KR101850194B1 - 섬유 강화 복합 재료 구조체 및 그것을 이용한 복합 재료 성형체, 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

섬유 강화 복합 재료 구조체(6)로서, 제 1 면과, 정상면(12)을 가짐과 더불어 상기 제 1 면 상에 돌출하여 규칙적으로 배치된 복수의 볼록부(11)를 갖는 박판(2)과; 제 2 면을 갖고, 상기 제 2 면에서 상기 정상면(12)과 접합되어 있는 표면재(1)를 구비한다.

Description

섬유 강화 복합 재료 구조체 및 그것을 이용한 복합 재료 성형체, 및 그의 제조 방법{FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL STRUCTURE AND COMPOSITE MATERIAL MOLDING USING SAME AS WELL AS MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 경량성, 박육(薄肉)성 및 강성이 우수한 섬유 강화 복합 재료 구조체에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명의 섬유 강화 복합 재료 구조체는, 연속된 강화 섬유와 매트릭스 수지로부터 형성되는 박판의 편면에, 연속된 강화 섬유와 매트릭스 수지로부터 형성되는 표면재가 접합되어 이루어지며, 특히 경량성과 박육성이 우수한 특성을 갖는다.
본원은 2012년 7월 18일에 일본에 출원된 특허출원 2012-159553호 및 2013년 4월 9일에 일본에 출원된 특허출원 2013-081019호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
섬유 강화 수지 복합 재료(이하 「FRP」라고 한다)는 경량이면서 고강도 및 고강성이기 때문에, 스포츠 또는 레저 용도로부터 자동차 또는 항공기 등의 산업 용도까지 폭넓게 이용되고 있다.
FRP는 개인용 컴퓨터 등의 전기 전자 기기, 가전 기기 및 의료 기기의 하우징체에도 이용된다. 개인용 컴퓨터 및 전화 등의 전기 전자 기기는 모바일화에 따라, 이들 기기를 구성하는 부품이 소형, 경량 및 박육일 필요가 있다. 특히, 이들 기기의 하우징체에 대해서는, 외부로부터 하중이 걸린 경우에, 하우징체의 일부가 휘어서, 내부 부품과 접촉해 내부 부품이 파손되거나, 하우징체 자체가 파괴되거나 하는 일이 없도록 고강도 및 고강성 등일 필요가 있다.
특허문헌 1에는, 허니콤(honeycomb) 구조, 섬 형상 구조 또는 표면과 평행 방향으로 관통된 공극 부위를 갖는 구조 중 적어도 1개의 구조를 형성하는 심재(I)와, 상기 심재(I)의 양면에 배치된, 연속된 강화 섬유와 매트릭스 수지로 구성되는 섬유 강화재(II)로부터 형성되는 샌드위치 구조체(III)가 개시되어 있다. 이 구조체는 경량성, 박육성 및 양산성이 우수한 구조 부재로서 유용하다고 되어 있지만, 심재(I)의 양면에 섬유 강화재(II)를 배치하기 때문에, 경량성, 박육성 및 양산성을 방해하는 요인이 되고 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 샌드위치 구조체(III)의 외주에, 보스 리브(Boss-Rib)부 및 힌지(hinge)부를 갖는 프레임으로서 수지 구조체(열가소성 수지 조성물)를 형성하기 위해서, 샌드위치 구조체(III)의 최표층에 열가소성 수지층을 설치하여, 아웃서트(outsert) 사출 성형을 행하는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 열가소성 수지층을 배치한 부분을 약 5mm의 오버랩 길이로 접합함으로써 강고히 일체화되는 이점이 있다고 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 1에 개시된 구조체에 있어서는, 샌드위치 구조체(III)와 수지 구조체의 접합부가 수지 구조체의 상면에 위치하고 있다. 즉, 샌드위치 구조체(III)와 수지 구조체가 상하로 중첩되어 접합부가 형성되어 있기 때문에, 이 중첩된 접합부에 있어서의 샌드위치 구조체(III)의 두께가 하우징체의 박육화를 방해하는 요인이 되고 있다.
또한, 샌드위치 구조체(III)가 수지 구조체의 상면에 위치하기 때문에, 샌드위치 구조체(III)의 측단면이 제품 외관면에 위치해서 형성되어 있으므로, 제품 외관을 좋게 하는 데에 한계가 있다.
