JP6919556B2

JP6919556B2 - 複合部材の製造方法

Info

Publication number: JP6919556B2
Application number: JP2017247591A
Authority: JP
Inventors: 一記小森谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP2019111746A; CN109955487B; DE102018132834B4; US10913238B2; US20190193375A1; DE102018132834A1; CN109955487A

Description

筒状の金属部品と、金属部品を補強する繊維強化樹脂材とを備えた複合部材の製造方法に関する。

従来から、金属部品に、強化繊維に高分子樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材を貼着して、金属部品を補強した複合部材が製造される。このような複合部材として、特許文献１には、アルミニウム合金製の筒状部材に対して曲げ荷重が作用することを想定し、この筒状部材の表面のうち、曲げ荷重の作用する側の表面に、繊維強化樹脂材を配置した複合部材が開示されている。この複合部材を製造する際には、金属部品の表面に、繊維強化樹脂材が接着剤等を介して直接貼着される。

特開２００３−１２９６１１号公報

ところで、上述した筒状部材を曲げ加工して得られた金属部品に対して、これを補強するために、一方向に配向された強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材を貼着し、この熱硬化性樹脂を熱硬化させることがある。しかしながら、内側に曲げられた金属部品の外壁部に、未硬化の熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂材を貼り付けて、熱硬化性樹脂を熱硬化させても、金属部品が十分に補強されないことがあった。

これは、曲げ加工時に、曲げ方向の内側の筒状部材の外壁部に対して、長手方向に圧縮応力が作用するため、外壁部が波打つように変形し、外壁部の表面に凹部と凸部が交互に形成されるからであると考えられる。この凹部と凸部が交互に形成された表面に、繊維強化樹脂材を貼り付けると、一方向に配向された強化繊維も、この凹部および凸部に倣うようにうねってしまう。この結果、強化繊維の配向が乱れ、本来期待されていた強化繊維による補強効果を十分に得ることができないと考えられる。

本発明は、この点を鑑みてなされたものであり、筒状部材を曲げ加工して得られた金属部品に対して、繊維強化樹脂材による補強効果を充分発揮することができる複合部材の製造方法を提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る複合部材の製造方法は、筒状の金属部品と、前記金属部品を補強する繊維強化樹脂材とを備えた複合部材の製造方法であって、長手方向に沿って平板状の外壁部が延在した金属製の筒状部材を、前記外壁部に圧縮応力が作用するように曲げ加工することにより、前記金属部品を作製する工程と、平板状の金属板を準備する、または、平板状の金属板を前記金属部品の曲げ形状に応じて屈曲又は湾曲させた金属板を準備する工程と、準備した前記金属板の表面に、一方向に配向した強化繊維を含む繊維基材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材を貼着した後、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、補強材を作製する工程と、前記金属部品の前記外壁部の表面に、前記補強材の前記金属板を接合する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、金属製の筒状部材を、外壁部前記外壁部に圧縮応力が作用するように曲げ加工することにより金属部品を作製すると、この外壁部に対して長手方向に作用する圧縮応力により、外壁部が、長手方向に波打つように変形する。これにより、この外壁部の表面には、長手方向に沿って、凹部と凸部が交互に形成される。

ここで、本発明では、外壁部の表面に、直接、繊維強化樹脂材を貼り付けるのではなく、まず、平板状の金属板を準備する、または、平板状の金属板を金属部品の曲げ形状に応じて、屈曲または湾曲させた金属板を準備する。

次に、この準備した金属板に、繊維強化樹脂材を貼着する。金属板の表面は、外壁部の表面の如き凹部と凸部が交互に形成された表面ではなく、平担面、または、この平坦面が所定の方向に屈曲または湾曲した表面であるため、この表面に貼着される繊維強化樹脂材の強化繊維の配向は乱れることがない。このようにして、強化繊維の配向を確保した状態で、熱硬化性樹脂を熱硬化させて、配向性の高い強化繊維を有した補強材を作製することができる。得られた補強材の金属板を、金属部品の外壁部の表面に接合することにより、繊維強化樹脂材により十分に補強された複合部材を得ることができる。

ここで、繊維強化樹脂材の繊維基材に、一方向に配向された強化繊維を含んでいれば、その配向される方向にかかわらず、曲げ加工された金属部品に繊維強化樹脂材を直接貼り付ける場合と比べて、補強材の補強効果を発揮することができる。しかしながら、より好ましい態様としては、前記補強材を作製する工程において、前記金属部品の長手方向に沿って前記強化繊維が配向されるように、前記金属板の表面に繊維強化樹脂材を貼着する。

