JP2019171619A - 補強金属部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い生産性で製造できるとともに高強度で軽量化された補強金属部材を提供する。【解決手段】補強金属部材１０は、一方向ｄ３に対向する一対の内面２１ａ，２１ｂを有し且つ一対の内面２１ａ，２１ｂの間に空間Ｓを画成する金属製部材２０と、炭素繊維３０ａ及び熱可塑性樹脂３０ｂを含む繊維強化樹脂複合材３０と、を有している。繊維強化樹脂複合材３０は、湾曲又は屈曲による折り返し部３５を含み、空間Ｓに配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、金属製部材の内面を繊維強化樹脂複合材にて補強した補強金属部材に関する。より詳しくは金属製部材を、特定の構造を持つ炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材によって補強した補強金属部材に関する。また、本発明は、補強金属部材の製造方法に関する。

従来、頑強で比較的に軽量な材料として、Ｈ型材、Ｃ型材（チャンネル材）、筒状部材といった内部空間（中空部）を含む金属製部材が知られている。具体的には自転車、自動車等のフレーム部材用パイプ部材、高速車両、飛行機等の車体用部材、織機部材、ロボットハンド部材等において、高強度の鋼鉄製部材が用いられていた。このような金属製部材は、内部空間を有することで、当該金属製部材の軽量化を図りながら形状的に剛性を改善することができる。
昨今では、エネルギー効率化のために、従来の強度を確保しつつ、鋼鉄からアルミニウム又はアルミニウム合金に材料を置き換えること、すなわち、更なる軽量化および比強度の改善が検討されている。
例えば、押出成形による単なる筒状部材ではなく、筒状部材の内部空間を縦２分割や縦横４分割した異型断面を有する筒状部材（中仕切りが設けられた筒状部材）等も提案されている。しかしながら、単に形状を変更するだけで従来の鋼鉄製部材と同様の強度を付与しようとすると、かえって重量が増加し、十分な軽量効果が得られないという問題があった。

そこで近年では、アルミニウム合金製部材を、軽量かつ高強度の炭素繊維で補強することが検討されている。例えば特許文献１には、金属製中空部材の外側表面（外面）にフィラメントワインディング法により強化繊維を巻付ける方法が記載されている。特許文献２には、樹脂を前もって含浸した強化繊維（プリプレグ）を、ゴムチューブ等で内部から金属中空部材内面に押し付けて接着、その後加熱硬化させる方法が開示されている。

特開２００６−３２２５９０号公報 特開平１０−３１４３５４号公報

しかしながら、特許文献１のように外面を補強する方法では、十分な強度が得られないばかりが金属製部材のその後の加工性を悪化させる問題があった。また、特許文献２のように内面を熱硬化性樹脂で補強する方法では、補強された製品を連続的に製造することが出来ず、生産性が不十分であるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、金属製部材を炭素繊維強化樹脂複合材で補強してなる補強金属部材を高生産性で製造する製造方法を提供すること、並びに、高い生産性で製造できるとともに高強度で軽量化された補強金属部材を提供することを目的とする。

本件発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果として、屈曲又は湾曲による折り返し部を有する繊維強化樹脂複合材を金属製部材の内部空間に配置した後に、金属製部材を加熱することによって、繊維強化複合材が金属製部材の内面に接着して当該金属製部材を有効に補強し得ること、すなわち、高強度かつ軽量な補強金属部材を高い生産性で生産できることを見いだした。

即ち本発明の要旨は以下の通りである。

［１］ 一方向に対向する一対の内面を有し、前記一対の内面の間に空間を画成する、金属製部材と、
炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む繊維強化樹脂複合材と、を備え、
前記繊維強化樹脂複合材は、湾曲又は屈曲による折り返し部を含み、前記空間に配置されている、補強金属部材。

［２］ 前記繊維強化樹脂複合材は、前記一方向で交互に逆向きに折り返しながら、前記一方向に直交する方向へ延びている、［１］に記載の補強金属部材。

［３］ 前記繊維強化樹脂複合材は、前記折り返し部において、前記金属製部材に接触している、［１］又は［２］に記載の補強金属部材。

［４］ 前記繊維強化樹脂複合材は、前記折り返し部において、前記金属製部材に接着している、［１］〜［３］のいずれかに記載の補強金属部材。

［５］ 前記繊維強化樹脂複合材は、少なくとも一部の前記折り返し部において、炭素繊維を含んでいない、［１］〜［４］のいずれかに記載の補強金属部材。

［６］ 前記繊維強化樹脂複合材は、熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂層と、前記熱可塑性樹脂層に積層され且つ前記炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグと、を含む、［１］〜［５］のいずれかに記載の補強金属部材。

［７］ 前記プリプレグは、前記熱可塑性樹脂層上に断続的に設けられている、［６］に記載の補強金属部材。

［８］ 前記熱可塑性樹脂は、オレフィン系樹脂である、［１］〜［７］のいずれかに記載の補強金属部材。

［９］ 前記金属製部材は、アルミニウム製の部材またはアルミニウム合金製の部材である、［１］〜［８］のいずれかに記載の補強金属部材。

［１０］ 前記繊維強化樹脂複合材の伸長状態での長さは、前記一方向に直交する方向に沿った前記空間の長さよりも長い、［１］〜［９］のいずれかに記載の補強金属部材。

［１１］ 一方向に対向する一対の内面を有し且つ前記一対の内面の間に空間を画成する金属製部材の前記空間に、炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む繊維強化樹脂複合材を配置し、前記空間内で、前記繊維強化樹脂複合材が、前記内面に接触した湾曲又は屈曲による折り返し部を含むようにする工程と、
前記金属製部材を加熱し、前記金属製部材と接触した前記折り返し部において、前記繊維強化樹脂複合材の前記熱可塑性樹脂を前記金属製部材と溶着させる工程と、を含む、補強金属部材の製造方法。

