JP4736906B2 - 複合材成形体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材成形体及びその製造方法に係り、詳しくは他の部品との締結状態で使用するのに好適な複合材成形体及びその製造方法に関する。

繊維強化複合材（以下、単に複合材と言う。）は軽量の構造材として広く使用されている。構造材は単体で使用される場合は少なく、他の部品と接合されて使用される。そして、他の部品との接合には、接着剤による接着やリベットによる接合に比べて、分解、組立が容易で、金属材料とも容易に接合が可能であるボルト（ねじ）による締結がメンテナンス性の観点から好ましい。しかし、母材（マトリックス）を樹脂とした複合材の場合は、樹脂のクリープ／応力緩和現象による軸力低下が発生し、取り付けガタ等の原因となる。

この対策として、複合材に金属部品をインサート成形あるいは圧入するとともに、金属部品に孔を開けて金属部品の部分でボルトによる締結を行う方法がある。また、めねじ接合部を有する繊維強化プラスチック製部材であって、連続する強化繊維が、該めねじのねじ山内を通過してピッチ間を斜行し、かつ該部材内で該めねじのねじ谷頂部を越えていることを特徴とする繊維強化プラスチック製部材が提案されている（特許文献１参照。）。
特開平１１−３２５０２４号公報

ところが、複合材に金属部品をインサート成形あるいは圧入する方法では、ボルトによる締結は良好となるが、金属−樹脂間の熱膨張係数の差による残留応力が発生し、他の不具合の原因となる。また、製造コストが高くなる。一方、特許文献１の場合は、製造コストが高く、使用できる部材の形状が限られる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、樹脂をマトリックスとした複合材部品において、ボルト締結で他の部品と接合した際に、軸力の低下を抑制することができるとともに生産性良く製造することができる複合材成形体及びその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、強化繊維体及びマトリックス樹脂からなる成形体を有する複合材成形体であって、前記成形体には、孔を有する座金が一体に形成されており、前記座金が設けられることにより、前記強化繊維体の前記座金と対応する部分における繊維体積率が前記座金と対応しない部分の繊維体積率より高く形成されており、前記成形体における前記座金の孔に対向する部分には、孔が形成されている。
ここで、「強化繊維体」とは、繊維が織物、編物、不織布等の二次元の繊維構造体や三次元織物、三次元編物、組み紐等の三次元構造体に加工されたプリフォームだけを意味するのではなく、未加工の繊維（繊維束）を配置したものや繊維に樹脂が含浸された半硬化状態（Ｂステージ状態）のプリプレグをも意味する。
この発明では、強化繊維体において、座金に対応する部分の繊維体積率が座金と対応しない部分より高く形成されているため、当該部分のクリープ変形が抑制される。そして、孔に挿通されるボルトを介して他の部品と接合された場合、ボルトの軸力低下が抑制される。また、クリープ対策のための別部品（金属部品）を必要としないため、製造に際して工程の一部変更で簡単に対応でき、製造コストを低減することができる。

請求項２に記載の発明は、孔が形成された座金を成形型のキャビティ内に配置する座金配置工程と、前記キャビティ内に強化繊維体を配置する強化繊維体配置工程と、前記成形型を閉じた状態において、前記強化繊維体の前記座金と対応する部分における繊維体積率が前記座金と対応しない部分の繊維体積率より高くなるように、前記キャビティ内に配置された前記強化繊維体及び前記座金をプレスする強化繊維体プレス工程と、前記プレスされた強化繊維体に含浸された樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、樹脂硬化後の成形体の前記座金の孔に対向する部分に孔を形成する孔加工工程とを備える。

この発明では、成形型のキャビティ内に座金及び強化繊維体が配置された状態で成形型を閉じることにより、キャビティ内に配置された強化繊維体の座金と対応する部分における繊維体積率が座金と対応しない部分における繊維体積率より高くなる。従って、座金の孔に対向する部分にボルトが挿通される孔を形成する部分にすることで、樹脂をマトリックスとした複合材（ＦＲＰ）部品において、ボルト締結で他の部品と接合した際に、軸力の低下を抑制することができる複合材成形体を生産性良く製造することができる。

本発明によれば、樹脂をマトリックスとした複合材部品において、ボルト締結で他の部品と接合した際に、軸力の低下を抑制することができるとともに生産性良く製造することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。なお、図１〜図３は、複合材成形体や成形型の構成を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。このことは、他の実施形態でも同じである。

