JP2018187821A - 繊維強化樹脂部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】樹脂のクリープ現象の影響を受けることがなく、経時的に締結力の緩みが生じるのを抑制できる繊維強化樹脂部品を、優れた加工精度で、生産性よく低コストで製造することが可能な繊維強化樹脂部品の製造方法を提供する。【解決手段】強化繊維及び熱硬化性のマトリックス樹脂組成物を含有するシート状のプリプレグからなる、貫通孔２１が形成された成形品前駆体２を形成する貫通孔形成工程と、カラー３を貫通孔２２に挿通させる挿通工程と、成形品前駆体２とカラー３とを一体化させながら成形する一体成形工程と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、繊維強化樹脂部品の製造方法に関する。
強化繊維とマトリックス樹脂組成物を含有する繊維強化樹脂、例えば、炭素繊維複合材料（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：以下、ＣＦＲＰと略称することがある）等からなる成形体は、軽量で優れた機械特性を有するため、航空機や車両等の様々な用途で広く用いられている。このような繊維強化樹脂からなる成形体の製造には、強化繊維基材にマトリックス樹脂組成物を含浸した、中間基材、即ち成形品前駆体であるシート状のプリプレグが広く用いられている。
従来から、繊維強化樹脂のプリプレグから製造された成形体を、自動車の車体や航空機の機体等に取り付ける場合には、例えば、ボルト等の締結具を成形体に形成された貫通孔に挿通し、ねじ留めによって成形体と車体等との間を締結する方法が採用されている。しかしながら、このような方法では、樹脂からなる成形体に、経時的にクリープ現象による肉痩せが生じるため、ボルトによる軸方向での締結力が低下し、ボルトに緩みが生じるおそれがあった。
上記のような、ボルト等の締結具によって樹脂成形体にクリープ現象が生じるのを抑制するためには、例えば、金属製のカラーを成形体の貫通孔装着し、ボルトとの接触箇所を金属部品から構成することが有効であることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の締結構造によれば、成形体に形成された貫通孔に、接着剤を用いてカラーが接着されており、ボルトとカラーがメタルタッチするように構成されている。特許文献１では、ボルト締結に伴う軸方向の力を金属製のカラーで受ける構成とすることで、クリープ現象の影響を受けず、ボルトの緩みが生じるのを抑制することが可能とされている。
しかしながら、特許文献１に記載の締結構造では、プリプレグを加圧成形する工程、孔開け（切削）を行う工程、及びカラーを接着する工程が必要となり、成形後の加工工程が煩雑になる。また、プリプレグを加圧成形して硬化させた後に孔開けを行うことから、切削等による孔開け加工がし難くなり、加工性が低くなる。このため、特許文献１に記載の技術を採用した場合には、加工精度の低下や製造コストの増大、及び生産性の低下を招くおそれがあった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、樹脂のクリープ現象が生じることなく、経時的に締結力の緩みが生じるのを抑制できる繊維強化樹脂部品を、優れた加工精度で、生産性よく低コストで製造することが可能な繊維強化樹脂部品の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らが、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、加熱加圧成型を行う前にプリプレグに貫通孔を形成する工程と、その後、プリプレグを加熱加圧成形するのと同時にカラーを一体成形する工程とを設け、前記貫通孔を形成する工程において、硬化前の比較的軟らかなプリプレグに対して孔開け加工を行うことで、従来のような、成形後の非常に硬い状態となった成形品前駆体を加工する場合に比べて加工精度や加工性が向上することを見出した。さらに、カラーを接着する工程が不要となり、成形後に行っていた加工工程を省略できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、以下の態様を包含する。
即ち、本発明は、以下の態様を包含する。
［１］ 強化繊維及び熱硬化性のマトリックス樹脂組成物を含有するシート状のプリプレグからなる、貫通孔が形成された成形品前駆体を形成する貫通孔形成工程と、カラーを前記貫通孔に挿通させる挿通工程と、前記成形品前駆体と前記カラーとを一体化させながら成形する一体成形工程と、を備える、繊維強化樹脂部品の製造方法。
