JP6667391B2 - 複合材、引抜成形装置及び引抜成形方法 - Google Patents

複合材、引抜成形装置及び引抜成形方法 Download PDF

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Description

本発明は、補強部位が形成された複合材、引抜成形装置及び引抜成形方法に関するものである。
従来、補強部が形成された板状構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。この板状構造体において、補強部は、内部に芯材を有する中実の棒状部分を有している。芯材は、複合材製であり、プリプレグを巻回して棒状に形成したものである。
特開２００４−３５２１８７号公報
しかしながら、特許文献１の芯材では、プリプレグを巻回して棒状に形成したものであることから、芯材は、長手方向に沿って設けられているものの、芯材に含まれる強化繊維は、その繊維方向が長手方向に沿って設けられてはおらず、長手方向に与えられる荷重に対して、強化繊維の繊維方向が適切な方向とはなっていなかった。
そこで、本発明は、荷重に対する補強が好適に行われた複合材、引抜成形装置及び引抜成形方法を提供することを課題とする。
本発明の複合材は、荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位を有する複合材であって、前記補強部位は、繊維方向が前記荷重方向に沿って配向されている強化繊維からなり、前記荷重方向に沿って延在して設けられる芯部と、繊維シートにより前記芯部の周囲を被覆してなる被覆部と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、芯部に含まれる強化繊維の繊維方向を、荷重方向に沿って配向することができるため、補強部位に与えられる荷重を、芯部において適切に受けることができる。このため、補強部位において、荷重を適切に受けることができる分、補強部位以外の部位において、荷重による負荷を軽減でき、板厚等を低減することができることから、複合材全体の重量を軽減することが可能となる。なお、芯部は、その主要成分となる強化繊維の繊維方向が荷重方向に沿って配向されていればよく、荷重方向とは異なる繊維方向の強化繊維を含んでいてもよい。
また、前記荷重方向に直交する面で切った断面において、所定方向に伸びる中立軸を第１中立軸とし、前記第１中立軸の直交方向に伸びる中立軸を第２中立軸とすると、前記補強部位は、前記第１中立軸と前記第２中立軸との交点から、最も離れた部位となっていることが、好ましい。
この構成によれば、交点から最も離れた部位を補強することで、交点を中心とした複合材への曲げモーメントによる応力が大きくなる部位を補強することができる。このため、荷重に対する補強をより好適に行うことができる。
また、前記補強部位は、前記荷重方向に直交する面で切った断面において、自由端となる先端部及び屈曲するコーナー部の少なくとも一方の部位となっていることが、好ましい。
この構成によれば、複合材への曲げモーメントによる応力が大きくなる先端部、または、荷重による応力が大きくなるコーナー部への補強をより好適に行うことができる。
本発明の引抜成形装置は、荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位を有する複合材を、引抜方向に引き抜きながら成形する引抜成形装置であって、前記補強部位は、強化繊維からなり、前記荷重方向に沿って延在して設けられる芯部と、繊維シートにより前記芯部の周囲を被覆してなる被覆部と、を有しており、前記強化繊維及び前記繊維シートが、前記引抜方向に沿って引き抜かれることで、前記補強部位を有する前記複合材を成形する成形型を備え、前記成形型は、前記芯部が形成されるように前記強化繊維を束ねて案内する芯部ガイド部と、前記芯部の周囲を被覆するように前記繊維シートを案内する被覆部ガイド部と、を有することを特徴とする。
また、本発明の引抜成形方法は、荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位を有する複合材を、引抜方向に引き抜きながら成形する引抜成形方法であって、前記補強部位は、強化繊維からなり、前記荷重方向に沿って延在して設けられる芯部と、繊維シートにより前記芯部の周囲を被覆してなる被覆部と、を有しており、前記強化繊維及び前記繊維シートが、前記引抜方向に沿って引き抜かれることで、前記補強部位を有する前記複合材を成形する引抜成形工程を備え、前記引抜成形工程では、前記強化繊維を束ねて前記芯部を形成しつつ、前記芯部の周囲を前記繊維シートで被覆することを特徴とする。
これらの構成によれば、芯部に含まれる強化繊維の繊維方向を、荷重方向に沿って配向することができるため、補強部位に与えられる荷重を、芯部において適切に受けることができる。このため、補強部位において、荷重を適切に受けることができる分、補強部位以外の部位において、荷重による負荷を軽減でき、板厚等の剛性を低減することができることから、複合材全体の重量を軽減することが可能となる。
