JP6389223B2 - プリフォームの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）のプリプレグを金型でプレス成形してＣＦＲＰのプリフォームを製造するプリフォームの製造方法に関する。

ＰＣＭ（prepreg compression molding ）したＣＦＲＰ製の板材よりなる車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁を結合して中空閉断面を有する自動車のサイドシルを製造するものが、下記特許文献１により公知である。

特開２０１５−１９６３８８号公報

ところで、ＰＣＭ製法によりＣＦＲＰ製の板材を製造する過程で、一方向に引き揃えたカーボン繊維を未硬化の樹脂シートの内部に埋め込んだプリプレグを金型でプレス成形して所定形状に賦形したプリフォームを製造するとき、プリプレグが圧縮される部分に皺が寄ってカーボン繊維の配列が乱れるために美観を損ねたり、プリプレグが引っ張られる部分でカーボン繊維が破断して強度が低下したりするため、完成したＣＦＲＰ製の板材の品質が低下する可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ＣＦＲＰ製のプリフォームの強度および美観を両立させることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、金型による成形時に圧縮力あるいは引張力が作用する湾曲部分に切込みを有するＣＦＲＰの第１プリプレグを製造する第１工程と、前記第１プリプレグの湾曲部分に積層可能なＣＦＲＰの第２プリプレグを製造する第２工程と、前記第１プリプレグを金型で所定形状にプレス成形して第１プリフォームを製造する第３工程と、前記第２プリプレグを金型でプレス成形して第２プリフォームを製造する第４工程と、前記第１プリフォームの湾曲部分に前記第２プリフォームを積層したものを金型でプレス成形して一体化する第５工程とを含むことを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１プリフォームは前記第２プリフォームが積層される部分に凹部を有しており、プレス成形により一体化された前記第１プリフォームおよび前記第２プリフォームの表面は面一であることを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、自動車のフロントピラーロアは車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、前記車幅方向内壁を構成する前記第１プリフォームの湾曲方向内側の接合フランジに前記第２プリフォームが積層されることを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、自動車のフロントピラーロアは車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、前記上壁を構成する前記第１プリフォームの湾曲方向内側の接合フランジに前記第２プリフォームが積層されることを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、自動車のフロントピラーロアは車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、前記フロントピラーロアの下端から車体後方に延びるサイドシルは、車幅方向内壁に上壁、車幅方向外壁および下壁を一体化したコ字状断面部材を結合して閉断面に構成されることを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項５の構成に加えて、前記サイドシルの内部に、その車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁に当接するバルクヘッドが配置されることを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

また請求項７に記載された発明によれば、請求項５または請求項６の構成に加えて、前記サイドシルはフロアパネルの車幅方向外縁部の上面に結合されることを特徴とするプリフォームの製造方法が提案される。

請求項１の構成によれば、金型による成形時に圧縮力あるいは引張力が作用する湾曲部分に切込みを有するＣＦＲＰの第１プリプレグを製造する第１工程と、第１プリプレグの湾曲部分に積層可能なＣＦＲＰの第２プリプレグを製造する第２工程と、第１プリプレグを金型で所定形状にプレス成形して第１プリフォームを製造する第３工程と、第２プリプレグを金型でプレス成形して第２プリフォームを製造する第４工程と、第１プリフォームの湾曲部分に第２プリフォームを積層したものを金型でプレス成形して一体化する第５工程とを含むので、プレス成形時に第１プリプレグの湾曲部分に皺が寄ったりカーボン繊維が破断したりするのを切込みにより防止しながら、切込みにより強度が低下した湾曲部分を第２プリプレグで補強して強度および美観を両立させることができる。

また請求項２の構成によれば、第１プリフォームは第２プリフォームが積層される部分に凹部を有しており、プレス成形により一体化された第１プリフォームおよび第２プリフォームの表面は面一であるので、第２プリフォームが第１プリフォームの表面から突出して美観を損ねるのを防止することができる。

また請求項３の構成によれば、自動車のフロントピラーロアは車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、車幅方向内壁を構成する第１プリフォームの湾曲方向内側の接合フランジに第２プリフォームが積層されるので、フロントピラーロアの車幅方向内壁の切込みが形成された接合フランジの強度を確保しながら皺の発生を防止して美観を高めることができる。

また請求項４の構成によれば、自動車のフロントピラーロアは車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、上壁を構成する第１プリフォームの湾曲方向内側の接合フランジに対応する部分に第２プリフォームが積層されるので、フロントピラーロアの上壁の切込みが形成された接合フランジの強度を確保しながら皺の発生を防止して美観を高めることができる。

