態で、突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となるように形成されている。
上記構成により、互いに積層される繊維強化シート同士を接合界面において確実に連結させて、繊維強化樹脂成型体の層間強度を高めることができる。とくに、この固定具は、XY平面上に載置する状態で、突起の突出方向をXY平面に対して交差する方向とするので、複数の固定具を対向する繊維強化シート同士の接合界面に能率良く配置しながら、繊維強化シートの接合界面に載置する状態では、突起を接合界面に対して交差する方向に配置して積層される繊維強化シート同士を確実に連結できる。
本発明の繊維強化樹脂成型体の製造方法は、補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7を積層して形成される繊維強化樹脂成型体の製造方法であって、炭素繊維を樹脂で固定した繊維強化シート7を準備する工程と、繊維強化シート7を複数枚積層する際、繊維強化シート7同士の接合界面8に、XY平面上に載置した状態でXY平面に対して交差する方向に配置される突起2を備える固定具1を複数、略均一に配置する工程と、複数の固定具1を接合界面8に介在させた状態で、複数枚の繊維強化シート7をプレス成形して、固定具1の突起2を、接合界面8に対して交差する方向に突出する姿勢で配置する工程とを含んでいる。
上記方法により、繊維強化シートを複数枚積層する際、繊維強化シート同士の接合界面に、突起を備える固定具を複数、略均一に配置した状態で、複数枚の繊維強化シートをプレス成形して、固定具の突起を、接合界面に対して交差する姿勢で配置するので、互いに積層される繊維強化シート同士の接合界面における連結強度を高めて、繊維強化樹脂成型体の層間強度を高めることができる。
さらに、本発明の繊維強化樹脂成型体の製造方法は、補強繊維を含有する複数枚の繊維シートを互いに積層した状態で樹脂に埋設して形成される繊維強化樹脂成型体の製造方法であって、補強繊維をシート状に形成した繊維シートを準備する工程と、繊維シートを複数枚積層する際、繊維シート同士の接合界面に、XY平面上に載置した状態でXY平面に対して交差する方向に配置される突起を備える固定具を複数、略均一に配置する工程と、複数の固定具を接合界面に介在させた状態で、複数枚の繊維シートに軟化された樹脂を含浸させると共に、複数枚の繊維シートをプレス成形して固定具の突起を、接合界面に対して交差する方向に突出する姿勢で配置する工程とを含んでいる。
上記方法により、補強繊維を含有する繊維シートを複数枚積層する際に、繊維シート同士の接合界面に、突起を備える固定具を複数、略均一に配置し、積層された繊維シートに軟化された樹脂を含浸させると共に、複数枚の繊維シートをプレス成形して、固定具の突起を、接合界面に対して交差する姿勢で配置するので、互いに積層される繊維シート同士の接合界面における連結強度を高めて、繊維強化樹脂成型体の層間強度を高めることができる。とくに、この方法は、樹脂で固定されていない繊維シートを複数枚積層した状態で樹脂を含浸させるので、積層される繊維シートの枚数や成型体の形状に応じて、これに含浸させる樹脂の量や温度、含浸させるタイミング等を種々に変更して、成型体に最適な状態で樹脂成型できる。
本発明の繊維強化樹脂成型体の製造方法は、複数の固定具1を接合界面8に配置する工程において、エアーブローで固定具1を接合界面8上に分散させることができる。
上記方法により、固定具を接合界面に配置する際に、複数の固定具をエアーブローで分散させることにより、多数の固定具を簡単に、かつ傷つけることなく配置できる。
本発明の一実施の形態かかる繊維強化樹脂成型体の斜視図である。 図1に示す繊維強化樹脂成型体のXZ断面を示す拡大断面図である。 図2に示す繊維強化樹脂成型体の製造工程を示す分解斜視図である。 図1に示す繊維強化樹脂成型体のXY断面を示す断面図である。平面、XZ平面、及びYZ平面におけるX線写真 本発明の実施例1にかかる固定具の斜視図である。 図5に示す固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例2にかかる固定具の斜視図である。 図7に示す固定具の他の姿勢を示す斜視図である。 本発明の実施例3にかかる固定具の斜視図である。 図9に示す固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例4にかかる固定具の斜視図である。 図11に示す固定具の製造工程を示す斜視図である。 図11に示す固定具をXY平面に載置した状態を示す側面図である。 本発明の実施例5にかかる固定具の斜視図である。 図14に示す固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例6にかかる固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例7にかかる固定具の斜視図である。 本発明の実施例8にかかる固定具の斜視図である。 本発明の実施例9にかかる固定具の斜視図である。 本発明の実施例10にかかる固定具の斜視図である。 本発明の実施例11にかかる固定具の斜視図である。 本発明の実施例12にかかる固定具の斜視図である。 図11ないし図22に示す固定具を繊維強化シートの間に配置する状態を示す分解断面図である。 図23に示す繊維強化シートの積層体をプレス成形する状態を示す断面図である。 本発明の実施例13にかかる固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例14にかかる固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例15にかかる固定具の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施例16にかかる固定具を示す斜視図である。 図28に示す固定部を繊維強化シートに配置する状態を示す平面図である。 従来のFRPの積層方向における模式断面図である。 従来のFRP内部における層間破壊が生じる様子を示す模式断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものや方法に特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
本発明の繊維強化樹脂成型体100は、図1〜図3に示すように、補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7と、複数枚の繊維強化シート7を互いに積層する状態で、対向する繊維強化シート7同士の接合界面8に介在されて、接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2を備える複数の固定具1とを備えている。
(繊維強化シート7)
繊維強化シート7は、補強繊維を樹脂で固定してシート状に形成したものである。このような補強繊維として、炭素繊維が使用できる。ただ、補強繊維には、ガラス繊維やバサルト繊維、シリコンカーバイト繊維などの無機繊維、アルミニウム繊維やステンレス繊維、ボロン繊維、チタン繊維、タングステン繊維、モリブデン繊維などの金属繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール(PBO)繊維、アラミド繊維、ポリアクリレート繊維、高強力ポリエチレン繊維、高強力ポリビニルアルコール繊維などの有機繊維を使用することもできる。さらに、補強繊維には、以上の繊維を複数種混合したものを使用することもできる。
補強繊維を樹脂で固定してシート状に形成してなる繊維強化シート7として、炭素繊維をシート状としてなる繊維シートに樹脂を含浸させたプリプレグ、あるいは、炭素繊維をシート状としてなる繊維シートの表面に樹脂シートを積層して固定してなるセミプレグが使用できる。プリプレグやセミプレグである繊維強化シート7は、複数枚を積層した状態で、プレス成形されて繊維強化樹脂成型体100となる。複数の繊維強化シート7は、好ましくは、加熱状態で、プレス成形されることで、溶融された樹脂が炭素繊維の隙間に浸入すると共に、溶融された樹脂が冷却硬化または冷却固化されて繊維強化樹脂成型体100が形成される。なお、積層された繊維強化シート7をプレス成形する工程においては、加熱されたプレス板で繊維強化シート7の積層体を挟着して熱プレスすることも、積層された繊維強化シート7を予備加熱し、あるいは、予備加熱された繊維強化シート7を積層した後、プレス成形することもできる。
