JP6251070B2 - Manufacturing method of shaft-shaped composite member - Google Patents
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Description
本発明は、軸状複合部材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a shaft-like composite member.
近年、自動車には、燃費性能の向上のために各種部材を軽量化・高強度化することが希求されており、例えば、カーボン材等の繊維強化樹脂が利用されている。繊維強化樹脂を利用したものとして、例えば、特許文献1には、ローリングテーブルを用い、カーボン繊維強化アルミパイプ(金属軸状部材)の外面にカーボン繊維強化層(繊維強化層)を巻き付ける技術的思想が開示されている。 In recent years, automobiles have been demanded to reduce the weight and strength of various members in order to improve fuel efficiency. For example, fiber reinforced resins such as carbon materials are used. For example, Patent Document 1 discloses a technical idea of using a rolling table and winding a carbon fiber reinforced layer (fiber reinforced layer) around the outer surface of a carbon fiber reinforced aluminum pipe (metal shaft-like member). Is disclosed.
ところで、例えば、自動車のフレーム構造体に用いられる軸状複合部材のように、曲率の高い形状(曲げ部)を有する軸状複合部材に対して繊維強化樹脂材を利用しようとした場合、曲げ部に繊維強化樹脂材を巻き付けてフレーム構造体の剛性を確保することが困難である。例えば、特許文献1に開示されたカーボン繊維強化層を直線状の芯金に巻き付けた後に芯金を曲げ変形させた場合、芯金の曲げ部の曲率が高くなると曲げ部の外側に巻き付けられたカーボン繊維強化層が伸長して破断するおそれがある。 By the way, when a fiber reinforced resin material is used for a shaft-shaped composite member having a shape with high curvature (bending portion), such as a shaft-shaped composite member used for a frame structure of an automobile, for example, It is difficult to secure the rigidity of the frame structure by wrapping the fiber reinforced resin material around the frame. For example, when the core metal is bent and deformed after the carbon fiber reinforced layer disclosed in Patent Document 1 is wound around a straight core metal, the core metal is wound around the outside of the bent section when the curvature of the bent section becomes high. There is a possibility that the carbon fiber reinforced layer may stretch and break.
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、曲げ部における内外周差を吸収して曲げ部の所望の強度及び剛性を確保することが可能な軸状複合部材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, a method for producing a desired capable of ensuring strength and rigidity shaft-like composite member inner periphery difference absorbs bent portion of the bent portion The purpose is to provide.
前記の目的を達成するために、本発明は、曲げ部を有する軸状複合部材の製造方法であって、一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、曲げ部の外表面に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた後、繊維強化樹脂材が芯金の径方向外側へ移動することを規制する拘束材を巻回する。さらに、拘束材によって繊維強化樹脂材が拘束された状態で繊維強化樹脂材を加熱して固化した後、拘束材を剥離することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a shaft-shaped composite member having a bent portion, wherein a fiber reinforced resin material made of a unidirectional reinforcing material is bonded to the outer surface of the bent portion. After a plurality of pieces are attached in parallel along the axial direction, a restraining material that restricts the movement of the fiber-reinforced resin material to the outside in the radial direction of the core metal is wound . Furthermore, after the fiber reinforced resin material is heated and solidified in a state where the fiber reinforced resin material is constrained by the constraining material, the constraining material is peeled off .
本発明によれば、例えば、一方向にのみ繊維が配向されたプリプレグ等の一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、所定のテンションを付与しながら芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた軸状複合部材を得ることができる。従って、本発明では、軸状複合部材の曲げ部における繊維強化樹脂材の内外周差を吸収し、例えば、しわやよりを生じることなく形成することができる。この結果、本発明では、軸状複合部材の曲げ部における所望の強度及び剛性を確保することができる。 According to the present invention, for example, a plurality of fiber reinforced resin materials made of a unidirectional reinforcing material such as a prepreg in which fibers are oriented only in one direction are juxtaposed along the axial direction of the core metal while applying a predetermined tension. Thus, a shaft-like composite member pasted can be obtained. Therefore, in the present invention, the difference between the inner and outer circumferences of the fiber reinforced resin material in the bent portion of the shaft-shaped composite member can be absorbed and formed without causing wrinkles or twists, for example. As a result, in the present invention, desired strength and rigidity can be ensured in the bent portion of the shaft-shaped composite member.