また請求項５の構成によれば、自動車のフロントピラーロアは車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、フロントピラーロアの下端から車体後方に延びるサイドシルは、車幅方向内壁に上壁、車幅方向外壁および下壁を一体化したコ字状断面部材を結合して閉断面に構成されるので、フロントピラーロアでは閉断面の稜線において車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁を重ね合わせて強度を高めることができ、またサイドシルでは部品点数を削減できるだけでなく、継ぎ目の数を減少させて美観を高めることができる。

また請求項６の構成によれば、サイドシルの内部に、その車幅方向内壁、上壁、車幅方向外壁および下壁に当接するバルクヘッドが配置されるので、金型による成形時にコ字状断面部材の上壁、車幅方向外壁および下壁が断面収縮しても、その断面収縮をバルクヘッドで矯正して車幅方向内壁との接合面を精度良く位置決めして閉断面を構成することができる。

また請求項７の構成によれば、サイドシルはフロアパネルの車幅方向外縁部の上面に結合されるので、サイドシルおよびフロアパネルの協働により側面衝突の衝突荷重に対するエネルギー吸収性能を高めることができる。

自動車の車体前部の斜視図。（第１の実施の形態） 図１の２部分解拡大図。（第１の実施の形態） 図１の３Ａ−３Ａ線および３Ｂ−３Ｂ線断面図。（第１の実施の形態） フロントピラーロアの車幅方向内壁の斜視図。（第１の実施の形態） 車幅方向内壁のプリフォームの製造工程の説明図。（第１の実施の形態） プリフォームのプレス加工時の作用説明図。（第１の実施の形態） 図３（Ａ）に対応する図。（第２の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。なお、本明細書における前後方向、左右方向（車幅方向）および上下方向は運転席に着座した乗員を基準として定義される。

図１に示すように、二座席のスポーツタイプの自動車の車体フロアは基本的にＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）で構成されるもので、フロアパネル１１の左右両側部に沿って前後方向に延びる左右一対のサイドシル１２，１２と、左右のサイドシル１２，１２の前端から起立する左右一対のフロントピラーロア１３，１３と、フロアパネル１１の前端から起立して左右のフロントピラーロア１３，１３を車幅方向に連結するダッシュパネルロア１４とを備える。サイドシル１２およびフロントピラーロア１３は一体に連続する中空閉断面部材であり、その内部にアルミニウム合金製の複数のバルクヘッド１５…が所定間隔で配置される。

図２および図３に示すように、フロアパネル１１は、車体外側（下側）のアウタースキン１６と、車体内側（上側）のインナースキン１７との間に波板状のコア１８（図３参照）を挟んだものであり、アウタースキン１６が下方に膨出することで厚くなった車幅方向外端部の内部に波板状の衝撃吸収部材１９が配置される。

フロントピラーロア１３は、何れも板状に形成された車幅方向内壁２０と、上壁２１と、車幅方向外壁２２と、下壁２３とを結合して矩形状の閉断面に構成される。フロントピラーロア１３の下端から後方に延びるサイドシル１２は、板状に形成された車幅方向内壁２４と、上壁２５ａ、車幅方向外壁２５ｂおよび下壁２５ｃを一体に有して車幅方向内側に開放するコ字状断面部材２５とを結合して矩形状の閉断面に構成される。サイドシル１２の後端から起立するリヤピラー（不図示）も、サイドシルと同様に、板状に形成された車幅方向内壁と、上壁、車幅方向外壁および下壁を一体に有して車幅方向内側に開放するコ字状断面部材とを結合して矩形状の閉断面に構成される。

図４に示すように、フロントピラーロア１３の車幅方向内壁２０の上端には車幅方向外側に折り曲げられた接合フランジ２０ａが形成され、また下端には車幅方向内側に折り曲げられた接合フランジ２０ｂが形成される。側面視でＬ字状に湾曲する車幅方向内壁２０の上端の接合フランジ２０ａの一部、すなわち接合フランジ２０ａの湾曲部には複数の切込み２０ｄ…が形成され、そこに短冊状のパッチ２６が積層される。

