JP2018130927A - 複合部材の製造方法、及びこれに用いられる治具 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ部を有する複合部材を適切に製造する複合部材の製造方法等を提供する。【解決手段】複数本の繊維強化樹脂材を用いた、曲げ部を有する複合部材の製造方法であって、凹部２１ａを有する雌型２１と、凹部２１ａに対応する形状の凸部２２ｂを有する雄型２２と、を備え、平面視において曲げ部の角度よりも小さい角度を有する略くさび形の治具２０を用い、複数本の繊維強化樹脂材を隣接して凹部２１ａに並べた状態で、凸部２２ｂによって押圧する押圧工程を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、複合部材の製造方法等に関する。

車両が備える各部材の軽量化・高強度化を図るために、カーボン材等の繊維強化樹脂材が用いられている。このような繊維強化樹脂材を用いる技術として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。すなわち、特許文献１には、複数のボビンから引き出された繊維強化樹脂材を金型に沿って並列して配設するガイド部と、このガイド部によって配設された繊維強化樹脂材を金型に押し付ける押し付け部と、を備える配設装置について記載されている。

特開２０１６−５５５６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、繊維強化樹脂材が粘着性を有していため、隣り合う繊維強化樹脂材が互いに貼り付いたり、繊維強化樹脂材が押し付け部に貼り付いたりする可能性があった。また、繊維強化樹脂材を略一体化させた未硬化の複合部材に曲げ部を設ける場合、この曲げ部では内外周差があるため、皺がよったり、ばらけたりして、繊維強化樹脂材を効率よく曲げることができなかった。

そこで、本発明は、曲げ部を有する複合部材を適切に製造する複合部材の製造方法等を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するための手段として、本発明は、複数本の繊維強化樹脂材を用いた、曲げ部を有する複合部材の製造方法であって、凹部を有する雌型と、前記凹部に対応する形状の凸部を有する雄型と、を備え、平面視において前記曲げ部の角度よりも小さい角度を有する略くさび形の治具を用い、複数本の前記繊維強化樹脂材を隣接して前記凹部に並べた状態で、前記凸部によって押圧する押圧工程を含むことを特徴とする。

また、本発明は、複数本の繊維強化樹脂材を用いた、曲げ部を有する複合部材の製造に用いられる治具であって、凹部を有し、複数本の前記繊維強化樹脂材が隣接して並んだ状態で配置される雌型と、前記凹部に対応する形状の凸部を有し、前記凹部に配置される複数本の前記繊維強化樹脂材を前記凸部によって押圧する雄型と、を備え、平面視において前記曲げ部の角度よりも小さい角度を有する略くさび形を呈していることを特徴とする。

本発明によれば、曲げ部を有する複合部材を適切に製造する複合部材の製造方法等を提供できる。

本発明の実施形態に係る複合部材の製造方法に用いられる挿通部材及び治具を含む斜視図である。 本発明の実施形態に係る複合部材の製造方法に用いられる治具の斜視図である。 本発明の実施形態に係る複合部材の製造方法に用いられる治具の雌型の平面図である。 本発明の変形例に係る複合部材の製造方法に用いられる治具の雌型の平面図である。 本発明の実施形態に係る複合部材の製造工程の説明図である。

≪実施形態≫
以下では、一例として、繊維配向角が異なる（例えば、繊維配向角が０°、±４５°の）管状の複合部材が積層されてなる多層構造体のうち、最外層（例えば、繊維配向角が０°のＵＤ層：Unidirectional layer）の複合部材を製造する場合について説明する。

図１は、実施形態に係る複合部材Ｍの製造方法に用いられる挿通部材１０及び治具２０，３０を含む斜視図である。
図１に示す挿通部材１０及び治具２０，３０は、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを用いて、曲げ部Ｍ１（図４（ｆ）参照）を有する複合部材Ｍを製造するための部材である。以下では、挿通部材１０及び治具２０，３０の説明に先立って、複合部材Ｍの構成材料である繊維強化樹脂材Ｇについて簡単に説明する。

