JP2023145292A - 成形体補強用部材、これを用いた成形体並びに接続構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明技術は、ＦＲＰ等の成形体のボルト締め部やリベット接合部又は極度に曲げ半径が小さい曲げ部等の応力負荷が高い部分や強度が低い部分における割れ発生と割れの進展を抑制することができる成形体補強用部材及びこれを用いた成形体並びに接続構造体を提供する。【解決手段】 少なくとも１層の繊維強化プラスチック層を有し、プラスチック、繊維強化プラスチック又は金属からなる成形体の表面に張り付けて使用する成形体補強用部材であって、前記少なくとも１層の繊維強化プラスチック層は、その中心もしくは中心付近から外縁に向かって放射状に配置された補強繊維を有する繊維強化プラスチックからなる放射状繊維強化プラスチック層である。【選択図】図６

Description

本発明は成形体補強用部材と、この成形体補強用部材を貼付け等の手段により装着して補強した成形体並びに接続構造体に関する。

ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）は、金属材料に比べて軽量かつ強度が高い材料即ち比強度の高い材料である。ＦＲＰに使用される補強繊維はガラス繊維や炭素繊維のほか、用途によってはアラミド繊維も使われる。ＦＲＰの製法として細かく切断したガラス繊維を均一にまぶす方法やガラス繊維や炭素繊維に樹脂を浸透させる方法等がある。繊維強化プラスチックのマトリックスには、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂が使われることが多い。

ＦＲＰの製造方法としては、ハンドレイアップ法、スプレーアップ法、ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）プレス法、インジェクションを利用した樹脂高圧注入技術によるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法、オートクレーブ法等があり、高品質製品が製作できる段階にある。

最近では、社会インフラ設備の変遷があり、風力発電など採用する発電方式の変化による設備大型化や電車、自動車、飛行機の輸送設備の燃費向上のための大型薄肉軽量化等のニーズが高まっている。大型化に対処可能なＦＲＰは厚さを高め高強度化することが考えられるがより軽量化も望まれている。軽量化のためにはＦＲＰの厚さを薄くすることが考えられるが、ＦＲＰ成形体自体の強度、ＦＲＰ成形体同士もしくはＦＲＰ成形体と他の材料（例えばプラスチックや金属等）からなる成形体との接続部分の強度が劣化する虞がある。そこで、可能な限りＦＲＰ厚さの増大を抑えつつＦＲＰ本体並びに接続部の強度向上を図ることが望まれる。

ＦＲＰを構成する補強繊維の強度は高いが、樹脂は強度が低く割れが発生し易い。特に、ボルト締め穴周辺、あるいはその他の目的であけられた穴周辺に過大な応力が加わる虞がある。また穴がない場合でも曲げ半径が小さい場合等、構造上応力の集中が避けられないケースもあり、最悪の場合割れが発生する虞がある。

１９７４年以降に日本で公開された特許文献を調べると、ボルト穴周辺の強度向上のためにＦＲＰ構造体本体の繊維構造を変えることにより強化する技術（特許文献１、特許文献２）は存在する。また、ＦＲＰに関する記載はないが、樹脂製部品のボルト穴に樹脂の補強シートを張り付ける技術（特許文献３）も存在する。さらにボルト穴あるいは割れの可能性がある部分にＦＲＰと同程度の数ｍｍ以上の厚さの発明部材を貼り付けて割れの進行を抑制する技術として割れに直角にファイバーを配置する即ち渦巻き状ファイバーを設置する構造が提案されている（特許文献４）。基礎的なデータを解析するとワッペンの破壊には曲げ剛性を考慮する必要がある。調査した範囲では、曲げ剛性に関する補強技術は認められなかった。

また、非特許文献１にはＦＲＰ同士の貼り付け接続法やＦＲＰと金属のボルト接続技術が紹介されている。ボルト周辺の応力解析は一部行われており、非特許文献２には、ボルト穴周りで圧縮応力が大きくなることも報告されている。
このような状況において、応力低減の技術や割れの進行を抑制する曲げ剛性に係る技術検討が必要である。