図１に示すように、複合材成形体１１は、強化繊維１２及び図示しないマトリックス樹脂からなり、一部に孔１３が形成されている。孔１３の周囲部分１１ａは、繊維体積率Ｖｆが他の部分１１ｂより高く形成されている。孔１３の周囲部分１１ａは、単位体積当たりの樹脂量が減少して繊維体積率Ｖｆが他の部分１１ｂより高く形成されている。複合材成形体１１の孔１３が形成されている部分は、片面（図１では上面）が凹部１４となっている。

強化繊維としては、例えば、ガラス繊維、カーボン繊維（炭素繊維）、アラミド繊維等が使用されるが、炭素繊維が好ましい。樹脂としては不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が使用される。

次に前記のように構成された複合材成形体１１の製造方法について説明する。
複合材成形体１１を製造する場合は、成形型を使用する。図２（ａ）に示すように、成形型２０は、キャビティ２１ａを有する下型２１と、キャビティ２１ａ全体を覆うとともに、一部にキャビティ２１ａ内に突出する凸部２２ａを備えた上型２２とを備えている。また、成形型２０は、図示はしないが、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法で使用される樹脂含浸用金型（成形金型）と同様に、型締め状態においてキャビティ２１ａ内を減圧にする減圧通路と、キャビティ２１ａ内に樹脂を注入する樹脂注入通路とを備えている。

先ず、図２（ａ）に示すように、上型２２が開放位置に配置された状態で、下型２１のキャビティ２１ａ内に強化繊維１２を配置する強化繊維体配置工程が行われる。この実施形態では強化繊維１２には、繊維束が使用され、繊維束が複数層に、かつ隣接する層を構成する繊維束の配列方向が直交する状態で配置されてキャビティ２１ａ内に満たされることで強化繊維体１５が構成される。

次に強化繊維体プレス工程が行われる。強化繊維体プレス工程では、図２（ｂ）に示すように、上型２２を閉鎖位置に配置して成形型２０を閉じた状態する。上型２２が閉じた状態（閉鎖位置）に配置されると、凸部２２ａと対応する部分の強化繊維１２がプレスされて、凸部２２ａと対応する部分の強化繊維体１５の繊維体積率Ｖｆが他の部分の繊維体積率Ｖｆより高くなる。

次にキャビティ２１ａ内が真空に近い状態まで減圧された状態で、熱硬化性樹脂がキャビティ２１ａ内に注入されて、熱硬化性樹脂が強化繊維体１５に含浸される。
次に成形型２０が図示しない加熱手段によって樹脂の熱硬化温度以上に加熱され、強化繊維体１５に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程が行われる。その後、成形型２０の温度が低下した後、成形型２０が開かれて、樹脂硬化後の成形体が下型２１から取り出され、成形体の繊維体積率Ｖｆの高くなった部分に孔１３を形成する孔加工工程が行われる。孔加工は、例えば、ドリルによる機械加工や、打抜き加工、ウォータージェット加工等で行われる。その後、バリ取りや不要部の切断等の外形加工が行われて、図２（ｃ）に示すように複合材成形体１１の製造が完了する。

前記のように構成された複合材成形体１１は、図３に示すように、他の部品１６に対して孔１３に貫通されるボルト１７及びナット１８で締め付け固定された状態で接合（固定）されて使用される。複合材成形体１１は、ボルト１７による締結部のみ局所的に母材の強化繊維１２の繊維体積率Ｖｆが高められている。そのため、締結部のクリープ変形の原因となる樹脂の絶対量が減少して軸力低下が抑制される。

