JPWO2013094515A1 - 自動車用繊維強化樹脂部材および自動車用繊維強化樹脂部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
繊維強化樹脂製のバンパービーム（１８）は、底壁（２１ａ）および一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ）を有して一方向に開口するコ字状断面の本体部（２１）と、底壁（２１ａ）および一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ）を接続するリブ（２２，２３）とを一体に備える。連続繊維（３１ａ，３１ｂ）で補強した本体部（２１）と不連続繊維（３２）で補強したリブ（２２，２３）とを同時にプレス成形したので、捩じり変形に対する剛性が低いコ字状断面の本体部（２１）をリブ（２２，２３）により補強して断面くずれを防止できる。また本体部（２１）を連続繊維（３１ａ，３１ｂ）で補強して高い強度を確保しながら、連続繊維（３１ａ，３１ｂ）で補強することが難しいリブ（２２，２３）を不連続繊維（３２）で補強することができるだけでなく、本体部（２１）およびリブ（２２，２３）を別個に成形して結合する必要をなくして製造工程を簡素化することができる。
Description
本発明は、底壁および一対の側壁を有して一方向に開口するコ字状断面の本体部と、前記底壁および前記一対の側壁を接続するリブとを一体に備える自動車用繊維強化樹脂部材と、その自動車用繊維強化樹脂部材の製造方法とに関する。
繊維強化樹脂製のバンパービーム（バンパーレインフォースメント）を覆うように装着されるバンパーフェースの後面にリブを形成したものが、下記特許文献１により公知である。
また連続繊維の織布を含む繊維強化樹脂の壁に、ランダムに配置された不連続繊維を含む繊維強化樹脂のリブを形成した複合体が、下記特許文献２により公知である。
また熱可塑性合成樹脂の粉体に不連続無機繊維を配合したスタンパブルシートを金型でプレス成形して所望の形状の繊維強化樹脂製品を得るものが、下記特許文献３により公知である。
ところで上記特許文献１に記載されたものは、バンパービームは繊維強化樹脂製であるが、バンパーフェースと一体に形成されたリブはポリプロピレン製であるため、リブによる衝撃吸収効果は充分なものとは言えない。
また特許文献２に記載されたものは、連続繊維の織布を含む繊維強化樹脂の壁を成形した後に、ランダムに配置された不連続繊維を含む繊維強化樹脂のリブを成形する必要があるため、その製造工数が増加してコストアップの要因となる問題がある。
また特許文献３に記載されたものは、繊維強化樹脂製品が不連続繊維だけで補強されているため、連続繊維で補強されたものに比べて強度が劣るという問題がある。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、コ字状断面の自動車用繊維強化樹脂部材の捩じり剛性を高めるとともに、その製造工程を簡素化することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、底壁および一対の側壁を有して一方向に開口するコ字状断面の本体部と、前記底壁および前記一対の側壁を接続するリブとを一体に備える自動車用繊維強化樹脂部材であって、連続繊維で補強した前記本体部と不連続繊維で補強した前記リブとを同時にプレス成形したことを第１の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１の特徴に加えて、前記連続繊維は、相互に直交する二つの方向に配向されて平織されることを第２の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第２の特徴に加えて、前記連続繊維の配向方向は、前記本体部の主応力方向と、それに直交する方向とに沿うことを第３の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第３の何れか１つの特徴に加えて、前記リブは、前記一対の側壁を結ぶ方向の中間部に切欠きを有することを第４の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第４の何れか１つの特徴に加えて、前記リブは格子状であり、格子の交点に位置決め孔を有するボスが一体に成形されることを第５の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第５の何れか１つの特徴に加えて、前記不連続繊維の長さは０．