JP6519433B2 - 複合材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属製のインサート材の接合部分において、繊維強化樹脂材が接合された複合材の製造方法に関する。

従来から、部材の軽量化等を図るため、金属製のインサート材に繊維強化樹脂材を接合した複合材が利用されている。このような複合材の製造方法として、以下に示す製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

具体的には、図９（ａ）に示すようにして、貫通孔１１が形成された金属製のインサート材１０を準備し、これを成形型９内に配置する。これと同時に、インサート材１０を挟み込むように、第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２を配置し、成形型９の上型９１および下型９２を型締する。これにより、第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２をプレス成形する。

プレス成形時には、成形型９内に形成されたキャビティＳ内を第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２の繊維強化樹脂が流動し、貫通孔１１に、インサート材１０の両面１２，１３から、それぞれのシートの繊維強化樹脂が流れ込む。

このような結果、図９（ｂ）に示すように、インサート材１０の接合部分１４において、第１および第２の繊維強化樹脂シート層２１Ａ，２２Ａからなる繊維強化樹脂材２が接合された複合材８を得ることができる。

特開２０１３−１４１８１４号公報

しかしながら、図９（ｂ）に示す複合材８は、貫通孔１１内において、第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２の繊維強化樹脂材が合流し、合流部分Ｐが形成される。この合流部分Ｐでは、貫通孔１１のエアが残存し、ボイドが形成されるおそれがあるばかりでなく、第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２の繊維強化樹脂材の強化繊維が絡み合わないことも想定される。このような結果、図９（ｂ）に示す複合材８に引張荷重が作用した場合、この合流部分Ｐにおいて、せん断力に対する強度が低下するおそれがある。

本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インサート材が繊維強化樹脂材と接合する接合部分に貫通孔を設け、この貫通孔に繊維強化樹脂を流し込んでも、この貫通孔内における繊維強化樹脂の強度低下を抑えることができる複合材の製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る複合材の製造方法は、金属製のインサート材の接合部分において、強化繊維と高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材が接合された複合材の製造方法であって、前記インサート材の前記接合部分に、前記インサート材の一方の表面から他方の表面に亘って貫通孔が形成されたインサート材を用い、前記貫通孔を介して、前記インサート材の前記一方の表面から前記他方の表面に前記繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、前記他方の表面から前記貫通孔に流れ込む前記繊維強化樹脂を堰き止めることにより、前記繊維強化樹脂材を前記インサート材に一体的に成形することを特徴とする。

本発明によれば、繊維強化樹脂材を成形する際に、インサート材の貫通孔を介して、インサート材の両面のうち一方の表面から他方の表面に、繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、他方の表面から貫通孔に流れ込もうとする繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂を堰き止める。

これにより、貫通孔内において、インサート材の両面から繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れ込み難いため、繊維強化樹脂による合流部分が形成され難く、貫通孔内において、ボイドが形成され難い。

さらに、貫通孔内において、繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が、一方向から流れ込むため、繊維強化樹脂の強化繊維は、インサート材の厚さ方向に沿って方向性を持って配列されることになる。

このような結果、複合材に引張荷重が作用しても、貫通孔内の繊維強化樹脂材に作用するせん断力に対する強度を高め、複合材のせん断強度を高めることができる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る複合材の製造方法で製造される複合材の上面図であり、（ｂ）は、その底面図である。 （ａ）は、図１（ａ）に示す複合材のＡ−Ａ矢視断面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）に示す複合材のＢ−Ｂ矢視断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）に相当する部分の本発明の第１実施形態に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図２（ｂ）に相当する部分の本発明の第１実施形態に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図である。 （ａ）は、本発明の本実施形態の変形例に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）に示す複合材のＣ−Ｃ矢視断面図である。 （ａ）は、実施例に係る複合材の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面図である。 （ａ）は、比較例１、２に係る複合材の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面図である。 実施例および比較例１、２に係る複合材のせん断力の測定結果を示した図である。 （ａ）は、従来に係る複合材の製造方法を説明するための模式的断面図であり、（ｂ）は、従来に係る複合材の断面図である。

以下に、図１〜図５を参照して、本発明の実施形態に係る複合材の製造方法を説明する。

図１（ａ），（ｂ）および図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態では、金属製のインサート材１０の接合部分１４において、強化繊維と高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材２が接合された複合材１を製造する。繊維強化樹脂材２は、第１および第２の繊維強化樹脂シート層２１Ａ，２２Ａからなる。