［１２］ 前記繊維強化樹脂複合材は、熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂層と、熱可塑性樹脂層に積層され前記炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグと、を含む、［１１］に記載の補強金属部材の製造方法。

［１３］ 前記プリプレグは、前記熱可塑性樹脂層上に断続的に設けられており、
前記繊維強化樹脂複合材は、前記プリプレグが設けられていない領域において、折り返し部を形成する、［１２］に記載の補強金属部材の製造方法。

［１４］ 前記金属製部材は、アルミニウム製の部材またはアルミニウム合金製の部材である、［１１］〜［１３］のいずれかに記載の補強金属部材の製造方法。

［１５］ 前記繊維強化樹脂複合材を配置する工程において、前記空間に配置された前記繊維強化樹脂複合材を前記一方向に直交する方向に圧縮することで、前記内面に接触した前記折り返し部を前記繊維強化樹脂複合材に形成する、［１１］〜［１４］のいずれかに記載の補強金属部材の製造方法。

［１６］ 前記繊維強化樹脂複合材は、前記空間に配置される前に、前記一方向に直交する方向に沿った前記空間の長さよりも長い全長を有している、［１１］〜［１５］のいずれかに記載の補強金属部材の製造方法。

本発明の補強金属部材は、軽量かつ高強度であるため、本材を用いた製品の効率化や安全性の向上に寄与することが出来る。
また、本発明に用いる繊維強化樹脂複合材は、一例として、押出成形等によって得られた長軸材に、適切な間隔で掘削部を設けた後、中空部材の内面に押し込むことで弾性力を利用して容易に作成することができる。
また、金属製部材側から（典型的には、外部から）の加熱工程によって、繊維強化樹脂複合材が熱によって可塑化し、金属製部材の内面と接着される。この加熱工程は金属部材への焼き付け塗装工程の温度を利用することもでき、この場合、金属製部品と繊維強化複合材を接着するためだけの工程が不要となり、低コストで生産性良く補強金属中空部材を製造することができる。

図１は、本発明の一実施の形態を説明するための図であって、補強金属部材の一例を示す斜視図である。 図２は、図１の補強金属部材を示す側面図である。 図３は、図２の部分拡大図である。 図４は、図１の補強金属部材を示す正面図である。 図５は、図１に対応する図であって、補強金属部材の他の例を示す斜視図である。 図６は、図５の補強金属部材を示す正面図である。 図７は、図１の補強金属部材の製造方法の一例を説明するための図であって、図２と同様の視野を示している。 図８は、図１の補強金属部材の製造方法の一例を説明するための図であって、図２と同様の視野を示している。 図９は、図１の補強金属部材の製造方法の一例を説明するための図であって、図２と同様の視野を示している。 図１０は、図１の補強金属部材の製造方法の一例を説明するための図であって、図２と同様の視野を示している。 図１１は、繊維強化樹脂複合材の一例を、折り返し部を形成する前の状態で、示す斜視図である。 図１２は、繊維強化樹脂複合材の他の例を、折り返し部を形成する前の状態で、示す斜視図である。 図１３は、繊維強化樹脂複合材の更に他の例を、折り返し部を形成する前の状態で、示す斜視図である。 図１４は、図２に対応する図であって、補強金属部材の一変形例を説明するための側面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態及びその変形例について説明する。図１〜図１４は、本発明による一実施の形態及びその変形例を説明するための図である。このうち、図１〜図４は、それぞれ、補強金属部材の一例を示す斜視図、側面図、部分拡大側面図、又は、正面図である。図５及び図６は、それぞれ、補強金属部材の他の例を示す斜視図又は正面図である。

補強金属部材１０は、元材となる金属製部材２０と、金属製部材２０を補強するための繊維強化樹脂複合材３０と、を含んでいる。すなわち、補強金属部材１０は、繊維強化樹脂複合材３０によって補強された金属製部材２０のことである。以下に説明する一実施の形態の補強金属部材１０は、高い生産性で製造され得るとともに、軽量且つ高強度といった特長を有している。この補強金属部材１０の用途は、特に限定されず、住居、集合住宅、公共施設、競技場等の構造物や、飛行機、船舶、鉄道車両、車等の移動体に用いられ得る。とりわけ、以下に説明する補強金属部材１０は、長手方向を有する部材としても製造され得る。したがって、構造体や移動体における骨組み材としても好適である。

以下、補強金属部材１０を構成する金属製部材２０及び繊維強化樹脂複合材３０について順に説明する。なお、以下で参照する図面には、共通するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向を規定している。図示された例において、補強金属部材１０の長手方向に一致する第１方向ｄ１は、ｘ軸方向と平行になっている。補強金属部材１０の幅方向に一致する第２方向ｄ２は、ｙ軸方向と平行になっている。補強金属部材１０の高さ方向に一致する第３方向ｄ３は、ｚ軸方向と平行になっている。