［２］ 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、一対の金型からなる成形型で加熱加圧して硬化する、上記［１］に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［３］ 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、減圧雰囲気中において加熱して硬化する、上記［１］に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［４］ 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、減圧雰囲気中において加熱加圧して硬化する、上記［１］に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［５］ 前記カラーは、筒部及びハット部を有するハット型に形成されており、前記貫通孔形成工程は、さらに、前記成形品前駆体の一面側に、前記ハット部を収容する凹部を形成し、前記挿通工程は、前記ハット部を前記凹部に収容しながら、前記筒部を前記貫通孔に挿通させる、上記［１］〜［４］の何れかに記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［６］ 前記一体成形工程は、前記カラーの筒部の先端が前記成形品前駆体の他面側よりも突出するように、前記成形品前駆体と前記カラーとを一体成形する、上記［１］〜［５］の何れかに記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［７］ 前記プリプレグに含有される熱硬化性のマトリックス樹脂組成物が、エポキシ系樹脂又はウレタン系樹脂である、上記［１］〜［６］の何れかに記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［２］ 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、一対の金型からなる成形型で加熱加圧して硬化する、上記［１］に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［３］ 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、減圧雰囲気中において加熱して硬化する、上記［１］に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［４］ 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、減圧雰囲気中において加熱加圧して硬化する、上記［１］に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［５］ 前記カラーは、筒部及びハット部を有するハット型に形成されており、前記貫通孔形成工程は、さらに、前記成形品前駆体の一面側に、前記ハット部を収容する凹部を形成し、前記挿通工程は、前記ハット部を前記凹部に収容しながら、前記筒部を前記貫通孔に挿通させる、上記［１］〜［４］の何れかに記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［６］ 前記一体成形工程は、前記カラーの筒部の先端が前記成形品前駆体の他面側よりも突出するように、前記成形品前駆体と前記カラーとを一体成形する、上記［１］〜［５］の何れかに記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
［７］ 前記プリプレグに含有される熱硬化性のマトリックス樹脂組成物が、エポキシ系樹脂又はウレタン系樹脂である、上記［１］〜［６］の何れかに記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
本発明に係る繊維強化樹脂部品の製造方法によれば、上記のように、プリプレグからなる、貫通孔が形成された成形品前駆体を形成する貫通孔形成工程と、その後、成形品前駆体とカラーとを一体化させながら成形する一体成形工程とを備えた方法なので、硬化前の比較的軟らかなプリプレグに対して孔開け加工を行うことで、優れた加工精度及び加工性が得られる。また、カラーを接着する工程が不要となるので、成形後に行っていた加工工程を省略できる。さらに、樹脂のクリープ現象が生じることなく、経時的に締結力の緩みが生じるのを抑制できる繊維強化樹脂部品を、優れた加工精度で、生産性よく低コストで製造することが可能になる。
以下、本発明に係る繊維強化樹脂部品の製造方法の実施の形態を挙げ、図１〜図８を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる各図面は、その特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なる場合がある。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本発明に係る繊維強化樹脂部品（以下、樹脂部品と略称することがある）の製造方法は、詳細を後述するように、シート状のプリプレグからなる、貫通孔が形成された成形品前駆体を形成する貫通孔形成工程、カラーを貫通孔に挿通させる挿通工程、及び、成形品前駆体とカラーとを一体化させながら成形する一体成形工程を備える方法である。