特開２００２－３０７５８５号公報 特開２００３－２２５９１４号公報 特開２０１７－１９３１１号公報 国際公開番号 ＷＯ２０２１／２０１２９８Ａ１

ＦＲＰ成形技能テキスト（新版）財団法人強化プラスチック協会 平成９年（１９９７）年１０月３１日発行 ＦＲＰ部材の接合および鋼とＦＲＰの接着接合に関する先端技術 平成２５年（２０１３）年１１月１２日発行

ＦＲＰ成形体の軽量・薄肉化の要望が高まる中、ボルト締め部やリベット接合部又は極度に曲げ半径が小さい曲げ部等における割れ発生と割れの進展を抑制する技術が望まれている。なお、この割れ発生と割れの進展を抑制する技術はＦＲＰ成形体だけでなく、一般的なプラスチック成形体や薄い金属材料からなる成形体などにも応用可能である。

本発明の目的は、ＦＲＰ等の成形体のボルト締め部やリベット接合部又は極度に曲げ半径が小さい曲げ部等の応力負荷が高い部分や強度が低い部分における割れ発生と割れの進展を抑制することができる成形体補強用部材及びこれを用いた成形体並びに接続構造体を提供することにある。

本発明のＦＲＰ成形体に貼り付けて使用するＦＲＰ補強用部材は、少なくとも１層の繊維強化プラスチック層を有し、プラスチック、繊維強化プラスチック又は金属からなる成形体の表面に貼り付けて使用する成形体補強用部材である。この成形体補強用部材を構成する繊維強化プラスチック層の少なくとも１層は、成形体補強用部材の中心もしくは中心付近から外縁に向かって放射状に配置された補強繊維を有する繊維強化プラスチック層（以下、放射状繊維強化プラスチック層という）である。（請求項１）

放射状繊維強化プラスチック層の補強繊維は、角度が３度～６０度の間隔をもって配置されている。この角度は経済性や作り易さから４５度が好ましい。（請求項２）

また使われる放射状繊維強化プラスチック層はその用途により、複数層積層されている成形体補強用部材が望ましい。（請求項３）

成形体補強用部材の好ましい例として、補強繊維を渦巻状に配置して成形した繊維強化プラスチック層（以下、渦巻状繊維強化プラスチック層という）又は補強繊維を同心円状に配置して成形した繊維強化プラスチック層（以下、同心円状繊維強化プラスチック層という）を重ねて使用する補強部材にするのもよい。（請求項４）

このような構成の補強部材として、渦巻状繊維強化プラスチック層又は同心円状繊維強化プラスチック層を２層の放射状繊維強化プラスチック層で挟むように積層した構造の成形体補強用部材が好ましい。（請求項５）

また、本発明の複数の成形体がボルト又はリベットにより接続された接続構造体は、上記成形体のボルト穴又はリベット穴の周辺を覆うように上記成形体補強用部材が成形体に貼り付けられている接続構造体である。（請求項６）

また、本発明の成形体は、成形体の機械的強度が弱い部分（例えば、成形体表面の凹部又は穴あるいはＦＰＲ成形の際に歪み応力が集中した部分等）を覆うように、上記成形体補強用部材が装着補強されている成形体である。（請求項７）

本発明のＦＲＰ補強用部材及びその製造方法、ＦＲＰ成形体並びにＦＲＰ接続構造体によれば、ボルト締め部やリベット接合部又は極度に曲げ半径が小さい曲げ部等の応力負荷が高い部分や強度が低い部分における割れ発生と割れの進展を抑制することができる。