また、前記引抜成形工程では、前記芯部の周囲を被覆するように前記繊維シートを折り曲げるシート折り曲げ工程を行っていることが、好ましい。
この構成によれば、繊維シートを引き抜きながら、繊維シートを折り曲げることで、芯部の周囲に繊維シートを容易に被覆することができる。
図１は、実施形態１に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。 図２は、実施形態１に係る引抜成形装置の一例を示す概略構成図である。 図３は、実施形態１に係る引抜成形装置の成形型周りを示す概略構成図である。 図４は、実施形態１に係る引抜成形方法に関するフローチャートである。 図５は、実施形態２に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。 図６は、実施形態３に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。 図７は、実施形態４に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。図２は、実施形態１に係る引抜成形装置の一例を示す概略構成図である。図３は、実施形態１に係る引抜成形装置の成形型周りを示す概略構成図である。図４は、実施形態１に係る引抜成形方法に関するフローチャートである。
実施形態１に係る複合材は、図１に示すＸ軸方向である長手方向に沿って引抜成形された引抜成形材料１０であり、Ｘ軸方向に延在する形状となっている。引抜成形材料１０は、図１に示すＹＺ平面内、すなわち長手方向に直交する断面内において所定の形状に形成されている。引抜成形材料１０は、実施形態１において、その断面がＨ字状に形成されているが、これに限定されることなく、Ｉ字状、Ｔ字状、凹形状及び円筒形状等、いかなる形状に成形されていてもよい。
引抜成形材料１０は、図１に示すように、複数の繊維シート２０と、間隙材２２と、芯材（芯部）２４と、を備えている。また、引抜成形材料１０は、荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位２６が形成されている。詳細は後述するが、補強部位２６は、繊維シート２０の一部と、芯材２４とにより形成されている。
複数の繊維シート２０は、Ｘ軸方向に延びるシート状に形成されており、引抜成形時に、ＹＺ平面内において所定の形状（図１では、Ｈ字状）となるように変形される。繊維シート２０は、強化繊維と、強化繊維に含浸させた熱硬化性樹脂とを含む複合材となっている。各繊維シート２０は、例えば、所定の繊維方向に配向された強化繊維の層を、複数積層し、各層の繊維方向を異ならせた繊維方向が多方向となるものが用いられている。ここで、実施形態１において、強化繊維としては、例えば、炭素繊維を適用しているが、炭素繊維に限定されず、ガラス繊維等を適用してもよい。また、実施形態１において、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂を適用しているが、エポキシ樹脂に限定されず、他の熱硬化性樹脂を適用してもよい。
間隙材２２は、複数の繊維シート２０によって形成される間隙に配されている。間隙材２２は、実施形態１において、炭素繊維等の強化繊維に樹脂を含浸させて束ねたものが適用される。なお、間隙材２２は、これに限定されず、他の強化繊維と熱硬化性樹脂とを適宜組み合わせたものを適用してもよい。
次に、図１を参照して、引抜成形材料１０に形成される補強部位２６について説明する。補強部位２６は、引抜成形材料１０の長手方向を荷重方向とする荷重に対して補強された部位となっている。補強部位２６は、引抜成形材料１０の図１に示す断面において、所定方向に伸びる中立軸を第１中立軸Ｉ１とし、第１中立軸Ｉ１の直交方向に伸びる中立軸を第２中立軸Ｉ２とすると、第１中立軸Ｉ１と第２中立軸Ｉ２との交点Ｐから、最も離れた部位となっている。ここで、第１中立軸Ｉ１は、引抜成形材料１０の図１の左右方向の中央をとおる軸であり、第２中立軸Ｉ２は、引抜成形材料１０の図１の上下方向の中央をとおる軸である。このため、交点Ｐは、いわゆる図心となっている。具体的に、補強部位２６は、Ｈ字状となる引抜成形材料１０の自由端となる４つの先端部にそれぞれ設けられている。
補強部位２６は、芯材２４と、芯材２４の周囲を被覆する被覆部２８と、を有している。芯材２４は、引抜成形材料１０の長手方向を軸方向とする円柱形状の部材となっている。この芯材２４は、炭素繊維等の強化繊維を束ね、束ねた強化繊維に樹脂を含浸させて成形されたものである。芯材２４に含まれる強化繊維の繊維方向は、長手方向（つまり、荷重方向）に沿って配向されている。なお、芯材２４は、その主要成分となる強化繊維の繊維方向が荷重方向に沿って配向されていればよく、荷重方向とは異なる繊維方向の強化繊維を含んでいてもよい。