＜繊維強化樹脂部品＞
以下、本実施形態の製造方法によって得られる樹脂部品１の構成について説明する。図１は樹脂部品１を示す断面図であり、図２は樹脂部品１に備えられるカラー３を示す平面図、図３は樹脂部品１を、ボルト６を用いて金属製の被締結物５に締結した状態を示す断面図である。
以下、本実施形態の製造方法によって得られる樹脂部品１の構成について説明する。図１は樹脂部品１を示す断面図であり、図２は樹脂部品１に備えられるカラー３を示す平面図、図３は樹脂部品１を、ボルト６を用いて金属製の被締結物５に締結した状態を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の製造方法で得られる樹脂部品１は、成形体２に形成された貫通孔２１にカラー３（図２も参照）が挿通され、成形体２とカラー３とが一体化された構成とされている。また、図示例の樹脂部品１は、全体的な図示を省略しているが、例えば、概略平板状に形成されたものである。また、樹脂部品１は、例えば、自動車のフェンダー等の外装部材として用いられる場合には、加圧成形によって所定の形状を適宜付与したうえで、車体側への締結箇所及びその近傍のみが略平板状に形成された構成とすることができる。
成形体２は、強化繊維と熱硬化性のマトリックス樹脂組成物を含有する繊維強化樹脂、即ち、強化繊維基材にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂からなり、例えば、炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）等が用いられる。本実施形態で説明する成形体２には、詳細な図示を省略するが、平面視円形状の貫通孔２１、及び、貫通孔２１の開口部を取り囲むように設けられる平面視円形状の凹部２２が、それぞれ、所定の位置、大きさ、及び所定の数量で設けられている。また、本実施形態で説明する成形体２は、上記の繊維強化樹脂からなるシート状のプリプレグ（図３中の符号２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを参照）が１枚もしくは２枚以上で積層されてなる成形品前駆体（図３中の符号２０を参照）が硬化・成形されたものである。
マトリックス樹脂組成物を含浸させる繊維強化基材の形態としては、例えば、多数の長尺の強化繊維を一方向に引き揃えたＵＤシート（一方向シート）、強化繊維を製織して織物としたクロス材、強化繊維からなる不織布等が挙げられる。これらの中でも、成形体２の意匠性の観点からは、クロス材を用いることが好ましい。このクロス材としては、必要な方向に強化繊維を配置した一方向性織物、平織、朱子織、綾織等の二方向性織物、三軸織、ノンクリンプ織物等の何れの織組織のクロス材であってもよく、意匠性に優れた平織や、意匠性及び加工性に優れた綾織を用いることが好ましい。また、上記の各形態からなるプリプレグとしても、１種のみを使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
繊維強化基材に用いられる強化繊維としては、特に限定されないが、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、タングステンカーバイド繊維、及びガラス繊維等が挙げられる。これらの中でも、強化繊維として、比強度、比弾性率に優れる点から、炭素繊維を用いることが好ましい。また、繊維強化樹脂中に含まれる強化繊維は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
また、強化繊維基材の目付としては、特に限定されないが、７０〜８００ｇ／ｍ２が好ましく、１５０〜２５０ｇ／ｍ２がより好ましい。強化繊維基材の目付が上記の範囲内であれば、マトリックス樹脂組成物の含浸性が良好となる。また、強化繊維基材の目付が７０ｇ／ｍ２以上であれば、より外観良好な成形品が得られる。さらに、強化繊維基材の目付が１５０ｇ／ｍ２以上であれば、安価に表面平滑な複合材料成形体を得ることができる。またさらに、強化繊維基材の目付が８００ｇ／ｍ２以下であれば、強化繊維基材の加工が容易になる。
本実施形態で説明する樹脂部品１は、成形体２をなす繊維強化樹脂に含まれるマトリックス樹脂組成物として熱硬化性の樹脂を採用する。このように、マトリックス樹脂組成物に熱硬化性樹脂を採用することで、強化繊維基材へのマトリックス樹脂組成物の含浸性が高められるとともに、成形品２の機械的特性を高めることが可能になる。さらに、マトリックス樹脂組成物に熱硬化性樹脂を採用することで、詳細を後述する工程によって成形品前駆体（成形体２）とカラー３とを一体成形した際に、成形体２とカラー３との固定強度が高められるという効果が得られる。