図１はボルト用穴のあるＦＲＰ成形体の割れモデル図である。 図２は本発明のＦＲＰ補強用部材（以下ワッペンという）の外観例である。 図３は２枚のワッペン５を用いて２枚のＦＲＰ成形体をボルト締めにより接続したデザイン例である。 図４は基礎検討として、繊維の基本構成と曲げ試験概要を示したものである。 図５は繊維の基本構成と曲げ試験結果の関係を示したものである。 図６はワッペンを構成する（ａ）亀裂の進展１６を抑制する渦巻きまたは同心円状に補強繊維を配置したデザイン例、（ｂ）本発明亀裂の進展１６方向の剛性を高めるように放射状に補強繊維を配置したデザイン例である。 図７は構成に必要なワッペン内繊維基本構造を示したものである。

ＦＲＰ成形体は、ＦＲＰ成形体同士又は他の材料（例えばプラスチックや金属）からなる成形体と接続して使うことが多い。また形状も用途により、複雑なものも多い。例えば、ボルトナット又はリベットによる加締め部等その複雑な構造により応力がかかって使用されているものがある。

図１はボルト用穴のあるＦＲＰ成形体の割れモデル図である。約３ｍｍのＦＲＰ成形体の表面割れ２はＦＲＰ成形体１の穴３からその半径方向へ放射状に進展する放射状の割れであることが予想される。割れ発生伝播を抑制するには割れの抵抗になるように繊維を配置する必要がある。

図２は本発明のＦＲＰ補強用部材（以下ワッペン４という）の外観例である。ＦＲＰ成形体１の穴３の周りに樹脂と補強繊維（例えば、ガラスファイバ―、炭素繊維等）を適切な構造に貼り付け配置することで、亀裂進展抑制機能を発現できる。

図３は２枚のワッペン５を用いて２枚のＦＲＰ成形体をボルト締めにより接続したデザイン例である。４はワッペン、５はワッシャー、６はボルト、７はナットであり、ワッペンを貼り付けることでＦＲＰ基材が補強される。

図４は基礎検討として、繊維の基本構成と曲げ試験概要を示したものである。ａ）に示す曲げ試験、（試料８、支点９、荷重１０）にて評価する。曲げ試験片は試料長手方向１１に垂直に補強繊維を設置したものは角度θが０度、試料長手方向１１に平行に補強繊維を設置したものは角度θが９０度と定義し、中間の４５度も併せて実施した。

図５は繊維の基本構成と曲げ試験結果の関係を示したものである。角度θが９０度の場合には曲げ剛性は大きく，４５度の約２倍以上になっている。したがって剛向上には９０度が望ましい。

図６において、（ａ）は国際公開番号ＷＯ２０２１／２０１２９８Ａ１で公開された渦巻きまたは同心円状補強繊維１７を配置したデザイン例、（ｂ）は本発明の放射状に補強繊維１８を配置したデザイン例である。

図６（ａ）のように渦巻きまたは同心円状に補強繊維１７を配置することにより、亀裂の進展方向１６への伝播を抑制することができる。

一方、図６（ｂ）のように、ワッペンの中心（図６においてはワッペンの中心に穴３があるため、ワッペンの中心付近）から円周方向に（外縁に向かって）放射状にガラスファイバー１８を配置することにより、補強繊維１８は亀裂の進展方向１６と平行となるため、剛性を高めることができる。隣り合う補強繊維の角度Ｆθ１９は３度～６０度の間隔をもって配置されていることが好ましいが、経済性や作り易さから図示の通り４５度が好ましい。

図７は図６（ａ）の渦巻状繊維強化プラスチック層又は同心円状繊維強化プラスチック層と、図６（ｂ）の放射状繊維強化プラスチック層とを積層させた構造のワッペンの設計例を示したものである。２層の放射状繊維強化プラスチック層で渦巻状繊維強化プラスチック層又は同心円状繊維強化プラスチック層を挟むように積層することが好ましく、その場合、上下の放射状繊維強化プラスチック層の補強繊維１８は、積層方向に重なり合っても良いし、重なり合わなくても良い。