被覆部２８は、引抜成形材料１０を構成する繊維シート２０の少なくとも一部であり、芯材２４の外周面を被覆して設けられている。このため、被覆部２８に含まれる強化繊維としては、その繊維方向が、長手方向とは異なる方向に沿って配向されたものが含まれている。ここで、芯材２４の外周面に接する被覆部２８の内周面に配された強化繊維の繊維方向は、芯材２４の繊維方向に対して９０°以外の方向としている。このため、芯材２４の外周面に配された強化繊維の繊維方向と、被覆部２８の内周面に配された強化繊維の繊維方向とが直交せず、芯材２４と被覆部２８との層間強度の低下を抑制している。
次に、図２を参照し、引抜成形装置１００について説明する。引抜成形装置１００は、引抜成形材料１０を引抜方向に引き抜きながら成形する装置である。このとき、引抜方向は、引抜成形材料１０の長手方向と同じ方向となっており、また、引抜成形材料１０に与えられる荷重の荷重方向と同じ方向となっている。
図２に示すように、引抜成形装置１００は、複数の繊維シート供給部１１０と、複数の樹脂プール１１２と、複数の芯材供給部１２４と、成形型１４０と、を備えている。なお、図２では、間隙材２２を供給する間隙材供給部の図示が省略されている。
繊維シート供給部１１０は、繊維シート２０を成形型１４０へ向けて供給するものである。繊維シート供給部１１０は、巻回されたドライ状態（つまり、熱硬化性樹脂が含浸されていない状態）の繊維シート２０を繰り出している。ここで、繊維シート供給部１１０は、成形する引抜成形材料１０に使用する繊維シート２０の枚数分、適宜設置される。ただし、繊維シート供給部１１０により繰り出される繊維シート２０は、すでに樹脂含浸させた繊維シート（プリプレグ等）を使用しても良い。
芯材供給部１２４は、芯材２４に含まれる強化繊維を成形型１４０へ向けて供給するものである。芯材供給部１２４は、巻回されたドライ状態の強化繊維を複数本繰り出している。ただし、芯材供給部１２４により繰り出される強化繊維は、すでに樹脂含浸させたものを使用しても良い。
樹脂プール１１２は、熱硬化性樹脂を溜めたプールであり、繊維シート供給部１１０及び芯材供給部１２４の数に応じて、複数設けられている。樹脂プール１１２は、繊維シート供給部１１０から繰り出された繊維シート２０、及び芯材供給部１２４から繰り出された強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて、繊維シート２０及び強化繊維をウェット状態（つまり、熱硬化性樹脂が含浸されている状態）とする。ただし、繊維シート供給部１１０により繰り出される繊維シート２０が、すでに樹脂含浸させた繊維シート（プリプレグ等）の場合、また、芯材供給部１２４により繰り出される強化繊維が、すでに樹脂含浸させた状態である場合、繊維シート供給部１１０及び芯材供給部１２４から成形型１４０にそのまま供給される。
図２及び図３に示すように、成形型１４０は、ウェット状態の強化繊維及び繊維シート２０が、引抜方向に沿って引き抜かれることで、補強部位２６を有する引抜成形材料１０を成形している。
成形型１４０は、型本体１４１と、芯部ガイド部１４２と、被覆部ガイド部１４３と、を備えている。型本体１４１は、図示しない加熱部を有し、ウェット状態の強化繊維及び繊維シート２０に含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させることで、引抜成形材料１０を成形している。
芯部ガイド部１４２は、型本体１４１の入口側に設けられており、型本体１４１の入口側に向かって、芯材２４が形成されるように強化繊維を束ねて案内している。芯部ガイド部１４２は、例えば、円環状に形成されており、芯材２４となる強化繊維を円環の内側に通すことで、強化繊維を束ねている。
被覆部ガイド部１４３は、型本体１４１の入口側に設けられており、型本体１４１の入口側に向かって、芯材２４の周囲を被覆する被覆部２８が形成されるように、繊維シート２０の少なくとも一部により芯材２４を巻き込んで案内している。
次に、図４を参照して、上記の引抜成形装置１００を用いた引抜成形材料１０の引抜成形方法に関する一連の動作について説明する。図４に示すように、引抜成形方法では、含浸工程Ｓ１と、引抜成形工程Ｓ２と、を順に行っている。
含浸工程Ｓ１では、繊維シート供給部１１０から繰り出されたドライ状態の繊維シート２０を、樹脂プール１１２に浸すことで、繊維シート２０に熱硬化性樹脂を含浸させる。また、含浸工程Ｓ１では、芯材供給部１２４から繰り出されたドライ状態の強化繊維を、樹脂プール１１２に浸すことで、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させる。ただし、繊維シート供給部１１０により繰り出される繊維シート２０が、すでに樹脂含浸させた繊維シート（プリプレグ等）の場合、また、芯材供給部１２４により繰り出される強化繊維が、すでに樹脂含浸させた状態である場合、繊維シート２０及び強化繊維における含浸工程Ｓ１は省略される。また、図示は省略したが、間隙材２２に含まれる強化繊維も同様に、熱硬化性樹脂を含浸させる。