マトリックス樹脂組成物に用いる熱硬化性の樹脂としては、特に限定されず、プリプレグに用いられる公知の熱硬化性樹脂を使用することができ、例えば、エポキシ系樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン系樹脂、尿素性樹脂等が挙げられる。なかでも、熱硬化性樹脂としては、樹脂部品１の機械的特性を高められる観点から、エポキシ系樹脂又はウレタン系樹脂を用いることが好ましい。また、マトリックス樹脂組成物に用いる熱硬化性樹脂としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
また、マトリックス樹脂組成物には、必要に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、非繊維状フィラー、導電性フィラー、離型剤、又は界面活性剤等の添加剤を配合してもよい。また、上記の添加剤としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
カラー３は、成形体２に形成された貫通孔２１に挿通され、成形体２と一体化されたものであり、図１及び図２に示す例においては、円筒状の筒部３１と、平面視円形状のハット部３２とを備えた、平面視で環状のハット型に構成されている。また、カラー３の内部には、該カラー３の長軸方向で貫くように空洞部３３が設けられている。
そして、図１等に示すように、カラー３は、筒部３１が成形体２の貫通孔２１に挿通されるとともに、ハット部３２が、成形体２の一面２ａ側に形成された凹部２２の内部に収容され、成形体２と一体化されている。より具体的には、後述するような本発明に係る製造方法で備えられる一体成形工程において、成形品前駆体２０とカラー３とがともに加熱される一体成形（インサート成形）により、成形体２の貫通孔２１とカラー３とが強固に固定して一体化される。
樹脂部品１は、上記のようなカラー３が設けられることにより、図３に例示するように、ボルト６及びナット７を用いて、例えば、自動車の車体等の、金属からなる被締結物５に対して樹脂部品１を締結した場合に、樹脂製の成形体２とボルト６とが直に当接しないので、成形体２にクリープ現象が生じるのを抑制できる。これにより、締結から時間が経過した場合であっても、ボルト６に緩みが生じるのを抑制し、長期に渡って確実な締結状態を維持することが可能となる。
カラー３の材料としては、特に限定されないが、本発明に係る製造方法においては、樹脂部品１を被締結物５に締結した後のクリープの発生を防止する観点から、成形体２（成形品前駆体２０）に用いられる材料よりもクリープによる変位量が小さな材料であることが好ましい。このような材料としては、例えば、一般的な金属材料等が挙げられる。
カラー３を金属材料から構成する場合、その金属の種類は特に限定されないが、コストや強度を両立させること等を考慮した場合、例えば、鉄、アルミニウム又は真鍮の何れかを用いることが好ましい。
さらに、カラー３の材料としては、金属以外の材料であっても、上記のような、成形体２の材料よりもクリープによる変位量が小さな材料であれば、適宜採用することができる。このような材料としては、例えば、カラー３の肉厚方向で配向した炭素繊維を含む繊維強化樹脂やセラミック材料等が挙げられる。
上述したように、樹脂部品１は、図３に示すように、樹脂部品１を金属製の被締結物５に締結した際、ボルト６が樹脂製の成形体２には当接せず、ボルト６のヘッド部６２がカラー３のハット部３２に当接する。これにより、ボルト６の締結に伴う軸方向の力をカラー３で受けることとなり、樹脂製の成形体２にクリープが生じるのを抑制できるので、ボルト６に経時的な緩みが生じるのを防止することが可能になる。
なお、本実施形態においては、カラー３として、図示例のような略ハット型のものを挙げて説明しているが、これには限定されない。例えば、カラーとして単純な筒状のものを採用することができ、このようなカラーを樹脂部品に用いた場合でも、カラーの筒長方向の端部に締結用のボルトを当接させることで、上記同様、成形体にクリープが生じることなく、経時的なボルトの緩みが生じるのを抑制できる。
また、カラー３のハット部３２の形状としても、図示例のような平面視円形状のものには限定されず、平面視矩形状等、他の形状とすることも可能である。また、筒部３１の形状としても、図示例のような円筒状のものには限定されず、例えば、角筒状とすることも可能である。このようなカラーを用いた場合には、成形体２に形成される貫通孔２１及び凹部２２の形状も、カラーの形状に合わせて変更すればよい。
また、カラー３は、図１中に示すように、筒部３１の先端３１ａが、成形体２（成形品前駆体２０）の他面２ｂ側よりも突出するように、成形体２と一体化されていることが好ましい。これにより、図３に示すように、樹脂部品１を金属製の被締結物５に締結した際に、カラー３の先端３１ａと被締結物５とが当接する一方、樹脂からなる成形体２と被締結物５との間には隙間が確保される。即ち、樹脂部品１の一面２ａ側においては成形体２とボルト６とが当接せず、且つ、他面２ｂ側においては成形体２と被締結物５の表面５ａとが当接しない構成となる。このような構成とすることで、締結箇所において、ボルト６が配置される樹脂部品１の一面２ａ側のみならず、ナット７が配置される他面２ｂ側においてもクリープ防止効果が得られるので、締結状態が緩むのをより確実に防止できる。