プリプレグやセミプレグの基材となる繊維シートは、例えば、炭素繊維を湿式抄紙してシート状に形成された抄紙シートを乾燥して製造される。抄紙シートは、炭素繊維を単独で湿式抄紙して形成することもできるが、好ましくは、炭素繊維に加えて樹脂繊維を混抄させて形成される。抄紙シートは、炭素繊維と樹脂繊維とをX軸方向とY軸方向とに配向させ、堆積してシート状に加工される。このようにして製造された抄紙シートを乾燥して繊維シートとし、あるいは、抄紙シートを加熱して抄紙シートに含まれる樹脂繊維の一部を溶融させ、炭素繊維を交点で結合させた後、乾燥させて繊維シートとすることができる。
以上のようにして製造される繊維シートに、未硬化状態にある樹脂を含浸させてプリプレグが製造され、また、繊維シートの表面に樹脂シートが積層、連結されてセミプレグが製造される。繊維シートに含浸させる樹脂や繊維シートの表面に積層される樹脂シートには、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が使用できる。
繊維シートに未硬化状態にある熱硬化性樹脂を含浸させてなるプリプレグや、繊維シートに未硬化状態にある熱硬化性樹脂シートを積層、連結してなるセミプレグである繊維強化シート7は、複数枚を積層する状態でプレス成形される。プレス成形される繊維強化シート7の積層体は、繊維強化シート7に含まれる熱硬化性樹脂が軟化された後に冷却硬化されて、複数枚の繊維強化シート7を層間で互いに結合して繊維強化樹脂成型体100が成型される。熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂のいずれかが使用できる。
繊維シートに溶融状態にある熱可塑性樹脂を含浸させてなるプリプレグや、繊維シートに熱可塑性樹脂シートを積層、連結してなるセミプレグである繊維強化シート7も、複数枚を積層する状態でプレス成形される。プレス成形される繊維強化シート7の積層体は、繊維強化シート7に含まれる熱可塑性樹脂が軟化された後に冷却固化されて、複数枚の繊維強化シート7を層間で互いに結合して繊維強化樹脂成型体100が成型される。熱可塑性樹脂には、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素系樹脂のいずれか、又は複数の組み合わせとすることができる。
なお、炭素繊維等の補強繊維と樹脂繊維とを混抄してなる抄紙シートを繊維シートとする繊維強化シート7においては、樹脂繊維として熱可塑性樹脂繊維を含有することもできる。この繊維強化シート7の積層体は、加熱状態でプレス成形される工程において、繊維シートに含有される熱可塑性樹脂繊維が溶融されると共に、冷却固化されて複数枚の繊維強化シート7を層間で互いに結合して繊維強化樹脂成型体100が形成される。
(固定具1)
さらに、繊維強化樹脂成型体100は、図2〜図4に示すように、積層される繊維強化シート7の層間強度を向上させるために、互いに積層される繊維強化シート7同士の間に、これ等を連結する複数の固定具1を介在させている。固定具1は、複数枚の繊維強化シート7を互いに積層する際に、対向する繊維強化シート7同士の接合界面8に配置される。この固定具1は、図2〜図4に示すように、互いに積層される複数の繊維強化シート7がプレス成形される状態で、接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2を備えている。この固定具1は、接合界面8から突出する突起2を、積層される繊維強化シート7に侵入させて、互いに積層される繊維強化シート7同士を積層方向に連結する。固定具1は、この突起2を介して、積層される繊維強化シート7同士を連結することにより、互いに積層される繊維強化シート7同士の層間強度を高めている。
固定具1は、互いに積層される繊維強化シート7同士の接合界面8に配置される状態で、接合界面8から突出する突起2を有する立体形状に形成される。固定具1は、接合界面8に対して両面側に突出する突起2を備えることが好ましい。この固定具1は、接合界面8の両面側に突起2を突出させて、両面に積層される繊維強化シート7同士を連結できるからである。ただ、固定具1は、接合界面8の片面側にのみ突起2を突出させる構造とすることもできる。
固定具1は、図2に示すように、突起の突出量を(t)を、積層される繊維強化シート7の厚さ(d)よりも大きくする。それは、固定具1の突起2を複数の繊維強化シート7に跨がって挿入して、積層方向の連結強度を高くするためである。ここで、突起2の突出量(t)とは、図2に示すように、積層される繊維強化シート7同士の間に固定具1が配置される状態で、接合界面8から突出する最大突出量であって、突起2が繊維強化シート7に対して垂直な姿勢で挿入される状態での突起2の挿入量に相当する。突出量(t)が繊維強化シート7の厚さ(d)よりも大きく形成される突起2は、繊維強化シート7に対して垂直な姿勢で挿入される状態では、対向する繊維強化シート7を貫通して、次の層に積層される繊維強化シート7にも挿入される。すなわち、この固定具1は、複数の繊維強化シート7に挿入されて、積層方向により強固に連結される。突起2の突出量(t)は、積層される繊維強化シート7の枚数ならびに固定具1の載置密度によっても変更されるが、好ましくは、繊維強化シート7の厚さ(d)の2倍〜200倍とすることができる。
さらに、固定具1は、好ましくは、XY平面上にランダムに載置される状態で、突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となるように形成される。それは、複数の繊維強化シート7を積層する際に、繊維強化シート7の接合界面8に固定具1を載置する状態で、固定具1から突出する突起2を、対向する繊維強化シート7の内部に効果的に侵入させるためである。とくに、繊維強化シート7の接合界面8に載置される固定具1は、両側(図3においては上下)に積層される繊維強化シート7に挟着される状態で押圧されるが、このとき、対向する繊維強化シート7から受ける押圧力の反作用によって、固定具1の突起2が繊維強化シート7の内部に侵入する。したがって、固定具1は、繊維強化シート7から受ける押圧力が反作用として突起2に作用しやすい形状となるように形成される。
固定具1は、図5〜図10に示すように、複数の線分10を互いに交差する姿勢で連結してなる立体形状として突起2を形成することができる。これらの図に示す固定具1は、同一平面上にない少なくとも2本の線分10を含む3本以上の線分10を互いに交差する姿勢で一体的に連結した形状としている。この固定具1は、3本以上の線分10を互いに交差する姿勢で連結する簡単な構造としながら、同一平面上にない少なくとも2本の線分10を含むことで、接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2を形成している。
図5〜図10に示す固定具1は、複数の線分10を一点で連結しており、この連結点15から各線分10が異なる方向に放射状に突出する形状としている。連結点15から異なる方向に放射状に突出する各線分10は、図2に示すように、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、繊維強化シート7に挿入される突起2として機能する。すなわち、この固定具1は、放射状に突出する線分10を、繊維強化シート7に挿入される突起2としている。ただ、固定具1から突出する突起2は、必ずしも全てが繊維強化シート7に挿入されるとは限らず、一部が接合界面8に沿って配置されることもある。これらの固定具1は、4本以上の線分10が三次元的に異なる方向に放射状に突出するので、いずれかの線分10が接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2として繊維強化シート7に挿入される