ワッペン製造可能な条件範囲に関して見積もると次のようになる。ワッペン中央の穴の全周の角度を３６０度とし、分割数を２分割から１８０分割にすると、すべて設計可能だが、上述の通り、経済性や製造のし易さから３度以上で、信頼性から６０度以下が望ましい。特に作り易さから４５度が好都合である。

成形したワッペンはそれぞれ接着して複合化もできる。そのワッペンにそれぞれ接着剤をつけて複合一体化したワッペン複合体を作製使用してもよい。工業的利用を考えたとき、円盤状のワッペンを２枚重ねた形状の一体成形した異形状のワッペンが使い易く望ましい。

これら部材の強力接着材としては瞬間接着剤、エポキシ系またはアクリル系接着剤を用いることができる。ワッペンとワッペンの間の接着も瞬間接着剤、エポキシ系またはアクリル系接着剤が使うことができる。また、強力接着両面テープでもよい。

成形したワッペンを、プラスチック、繊維強化プラスチック又は金属からなる成形体や、それらの成形体をボルト又はリベットで接続した接続構造体に装着するときも、接着剤を使用して貼り付けることが好ましい。

本発明の成形体補強用部材は、市場の軽量化志向に伴う薄い金属材料からなる成形体などにも応用可能であり、高強度の高張力鋼線や共析鋼線材やタングステン線等を繊維素材として基盤となる金属材料に埋め込んだ補強材にも応用可能である。

本発明の成形体補強用部材、当該成形体補強用部材を装着したＦＲＰ等の成形体並びに接続構造体は、航空機、軽量小型飛行機、空調設備、産業・介護用ロボット、トラック、乗用車、電車部品、風力発電用設用等の部材、医療機器用筐体、大型ドローン、その他のＦＲＰ筐体やＦＲＰ部品等に適用することができる。

１ ＦＲＰ成形体基材
２ 放射状割れ
３ 穴
４ ワッペン
５ ワッシャー
６ ボルト
７ ナット
８ 試料
９ 支点
１０荷重
１１試料長手方向
１２ファイバー配置０度
１３ファイバー配置４５度
１４ファイバー配置９０度
１５角度の定義
１６亀裂の進展方向
１７渦巻き又は同心円状ガラスファイバー繊維
１８中心穴に垂直に配置した繊維
１９ファイバー群配置Ｆθ：４５度

Claims (7)

1. 少なくとも１層の繊維強化プラスチック層を有し、プラスチック、繊維強化プラスチック又は金属からなる成形体の表面に張り付けて使用する成形体補強用部材であって、前記少なくとも１層の繊維強化プラスチック層は、その中心もしくは中心付近から外縁に向かって放射状に配置された補強繊維を有する繊維強化プラスチック層（以下、放射状繊維強化プラスチック層という）であることを特徴とする成形体補強用部材。
2. 前記放射状繊維強化プラスチック層の補強繊維は、角度が３度～６０度の間隔をもって配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成形体補強用部材。
3. 前記放射状繊維強化プラスチック層が複数層積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成形体補強用部材。
4. 補強繊維が渦巻状に配置された繊維強化プラスチック層（以下、渦巻状繊維強化プラスチック層という）又は補強繊維が同心円状に配置された繊維強化プラスチック層（以下、同心円状繊維強化プラスチック層という）を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成形体補強用部材。
5. ２層の前記放射状繊維強化プラスチック層が前記渦巻状繊維強化プラスチック層又は前記同心円状繊維強化プラスチック層を挟むように積層されていることを特徴とする請求項４に記載の成形体補強用部材。
6. 複数の前記成形体がボルト又はリベットにより接続された接続構造体において、前記成形体のボルト穴又はリベット穴の周辺を覆うように請求項１乃至５のいずれかに記載の成形体補強用部材が前記成形体に装着されていることを特徴とする接続構造体。
7. 前記成形体の機械的強度が弱い部分に請求項１乃至６のいずれかに記載の成形体補強用部材が装着されていることを特徴とする成形体。