複合材の強化繊維の量が同じ場合、図４（ａ）に示すように、繊維体積率Ｖｆは複合材の厚さが薄くなるに伴って増加する。例えば、厚さを５ｍｍから４ｍｍに減少させると、Ｖｆは５０％から６２．５％に増加する。また、図４（ｂ）に示すように、複合材の面外方向の弾性率（非軸方向の弾性率）Ｅｔと、樹脂の弾性率Ｅｍとの比Ｅｔ／Ｅｍの値は、繊維体積率Ｖｆの増加に伴って増加する。その増加割合は、繊維体積率Ｖｆの値が１０％増加、例えば、５０％から６０％へ増加すると、Ｅｔ／Ｅｍの値はほぼ２５％増加する。そのため、複合材成形体１１の板厚を減少させて繊維体積率Ｖｆを高めると、面外方向の弾性率Ｅｔの向上及び表面樹脂層の低減により、へたり（表面陥没）が抑制され、高い軸力に耐えうる接合部（締結部）が得られる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）複合材成形体１１は、強化繊維１２及びマトリックス樹脂からなり、一部に孔１３が形成されるとともに、孔１３の周囲部分１１ａの繊維体積率Ｖｆが他の部分より高く形成されている。従って、孔１３の周囲部分１１ａのクリープ変形が抑制されるので、孔１３に挿通されるボルト１７を介して他の部品１６と接合された場合、ボルト１７の軸力低下が抑制される。また、クリープ対策のための別部品（金属部品）を必要としないため、製造に際して工程の一部変更で簡単に対応でき、コストを低下させることができる。

（２）孔１３の周囲部分１１ａは、単位体積当たりの樹脂量が減少して繊維体積率Ｖｆが他の部分１１ｂより高く形成されている。従って、強化繊維１２の量を増加させる必要が無く、樹脂量が低減されるため、強化繊維１２を増量して繊維体積率Ｖｆを高める場合に比較して、材料費が安くなる。

（３）孔１３が形成されている部分は、片面が凹部１４となっている。従って、成形型２０の一方の型（この実施形態では上型２２）に凸部２２ａを設けることで、成形時に強化繊維１２の一部を他の部分より圧縮して一部の繊維体積率Ｖｆが高い複合材成形体１１を容易に製造することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図５にしたがって説明する。この第２の実施形態は、複合材成形体１１の一部の繊維体積率Ｖｆを高める方法として、成形型２０は従来技術を変更せずに、別部品を用いている点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と基本的に同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、成形型２０は、下型２１及び上型２２を備え、上型２２は第１の実施形態と異なり凸部２２ａがなく一定板厚に形成されており、従来技術と同じ構成である。そして、型閉じ状態において、強化繊維体１５の一部の繊維体積率Ｖｆを他の部分の繊維体積率Ｖｆより高めるために、成形型２０と別部品として座金１９を用いる。座金１９は、円錐台状に形成されている。

複合材成形体１１を形成する際は、先ず、図５（ａ）に示すように、上型２２が開放位置に配置された状態で、下型２１のキャビティ２１ａ内の所定位置に座金１９を底部がキャビティ２１ａの内面と当接する状態に配置する。その状態で強化繊維１２を配置する強化繊維体配置工程が行われる。そして、図５（ａ）に示すように、強化繊維１２がキャビティ２１ａ内に満たされることで強化繊維体１５が構成される。

次に図５（ｂ）に示すように、上型２２を閉鎖位置に配置して成形型２０を閉じた状態にする強化繊維体プレス工程が行われる。上型２２が閉じた状態（閉鎖位置）に配置されると、座金１９と対応する部分の強化繊維１２が、座金１９と対応しない部分の強化繊維１２より強くプレスされて、座金１９と対応する部分の強化繊維体１５の繊維体積率Ｖｆが他の部分の繊維体積率Ｖｆより高くなる。

次に第１の実施形態と同様にして、熱硬化性樹脂が強化繊維体１５に含浸された後、樹脂硬化工程が行われる。そして、成形型２０の温度が低下した後、樹脂硬化後の成形体が下型２１から取り出され、成形体の繊維体積率Ｖｆの高くなった部分の座金１９の孔と対向する部分に孔１３を形成する孔加工工程が行われる。その後、バリ取りや不要部の切断等の外形加工が行われて、図５（ｃ）に示すように複合材成形体１１の製造が完了する。即ち、この実施形態の複合材成形体１１は、座金１９が一体に形成されている。この複合材成形体１１も他の部品１６に対して孔１３に貫通されるボルト１７及びナット１８で締め付け固定された状態で接合（固定）されて使用される。

従って、この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）及び（２）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（４）複合材成形体１１の一部の繊維体積率Ｖｆを高める方法として、成形型２０は従来技術を変更せずに、別部品としての座金１９を用いている。従って、既存の金型を成形型２０として使用でき、製造コストが安くなる。

