JP2017100394A - 接合体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】２つの複合材１０，２０の強化繊維を絡みあわせることにより、接合体１の接合強度を高めることができる接合体１の製造方法を提供する。【解決手段】被接合面１１（２１）から突出し、被接合面１１（２１）と直交する方向に沿って、強化繊維が配向された凸部１２（２２）と、対向する複合材２０（１０）の凸部２２（１２）を収容した状態で凸部２２（１２）の先端面２４（１４）が接触するように、被接合面１１（２１）に対して凹んだ凹部１３（２３）と、が形成された複合材１０（２０）を２つ準備する。凸部１２（２２）を、凹部２３（１３）に収容し、凸部１２（２２）の先端面１４（２４）を凹部２３（１３）に接触させ、これらに超音波振動を付与することにより、凸部１２（２２）と凹部２３（１３）とを軟化させ、凸部１２（２２）と凹部２３（１３）とが嵌合するように、複合材１０，２０を融着する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱可塑性樹脂に強化繊維が含有した繊維強化樹脂材料からなる２つの複合材を対向して接触させた状態で、これらを接合する接合体の製造方法に関する。
従来から、熱可塑性樹脂に強化繊維が含有した繊維強化樹脂材料からなる複合材は、同形状の金属材料からなる部材よりも軽量であり、かつ、同形状の高分子樹脂のみからなる部材よりも、高い強度を得ることができるので、幅広く用いられている。
例えば、特許文献１には、上述した繊維強化樹脂材料からなる複合材を接合する技術が開示されている。具体的には、まず、図５（ａ）に示すように、厚さ方向と直交する方向に強化繊維が配向された板状の複合材９１、９２を準備する。次に、図５（ｂ）に示すように、複合材９１、９２同士を被接合面９１ａ，９２ａで接触させた状態で、複合材９１の表面に超音波ホーン６を配置する。次に、超音波ホーン６から超音波振動を被接合面９１ａ，９２ａに付与することにより、複合材９１に含まれる熱可塑性樹脂を軟化させ、被接合面９１ａ，９２ｂを接合（融着）させている。
このような接合を行うことにより、図５（ｃ）に示すような接合体９を得ることができる。接合体９には、複合材９１，９２同士の間に、複合材９１，９２に含まれる熱可塑性樹脂が溶け込んだ溶着部９５が形成される。
特開２０１５−１３１３９４号公報
しかしながら、図５（ｃ）に示す接合体９は、接合時に複合材９１，９２の強化繊維が、溶着部９５も含めて、一方向に配向されるため、複合材９１，９２の強化繊維同士が絡み合わない。このため、複合材９１，９２同士を引っ張る方向に作用するせん断荷重に対して（図５（ｃ）の白抜き矢印参照）、接合体９の強度は十分ではない。
このような点を鑑みると、例えば、図５（ｄ）に示すように、被接合面９１ａに直交する方向に沿って強化繊維が配向された凸部９４を設けた複合材９１Ａを用いて、複合材９１Ａ，９２同士を接合することも考えられる。
しかしながら、接合時に、凸部９４が複合材９２の被接合面９２ａに押し付けられた際に、凸部９４の強化繊維のほとんどが、被接合面９２ａに沿って配向されてしまう。したがって、複合材９１，９２の強化繊維同士がほとんど絡み合わない。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２つの複合材の強化繊維を絡みあわせることにより、接合体の接合強度を高めることができる接合体の製造方法を提供することにある。
前記課題を鑑みて、本発明に係る接合体の製造方法は、熱可塑性樹脂に強化繊維が含有した繊維強化樹脂材料からなる２つの複合材を対向して接触させた状態で、被接合面を含む部分で前記２つの複合材を接合した接合体の製造方法であって、前記２つの複合材のそれぞれに、前記被接合面から突出し、かつ、前記被接合面と直交する方向に沿って、前記強化繊維が配向された凸部と、対向する前記複合材の前記凸部を収容した状態で前記凸部の先端面が接触するように、前記被接合面に対して凹んだ凹部と、が形成された複合材を準備する工程と、前記２つの複合材の双方の凸部を、前記対向する複合材の前記凹部に収容した状態で、前記凸部の前記先端面が前記凹部に接触するように、前記２つの複合材を接触させる工程と、前記凸部と前記凸部に接触した前記凹部とに超音波振動を付与することにより、前記凸部と前記凹部とを発熱させ、前記凸部と前記凹部とを軟化させながら、前記凸部と前記凹部とが嵌合するように、前記２つの複合材を融着する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、２つの複合材の双方の凸部を、対向する複合材の凹部に収容した状態で、凸部の先端面が凹部に接触するように、２つの複合材を接触させる。このような接触状態で、凸部と凹部とに超音波を付与すると、凸部（の先端面）と凹部（の底面）とが発熱し、凸部の先端側から凸部が軟化し始める。これにより、凸部が先端に向かって広がるように変形するため、凸部と凹部とが嵌合するように変形し、被接合面ばかりでなく、凸部と凹部も融着する。