＜繊維強化樹脂部品の製造方法＞
以下、上記のような繊維強化樹脂部品１を製造する方法について、図４〜図８を参照しながら説明する（樹脂部品１の構成については図１〜図３も参照）。
上述したように、本実施形態の樹脂部品１の製造方法は、強化繊維及び熱硬化性のマトリックス樹脂組成物を含有するシート状のプリプレグ（図４中の符号２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを参照）からなる、貫通孔２１が形成された成形品前駆体２０を形成する貫通孔形成工程と、カラー３を貫通孔２１に挿通させる挿通工程と、成形品前駆体２０とカラー３とを一体化させる一体成形工程と、を備える。
以下、本実施形態の製造方法に備えられる各工程について説明する。
以下、上記のような繊維強化樹脂部品１を製造する方法について、図４〜図８を参照しながら説明する（樹脂部品１の構成については図１〜図３も参照）。
上述したように、本実施形態の樹脂部品１の製造方法は、強化繊維及び熱硬化性のマトリックス樹脂組成物を含有するシート状のプリプレグ（図４中の符号２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを参照）からなる、貫通孔２１が形成された成形品前駆体２０を形成する貫通孔形成工程と、カラー３を貫通孔２１に挿通させる挿通工程と、成形品前駆体２０とカラー３とを一体化させる一体成形工程と、を備える。
以下、本実施形態の製造方法に備えられる各工程について説明する。
［貫通孔形成工程］
まず、貫通孔形成工程においては、図４に例示するように、成形品前駆体２０を構成する複数のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対し、所定の位置、大きさ及び所定の数で貫通孔を形成する。この際、貫通孔を形成する方法としては特に限定されず、従来からプリプレグに加工処理を施す場合に用いられている工具を何ら制限無く採用することができる。また、図示例においては、プリプレグ２０Ｂ，２０Ｃに貫通孔２１を形成し、プリプレグ２０Ａに、貫通孔２１よりも大きな貫通孔（凹部２２）を形成している。
まず、貫通孔形成工程においては、図４に例示するように、成形品前駆体２０を構成する複数のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対し、所定の位置、大きさ及び所定の数で貫通孔を形成する。この際、貫通孔を形成する方法としては特に限定されず、従来からプリプレグに加工処理を施す場合に用いられている工具を何ら制限無く採用することができる。また、図示例においては、プリプレグ２０Ｂ，２０Ｃに貫通孔２１を形成し、プリプレグ２０Ａに、貫通孔２１よりも大きな貫通孔（凹部２２）を形成している。
そして、貫通孔形成工程においては、シート状のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに上記の各貫通孔を形成した後、図５に示すように、シート状のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを積層して成形品前駆体２０を得る。この際、例えば、図示略の平坦な台座の上で、シート状のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを順次積層することで、これらプリプレグを積層する方法を採用できる。また、積層後の成形品前駆体２０においては、厚み方向におけるプリプレグ２０Ａの位置で、平面視で貫通孔２１の開口部を取り囲むように、上述した凹部２２が設けられる。
なお、後述の挿通工程において貫通孔２１に挿通するカラーとして、図１及び図２等に示すような概略ハット型のカラー３を用いる場合には、上記のように、貫通孔２１とともに、ハット部３２が収容される凹部２２を成形品前駆体２０の一面２ａ側に形成することが好ましい。
また、図４，５に示す例においては、シート状のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに貫通孔を形成した後、これらを積層して成形品前駆体２０を形成する例を説明しているが、これには限定されない。例えば、貫通孔形成工程を、シート状のプリプレグ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを積層した後、まとめて貫通孔を形成する工程としてもよい。
［挿通工程］
次に、挿通工程においては、上記の貫通孔形成工程において成形品前駆体２０に形成された貫通孔２１に対し、カラー３を挿通する。
より具体的には、図６に示すように、まず、成形型４を構成する下型４１の上面４１ａ側に設けられた位置決めピン４２にカラー３を挿通する。この際、ハット部３２が下型４１の上面４１ａ側に配置されるように、位置決めピン４２にカラー３を挿通する。
次に、挿通工程においては、上記の貫通孔形成工程において成形品前駆体２０に形成された貫通孔２１に対し、カラー３を挿通する。