９ｍｍ〜４．４ｍｍであることを第６の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第６の何れか１つの特徴に加えて、前記本体部の両端に不連続繊維で補強した端部ブラケットを備えることを第７の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第７の何れか１つの特徴に加えて、前記一対の側壁間の距離は、前記本体部の長手方向中央部の方が両端部よりも大きいことを第８の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材が提案される。
また本発明によれば、前記第１〜第８の何れか１つの特徴に記載の自動車用繊維強化樹脂部材の製造方法であって、前記本体部の外表面を成形する雌型の成形面に前記連続繊維を含む第１プリプレグをセットする工程と、前記第１プリプレグ上に前記不連続繊維を含む第２プリプレグをセットする工程と、前記本体部の内表面を成形する成形面および前記リブを成形する溝を有する雄型と前記雌型とで、前記第１プリプレグおよび前記第２プリプレグをプレスして前記自動車用繊維強化樹脂部材を成形する工程とを含むことを第９の特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材の製造方法が提案される。
本発明の第１の特徴によれば、自動車用繊維強化樹脂部材は、底壁および一対の側壁を有して一方向に開口するコ字状断面の本体部と、底壁および一対の側壁を接続するリブとを一体に備える。連続繊維で補強した本体部と不連続繊維で補強したリブとを同時にプレス成形したので、捩じり変形に対する剛性が低いコ字状断面の本体部をリブにより補強して断面くずれを防止できる。また本体部を連続繊維で補強して高い強度を確保しながら、連続繊維で補強することが難しいリブを不連続繊維で補強することができるだけでなく、本体部およびリブを別個に成形して結合する必要をなくして製造工程を簡素化することができる。
また本発明の第２の特徴によれば、本体部の連続繊維は相互に直交する二つの方向に配向されて平織されるので、コ字状断面の自動車用繊維強化樹脂部材の剛性を高めて本体部の口開きを防止することができる。
また本発明の第３の特徴によれば、本体部の連続繊維の配向方向が主応力方向に沿うので、本体部の曲げ剛性を高めることができる。またコ字状断面の本体部が口開きするように変形するときに主応力方向と直交する方向に応力が発生するが、その方向にも連続繊維が配向されるので、本体部の口開きに対する剛性も同時に高めることができる。
また本発明の第４の特徴によれば、リブは一対の側壁を結ぶ方向の中間部に切欠きを有するので、本体部の重量を軽減することができる。
また本発明の第５の特徴によれば、格子状のリブの交点に位置決め孔を有するボスを設けたので、バンパービームと他の部品とを結合するときの位置決め作業が容易になる。また位置決め孔をドリルで後加工すると繊維間の樹脂が剥離して強度を低下させる虞があるが、位置決め孔を有するボスを自動車用繊維強化樹脂部材に一体に成形したことで前記強度の低下を防止することができる。
また本発明の第６の特徴によれば、リブの不連続繊維の長さは０．９ｍｍ〜４．４ｍｍであるので、その長さの不連続繊維を樹脂と共に射出しようとするとノズルが目詰まりする虞があるが、それをプレス成形することで充分な長さの不連続繊維を使用することを可能にしてリブの強度を高めることができる。
また本発明の第７の特徴によれば、本体部の両端に不連続繊維で補強した端部ブラケットを備えるので、本体部の両端を他部材に結合することが容易である。
また本発明の第８の特徴によれば、本体部の一対の側壁間の距離は、本体部の長手方向中央部の方が両端部よりも大きいので、本体部の開口部側から他部材が衝突したときに、他部材が本体部に係合する確率を高めて衝撃吸収効果を高めることができる。
また本発明の第９の特徴によれば、本体部の外表面を成形する雌型の成形面に連続繊維を含む第１プリプレグをセットし、第１プリプレグ上に不連続繊維を含む第２プリプレグをセットし、本体部の内表面を成形する成形面およびリブを成形する溝を有する雄型と雌型とで、第１プリプレグおよび第２プリプレグをプレスして動車用繊維強化樹脂部材を成形するので、本体部およびリブを一度に成形することが可能になって製造工程を簡素化することができる。