繊維強化樹脂材Ｇは、例えば、柔軟性があるプリプレグ（prepreg）であり、線状（ひも状）を呈している。前記したプリプレグとは、炭素繊維等の補強材に熱硬化性樹脂を含浸させ、さらに、加熱して半硬化状態にした強化プラスチックである。

線状を呈する繊維強化樹脂材Ｇは、その繊維配向の方向が、自身の軸線方向と平行であることが好ましい。言い換えると、繊維強化樹脂材Ｇは、その繊維配向角が約０°であることが好ましい。これによって、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを用いて製造された管状の複合部材（断面視で半円形の２つ複合部材Ｍを一体化させたもの：図示せず）の曲げ剛性を高めることができる。

なお、繊維強化樹脂材Ｇの繊維配向角は０°に限定されず、繊維強化樹脂材Ｇの軸線を基準として、−１０°以上かつ＋１０°以下の範囲内（０°を含む）であってもよい。繊維強化樹脂材Ｇの繊維配向角が、前記した範囲内であれば、所定の曲げ剛性が得られるからである。

図１に示す挿通部材１０は、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが挿通される樹脂製又は金属製の部材である。図１に示すように、挿通部材１０は、基部１１と、延出部１２と、を備えている。
基部１１は、細長の矩形板状を呈し、その両端付近にひとつずつ孔（図示せず）が設けられている。そして、この孔にボルトＢが挿通され、さらに、ナット（図示せず）によって作業台（図示せず）に固定されるようになっている。

延出部１２は、矩形板状を呈し、基部１１の幅方向（短手方向）の中央付近から上方に延びている。図１に示す例では、延出部１２の面方向と、基部１１の面方向と、が垂直になっている。また、延出部１２には、繊維強化樹脂材Ｇが挿通される挿通孔Ｈが複数（例えば、十数個〜数十個）設けられている。これらの挿通孔Ｈは、下に凸の半円形に配列されている。これは、後記する雌型２１等の凹部２１ａ（表面が断面視で半円形：図２参照）に繊維強化樹脂材Ｇを配置しやすくするためである。そして、複数の挿通孔Ｈのひとつひとつに、繊維強化樹脂材Ｇが１本ずつ挿通されている。

なお、図１では省略したが、繊維強化樹脂材Ｇの一方側（挿通部材１０に対して治具２０，３０の逆側）は、ボビンに巻回されている。そして、このボビンから繊維強化樹脂材Ｇが巻き出され、さらに、巻き出された繊維強化樹脂材Ｇが延出部１２の挿通孔Ｈに挿通されている。

図１に示す治具２０，３０は、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを用いたプリフォームを行う（つまり、完成品の前段階の複合部材Ｍを製造する）ための樹脂製又は金属製の部材であり、平面視において略くさび形（扇形や台形ともいえる形状）を呈している。つまり、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを用いて、複合部材Ｍの曲げ部Ｍ１（図４（ｄ）参照）を形成する際に治具２０，３０が用いられる。以下では、２つの治具２０，３０のうち、主に、一方の治具２０について説明するが、他方の治具３０も同様の構成である。

図２は、実施形態に係る複合部材Ｍの製造方法に用いられる治具２０の斜視図である。
図２に示すように、治具２０は、雌型２１と、雄型２２と、を備えている。
雌型２１は、凹部２１ａを有し、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが隣接して並んだ状態で配置される柱状の型である。雌型２１の凹部２１ａは、平面視において扇状を呈している（図３Ａの平面図を参照）。また、凹部２１ａは、縦断面視（図３Ａの原点Ｏを含む縦断面）において、その表面の稜線が、下に凸の半円形を呈している。

図３Ａは、実施形態に係る複合部材Ｍの製造方法に用いられる治具２０の雌型２１の平面図である。
図３Ａに示す例では、平面視で扇状を呈する所定範囲に凹部２１ａが形成されている。すなわち、原点Ｏを基準とする極座標において、所定の角度θをなす直線Ｌ１，Ｌ２と、長さＲ１の動径が描く円弧Ｃ１と、長さＲ２（＞Ｒ１）の動径が描く円弧Ｃ２と、を稜線とする扇状の範囲に凹部２１ａが形成されている。なお、円弧Ｃ１の曲率半径は、長さＲ１よりも長くてもよいし、また、長さＲ１よりも短くてもよい（他方の円弧Ｃ２についても同様）。

