JP2020185714A - 板金部材成形方法および板金部材成形装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】板金部材が効率的に補強されかつ全体として軽量化が図れ、複雑形状にも対応することが可能な板金部材成形方法および板金部材成形装置を提供する。【解決手段】板金部材表面の所定位置に所定長さの繊維束を熱硬化性樹脂を介して配置する配置工程の後に、前記板金部材の少なくとも一部に塗装工程により塗膜を形成し、該塗膜の加熱乾燥工程において、前記熱硬化性樹脂の加熱硬化をも行い、前記繊維束を前記板金部材に接着する。【選択図】図６

Description

本発明は、板金部材の表面に繊維束を配置することによって成形する板金部材成形方法および板金部材成形装置に関する。
従来より自動車の車体などに使用される板金部材には、軽量化を目的としてたとえば０．６ｍｍ〜０．８ｍｍといった鋼板の薄板が用いられる。そして、この薄板に炭素繊維などの繊維束を貼り付け、補強することにより軽量かつ高強度を実現する方式が提案されている。
繊維束を板金部材に貼り付けるためには一般的には樹脂が用いられ、プリプレグとも呼ばれる、エポキシなどの熱硬化性樹脂を繊維束に含浸させたものを板金部材の表面に配置し、その後加熱を行うことによって熱硬化性樹脂が硬化するとともに繊維束が板金部材に接着される。
しかし、上記のように板金部材を繊維束で補強した成形品を自動車用途に使用するにあたり、生産効率に問題があった。具体的には、従来の自動車用部品に繊維束を貼り付けるにあたって、上記の通り繊維束の貼り付けおよび加熱硬化の工程が従来の工程に追加される。特に、熱硬化樹脂を硬化させるにあたって硬化の途中で繊維束が板金部材から剥がれるおそれがある場合には、オートクレーブと呼ばれる、板金部材および繊維束の周囲環境を真空環境にしてから加熱する手法が用いられ、それには数時間の時間が必要となる。そのため、自動車用途のように部材の大量生産を必要とする用途においては、板金部材を繊維束で補強する方式を適用することは困難であった。
また、成形後の板金部材が複雑な形状を有する場合、その複雑な形状を有する面に繊維束を貼り付けることは困難であった。また、成形後の板金部材が凹部を有する場合、その凹部の内面に繊維束を貼り付けることは困難であった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、板金部材が効率的に補強されかつ全体として軽量化が図れ、複雑形状にも対応できる板金部材成形方法および板金部材成形装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の板金部材成形方法は、板金部材表面の所定位置に所定長さの繊維束を熱硬化性樹脂を介して配置する配置工程の後に、前記板金部材の少なくとも一部に塗装工程により塗膜を形成し、該塗膜の加熱乾燥工程において、前記熱硬化性樹脂の加熱硬化をも行い、前記繊維束を前記板金部材に接着することを特長としている。
本発明の板金部材成形方法により、板金部材が効率的に補強される。具体的には加熱乾燥工程において塗膜の乾燥と熱硬化性樹脂の加熱硬化とが同時に実施されることにより、工程が簡略化され、効率的となる。
ここで、前記熱硬化性樹脂の少なくとも一部は、前記繊維束にあらかじめ含浸されたものであっても良い。
また、前記熱硬化性樹脂の少なくとも一部は、前記配置工程において接着材として別途供給されるものであっても良い。
また、前記配置工程と前記塗装工程との間において、前記配置工程に引き続くプレス工程により、前記繊維束が配置された前記板金部材のプレス成型を行っても良い。
こうすることにより、プレス工程後の板金部材の形状が繊維束を配置するのに困難な形状である場合でも容易に繊維束を配置することができる。
また、前記配置工程とそれに続く前記プレス工程とを複数回繰り返すことにより、前記板金部材のプレス成型を順次行っても良い。
こうすることにより、複雑な形状にも対応可能である。
また、前記所定位置が、前記プレス工程でのプレス成型に於ける非変形領域に位置すると良い。