本発明では、曲げ部における内外周差を吸収して曲げ部の所望の強度及び剛性を確保することが可能な軸状複合部材の製造方法を得ることができる。 In the present invention, it is possible to obtain a manufacturing method of a desired capable of ensuring strength and rigidity shaft-like composite member inner periphery difference absorbs bent portion of the bent portion.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る軸状複合部材の製造方法を用いて製造された軸状複合部材の斜視図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a perspective view of a shaft-shaped composite member manufactured using the method for manufacturing a shaft-shaped composite member according to an embodiment of the present invention.
図1に示されるように、軸状複合部材10は、その一部に略L字形状を有し、直線部12と曲げ部14とが組み合わされた複合形状からなる。この軸状複合部材10は、金属製(例えば、アルミニウム製)の中空パイプで形成された芯金16と、芯金16の外表面の略全面を被覆し、繊維配向方向が一方向のみ(一方向強化材)からなる繊維強化樹脂材18とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the shaft-
繊維強化樹脂材18としては、例えば、後記するプリプレグ(prepreg)18a等であることが好ましい。このプリプレグ18aの繊維配向方向は、プリプレグ18aの軸線方向(長手方向)と一致する一方向のみである。繊維強化樹脂材18は、後記するように、芯金17の外周面に対し、芯金16の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けられることで、芯金16の外表面にコーティングされている。換言すると、繊維強化樹脂材18は、その繊維配向角度(fiber orientation angle)が0度であり、芯金16の軸線方向と繊維強化樹脂材18の繊維配向方向とが平行となっている。
The fiber reinforced
「プリプレグ」とは、例えば、炭素繊維等の繊維状補強材に対して、硬化剤等の添加物を混合した熱硬化性樹脂を均等に含浸させ、さらに、加熱又は乾燥して半硬化状態にした強化プラスチック成形材料をいい、後に加熱等により完全に硬化される。プリプレグ18aとしては、例えば、「トゥプリプレグ」が用いられることが好ましい。
“Pre-preg” means, for example, impregnating a fibrous reinforcing material such as carbon fiber with a thermosetting resin in which an additive such as a curing agent is mixed, and then heating or drying to make a semi-cured state. This is a reinforced plastic molding material that is completely cured later by heating or the like. As the
軸状複合部材10の軸方向に沿った両端部には、装着部20が設けられている。この装着部20は、軸状複合部材10が車両に組み付けられた際、図示しない車両構造体(例えば、ボディパネル)に対して装着される部分である。装着部20は、芯金16の外表面に繊維強化樹脂材18がコーティングされておらず、芯金16の外表面が外部に露呈している。
At both end portions along the axial direction of the shaft-shaped
本実施形態に係る軸状複合部材の製造方法によって製造された軸状複合部材10は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
The shaft-shaped
先ず、軸状複合部材10の製造装置について概略説明する。図2は、製造装置によって、芯金に対して複数のプリプレグを貼り付けると共に、貼り付けられた複数のプリプレグを熱収縮テープによって拘束する状態を示す斜視図である。
図2に示されるように、この製造装置は、複数の小径ボビン22と、単一の大径ボビン24と、芯金16の外周面を囲繞する貫通孔28aを有するゴム部材28とを備える。
First, the manufacturing apparatus of the shaft-shaped
As shown in FIG. 2, the manufacturing apparatus includes a plurality of small-
複数の各小径ボビン22には、それぞれ、繊維強化樹脂材18の前駆体であるプリプレグ18aが予め所定量(例えば、完成品である軸状複合部材10の長さに対応する長さ)が巻回されている。各プリプレグ18aは、同一材料からなり、軸線と略直交する幅寸法が同一に構成されている。複数の各小径ボビン22は、芯金16の軸芯を略中心とする外径側に略環状に配置され、図示しない変位手段を介して、全体が略環状に配置されたまま芯金16の軸方向に沿って変位可能に設けられている。
Each of the plurality of small-