図３Ａに示す治具２０の角度θは、複合部材Ｍの曲げ部Ｍ１を作成しやすいように、平面視において、複合部材Ｍの曲げ部Ｍ１の角度φ（図４（ｆ）参照）よりも小さくなっている。より具体的には、略くさび形を呈する治具２０の平面視での角度θは、複合部材Ｍの曲げ部Ｍ１の角度φの半分以下である。これによって、曲げ部Ｍ１を有する複合部材Ｍの製造工程を、その軸線方向に沿って、治具２０，３０を用いて段階的に行うことができる。なお、「曲げ部Ｍ１の角度φ」とは、平面視において、曲げ部Ｍ１の一端に垂直な直線と、曲げ部Ｍ１の他端に垂直な直線と、がなす角である。

図２に示す雄型２２は、雌型２１の凹部２１ａに対応する形状の凸部２２ｂを有し、凹部２１ａに配置される複数本の繊維強化樹脂材Ｇを、凸部２２ｂによって押圧する型である。すなわち、雄型２２は、平面視において扇状を呈する柱状の当接部２２ａと、凹部２１ａに対応する形状の凸部２２ｂと、が一体成形された構成になっている。

なお、繊維強化樹脂材Ｇが配置されていない状態で、雄型２２の当接部２２ａを雌型２１の上面に当接させると、雄型２２の凸部２２ｂと雌型２１の凹部２１ａとの間に若干の隙間Ｋができる。この隙間Ｋの鉛直方向の長さは、雌型２１の凹部２１ａに配置された繊維強化樹脂材Ｇが適度に押圧されるように設定されている。ちなみに、雌型２１と雄型２２が別々に分離された構成であってもよいし、雄型２２が雌型２１に対してヒンジ（図示せず）を介して回動可能な構成であってもよい。

図１に示す治具３０は、前記した治具２０と同様の構成を備えており、この治具２０に隣り合って配置される。これらの治具２０，３０を用いた複合部材Ｍの製造工程について、図４を用いて説明する。なお、複合部材Ｍの製造を行う主体は、機械（ロボット）であってもよいし、また、人（作業員）であってもよい。

図４は、実施形態に係る複合部材Ｍの製造工程の説明図である。
なお、図４（ａ）に示す治具２０の一方側（下流側）では、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが既に略一体化して、複合部材Ｍの一部分をなしているものとする。つまり、直線状を呈する複数本の繊維強化樹脂材Ｇが隣接して並べられた状態で、別の治具（図示せず）によって押圧され、その粘着性によって略一体化しているものとする。

図４（ａ）に示す例では、所定の基準線Ｆ上に治具２０が配置され、この治具２０によって繊維強化樹脂材Ｇの一部分が挟み込まれている。すなわち、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが隣接して雌型２１（図２参照）の凹部２１ａに並べられた状態で、雄型２２（図２参照）の凸部２２ｂによって押圧する「押圧工程」が行われている。なお、図４に示す基準線Ｆは、ロボット又は作業員によって、後記する「押圧工程」・「解除工程」が繰り返される位置を示す線である。

前記したように、挿通部材１０（図１参照）の挿通孔Ｈのひとつひとつに繊維強化樹脂材Ｇが１本ずつ挿通されており、また、ボビン（図示せず）から繊維強化樹脂材Ｇが巻き出される際の摩擦抵抗によって、繊維強化樹脂材Ｇは常時、直線状に張った状態になっている。これによって、図４（ａ）に示す治具２０の他方側において、隣り合う繊維強化樹脂材Ｇ，Ｇの間には、若干の隙間が設けられた状態になっている。したがって、挿通部材１０と治具２０との間において、粘着性を有する繊維強化樹脂材Ｇが互いに貼り付くおそれは、ほとんどない。