こうすることにより、繊維束が板金部材から剥がれることを防ぐことができる。
また、前記加熱乾燥工程の前に、前記繊維束が配置された前記板金部材に対し、前記繊維束を挟み込むように第２の板金部材を重ね合わせても良い。
こうすることにより、繊維束が板金部材から剥がれることを防ぐことができる。
また、前記配置工程において、前記繊維束、前記板金部材の少なくとも前記所定位置近傍の少なくとも一方を、前記熱硬化性樹脂の硬化温度未満の温度に加熱しても良い。
こうすることにより、熱硬化性樹脂が軟化し、また、繊維束の剛性が低下して、板金部材の表面形状になじみやすくなる。
また、前記繊維束が炭素繊維を含むものであっても良い。
また、前記接着材が炭素繊維を含むものであっても良い。
こうすることにより、接着層自体の強化も図ることができる。
また、上記課題を解決するために本発明の板金部材成形装置は、請求項１乃至１０のいずれかの板金部材成形方法を実行することを特長としている。
本発明の板金部材成形装置により、板金部材が効率的に補強される。具体的には本板金部材成形装置による加熱乾燥工程において塗膜の乾燥と熱硬化性樹脂の加熱硬化とが同時に実施されることにより、工程が簡略化され、効率的となる。
本発明の板金部材成形方法および板金部材成形装置によれば、板金部材が効率的に補強されかつ全体として軽量化が図れ、複雑形状にも対応することが可能となる。
本発明の一実施形態における板金部材成形装置の構成を示す概略図である。 本実施形態における板金部材成形装置の配置部を示す概略図であり、図２（ａ）は配置部全体の構成を示す図であり、図２（ｂ）はヘッド部の構成を示す図である。 本実施形態における板金部材成形装置のプレス部を示す概略図であり、図３（ａ）はプレス部全体の構成を示す図であり、図３（ｂ）はプレス部によるプレス加工動作を示す図である。 本実施形態における板金部材成形装置の塗装部を示す概略図である。 本実施形態における板金部材成形装置の加熱乾燥部を示す概略図である。 本発明の一実施形態における板金部材成形方法の動作フローである。 本発明の他の実施形態における板金部材成形方法の動作フローである。 本発明の他の実施形態における板金部材成形方法の動作フローである。 本発明の他の実施形態における板金部材を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態における板金部材成形装置の構成を示す概略図である。板金部材成形装置１は、配置部１０、プレス部２０、塗装部３０、および加熱乾燥部４０とを有しており、配置部１０が板金部材２に繊維束を配置し、プレス部２０が板金部材２をプレス加工によって成形し、塗装部３０が板金部材２の表面に塗膜を形成し、加熱乾燥部４０が板金部材２を加熱乾燥する。配置部１０、プレス部２０、塗装部３０、および加熱乾燥部４０の各装置間の板金部材２の移載は、移載ロボット５０もしくは人手によって行われる。また、本説明では、「繊維束を配置する」とは加熱乾燥部４０が板金部材２を加熱乾燥するまでに、繊維束を板金部材２から剥げたり動いたりしない程度に板金部材２へ仮固着することを示す。
配置部１０の構成を図２（ａ）に示す。配置部１０は、ヘッド部１１を有し、ヘッド部１１が板金部材２へ繊維束Ａを押圧することによって、板金部材２の表面に繊維束Ａを配置する。このヘッド部１１は一方向に直線移動する走行軸を有するガントリ１２の走行軸に設けられており、この走行軸が動作することにより、ヘッド部１１がワーク台１３に載置された板金部材２の表面に対して繊維束Ａを押圧しつつ、板金部材２に対して所定方向に相対移動する状態を形成する。これによって、テープ状の繊維束Ａが板金部材２に貼り付けられる。また、本実施形態では、ワーク台１３も走行軸上に設けられており、ヘッド部１１を移動させる走行軸の移動方向とワーク台１３を移動させる走行軸の移動方向は直交している。