たとえば、上述した金属部品の外壁部の表面の長手方向に沿って、強化繊維が配向されるように、繊維強化樹脂材を直接貼着すると、強化繊維が長手方向に沿って連続して蛇行するように乱れやすく、強化繊維の補強効果を大きく損なってしまう。しかしながら、この態様によれば、前記金属部品の長手方向に沿って前記強化繊維が配向されるように、前記補強材を作製するので、金属部品の長手方向に沿って、強化繊維が蛇行することなく、配向性の高い強化繊維を配置することができる。この結果、補強材による金属部品の補強効果を高めることができる。

前記筒状部材（すなわち、金属部品）は、金属材料からなるのであれば、ステンレス鋼、銅合金、アルミニウム合金等のいずれの材料であってもよいが、より好ましい態様としては、前記金属部品は、アルミニウム合金からなる。

金属部品に繊維強化樹脂材を直接貼着して熱硬化させると、金属部品のアルミニウム合金も加熱され、過時効により金属部品の強度低下が懸念されるところ、この態様では、補強材の作製の際に、熱硬化性樹脂を熱硬化させるので、このような金属部品の強度低下を防止することができる。

金属部品が、アルミニウム合金からなる場合、強化繊維は、金属部品を補強することができるのであれば、炭素繊維、ガラス繊維など、特にその材料は限定されないが、より好ましい態様としては、前記強化繊維は炭素繊維である。

金属部品に繊維強化樹脂材を直接貼着する場合、金属部品のアルミニウム合金と炭素繊維の炭素とが接触すると、アルミニウム合金のガルバニック腐食が懸念される。そこで、このような場合、金属部品の表面に、電着塗装などの塗装を行わなければならないが、この態様では、金属板を介して繊維強化樹脂材を金属部品に接合するため、金属部品にこのような塗装をしなくてもよい。特に、金属部品に電着塗装を行うと、金属部品のアルミニウム合金も加熱され、過時効により金属部品の強度低下が懸念されるところ、このような強度低下を防止することができる。

本発明に係る複合部材の製造方法によれば、筒状部材を曲げ加工して得られた金属部品に対して、繊維強化樹脂材による補強効果を充分発揮することができる。

本発明の実施形態に係る複合部材の製造方法を説明するためのフロー図である。図１に示す金属部品作製工程を説明するための模式的概念図である。図２に示すＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。図３Ａに示すＢ−Ｂ線に沿った矢視方向の断面図である。図３Ａに示すＣ−Ｃ線に沿った矢視方向の断面図である。図１に示す補強材作製工程を説明するための模式的概念図である。図１に示す接合工程を説明するための模式的概念図である。図３Ａに示す位置における複合部材の断面図である。図６Ａに示すＤ−Ｄ線に沿った矢視方向の断面図である。図６Ａに示すＥ−Ｅ線に沿った矢視方向の断面図である。本実施形態の変形例に係る金属板を準備する工程を説明するための模式的概念図である。図７に示す金属板による作製された補強材を金属部品に接合する接合工程を説明するための模式的概念図である。

以下に本発明のいくつかの実施形態を図１〜８を参照しながら説明する。

本実施形態では、図５の下図または図８の下図に示すように、筒状の金属部品２と、金属部品２を補強する繊維強化樹脂材５とを備えた複合部材１を製造する。以下の図１を参照しながら、この製造方法の詳細を説明する。

１．金属部品作製工程Ｓ１について
まず、金属部品作製工程Ｓ１を行う。この工程では、補強される部品として、筒状の金属部品２を作製する。具体的には、図２の上図に示すように、長手方向に沿って平板状の外壁部２１Ａ〜２４Ａが延在した金属製の筒状部材２Ａを準備する。

本実施形態では、筒状部材２Ａは、長方形状の角パイプからなる中空形材である。筒状部材２Ａには、対向した一対の外壁部２１Ａ、２２Ａと、これらに連続し、かつ、相互に対向した一対の外壁部２３Ａ、２４Ａと、が形成され、これらの外壁部２１Ａ〜２４Ａにより、筒状部材２Ａの長手方向に沿って中空部２５が形成される。

さらに、対向する外壁部２１Ａ、２２Ａをわたすように、これらの間に１つまたは複数のリブが形成されていてもよい。これにより、後述する作製された金属部品の強度を高めることができる。さらに、本実施形態では、外壁部２１Ａ〜２４Ａのすべてが、平板状であったが、少なくとも、曲げ加工における曲げ方向の内側（長手方向に圧縮応力が作用する側）の外壁部２１Ｂが平板状であれば、それ以外の外壁部の形状は、湾曲していてもよく、その形状は特に限定されるものではない。