図２および図３に示すように、フロントピラーロア１３の上壁２１には車幅方向内端には下方に一段窪んだ接合フランジ２１ａが形成され、また車幅方向外端には下方に一段低くなりながら下方に折り曲げられた接合フランジ２１ｂが形成される。フロントピラーロア１３の車幅方向外壁２２の上端には車幅方向内側に折り曲げられた接合フランジ２２ａが形成され、また下端には車幅方向内側に折り曲げられた接合フランジ２２ｂが形成される。フロントピラーロア１３の下壁２３の車幅方向外端には上方に一段低くなりながら上方に折り曲げられた接合フランジ２３ａが形成され、また車幅方向内端には接合フランジ２３ｂが形成される。

フロントピラーロア１３において、予めパッチ２６が積層された車幅方向内壁２０の上端の接合フランジ２０ａは、上壁２１の車幅方向内端の接合フランジ２１ａの上面に重ね合わされて接着される。このとき、パッチ２６の上面と上壁２１の上面とが面一になるように、車幅方向内壁２０のパッチ２６が積層される部分は、パッチ２６の形状に合わせて一段低くなったＬ字状断面の凹部２０ｃ（図３（Ａ）および図４（Ｂ）参照）が形成される。そして上壁２１の車幅方向外端の接合フランジ２１ｂの上面に車幅方向外壁２２に上端の接合フランジ２２ａが重ね合わされて接着され、車幅方向外壁２２の下端の接合フランジ２２ｂが下壁２３の車幅方向外端の接合フランジ２３ａの下面に重ね合わされて接着され、下壁２３の車幅方向内端の接合フランジ２３ｂが車幅方向内壁２０の下端の接合フランジ２０ｂの下面に重ね合わされて接着される。

またサイドシル１２において、車幅方向内壁２４の上端を車幅方向外側に折り曲げた接合フランジ２４ａがコ字状断面部材２５の上壁２５ａの車幅方向内端に設けられた接合フランジ２５ｄの上面に接着され、車幅方向内壁２４の下端を車幅方向内側に折り曲げた接合フランジ２４ｂがコ字状断面部材２５の下壁２５ｃの車幅方向内端に設けられた接合フランジ２５ｅの上面に接着される。

次に、フロントピラーロア１３の製造方法を説明する。

フロントピラーロア１３を製造するには、まず一方向に引き揃えた多数のカーボン繊維を未硬化の樹脂シートの内部に埋め込んだプリプレグの素材を、車幅方向内壁２０、上壁２１、車幅方向外壁２２、下壁２３およびパッチ２６のそれぞれの形状に合わせて裁断する。このとき、各部材は複数層のプリプレグを積層して構成されるものであり、例えばカーボン繊維の配向方向を６０°ずつずらした３種類のプリプレグを各４層ずつ合計１２層に積層して構成される。フロントピラーロア１３の車幅方向内壁２０を構成する第１プリプレグ２７は側面視でＬ字状であり、その上端の接合フランジ２７ａのうちの湾曲方向内側部分には複数の切込み２７ｂ…が形成される（図５（Ａ）参照）。同様に、プリプレグの素材を裁断して車幅方向内壁２０のパッチ２６を構成する１２層の第２プリプレグ２８を製造する（図５（Ａ）参照）。

次に、第１プリプレグ２７および第２プリプレグ２８を低温（例えば、６０゜Ｃ）に加熱してマトリクス樹脂を軟化させた状態で、金型でプレス加工して所定形状に賦形することで、断面がクランク状の屈曲する第１プリフォーム２７′と、断面がＬ字状に屈曲する第２プリフォーム２８′とを製造する（図５（Ｂ）参照）。そして第１プリフォーム２７′および第２プリフォーム２８′を金型内にセットして常温でプレス加工することで、第１プリフォーム２７′および第２プリフォーム２８′が一体化した車幅方向内壁２０のプリフォーム２９′を製造する（図５（Ｃ）および図６参照）。

このとき、図６に示すように、第１プリフォーム２７′の接合フランジ２７ａ′は第２プリフォーム２８′が嵌合する凹部２７ｃ′を備えているので、金型３１，３２でプリフォーム２９′を成形した後に型開きするとき、第１プリフォーム２７′および第２プリフォーム２８′が面一に整列し、第２プリフォーム２８′がアンダーカットになって型抜きが困難になるのが防止される。

ところで、側面視でＬ字状の第１プリプレグ２７をプレス加工して上端の接合フランジ２７ａを形成するとき、その接合フランジ２７ａには圧縮荷重が作用するため、第１プリプレグ２７の接合フランジ２７ａだけでなく平坦部にも皺が寄って美観を損ねる可能性があるが、本実施の形態によれば、接合フランジ２７ａに設けた切込み２７ｂ…によって皺の発生が防止されて美観が確保される。