특허문헌 2에서는, 판상 부재와 수지 구조체로 이루어지고, 상기 판상 부재는, 상면측과 하면측에 위치하는 표층 기재와, 상기 상면측의 기재와 상기 하면측의 기재의 양 표층 기재 사이에 위치하는 코어층 기재로부터 형성된다는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 있어서, 상기 각 표층 기재는 섬유 강화 수지로부터 형성되고, 상기 코어층 기재는 상기 각 표층 기재를 형성하는 상기 섬유 강화 수지보다도 연질인 연질 재료로부터 형성되어 있는 복합 성형품이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 있어서는, 이 복합 성형품은 경량성, 박육성이 우수한 복합 성형품으로서 유용하다고 개시되어 있지만, 표층 기재 사이에 연질 재료로부터 형성되어 있는 코어층 기재를 배치하기 때문에, 경량성 및 박육성을 방해하는 요인이 되고 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 상기 판상 부재와 상기 수지 구조체가 서로 마주 보는 측단면에 있어서 접합된 접합면을 갖고, 상기 접합면의 적어도 일부의 접합면은 상기 각 표층 기재의 측단면과 상기 수지 구조체의 측단면이 요철 형상을 갖고 접합된 요철 형상 접합면이며, 또한 상기 요철 형상 접합면에 있어서, 상기 수지 구조체의 선단부가 상기 양 표층 기재 사이에 끼워넣어져 있는 수지 구조체 끼워넣음 선단부를 갖는 복합 성형품이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 있어서는, 이들 접합면은 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다고 개시되어 있다. 사출 성형 시의 수지의 유동성이 낮은 경우 또는 사출 압력을 높게 할 수 없는 경우 등에는, 수지 구조체의 코어층 기재로의 볼록 형상의 침입이 충분하지 않아, 판상 부재와 수지 구조체의 충분한 접합 강도를 방해하는 요인이 되고 있다.
일본 특허공개 2008-230235호 공보 국제 공개 WO2009/034906호 팜플렛
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 감안하여, 경량성 및 박육성이 우수한 섬유 강화 복합 재료 구조체를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 태양에 따른 섬유 강화 복합 재료 구조체는, 제 1 면과, 정상면을 가짐과 더불어 상기 제 1 면 상에 돌출하여 규칙적으로 배치된 복수의 볼록부를 갖는 박판과; 제 2 면을 갖고, 상기 제 2 면에서 상기 정상면과 접합되어 있는 표면재를 구비한다.
상기 복수의 볼록부 중 한 개의 볼록부에 있어서, 상기 볼록부의 정상면의 형상 및 상기 볼록부와 상기 제 1 면의 경계선으로 둘러싸이는 제 1 영역의 형상이, 정방형, 장방형, 능형, 삼각형, 오각형, 육각형, 원형, 타원형, 환각(丸角) 정방형, 환각 장방형, 환각 능형, 환각 삼각형, 환각 오각형 및 환각 육각형으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
상기 복수의 볼록부는, 한 개의 제 1 볼록부와 상기 제 1 볼록부에 이웃하는 제 2 볼록부를 갖고, 상기 제 1 면과 수직인 방향에서의 상기 제 1 볼록부의 중심축과 상기 제 2 볼록부의 중심축의 간격에 의해서 볼록부 피치가 규정되고, 상기 볼록부 피치가 상기 제 1 영역의 최소 직경의 1.6∼2.4배인 것이 바람직하다.
상기 복수의 볼록부가 규칙적으로 설치된 제 2 영역에 있어서, 상기 제 2 영역의 면적이 α로 정의되며, 상기 복수의 볼록부의 상기 정상면의 면적의 합계가 β로 정의되고, 비 β/α가 5% 이상 40% 미만인 것이 바람직하다.
상기 복수의 볼록부 중 한 개의 볼록부에 있어서, 상기 볼록부의 정상면의 면적이 상기 박판의 판 두께의 2승의 5배 이상~500배 미만인 것이 바람직하다.
상기 복수의 볼록부의 높이가 상기 박판의 판 두께의 0.5배 이상 10배 미만인 것이 바람직하다.
상기 박판은 강화 섬유를 포함하고, 상기 복수의 볼록부의 배열이, 상기 강화 섬유에 있어서의 섬유의 길이 방향에 대하여 0° 및 90° 방향으로 배열되는 정방 배열 및 장방 배열, 또는 상기 복수의 볼록부의 배열 방향이 상기 섬유의 길이 방향에 대하여 각도를 이루는 엇갈림 배열로부터 선택되는 적어도 1종의 배열을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 볼록부의 각각에 있어서, 상기 정상면에 평행한 방향의 단면에 있어서의 최소값 페렛(Feret) 직경이 상기 박판의 판 두께의 3배 이상 30배 미만인 것이 바람직하다.
상기 복수의 볼록부의 각각의 선단부에 오목 형상의 함몰을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 태양의 복합 재료 성형체는, 상기 제 1 태양의 섬유 강화 복합 재료 구조체와, 상기 박판의 단부와 상기 표면재의 단부 사이에 형성되는 공간에 충전된 접합부와, 상기 접합부에 의해서 상기 섬유 강화 복합 재료 구조체와 접합되는 수지 구조체를 구비한다.
