JP5179952B2 - 中空成形品および中空成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空成形品およびその製造方法に関する。

繊維強化プラスチックの成形方法の１つに真空バッグ成形法がある。例えば特許文献１に記載の発明では、シート状のプリプレグを型の内部に敷設した後、プリプレグをバッグにより覆い、バッグと型との間を排気することにより、バッグによってプリプレグを型に押し付けて成形している。この方法では、シート状のプリプレグの一方の面が、型に押し付けられて成形される。
特開２００４−５８６０８号公報

しかし、シート状のプリプレグのもう一方の面は、バッグにより押圧されて成形され、型により成形される面に比べ寸法精度が低い。このため、特許文献１の方法により複数の部材を作製し、これらをオーバーラップさせて接合して１つの成形品にしようとすると、型により複数の部材を成形し接合する場合に比べ、寸法精度が低く、出来上がった成形品は他の部品との組立てに支障を来たす虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、寸法精度が良好で、他の部品との組立てが容易な中空成形品およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の中空成形品は、繊維強化プラスチックからなり、同一の凹状の断面形状を有する２つの構成片の一部を互いにオーバーラップさせて接合することによって中空断面を形成してなる中空成形品である。

構成片のそれぞれは、２つの構成片のうち、一方の構成片の外形形状を形成する側の面と、他方の構成片の内形形状を形成する側の面とをオーバーラップさせて接合するための平坦な接合面を有し、構成片のそれぞれの両面のうち少なくとも中空断面の外形形状を形成する側の面、および接合面が、型により成形されている。

上記目的を達成するための本発明の中空成形品の製造方法は、繊維強化プラスチックからなり、同一の凹状の断面形状を有する２つの構成片の一部を互いにオーバーラップさせて接合することによって中空断面を形成してなる中空成形品の製造方法である。

本発明の中空成形品の製造方法は、構成片のそれぞれの両面のうち少なくとも中空断面の外形形状を形成する側の面、および、２つの構成片のうち、一方の構成片の外形形状を形成する側の面と、他方の構成片の内形形状を形成する側の面とをオーバーラップさせて接合するための平坦な接合面を、型によって成形する成形工程と、接合面で構成片同士をオーバーラップさせて接合する接合工程と、を有する。

本発明では、構成片同士が接合する接合面が型により成形され、なおかつ平坦であるため、構成片同士が精度良く接合し、成形品の寸法精度が良好である。よって、成形品と他の部品との組立てが容易である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、共通する機能を有する部材については、類似の符号を付し、また、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の中空成形品を適用したフロントサイドメンバの概略斜視図、図２はフロント部の断面を拡大して示す概略斜視図、図３は第１実施形態の中空成形品の概略斜視図である。図４は構成片の作製方法を説明するための成形装置の概要図、図５は構成片の接合を説明するための構成片の端面図である。

図１において概説すると、本実施形態の中空成形品１４は、自動車の骨格をなすフロントサイドメンバ１０の構成部品の１つである。

フロントサイドメンバ１０は、自動車の車体前方の車幅方向両側下方に位置し、車体の前後方向に長尺な形状をなす。フロントサイドメンバ１０は、車体の前方側に位置するフロント部１１、および後方側に位置するリア部１２が一体となった構造を有する。自動車が衝突すると、衝撃力Ｆ（荷重）がフロント部１１の先端側からフロント部１１の延在方向と略一致して加わり、フロント部１１は座屈しつつエネルギを吸収する。

図２に示すように、フロント部１１は、中空な被覆部材１５の内部に、本実施形態の中空成形品１４、および発泡樹脂からなる中実部材１３を入れ込んだ構造を有する。中空成形品１４、および被覆部材１５は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなる。繊維強化プラスチックは、強化繊維と樹脂との複合材料である。