この固定具1は、複数本の線分10を互いに連結、固定して所定の立体形状とし、あるいは、複数本の線分20を互いに連結、固定した後、折曲加工して所定の立体形状とし、あるいはまた、複数本の線分20を折曲した後、互いに連結、固定して所定の立体形状に形成することができる。ここで、固定具1を形成する線分10、20は、直線状に伸びるロッドや線材であって、所定の太さと強度を有するものが使用できる。このような線分10、20には、金属製やプラスチック製のロッドや線材が使用できる。金属製のロッドや線材として、酸化亜鉛やステンレス鋼(例えばSUS304)が使用できる。互いに連結して固定される線分10、20は、溶着や接着により交点で固定することができる。
[実施例1]
図5に示す固定具1Aは、4本の線分10の一端を一点で連結してなる形状としており、この連結点15から各線分10を異なる方向に放射状に突出させて、4個の突起2を4方向に突出させている。図5に示す固定具1Aは、4本の線分10の延長方向が正四面体の重心から頂点方向となるように、4本の線分10を等間隔に配置している。この固定具1Aは、4本の線分10で形成される4個の突起2の先端が正四面体の4つの頂点に位置するように、4本の線分10を1つの連結点15で連結してなる形状としている。この固定具は、4本の線分10の長さを等しくして各突起2の突出量(t)を等しくしている。
この固定具1Aは、4本の線分10の一端を連結点15で連結して所定の立体形状とすることもできるが、図6の(a)で示すように、直線状に延びる2本の線分20を各々の中間で交差姿勢で連結して固定し、これらの連結点15から延びる4本の線分10の延長方向が異なる放射方向となるように折曲して、各々の先端部を異なる放射方向に延長して突起2を設けることができる。また、この固定具1Aは、図6の(b)で示すように、2本の線分20を中間で折曲すると共に、折曲部で互いに連結して固定し、各々の先端部となる線分10が異なる放射方向となるように配置して突起2を設けることもできる。
この形状の固定具1Aは、図5に示すように、いずれか3本の線分10の先端が形成する三角形がXY平面に配置される状態においては、残りの1本の線分10が、XY平面に対して垂直なZ軸方向に延びる姿勢となる。したがって、この形状の固定具1Aは、XY平面上にランダムに載置する状態において、XY平面側の突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となり、さらに、XY平面と反対側に突出する突起2の突出方向がXY平面に対して略垂直方向となるため、繊維強化シート7の接合界面8に対して常に理想的な姿勢で配置でき、積層される繊維強化シート7に対して突起2を確実に挿入できる。ただ、4本の線分を正四面体の頂点方向に延長してなる固定具は、必ずしも4本の線分の長さを等しくする必要はなく、また、必ずしも正四面体の4つの頂点に線分の先端が位置する必要はない。固定具は、4本の線分を異なる長さとしながら、その先端が三角錐の頂点に位置する形状とすることもできる。
なお、図5に示す固定具1Aは、複数の線分10を金属ロッドで構成している。金属ロッドで構成される線分10は、太さを約0.3mmとし、連結点15から突出する線分10で形成される突起2の突出量(t)を約2mmとして、全体の大きさを5mm以下としている。ただ、固定具1は、線分10を構成する金属ロッドの太さを0.01〜1mmとし、突起2の突出量(t)を0.02〜10mmとして、全体の大きさを0.05〜20mmとすることもできる。
[実施例2]
図7に示す固定具1Bは、5本の線分10の一端を一点で連結してなる形状としており、この連結点15から各線分10を異なる方向に放射状に突出させて、5個の突起2を5方向に突出させている。図7に示す固定具1Bは、5本の線分10の先端がピラミッド型の正四角錐(底面が正方形で側面が正三角形)の5つの頂点に位置するように、5本の線分10を1つの連結点15で連結してなる形状としている。図の固定具1Bは、先端が正方形の頂点に位置する4本の線分10の長さを等しくして、これ等4個の突起2の突出量(t)を等しくすると共に、連結点15からピラミッドの頂上に延びる線分10をやや短くして、この突起2の突出量(t)を他の突起2よりも小さくしている。
この形状の固定具1Bは、図7に示すように、4本の線分10の先端が形成する正方形がXY平面に配置される状態においては、頂上方向に延びる残りの1本の線分10が、XY平面に対して垂直なZ軸方向に延びる姿勢となる。また、この固定具1Bは、図8に示すように、頂上方向に延びる1本の線分10と他の2本の線分10の先端が形成する三角形がXY平面に配置される状態においても、残りの2本の線分10が、XY平面に対して交差する方向に延びる姿勢となる。したがって、この形状の固定具1Bは、XY平面上にランダムに載置して、いずれの面が下方に位置する状態においても、突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となり、理想的な状態で繊維強化シート7の接合界面8に配置でき、積層される繊維強化シート7に対して突起を確実に挿入できる。
ただ、5本の線分を正四角錐の頂点方向に延長してなる固定具は、5本の線分を同じ長さとして、その先端を正四角錐の頂点に位置させることもできる。また、固定具は、必ずしも底面側の4本の線分の長さを等しくする必要はなく、また、必ずしも正四面錐の4つの頂点に線分の先端が位置する必要はない。固定具は、5本の線分を異なる長さとしながら、その先端が四角錐の頂点に位置する形状とすることもできる。
さらに、固定具は、図示しないが、6本以上の線分の一端を一点で連結してなる形状として、この連結点から各線分が異なる方向に放射状に突出する形状とすることもできる。この固定具は、各線分の先端が五角錐や六角錐等の頂点に位置するように、各線分を1つの連結点で連結して固定することができる。
[実施例3]
さらに、図9に示す固定具1Cは、4本の線分20の中間を一点で連結してなる形状としており、この連結点15から延びる8本の線分10を三次元的に放射状に突出させて、8個の突起2を8方向に突出させている。図9に示す固定具1Cは、4本の線分20の延長方向が立方体の対角線方向となるようにしており、4本の線分20の長さを等しくすると共に、これ等の線分20の中点を連結点15で連結して、各線分10で形成される突起2の突出量(t)を等しくしている。図に示す固定具1Cは、8本の線分10で形成される8個の突起2の先端が立方体の8個の頂点に位置するように形成している。
この固定具1Cは、図10に示すように、直線状に延びる2本の線分20を各々の中間で交差姿勢で固定し、さらに、これら2組を交差姿勢としながら連結点15で固定して、連結点15から延びる8本の線分10を放射状に配置することができる。この構造の固定具1は、図9に示すように、4本の線分10の先端が形成する正方形がXY平面に配置される状態においては、全ての突起2がXY平面に対して交差する姿勢で配置される。とくに、この構造の固定具1Cは、上下、左右、前後に対称な立体形状となるので、XY平面上にランダムに載置して、いずれの面が下方に位置する状態においても、突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となり、理想的な状態で繊維強化シート7の接合界面8に配置でき、積層される繊維強化シート7に対して突起を確実に挿入できる。
ただ、4本の線分を中間で連結して放射状に突出させる固定具は、必ずしも各線分の先端が立方体の頂点に位置するように配置する必要はなく、各線分の先端が直方体や四角柱の頂点に位置し、あるいは四角錐台の頂点に位置するように配置することもできる。また、固定具は、3本、あるいは5本以上の線分の中間を連結して、各線分を放射状に突出させる形状とすることもできる。
以上の固定具1は、連結点15から放射状に伸びる複数の線分10を突起2とするので、繊維強化シート7の上面
に載置されて、上下に積層される繊維強化シート7で挟着される状態(図3参照)では、複数の突起2のいずれかが接合界面8と交差する方向に突出して繊維強化シート7に挿入される(図2参照)。このため、この構造の固定具1は、図4に示すように、複数の突起2がランダムな方向に挿入されて互いに積層される繊維強化シート7同士を強固に連結する。なお、図4は、複数の固定具1が接合界面8に介在された繊維強化樹脂成型体100のX線写真であって、図1に示す繊維強化樹脂成型体100のXY平面、XZ平面、YZ平面における投影写真を各々示している。