２１ 本体部
２１ａ 底壁
２１ｂ 側壁
２１ｃ 側壁
２２ 横リブ（リブ）
２３ 縦リブ（リブ）
２３ａ 切欠き
２４ ボス
２４ａ 位置決め孔
２５ 端部ブラケット
２７ 雌型
２８ 雄型
２９ 第１プリプレグ
３０ 第２プリプレグ
３１ａ 連続繊維
３１ｂ 連続繊維
３２ 不連続繊維
２１ａ 底壁
２１ｂ 側壁
２１ｃ 側壁
２２ 横リブ（リブ）
２３ 縦リブ（リブ）
２３ａ 切欠き
２４ ボス
２４ａ 位置決め孔
２５ 端部ブラケット
２７ 雌型
２８ 雄型
２９ 第１プリプレグ
３０ 第２プリプレグ
３１ａ 連続繊維
３１ｂ 連続繊維
３２ 不連続繊維
以下、図１〜図７に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１および図２に示すように、繊維強化樹脂製のキャビン１１は、フロアパネル１２、左右一対のサイドシル１３，１３、センタートンネル１４、ダッシュボードロア１５等を一体に備える。キャビン１１の前端から左右一対の金属製のフロントサイドフレーム１６，１６が前方に延びており、その前端に左右一対の繊維強化樹脂製の衝撃吸収部材１７，１７が接続される。左右の衝撃吸収部材１７，１７の前端部内面に繊維強化樹脂製のバンパービーム１８の車幅方向両端部が接続されるとともに、その前端部外面に繊維強化樹脂製の左右一対のホイールハウスロアメンバ１９，１９の前端部が接続される。左右の衝撃吸収部材１７，１７の間には、繊維強化樹脂製の四角枠状のフロントバルクヘッド２０が設けられる。
バンパービーム１８の本体部２１は底壁２１ａおよび一対の側壁２１ｂ，２１ｃを有して前面が開放するコ字状断面の部材であって、その内面に車幅方向に延びる１本の横リブ２２と、横リブ２２に直交して上下方向に延びる複数の縦リブ２３…とが格子状に形成される。横リブ２２の後縁は底壁２１ａに接続され、縦リブ２３…の後縁および上下縁は底壁２１ａおよび側壁２１ｂ，２１ｃに接続される。各縦リブ２３の前縁にはコ字状に凹む切欠き２３ａが形成される。本体部２１の上下の側壁２１ｂ，２１ｂの間隔は車幅方向に変化しており、車幅方向中央部ではＨ１であり、車幅方向両端部ではＨ１よりも小さいＨ２である（図３参照）。
上側の側壁２１ｂの上縁からはフランジ２１ｄが上向きに突出し、下側の側壁２１ｃの下縁からはフランジ２１ｅが下向きに突出する。左右両端に位置する２枚の縦リブ２３，２３と横リブ２２とが交差する位置には、位置決め孔２４ａ，２４ａを有するボス２４，２４が形成される。本体部２１の車幅方向両端には左右一対の繊維強化樹脂製の板状の端部ブラケット２５，２５が設けられる。
図６（Ａ）に示すように、バンパービーム１８をプレス成形する金型２６は、本体部２１の外表面を成形する凹状のキャビティ２７ａを有する雌型２７と、本体部２１の内表面を成形する凸状のコア２８ａを有する雄型２８とからなり、コア２８ａには横リブ２２を成形する横溝２８ｂおよび縦リブ２３…を成形する縦溝２８ｃ…が形成される。金型２６を型開きした状態で、雌型２７のキャビティ２７ａの上部に連続繊維の第１プリプレグ２９と、不連続繊維の第２プリプレグ３０とが予備加熱した状態で配置される。本実施の形態では、第２プリプレグ３０の不連続繊維の長さは、０．９ｍｍ〜４．４ｍｍに設定される。
プリプレグは、カーボンファイバー、グラスファイバー、アラミドファイバー等の連続繊維よりなる織布やＵＤ（連続繊維を一方向に引き揃えたシート）、あるいは不連続繊維のマットを補強材とし、それに半硬化の熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等）、あるいは熱可塑性樹脂（ナイロン６やポリプロピレン等の）を含浸させたもので、表面のベタつきはないが金型の形状になじむ柔軟性を有している。熱硬化性樹脂の場合、複数枚のプリプレグを積層状態で金型内に挿入して圧力を加えながら例えば１３０°Ｃ程度に加熱すると、熱硬化性樹脂が硬化して繊維強化樹脂製品が得られる。熱可塑性樹脂の場合、予備加熱した複数枚のプリプレグを積層状態で金型内に挿入して加圧成形し、その後冷却すると繊維強化樹脂製品が得られる。
続いて、図６（Ｂ）に示すように、雌型２７に対して雄型２８を下降させると、第１プリプレグ２９が雌型２７のキャビティ２７ａと雄型２８のコア２８ａとによってプレスされ、コ字状断面を有するバンパービーム１８の本体部２１が成形される。このとき、不連続繊維を補強材とする第２プリプレグ３０は容易に変形可能であるため、第１プリプレグ２９と雄型２８のコア２８ａとによって挟まれた第２プリプレグ３０はコア２８ａの横溝２８ｂおよび縦溝２８ｃ…内に流入し、バンパービーム１８の横リブ２２、縦リブ２３…および端部ブラケット２５，２５を同時に成形する。また第２プリプレグ３０の一部は本体部２１の内表面に沿って薄い膜状に積層される。