強化繊維は、強化材となるものであれば特に制限はなく、例えば、炭素繊維、黒鉛繊維、もしくはガラス繊維、またはアラミド、パラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリビニルアルコール、ポリアリレート等の有機繊維等が挙げられる。これらの２種類以上を併用したものも使用できる。これらの中でも、比較的高強度・高剛性である炭素繊維、またはガラス繊維が好ましく、本実施形態の強化繊維は、炭素繊維である。

一方、樹脂は、ＦＲＰのマトリックス樹脂となるものであればあらゆる樹脂が使用可能である。例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂、更にはこれらの混合樹脂も使用できる。本実施形態は、これらの中でも耐熱性や物理特性に優れたエポキシ樹脂を用いる。

中実部材１３および中空成形品１４は、被覆部材１５の内部で交互に複数並ぶ。中空成形品１４は、自動車の衝突時に作用する荷重により壊れつつエネルギを吸収する。中空成形品１４は、被覆部材１５に嵌合するとともに接着剤により被覆部材１５に接合している。接着剤は、例えばエポキシ樹脂である。中実部材１３は、例えばポリウレタン製である。

図３に示すように、中空成形品１４は、略直方体形状で、略矩形形状の中空断面を有する。中空成形品１４は、２つの同一形状の構成片２０および構成片３０を有する。これら２つの構成片２０および構成片３０は、接合することによって中空成形品１４を構成している。構成片２０および構成片３０は、一部を互いにオーバーラップさせて接合している。

構成片２０および構成片３０のそれぞれは長尺状で、長手方向に直交する断面が凹状をなしている。構成片２０は、構成片３０と接合させるための平板状の接合部２１、２２を有する。接合部２１、２２は、互いに平行に伸びる。同様に、構成片３０も、構成片２０と接合させるための平板状の接合部３１、３２を有する。接合部３１、３２は、互いに平行に伸びる。

構成片２０は、接合部２１の平面２３（接合面に相当する）、および接合部２２の平面２６（接合面に相当する）で、構成片３０と接合する。構成片３０は、接合部３１の平面３５（接合面に相当する）、および接合部３２の平面３４（接合面に相当する）で、構成片２０と接合する。すなわち、構成片２０と構成片３０とは、平面２３と平面３５とをオーバーラップさせるとともに、平面２６と平面３４とをオーバーラップさせて互いに接合する。また、構成片２０と構成片３０とは、平面２５（接合面に相当する）と平面３３（接合面に相当する）とをオーバーラップさせるとともに、平面２４（接合面に相当する）と平面３６（接合面に相当する）とをオーバーラップさせて互いに接合してもよい。

構成片２０と構成片３０とは、各構成片の延在方向に対して直角な方向（図３で示すＹ方向であり、以下、単にＹ方向と称す）に互いにスライドすることにより、互いにオーバーラップする部分の面積、すなわちオーバーラップ量を変えることができる。構成片２０と構成片３０とがＹ方向にスライドすることにより、中空成形品１４の中空断面の大きさが変わる。

また、構成片２０と構成片３０とは、各構成片の延在方向（図３で示すＸ方向、以下、単にＸ方向と称す）に互いにスライドすることにより、オーバーラップ量を変えることもできる。構成片２０と構成片３０とは、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤により接合する。

次に、本実施形態の中空成形品１４の製造方法を説明する。

概説すると、本実施形態の中空成形品１４の製造方法は、まず構成片２０および構成片３０を作製し、その後これらを接合する。

図４に示すように、構成片２０および構成片３０の作製方法は、成形型内に封入した強化繊維に溶融した熱硬化性樹脂を注入して加熱硬化させるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法を用いたものである。

成形型４０（型に相当する）は、断面凹形状のキャビティ４４を備えた下型４２と、断面矩形形状のコア４３を備えた上型４１とを有する。上型４１および下型４２は、互いに合わさり、キャビティ４４およびコア４３により、構成片２０、３０の外形形状を有する空間を形成する。上型４１および下型４２の材質は、ＦＲＰ、鋳鋼、構造用炭素鋼、アルミニウム合金、ニッケル電鋳、銅電鋳が挙げられる。耐熱性、作業性、そして剛性の面から構造用炭素鋼が好ましい。