そして、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが治具２０によって押圧されることで、押圧された箇所が、その粘着性によって新たに略一体化する。ここで、凹部２１ａ（図３Ａ参照）及び凸部２２ｂは、平面視で扇状を呈しているため、繊維強化樹脂材Ｇの押圧された箇所は、平面視において所定の曲率で曲がった状態になる。また、凹部２１ａ及び凸部２２ｂの表面は、縦断面視で半円形を呈しているため、繊維強化樹脂材Ｇの押圧された箇所も、縦断面視で半円形になる。

次に、図４（ｂ）に示すように、ボビン（図示せず）から繊維強化樹脂材Ｇがさらに巻き出されると、繊維強化樹脂材Ｇとともに、治具２０が一方側（下流側）に所定距離だけ移動する。前記した所定距離は、一方の治具２０に隣り合うように他方の治具３０が配置された状態で、この治具３０が基準線Ｆ上に位置する程度の距離である。

次に、図４（ｃ）に示すように、治具２０の挿通部材１０側に、他方の治具３０が隣り合って配置される。つまり、一方の治具２０は、他方の治具３０を位置決めする機能も有している。また、図４（ｂ）の状態から図４（ｃ）の状態に移行する際、図示はしないが、複合部材Ｍの部分が所定の角度だけ曲げられる。この作業において、図３Ａに示す円弧Ｃ２に近い繊維強化樹脂材Ｇほど、新たに引き出される長さが長くなる。円弧Ｃ１に近い内周側よりも、円弧Ｃ２に近い外周側の方が、円弧の長さが長い（つまり、内外周差がある）からである。このように、曲げ部Ｍ１の内外周差に合わせて、それぞれの繊維強化樹脂材Ｇがボビン（図示せず）から巻き出される。したがって、複合部材Ｍの曲げ部Ｍ１（図４（ｄ）参照）に、内外周差による皺やバラケが生じることを防止できる。

そして、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが隣接して並べられた状態で、新たに配置された治具３０によって押圧される（押圧工程）。これによって、一方の治具２０によって既に押圧された箇所と、他方の治具３０によって新たに押圧される箇所と、が連続した状態になる。
なお、図４に示す例では、曲げ部Ｍ１の角度φ（図４（ｆ）参照）は９０°であり、略くさび形の治具２０，３０は、それぞれ３０°分の角度を有している。この例では、９０°の曲げ部Ｍ１が、角度３０°を有する２個の治具２０，３０を用いて形成されるが、例えば、角度３０°の治具を３個設けてもよい。

次に、図４（ｄ）に示すように、押圧工程での治具２０による押圧が解除される（解除工程）。このとき他方の治具３０は、繊維強化樹脂材Ｇを保持（又は押圧）した状態で維持されている。つまり、一方の治具２０によって「解除工程」が行われているとき、他方の治具３０によって繊維強化樹脂材Ｇが保持（又は押圧）されている。この治具３０は、治具２０による次回の押圧工程での位置決めに用いられる。

次に、図４（ｅ）に示すように、ボビン（図示せず）から繊維強化樹脂材Ｇがさらに巻き出されると、繊維強化樹脂材Ｇとともに、治具２０が一方側（下流側）に所定距離だけ移動する。

そして、図４（ｆ）に示すように、治具３０の他方側に治具２０が隣り合って配置され、この治具２０を用いて、前記した「押圧工程」が再び行われる。このように、２つの治具２０，３０を交互に用いて、繊維強化樹脂材Ｇの軸線方向に沿って段階的に押圧することで、曲げ部Ｍ１を有するＬ字状の複合部材Ｍが製造される。

なお、図４では図示を省略したが、断面視で半円形を呈する複合部材Ｍは、この複合部材Ｍに対応する形状の別の複合部材（図示せず）とともに金型（図示せず）に設置される。そして、硬化炉で熱硬化させることで、２つの複合部材が一体化し、断面視で円形を呈する管状の複合部材（図示せず）が製造される。この管状の複合部材は、例えば、車両のスタビライザとして用いられる。