続いて、図６（Ｃ）に示すように、金型２６から取り出したバンパービーム１８の本体部２１のフランジ２１ｄ，２１ｅの余剰部分を切断することで、バンパービーム１８を完成する。
図６の金型２６で第１プリプレグ２９および第２プリプレグ３０をプレス成形することで、図４に示すように、バンパービーム１８の本体部２１、つまり底壁２１ａ、上下の側壁２１ｂ，２１ｃおよび上下のフランジ２１ｄ，２１ｅは、直交する二つの方向に配向したカーボンの連続繊維３１ａ…，３１ｂ…（図４（Ａ）参照）を平織したもので補強される。一方の連続繊維３１ａ…の配向方向は車幅方向（つまりバンパービーム１８の主応力方向）であり、他方の連続繊維３１ｂ…の配向方向は車幅方向に直交する方向である。バンパービーム１８の横リブ２２、縦リブ２３…、ボス２４，２４、端部ブラケット２５，２５および本体部２１の内面を覆う薄い層は、カーボンの不連続繊維３２…がランダムに絡みあったもの（図４（Ｂ）参照）で補強される。
図５に示すように、繊維強化樹脂製の左右の衝撃吸収部材１７，１７は正面視でＳ字状の断面を有しており、左右の端部ブラケット２５，２５は左右の衝撃吸収部材１７，１７の車幅方向内面に接着あるいは溶着され、更にリベット３３…で結合される。
以上のように、単純なコ字状断面を有するバンパービーム１８の本体部２１の繊維強化樹脂を強度の高い平織した連続繊維で補強し、複雑な形状を有するために平織した連続繊維で補強することが困難な横リブ２２、縦リブ２３…、ボス２４，２４および端部ブラケット２５，２５の繊維強化樹脂を、成形の自由度が高い不連続繊維３２…で補強したので、バンパービーム１８の強度および成形性を両立させることができる。しかも連続繊維を含む第１プリプレグ２９および不連続繊維を含む第２プリプレグ３０を同一の金型２６内に配置して１工程でバンパービーム１８を成形するため、それらを別個に成形して接着や溶着で一体化する場合に比べて製造コストを削減することができる。
図７（Ａ）に示すように、リブを持たない単純なコ字状断面のバンパービーム１８が前面衝突して鎖線の状態に変形した場合、底面２１ａに引張応力が作用し、上下の側壁２１ｂ，２１ｃの前部、つまり上下のフランジ２１ｄ，２１ｅに圧縮応力が作用する。従って、直交する連続繊維のうちの一方の連続繊維３１ａ…を主応力方向（車幅方向）に配置することで、前面衝突時の曲げ変形に対するバンパービーム１８の強度を高めることができる。
またバンパービーム１８が前面衝突したときには、図７（Ｂ）に示すように、上下のフランジ２１ｄ，２１ｅは口開きするように変形するため、前記主応力方向に対して直交する方向にも引張応力および圧縮応力が作用するが、その方向に他方の連続繊維３１ｂ…を配置することで、バンパービーム１８の口開きに対する強度を高めることができる。
以上のように、バンパービーム１８が前面衝突した場合には、連続繊維３１ａ…，３１ｂ…を車幅方向およびそれに直交する方向に配置することで高い強度を得ることができる。しかしながら、バンパービーム１８に上下方向にオフセットした衝突荷重が入力した場合には、図７（Ｃ）に示すように、本体部２１が捩じり変形し、連続繊維３１ａ…，３１ｂ…を直交する方向に配置して補強するだけでは捩じり変形に対する剛性を確保することは困難である。しかしながら本実施の形態によれば、バンパービーム１８の本体部２１の底部２１ａおよび上下の側壁２１ｂ，２１ｃを格子状の横リブ２２および縦リブ２３…で接続することで、バンパービーム１８を閉断面化したり、４５°傾斜した連続繊維を追加したりするコストの嵩む補強を行うことなく、捩じり変形に対する剛性を充分に高めることができる。
また横リブ２２および縦リブ２３…の不連続繊維の長さは０．９ｍｍ〜４．４ｍｍであるので、その長さの不連続繊維を樹脂と共に射出しようとするとノズルが目詰まりする虞があるが、それをプレス成形することで充分な長さの不連続繊維を使用することを可能にして横リブ２２および縦リブ２３…の強度を高めることができる。