まず、金属製部材２０について説明する。金属製部材２０は、繊維強化樹脂複合材３０による補強対象となる部材である。金属製部材２０は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鋼鉄、ステンレスチール等の金属を用いて作製された部材である。

図１及び図５に示すように、金属製部材２０は、一方向（第３方向ｄ３）に対向する一対の内面２１ａ，２１ｂを有し、内面２１ａ，２１ｂの間に空間Ｓを形成している。金属製部材２０は、空間Ｓを有することで、軽量化を図りながら、形状的にその剛性、例えば曲げ剛性を向上させることができる。すなわち、金属製部材２０は、空間Ｓを形成する形状を付与されることで、重量に対する強度の割合として表される比強度を改善されている。

図１〜図４に示された例において、金属製部材２０は、所謂チャンネル材として形成されている。金属製部材２０は、角ばったＣ字状の断面形状を有しており、開放された内部空間Ｓを画成している。一方、図５及び図６に示された例において、金属製部材２０は、筒状の部材として形成されている。より具体的には、図５及び図６の金属製部材２０は、角パイプとなっている。図１及び図５に示された補強金属部材１０は、いずれも、第１方向ｄ１に沿った任意の位置で、一定の断面形状を有する。このような補強金属部材１０は、例えば押し出し成型によって、高生産性で安価に製造することが可能となる。

なお、金属製部材２０は、空間Ｓを画成する形状であれば、特に限定されない。例えば、金属製部材２０は、Ｈ字状の断面形状を有していてもよい。Ｈ字状の金属製部材２０は、その外輪郭が占有する空間内に、二つの空間Ｓを外輪郭が占有する空間内に含むようになる。その他の例として、金属製部材２０は、三角筒状の形状や、その他の多角形筒状の形状を有するようにしてもよいし、更に、円筒状や楕円筒状の形状を有するようにしてもよい。

次に、繊維強化樹脂複合材３０について説明する。繊維強化樹脂複合材３０は、まず、炭素繊維３０ａ及び熱可塑性樹脂３０ｂを含んだ部材である。繊維強化樹脂複合材３０は、樹脂材料からなる部材を炭素繊維３０ａで補強した部材といえる。すなわち、繊維強化樹脂複合材３０は、いわゆる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）材料を用いて作製された部材である。したがって、繊維強化樹脂複合材３０は、軽量かつ強度の高い、つまり比強度が大きいといった特長を有している。なお、繊維強化樹脂複合材３０に用いられる材料や層構成等については後述する。

図１〜図６に示すように、繊維強化樹脂複合材３０は、金属製部材２０の空間Ｓに配置されている。とりわけ図示された例において、繊維強化樹脂複合材３０は、金属製部材２０の空間Ｓ内に完全に収容され、空間Ｓ内のみに位置している。したがって、図示された例において、補強金属部材１０の外輪郭は、空間Ｓ内を除き、金属製部材２０の外輪郭によって形成されている。従来、用いられてきた寸法や形状の金属製部材を繊維強化樹脂複合材３０で補強してなる補強金属部材１０は、金属製部材が採用されてきた従来の用途に対して、重量増加を有効に抑制しながら、強度を著しく上昇させることができる。

また、所謂素材としてのＣＦＲＰは、シート状に形成されている。本実施の形態において、繊維強化樹脂複合材３０は、空間Ｓ内において、湾曲又は屈曲による折り返し部３５を含んでいる。折り返し部３５を有する繊維強化樹脂複合材３０は、形状的に高剛性を有するようになり、金属製部材２０を効果的に補強することができる。

図示された例において、繊維強化樹脂複合材３０は、シート状（プレート状）の部材となっている。このシート状の繊維強化樹脂複合材３０は、第３方向ｄ３で交互に逆向きに折り返しながら、金属製部材２０の長手方向となる第１方向ｄ１に延びている。すなわち、繊維強化樹脂複合材３０は、蛇行しながら第１方向ｄ１に延びている。さらに言い換えると、繊維強化樹脂複合材３０は、ジグザグ状に形成されている。このように第１方向ｄ１に沿って複数の折り返し部３５が分散して設けられることで、金属製部材２０の強度を長手方向（第１方向）ｄ１における各位置で一様に補強することができる。図１〜図６に示された例において、繊維強化樹脂複合材３０は、屈曲による折り返し部３５を形成している。すなわち、繊維強化樹脂複合材３０は、複数の屈曲部３５ａを有している。

また、繊維強化樹脂複合材３０は、折り返し部３５において、金属製部材２０に接触している。図示された例において、複数の折り返し部３５は、第３方向ｄ３に対向する一対の内面２１ａ，２１ｂに、順に接触している。このような、繊維強化樹脂複合材３０は、金属製部材２０の空間Ｓ内において、ラーメン構造またはトラス構造として機能し得る。したがって、この繊維強化樹脂複合材３０によれば、金属製部材２０を効果的に補強して、補強金属部材１０に高剛性を付与することができる。