さらに、固定具1は、図11〜図22に示すように、接合界面8に沿って配置される平面積層部3と、この平面積層部3に対して交差する方向に突出する突起2を備える形状とすることができる。この構造の固定具1は、図23に示すように、繊維強化シート7の上面に載置された状態で、上下に積層される繊維強化シート7に挟着され、積層された繊維強化シート7の積層体がプレス成形されて繊維強化樹脂成型体が形成される。繊維強化シート7の積層体が加圧される状態では、図24に示すように、平面積層部3が接合界面8に沿う姿勢に保持されると共に、平面積層部3から突出する突起2が繊維強化シート7に対して鋭角に侵入する姿勢に保持される。すなわち、この構造の固定具1は、繊維強化シート7で上下から挟着される状態では、平面積層部3が接合界面8に沿う姿勢となって、平面積層部3から突出する突起2が確実に繊維強化シート7に挿入する。とくに、平面積層部3の両面側に突出する突起2を備える固定具1は、両面に積層される繊維強化シート7に突起2を挿入して、互いに積層される繊維強化シート7同士を強固に固定する。
ここで、平面積層部3は、繊維強化シート7の間に介在される状態で、接合界面8に沿って配置される形状であって、接合界面8の延在方向に配置される2次元形状を含んでいる。このため、平面積層部3は、必ずしも平面形状とする必要はない。平面積層部3は、線分や曲線を組み合わせた形状やループ状として、同一平面内に配置することができる。平面積層部3は、同一平面上に配置される複数の線分10で構成し、あるいは、同一平面上に配置される湾曲された線材12やループ部24で構成することができる。複数の線分10からなる平面積層部3は、複数本の線分10を互いに連結、固定して形成し、あるいは1本の線材22を折曲加工して形成することができる。
さらに、固定具1は、平面積層部3に対して交差する姿勢で連結された線分10を有しており、この線分10で突起2を形成している。線分10からなる突起2は、平面積層部3を形成する線分10や線材12、又はループ部24に連結、固定して所定の姿勢で配置することができ、あるいは、線材22の先端部を折曲加工して突出させることができる。線分10、22で形成される突起2は、平面積層部3に対して起立する姿勢であって、好ましくは平面積層部3に対して略垂直方向に交差する姿勢となるように形成される。この形状の固定具1は、平面積層部3が接合界面8に沿って配置される状態では、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して略垂直な姿勢として、鋭角に侵入させることができる。このように、繊維強化シート7に略垂直姿勢で侵入する突起2は、積層される複数枚の繊維強化シート7に対して、より深く侵入して、強固に連結することが可能となる。
[実施例4]
図11に示す固定具1Dは、3本の線分10を互いに連結して一体的に形成している。3本の線分10は、中央部に配置される中間ロッド10Aと、その両端に連結される一対の端部ロッド10Bとからなる。この固定具1Dは、中間ロッド10Aの両端に、それぞれ端部ロッド10Bの中間点を連結して固定している。両端の端部ロッド10Bは、中間ロッド10Aに対してそれぞれ交差(図においては直交)する姿勢で固定されており、さらに、2本の端部ロッド10Bは、互いに交差する姿勢であって、ねじれの位置となる位置関係で配置されている。2本の端部ロッド10Bは、正面視において、互いに直交する姿勢で連結されている。この固定具1Dは、中間ロッド10Aと一方の端部ロッド10Bとで平面視T字状の平面積層部3を形成し、他方の端部ロッド10Bが平面積層部3の両面側に突出する突起2を構成する。
この構造の固定具1Dは、図11に示すように、XY平面上にランダムに載置される状態では、中間ロッド10Aの両端に連結された一対の端部ロッド10Bのうち、いずれか一方の端部ロッド10Bが、XY平面に対して交差する方向に配置される突起2として機能する。例えば、図11に示すように、中間ロッド10Aの後方側の端部に連結された端部ロッド10BがXY平面上に配置される姿勢では、反対側である前方側の端部に連結された端部ロッド10BがZ方向に突出する突起2として機能する。また、図11で示す姿勢から中間ロッド10Aの軸周りに90度回転した姿勢、すなわち、中間ロッド10Aの前方側の端部に連結された端部ロッド10BがXY平面上に配置される姿勢では、後方側の端部に連結された端部ロッド10BがZ方向に突出する突起として機能する。このため、この構造の固定具1Dは、XY平面上にランダムに載置する状態において、いずれか一方の端部ロッド10BがXY平面上に配置されて平面積層部3を構成し、他方の端部ロッド10BがXY平面に対して交差する姿勢で配置されて突起2を構成する。したがって、この固定具1Dは、図24に示すように、一方の端部ロッド10Bと中間ロッド10Aで形成される平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、他方の端部ロッド10Bで形成される突起2を両面側に突出させて、積層される繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
この固定具1Dは、例えば、図12に示すように、3本の金属ロッドを連結して製造することができる。この固定具1Dは、中間ロッド10Aの両端に一対の端部ロッド10Bの中点を溶接等により固定し、全体の形状をH字状とすると共に、一対の端部ロッド10Bを、中間ロッド10Aの軸周りであって、互いに逆方向に約90度ひねり加工することで、簡単かつ容易に所定の立体形状に形成できる。ただ、この固定具1Dは、中間ロッド10Aの両端に、一対の端部ロッド10Bをねじれの位置となるように溶接して固定して所定の立体形状とすることもできる。
なお、平面積層部3と突起2を備える固定具1は、図13に示すように、XY平面上に載置する状態で、突起2の突出方向とXY平面とのなす交差角(α)が45〜135度、好ましくは60〜120度となるように形成される。それは、突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくするためである。XY平面上に載置する状態で、XY平面に対して45度よりも垂直に近い角度で交差する突起2は、繊維強化シート7の接合界面8に載置する状態で、積層される繊維強化シート7に対して確実に、しかも深く侵入させることが可能となる。
ここで、平面積層部3と突起2を備える固定具1は、平面積層部3の外形を大きくし、突起2の突出量(t)を小さくすることで、突起2の突出方向とXY平面とのなす交差角(α)を90度に近づけて、突起2を繊維強化シート7に鋭角に挿入することができる。ただ、固定具1は、平面積層部3の外形を小さくすることでコストを低減でき、また、突起2の突出量(t)を大きくすることで、積層される繊維強化シート7への挿入量を大きくして連結強度を高くできる。したがって、固定具1は、これ等のことを考慮して、平面積層部3の外形と、突起2の突出量(t)を決定する。例えば、固定具1は、図11と図13に示すように、突起2の後端から平面積層部3の端縁であってXY平面との接触点までの最短距離(a)に対する突起2の突出量(t)の比の値(t/a)を1より小さく、好ましくは2/3よりも小さく、さらに好ましくは、1/2よりも小さくなるように平面積層部3の外形と、突起2の突出量(t)とを決定する。
[実施例5]
図14に示す固定具1Eは、3本の線分20の中間を一点で連結してなる形状としている。図の固定具1Eは、2本の線分20を互いに交差する姿勢で連結点15で固定して平面積層部3を構成すると共に、他のもう1本の線分20を平面積層部3に対して交差する姿勢として固定している。図に示す固定具1Eは、平面積層部3を構成する2本の線分20の長さを等しくすると共に、2本の線分20を各々の中点で直交する姿勢で連結して、2本の線分20が正方形の対角線方向となるようしている。さらに、他のもう1本の線分20の中点を、平面積層部3を構成する2本の線分20の連結点15に固定して、この線分20の両端部を平面積層部3に対して略垂直方向に突出させて突起2としている。突起を構成する線分20の長さは、平面積層部3を構成する2本の線分20の長さよりも短くしており、図14に示すように、連結点15から平面積層部3の端縁までの最短距離(a)に対する突起2の突出量(t)の比の値(t/a)を1より小さくしている。この形状の固定具1Eも、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Eも、図24に示すように、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部3の中心部において両面側に突出する突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