成形型４０は、エポキシ樹脂を注入するための樹脂注入装置５０に接続している。樹脂注入装置５０は、キャビティ４４に連通し、エポキシ樹脂を成形型４０内に注入する。

樹脂注入装置５０は、エポキシ樹脂の主剤を収容するタンク５１と、エポキシ樹脂の硬化剤を収容するタンク５２とを有する。それぞれのタンク５１、５２は、加温および真空脱泡可能な機構を備える。

主剤は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールボラック型エポキシ樹脂、グリジシルアミン型エポキシ樹脂が挙げられる。一方、硬化剤は、ジシアンジアミドにジクロロフェニルジメチル尿素を組み合わせた硬化剤系が挙げられる。

樹脂注入装置５０は、主剤および硬化剤を押し出すための加圧装置５３と、押し出された主剤および硬化剤を混合する混合ユニット５４とを有する。エポキシ樹脂は、混合ユニット５４とキャビティ４４とに連通した樹脂注入管５５を通り、成形型４０内に入る。

構成片２０および構成片３０の作製では、まず、作業者が不織布状の炭素繊維である強化繊維基材４５を下型４２のキャビティ４４に設置する。強化繊維基材４５は、成形型４０に収まりやすいように予め製品形状に賦形したものでもよい。また、強化繊維基材４５の形態は、不織布状だけでなく、織物、マット、ニット材料、チョップドファイバー等であってもよい。

強化繊維基材４５の設置後、油圧ポンプ（不図示）に接続した油圧シリンダ４６が、上型４１を下型４２に向かって下降させ、成形型４０を閉じる。その後、樹脂注入装置５０が、成形型４０内にエポキシ樹脂を注入し、強化繊維基材４５に樹脂を含浸させる。

熱媒循環式の温調機６０が、上型４１および下型４２を加熱しており、上型４１および下型４２の熱によりエポキシ樹脂は硬化する。温調機６０の熱媒は、例えば、水、スチーム、または鉱物油である。

下型４２は、キャビティ４４により、構成片２０および構成片３０の外面を成形する。構成片２０の外面は、接合部２１の平面２５および接合部２２の平面２６を含む。また、構成片３０の外面は、接合部３１の平面３５および接合部３２の平面３６を含む。構成片２０の外面、および構成片３０の外面は、中空断面の外形形状を形成する側の一の面に相当する。

一方、上型４１は、コア４３により、構成片２０および構成片３０の内面を成形する。構成片２０の内面は、接合部２１の平面２３、および接合部２２の平面２４を含む。また、構成片３０の内面は、接合部３１の平面３３および接合部３２の平面３４を含む。構成片２０の内面、および構成片３０の内面は、中空断面の内形形状を形成する側の他の面に相当する。

エポキシ樹脂が硬化し構成片２０が出来上がったら、油圧シリンダ４６は、上型４１を上昇させて成形型４０を開く。作業者は、出来上がった構成片２０を取り出し、キャビティ４４に強化繊維基材４５を再度設置し、同様の過程により構成片３０を作製する。

２つの構成片２０および構成片３０が出来上がった後、図５に示すように、作業者は、平坦な接合面２３もしくは接合面３５、および平坦な接合面２６もしくは接合面３４に接着剤を塗布し、構成片２０および構成片３０を接合して、中空成形品１４を完成させる。

本実施形態の効果を説明する。

例えば、真空バッグ法、シートワインディング（ＳＷ）成形法、またはフィラメントワインディング（ＦＷ）成形法等の他の成形法により構成片２０および構成片３０を成形した場合、構成片２０および構成片３０の両面のうち一方の面は型により成形されるが、他方の面は型により成形されず、寸法精度が劣る。このため、接合部２１、２２、３１、３２の両面のうち一方の面は、他方の面に比べ寸法精度が低い。