さらに、２つの複合材のいずれの凸部にも、被接合面と直交する方向に沿って、強化繊維が配向されている。このため、接合時に、２つの複合材の隣り合う凸部同士で、被接合面に対して直交する方向の強化繊維が絡まり合う。これにより、複合材同士を引っ張る方向に作用するせん断荷重に対して、接合体の接合強度を高めることができる。
（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る接合体の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。 図１（ｃ）に示す接合体の要部拡大図である。 実施例に係る複合材同士の溶着部の拡大写真である。 実施例および比較例に係る接合材の強度を示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来に係る接合体の製造方法を説明するための図である。
以下に本発明の実施形態を、図１および図２を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の実施形態に係る接合体１の製造方法を説明するための一連の工程を示した図である。図２は、図１（ｃ）に示す接合体１の要部拡大図である。
本実施形態では、２つの複合材１０，２０同士を対向して接触させた状態で、これらを接合した接合体１を製造する。まず、図１（ａ）に示すように、２つの複合材１０，２０を準備する。
複合材１０，２０は、熱可塑性樹脂に強化繊維が含有した繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ）からなる。熱可塑性樹脂の材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）などを挙げることができ、後述する接合時に超音波振動による熱で軟化することができるものであれば、特にその材料は限定されるものではない。
強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維等を挙げることができる。複合材１０，２０を接合することができ、後述するように強化繊維を配向することができるのであれば、特に、強化繊維の繊維長さ等は限定されるものではない。
図１（ａ）に示すように、複合材１０，２０は、被接合面１１，２１を含む部分で接合されるものである。各複合材１０，２０には、被接合面１１、２１から突出した凸部１２，２２が形成されている。具体的には、複合材１０には、１つの凸部１２が形成されている。複合材２０には、複合材１０に接触させた状態で、凸部１２と隣り合う位置で、これを挟むように、２つの凸部２２，２２が形成されている。
各凸部１２，２２およびその近傍では、被接合面１１，２１から直交する方向に沿って、強化繊維が配向されている。その他の部分の強化繊維は、複合材１０，２０の厚さ方向に直交する方向に沿って（すなわち、複合材１０，２０の被接合面１１，２１と平行な方向に沿って）、配列されている。
なお、ここでいう被接合面１１，２１とは、複合材１０，２０が接合される面であって、上述した凸部１２，２２および後述する凹部１３，２３の基準となる基準面のことをいう。
さらに、複合材１０，２０には、被接合面１１，２１から凹んだ凹部１３，２３が形成されている。具体的には、複合材１０の凹部１３は、対向する一方の複合材２０の凸部２２を収容した状態で、凸部２２の先端面２４が接触するように、形成されている。同様に、複合材２０の凹部２３は、対向する一方の複合材１０の凸部１２を収容した状態で、凸部１２の先端面１４が接触するように、形成されている。
本実施形態では、複合材１０には、凸部１２を挟むように２つの凹部１３が形成されている。複合材２０には、凸部２２，２２に挟まれた位置に１つの凹部２３が形成されている。
次に、図１（ｂ）に示すように、２つの複合材１０，２０の双方の凸部１２，２２を、対向する複合材１０，２０の凹部１３，２３に収容した状態で、凸部１２，２２の先端面１４，２４が凹部１３，２３の底面１５，２５に接触するように、２つの複合材１０，２０を接触させる。そして、複合材１０の表面１０ａに超音波ホーン６を配置し、複合材１０，２０同士を押圧する。