単一の大径ボビン24には、拘束材として機能する熱収縮テープ26が予め所定量(施工に必要な量)が巻回されている。ゴム部材28は、図示しない変位手段を介して芯金16の軸線方向に沿って変位可能に設けられている。なお、本実施形態では、軸線と略直交する熱収縮テープ26の幅寸法は、直線部12と曲げ部14においてそれぞれ同一寸法に設定されているが、後記するように、異なる寸法で設定されるようにしてもよい。いずれの寸法であっても、プリプレグ18aを芯金16の表面に、プリプレグ18a同士の間に隙間を生じることなく貼り付けるためのものである。
A predetermined amount (a necessary amount for construction) is wound around a single large-
次に、この製造装置によって製造される軸状複合部材10の製造方法について、以下詳細に説明する。図3(a)〜図3(c)は、軸状複合部材の製造工程を時系列に沿って示した説明図である。
Next, the manufacturing method of the shaft-shaped
先ず、軸方向に沿った一端から他端まで直線状に形成された金属製の芯金に対し曲げ加工を施して、直線部12と、所望の曲率半径を有するR部からなる曲げ部14とが組み合わされた略L字状の芯金16を形成する。なお、直線部12と曲げ部14とが組み合わされた略L字状の芯金16を、他の成形方法で、例えば、鋳造成形又は鍛造成形によって形成してもよい。
First, a metal core that is linearly formed from one end to the other end along the axial direction is subjected to a bending process, and a
続いて、図示しないテンショナを介して各プリプレグ18aに対して所定のテンションが付与された状態において、各小径ボビン22からプリプレグ18aを引き出し、芯金16の軸方向に沿って複数のプリプレグ18aを並列に隙間無く貼り付ける(図2参照)。複数のプリプレグ18aの貼り付けは、略U字状の芯金16の一方の装着部20と直線部12との境界部分から直線部12、曲げ部14及び直線部12を経て、他方の装着部20と直線部12との境界部分に向かって連続して貼り付けられる。
Subsequently, in a state where a predetermined tension is applied to each
なお、芯金16の外周面に対する複数のプリプレグ18aの貼り付けは、同時又は略同時に遂行されることが好ましいが、一部のプリプレグ18aを芯金16の軸方向に沿って貼り付けた後、残部のプリプレグ18aを芯金16の軸方向に沿って貼り付けるような場合であってもよい。
In addition, it is preferable that the bonding of the plurality of
芯金16の軸方向に沿って並列に貼り付けられた複数のプリプレグ18aには、隣接するプリプレグ18aとの間でその一部が重畳する段差部が形成される。なお、段差部を形成しないで隣接するプリプレグ18a間のクリアランスが零となるように、複数のプリプレグ18aを芯金16の軸線と平行に配設してもよい。いずれも、プリプレグ18a同士の間に隙間を生じさせない。
The plurality of
図2に示されるように、テンションが付与されて各小径ボビン22から引き出された各プリプレグ18aは、芯金16の外周面を囲繞する円板状のゴム部材28によって芯金16の外周面に対し整列された状態で保持される。芯金16の外周面に保持された複数のプリプレグ18aは、直線部12及び曲げ部14において、芯金16の軸線と並列に配置される。
As shown in FIG. 2, each
ゴム部材28によって複数のプリプレグ18aが芯金16の外周面に保持された後、大径ボビン24から引き出された熱収縮テープ26を芯金16に対して螺旋状に巻回する(図2参照)。
After the plurality of
すなわち、複数のプリプレグ18aを芯金16の軸方向に沿って芯金16の外周面に貼り付けた後、さらに、大径ボビン24に巻回された熱収縮テープ26を図示しない他のテンショナを介して所定のテンションが付与された状態で引き出し、プリプレグ18aの上から螺旋状に巻き付けて複数のプリプレグ18aを拘束する。
That is, after a plurality of
熱収縮テープ26は、芯金16に貼り付けられたプリプレグ18aの上に積層(重畳)される。芯金16の外周面に貼り付けられた複数のプリプレグ18aは、熱収縮テープ26によって拘束されるまでの間、ゴム部材28の貫通孔28aの内周面によって保持される。なお、複数のプリプレグ18aと芯金16の外周面との間には、例えば、接着剤等を介在させるようにしてもよい。
The heat-
この熱収縮テープ26は、拘束材として機能するものであり、プリプレグ18aが芯金16の径方向外側へ移動することや、プリプレグ18aが芯金16の周方向へ移動してズレが生ずることを規制する。この結果、芯金16の外周面に軸方向に沿って並列に貼り付けられた複数のプリプレグ18aの配置を乱すことが回避される。
The heat shrinkable
このようにしてプリプレグ18aが熱収縮テープ26によって拘束された中間成形体30(図3(a)参照)を、図示しない加熱炉等の硬化炉に収容し、加熱手段32所定の温度で加熱して熱硬化させる(図3(b)参照)。熱硬化させることにより、芯金16の外周面に貼り付けられた複数のプリプレグ18a(半硬化状態)が完全に硬化して芯金16の外周面に一体的に結合される。
The intermediate molded body 30 (see FIG. 3A) in which the
最後に、熱収縮テープ26を、プリプレグ18a及び芯金16から剥離させることにより、完成品としての軸状複合部材10が完成する(図3(c)参照)。なお、熱収縮テープ26を剥離させた後、複数のプリプレグ18aが並行配置された段差部を研磨して凹凸を無くすことにより、意匠的美観性を向上させるようにしてもよい。