準備される筒状部材２Ａは、金属材料からなり、その材料としては、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などを挙げることができ、本実施形態では、アルミニウム合金である。アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金などを挙げることができる。

次に、図２の下図に示すように、準備した金属製の筒状部材２Ａを、外壁部２１Ａを曲げ方向の内側にして、外壁部２２Ａを曲げ方向の外側にして、曲げ加工することにより、金属部品２を作製する。本実施形態では、筒状部材２Ａの両側を曲げ加工する。

ここで、図２の上図に示すように、曲げ加工前の筒状部材２Ａの長手方向に沿った、外壁部２１Ａと外壁部２２Ａとの長さは同じであるが、曲げ加工後には、その長手方向に沿った、曲げ方向の内側の外壁部２１の長さは、曲げ方向の外側の外壁部２２の長さよりも短くなる。

したがって、筒状部材２Ａの外壁部２１Ａを曲げ方向の内側にして曲げ加工することにより、金属部品２を作製すると、この外壁部２１Ａに対して長手方向に圧縮応力が作用し、図３Ａに示すように、外壁部２１が長手方向に波打つように変形する。換言すると、本実施形態では、長手方向に沿って、平板状の外壁部２１に圧縮応力が作用するように曲げ加工したことになる。

このような波打つような変形により、外壁部２１の表面には、長手方向に沿って凹部２１ａと凸部２１ｂが交互に形成される。さらに、図３Ｂに示すように、凹部２１ａは、外壁部２１の幅方向においても凹み、図３Ｃに示すように、凸部２１ｂは、外壁部２１の幅方向においても膨らむ。

このような凹部２１ａと凸部２１ｂが交互に形成された表面に、繊維強化樹脂材を貼り付けると、一方向に配向された強化繊維が、これらの表面形状に倣うように蛇行してしまう（うねってしまう）。この結果、強化繊維の配向が乱れ、本来期待されていた強化繊維による補強効果を十分に得られない。そこで、本実施形態では、以下の一連の工程に示すように、金属板３を準備し、これを用いて補強材６を作製する。

２．金属板準備工程Ｓ２について
具体的には、金属板準備工程Ｓ２を行う。この工程では、後述する接合工程Ｓ４において、外壁部２１の表面に接合される金属板３を準備する。本実施形態では、金属板３は、外壁部２１の表面のうち、曲げ加工により実質的に屈曲していない部分に接合されるため、準備する金属板３は、図４に示すように平板状の板材である。

金属板３は、後述する強化繊維の配向を乱さず、金属部品２に接合することができるものであれば、その大きさ、厚さ、およびその材料は特に限定されるものではない。また、金属板３で金属部品２を直接的に補強する必要はなく、後述する繊維強化樹脂材５により、金属部品２が補強される。このため、金属板３の板厚は、外壁部２１の肉厚よりも薄くてもよい。これにより、製造される複合部材１の軽量化を図ることができる。

金属板３の材料は、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などを挙げることができるが、本実施形態では、アルミニウム合金であり、アルミニウム合金としては、筒状部材２Ａにおいて例示した材料を挙げることができる。金属板３の材料を、アルミニウム合金とすることにより、アルミニウム合金からなる金属部品２に対する金属板３の接合性を高めることができる。なお、後述する強化繊維が炭素繊維である場合、金属板３の表面のうち、繊維強化樹脂材５が貼着される表面に、強化繊維が接触しないように、防食用の電着塗装を施してもよい。

３．補強材作製工程Ｓ３について
次に、補強材作製工程Ｓ３を行う。この工程では、まず、図４に示すように、準備した金属板３の表面に、熱硬化型の接着剤４Ａを介して、繊維強化樹脂材５Ａを貼着する。繊維強化樹脂材５Ａは、一方向に配向された強化繊維５ａを含む繊維基材５ｂに、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグである。

より具体的には、金属部品２を補強する際に、強化繊維５ａが、金属部品２の長手方向に沿って配向されるように、金属板３の表面に、繊維強化樹脂材５Ａを貼着する。しかしながら、たとえば、強化繊維５ａが一方向に配向されていれば、たとえば、強化繊維５ａが、金属部品２の長手方向に交差するように配向されていてもよい。