（５）繊維体積率Ｖｆを高める部分の面積あるいは数を変更する場合、第１の実施形態の構成では、上型２２をそれに対応して準備する必要があるが、この実施形態の場合は座金１９の大きさや数を変更することにより簡単に対応することができる。

（６）座金１９が複合材成形体１１に一体化されているため、複合材成形体１１を他の部品１６に対してボルト１７及びナット１８で締結する際、一方の座金を準備する必要がない。

（７）成形型２０の構成上、上型２２を開く際に、上型２２を下型２１に対して上側に離れるように移動させることができない場合でも、上型２２にキャビティ２１ａ内に突出する凸部２２ａが存在しないため、上型２２を下型２１と平行にスライドさせて開くことが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施形態を図６にしたがって説明する。この第３の実施形態は、複合材成形体１１の一部の繊維体積率Ｖｆを高める方法として、成形型２０は従来技術を変更しない点は第２の実施形態と同じであるが、別部品を用いない点が第２の実施形態と大きく異なっている。第２の実施形態と基本的に同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、成形型２０は、下型２１及び上型２２を備え、上型２２は第１の実施形態と異なり凸部２２ａがなく一定板厚に形成されており、従来技術と同じ構成である。

複合材成形体１１を形成する際は、先ず、上型２２が開放位置に配置された状態で、下型２１のキャビティ２１ａ内に強化繊維１２，１２ａを配置する強化繊維体配置工程が行われる。その際、図６（ａ）に示すように、繊維体積率Ｖｆを高めるべき部分に配置する強化繊維１２，１２ａの量を他の部分に配置される強化繊維１２の量より増加させた状態で配置する。この実施形態では、強化繊維１２，１２ａの量を増加させる部分では、強化繊維１２ａを強化繊維１２と配列方向が異なる状態（直交する状態）で積層している。

そして、所定量の強化繊維１２，１２ａが配置されて、強化繊維体配置工程が終了すると、図６（ｂ）に示すように、上型２２を閉鎖位置に配置して成形型２０を閉じた状態にする強化繊維体プレス工程が行われる。上型２２が閉じた状態（閉鎖位置）に配置されると、強化繊維１２ａが強化繊維１２に加えられて繊維量が増加された強化繊維体１５の部分は、下型２１及び上型２２により他の部分より強く押圧される。その結果、当該部分の繊維体積率Ｖｆが他の部分の繊維体積率Ｖｆより高くなる。

次に前記両実施形態と同様にして、熱硬化性樹脂が強化繊維体１５に含浸された後、樹脂硬化工程が行われる。そして、成形型２０の温度が低下した後、樹脂硬化後の成形体が下型２１から取り出され、成形体の繊維体積率Ｖｆの高くなった部分に孔１３を形成する孔加工工程が行われる。その後、バリ取りや不要部の切断等の外形加工が行われて、図６（ｃ）に示すように複合材成形体１１の製造が完了する。この複合材成形体１１も他の部品１６に対して孔１３に貫通されるボルト１７及びナット１８で締め付け固定された状態で接合（固定）されて使用される。

従って、この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）、（２）及び第２の実施形態における（７）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（８）複合材成形体１１の一部の繊維体積率Ｖｆを高める方法として、成形型２０は従来技術を変更せずに、キャビティ２１ａ内に強化繊維１２，１２ａを配置する際に、繊維体積率Ｖｆを高めるべき部分と対応する箇所に他の部分より多く強化繊維１２，１２ａを配置する。従って、複合材成形体１１の厚さが一定でも、孔１３が形成される部分の単位体積当たりの繊維量が増加して繊維体積率Ｖｆが他の部分より高く形成される。その結果、製造時に複合材成形体１１の成形型２０からの取り出しが容易になる。

（９）繊維体積率Ｖｆを高める部分の面積あるいは数を変更する場合、当該部分に配置する強化繊維１２ａを加えることで、簡単に対応することができる。例えば、図６（ａ），（ｂ）の紙面と垂直方向に並ぶように複数の孔１３を形成する必要がある場合は、強化繊維１２ａを長くすることで容易に対応することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 第２の実施形態において、座金１９を下型２１のキャビティ２１ａに当接する状態で配置する代わりに、キャビティ２１ａ内に配置した強化繊維体１５の上に座金１９を配置してもよい。この場合も、第２の実施形態と同じ複合材成形体１１を製造することができる。