なお、本実施形態では、凸部１２を収容した凹部２３の両側には、隙間が形成されており、凸部２２を収容した凹部１３の両側にも、隙間が形成されている。また、複合材１０，２０の被接合面１１，２１同士は、この時点では、接触していない。
次に、図１（ｂ）に示す押圧状態で、超音波ホーン６を振動させて、凸部１２，２２と凹部１３，２３とに超音波を付与する。複合材１０の凸部１２の先端面１４と、複合材２０の凹部２３の底面２５とが発熱し、凸部１２の先端側から凸部１２が軟化し始める。同様に、複合材２０の凸部２２の先端面２４と、複合材１０の凹部１３の底面１５とが発熱し、凸部２２の先端側から凸部２２が軟化し始める。
これにより、図１（ｃ）および図２に示すように、複合材１０の凸部１２に含まれる熱可塑性樹脂が流動し、凸部１２の先端に向かって、台形状に広がるように変形するため、凸部１２と凹部２３とが嵌合するように変形し、これらが融着する。同様に、複合材２０の凸部２２に含まれる熱可塑性樹脂が流動し、凸部２２の先端に向かって、台形状に広がるように変形するため、凸部２２と凹部１３とが嵌合するように変形し、これらが融着する。このようにして、凸部１２，２２と凹部２３，１３が嵌合するように変形したことによるアンカー効果で、接合体１の接合強度を高めることができる。
さらに、２つの複合材１０，２０のいずれの凸部１２，２２にも、被接合面１１，２２と直交する方向に沿って、強化繊維が配向されている。このため、接合時に、２つの複合材１０，２０の隣り合う凸部１２，２２同士で、強化繊維が絡まり合う。これにより、複合材１０，２０同士を引っ張る方向に作用するせん断荷重に対して、接合体１の接合強度を高めることができる。
以下に、本発明の接合体の製造方法を実施例により説明する。
（実施例）
実施例では、図１（ｂ）に示すように、板状の複合材同士を重ね合わせた状態で、超音波振動により、これらを接合した接合体を作製した。
複合材の熱可塑性樹脂にポリプロピレン（ＰＰ）を、強化繊維に短繊維の炭素繊維を用い、図１（ａ）に示すように、被接合面と直交する方向に沿って、強化繊維が配向されるように、複合材を成形した。なお、凸部は、幅２．５ｍｍ、被接合面からの高さを０．４ｍｍとし、凹部は、幅２．５ｍｍ、接合面からの深さを０．３ｍｍにした。図３は、複合材同士の溶着部の拡大写真である。
（比較例）
比較例では、図５（ｂ）に示すように、実施例で用いた複合材と同じ材料からなる板状の複合材を重ね合わせた状態で、超音波振動により、これらを接合した接合体を作製した。
＜引張せん断試験＞
実施例および比較例に係る接合体の両側を把持し、複合材同士が分離するまで、複合材を引張し、その時のせん断応力を強度として測定した。この結果を図４に示す。
＜結果＞
図４に示すように、実施例に係る接合体の強度は、比較例のものよりも高く、比較例の強度に対して１６％向上していた。これは、実施例に係る接合体では、凸部と凹部を嵌合させたことによるアンカー効果と、このときに、図３に示すように、隣り合う凸部同士の溶着部の強化繊維が絡み合っていたことによる、と考えられる。
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、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があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１：接合体、６：超音波ホーン、１０，２０：複合材、１１，２１：被接合面、１２，２２：凸部、１３，２３：凹部、１４，２４：先端面、１５，２５：底面。

Claims (1)

  1. 熱可塑性樹脂に強化繊維が含有した繊維強化樹脂材料からなる２つの複合材を対向して接触させた状態で、被接合面を含む部分で前記２つの複合材を接合した接合体の製造方法であって、
    前記２つの複合材のそれぞれに、前記被接合面から突出し、かつ、前記被接合面と直交する方向に沿って、前記強化繊維が配向された凸部と、対向する前記複合材の前記凸部を収容した状態で前記凸部の先端面が接触するように、前記被接合面に対して凹んだ凹部と、が形成された複合材を準備する工程と、
    前記２つの複合材の双方の凸部を、前記対向する複合材の前記凹部に収容した状態で、前記凸部の前記先端面が前記凹部に接触するように、前記２つの複合材を接触させる工程と、
    前記凸部と前記凸部に接触した前記凹部とに超音波振動を付与することにより、前記凸部と前記凹部とを発熱させ、前記凸部と前記凹部とを軟化させながら、前記凸部と前記凹部とが嵌合するように、前記２つの複合材を融着する工程と、
    を含むことを特徴とする接合体の製造方法。
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