Finally, the heat-
図4(a)は、プリプレグの繊維配向角と軸状複合部材の曲げ部におけるヤング率との関係を示す特性図、図4(b)は、軸線を基準とする繊維配向角(±θ)の説明図、図4(c)は、軸状複合部材に付与される荷重入力ポイントを示す説明図である。図4(a)に示されるように、各プリプレグ18aを芯金16の軸方向に沿って貼り付けるときの角度(繊維配向角θ)は、約10度以下(0度を含む)に設定されるとよい。繊維配向角が約10度を超えると、ヤング率が急激に減少して曲げ剛性が低下するからである。なお、図4(b)に示されるように、繊維配向角度(θ)は、芯金の軸線を基準として±θの角度に設定される。また、図4(c)に示されるように、曲げ部14におけるヤング率(応力/歪)を算出する際の荷重入力ポイントは、軸状複合部材10の一端部の装着部20であり、装着部20の軸線と略直交する鉛直下方向に向かって荷重を付与している。
FIG. 4A is a characteristic diagram showing the relationship between the fiber orientation angle of the prepreg and the Young's modulus at the bending portion of the shaft-shaped composite member, and FIG. 4B is the fiber orientation angle (± θ) based on the axis. FIG. 4C is an explanatory diagram showing load input points given to the shaft-shaped composite member. As shown in FIG. 4A, the angle (fiber orientation angle θ) when each
この結果、プリプレグ18a(繊維強化樹脂材18)の繊維配向角(±θ)は、軸状複合部材10の軸線を基準として、約±10度の範囲内(0度を含む)に設定されることが好ましい。なお、繊維配向角が0度の場合には、芯金16の軸線と各プリプレグ18aの軸線とが平行となり、最も高い曲げ剛性が得られる。
As a result, the fiber orientation angle (± θ) of the
本実施形態では、一方向にのみ繊維が配向されたプリプレグ18aからなる繊維強化樹脂材18を、所定のテンションを付与しながら芯金16の軸線方向に沿って複数並列して貼り付けた軸状複合部材16を得ることができる。従って、本実施形態では、曲げ部14の外周面を螺旋状に巻回した場合と比較して、曲げ部14におけるプリプレグ18aの内外周差を吸収することができ、例えば、しわやよりなく形成することができる。この結果、本実施形態では、軸状複合部材10の曲げ部14における所望の強度及び剛性を確保することができる。
In the present embodiment, a shaft shape in which a plurality of fiber reinforced
また、本実施形態では、図4に示される特性図から、プリプレグ18aの繊維配向角が、約±10度の範囲内(0度を含む)に設定されることにより、所望の曲げ剛性を有する軸状複合部材10を得ることができる。
In the present embodiment, the fiber orientation angle of the
図5(a)は、軸状複合部材の直線部と曲げ部とを螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法をそれぞれ同一に設定した場合の部分平面図、図5(b)は、図5(a)で巻回した熱収縮テープの中心点を結んだ線図、図6(a)は、軸状複合部材の曲げ部を螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法W2が直線部を螺旋状に巻回する熱収縮テープの幅寸法W1よりも幅狭に設定した場合の部分平面図、図6(b)は、図6(a)で巻回した熱収縮テープの中心点を結んだ線図である。 FIG. 5 (a) is a partial plan view when the width dimensions of the heat-shrinkable tape for spirally winding the linear portion and the bent portion of the shaft-shaped composite member are set to be the same, and FIG. 5 (b) FIG. 6A is a diagram connecting the center points of the heat-shrinkable tape wound in FIG. 5A, and FIG. 6A shows that the width dimension W2 of the heat-shrinkable tape spirally wound around the bent portion of the shaft-shaped composite member is as follows. FIG. 6B is a partial plan view when the width of the heat-shrinkable tape wound in a spiral shape is set narrower than the width dimension W1, FIG. 6B shows the center of the heat-shrinkable tape wound in FIG. It is the diagram which connected the point.