○ 第２の実施形態において、孔１３を形成すべき所定位置と対応する部分のキャビティ２１ａに当接する位置と、キャビティ２１ａ内に配置した強化繊維体１５の上とにそれぞれ座金１９を配置してもよい。この場合、複合材成形体１１として、孔１３の両端と対応する箇所にそれぞれ座金１９が一体化されたものを製造することができる。

○ 第２の実施形態において、別部品として座金１９を使用する代わりに、別部品を強化繊維体１５の所定部分の繊維体積率Ｖｆを高める役割を果たすためだけに使用して、複合材成形体１１が形成された後、複合材成形体１１から別部品を除去するようにしてもよい。この場合、別部品の形状の自由度が高くなる。

○ 成形型２０の上型２２に凸部２２ａを設ける代わりに、下型２１に強化繊維体１５を押圧して繊維体積率Ｖｆを部分的に高めるための凸部を設けてもよい。この場合も、第１の実施形態と同様に複合材成形体１１を製造することができる。

○ 複合材成形体１１は平板に限らず、厚さの異なる部分や湾曲部、あるいは屈曲部を備えた部材であってもよい。
○ キャビティ２１ａ内に強化繊維１２を配置して強化繊維体１５を形成する代わりに、強化繊維体１５としてキャビティ２１ａの外で強化繊維を加工したプリフォームを使用してもよい。プリフォームとしては、織物、編物、不織布等の二次元の繊維構造体や三次元織物、三次元編物、組み紐等の三次元構造体が挙げられる。

○ 複合材成形体１１を構成する樹脂は熱硬化性樹脂に限らず、熱可塑性樹脂であってもよい。熱可塑性樹脂を使用する場合は、成形型２０を樹脂の溶融温度以上に加熱した状態で樹脂の含浸を行う。

○ 強化繊維体１５として予め繊維に樹脂が含浸されて半硬化状態（Ｂステージ状態）に加工されたプリプレグをキャビティ２１ａ内に配置したり、プリプレグと強化繊維１２を混合して配置してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）成形型のキャビティ内の前記強化繊維体の所定部分と対応する箇所に成形型と別体の部品を配置して、型閉じ状態において前記別体の部品で前記強化繊維体の所定部分を押圧して当該部分の繊維体積率Ｖｆを他の部分の繊維体積率Ｖｆより高めるようにする。

（２）前記強化繊維体としてプリフォームを使用する。

第１の実施形態における複合材成形体の模式断面図。 （ａ）〜（ｃ）は複合材成形体の製造方法を説明する模式断面図。 複合材成形体の使用状態を示す模式断面図。 （ａ）は複合材の厚さと繊維体積率との関係を示すグラフ、（ｂ）は複合材の面外方向弾性率Ｅｔと樹脂弾性率Ｅｍの比と、繊維体積率との関係を示すグラフ。 （ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態における複合材成形体の製造方法を説明する模式断面図。 （ａ）〜（ｃ）は第３の実施形態における複合材成形体の製造方法を説明する模式断面図。

符号の説明

１１…複合材成形体、１１ａ…周囲部分、１１ｂ…部分、１２，１２ａ…強化繊維、１３…孔、１４…凹部、１５…強化繊維体、２０…成形型、２１ａ…キャビティ。

Claims (2)

1. 強化繊維体及びマトリックス樹脂からなる成形体を有する複合材成形体であって、
   前記成形体には、孔を有する座金が一体に形成されており、前記座金が設けられることにより、前記強化繊維体の前記座金と対応する部分における繊維体積率が前記座金と対応しない部分の繊維体積率より高く形成されており、
   前記成形体における前記座金の孔に対向する部分には、孔が形成されていることを特徴とする複合材成形体。
2. 孔が形成された座金を成形型のキャビティ内に配置する座金配置工程と、
   前記キャビティ内に強化繊維体を配置する強化繊維体配置工程と、
   前記成形型を閉じた状態において、前記強化繊維体の前記座金と対応する部分における繊維体積率が前記座金と対応しない部分の繊維体積率より高くなるように、前記キャビティ内に配置された前記強化繊維体及び前記座金をプレスする強化繊維体プレス工程と、
   前記プレスされた強化繊維体に含浸された樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、
   樹脂硬化後の成形体の前記座金の孔に対向する部分に孔を形成する孔加工工程と
   を備えることを特徴とする複合材成形体の製造方法。

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