この固定具1Eは、図14に示すように、3本の線分20を互いに直交する姿勢で固定して平面積層部3と突起2とを形成することができる。ただ、この固定具は、図15に示すよう3本の線分20を同一平面内で交差する姿勢で固定した後、突起2を構成する線分20の両端部を平面積層部3に対して直交する方向に折曲して両面方向に突出する突起2を形成することもできる。さらに、固定具1Eは、これを構成する3本の線分20の長さや連結位置、交差角度等を種々に変更することができる。
[実施例6]
図16に示す固定具1Fは、2本の線分20を互いに交差する姿勢で連結点15で連結して平面積層部3を構成すると共に、各線分20の両端部を平面積層部3から突出する方向に折曲して突起2を形成している。図に示す固定具1Fは、平面積層部3を構成する2本の線分20の長さを等しくすると共に、2本の線分20を各々の中点で直交する姿勢で連結している。さらに、各線分20の両端部を、平面積層部3が含まれる面に対して直交する方向に折曲して突起を形成している。図の固定具1Fは、各線分20の両端部を同方向に折曲すると共に、交差する線分20同士では、突起20の突出方向が逆方向となるように反対側に折曲して、平面積層部3の両面側に突出する突起2を設けている。すなわち、この固定具1Fは、対角の位置に形成される突起2を同方向に突出する姿勢としながら、互いに隣り合う突起2同士は、逆方向に突出する姿勢としている。
この固定具1Fは、図16に示すように、平面積層部3の中心である連結点15から、突起2の後端である線分20の折曲点までの最短距離(a)に対する突起2の突出量(t)の比の値(t/a)を1より小さくしている。この形状の固定具1Fも、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Fも、図24に示すように、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部の逆方向に突出する複数の突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
[実施例7]
図17に示す固定具1Gは、平面積層部3をループ部24としている。図のループ部24は、金属線を円形の環状に形成している。さらに、固定具1Gは、ループ部24に対して交差する姿勢で固定された3本の線分20を備えている。3本の線分20は、ループ部24の周囲に沿って等間隔で配置されている。さらに、各線分20は、平面積層部3が含まれる面に対して垂直な姿勢となるように、ループ部24に固定されている。固定具1Gは、この線分20の両端部を平面積層部3の両面側に突出させて突起2としている。3本の線分20は長さが等しく、それぞれの中点をループ部24に固定することで、両面側に突出する突起2の突出量(t)を等しくしている。
この固定具1Gは、平面積層部3である円形のループ部24の半径(r)に1対する突起2の突出量(t)の比の値(t/r)が2/3より小さく、好ましくは1/2よりも小さくなるように形成される。それは、XY平面上にランダムに載置する状態で、平面積層部3を効果的にXY平面に対して平行な姿勢とするためである。XY平面に対して平面積層部3を平行に配置することで、突起2の突出方向はXY平面に対して直交する方向となる。この固定具1Gは、ループ部24の複数箇所において、両面側に突出する突起2を繊維強化シート7に挿入させて、積層される繊維強化シート7をより強固に連結できる。
図に示す固定具1Gは、ループ部24を円形とするが、ループ部は、多角形状とすることも、楕円形や長円形とすることもできる。さらに、固定具は、ループ部に固定する線分を4本以上とすることもできる。
[実施例8]
図18に示す固定具1Hは、平面積層部3を多角形状とし、この多角形状の平面積層部3の一端に突起2を設けている。図に示す固定具1Hは、3本の線分10を互いに連結してなる形状として外形を三角形状としている。さらに、三角形のひとつの頂点において、2つの線分10の先端部を平面積層部3に対して突出する方向に折曲して突起2を形成している。図の固定具1Hは、一対の突起2を、各々逆向きに突出させている。この固定具1Hは、好ましくは、1本の金属線からなる線材22を折曲加工して所定の立体形状に形成される。この構造は、製造工程を簡単にしながら、連結部分における強度を高めることができる。ただ、固定具は、複数の線分を連結、固定して所定の立体形状とすることもできる。
この固定具1Hは、図18に示すように、突起2の後端である線分10の折曲点から対辺である線分10までの最短距離(a)に対する突起2の突出量(t)の比の値(t/a)を1より小さくしている。この形状の固定具1Hも、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Hも、図24に示すように、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部3の一端において両面側に突出する一対の突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
図に示す固定具1Hは、複数の線分10からなる平面積層部3を三角形状として一端に突起を設けているが、平面積層部3は、四角形以上の多角形とし、あるいは円形、楕円形、長円形とし、あるいはまた、これ等を組み合わせた形状として、一部分に突起を設けることもできる。
[実施例9]
図19に示す固定具1Iは、平面積層部3を、2本の線分10を互いに連結してなる形状として、外形をL字状としている。さらに、固定具1Iは、各々の線分10の先端部を平面積層部3に対して突出する方向に折曲して突起2を形成している。図の固定具1Iは、一対の突起2を、各々逆向きに突出させている。この固定具1Iは、極めて簡単な構造としながら、平面積層部3の両側に突出する突起2を形成することができる。この固定具1Iも、好ましくは、1本の金属線からなる線材22を折曲加工して所定の立体形状に形成される。
この固定具1Iは、図19に示すように、突起2の後端である一方の線分10の折曲点から他方の線分10までの最短距離(a)に対する突起2の突出量(t)の比の値(t/a)を1より小さくしている。この形状の固定具1Iも、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Iも、図24に示すように、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部3の両端において両面側に突出する一対の突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
[実施例10]
図20に示す固定具1Jは、平面積層部3を円形のループ状に近似した形状とすると共に、円形の平面積層部3の中心部に、両面側に突出する一対の突起2を設けている。図に示す平面積層部3は、円形状に湾曲された線材12と、この線材12の両端に連結されて、平面積層部3の中心部に向かって配置された一対の線分10とを備えている。平面積層部3の円形部分から中心部に向かって延長された2本の線材10は、その先端部を平面積層部3に対して突出する方向に折曲して突起2を形成している。図の固定具1Jは、一対の突起2を、各々逆向きに突出させている。この固定具1Jは、好ましくは、1本の金属線からなる線材22を折曲及び湾曲加工して所定の立体形状に形成される。この構造は、製造工程を簡単にしながら、連結部分における強度を高めることができる。
さらに、この固定具1Jは、図20に示すように、突起2の後端である線分10の折曲点から円形状の線材12までの最短距離(a)に対する突起2の突出量(t)の比の値(t/a)を1より小さくしている。この形状の固定具1Jも、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Jも、図24に示すように、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部3の中心部において両面側に突出する一対の突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