次に、フロントピラーロア１３の車幅方向内壁２０のプリフォーム２９′を金型内に挿入し、高温（例えば、１６０゜Ｃ）でプレス加工してマトリクス樹脂を硬化させる。そして同様にして硬化させたフロントピラーロア１３の上壁２１、車幅方向外壁２２および下壁２３と、サイドシル１２の各部材と、リヤピラーの各部材とが接着により一体に組み立てられる。その際に、フロントピラーロア１３、サイドシル１２およびリヤピラーの内部には複数のバルクヘッド１５…が所定間隔で接着される。

このようにして組み立てられたフロントピラーロア１３は、その下壁２３がフロアパネル１１（ダッシュパネルロア１４）のインナースキン１７の上面に接着されるとともに（図３（Ａ）参照）、サイドシル１２はコ字状断面部材２５の下壁２５ｃがフロアパネル１１のインナースキン１７の上面に接着され、さらにフロアパネル１１の車幅方向外端部がフロントピラーロア１３の車幅方向外壁２２およびサイドシル１２のコ字状断面部材２５の車幅方向外壁２５ｂに連結部材３０で連結される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

自動車が側面衝突して衝突荷重がサイドシル１２やフロントピラーロア１３に入力すると、サイドシル１２の下方のフロアパネル１１の内部に配置された衝撃吸収部材１９や、サイドシル１２およびフロントピラーロア１３の内部に配置されたバルクヘッド１５…が圧壊することで、衝突エネルギーが効果的に吸収される。

特に、フロントピラーロア１３は車幅方向内壁２０、上壁２１、車幅方向外壁２２および下壁２３がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成されるので、閉断面の稜線において車幅方向内壁２０、上壁２１、車幅方向外壁２２および下壁２３を重ね合わせて強度を高めることができる。またサイドシル１２は、車幅方向内壁２４にコ字状断面部材２５を結合して閉断面に構成されるので、部品点数を削減できるだけでなく、継ぎ目の数を減少させて美観を高めることができる。

またサイドシル１２の内部に、車幅方向内壁２４、上壁２５ａ、車幅方向外壁２５ｂおよび下壁２５ｃに当接するバルクヘッド１５…が配置されるので、金型による成形時にコ字状断面部材２５が断面収縮しても、その断面収縮をバルクヘッド１５…で矯正し、コ字状断面部材２５および車幅方向内壁２４の接合面を精度良く位置決めして結合することができる。

またフロントピラーロア１３の車幅方向内壁２０の素材となる第１プリプレグ２７を金型でプレス加工する際に、圧縮荷重が加わる湾曲方向内側の接合フランジ２７ａに切り込み２７ｂ…を形成するので、プレス加工により第１プリプレグ２７に皺が発生するのを防止して製品の美観を高めることができる。また切り込み２７ｂ…によって製品である車幅方向内壁２０の接合フランジ２０ａの強度低下が懸念されるが、切り込み２７ｂ…をカバーするように第１プリプレグ２７の接合フランジ２７ａに第２プリプレグ２８を重ね合わせることで、製品である車幅方向内壁２０の強度を確保することができる。このように、本実施の形態によれば、フロントピラーロア１３の車幅方向内壁２０の美観および強度を両立させることができる。

しかも第１プリフォーム２７′（車幅方向内壁２０）は第２プリフォーム２８′（パッチ２６）が積層される部分に凹部２７ｃ′（凹部２０ｃ）を有しており、プレス成形により一体化された第１プリフォーム２７′（車幅方向内壁２０）および第２プリフォーム２８′（パッチ２６）の表面は面一であるので、第２プリフォーム２８′（パッチ２６）が第１プリフォーム２７′（車幅方向内壁２０）の表面から突出して美観を損ねるのを防止することができる（図３（Ａ）参照）。

特に、フロントピラーロア１３は車幅方向内壁２０、上壁２１、車幅方向外壁２２および下壁２３がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、車幅方向内壁２１を構成する第１プリフォーム２７′の湾曲方向内側の接合フランジ２７ａ′に対応する部分に第２プリフォーム２８′が積層されるので、フロントピラーロア１３の車幅方向内壁２０の湾曲方向内側の接合フランジ２０ａの強度を確保しながら皺の発生を防止して美観を高めることができる。