より具体的には、図６に示すように、まず、成形型４を構成する下型４１の上面４１ａ側に設けられた位置決めピン４２にカラー３を挿通する。この際、ハット部３２が下型４１の上面４１ａ側に配置されるように、位置決めピン４２にカラー３を挿通する。
次いで、図７に示すように、下型４１の上面４１ａに対して、成形品前駆体２０の一面２ａ側を重ね合わせる。この際、成形品前駆体２０に形成された貫通孔２１にカラー３の筒部３１が挿通され、且つ、凹部２２にハット部３２が収容されるように、成形品前駆体２０の位置を調整しながら、成形品前駆体２０を下型４１上に重ね合わせる。これにより、成形品前駆体２０の貫通孔２１（及び凹部２２）に、カラー３が挿通された状態となる。
［一体成形工程］
次に、一体成形工程においては、成形品前駆体２０を加熱して硬化させることにより、カラー３を一体化させながら成形品前駆体２０を成形することで、成形品前駆体２０に所定の形状を付与しながら硬化させて成形体２とし、且つ、この成形体２（成形品前駆体２０）とカラー３とを一体化させる。
次に、一体成形工程においては、成形品前駆体２０を加熱して硬化させることにより、カラー３を一体化させながら成形品前駆体２０を成形することで、成形品前駆体２０に所定の形状を付与しながら硬化させて成形体２とし、且つ、この成形体２（成形品前駆体２０）とカラー３とを一体化させる。
本発明に係る製造方法においては、一体成形工程において、成形品前駆体２０を、減圧雰囲気中において加熱する方法、即ち、真空バッグ成形法や、成形品前駆体２０を、減圧雰囲気中において加熱加圧する方法、即ち、オートクレーブ法を採用できる。あるいは、本発明の製造方法においては、一体成形工程において成形品前駆体２０を加熱加圧する方法として、例えば、成形品前駆体２０を、一対の金型からなる成形型で加熱加圧するプレス成形法（例えば、Ｐｒｅ−ｐｒｅｇ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ：ＰＣＭ成形法）を採用することも可能である。
以下、一体成形工程に上記のプレス成形法を適用した場合の手順について説明する。
具体的には、詳細な図示を省略するが、まず、成形品前駆体２０に対し、必要に応じて、ヒータで加熱することによって予備賦形を施す。なお、予備賦形を行わなくても圧縮成形が可能なプリプレグを積層して成形品前駆体２０を構成した場合には、上記の予備賦形は行わなくてもよい。
具体的には、詳細な図示を省略するが、まず、成形品前駆体２０に対し、必要に応じて、ヒータで加熱することによって予備賦形を施す。なお、予備賦形を行わなくても圧縮成形が可能なプリプレグを積層して成形品前駆体２０を構成した場合には、上記の予備賦形は行わなくてもよい。
次いで、図８に示すように、一対の上型４３及び下型４１からなる成形型４により、成形品前駆体２０を加熱加圧してカラー３と一体成形する。即ち、カラー３を成形型４内に配置したインサート成形により、カラー３を貫通孔２１及び凹部２２に強固に固定させながら成形品前駆体２０を加熱加圧することで、成形品前駆体２０を、形状を付与した成形体２に成形する。また、この際、上型４３及び下型４１で挟み込むことで成形品前駆体２０を加圧しながら、上型４３及び下型４１を加熱することで加熱加圧を行い、成形体２とカラー３とが一体化された樹脂部品１（図１参照）を得る。
一体成形工程における成形型４の温度、即ち成形温度は、マトリックス樹脂組成物を構成する熱硬化性樹脂の種類（熱硬化温度）等に応じて適宜設定できる。
また、一体成形工程における成形時間は、上記の成形温度に応じて適宜設定することができる。
また、一体成形工程における成形時間は、上記の成形温度に応じて適宜設定することができる。
その後、一体成形工程においては、成形品前駆体２０（プリプレグ）が十分に硬化した後に成形型４を開いて上型４３と下型４１を離型させ、樹脂部品１を脱型して取り出す。
本発明に係る製造方法においては、上記のような方法で成形品前駆体２０を成形することで、貫通孔２１及び凹部２２に挿通・収容されたカラー３を固定する。この際、成形品前駆体２０とカラー３とが密着して強固に一体化された状態となるので、樹脂部品１全体の機械的強度特性が高められる。このように、成形体２（成形品前駆体２０）とカラー３とが強固に一体化される理由としては、成形品前駆体２０（プリプレグ）をなす強化繊維樹脂が硬化するのに伴い、貫通孔２１及び凹部２２内において、カラー３が強化繊維樹脂によって接着されて、強固に固定されるためと考えられる。
さらに、例えば、カラー３２のハット部３２表面に凹凸処理等を施しておくことで、カラー３と成形体との間の固定強度がより高められる。
さらに、例えば、カラー３２のハット部３２表面に凹凸処理等を施しておくことで、カラー３と成形体との間の固定強度がより高められる。
なお、本発明に係る製造方法においては、上述したように、一体成形工程において、減圧雰囲気中において加熱する真空バッグ成形法や、減圧雰囲気中で加熱加圧するオートクレーブ法を採用することが可能である。このように、真空バッグ成形法やオートクレーブ法を採用した場合においても、一般的な条件で一体成形を行うことが可能である。