加えて、図１〜図４に示された例において、繊維強化樹脂複合材３０は、第２方向ｄ２における一方の側縁３６ａにおいて、金属製部材２０の第１及び第２内面２１ａ，２１ｂを連結する第３内面２１ｃに接触している。同様に、図５及び図６に示された例において、繊維強化樹脂複合材３０は、第２方向ｄ２における一方の側縁３６ａにおいて、金属製部材２０の第１及び第２内面２１ａ，２１ｂを連結する第３内面２１ｃに接触し、第２方向ｄ２における他方の側縁３６ｂにおいて、金属製部材２０の第１及び第２内面２１ａ，２１ｂを連結する第４内面２１ｄに接触している。繊維強化樹脂複合材３０の第３面２１ｃ及び第４面２１ｄは、折れ線状に延びる連続した接触領域を形成している。繊維強化樹脂複合材３０の側縁３６における金属製部材２０への接触も、繊維強化樹脂複合材３０のラーメン構造またはトラス構造としての機能を強化する。

また、繊維強化樹脂複合材３０は、折り返し部３５において、金属製部材２０に接着している。図示された繊維強化樹脂複合材３０は、複数の折り返し部３５において、第３方向ｄ３に対向する金属製部材２０の一対の内面２１ａ，２１ｂに、順に接着している。この接着は、繊維強化樹脂複合材３０が、金属製部材２０の空間Ｓ内において、ラーメン構造として機能することを促進する。そして、折り返し部３５における繊維強化樹脂複合材３０の金属製部材２０への接着は、金属製部材２０を極めて効果的に補強し、補強金属部材１０の剛性を著しく向上させる。

なお、図示された例においては、繊維強化樹脂複合材３０の側縁３６も金属製部材２０に接触しているが、この接触領域において、繊維強化樹脂複合材３０の側縁３６が金属製部材２０に接着されていてもよい。側縁３６における繊維強化樹脂複合材３０の金属製部材２０への接着は、金属製部材２０を極めて効果的に補強し、補強金属部材１０の剛性を著しく向上させる。

繊維強化樹脂複合材３０と金属製部材２０との接着は、接着材の供給により実現するようにしてもよい。また別の方法として、詳しくは後述するように、繊維強化樹脂複合材３０に含まれる熱可塑性樹脂３０ｂの溶着により、繊維強化樹脂複合材３０と金属製部材２０とが接着していてもよい。繊維強化樹脂複合材３０が金属製部材２０に接触している場合、金属製部材２０を加熱することにより、繊維強化樹脂複合材３０のうちの金属製部材２０と接触している部分が局所的に加熱される。この結果、繊維強化樹脂複合材３０は、この接触部分において、金属製部材２０と溶着することができる。

なお、繊維強化樹脂複合材３０に含まれる熱可塑性樹脂３０ｂの溶着を利用する場合には、金属製部材２０との接着領域となる繊維強化樹脂複合材３０の部分が、炭素繊維３０ａを含まないようにしてもよい。例えば、図示された例においては、繊維強化樹脂複合材３０のうちの折り返し部３５をなす領域に、炭素繊維３０ａが含まれないようにしてもよい。

次に、繊維強化樹脂複合材３０をなす材料について更に詳述する。繊維強化樹脂複合材３０は、炭素繊維３０ａと、炭素繊維３０ａに含浸させた熱可塑性樹脂３０ｂと、を含むシート状又はパネル状の複合材として形成される。繊維強化樹脂複合材３０は、必要な強度を有するとともに、軽量化を実現することができるよう設計される。

繊維強化樹脂複合材３０として、炭素繊維基材に合成樹脂を含浸させてなる部材、いわゆるプリプレグを用いることができる。プリプレグを単独で繊維強化樹脂複合材３０としてもよいが、複数のプリプレグを積層して互いに接合（接着、溶着）したものを繊維強化樹脂複合材３０としてもよい。炭素繊維基材は、炭素繊維を配列してなる基材である。炭素繊維基材として、炭素繊維で作製した織物、編物及び不織布等を用いることがでる。炭素繊維の織物、編物及び不織布等を用いた繊維強化樹脂複合材３０では、互いに異なる二方向に延びる炭素繊維、例えば直交する二方向に延びる炭素繊維３０ａを含むようになる。

また、図１に示すように、炭素繊維が一定の方向を向くように配列された炭素繊維基材を用いることもできる。図１に示された例において、繊維強化樹脂複合材３０に含まれる炭素繊維は、第２方向ｄ２と直交する方向に延びている。そして、繊維強化樹脂複合材３０に含まれる炭素繊維は、隣り合う二つの折り返し部３５の間を結ぶ方向に延びている。

繊維強化樹脂複合材３０は、炭素繊維３０ａに長手方向に強い引張強度を有するようになる。したがって、補強金属部材１０の使用環境等を考慮して、炭素繊維３０ａの長手方向を種々の方向に設定すればよく、図１に示された例に限定されるものでない。なお、図１に示された例では、第２方向ｄ２と平行な軸線を中心とする曲げ変形や第３方向ｄ３と平行な軸線を中心とする曲げ変形に対して、繊維強化樹脂複合材３０の炭素繊維３０ａが補強金属部材１０の強度を有効に補強することができる。

繊維強化樹脂複合材３０に含まれる炭素繊維３０ａとして、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ＰＩＴＣＨ系炭素繊維等を用いることができる。炭素繊維基材に含浸させている熱可塑性樹脂３０ｂとして、例えば、オレフィン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド樹脂などが好ましい。