複合材１の一部を構成するインサート材１０は、金属製であり、接合部分１４には、複数の貫通孔１１，１１…が形成されている。各貫通孔１１は、インサート材１０の一方の表面１２から他方の表面１３に亘って形成されている。インサート材１０の接合部分１４では、繊維強化樹脂材２が接合部分１４を挟み込むように形成されており、接合部分１４以外の部分１５は、繊維強化樹脂材２から露出している。

各貫通孔１１には、第１および第２の繊維強化樹脂シート層２１Ａ，２２Ａのいずれか一方の繊維強化樹脂２１ｂ，２２ｂが充填されている。より具体的には、図２（ａ）では、貫通孔１１には、第１の繊維強化樹脂シート層２１Ａの繊維強化樹脂２１ｂが充填され、これに隣接する貫通孔１１では、図２（ｂ）に示すように、第２の繊維強化樹脂シート層２２Ａの繊維強化樹脂２２ｂが充填される。

このようにして、配列された複数の貫通孔１１には、第１の繊維強化樹脂シート層２１Ａの繊維強化樹脂２１ｂと、第２の繊維強化樹脂シート層２２Ａの繊維強化樹脂２２ｂとが交互に充填されている。

さらに、繊維強化樹脂材２の両面には、貫通孔１１の近傍において、凹溝２１ａ，２２ａが形成されている。凹溝２１ａ，２２ａは、後述する第１または第２の繊維強化樹脂シート２１，２２の繊維強化樹脂が貫通孔１１に流れ込むことを堰き止める際に、突出部４１ａ，４２ａにより成形される凹溝である（図３（ａ）および図４（ａ）参照）。したがって、凹溝２１ａ，２２ａを挟んで、第１の繊維強化樹脂シート層２１Ａの繊維強化樹脂と、第２の繊維強化樹脂シート層２２Ａの繊維強化樹脂とが、形成されることになる。

以下に、複合材１の製造方法を図３（ａ），（ｂ）および図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。

まず、接合部分１４において、インサート材１０の一方の表面１２から他方の表面１３に亘って貫通した複数の貫通孔１１が形成されたインサート材を準備する。これと同時に、接合部分１４に接合する第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２を準備する。第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２が、本発明でいう「繊維強化樹脂材」に相当する。

第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２を構成する強化繊維は、ガラス繊維、金属繊維、有機繊維、または炭素繊維のいずれの繊維であってもよいが、本実施形態では、炭素繊維である。強化繊維は、インサート材１０の厚さ（すなわち貫通孔１１の深さ）よりも、長いことが好ましい。

さらに、第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２を構成する高分子樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれの樹脂であってもよいが、本実施形態では、熱可塑性樹脂である。

次に、接合部分１４に貫通孔１１が形成されたインサート材１０を、型開きした成形型４内に配置する。これと同時に、接合部分１４の一部（端部）を挟み込むように、インサート材１０の一方側（図では右側）に第１および第２の繊維強化樹脂シート（一対の繊維強化樹脂シート）２１，２２を配置する。そして、上型４１および下型４２を型締めすることにより、熱プレス成形で繊維強化樹脂材２を成形する。

より具体的には、図３（ａ）に示すように、第１の繊維強化樹脂シート２１の繊維強化樹脂を貫通孔１１に流す領域では、第２の繊維強化樹脂シート２２と接触する下型４２に、突出部４２ａが設けられている。

下型４２の突出部４２ａは、成形時に貫通孔１１よりもインサート材１０の一方側（図では右側）において、インサート材１０の他方の表面１３に接触する。一方、上型４１は、成形時に、貫通孔１１よりもインサート材１０の一方側（図では右側）で、インサート材１０の一方の表面１２に接触せず、貫通孔１１よりもインサート材１０の他方側（図では左側）で、インサート材１０の一方の表面１２に接触する。

このようにして、図３（ａ），（ｂ）に示すように、第１の繊維強化樹脂シート２１の繊維強化樹脂を貫通孔１１に流す領域では、成形時に、他方の表面１３から貫通孔１１に流れ込もうとする第２繊維強化樹脂シート２２の繊維強化樹脂が突出部４２ａで堰き止められる。これと同時に、成形型４のキャビティＳに、第１の繊維強化樹脂シート２１の繊維強化樹脂が、貫通孔１１を介して、インサート材１０の一方の表面１２から他方の表面１３に流れる流路が形成される。

一方、図４（ａ）に示すように、第２の繊維強化樹脂シート２２の繊維強化樹脂を貫通孔１１に流す領域では、第２の繊維強化樹脂シート２１と接触する上型４１に、突出部４１ａが設けられている。