ここで、本発明では、テープ状の繊維束Ａは幅約２０〜３０ｍｍ、長さ約２０００ｍｍ、厚み約２００〜３００ｕｍ程度の炭素繊維の束が含まれる。この繊維束Ａにはあらかじめエポキシなどの熱硬化性樹脂が含浸されており、このように樹脂が含浸された繊維束は、一般的にプリプレグテープなどとも呼ばれる。この含浸した熱硬化前の熱硬化性樹脂が接着材となり、繊維束Ａが熱硬化性樹脂を介して板金部材２の表面に配置される。
板金部材２は、本実施形態では自動車用途の薄板状の金属板であり、後述するプレス部２０によってプレス加工が可能である。図２（ａ）ではワーク台１３上の板金部材２は平板状としているが、後述の通りプレス成形後の立体的な形状を有するものであっても構わない。
図２（ｂ）にヘッド部１１の構成を示す。ヘッド部１１は、押圧ローラ１１１を先端に有し、繊維束Ａを介して板金部材２を押圧する押圧部材１１２と、図示しない繊維束供給手段から受け取った繊維束Ａを押圧ローラ１１１と板金部材２の間に送り出すフィーダー１１３を有する。
ヘッド部１１が板金部材２へ繊維束Ａを配置する動作中、フィーダー１１３はガントリ１２の走行軸によるヘッド部１１全体の移動速度と同等の送り出し速度で押圧ローラ１１１と板金部材２の間に繊維束Ａを送り出す。その間、押圧ローラ１１１は押圧部材１１２によって板金部材２の方向に押しつけられ、転がりながらテープ状の繊維束Ａを板金部材２へ貼り付ける。
また、本実施形態では、ヘッド部１１はヒータ１１４を有し、繊維束Ａ、板金部材２の繊維束の配置箇所の少なくとも一方を、繊維束Ａに含浸する熱硬化性樹脂の硬化温度未満の温度まで加熱する。こうすることにより、熱硬化性樹脂が軟化し、また、繊維束Ａの剛性が低下して、繊維束Ａが板金部材２の表面形状になじみやすくなる。このヒータ１１４には、熱風吹きつけ方式、レーザやＩＲランプなどの輻射光源など公知の機構が利用され、また、これら従来の機構が組合わせて用いられても良い。
プレス部２０の構成を図３（ａ）に示す。プレス部２０は公知の構成のプレス機構が利用されうる。本実施形態では金型２１および金型２２を有し、成形対象を間に挟み、金型２１と金型２２とが突き合わされることにより、金型２１と金型２２のそれぞれ対向する面の形状に沿った形状に成形対象が成形される。
図３（ｂ）はプレス部２０によるプレス加工動作を示す図である。成形の対象である、繊維束Ａが配置された板金部材２を間に挟み、金型２１と金型２２とが突き合わされることにより、所望の形状に板金部材２が成形される。ここで、本実施形態では、図３（ｂ）に示したようにプレス成形における非変形領域に配置されている。本説明における非変形領域とは、板金部材の中でプレス加工において面内方向に延伸もしくは収縮される領域である変形領域（たとえば折り曲げ部）以外の領域である。炭素繊維からなる繊維束Ａはほとんど伸縮しないため、変形領域に繊維束Ａが配置された状態でプレス成形され、変形領域において板金部材２の伸縮が生じた際に繊維束Ａが剥がれてしまうおそれがある。したがって、繊維束Ａは非変形領域に配置されることが好ましい。
塗装部３０の構成を図４に示す。塗装部３０は、公知の構成の塗装機構が利用されうる。本実施形態では、塗装部３０はスプレー方式であり、先端部にノズル３１を有する多関節ロボット３２を有し、多関節ロボット３２の近傍に配置された板金部材２の任意の位置にノズル３１から塗料を噴霧し、防錆皮膜などの塗膜を形成する。なお、塗装部３０による塗装方式はスプレー方式に限らず、たとえばどぶ漬けを行う電着塗装などの方式であっても構わない。また、図４に示すように板金部材２に繊維束Ａが配置されている場合、塗装部３０は繊維束Ａの表面に塗装を実施しても構わない。
加熱乾燥部４０の構成を図５に示す。加熱乾燥部４０は乾燥炉４１を有しており、乾燥炉４１の内部に載置された板金部材２を加熱する。乾燥炉４１の内部へは、図示しないコンベアなどで板金部材２を搬送する。この乾燥部４０によって、板金部材２と繊維束Ａとを接着している熱硬化性樹脂は、硬化温度以上の温度まで加熱され、硬化する。また、板金部材２に塗装された塗膜が乾燥する。