本実施形態では、図5(a)に示されるように、軸状複合部材10の直線部12と曲げ部14における熱収縮テープ26の幅寸法Wをそれぞれ同一に設定しているが、例えば、図6(a)に示されるように、曲げ部14を螺旋状に巻回する熱収縮テープ26の幅寸法W2を、直線部12を巻回する熱収縮テープ26の幅寸法W1よりも小さく設定するとよい(W1>W2)。
In this embodiment, as shown in FIG. 5 (a), the width dimension W of the heat shrink
曲げ部14を巻回する熱収縮テープ26の幅寸法W2が直線部12を巻回する熱収縮テープ26の幅寸法W1よりも幅狭に設定することで、曲げ部14の内側形状に沿って熱収縮テープ26を追従させることができる(図5(b)と図6(b)とを比較参照)。このため、本実施形態では、曲げ部14の内周側におけるプリプレグ18aの拘束力を増大させると共に、芯金16の内側形状に沿って貼り付けられたプリプレグ18aの意匠的美観性を向上させることができる。
By setting the width dimension W2 of the heat-
なお、直線部12と曲げ部14との間で幅寸法が異なる熱収縮テープ26は、それぞれ連続して一体的に構成してもよいし、又は、それぞれ別個の熱収縮テープ26を用いてもよい。別個の熱収縮テープ26を用いた場合、直線部12と曲線部14との間の非連続部分は、図示しない仮止め手段によって仮止めするとよい。
It should be noted that the
また、本実施形態では、曲げ部14を有する軸状複合部材10を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、自動車用サスペンション部材、スタビライザ、自転車用フレーム等に適用することが可能である。加えて、本実施形態では、プリプレグ18aを熱硬化させる例を示しているが、光で硬化させるようにしてもよい。
In the present embodiment, the shaft-shaped
さらに、本実施形態では、プリプレグ18a(繊維強化樹脂材18)の繊維配向角(±θ)は、軸状複合部材10の軸線を基準として、約±10度の範囲内(0度を含む)に設定することを例示しているが、ねじり剛性をより一層向上させるため、約±10度の範囲内に配置されたプリプレグ18aの内側の層、又は、外側の層に異なる繊維配向角(例えば、約±45度)を有する層を積層させるようにしてもよい。
Furthermore, in this embodiment, the fiber orientation angle (± θ) of the
さらにまた、本実施形態では、略L字状を有する軸状複合部材10を例に挙げて説明しているが、例えば、その一部にL字状を有する形状(例えば、略U字状)からなる軸状複合部材に適用してもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the shaft-shaped
10 軸状複合部材
12 直線部
14 曲げ部
16 芯金
18 繊維強化樹脂材
18a プリプレグ
26 熱収縮テープ(拘束材、テープ)
DESCRIPTION OF
Claims (1)
一方向強化材からなる繊維強化樹脂材を、前記曲げ部の外表面に対し芯金の軸線方向に沿って複数並列して貼り付ける貼付工程と、
前記貼付工程の後に前記繊維強化樹脂材が前記芯金の径方向外側へ移動することを規制する拘束材を巻回する拘束工程と、
前記拘束材によって前記繊維強化樹脂材が拘束された状態で加熱する加熱工程と、
前記繊維強化樹脂材が加熱されて固化した後、前記拘束材を剥離する剥離工程と、
を有することを特徴とする軸状複合部材の製造方法。 A method for producing a shaft-shaped composite member having a bent portion,
Affixing step in which a plurality of fiber-reinforced resin materials made of unidirectional reinforcing material are attached in parallel along the axial direction of the core metal to the outer surface of the bent portion;
A constraining step of winding a constraining material that restricts the fiber reinforced resin material from moving outward in the radial direction of the core after the pasting step;
A heating step of heating in a state where the fiber reinforced resin material is restrained by the restraining material;
After the fiber-reinforced resin material is heated and solidified, a peeling step of peeling the restraint material;
A method for producing a shaft-shaped composite member, comprising:
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