第２の実施の形態

次に、図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では、フロントピラーロア１３の第１プリプレグ２７よりなる車幅方向内壁２０の上端の接合フランジ２７ａに切込み２７ｃ…を入れて第２プリプレグ２８よりなるパッチ２６を積層しているが、第２の実施の形態は、更にフロントピラーロア１３の第１プリプレグ２７よりなる上壁２１の車幅方向外端の接合フランジ２１ｂの下面に切込みを入れて第２プリプレグ２８よりなるパッチ２６を積層したものである。その位置はプリプレグを金型でプレス成形してプリフォームを製造する際に圧縮荷重が作用して皺が発生し易い場所であり、本実施の形態によれば、上壁２１の切込みにより強度が低下した湾曲部分をパッチ２６により補強して強度および美観を両立させることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では第１プリプレグ２７の圧縮荷重が作用する部分に切込み２７ｂ…を入れて第２プリプレグ２８で補強しているが、第１プリプレグ２７の引張荷重が作用する部分に切込みを入れて第２プリプレグ２８で補強しても良い。このようにすれば、引張荷重により第１プリプレグ２７のカーボン繊維が破断するのを防止しながら美観を確保することができる。

１１ フロアパネル
１２ サイドシル
１３ フロントピラーロア
１５ バルクヘッド
２０ 車幅方向内壁
２１ 上壁
２２ 車幅方向外壁
２３ 下壁
２４ 車幅方向内壁
２５ コ字状断面部材
２５ａ 上壁
２５ｂ 車幅方向外壁
２５ｃ 下壁
２７ 第１プリプレグ
２７ｂ 切込み
２７′ 第１プリフォーム
２７ａ′ 接合フランジ
２７ｃ′ 凹部
２８ 第２プリプレグ
２８′ 第２プリフォーム

Claims (7)

1. 金型による成形時に圧縮力あるいは引張力が作用する湾曲部分に切込み（２７ｂ）を有するＣＦＲＰの第１プリプレグ（２７）を製造する第１工程と、前記第１プリプレグ（２７）の湾曲部分に積層可能なＣＦＲＰの第２プリプレグ（２８）を製造する第２工程と、前記第１プリプレグ（２７）を金型で所定形状にプレス成形して第１プリフォーム（２７′）を製造する第３工程と、前記第２プリプレグ（２８）を金型でプレス成形して第２プリフォーム（２８′）を製造する第４工程と、前記第１プリフォーム（２７′）の湾曲部分に前記第２プリフォーム（２８′）を積層したものを金型でプレス成形して一体化する第５工程とを含むことを特徴とするプリフォームの製造方法。
2. 前記第１プリフォーム（２７′）は前記第２プリフォーム（２８′）が積層される部分に凹部（２７ｃ′）を有しており、プレス成形により一体化された前記第１プリフォーム（２７′）および前記第２プリフォーム（２８′）の表面は面一であることを特徴とする、請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
3. 自動車のフロントピラーロア（１３）は車幅方向内壁（２０）、上壁（２１）、車幅方向外壁（２２）および下壁（２３）がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、前記車幅方向内壁（２０）を構成する前記第１プリフォーム（２７′）の湾曲方向内側の接合フランジ（２７ａ′）に前記第２プリフォーム（２８′）が積層されることを特徴とする、請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
4. 自動車のフロントピラーロア（１３）は車幅方向内壁（２０）、上壁（２１）、車幅方向外壁（２２）および下壁（２３）がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、前記上壁（２１）を構成する前記第１プリフォーム（２７′）の湾曲方向内側の接合フランジ（２７ａ′）に前記第２プリフォーム（２８′）が積層されることを特徴とする、請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
5. 自動車のフロントピラーロア（１３）は車幅方向内壁（２０）、上壁（２１）、車幅方向外壁（２２）および下壁（２３）がそれぞれ別個のプリフォームを結合して閉断面に構成され、前記フロントピラーロア（１３）の下端から車体後方に延びるサイドシル（１２）は、車幅方向内壁（２４）に上壁（２５ａ）、車幅方向外壁（２５ｂ）および下壁（２５ｃ）を一体化したコ字状断面部材（２５）を結合して閉断面に構成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のプリフォームの製造方法。
6. 前記サイドシル（１２）の内部に、その車幅方向内壁（２４）、上壁（２５ａ）、車幅方向外壁（２５ｂ）および下壁（２５ｃ）に当接するバルクヘッド（１５）が配置されることを特徴とする、請求項５に記載のプリフォームの製造方法。
7. 前記サイドシル（１２）はフロアパネル（１１）の車幅方向外縁部の上面に結合されることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のプリフォームの製造方法。
   

Images