また、一体成形工程においては、図１に示すように、カラー３の筒部３１の先端３１ａが、成形体２（成形品前駆体２０）の他面２ｂ側よりも突出するように、成形品前駆体２０とカラー３とを一体成形できるように、成形型４を適宜調整することがより好ましい。これにより、図３に示すように、樹脂部品１を金属製の被締結物５に締結した際、樹脂からなる成形体２と被締結物５とが当接しないので、ボルト６が配置される樹脂部品１の一面２ａ側に加え、ナット７が配置される他面２ｂ側においてもクリープ防止効果が得られ、締結状態が緩むのをより確実に防止できる。
本発明に係る製造方法では、上記のような、貫通孔２１が形成された成形品前駆体２０（プリプレグ）を形成する貫通孔形成工程と、その後、成形品前駆体２０を硬化することで、カラーを一体化させながら成形品前駆体２０を成形する一体成形工程とを備え、硬化する前の比較的軟らかなプリプレグに貫通孔を形成する方法を採用している。これにより、従来のような、成形品前駆体を成形して硬化させた後に、非常に硬い状態となった成形品前駆体に貫通孔を形成する場合に比べ、加工性が向上する。
また、通常、プリプレグを加熱硬化した硬化物は、成形型から離形された後に変形する場合が多い。また、この際の変形量や硬化収縮量は、各硬化物について個体差がある。従来、上記のような個体差がある硬化物を加工受け治具に固定する際には、硬化物を固定する位置が個体毎に変わりやすいため、貫通孔の位置精度が低いという問題があった。これに対し、本発明に係る製造方法においては、プリプレグを硬化する前に貫通孔を形成するため、位置精度（加工精度）が格段に向上する。
また、上記の一体成形工程において、成形品前駆体２０に形状を付与する成形、及び、成形品前駆体２０（成形体２）へのカラー３の固定の両方を同時に行うことにより、従来は成形工程後に行っていた、接着等によるカラーの取り付け工程を省略できる。従って、これにより、樹脂部品１の生産性が高められるとともに、カラー３が強固に固定され、機械的強度特性等にも優れた樹脂部品１を製造することが可能になる。
［繊維強化樹脂部品の被締結物への締結構造］
図３に示すように、本発明に係る製造方法によって得られる樹脂部品１を、例えば、金属製で板状とされた被締結物５に締結する場合には、例えば、締結具としてボルト６及びナット７を用いる。この際、樹脂部品１に備えられるカラー３の空洞部３３、及び、被締結物５に形成された貫通孔５１内にボルト６のねじ部６１を挿通し、ボルト６のヘッド部６２をカラー３のハット部３２に当接させる。そして、被締結物５の裏側、即ち樹脂部品１とは反対側の裏面５ｂ側にナット７を配置し、ボルト６のねじ部６１をナット７に螺入してゆくことで、樹脂部品１を被締結物５に締結（ねじ留め）する。
図３に示すように、本発明に係る製造方法によって得られる樹脂部品１を、例えば、金属製で板状とされた被締結物５に締結する場合には、例えば、締結具としてボルト６及びナット７を用いる。この際、樹脂部品１に備えられるカラー３の空洞部３３、及び、被締結物５に形成された貫通孔５１内にボルト６のねじ部６１を挿通し、ボルト６のヘッド部６２をカラー３のハット部３２に当接させる。そして、被締結物５の裏側、即ち樹脂部品１とは反対側の裏面５ｂ側にナット７を配置し、ボルト６のねじ部６１をナット７に螺入してゆくことで、樹脂部品１を被締結物５に締結（ねじ留め）する。
本発明に係る製造方法によって得られる樹脂部品１の締結対象である金属製の被締結物５としては、特に限定されないが、例えば、自動車の車体や航空機の機体等が挙げられる。被締結物５が自動車の車体である場合には、フェンダー、スイッチパネル、センターコンソール等の内装、ルームミラーカバー、バックミラーカバー、ホイールカバー、エンジンカバー等のカバー類、ステアリングホイル、又はヘッドランプリフレクタ等の各種部材において、樹脂部品１の構成を適用することが可能である。
上記の締結構造によれば、ボルト６が樹脂製の成形体２には当接せず、ボルト６のヘッド部６２がカラー３のハット部３２に当接することで、ボルト６の締結に伴う軸方向の力をカラー３で受ける構造となる。これにより、樹脂製の成形体２にクリープが生じるのを抑制できるので、ボルト６に経時的な緩みが生じるのを防止することが可能になる。
なお、本実施形態においては、樹脂部品１を被締結物５に締結するための締結具としてボルト６及びナット７を用いる方法を例示して説明しているが、締結具はこれらのものには限定されない。例えば、金属製のリベットやピン等を締結具に用いた場合においても、本発明による効果は十分に発揮される。
＜その他＞
以上、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述したが、本実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は本実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述したが、本実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は本実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