ここで、板金部材２の加熱中に繊維束Ａの反りなどに起因して繊維束Ａが板金部材２から剥がれるおそれがある場合には、加熱乾燥部４０は必要に応じて加熱だけでなくオートクレーブを実施するようにしても良い。すなわち、板金部材２をバギングした上で内部を減圧し、板金部材２の周囲環境を減圧環境にした上で加熱を行っても良い。
次に、本実施形態の板金部材成形装置１によって実行される板金部材成形方法の動作フローを図６に示す。
まず、配置部１０において、板金部材２に繊維束Ａが配置される（ステップＳ１）。このように板金部材２に繊維束Ａを配置する工程を、本説明では配置工程と呼ぶ。
次に、プレス部２０においてプレス加工を実施し、繊維束Ａが配置された板金部材２を所望の形状に成形する（ステップＳ２）。このようにプレス加工により板金部材２を変形させる工程を、本説明ではプレス工程と呼ぶ。
次に、塗装部３０において、繊維束Ａが配置された板金部材２に塗装を実施し、塗膜を形成させる（ステップＳ３）。このように繊維束Ａが配置された板金部材２に塗装を行う工程を、本説明では塗装工程と呼ぶ。
最後に、加熱乾燥部４０において、繊維束Ａが配置されて塗膜が形成された板金部材２を加熱し、熱硬化性樹脂を硬化させるとともに塗膜を乾燥させ、板金部材２の成形を完了させる（ステップＳ４）。このように繊維束Ａが配置されて塗膜が形成された板金部材２を加熱し、熱硬化性樹脂を硬化させるとともに塗膜を乾燥させる工程を、本説明では加熱乾燥工程と呼ぶ。
以上のように、本実施形態の板金部材成形方法では、加熱乾燥工程において板金部材２と繊維束Ａを接着する熱硬化性樹脂の加熱硬化と塗膜の乾燥とを同時に実施する。そのため、熱硬化性樹脂の加熱硬化と塗膜の乾燥を別々の工程で実施する場合と比較して、工程を簡略化でき、自動車部品の量産に耐えうるように効率化することも可能となる。
また、本実施形態では配置工程後にプレス工程を実施している。たとえばプレス成形後の板金部材２が凹部を有する場合、その凹部の内面に図２（ｂ）に示すようなヘッド部１１が入り込んで繊維束Ａを貼り付けることは困難であるが、本実施形態のようにプレス成形を行う前に繊維束Ａを配置することにより、容易に繊維束Ａを配置することができる。
次に、本発明の他の実施形態における板金部材成形方法の動作フローを図７に示す。この実施形態では、図６で表した実施形態と異なり、プレス工程を実行後に配置工程に戻ることにより、プレス成形された板金部材２に繊維束Ａの貼り付けが実施される。すなわち、配置工程とそれに続くプレス工程とが複数回繰り返されている。言い換えれば、いわゆる多段プレスが順次実施され、その都度繊維束Ａが配置される。なお、プレス工程後に配置工程に戻る動作は１回だけでなく複数回行っても良い。
このように配置工程とそれに続くプレス工程とが複数回繰り返されることにより、複雑な形状の板金部材２をプレス後の反りなどを軽減、緩和しつつ成形することが可能である。また、複雑な形状を有する板金部材２の表面に図２（ｂ）で示すようなヘッド部１１を押し当てることは困難であるが、形状が複雑化する前に配置工程を行うことにより、繊維束Ａの配置を容易にすることができる。
次に、本発明のさらに他の実施形態における板金部材成形方法の動作フローを図８に示す。この実施形態では、図６で表した実施形態と異なり、プレス工程が無く、配置工程によって板金部材２へ繊維束Ａが配置された直後に塗装工程が実施される。この場合、板金部材成形装置に搬送される最初の時点で板金部材２は立体成形が完了したものである。このように、板金部材成形装置に搬送される板金部材２は、最初の時点で立体成形された形態を有していてもよい。
以上の板金部材成形方法および板金部材成形装置により、板金部材が効率的に補強されかつ全体として軽量化が図れ、複雑形状にも対応することが可能となる。
また、本発明の板金部材成形方法および板金部材成形装置は、上記の説明で記載した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、繊維束は炭素繊維に限らず、たとえばガラス繊維であってもよい。