引抜成形工程Ｓ２では、ウェット状態の繊維シート２０及び強化繊維を引抜方向に引き抜きながら、芯部ガイド部１４２及び被覆部ガイド部１４３によって型本体１４１に案内する。このとき、引抜成形工程Ｓ２では、図３に示すとおり、芯材２４の周囲を被覆するように繊維シート２０を折り曲げるシート折り曲げ工程を行っている。つまり、引抜成形工程Ｓ２では、芯部ガイド部１４２により強化繊維が束ねて案内されることで芯材２４が形成され、また、シート折り曲げ工程では、被覆部ガイド部１４３により繊維シート２０が折り曲げられることで、芯材２４の周囲を被覆している。そして、繊維シート２０及び強化繊維は、補強部位２６を有するＨ字状の引抜成形材料１０となるように、折り曲げて変形され、型本体１４１に導入される。また、引抜成形工程Ｓ２では、型本体１４１に導入された繊維シート２０及び強化繊維を、引抜方向に引き抜きながら、繊維シート２０及び強化繊維に含まれる熱硬化性樹脂を硬化させることで、補強部位２６を有するＨ字状の引抜成形材料１０を成形する。
以上のように、実施形態１によれば、芯材２４に含まれる強化繊維の繊維方向を、荷重方向に沿って配向することができるため、補強部位２６に与えられる荷重を、芯材２４において適切に受けることができる。このため、補強部位２６において、荷重を適切に受けることができる分、補強部位２６以外の部位において、荷重による負荷を軽減でき、板厚等を低減することができることから、引抜成形材料１０全体の重量を軽減することが可能となる。
また、実施形態１によれば、交点Ｐから最も離れた部位を補強することで、交点Ｐを中心とした引抜成形材料１０への曲げモーメントによる応力が大きくなる部位を補強することができる。特に、引抜成形材料１０がＨ字状に成形される場合、引抜成形材料１０への曲げモーメントによる応力が大きくなる先端部への補強をより好適に行うことができる。このため、荷重に対する補強をより好適に行うことができる。
［実施形態２］
次に、図５を参照して、実施形態２に係る引抜成形材料４０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図５は、実施形態２に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。
図５に示すように、実施形態２の引抜成形材料４０は、長手方向に直交する断面において、凹形状に形成されている。凹形状となる引抜成形材料４０は、実施形態１と同様に、複数の繊維シート２０と、芯材２４と、を備えている。なお、繊維シート２０及び芯材２４については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
引抜成形材料４０に形成される補強部位２６は、凹形状となる引抜成形材料４０の自由端となる２つの両端部にそれぞれ設けられている。なお、補強部位２６についても、引抜成形材料４０において設けられる位置が異なる他は、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
以上のように、実施形態２においても、芯材２４に含まれる強化繊維の繊維方向を、荷重方向に沿って配向することができるため、補強部位２６に与えられる荷重を、芯材２４において適切に受けることができる。
［実施形態３］
次に、図６を参照して、実施形態３に係る引抜成形材料５０について説明する。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図６は、実施形態３に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。
図６に示すように、実施形態３の引抜成形材料５０は、長手方向に直交する断面において、凹形状に形成されている。凹形状となる引抜成形材料５０は、実施形態１と同様に、複数の繊維シート２０と、芯材２４と、を備えている。なお、繊維シート２０及び芯材２４については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
引抜成形材料５０に形成される補強部位２６は、凹形状となる引抜成形材料５０の自由端となる２つの両端部にそれぞれ設けられ、また、凹形状となる引抜成形材料５０の屈曲する２つのコーナー部にそれぞれ設けられている。なお、補強部位２６についても、引抜成形材料５０において設けられる位置が異なる他は、実施形態１及び２と同様であるため、説明を省略する。
以上のように、実施形態３においても、芯材２４に含まれる強化繊維の繊維方向を、荷重方向に沿って配向することができるため、補強部位２６に与えられる荷重を、芯材２４において適切に受けることができる。
［実施形態４］