＜作用・効果＞
本実施形態に係る複合部材Ｍの製造方法は、基本的に以上のようにして実行される。次に、治具２０，３０を用いた複合部材Ｍの作用・効果について説明する。

図１〜図４に示すように、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを用いた、曲げ部Ｍ１を有する複合部材Ｍの製造方法は、以下の押圧工程を含んでいる。すなわち、押圧工程は、凹部２１ａ（図２参照）を有する雌型２１と、凹部２１ａに対応する形状の凸部２２ｂを有する雄型２２と、を備え、平面視において曲げ部Ｍ１の角度φ（図４（ｆ）参照）よりも小さい角度θ（図３Ａ参照）を有する略くさび形の治具２０を用い、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを隣接して凹部２１ａに並べた状態で、凸部２２ｂによって押圧する工程である。
このような製造方法によれば、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが、凸部２２ｂによって押圧されることで略一体化する。そして、繊維強化樹脂材Ｇの軸線方向に治具２０を移動させつつ押圧工程を繰り返すことで、曲げ部Ｍ１を有する複合部材Ｍを適切に製造できる。つまり、内外周差を有する形状の複合部材Ｍを皺等がない状態で製造できる。また、金型（図示せず）に繊維強化樹脂材Ｇを１本ずつ配置する方法に比べて、製造工程の簡素化を図り、複合部材Ｍの製造に要する時間を大幅に短縮できる。

また、２つの治具２０，３０が用いられる場合において、押圧工程での凸部２２ｂによる押圧を解除する解除工程をさらに含むことが好ましい。この場合において、２つの治具２０，３０のうち一方の解除工程が行われているとき、この一方に隣り合って配置される他方によって、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが保持又は押圧されている。これによって、一方の治具２０の位置決めとして、他方の治具３０を用いることができる。したがって、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを、その軸線方向に沿って連続的に略一体化させることができる。

また、繊維強化樹脂材Ｇの繊維配向角は、例えば、繊維強化樹脂材Ｇの軸線を基準として、−１０°以上かつ＋１０°以下の範囲内（０°を含む）である。これによって、所望の曲げ剛性を有する複合部材Ｍを製造できる。

また、本実施形態に係る治具２０（図２参照）は、複数本の繊維強化樹脂材Ｇを用いた、曲げ部Ｍ１を有する複合部材Ｍの製造に用いられる治具２０であって、雌型２１と、雄型２２と、を備えている。雌型２１は、凹部２１ａを有し、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが隣接して並んだ状態で配置される。雄型２２は、凹部２１ａに対応する形状の凸部２２ｂを有し、凹部２１ａに配置される複数本の繊維強化樹脂材Ｇを、凸部２２ｂによって押圧する。そして、雌型２１と、雄型２２と、を備える治具２０は、平面視において曲げ部Ｍ１の角度φ（図４（ｆ）参照）よりも小さい角度θ（図３Ａ参照）を有する略くさび形を呈している。
このような構成によれば、複数本の繊維強化樹脂材Ｇが、凸部２２ｂによって押圧されることで略一体化する。そして、繊維強化樹脂材Ｇの軸方向に治具２０を移動させつつ、押圧工程及び解除工程を順次に繰り返すことで、曲げ部Ｍ１を有する複合部材Ｍを適切に製造できる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る複合部材Ｍの製造方法等について実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、実施形態では、雌型２１（図２参照）が有する凹部２１ａ、及び、雄型２２（図２参照）が有する凸部２２ｂの平面視での稜線（図３Ａに示す円弧Ｃ１，Ｃ２）が円弧状である場合について説明したが、以下で説明するように、これに限定されるものではない。