より具体的には、上型４１の突出部４１ａは、成形時に貫通孔１１よりもインサート材１０の一方側（図では右側）において、インサート材１０の一方の表面１２に接触する。一方、下型４２は、成形時に、貫通孔１１よりもインサート材１０の一方側で、インサート材１０の他方の表面１３に接触せず、貫通孔１１よりもインサート材１０の他方側（図では左側）で、インサート材１０の他方の表面１３に接触する。

このようにして、図４（ａ），（ｂ）に示すように、第２の繊維強化樹脂シート２２の繊維強化樹脂を貫通孔１１に流す部分では、成形時に、一方の表面１２から貫通孔１１に流れ込もうとする第１繊維強化樹脂シート２１の繊維強化樹脂が突出部４１ａで堰き止められる。これと同時に、成形型４のキャビティＳに、第２の繊維強化樹脂シート２２の繊維強化樹脂が、貫通孔１１を介して、インサート材１０の他方の表面１３から一方の表面１２に流れる流路が形成される。

そして、図３（ａ），（ｂ）に示すように、上型４１と下型４２を型締めし、熱プレス成形する際に、貫通孔１１を介して、インサート材１０の両面のうち一方の表面１２から他方の表面１３に第１の繊維強化樹脂シート２１の繊維強化樹脂の一部が流れ込む。一方、図４（ａ），（ｂ）に示す貫通孔１１には、インサート材１０の両面のうち他方の表面１３から一方の表面１２に第２の繊維強化樹脂シート２２の繊維強化樹脂の一部が流れ込む。

このようにして、インサート材１０の配列された複数の貫通孔１１，１１，…には、第１および第２の繊維強化樹脂シート２１，２２の繊維強化樹脂２１ｂ，２２ｂが交互に流れることになる。その後、繊維強化樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂材２をインサート材１０に一体的に成形した複合材１を得ることができる。

本実施形態では、図９（ａ），（ｂ）に示したように、貫通孔１１内において、インサート材１０の両面から双方の繊維強化樹脂シートの繊維強化樹脂が流れ込み難い。このため、繊維強化樹脂による合流部分Ｐが形成され難く、貫通孔１１内において、ボイドが形成され難い。

特に、これまでは、繊維強化樹脂の高分子樹脂が、熱可塑性樹脂である場合、熱可塑性樹脂は冷却されながら硬化するので、貫通孔１１内の合流部分Ｐにウエルド（具体的には、双方の熱可塑性樹脂の溶け込み不十分による欠陥部）が発生し易い。しかしながら、本実施形態では、熱可塑性樹脂を用いても、貫通孔１１内に合流部分がないのでこのような問題は生じない。

さらに、上述した製造方法により、貫通孔１１内において、繊維強化樹脂２１ｂ，２２ｂの強化繊維は、インサート材１０の厚さ方向に沿って方向性を持って配列されることになる。

このような結果、複合材１に引張荷重が作用しても、貫通孔１１内の繊維強化樹脂材２に作用するせん断力に対する強度を高め、複合材１の引張強度を高めることができる。特に、本実施形態では、強化繊維に、炭素繊維を用いたので、他の繊維に比べて、このようなせん断力に対する強度をさらに高めることができる。

また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、インサート材１０に、２列に並んだ複数の貫通孔１１を形成してもよく、すべての貫通孔１１に、第１の繊維強化樹脂シート層２１Ａの繊維強化樹脂２１ｂが充填されるように、複合材１Ａを製造してもよい。

（実施例）
図６（ａ），（ｂ）に示す複合材（試験片）１Ｂを作製した。具体的には、インサート材として、幅３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板（ＪＩＳ規格：ＳＣＧＡ２７０Ｃ）を準備し、一方側の端部から５０ｍｍの位置に、φ８ｍｍの貫通孔を成形した。

次に、繊維強化樹脂シートとして、熱可塑性樹脂に炭素繊維を分散させた、幅３０ｍｍ、厚さ１ｍｍのシート（ランダム強化材：東レ製）を２枚準備した。これらの繊維強化樹脂シートを２６０℃で５分間予熱し、これらに十分に熱が伝わったことを確認した後に、以下に示す熱プレス成形を行った。