ここで、図３は、繊維強化樹脂複合材３０中の熱可塑性樹脂を金属製部材２０の内面２１と接着させることに適した繊維強化樹脂複合材３０の構成を示している。図３に示された例において、繊維強化樹脂複合材３０は、炭素繊維３０ａを含まず熱可塑性樹脂３０ｂを含む熱可塑性樹脂層３３と、熱可塑性樹脂３０ｂに積層され且つ炭素繊維３０ａと熱可塑性樹脂３０ｂとを含むプリプレグ３１，３２と、を含んでいる。とりわけ、図示された例では、繊維強化樹脂複合材３０は、熱可塑性樹脂層３３と、熱可塑性樹脂層３３の両側にそれぞれ積層された第１プリプレグ３１及び第２プリプレグ３２と、を含んでいる。そして、この繊維強化樹脂複合材３０の折り返し部３５では、山折りの外側となるプリプレグが除去されている。したがって、折り返し部３５の頂部として、繊維強化樹脂複合材３０の熱可塑性樹脂層３３が露出して、熱可塑性樹脂層３３が金属製部材２０の内面２１に接触および接着している。

次に、以上のような構成からなる補強金属部材１０を製造する製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、主として、金属製部材２０の空間Ｓに繊維強化樹脂複合材３０を挿入し、空間Ｓ内で繊維強化樹脂複合材３０が内面２１に接触した折り返し部３５を含むようにする工程と、金属製部材を加熱し、前記金属製部材と接触した前記折り返し部において、前記繊維強化樹脂複合材の前記熱可塑性樹脂を前記金属製部材と溶着させる工程と、を含む。

まず、図７に示すように、金属製部材２０と、繊維強化樹脂複合材３０をなすようになる材料４０を準備する。金属製部材２０は、例えばアルミミニウム合金を押し出し成型することで、作製され得る。一方、例えば図３に示された繊維強化樹脂複合材３０を製造するための材料４０として、図１１や図１２に示された材料４０が準備される。図１１や図１２に示された材料４０は、準に積層された第１プリプレグ３１、熱可塑性樹脂層３３及び第２プリプレグ３２を含んでいる。このような積層体は、第１プリプレグ３１及び第２プリプレグ３２を押し出し成型しながら、熱可塑性樹脂層３３に積層していくことで作製され得る。或いは、この積層体は、枚葉状に作製された第１プリプレグ３１及び第２プリプレグ３２を、熱可塑性樹脂層３３上に熱プレス加工により積層することによっても作製され得る。

なお、図１１や図１２に示された材料４０（繊維強化樹脂複合材３０）では、折り返し部３５において熱可塑性樹脂層３３を露出させるため、熱可塑性樹脂層３３の一方の面上に、複数の第１プリプレグ３１が、熱可塑性樹脂層３３の長手方向に沿って断続的に、すなわち、熱可塑性樹脂層３３の長手方向に隙間４１を空けて、配列されている。同様に、熱可塑性樹脂層３３の他方の面上に、複数の第２プリプレグ３２が、熱可塑性樹脂層３３の長手方向に沿って断続的に、すなわち、熱可塑性樹脂層３３の長手方向に隙間４１を空けて、配列されている。

図１１に示された例では、繊維強化樹脂複合材３０の折り返し部３５をなすようになる部分において、第１プリプレグ３１及び第２プリプレグ３２を例えば切削加工によって除去することで、第１プリプレグ３１及び第２プリプレグ３２の隙間４１を形成することできる。なお、図１１に示された例では、熱可塑性樹脂層３３の隙間４１に対面する部分の一部も、切削加工によって除去されている。一方、図１２に示された材料４０は、押し出し成型で作製される第１プリプレグ３１及び第２プリプレグ３２を、熱可塑性樹脂層３３上に断続的に積層していくことで、作製され得る。

その後、図８に示すように、準備された繊維強化樹脂複合材３０を、金属製部材２０の空間Ｓ内に配置する。なお、図８から明らかであるように、繊維強化樹脂複合材３０（材料４０）の伸長状態での長さＬｘは、第１方向ｄ１に沿った空間Ｓの長さ（第１方向ｄ１に沿った金属製部材２０の長さ）Ｌｙよりも長くなっている。なお、繊維強化樹脂複合材３０（材料４０）の伸長状態での長さ（全長）Ｌｘは、折り返し部３５を形成された後での第１方向ｄ１及び第３方向ｄ３の両方に平行な断面における、繊維強化樹脂複合材３０の面に沿った長さに相当する。

次に、図９に示すように、空間Ｓに挿入された材料４０を第１方向ｄ１に圧縮する。言い換えると、第１方向ｄ１に沿った長さが短くなるように、第１方向ｄ１における両側から材料４０を押し込む。この結果、繊維強化樹脂複合材３０の内面２１ａ，２１ｂに接触する折り返し部３５を材料４０に形成することができる。とりわけ、図１１や図１２に示された例のように、隙間４１が形成された材料４０を用いた場合、隙間４１が形成された位置への折り返し部３５の形成が促進される。このようにして、折り返し部３５を有した繊維強化樹脂複合材３０を、金属製部材２０の空間Ｓに配置することができる。そして、全長の長かった材料４０を、すべて、金属製部材２０の空間Ｓ内に収容することができる。