次に、繊維強化樹脂材５Ａを貼着した後、繊維強化樹脂材５Ａを加熱することにより、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。このとき、接着剤４Ａも合わせて硬化させる。これにより、接着層４を介して繊維強化樹脂材５を金属板３に貼着させた補強材６を得ることができる。

本実施形態では、金属板３の表面は、外壁部２１の表面の如き凹部と凸部が交互に形成された表面ではなく、平坦な表面であるため、この表面に貼着される繊維強化樹脂材５Ａの強化繊維５ａはうねることなく、その配向は乱れることがない。

また、金属板３の貼着される面が平坦面（単純な表面）であるため、金属板３と繊維強化樹脂材５Ａとの間に空気が入り込み難く、繊維強化樹脂材５Ａの内部にボイドが形成され難い。

このようにして、強化繊維５ａの配向を確保した状態で、繊維強化樹脂材５Ａの界面および内部にボイドがほとんどない状態で、熱硬化性樹脂を熱硬化させるので、強化繊維５ａによる補強効果の高い補強材６を得ることができる。

ここで、繊維基材５ｂは、一方向に配向された強化繊維を含むものであれば、平織、綾織、または朱子織された織物基材であってもよい。本実施形態では、繊維基材５ｂは、金属部品２の長手方向に沿って強化繊維５ａが配向されるように、引き揃えられた強化繊維５ａからなってもよく、それを一部に含んでいてもよい。

強化繊維５ａとしては、たとえば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができ、本実施形態では、強化繊維５ａは、炭素繊維である。

繊維基材５ｂに含浸される熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、尿素系樹脂、シリコーン系樹脂、マレイミド系樹脂、ビニルエステル系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、シアネート系樹脂、又はポリイミド系樹脂等の樹脂を挙げることができる。本実施形態では、熱硬化性樹脂は、エポキシ系樹脂である。

また、接着剤４Ａは熱硬化型の接着剤であり、繊維強化複合材５Ａの観点から、繊維基材５ｂに含浸させる樹脂と同種の樹脂が好ましい。接着剤４Ａの代わりに接着シートを用いてもよい。本実施形態では、金属板３は、アルミニウム合金からなるため、炭素繊維からなる強化繊維５ａが金属板３に直接接触しないように、接着剤４Ａを配置することが好ましい。これにより、アルミニウム合金と炭素と接触を回避し、アルミニウム合金のガルバニック腐食を抑えることができる。

なお、このような腐食が発生しないように、金属板３の材料と強化繊維５ａの材料とが選択され、金属板３に、繊維強化樹脂材５Ａを直接貼着することができるのであれば、接着剤４Ａを設けなくてもよい。たとえば、金属板３が鋼製である場合には、強化繊維５ａが炭素繊維であっても、このような腐食を回避することができる。

４．接合工程Ｓ４について
次に、接合工程Ｓ４を行う。この工程では、図５に示すように、金属部品２に補強材６を接合する。具体的には、金属部品２の外壁部２１の表面に、補強材６の金属板３を接合する。本実施形態では、補強材６の金属板３で外壁部２１の一部の表面を覆い、金属板３の周縁に沿って、連続的に金属板３と外壁部２１とにアーク溶接などの溶接を行う。

これにより、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、金属板３は、その周縁において、溶接部９を介して外壁部２１に接合される。なお、本実施形態の如く、これらの溶接前に、金属板３と外壁部２１との間に、必要に応じて接着剤などの充填材８を配置してもよい。これにより、金属板３と外壁部２１との隙間をなくし、得られた複合部材１の強度を高めることができる。充填材８が接着剤である場合、金属板３と外壁部２１との接合強度を高めることができる。

なお、本実施形態では、金属板３の周縁に沿って連続的に溶接したが、金属板３の周縁に沿ってスポット的に溶接してもよい。また、本実施形態では、金属板３と外壁部２１との間に、充填材８を配置したが、外壁部２１の凹部２１ａの凹み、および、凸部２１ｂの膨らみが小さければ、充填材８を省略してもよい。

本実施形態では、金属部品２に繊維強化樹脂材５を直接貼着するのではなく、平坦な表面を有した金属板３に繊維強化樹脂材５を貼り付けて熱硬化させるため、強化繊維５ａの配向性を保った状態の補強材６で、金属部品２を補強することができる。

したがって、金属部品２の長手方向に沿って、強化繊維５ａが蛇行することなく、配向性の高い強化繊維５ａを配置することができる。この結果、補強材６による金属部品２の補強効果を高めることができる。