図３Ｂは、変形例に係る複合部材Ｍの製造方法に用いられる治具２０Ａの雌型２１Ａの平面図である。
図３Ｂに示すように、雌型２１Ａが有する凹部２１Ａａの平面視での稜線（繊維強化樹脂材Ｇの軸線方向の稜線）が、線分Ｄ１，Ｄ２で示すように、直線状であってもよい。なお、雄型（図示せず）が有する凸部（図示せず）の平面視での稜線についても同様である。このような構成によれば、例えば、繊維配向角が０°の繊維強化樹脂材Ｇを凹部２１Ａａに配置する際、この繊維強化樹脂材Ｇを曲げる必要がなくなる。したがって、繊維強化樹脂材Ｇの凹部２１Ａａへの配置が行いやすくなる。

また、実施形態では、２つの治具２０，３０（図４参照）を交互に用いて、繊維強化樹脂材Ｇを、その軸線に沿って段階的に押圧する方法について説明したが、これに限らない。例えば、１つの治具２０を用いて、繊維強化樹脂材Ｇを軸線に沿って段階的に押圧することで、曲げ部Ｍ１（図４（ｄ）参照）を有する複合部材Ｍを製造するようにしてもよい。
また、３つ以上の治具（図示せず）を用いて繊維強化樹脂材Ｇを押圧し、これらの治具の中で挿通部材１０（図１参照）に最も遠いものを、挿通部材１０に最も近い別の治具の隣に移動させて、繊維強化樹脂材Ｇを段階的に押圧するようにしてもよい。

また、実施形態では、断面視で半円形を呈する一対の複合部材Ｍを熱硬化して一体化し、管状の複合部材（図示せず）を製造する場合について説明したが、管状の複合部材を光硬化させてもよい。

また、実施形態では、繊維配向角が異なる（例えば、繊維配向角が０°、±４５°）管状の複合部材が積層されてなる多層構造体を製造する場合について説明したが、これに限らない。例えば、繊維配向角が約０°の繊維強化樹脂材Ｇを用いて、管状を呈する一層の複合部材を製造してもよい。

また、実施形態では、Ｌ字状を呈する複合部材Ｍ（図４（ｆ）参照）を製造する場合について説明したが、３次元的に曲がった所定の形状の複合部材を製造することも可能である。
実施形態では、複合部材Ｍが車両のスタビライザとして用いられる場合について説明したが、サスペンションやフレーム部材等、様々な部材に適用可能である。

１０ 挿通部材
２０，３０ 治具
２１，３１ 雌型
２１ａ，２１Ａａ 凹部
２２，３２ 雄型
２２ａ 当接部
２２ｂ 凸部
Ｇ 繊維強化樹脂材
Ｈ 挿通孔
Ｍ 複合部材

Claims (4)

1. 複数本の繊維強化樹脂材を用いた、曲げ部を有する複合部材の製造方法であって、
   凹部を有する雌型と、前記凹部に対応する形状の凸部を有する雄型と、を備え、平面視において前記曲げ部の角度よりも小さい角度を有する略くさび形の治具を用い、複数本の前記繊維強化樹脂材を隣接して前記凹部に並べた状態で、前記凸部によって押圧する押圧工程を含むこと
   を特徴とする複合部材の製造方法。
2. ２つの前記治具が用いられる場合において、
   前記押圧工程での前記凸部による押圧を解除する解除工程をさらに含み、
   ２つの前記治具のうち一方の前記解除工程が行われているとき、前記一方に隣り合って配置される他方によって、複数本の前記繊維強化樹脂材が保持又は押圧されていること
   を特徴とする請求項１に記載の複合部材の製造方法。
3. 前記繊維強化樹脂材の繊維配向角は、前記繊維強化樹脂材の軸線を基準として、−１０°以上かつ＋１０°以下の範囲内（０°を含む）であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合部材の製造方法。
4. 複数本の繊維強化樹脂材を用いた、曲げ部を有する複合部材の製造に用いられる治具であって、
   凹部を有し、複数本の前記繊維強化樹脂材が隣接して並んだ状態で配置される雌型と、
   前記凹部に対応する形状の凸部を有し、前記凹部に配置される複数本の前記繊維強化樹脂材を前記凸部によって押圧する雄型と、を備え、平面視において前記曲げ部の角度よりも小さい角度を有する略くさび形を呈していること
   を特徴とする治具。
   

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