[実施例11]
さらに、図21に示す固定具1Kは、図20の固定具1Jと同様に、平面積層部3を円形のループ状に近似した形状とするが、円形の平面積層部3の中心部に形成する突起2を、両面側ではなく片面側にのみに突出させている。図に示す平面積層部3は、円形状に湾曲された線材12と、この線材12の一端に連結されて、平面積層部3の中心部に向かって配置された1本の線分10とを備えている。平面積層部3の円形部分から中心部に向かって延長された線材10は、その先端部を平面積層部3に対して突出する方向に折曲して突起2を形成している。この固定具1Kも、好ましくは、1本の金属線からなる線材22を折曲及び湾曲加工して所定の立体形状に形成される。
この固定具1Kは、平面積層部3に対して片面側にのみ突起2を突出させているので、図24に示す固定具1D、1E、1F、1G、1H、1I、1Jのように、両面側に積層される繊維強化シート7同士を一体的に連結できない。この固定具1Kは、片面側に突出する突起2を複数の繊維強化シート7に挿入することで、これ等の繊維強化シート7同士を強固に連結する。したがって、この固定具1Kを備える繊維強化樹脂成型体は、複数個の固定具1Kを繊維強化シート7の接合界面8に配置する状態では、好ましくは、突起2を上向きの姿勢で配置する固定具1Kと、突起2を下向きの姿勢で配置する固定具1Kとを混在させることで、両側に積層される繊維強化シート7同士を互いに連結できる。
[実施例12]
さらに、図22に示す固定具1Lは、3本の線分10を一体的に連結した形状としている。3本の線分10は、中間に配置される中間ロッド10Aと、その両端に連結される一対の端部ロッド10Bとからなる。この固定具1Dは、中間ロッド10Aの両端に、それぞれ端部ロッド10Bの一端を連結してなる形状としている。両端の端部ロッド10Bは、中間ロッド10Aに対してそれぞれ交差(図においては直交)する姿勢で固定されており、さらに、2本の端部ロッド10Bは、互いに交差する姿勢であって、ねじれの位置となる位置関係で配置されている。2本の端部ロッド10Bは、正面視において、互いに直交する姿勢で連結されている。この固定具1Lは、中間ロッド10Aと一方の端部ロッド10Bとで平面視L字状の平面積層部3を形成し、他方の端部ロッド10Bが平面積層部3の片面側に突出する突起2を構成する。この固定具1Lも、好ましくは、1本の金属線からなる線材22を折曲加工して所定の立体形状に形成される。
この構造の固定具1Lは、図22に示すように、XY平面上にランダムに載置される状態では、いずれか一方の端部ロッド10Bが、XY平面に対して交差する方向に配置される突起2として機能する。このため、この構造の固定具1Lは、XY平面上にランダムに載置する状態において、いずれか一方の端部ロッド10BがXY平面上に配置されて平面積層部3を構成し、他方の端部ロッド10BがXY平面に対して交差する姿勢で配置されて突起2を構成する。したがって、この固定具1Dは、図24に示すように、一方の端部ロッド10Bと中間ロッド10Aで形成される平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、他方の端部ロッド10Bで形成される突起2を片面側に突出させて、積層される繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
さらに、固定具1は、図25〜図27に示すように、板状部26を備える構造とすることもできる。固定具1は、図25と図26に示すように、板状部26で平面積層部3を構成すると共に、この板状部26を部分的に折曲して、平面積層部3から突出する突起2を形成することができ、あるいは、図27に示すように、板状部26をひねり加工して突起2を形成することができる。
[実施例13]
図25に示す固定具1Mは、平面状の板状部26を折曲加工して、平面積層部3と突起2とを有する所定の立体形状に形成している。図25の(a)に示す板状部26は、平面状であって矩形状の本体部26Aの両端縁に、外側に向かって突出する山形突出部26Bを一体的に連結して設けている。図の板状部26は、本体部26Aの両端に一対の山形突出部26Bを並設して設けている。この板状部26は、図25の(b)で示すように、本体部26Aを平面積層部3とすると共に、山形突出部26Bを交互に反対方向に折曲加工して突起2を設けている。各突起2は、平面積層部3である本体部26Aに対して、略垂直な姿勢となるように折曲されている。4個の突起2は、対角に位置する突起2同士が同方向に突出すると共に、互いに隣り合う突起2同士は逆方向に突出する構造としている。この固定具1Mは、本体部26Aから突出する突起2の外形を山形として先細り形状とすることで、繊維強化シート7に対して挿入しやすくしている。このような板状部26には、所定の厚さを有する金属板が使用できる。
この固定具1Mは、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Mも、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部3の両端において両面側に突出する複数の突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
[実施例14]
図26に示す固定具1Nは、平面状で四角形の板状部26の四隅に設けた折曲片26Cを折曲加工して平面積層部3と突起2とを有する所定の立体形状に形成している。四角形状の板状部26は、図26の(a)に示すように、四隅のコーナー部から切断線27に沿って切り込みを設けて、一辺が切断された山形の折曲片26Cを設けており、この折曲片26Cを、図26の(b)で示すように、本体部26Aに対して交互に反対方向に折曲加工して突起2を設けている。各突起2は、平面積層部3である本体部26Aに対して、略垂直な姿勢となるように折曲されている。4個の突起2は、対角に位置する突起2同士が同方向に突出すると共に、互いに隣り合う突起2同士は逆方向に突出する構造としている。この固定具1Nも、本体部26Aから突出する突起2の外形を山形として先細り形状とすることで、繊維強化シート7に対して挿入しやすくしている。この板状部26にも、所定の厚さを有する金属板が使用できる。
この固定具1Nも、XY平面上にランダムに載置する状態では、突起2の突出方向をXY平面に対して直交する姿勢に近づけて、平面積層部3から突出する突起2を繊維強化シート7に対して鋭角に侵入しやすくできる。この固定具1Nは、積層される繊維強化シート7の間に介在される状態では、平面積層部3を繊維強化シート7の接合界面8に沿って配置しながら、平面積層部3の四方において交互に逆方向に突出する複数の突起2を繊維強化シート7に対して確実に挿入できる。
[実施例15]
さらに、図27に示す固定具1Pは、金属板からなる平面状の板状部26をひねり加工することで、板状部26の四隅に設けた山形突出部26Bを4方向に放射状に延びる形状に形成している。図27の(a)に示す板状部26は、長方形の金属板を切断加工して、四隅に山形突出部26Bを形成すると共に、一対の山形突出部26B同士を中間連結部26Dで連結してなる形状に形成している。この板状部26は、一対の山形突出部26B同士を、中心線mの軸周りであって、互いに逆方向に約90度ひねり加工することで、図27の(b)で示すように、4方向に放射状に突出する突起2を形成している。図に示す固定具1Pは、4本の突起2の先端が三角錐の4つの頂点に位置するように形成している。この固定具1Pも、突起2の外形を山形として先細り形状とすることで、繊維強化シート7に対して挿入しやすくしている。
この構造の固定具1Pは、前述の図5に示す固定具1Aと同様に、いずれか3本の突起2の先端が形成する三角形がXY平面に配置される状態においては、残りの1本の突起2が、XY平面に対して略垂直な方向に延びる姿勢となる。したがって、この形状の固定具1Pは、XY平面上にランダムに載置する状態において、XY平面側の突起2の突出方向がXY平面に対して交差する方向となり、さらに、XY平面と反対側に突出する突起2の突出方向がXY平面に対して略垂直方向となるため、繊維強化シート7の接合界面8に対して常に理想的な姿勢で配置でき、積層される繊維強化シート7に対して突起2を確実に挿入できる。