次に図１０に示すように、金属製部材２０を加熱する。加熱の方式は特に限定されず、加熱に用いられる加熱手段４５として、加熱炉、誘導加熱装置等を採用することができる。また、金属製部材２０への焼き付け塗装工程の温度で、金属製部材２０を加熱するようにしてもよい。金属製部材２０が、繊維強化樹脂複合材３０に含まれる熱可塑性樹脂３０ｂのガラス転移温度又は結晶融点（例えば、１００°以上２３０°以下）以上に昇温すると、繊維強化樹脂複合材３０の金属製部材２０に接触する部分において、繊維強化樹脂複合材３０の熱可塑性樹脂３０ｂが溶融する。その後、金属製部材２０の温度が低下することにともなって、熱可塑性樹脂３０ｂが固化し、金属製部材２０と繊維強化樹脂複合材３０が、熱可塑性樹脂３０ｂの溶着によって、接着される。

とりわけ、図１１や図１２に示された材料４０を繊維強化樹脂複合材３０としても用いた場合、繊維強化樹脂複合材３０のうちの折り返し部３５において金属製部材２０に接触する部分では、第１プリプレグ３１や第２プリプレグ３２が存在せずに、熱可塑性樹脂層３３が露出している。このため、折り返し部３５において、熱可塑性樹脂層３３が、金属製部材２０の内面２１から熱を供給され、金属製部材２０に溶着する。

さらに、図１〜図４に示された例では、繊維強化樹脂複合材３０の第２方向ｄ２における一方の側縁３６ａが、金属製部材２０の第３内面２１ｃに接触している。この一方の側縁３６ａでは、熱可塑性樹脂層３３の端面が露出している。したがって、繊維強化樹脂複合材３０は、一方の側縁３６ａにおいても、金属製部材２０に溶着することができる。

同様に、図５及び図６に示された例では、繊維強化樹脂複合材３０の第２方向ｄ２における一方の側縁３６ａ及び他方の側縁３６ｂの両方が、金属製部材２０の第３内面２１ｃまたは第４内面２１ｄに接触している。一方の側縁３６ａでは、熱可塑性樹脂層３３の端面が露出し、他方の側縁３６ｂでも、熱可塑性樹脂層３３の端面が露出している。したがって、繊維強化樹脂複合材３０は、一方の側縁３６ａ及び他方の側縁３６ｂにおいても、金属製部材２０に溶着することができる。

このように、熱可塑性樹脂層３３を介して繊維強化樹脂複合材３０が金属製部材２０に接着することを期待する場合には、熱可塑性樹脂層３３は、少なくとも第１プリプレグ３１や第２プリプレグ３２よりも低い含有量（例えば、含有重量）または含有割合（じゅうりょう割合）でしか炭素繊維３０ａを含んでいないことが好ましく、、炭素繊維３０ａを極力含んでいないことがより好ましく、炭素繊維３０ａを全く含んでいないことが更に好ましい。

以上のようにして、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０を補強してなる補強金属部材１０を作製することができる。

上述した一実施の形態において、補強金属部材１０は、一方向（第３方向ｄ３）に対向する一対の内面２１を有し且つ一対の内面２１の間に空間Ｓを画成する金属製部材２０と、炭素繊維３０ａ及び熱可塑性樹脂３０ｂを含む繊維強化樹脂複合材３０と、を有している。繊維強化樹脂複合材３０は、湾曲又は屈曲による折り返し部３５を含み、空間Ｓに配置されている。繊維強化樹脂複合材３０は、押し出し成型やプレス成型によって高い生産性で製造することができ、さらに、軽量かつ高強度である。とりわけ、繊維強化樹脂複合材３０は、金属製部材２０の空間Ｓ内において湾曲又は屈曲による折り返し部３５を含んでおり、剛性を有する形状となっている。このような繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０が補強されることで、高い生産性で製造され得る補強金属部材１０に優れた機械強度を付与することができるとともに、この補強金属部材１０を軽量化することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０は、一方向（第３方向ｄ３）に直交する方向（第２方向ｄ２）において、前記一方向で交互に逆向きに折り返している。繊維強化樹脂複合材３０が、交互に逆向きとなる複数の折り返し部３５を含むことで、補強金属部材１０の機械強度を効果的に改善することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０は、折り返し部３５において、金属製部材２０に接触している。したがって、金属製部材２０の空間Ｓ内での繊維強化樹脂複合材３０の移動やずれが規制され、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０が有効に補強されることになる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０は、折り返し部３５において、金属製部材２０に接着している。したがって、金属製部材２０の空間Ｓ内での繊維強化樹脂複合材３０の移動やずれ、並びに、繊維強化樹脂複合材３０の変形が規制され、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０を有効に補強することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０は、少なくとも一部の折り返し部３５において、炭素繊維３０ａを含んでいない。繊維強化樹脂複合材３０は、炭素繊維３０ａを含んでいない位置において、熱可塑性樹脂３０ｂを介して金属製部材２０に溶着することが可能となる。この場合、金属製部材２０の空間Ｓ内での繊維強化樹脂複合材３０の移動やずれ、並びに、繊維強化樹脂複合材３０の変形が規制され、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０を有効に補強することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０は、炭素繊維３０ａを含まず熱可塑性樹脂３０ｂを含む熱可塑性樹脂層３３と、熱可塑性樹脂層３３に積層され且つ炭素繊維３０ａと熱可塑性樹脂３０ｂとを含むプリプレグ３１，３２と、を含んでいる。繊維強化樹脂複合材３０は、プリプレグ３１，３２や熱可塑性樹脂層３３に含まれる熱可塑性樹脂３０ｂを利用して、金属製部材２０に接着することが可能となる。この場合、金属製部材２０の空間Ｓ内での繊維強化樹脂複合材３０の移動やずれ、並びに、繊維強化樹脂複合材３０の変形が規制され、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０を有効に補強することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、プリプレグ３１，３２は、熱可塑性樹脂層３３の面上に断続的に設けられている。繊維強化樹脂複合材３０の熱可塑性樹脂層３３が、当該熱可塑性樹脂層３３の一つの面上で隣り合うプリプレグ３１，３２の間から露出して、金属製部材２０の内面２１に接着しやすくなる。この場合、金属製部材２０の空間Ｓ内での繊維強化樹脂複合材３０の移動やずれ、並びに、繊維強化樹脂複合材３０の変形が規制され、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０を有効に補強することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０の伸長状態での長さＬｘは、一方向（第３方向ｄ３）に直交する方向（第１方向ｄ１）に沿った空間Ｓの長さＬｙよりも長くなっている。ここで、繊維強化樹脂複合材３０の伸長状態での長さＬｘとは、繊維強化樹脂複合材３０の屈曲部３５ａや湾曲部３５ｂを平らに広げ、且つ、外力を加えていない状態（すなわち伸びを生じさせていない状態）での長さのことである。したがって、金属製部材２０の空間Ｓ内に繊維強化樹脂複合材３０の全体を収容した際には、当該繊維強化樹脂複合材３０に湾曲や屈曲による折り返し部３５が発生し、また、繊維強化樹脂複合材３０は、当該折り返し部３５において、金属製部材２０の内面２１に接触しやすくなる。

