JP2024006835A

JP2024006835A - Ｆｒｐ補強用部材、ｆｒｐ接続構造体及びｆｒｐ成形体

Info

Publication number: JP2024006835A
Application number: JP2022115087A
Authority: JP
Inventors: 正義青山; Masayoshi Aoyama; 公夫鈴木; Kimio Suzuki; 勝鈴木; Masaru Suzuki
Original assignee: Jon72 Corp
Current assignee: Jon72 Corp
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-17

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。【解決手段】樹脂に補強繊維を複合させたＦＲＰ層からなり、ＦＲＰ成形体の局所的な歪み・応力の負荷が加わる位置を含む部分に貼り付けて使用する補強用部材であって、前記補強繊維は前記樹脂内に切れ目なく配列されており、配列の開始側と終了側の両方の端末が、前記局所的な歪み・応力の負荷が直接加わらない位置に設置されている。【選択図】図７

Description

本発明はＦＲＰ補強用部材、ＦＲＰ接続構造体及びＦＲＰ成形体に関する。

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（ＳｈｅｅｔＭｏｌｄｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ）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（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）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。このように見ていくと、現状においては、ＦＲＰの厚さをできるだけ薄く機械的強度を向上する技術が望まれている。

ＦＲＰは薄いと強度が不足するので厚さを大きくすることが行われている。薄いと弱い課題がある。また、ＦＲＰを構成する補強繊維の強度は高いが、樹脂だけで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補強繊維を配置する即ち渦巻き状補強繊維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ことで、ワッペンの破壊には放射状に配列する曲げ剛性を高める構造が提案されている（特許文献５）。調査した範囲では、ＦＲＰ内部のガラス繊維の端末の影響に関する記述などは認められず、端末処理に注目したＦＲＰ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新たにＦＲＰ成形体やＦＲＰ補強部材を強化す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特願２０２２－６６６１５号公報

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複合材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ＦＲＰ補強用部材、ＦＲＰ接続構造体及びＦＲＰ成形体を提供することにある。

本発明は、樹脂に補強繊維を複合させたＦＲＰ層からなり、ＦＲＰ成形体の局所的な歪み・応力の負荷が加わる位置を含む部分に貼り付けて使用する補強用部材であって、前記補強繊維は前記樹脂内に切れ目なく配列されており、配列の開始側と終了側の両方の端末が、前記局所的な歪み・応力の負荷が直接加わらない位置に設置されていることを特徴とするＦＲＰ補強用部材である（請求項１）。

上記補強繊維は、その配列が渦巻き、同心円または放射状であることが好ましい（請求項２）。

上記ＦＲＰ層は、複数のＦＲＰ層が積層されたものでもよい（請求項３）。

上記ＦＲＰ層は、上記補強繊維の配列が同心円または渦巻き状のＦＲＰ層を上記補強繊維の配列が放射状のＦＲＰ層で挟んだ積層体であることが好ましい（請求項４）。

上記ＦＲＰ層の各層の前記補強繊維は途切れなく３次元に連続していることが好ましい（請求項５）。

上記補強繊維の両端末は上記ＦＲＰ補強用部材の自由表面に出現していないことが好ましい（請求項６）。

また、本発明は、ＦＲＰ成形体にプラスチック製、ＦＲＰ製又は金属製の他の成形体を接続したＦＲＰ接続構造体において、上記ＦＲＰ成形体と上記他の成形体との接続部に上記ＦＲＰ補強用部材を貼り付けたＦＲＰ接続構造体である（請求項７）。

また、本発明は、ＦＲＰ成形体の表面に形成された凹部又は穴、もしくは急激な曲げ半径の湾曲部に上記ＦＲＰ補強用部材を貼り付けたＦＲＰ成形体である（請求項８）。

上記ＦＲＰ成形体において、上記補強繊維の両端末は上記ＦＲＰ補強用部材の自由表面に出現していない請求項８に記載のＦＲＰ補成形体である（請求項９）。

本発明のＦＲＰ補強用部材、ＦＲＰ接続構造体及びＦＲＰ成形体によれば、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。