また、繊維束を板金部材に貼り付けるにあたり、上記の説明では繊維束に含浸された熱硬化性樹脂を接着材として貼り付けているが、それに限らず、たとえば板金部材の表面にまず接着材として熱硬化性樹脂を別途供給し、その上に繊維束を載置するようにしても良い。この場合、接着材となる熱硬化性樹脂に載置する繊維束には熱硬化性樹脂が含浸されていても良く、また、含浸されていなくても良い。また、硬化後の接着材である接着層自身の強度を高めるために、接着材となる熱硬化性樹脂にフィラーとして数ｕｍ長程度の繊維束Ａよりも十分に短い長さの炭素繊維、ガラス繊維などが混練されていても構わない。
また、図９に示すように、繊維束Ａが配置された板金部材２に対し、繊維束Ａを挟み込むように第２の板金部材３が重ね合わされ、この形態で加熱乾燥工程が行われても良い。２つの板金部材で繊維束Ａが挟まれることにより、熱硬化性樹脂の加熱硬化時に繊維束が剥がれることを防ぐことができ、バギングを実施する必要が無くなるため、板金部材の成形をより効率的に行うことができる。なお、このように２つの板金部材で繊維束Ａが挟まれた形態の板金部材に対して、プレス工程および塗装工程を実施しても良い。
なお、本願発明は繊維束に含浸させる樹脂が熱可塑性樹脂である場合にもその一部は適用可能である。具体的には、配置工程後にプレス工程を行うこと、また、配置工程とプレス工程とを繰り返して多段プレスを行うことにより、凹部の内面への繊維束の配置、複雑形状の板金部材への繊維束の配置を容易にすることが可能である。
１ 板金部材成形装置
２ 板金部材
３ 第２の板金部材
１０ 配置部
１１ ヘッド部
１２ 多関節ロボット
１３ ワーク台
２０ プレス部
２１ 金型
２２ 金型
３０ 塗装部
３１ ノズル
３２ 多関節ロボット
４０ 加熱乾燥部
４１ 加熱炉
５０ 移載ロボット
１１１ 押圧ローラ
１１２ 押圧部材
１１３ フィーダー
１１４ ヒータ
Ａ 繊維束

Claims (11)

  1. 板金部材表面の所定位置に所定長さの繊維束を熱硬化性樹脂を介して配置する配置工程の後に、前記板金部材の少なくとも一部に塗装工程により塗膜を形成し、該塗膜の加熱乾燥工程において、前記熱硬化性樹脂の加熱硬化をも行い、前記繊維束を前記板金部材に接着することを特長とする板金部材成形方法。
  2. 前記熱硬化性樹脂の少なくとも一部は、前記繊維束にあらかじめ含浸されたものであることを特長とする請求項１に記載の板金部材成形方法。
  3. 前記熱硬化性樹脂の少なくとも一部は、前記配置工程において接着材として別途供給されるものであることを特長とする請求項１または２に記載の板金部材成形方法。
  4. 前記配置工程と前記塗装工程との間において、前記配置工程に引き続くプレス工程により、前記繊維束が配置された前記板金部材のプレス成形を行うことを特長とする請求項１乃至３のいずれかに記載の板金部材成形方法。
  5. 前記配置工程とそれに続く前記プレス工程とを複数回繰り返すことにより、前記板金部材のプレス成型を順次行うことを特長とする請求項４に記載の板金部材成形方法。
  6. 前記所定位置が、前記プレス工程でのプレス成型に於ける非変形領域に位置することを特長とする請求項４または５に記載の板金部材成形方法。
  7. 前記加熱乾燥工程の前に、前記繊維束が配置された前記板金部材に対し、前記繊維束を挟み込むように第２の板金部材を重ね合わせることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の板金部材成形方法。
  8. 前記配置工程において、前記繊維束、前記板金部材の少なくとも前記所定位置近傍の少なくとも一方を、前記熱硬化性樹脂の硬化温度未満の温度に加熱することを特長とする請求項１乃至７のいずれかに記載の板金部材成形方法。
  9. 前記繊維束が炭素繊維を含むものであること特長とする請求項１乃至８のいずれかに記載の板金部材成形方法。
  10. 前記接着材が炭素繊維を含むものであること特長とする請求項３に記載の板金部材成形方法。
  11. 請求項１乃至１０のいずれかの板金部材成形方法を実行することを特長とする板金部材成形装置。
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