これに対し本実施形態では、成形型４０が、構成片２０の両面を成形する。よって、接合部２１の両面の平面２３と２５、および接合部２２の両面の平面２４と２６の寸法精度が、上述の成形法により成形した場合に比べ良好である。また、成形型４０は、構成片３０の両面も成形し、接合部３１の両面の平面３３と３５、および接合部３２の両面の平面３４と３６の寸法精度が、上述の成形法により成形した場合に比べ良好である。したがって、構成片２０と構成片３０とは、精度良く接合する。

また、構成片２０と構成片３０とは、平坦な面、すなわち平面２３（２５）と平面３５（３３）および平面２６（２４）と平面３４（３６）で接合するため、曲面で接合する場合に比べ、構成片同士の接合が容易であり、精度良く構成片２０と構成片３０とが接合できる。

構成片２０と構成片３０とが、精度良く接合するため、中空成形品１４の寸法精度が良好であり、他の部品、本実施形態では被覆部材１５との組立てが容易である。

本実施形態では、成形型４０は、構成片２０および構成片３０の外面全体だけでなく、構成片２０および構成片３０の内面全体も成形する。このため、上で挙げた他の成形法に比べ、中空成形品１４の内形形状の寸法精度が良い。よって、中空成形品１４の内部への他の部品の嵌合や接合等、部品の組立てが容易である。

本実施形態では、構成片２０および構成片３０は、互いにスライドしてオーバーラップ量を変えることができる。したがって、本実施形態は、中空成形品１４のサイズ毎に成形型４０等の製造装置を変更することなく、様々なサイズの中空成形品１４を作製でき、設計の自由度に優れる。

＜第２実施形態＞
図６（Ａ）は第２実施形態の構成片の端面図、図６（Ｂ）および（Ｃ）は第２実施形態の中空成形品の端面図である。

第２実施形態は、第１実施形態と略同様であるが、図６に示すように、構成片２０Ａと構成片３０Ａとが、突起２８Ａ、３８Ａと溝２９Ａ、３９Ａとを嵌合させて接合する点で、第１実施形態と異なる。突起２８Ａ、３８Ａと溝２９Ａ、３９Ａとは、係合部に相当する。

図６（Ａ）に示すように、構成片２０Ａは、接合部２１Ａの平面２３Ａ（接合面に相当する）に複数の突起２８Ａを有し、接合部２２Ａの平面２６Ａ（接合面に相当する）に複数の溝２９Ａを有する。

また、構成片３０Ａは、接合部３１Ａの平面３５Ａ（接合面に相当する）に複数の溝３９Ａを有し、接合部３２Ａの平面３４Ａ（接合面に相当する）に複数の突起３８Ａを有する。

複数の突起２８Ａ、３８ＡのピッチＰ１と、複数の溝２９Ａ、３９ＡのピッチＰ２とは等しい。また、溝２９Ａ、３９Ａの数は、突起２８Ａ、３８Ａの数よりも多い。突起２８Ａ、３８Ａ、および溝２９Ａ、３９Ａは、Ｘ方向に延在し、Ｙ方向に並ぶ。

図６（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、構成片２０Ａ、３０Ａは、突起２８Ａ、３８Ａと溝２９Ａ、３９Ａとの嵌合位置を変えることにより、Ｙ方向のオーバーラップ量を変えて接合可能で、互いの位置をずらして中空断面の大きさを変更できる。また、構成片２０Ａ、３０Ａは、溝２９Ａ、３９Ａおよび突起２８Ａ、３８Ａに沿って、Ｘ方向にスライドして、Ｘ方向のオーバーラップ量を変更できる。

第２実施形態の構成片２０Ａは、係合部に相当する突起２８Ａとは別に、中空断面の内側に突出する複数の凸部２７Ａを有する。凸部２７Ａは、構成片２０Ａの一部が突出してなる。また、構成片３０Ａは、係合部に相当する突起３８Ａとは別に、中空断面の内側に突出する複数の凸部３７Ａを有する。凸部３７Ａは、構成片３０Ａの一部が突出してなる。