ボルト用穴のあるＦＲＰ成形体の割れモデル図である。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。２枚のワッペンを用いて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。ＦＲＰ片からなる試料の曲げ試験概要と補強繊維の配列方向を変えた３種類のＦＲＰ片からなる試料の基本構成及び補強繊維構成角度の定義を示したものである。補強繊維の配列方向を変えた３種類のＦＲＰ片からなる試料の曲げ試験結果の関係を示したものである。曲げ試験後のａ）試料の亀裂の状況を示す図であり、合わせてｂ）亀裂発生の位置をファイバースコープで拡大した写真を示したものである。ボルトナット結合の際に、応力が直接負荷されない位置に、補強繊維の端末を黒丸で示した開始部と終点部に配置した、ａ）亀裂の進展抑制のための同心円状連続した補強繊維の構成図、ｂ）剛性を高める並行配置を含む補強繊維配置構成図である。亀裂の進展抑制と剛性の両方を高める補強繊維配置構成図である。３次元プリンターで連続した複合材によりワッペンを作製する構成図である。ワッペン原料の樹脂被覆補強繊維複合線材と加熱による溶融、複合材形成システム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。その際、応力が高い部分と低い部分があり、高い部分を強化する必要がある。

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の周りに樹脂とガラスなどの補強繊維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４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ＦＲＰ片からなる試料の曲げ試験概要と補強繊維の配列方向を変えた３種類のＦＲＰ片からなる試料の基本構成及び補強繊維構成角度の定義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。曲げ試験を行う試料（ＦＲＰ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１２、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１４と定義し、中間の４５度１３も併せて実施した。

図５は補強繊維の配列方向を変えた３種類のＦＲＰ片からなる試料の曲げ試験結果の関係を示したものである。なお、試料の補強繊維にはガラス繊維を用いた。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。したがって剛性向上には９０度が望ましい。

図６は、曲げ試験後のａ）試料の亀裂の状況を示す図であり、合わせてｂ）亀裂発生の位置１６をファイバースコープで拡大した写真を示したものである。
いずれも補強繊維が試料の自由表面に出現した部分１７近傍から破壊が進行することが分かる。

図７は、ワッペンを形成する補強繊維の配置構成デザイン例を示し、（ａ）すでに公開した国際特許出願（国際公開番号ＷＯ２０２１／２０１２９８Ａ１）亀裂の進展方向への伝播を抑制する渦巻きまたは同心円状に配列された補強繊維の配置構成デザイン例、（ｂ）亀裂の進展方向１６の剛性を高めるために配置される並行配置の補強繊維の配置構成デザイン例である。（ａ）には連続したデザイン例配置の為、同心円をつなぐ補強繊維を連続的に配置した連結部１８０を示してある。すなわち、本実施形態において、「同心円」形状とは言っても基本は「渦巻き」形状であり、渦巻きの途中部分を変形させて、同心円に見えるように成形したものと言うことができる。補強繊維の起点１９から始まり、同心円を一周した後、次の同心円状補強繊維への連続的連結部１８０を経て、同心円状に補強繊維を配置し、さらに連続的連結部１８０を経てワッペンの穴に向かって次の同心円の補強繊維配置に至る穴の近くの最終同心円に配置した後、終点を直接的に応力の付加がかからないワッペン外周部に設置する構成にする。ここで、補強繊維の起点と終点は、ボルト締め時に応力が直接かからない部分でありワッペン外周部に黒丸で示してある。
また、先の特許文献５で検討した中心穴の円周方向に垂直に配置した補強繊維により、剛性が向上するのでこの方式を使ったが、補強繊維の両方の端末の位置の適正化に新規性がある。図のθ１９は４５度であり、穴を８分割した角度で配置している。

従来技術を超えるために注目した新規構造は、ボルトナット結合の際に、負荷応力の少ない位置に、補強繊維端末を開始部と終点部に配置した、ａ）亀裂の進展抑制のための同心円状連続した補強繊維の構成図、ｂ）剛性を高める並行配置を含む補強繊維配置構成図である。同心円状連続した補強繊維１８は、応力負荷の少ないワッペン外周に端末、起点１９、終点２０を設置する構造がよい。

図８は、図７に示す２つの構造を合わせた複合構造とし、これを基本としてワッペンを構成する複合材を作ることが出来る。
一つの製品において、補強繊維が連続して配置する構成になっている。連続した補強繊維配置の為、同心円状に配置した繊維は連続的でありガラス繊維を連続的に配置している連結部１８０を含んでいる。この連続した補強繊維については、強度を維持するために端末がＦＲＰ成形体に直接応力がかからないワッペンの外周部に補強繊維の端末である起点と終点を配置したものである。また、剛性を高める構造においても応力負荷の少ないワッペン外周に端末、起点２２、終点２３を設置する構造が望ましい。
さらに、補強繊維を切れ目なく設置する新規構造のとしては、図８のｃ）記載の４つの端末１９，２０，２２，２３を連続的に行う為、終点２０と起点２２を省いて起点１９終点２２とすることが望ましい。