[実施例16]
さらに、図28に示す固定具1Qは、接合界面8に沿って延長される線材28と、この線材28の延長方向に対して交差する姿勢で固定された複数の突起2とを備える形状としている。この固定具1Qは、接合界面8に沿って延長される線材28に対して交差する姿勢で複数の線分を固定して突起2としている。この構造の固定具1Qとして、一般的に使用されている有刺鉄線が最適である。有刺鉄線は、鉄線の周りに多数のとげを交差姿勢で固定したものである。このように、有刺鉄線である固定具1Qは、図29の平面図に示すように、所定の長さに切断されると共に、複数本が所定の間隔で配置されて、繊維強化シート7の接合界面8に対して所定の配列で配置される。ただ、この固定具1Qは、線材28を折曲ないし湾曲可能とすることで、所定の長さに切断することなく、繊維強化シート7の表面に連続して配置することもできる。
この構造の固定具1Qは、図29に示すように、線材28に固定された複数の突起2がランダムな方向に突出するので、繊維強化シート7に対してもランダムな方向に挿入されて互いに積層される繊維強化シート7同士を強固に連結する。
以上の固定具1は、接合界面8に介在される状態で、接合界面8に対して突出する突起2を繊維強化シート7に挿入して複数の繊維強化シート7を互いに連結する。したがって、固定具1の突起2は、図示しないが、先端を鋭利な形状に加工することもできる。また、繊維強化シート7に挿入した状態で抜け難くするために先端部を折曲加工し、あるいは先端部に抜け止め用のフック部を形成することもできる。
さらに、固定具1は、繊維強化シート7に挿入される突起2の表面に凹凸を設けることもできる。この固定具1は、突起2の表面に形成される凹凸によるアンカー効果で繊維強化シート7との連結強度を強くできる。このような突起2の表面に形成される凹凸は、例えば、固定部1を金属製とする場合、突起2の表面を腐食加工して設けることができる。この方法は、金属製の固定具1を構成する要素、例えば線分や線材等を腐食液(塩酸や硫酸)に浸漬して表面を腐食加工できる。さらに、金属製や樹脂製の固定具1は、線分や線材の表面を切削加工して凹凸を設け、あるいは線分や線材の表面に金属粒子や無機粉末を塗布または接着して凹凸を設けることができる。
以上の固定具1は、複数本の線分10、20、線材22、28、ループ部24のいずれか又は複数を溶着等により互いに固定して所定の立体形状とし、あるいは、複数本の線分20や線材22、28を、溶着と折曲を組み合わせて所定の立体形状とし、あるいは、1本の線材22を折曲ないし湾曲加工して所定の立体形状とし、あるいはまた、金属板等の板状部26を折曲加工またはひねり加工しての所定の立体形状としている。ただ、固定具は、三次元造型機で成型することもできる。さらに、金属製の固定具は、形状記憶合金を使用することもできる。形状記憶合金からなる固定具は、高温に加熱される状態で突起が交差する形状に変形するように設計することができる。
(繊維強化樹脂成型体の製造方法)
以上の繊維強化樹脂成型体100は、以下のようにして製造される。
[繊維強化シート7の準備工程]
炭素繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7を準備する。この繊維強化シート7には、前述のプリプレグやセミプレグが使用できる。複数枚の繊維強化シート7は、所定の枚数が互いに積層される。
[固定具1の配置工程]
繊維強化シート7を複数枚積層する際、繊維強化シート7同士の接合界面8に、複数の固定具1を配置する。複数の固定具1は、図4の(a)に示すように、接合界面8の外周縁部を除く中央部に配置される。複数の固定具1は、接合界面8の単位面積あたりに所定の個数が配置されるように、かつ略均一に分散されるように配置される。この配置工程では、複数の固定具1を、エアーブローにより接合界面8上に分散させることができる。
[成型工程]
繊維強化シート7同士の接合界面8に複数の固定具1が配置されて、所定の枚数が積層された繊維強化シート7の積層体を、図3及び図23に示すようにプレスして成型する。繊維強化シート7同士の接合界面8に介在される複数の固定具1は、繊維強化シート7の積層体が加圧プレスされる状態で、図2及び図24に示すように接合界面8に対して交差する方向に突出する突起2が、対向する繊維強化シート7に挿入されて、積層される複数の繊維強化シート7を互いに連結する。さらに、成型工程において、プレスされる繊維強化シート7は、これに含有される軟化状態にある樹脂や、加熱により軟化された樹脂が、積層された繊維強化シート7同士の繊維シートの隙間や固定具1の突起2の間に浸潤して、これ等を連続的に連結する。その後、軟化された樹脂が、冷却硬化または冷却固化されて繊維強化樹脂成型体が成型される。
以上の実施の形態にかかる繊維強化樹脂成型体100は、補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シート7を、複数の固定具1を間に介在させた状態で積層し、これ等の積層体をプレスして成型することで、固定具1の突起2を接合界面8に対して交差する方向に突出する姿勢で配置している。とくに、複数枚の繊維強化シート7の積層体をプレスすることで、繊維強化シート7に含有される樹脂を軟化状態で繊維シートの隙間や固定具1の突起2の間に浸潤させ、これ等を硬化または固化させて繊維強化樹脂成型体100としている。この繊維強化樹脂成型体100は、補強繊維をシート状とした繊維シートに樹脂を固定してなる複数枚の繊維強化シート7をプレス成形することにより、複数枚の繊維シートを互いに積層した状態で樹脂に埋設してなる構造としている。
ただ、本発明の繊維強化樹脂成型体は、図示しないが、補強繊維を含有する複数枚の繊維シートを、複数の固定具を間に介在させた状態で積層し、これ等の積層体に軟化された樹脂を含浸させると共に、プレスして成型することにより、複数枚の繊維シートを互いに積層した状態で樹脂に埋設してなる構造とすることもできる。この方法は、複数枚の繊維シートの積層体をプレスすることで、繊維シートの間に介在される固定具の突起を接合界面に対して交差する方向に突出する姿勢で配置しながら、供給される軟化状態にある樹脂を繊維シートの隙間や固定具の突起の間に浸潤させ、これ等を硬化または固化させて繊維強化樹脂成型体とすることができる。このような樹脂としては、熱硬化性樹脂が適しているが、熱可塑性樹脂を使用することもできる。また、繊維シートの間に介在させる固定具には、前述の固定具が使用できる。
この繊維強化樹脂成型体は、以下のようにして製造される。
[繊維シートの準備工程]
炭素繊維をシート状に形成した複数枚の繊維シートを準備する。複数枚の繊維シートは、所定の枚数が互いに積層される。
[固定具の配置工程]
繊維シートを複数枚積層する際、繊維シート同士の接合界面に、複数の固定具を配置する。複数の固定具は、接合界面の外周縁部を除く中央部に配置される。複数の固定具は、接合界面の単位面積あたりに所定の個数が配置されるように、かつ略均一に分散されるように配置される。この配置工程では、複数の固定具を、エアーブローにより接合界面上に分散させることができる。
[成型工程]
繊維シート同士の接合界面に複数の固定具が配置されて、所定の枚数が積層された繊維シートの積層体に軟化された樹脂を含浸させると共に、この積層体をプレスして成型する。繊維シートの積層体には、軟化状態にある熱硬化性樹脂を浸潤させ、あるいは、溶融状態にある熱可塑性樹脂を浸潤させることができる。繊維シート同士の接合界面に介在される複数の固定具は、繊維シートの積層体がプレスされる状態で、接合界面に対して交差する方向に突出する突起が、対向する繊維シートに挿入されて、積層される複数の繊維シートを互いに連結する。さらに、プレスされる繊維シートは、含浸される樹脂が、積層された繊維シートの隙間や固定具の突起の間に浸潤して、これ等を連続的に連結する。その後、軟化された樹脂が、硬化または固化されて繊維強化樹脂成型体が成型される。