次に、図７を参照して、実施形態４に係る引抜成形材料６０について説明する。なお、実施形態４でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から３と異なる部分について説明し、実施形態１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図７は、実施形態４に係る複合材の一例を概略的に示す断面図である。
図７に示すように、実施形態４の引抜成形材料６０は、長手方向に直交する断面において、Ｔ字状に形成されている。Ｔ字状となる引抜成形材料６０は、実施形態１と同様に、複数の繊維シート２０と、間隙材２２と、芯材２４と、を備えている。なお、繊維シート２０、間隙材２２及び芯材２４については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
引抜成形材料６０に形成される補強部位２６は、Ｔ字状となる引抜成形材料６０の直線状の一辺となる部位の片面側から突出する自由端となる先端部に設けられている。なお、補強部位２６についても、引抜成形材料６０において設けられる位置が異なる他は、実施形態１から３と同様であるため、説明を省略する。
以上のように、実施形態４においても、芯材２４に含まれる強化繊維の繊維方向を、荷重方向に沿って配向することができるため、補強部位２６に与えられる荷重を、芯材２４において適切に受けることができる。
１０ 引抜成形材料
２０ 繊維シート
２２ 間隙材
２４ 芯材（芯部）
２６ 補強部位
２８ 被覆部
４０ 引抜成形材料（実施形態２）
５０ 引抜成形材料（実施形態３）
６０ 引抜成形材料（実施形態４）
１００ 引抜成形装置
１１０ 繊維シート供給部
１１２ 樹脂プール
１２４ 芯材供給部
１４０ 成形型
１４１ 型本体
１４２ 芯部ガイド部
１４３ 被覆部ガイド部

Claims (6)

  1. 荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位を有し、繊維シートを引抜成形することで形成される複合材であって、
    前記補強部位は、
    繊維方向が前記荷重方向に沿って配向されている強化繊維からなり、前記荷重方向に沿って延在して設けられる芯部と、
    前記複合材を構成する前記繊維シートの一部により前記芯部の周囲を被覆してなる被覆部と、を有し、
    前記被覆部は、前記繊維シートの一部により前記芯部を巻き込んで形成することを特徴とする複合材。
  2. 前記被覆部は、前記芯部の外周面に接する前記繊維シートの強化繊維の繊維方向が、前記芯部の繊維方向に対して９０°以外の方向となっていることを特徴とする請求項１に記載の複合材。
  3. 前記荷重方向に直交する面で切った断面において、所定方向に伸びる中立軸を第１中立軸とし、前記第１中立軸の直交方向に伸びる中立軸を第２中立軸とすると、
    前記補強部位は、前記第１中立軸と前記第２中立軸との交点から、最も離れた部位となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材。
  4. 前記補強部位は、前記荷重方向に直交する面で切った断面において、自由端となる先端部及び屈曲するコーナー部の少なくとも一方の部位となっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合材。
  5. 荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位を有し、繊維シートを引抜方向に引き抜きながら複合材を成形する引抜成形装置であって、
    前記補強部位は、
    強化繊維からなり、前記荷重方向に沿って延在して設けられる芯部と、
    前記複合材を構成する前記繊維シートの一部により前記芯部の周囲を被覆してなる被覆部と、を有しており、
    前記強化繊維及び前記繊維シートが、前記引抜方向に沿って引き抜かれることで、前記補強部位を有する前記複合材を成形する成形型を備え、
    前記成形型は、
    前記芯部が形成されるように前記強化繊維を束ねて案内する芯部ガイド部と、
    前記芯部を前記繊維シートの一部で巻き込むように前記繊維シートを案内する被覆部ガイド部と、を有することを特徴とする引抜成形装置。
  6. 荷重方向に作用する荷重に対して補強された部位となる補強部位を有し、繊維シートを引抜方向に引き抜きながら複合材を成形する引抜成形方法であって、
    前記補強部位は、
    強化繊維からなり、前記荷重方向に沿って延在して設けられる芯部と、
    前記複合材を構成する前記繊維シートの一部により前記芯部の周囲を被覆してなる被覆部と、を有しており、
    前記強化繊維及び前記繊維シートが、前記引抜方向に沿って引き抜かれることで、前記補強部位を有する前記複合材を成形する引抜成形工程を備え、
    前記引抜成形工程では、前記強化繊維を束ねて前記芯部を形成しつつ、前記芯部を前記繊維シートの一部で巻き込むことを特徴とする引抜成形方法。
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