図９は、三次元プリンターでワッペンを作製する構成図である。ひも状材料送り出しボビン２４から送り出した樹脂被覆補強繊維複合材は加熱吐出口２５で樹脂が溶融し、成形品２６になる。成形品は成形台２７の上に製作される。

図１０は、ワッペン原料の樹脂被覆補強繊維線材２８の加熱による溶融、複合材形成システムを示したものである。樹脂被覆補強繊維線材２８は、あらかじめ補強繊維に樹脂２９を被覆したものである。
電気炉３０にはヒータ３１が設置されており、成形材料である樹脂被覆補強繊維線材がこの加熱炉を通過することで、連続した複合材から成る三次元成形体３２を作製することが出来る。樹脂は熱可塑性の樹脂である。

補強繊維がガラス繊維の場合、樹脂とガラス繊維の適正重量比は５０～８０％であり、７０％が望ましい。ガラス繊維重量が５０％以下では、希望する強度に対して強度が不十分であるためであり、８０％以上では空孔殿の欠陥が発生し。成形体が作りにくいためである。カーボン繊維の場合も検討したが、この場合は、理想重量はガラス繊維と異なり、２０～５０％であり、３０～４０％が望ましい。この原因は、カーボン繊維の比重は１．８，ガラス繊維の比重は２．５の為、カーボン繊維の体積が大きくなるため作りにくいためである。
この製法には、経済性のある三次元プリンターが望ましい。

本発明のＦＲＰ補強用部材及びその製造方法は、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部品に適用することができる。

１ＦＲＰ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補強繊維配置０度
１３補強繊維配置４５度
１４補強繊維配置９０度
１５角度θの定義
１６曲げ試験後の亀裂の状態
１７亀裂開始部の拡大写真
１８同心円状に連続的に配置した補強繊維
１８０同心円状に配置するための補強繊維の連続的な連結部
１９同心円状連続した補強繊維の配置開始部
２０同心円状連続した補強繊維の配置終点部
２１放射状に連続的に配置した補強繊維
２２放射状に連続的に配置する補強繊維の配置開始部
２３放射状に連続的に配置する補強繊維の配置終点部
２４ひも状材料送り出しボビン
２５加熱吐出口
２６成形品
２７成形台
２８補強繊維
２９樹脂
３０電気炉
３１加熱炉内ヒータ
３２三次元成形体

Claims

樹脂に補強繊維を複合させたＦＲＰ層からなり、ＦＲＰ成形体の局所的な歪み・応力の負荷が加わる位置を含む部分に貼り付けて使用する補強用部材であって、前記補強繊維は前記樹脂内に切れ目なく配列されており、配列の開始側と終了側の両方の端末が、前記局所的な歪み・応力の負荷が直接加わらない位置に設置されていることを特徴とするＦＲＰ補強用部材。
前記補強繊維の配列が渦巻き、同心円または放射状である請求項１に記載のＦＲＰ補強用部材。
前記ＦＲＰ層が複数積層されている請求項１または請求項２に記載のＦＲＰ補強用部材。
前記補強繊維の配列が同心円または渦巻き状のＦＲＰ層を前記補強繊維の配列が放射状のＦＲＰ層で挟んだ請求項３に記載のＦＲＰ補強用部材。
前記ＦＲＰ層の各層の前記補強繊維が途切れなく３次元に連続している請求項３に記載のＦＲＰ補強用部材。
前記補強繊維の両端末がＦＲＰ補強用部材の自由表面に出現していない前記請求項１に記載のＦＲＰ補強用部材。
ＦＲＰ成形体にプラスチック製、ＦＲＰ製又は金属製の他の成形体を接続したＦＲＰ接続構造体において、前記ＦＲＰ成形体と前記他の成形体との接続部に請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＦＲＰ補強用部材を貼り付けたＦＲＰ接続構造体。
ＦＲＰ成形体の表面に形成された凹部又は穴、もしくは急激な曲げ半径の湾曲部に請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＦＲＰ補強用部材を貼り付けたＦＲＰ成形体。
前記補強繊維の両端末がＦＲＰ補強用部材の自由表面に出現していない請求項８に記載のＦＲＰ補成形体。