また格子状の横リブ２２および縦リブ２３…の交点に位置決め孔２４ａ，２４ａを有するボス２４，２４を設けたので、バンパービーム１８と他の部品とを結合するときの位置決め作業が容易になる。また本体部２１の両端に不連続繊維３２で補強した端部ブラケット２５，２５を備えるので、本体部２１の両端をホイールハウスロアメンバ１９，１９に結合することが容易である。また位置決め孔２４ａ，２４ａをドリルで後加工すると繊維間の樹脂が剥離して強度を低下させる虞があるが、位置決め孔２４ａ，２４ａを有するボス２４，２４をバンパービーム１８に一体に成形したことで前記強度の低下を防止することができる。
また本体部２１の上下の側壁２１ｂ，２１ｃ間の距離は、本体部２１の長手方向中央部の方が両端部よりも大きいので、本体部２１の開口部側から他部材が衝突したときに、他部材が本体部２１に係合する確率を高めて衝撃吸収効果を高めることができる。しかも縦リブ２３…は上下の側壁２１ｂ，２１ｃを結ぶ方向の中間部に切欠きを有するので、本体部２１の重量を軽減することができる。
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、本発明の自動車用繊維強化樹脂部材は実施の形態のバンパービーム１８に限定されるものではなく、ドアビームや補強部材であっても良い。
Claims (9)
- 底壁（２１ａ）および一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ）を有して一方向に開口するコ字状断面の本体部（２１）と、前記底壁（２１ａ）および前記一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ）を接続するリブ（２２，２３）とを一体に備える自動車用繊維強化樹脂部材であって、
連続繊維（３１ａ，３１ｂ）で補強した前記本体部（２１）と不連続繊維（３２）で補強した前記リブ（２２，２３）とを同時にプレス成形したことを特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材。 - 前記連続繊維（３１ａ，３１ｂ）は、相互に直交する二つの方向に配向されて平織されることを特徴とする、請求項１に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 前記連続繊維（３１ａ，３１ｂ）の配向方向は、前記本体部（２１）の主応力方向と、それに直交する方向とに沿うことを特徴とする、請求項２に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 前記リブ（２２，２３）は、前記一対の側壁（２１ｂ，２１ｃ）を結ぶ方向の中間部に切欠き（２３ａ）を有することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 前記リブ（２２，２３）は格子状であり、格子の交点に位置決め孔（２４ａ）を有するボス（２４）が一体に成形されることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 前記不連続繊維（３２）の長さは０．９ｍｍ〜４．４ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 前記本体部（２１）の両端に不連続繊維（３２）で補強した端部ブラケット（２５）を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 前記一対の側壁間（２１ｂ，２１ｃ）の距離は、前記本体部（２１）の長手方向中央部の方が両端部よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の自動車用繊維強化樹脂部材。
- 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の自動車用繊維強化樹脂部材の製造方法であって、
前記本体部（２１）の外表面を成形する雌型（２７）の成形面に前記連続繊維（３１ａ，３１ｂ）を含む第１プリプレグ（２９）をセットする工程と、
前記第１プリプレグ（２９）上に前記不連続繊維（３２）を含む第２プリプレグ（３０）をセットする工程と、
前記本体部（２１）の内表面を成形する成形面および前記リブ（２２，２３）を成形する溝を有する雄型（２８）と前記雌型（２７）とで、前記第１プリプレグ（２９）および前記第２プリプレグ（３０）をプレスして前記自動車用繊維強化樹脂部材を成形する工程と、
を含むことを特徴とする自動車用繊維強化樹脂部材の製造方法。
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