本発明に係る繊維強化樹脂成型体及びその製造方法並びに固定具は、CFRP、例えばCFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics:炭素繊維強化熱可塑性樹脂)、CFRTS(Carbon Fiber Reinforced Thermosets:炭素繊維強化熱硬化性樹脂)等に好適に利用できる。またプリプレグやセミプレグから得られる各種製品に対しても好適に利用できる。このような繊維強化樹脂成型体として、例えば乗物用の構成材料、電子、電気部品の構成材料、建築、土木構造体用材料、家具等において、好適に利用できる。
100…繊維強化樹脂成型体
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1I、1J、1K、1L、1M、1N、1P、1Q…固定具
2…突起
3…平面積層部
7…繊維強化シート
8…接合界面
10…線分
10A…中間ロッド
10B…端部ロッド
12…線材
15…連結点
20…線分
22…線材
24…ループ部
26…板状部
26A…本体部
26B…山形突出部
26C…折曲片
26D…中間連結部
27…切断線
28…線材
70…繊維強化シート
71…樹脂リッチ層

Claims (23)

  1. 補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シートと、
    前記複数枚の繊維強化シートを互いに積層する状態で、対向する繊維強化シート同士の接合界面に介在されて、前記接合界面に対して交差する方向に突出する突起を備える複数の固定具と
    を備える繊維強化樹脂成型体。
  2. 請求項1に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具は、XY平面上にランダムに載置される状態で、前記突起の突出方向がXY平面に対して交差する方向となるように形成されてなる繊維強化樹脂成型体。
  3. 請求項1または2に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、前記接合界面に対して両面側に突出する前記突起を備える繊維強化樹脂成型体。
  4. 請求項1から3のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、同一平面上にない少なくとも2本の線分を含む3本以上の線分を互いに交差する姿勢で一体的に連結した形状である繊維強化樹脂成型体。
  5. 請求項1から4のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、前記接合界面に沿って積層される平面積層部と、前記平面積層部に対して交差する方向に突出する前記突起を備える繊維強化樹脂成型体。
  6. 請求項5に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記平面積層部が、同一平面上に配置された、複数の線分、湾曲された線材、ループ部のいずれかである繊維強化樹脂成型体。
  7. 請求項5に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記平面積層部が、板状部である繊維強化樹脂成型体。
  8. 請求項4に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具は、前記複数の線分が一点で連結されると共に、この連結点から各線分が異なる方向に放射状に突出されてなる繊維強化樹脂成型体。
  9. 請求項1から4のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、前記接合界面に沿って延長された線材と、前記線材の延長方向に対して交差する姿勢で固定された複数の前記突起とを備える繊維強化樹脂成型体。
  10. 請求項1から9のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、該固定具を構成する要素を溶着により固定してなる繊維強化樹脂成型体
  11. 請求項1から7のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、1本の金属線を折曲又は湾曲して形成されてなる繊維強化樹脂成型体。
  12. 請求項1から11のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、該固定具を構成する要素の表面に凹凸を設けてなる繊維強化樹脂成型体
  13. 請求項1から12のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記複数の固定具は、繊維強化シート同士の接合界面において略均一に配置されてなる繊維強化樹脂成型体。
  14. 請求項1から13のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、金属製である繊維強化樹脂成型体。
  15. 請求項1から14のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、酸化亜鉛製またはステンレス鋼製である繊維強化樹脂成型体。
  16. 請求項1から15のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具の大きさが、5mm以下である繊維強化樹脂成型体。
  17. 請求項1から16のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記固定具が、三次元造型機で成型されてなる繊維強化樹脂成型体。
  18. 請求項1から17のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記繊維強化シートの樹脂が、熱硬化性樹脂である繊維強化樹脂成型体。
  19. 請求項1から17のいずれか一に記載の繊維強化樹脂成型体であって、
    前記繊維強化シートの樹脂が、熱可塑性樹脂である繊維強化樹脂成型体。
  20. 補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シートを積層して形成される繊維強化樹脂成型体の、各繊維強化シート同士の接合界面に介在される固定具であって、
    接合界面に対して交差する方向に突出する突起を備えており、
    前記突起は、当該固定具がXY平面上に載置される状態で、当該突起の突出方向がXY平面に対して交差する方向となるように形成されてなる固定具。
  21. 補強繊維を樹脂で固定した複数枚の繊維強化シートを積層して形成される繊維強化樹脂成型体の製造方法であって、
    補強繊維を樹脂で固定した繊維強化シートを準備する工程と、
    前記繊維強化シートを複数枚積層する際、前記繊維強化シート同士の接合界面に、XY平面上に載置した状態でXY平面に対して交差する方向に配置される突起を備える固定具を複数、略均一に配置する工程と、
    前記複数の固定具を前記接合界面に介在させた状態で、前記複数枚の繊維強化シートをプレス成形して、前記固定具の前記突起を、前記接合界面に対して交差する方向に突出する姿勢で配置する工程と
    を含む繊維強化樹脂成型体の製造方法。
  22. 補強繊維を含有する複数枚の繊維シートが互いに積層された状態で樹脂に埋設されてなる繊維強化樹脂成型体の製造方法であって、
    補強繊維をシート状に形成した繊維シートを準備する工程と、
    前記繊維シートを複数枚積層する際、前記繊維シート同士の接合界面に、XY平面上に載置した状態でXY平面に対して交差する方向に配置される突起を備える固定具を複数、略均一に配置する工程と、
    前記複数の固定具を前記接合界面に介在させた状態で、前記複数枚の繊維シートに軟化された樹脂を含浸させると共に、前記複数枚の繊維シートをプレス成形して前記固定具の前記突起を、前記接合界面に対して交差する方向に突出する姿勢で配置する工程と
    を含む繊維強化樹脂成型体の製造方法。
  23. 請求項21または22に記載の繊維強化樹脂成型体の製造方法であって、
    前記複数の固定具を前記接合界面に配置する工程において、エアーブローで前記固定具を前記接合界面上に分散させる繊維強化樹脂成型体の製造方法。
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