本発明の繊維強化樹脂部品の製造方法は、樹脂のクリープ現象の影響を受けることがなく、経時的に締結力の緩みが生じるのを抑制できる繊維強化樹脂部品を、優れた加工精度で、生産性よく低コストで製造できる方法なので、例えば、航空機や車両等の様々な用途において非常に好適である。
１…繊維強化樹脂部品（樹脂部品）
２…成形体
２ａ…一面
２ｂ…他面
２０…成形品前駆体
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…プリプレグ（複数のプリプレグ）
２１…貫通孔
２２…凹部
３…カラー
３１…筒部
３１ａ…先端
３２…ハット部
３３…空洞部
４…成形型
４１…下型
４１ａ…上面
４２…位置決めピン
４３…上型
５…被締結物
５ａ…表面
５ｂ…裏面
５１…貫通孔
６…ボルト
６１…ねじ部
６２…ヘッド部
７…ナット
２…成形体
２ａ…一面
２ｂ…他面
２０…成形品前駆体
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…プリプレグ（複数のプリプレグ）
２１…貫通孔
２２…凹部
３…カラー
３１…筒部
３１ａ…先端
３２…ハット部
３３…空洞部
４…成形型
４１…下型
４１ａ…上面
４２…位置決めピン
４３…上型
５…被締結物
５ａ…表面
５ｂ…裏面
５１…貫通孔
６…ボルト
６１…ねじ部
６２…ヘッド部
７…ナット
Claims (7)
- 強化繊維及び熱硬化性のマトリックス樹脂組成物を含有するシート状のプリプレグからなる、貫通孔が形成された成形品前駆体を形成する貫通孔形成工程と、
カラーを前記貫通孔に挿通させる挿通工程と、
前記成形品前駆体と前記カラーとを一体化させながら成形する一体成形工程と、
を備える、繊維強化樹脂部品の製造方法。 - 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、一対の金型からなる成形型で加熱加圧して硬化する、請求項１に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
- 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、減圧雰囲気中において加熱して硬化する、請求項１に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
- 前記一体成形工程は、前記成形品前駆体を、減圧雰囲気中において加熱加圧して硬化する、請求項１に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
- 前記カラーは、筒部及びハット部を有するハット型に形成されており、
前記貫通孔形成工程は、さらに、前記成形品前駆体の一面側に、前記ハット部を収容する凹部を形成し、
前記挿通工程は、前記ハット部を前記凹部に収容しながら、前記筒部を前記貫通孔に挿通させる、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。 - 前記一体成形工程は、前記カラーの筒部の先端が前記成形品前駆体の他面側よりも突出するように、前記成形品前駆体と前記カラーとを一体成形する、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
- 前記プリプレグに含有される熱硬化性のマトリックス樹脂組成物が、エポキシ系樹脂又はウレタン系樹脂である、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の繊維強化樹脂部品の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| WO2023149083A1 (ja) * | 2022-02-04 | 2023-08-10 | 帝人株式会社 | ボルト挿入部を有する金属締結具と、樹脂製パネルとを備えた車両構造体 |
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| JP2010000750A (ja) * | 2008-06-23 | 2010-01-07 | Toyota Motor Corp | ネジ孔封止構造 |
| JP2011110796A (ja) * | 2009-11-26 | 2011-06-09 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 炭素繊維強化プラスチック成形体及びその製造方法 |
-
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- 2017-05-01 JP JP2017091289A patent/JP7094662B2/ja active Active
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