さらに、補強材６の作製の際に、熱硬化性樹脂を熱硬化させるので、熱硬化時の熱影響を金属部品２が受けることはない。したがって、金属部品２が、アルミニウム合金からなる場合、この熱硬化時の熱によりアルミニウム合金が過時効により、強度低下することはない。

さらに、補強材６の金属板３と、金属部品２とを溶接により接合するため、金属材料同士の接合になり、金属板３と外壁部２１との接合強度を高めることができる。なお、本実施形態では、金属板３と、金属部品２とを溶接により接合したが、たとえば、リベット、ネジ、またはボルトなどの部材を介してこれらを接合してもよい。この場合には、補強材６は、金属板３が繊維強化樹脂材５の下地層となるため、接合前の孔加工、接合時の際の外力等により、繊維強化樹脂材５が破損することを防止することができる。この他にも、金属板３と、金属部品２とを、接着剤のみで接合してもよく、これらを摩擦接合により接合してもよい。

また、通常、金属部品に繊維強化樹脂材を直接貼着する場合、金属部品のアルミニウム合金と炭素繊維の炭素とが接触すると、アルミニウム合金のガルバニック腐食の懸念されるため、金属部品の表面に、電着塗装などの塗装を行わなければならない。しかしながら、本実施形態では、金属板３を介して繊維強化樹脂材５を金属部品２に接合するため、このような塗装をしなくてもよい。特に、金属部品に電着塗装を行うと、金属部品のアルミニウム合金も加熱され、過時効により金属部品の強度低下が懸念されるところ、本実施形態では、このような強度低下を防止することができる。

上述した実施形態では、金属板準備工程Ｓ２において、金属板３は、外壁部２１の表面のうち、曲げ加工により実質的に屈曲していない部分に接合されるため、金属板３に平板状の板材を準備した。しかしながら、例えば、外壁部２１の全体を補強する際には、図７に示す変形例の如く、平板状の金属板３Ａを準備し、この金属板３Ａを、金属部品２の曲げ形状に応じて屈曲させた金属板３を準備する。

屈曲した金属板３の表面は、平板状の金属板３Ａの平坦面が所定の方向に屈曲しているため、凹部および凸部が交互に形成された表面とはならず、滑らかな表面である。したがって、上述した方法と同様の方法で、この金属板３の表面に、図８の上図に示すように、繊維強化樹脂材５を貼着したとしても、繊維強化樹脂材５の強化繊維５ａはうねることなく、その配向は乱れない。

このようにして作製された補強材６を、金属部品２に接合することにより、金属部品２をより効果的に補強することができる。なお、この変形例では、平板状の金属板３Ａを金属部品２の曲げ形状に応じて屈曲させたが、たとえば、金属部品が緩やかに湾曲している場合には、金属板３Ａを金属部品２の曲げ形状に応じて湾曲させればよい。

これらの実施形態で得られた複合部材１は、例えば、自動車のバンパーリインフォースメントやドアのインパクトビームに用いることができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：複合部材、２：金属部品、２Ａ：筒状部材、３：金属板、４：接着層、４Ａ：接着剤、５：（熱硬化後の）繊維強化樹脂材、５Ａ：（熱硬化前の）繊維強化樹脂材、６：補強材、９：溶接部、２１：（曲げ加工後）外壁部、２１Ａ：（曲げ加工前の）外壁部

Claims

筒状の金属部品と、前記金属部品を補強する繊維強化樹脂材とを備えた複合部材の製造方法であって、
長手方向に沿って平板状の外壁部が延在した金属製の筒状部材を、前記外壁部に圧縮応力が作用するように曲げ加工することにより、前記金属部品を作製する工程と、
平板状の金属板を準備する、または、平板状の金属板を前記金属部品の曲げ形状に応じて屈曲又は湾曲させた金属板を準備する工程と、
準備した前記金属板の表面に、一方向に配向した強化繊維を含む繊維基材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材を貼着した後、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、補強材を作製する工程と、
前記筒状部材を曲げ加工した曲げ方向の内側の外壁面となる、前記金属部品の前記外壁部の表面に、前記補強材の前記金属板を接合する工程と、を含むことを特徴とする複合部材の製造方法。
前記補強材を作製する工程において、前記金属部品の長手方向に沿って前記強化繊維が配向されるように、前記金属板の表面に繊維強化樹脂材を貼着することを特徴とする請求項１に記載の複合部材の製造方法。
前記筒状部材は、アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の複合部材の製造方法。
前記強化繊維は、炭素繊維であることを特徴とする請求項３に記載の複合部材の製造方法。