上述した一実施の形態において、補強金属部材の製造方法は、一方向（第３方向ｄ３）に対向する一対の内面２１を有し且つ一対の内面２１の間に空間Ｓを画成する金属製部材２０の空間Ｓに、炭素繊維３０ａ及び熱可塑性樹脂３０ｂを含む繊維強化樹脂複合材３０を配置し、この空間Ｓ内で、繊維強化樹脂複合材３０が、内面２１に接触した湾曲又は屈曲による折り返し部３５を含むようにする工程と、金属製部材２０を加熱し、金属製部材２０と接触した折り返し部３５において、繊維強化樹脂複合材３０の熱可塑性樹脂３０ｂを金属製部材２０と溶着させる工程と、を含でいる。軽量かつ高強度の繊維強化樹脂複合材３０は、金属製部材２０の空間Ｓ内において湾曲又は屈曲による折り返し部３５を含んでおり、剛性を有する形状となっている。しかも、繊維強化樹脂複合材３０は、押し出し成型やプレス成型によって高い生産性で製造することができる。さらに、金属製部材２０と繊維強化樹脂複合材３０の溶着は、金属製部材２０の空間Ｓに繊維強化樹脂複合材３０を配置した後に金属製部材２０を加熱することによって実現され得る。とりわけ、金属製部材２０の加熱は、金属製部材２０の外方から加熱すれば良く、金属製部材の空間Ｓから加熱を行う必要がない。したがって、金属製部材２０の加熱による溶着を容易かつ迅速に行うことができる。したがって、高剛性で軽量の補強金属部材を高い生産性で製造することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、プリプレグ３１，３２は、熱可塑性樹脂層３３の面上に断続的に設けられており、繊維強化樹脂複合材３０は、プリプレグ３１，３２が設けられていない領域において、折り返し部折り返し部３５を形成する。繊維強化樹脂複合材３０は、プリプレグ３１，３２が設けられていない領域で屈曲または湾曲しやすくなる。結果として、繊維強化樹脂複合材３０の熱可塑性樹脂層３３が、隣り合うプリプレグ３１，３２の間から露出して、金属製部材２０の内面に接着しやすくなる。この場合、金属製部材２０の空間Ｓ内での繊維強化樹脂複合材３０の移動やずれ、並びに、繊維強化樹脂複合材３０の変形が規制され、繊維強化樹脂複合材３０によって金属製部材２０を有効に補強することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０を配置する工程において、空間Ｓに挿入された繊維強化樹脂複合材３０を一方向（第３方向ｄ３）に直交する方向（第１方向ｄ１）に圧縮することで、金属製部材２０の内面２１に接触した折り返し部３５を繊維強化樹脂複合材３０に形成する。一方向（第３方向ｄ３）に対向する金属製部材２０の一対の内面２１の間において、一方向（第３方向ｄ３）に直交する方向（第１方向ｄ１）に繊維強化樹脂複合材３０を圧縮することで、繊維強化樹脂複合材３０に折り返し部３５を容易且つ安定して形成することができる。補強金属部材１０の生産性をさらに改善することができる。

上述した一実施の形態の一具体例において、繊維強化樹脂複合材３０を配置する工程で空間Ｓに配置される繊維強化樹脂複合材３０は、一方向（第３方向ｄ３）に直交する方向（第１方向ｄ１）に沿った空間Ｓの長さＬｙよりも長い全長Ｌｘを有している。したがって、金属製部材２０の空間Ｓ内に配置された繊維強化樹脂複合材３０に湾曲や屈曲による折り返し部３５が発生し、また、繊維強化樹脂複合材３０は、当該折り返し部３５において、金属製部材２０の内面２１に接触しやすくなる。

一実施の形態を複数の具体例により説明してきたが、これらの具体例が一実施の形態を限定することを意図していない。上述した一実施の形態は、その他の様々な具体例で実施されることが可能であり、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した具体例と同様に構成され得る部分について、上述の具体例における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。