具体的には、図３（ａ）の断面形状に相当する試験片成形用の成形型内を準備し、金型を１５０℃に温度調整し、下型の上に、第２の繊維強化樹脂シート、インサート材、第１の繊維強化樹脂シートの順に配置し、２０ＭＰａの圧力で、２分間熱プレス成形を行った。これにより、図６（ａ），（ｂ）に示す、複合材１Ｂを得た。なお、インサート材１０の貫通孔１１には、インサート材１０の一方の表面１２から他方の表面１３に流れるように、第１の繊維強化樹脂シート層２１Ａの繊維強化樹脂２１ｂが充填されていた。

（比較例１）
実施例と同じようにして、図７（ａ），（ｂ）に示す形状の複合材８を作製した。実施例と相違する点は、繊維強化樹脂シートとして、熱硬化性樹脂に炭素繊維を分散させたシート（カーボンＳＭＣ：三菱レーヨン製）を用い、インサート材１０の両面１２，１３から貫通孔１１に挟み込むようにして、繊維強化樹脂シートを熱プレス成形した点である。なお、インサート材１０の貫通孔１１には、第１および第２の繊維強化樹脂シート層２１Ａ，２１Ｂの一部の繊維強化樹脂が充填されていた。

（比較例２）
実施例と同じようにして、図７（ａ），（ｂ）に示す形状の複合材８を作製した。実施例と相違する点は、インサート材１０の両面１２，１３から貫通孔１１に挟み込むようにして、繊維強化樹脂シート（実施例と同じもの）を熱プレス成形した点である。

＜引張せん断試験＞
実施例、比較例１、および比較例２に係る複合材を、標準状態（２３℃×５０％ＲＨ）に所定の期間保持し、これらの複合材の物性を安定させた。その後、インサート材１０の端部と、繊維強化樹脂材２の端部と把持し、インサート材１０と繊維強化樹脂材２とが分離するまで、複合材を引張し、その時の荷重をせん断力として測定した。この結果を図８に示す。図８は、比較例１のせん断力を１００として、実施例および比較例２のせん断力を示している。

＜結果＞
図８に示すように、実施例に係る複合材のせん断力が最も高く、比較例２に係る複合材のせん断力が最も低かった。実施例では、貫通孔１１内で、ウエルドが形成されず、第一の繊維強化樹脂シート層２１Ａの強化繊維が、インサート材１０の厚さ方向に沿って方向性を持って配列されていた（図６（ｂ）参照）。一方、比較例２では、貫通孔１１内で、第１および第２繊維強化樹脂シート層２１Ａ，２２Ｂの合流部分にウエルドが形成されていた（図７（ｂ）参照）。このような点が起因して、実施例に係る複合材のせん断力が、比較例２に係る複合材のものより高くなったと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本実施形態では、一対の繊維強化樹脂シートを用いて、成形時にこれらをインサート材に挟み込むように成形した。しかしながら、たとえば、貫通孔を介して、インサート材の一方の表面から他方の表面に繊維強化樹脂材の繊維強化樹脂が流れるように、他方の表面から貫通孔に流れ込む前記繊維強化樹脂を堰き止めることができるのであれば、１枚の繊維強化樹脂シートを用いて、複合材を製造してもよい。

１：複合材、２：繊維強化樹脂材、４：成形型、１０：インサート材、１１：貫通孔、１４：接合部分、２１：第１の繊維強化樹脂シート、２２：第２の繊維強化樹脂シート。

Claims (1)

1. 金属製のインサート材の接合部分において、強化繊維と高分子樹脂からなる繊維強化樹脂材が接合された複合材の製造方法であって、
   前記インサート材の前記接合部分に、前記インサート材の一方の表面から他方の表面に亘って貫通孔が形成されたインサート材を用い、
   前記繊維強化樹脂材となる第１および第２の繊維強化樹脂シートのうち、前記第１の繊維強化樹脂シートの一部を前記インサート材の前記一方の表面に配置し、前記第２の繊維強化樹脂シートの一部を前記インサート材の前記他方の表面に配置することで、前記第１および第２の繊維強化樹脂シートにより前記インサート材を挟み込む部分が形成されるように、前記インサート材に、前記第１および第２の繊維強化樹脂シートを配置した状態で、プレス成形するものであり、
   前記挟み込む部分において、前記貫通孔を介して、前記インサート材の前記一方の表面から前記他方の表面に前記第１の繊維強化樹脂シートの繊維強化樹脂が流れるように、前記他方の表面から前記貫通孔に向かって流れる前記第２の繊維強化樹脂シートの繊維強化樹脂を前記他方の表面において堰き止めることにより、前記第１および第２の繊維強化樹脂シートを前記インサート材に一体的にプレス成形することを特徴とする複合材の製造方法。

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