凸部２７Ａは、接合部２２Ａの平面２４Ａに複数形成される。凸部２７Ａは、Ｘ方向に延在し、Ｙ方向に並ぶ。また、凸部３７Ａは、接合部３１Ａの平面３３Ａに複数形成される。凸部３７Ａは、Ｘ方向に延在し、Ｙ方向に並ぶ。

第２実施形態の効果を説明する。

第２実施形態では、構成片２０Ａ、３０Ａが突起２８Ａ、３８Ａと溝２９Ａ、３９Ａとを嵌合させて接合するため、構成片同士を接合する際、両者の位置決めが容易である。したがって、第２実施形態は、第１実施形態の効果に加えさらに部品の組立てを容易にできる。

第２実施形態では、凸部２７Ａ、および凸部３７Ａが、中空断面の内側に突出する分だけ、第１実施形態の中空成形品１４に比べ、衝撃力Ｆの入力方向に対して直交する断面におけるＦＲＰの断面積が大きい。

中空成形品１４、１４Ａは、ＦＲＰの炭素繊維が曲がったり炭素繊維の層と層とが剥離したりすることにより、自動車衝突時のエネルギを吸収するため、断面積が増加し強化繊維の量が増えるほどエネルギ吸収量が向上する。よって、第２実施形態は、第１実施形態に比べＦＲＰの断面積が大きい分だけ、エネルギ吸収量の向上を図り得る。また、中空成形品の構成片同士の接合を強固にでき、衝撃が加わった際に中空形状を維持しやすい利点がある。

＜変形例＞
図７は第２実施形態の変形例を示す概略斜視図である。

変形例は、係合部に相当する突起２８Ｅ、３８Ｅと溝２９Ｅ、３９Ｅとが、Ｘ方向ではなくＹ方向に延在し、Ｘ方向に複数並ぶ点で第２実施形態と異なる。変形例は、Ｙ方向に突起２８Ｅ、３８Ｅと溝２９Ｅ、３９Ｅとが延在するため、第２実施形態のように段階的に中空断面のサイズが変わるのではなく、連続的に中空断面のサイズを変更できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。例えば、構成片の製造方法は、接合面および構成片の外面を型によって成形するものであればよく、ＲＴＭ成形法の他、プレス成形法等他の公知の技術を用いることができる。

また、中空成形品の形状は、実施形態に限定されず、種々設計できる。例えば、図８（Ａ）に示すように、構成片２０Ｂ、３０Ｂの外面（一の面に相当）が、接合面の他に平坦面２７Ｂ、２８Ｂ、３７Ｂ、３８Ｂを含み、構成片２０Ｂ、３０Ｂは、略六角形形状の端面を形成してもよい。

また、図８（Ｂ）に示すように、構成片２０Ｃ、３０Ｃの外面が、接合面の他に半円状の曲面２７Ｃ、３７Ｃをそれぞれ含み、構成片２０Ｃ、３０Ｃは、略楕円形形状の端面を形成してもよい。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示した変形例では、構成片のそれぞれは、端部に接合面を有するが、本発明はこの形態に限定されない。すなわち、図８（Ｃ）に示すように、構成片２０Ｄ、３０Ｄは、端部と異なる箇所に接合面２３Ｄ、２６Ｄ、３４Ｄ、３５Ｄを有してもよい。

また、実施形態では、成形型が構成片の内面および外面の全体を成形するが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、少なくとも構成片において中空断面の外形形状を形成する側の一の面および構成片同士がオーバーラップして接合する接合面が、型により成形されるものであればよい。中空成形品の内面全体を型により成形するか否かは、中空成形品の内部に他の部材を嵌合させる場合等に要求される寸法精度に応じて決定できる。

第１実施形態の中空成形品を適用したフロントサイドメンバの概略斜視図である。 フロント部の断面を拡大して示す概略斜視図である。 第１実施形態の中空成形品の概略斜視図である。 構成片の作製方法を説明するための成形装置の概要図である。 構成片の端面図である。 （Ａ）は第２実施形態の構成片の端面図、（Ｂ）および（Ｃ）は第２実施形態の中空成形品の端面図である。 第２実施形態の変形例を示す概略斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は中空成形品の他の例を示す端面図である。