図１１及び図１２を参照して説明した繊維強化樹脂複合材３０（材料４０）において、折り返し部３５の山側の頂部を形成するプリプレグ３１，３２に隙間４１を形成する例を示した。しかしながら、図１３に示す例のように、折り返し部３５の山側の頂部に対応するプリプレグ３１，３２の部分に加え、折り返し部３５の谷側の底部を対応するプリプレグ３１，３２の部分にも、隙間４１を形成するようしてもよい。図１３に示された例によれば、折り返し部３５の谷側となる部分にも隙間４１ｂが形成されているので、予定した位置に予定した向きに突出する折り返し部３５を形成することがさらに促進される。

とりわけ図１３に示した例においては、山側となることを期待された隙間４１ａの幅Ｗａ（折り返し部３５の長手方向ｄ２に直交する方向ｄ１での長さ）と、谷側となることを期待された隙間４１ｂの幅Ｗｂ（折り返し部３５の長手方向ｄ２に直交する方向ｄ１での長さ）とが異なっている。図示された例では、谷側となることを期待された隙間４１ｂの幅Ｗｂが、山側となることを期待された隙間４１ａの幅Ｗａよりも広くなっている。したがって、予定した位置に予定した向きに突出する折り返し部３５を形成することがさらに促進される。

また、上述した例において、折り返し部３５が、繊維強化樹脂複合材３０の屈曲部３５ａによって形成される例をしめした。しかしながら、この例に限られず、図１４に示すように、折り返し部３５が、繊維強化樹脂複合材３０の湾曲部３５ｂによって形成されるようにしてもよい。

なお、以上において上述した実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。

１０ 補強金属部材
２０ 金属製部材
２１ 内面
２１ａ 第１内面
２１ｂ 第２内面
２１ｃ 第３内面
２１ｄ 第４内面
３０ 繊維強化樹脂複合材
３０ａ 炭素繊維
３０ｂ 熱可塑性樹脂
３１ 第１プリプレグ
３２ 第２プリプレグ
３３ 熱可塑性樹脂層
３５ 折り返し部
３５ａ 屈曲部
３５ｂ 湾曲部
３６ 側縁
３６ａ 一方の側縁
３６ｂ 他方の側縁
４０ 材料
４１ 隙間
４１ａ 隙間
４１ｂ 隙間
４５ 加熱手段
ｄ１ 第１方向
ｄ２ 第２方向
ｄ３ 第３方向
Ｓ 空間

Claims (14)

1. 一方向に対向する一対の内面を有し、前記一対の内面の間に空間を画成する、金属製部材と、
   炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む繊維強化樹脂複合材と、を備え、
   前記繊維強化樹脂複合材は、湾曲又は屈曲による折り返し部を含み、前記空間に配置されている、補強金属部材。
2. 前記繊維強化樹脂複合材は、前記一方向で交互に逆向きに折り返しながら、前記一方向に直交する方向へ延びている、請求項１に記載の補強金属部材。
3. 前記繊維強化樹脂複合材は、前記折り返し部において、前記金属製部材に接触している、請求項１又は２に記載の補強金属部材。
4. 前記繊維強化樹脂複合材は、前記折り返し部において、前記金属製部材に接着している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の補強金属部材。
5. 前記繊維強化樹脂複合材は、少なくとも一部の前記折り返し部において、炭素繊維を含んでいない、請求項１〜４のいずれか一項に記載の補強金属部材。
6. 前記繊維強化樹脂複合材は、熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂層と、前記熱可塑性樹脂層に積層され且つ前記炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグと、を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の補強金属部材。
7. 前記プリプレグは、前記熱可塑性樹脂層上に断続的に設けられている、請求項６に記載の補強金属部材。
8. 前記熱可塑性樹脂は、オレフィン系樹脂である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の補強金属部材。
9. 前記金属製部材は、アルミニウム製の部材またはアルミニウム合金製の部材である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の補強金属部材。
10. 前記繊維強化樹脂複合材の伸長状態での長さは、前記一方向に直交する方向に沿った前記空間の長さよりも長い、請求項１〜９のいずれか一項に記載の補強金属部材。
11. 一方向に対向する一対の内面を有し且つ前記一対の内面の間に空間を画成する金属製部材の前記空間に、炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む繊維強化樹脂複合材を配置し、前記空間内で、前記繊維強化樹脂複合材が、前記内面に接触した湾曲又は屈曲による折り返し部を含むようにする工程と、
    前記金属製部材を加熱し、前記金属製部材と接触した前記折り返し部において、前記繊維強化樹脂複合材の前記熱可塑性樹脂を前記金属製部材と溶着させる工程と、を含む、補強金属部材の製造方法。
12. 前記繊維強化樹脂複合材は、熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂層と、熱可塑性樹脂層に積層され前記炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグと、を含む、請求項１１に記載の補強金属部材の製造方法。
13. 前記金属製部材は、アルミニウム製の部材またはアルミニウム合金製の部材である、請求項１１または１２に記載の補強金属部材の製造方法。
14. 前記繊維強化樹脂複合材を配置する工程において、前記空間に配置された前記繊維強化樹脂複合材を前記一方向に直交する方向に圧縮することで、前記内面に接触した前記折り返し部を前記繊維強化樹脂複合材に形成する、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の補強金属部材の製造方法。

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