符号の説明

１０ フロントサイドメンバ、
１１ フロント部、
１２ リア部、
１３ 中実部材、
１４、１４Ａ〜１４Ｅ 中空成形品、
１５ 被覆部材、
２０、２０Ａ〜２０Ｅ、３０、３０Ａ〜３０Ｅ 構成片、
２１、２１Ａ〜２１Ｅ、２２、２２Ａ〜２２Ｅ、３１、３１Ａ〜３１Ｅ、３２、３２Ａ〜３２Ｅ 接合部、
２３〜２６、３３〜３６、２３Ａ、２３Ｄ、２４Ａ、２６Ａ、２６Ｄ、３４Ａ、３４Ｄ、３５Ａ、３５Ｄ 平面、
２７Ａ、３７Ａ、３７Ｅ 凸部、
２８Ａ、２８Ｅ、３８Ａ、３８Ｅ 突起、
２９Ａ、３９Ａ、２９Ｅ、３９Ｅ 溝、
４０ 成形型（型）、
４１ 上型、
４２ 下型、
４３ コア、
４４ キャビティ、
４５ 強化繊維基材、
４６ 油圧シリンダ、
５０ 樹脂注入装置、
５１、５２ タンク、
５３ 加圧装置、
５４ 混合ユニット、
６０ 温調機。

Claims (10)

1. 繊維強化プラスチックからなり、同一の凹状の断面形状を有する２つの構成片の一部を互いにオーバーラップさせて接合することによって中空断面を形成してなるものであって、
   前記構成片のそれぞれは、前記２つの構成片のうち、一方の構成片の外形形状を形成する側の面と、他方の構成片の内形形状を形成する側の面とをオーバーラップさせて接合するための平坦な接合面を有し、
   前記構成片のそれぞれの両面のうち少なくとも前記中空断面の外形形状を形成する側の面、および前記接合面が、型により成形されている中空成形品。
2. 前記構成片のそれぞれの両面のうち前記中空断面の内形形状を形成する側の面が、前記型により成形されている請求項１に記載の中空成形品。
3. 前記構成片のそれぞれは、前記接合面におけるオーバーラップ量を変えて接合可能である請求項１または２に記載の中空成形品。
4. 前記構成片のそれぞれは、構成片同士で係合する係合部が前記接合面に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空成形品。
5. 前記係合部は、前記中空断面の大きさを変更可能に複数設けられている請求項４に記載の中空成形品。
6. 前記構成片は、前記中空断面の内側に突出した凸部を有する請求項４または５に記載の中空成形品。
7. 前記構成片の前記中空断面の外形形状を形成する側の面は、平坦面を含んでいる請求項１〜６のいずれか１項に記載の中空成形品。
8. 前記構成片の前記中空断面の外形形状を形成する側の面は、曲面を含んでいる請求項１〜６のいずれか１項に記載の中空成形品。
9. 繊維強化プラスチックからなり、同一の凹状の断面形状を有する２つの構成片の一部を互いにオーバーラップさせて接合することによって中空断面を形成してなる中空成形品の製造方法であって、
   前記構成片のそれぞれの両面のうち少なくとも前記中空断面の外形形状を形成する側の面、および、前記２つの構成片のうち、一方の構成片の外形形状を形成する側の面と、他方の構成片の内形形状を形成する側の面とをオーバーラップさせて接合するための平坦な接合面を、型によって成形する成形工程と、
   前記接合面で前記構成片同士をオーバーラップさせて接合する接合工程と、を有する中空成形品の製造方法。
10. 前記成形工程は、前記構成片のそれぞれの両面のうち前記中空断面の内形形状を形成する側の面を、前記型により成形する工程を含む請求項９に記載の中空成形品の製造方法。

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