본 발명의 제 2 태양의 복합 재료 성형체에 있어서는, 상기 제 1 면 상에 돌출하여, 상기 복수의 볼록부를 둘러싸도록 연속해서 배치되는 볼록조(條)를 추가로 구비하고, 상기 볼록조와, 상기 박판의 상기 단부와, 상기 표면재의 상기 단부로 둘러싸이는 공간에, 상기 접합부가 충전되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 태양의 복합 재료 성형체에 있어서는, 상기 제 1 태양의 섬유 강화 복합 재료 구조체와 상기 수지 구조체의 접합 계면에 설치된 접착제층을 갖는 것이 바람직하다.
상기 수지 구조체가 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 수지 구조체가 추가로 유리 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 3 태양에 따른 복합 재료 성형체의 제조 방법은, 강화 섬유와 열경화성 수지 조성물을 포함하는 프리프레그 적층체를 준비하고, 돌기 또는 함몰을 갖는 형(型)을 이용해 상기 프리프레그 적층체를 가열 가압하여, 복수의 볼록부를 갖는 박판을 제작하고, 상기 박판의 상기 볼록부의 정상면에 표면재를 접합함으로써 섬유 강화 복합 재료 구조체를 제작하고, 수지 재료를 상기 박판과 상기 표면재 사이에 주입 사출하여, 상기 수지 재료를 포함하는 수지 구조체와 상기 섬유 강화 복합 재료 구조체를 접합한다.
본 발명의 제 1 태양에 따른 섬유 강화 복합 재료 구조체는, 박판의 볼록부의 정상면에 표면재를 접착 접합하는 접착제의 양을 감소시키면서, 충분한 강성을 유지하며 박육화 및 경량화할 수 있다. 게다가, 본 발명의 제 1 태양에 따른 섬유 강화 복합 재료 구조체는 수지 구조체와의 접합 강도가 우수한, 본 발명의 제 2 태양에 따른 복합 재료 성형체를 제공할 수 있다. 본 발명의 제 2 태양에 따른 복합 재료 성형체는 개인용 컴퓨터 등의 전기 전자 기기의 하우징체로서 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 경량화가 요구되는 항공기 부품, 자동차 부품, 건재, 가전 기기 및 의료 기기 등에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 3 태양은 이와 같은 복합 재료 성형체의 제조 방법이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 복합 재료 성형체의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 박판을 성형하기 위한 돌기를 갖는 형의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 도 2에 나타낸 형을 이용하여 성형되는 박판의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4c는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4d는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부가 볼록조인 일례를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부가 격자 형상의 볼록조인 일례를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상에 있어서, 복수의 모양 또는 사이즈가 혼합되어 있는 일례를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부가 테두리 형상의 볼록조인 일례를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 복합 재료 성형체의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 13a는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 13b는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 17은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 19는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 20은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 21은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 22는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 23은 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 24는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 25는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 방법의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에서 평가되는 박판의 형상의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 35는 본 발명의 실시형태에 따른 박판의 볼록부의 형상과 배열의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 성형체의 강성 평가 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 37은 본 발명의 실시형태에 따른 볼록조의 피치에 대하여 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 섬유 강화 복합 재료 구조체, 및 이를 이용한 복합 재료 성형체에 대하여, 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 단, 본 발명은 도면에 기재된 발명에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 11은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 복합 재료 성형체(7)의 일례를 나타내는 도면이다. 이 복합 재료 성형체(7)는 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)(이하, 복합 재료 구조체(6)라고 부르는 경우가 있다)와 수지 구조체(4)를 포함한다. 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)는, 강화 섬유와 매트릭스 수지(열경화성 수지 등)를 포함하고, 복수의 볼록부(11)를 갖는 박판(2)의 볼록측 면(복수의 볼록부(11)의 복수의 정상면(12))에, 강화 섬유와 매트릭스 수지(열경화성 수지 등)로 구성된 표면재(1)가 접착제(3)로 접착 접합된 구조로 되어 있다. 수지 구조체(4)의 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)의 근방에 위치하는 단부(수지 구조체(4)의 접합부(5))는, 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)의 단부에서 박판(2)과 표면재(1) 사이에 끼워넣어져, 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)에 접합되어 있다.
한편, 표면재(1) 및 박판(2)의 제작에 이용하는 매트릭스 수지로서, 열가소성 수지를 이용한 경우에는, 접착제(3)를 이용하여 표면재(1)와 박판(2)을 접착 접합하는 대신에, 표면재(1)와 박판(2)을 융착 접합하는 것도 가능하다.
박판(2)은 매트릭스 수지를 강화 섬유로 보강한 재료이다. 매트릭스 수지로서는, 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 들 수 있고, 그 중에서도 강성의 점에서, 열경화성 수지가 적합하게 이용된다. 열경화성 수지로서는, 예컨대 에폭시 수지, 바이닐 에스터 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리이미드 수지, 말레이미드 수지 또는 페놀 수지 등을 들 수 있다. 보강 섬유로서 탄소 섬유를 이용하는 경우는, 탄소 섬유와의 접착성의 점에서, 에폭시 수지 또는 바이닐 에스터 수지가 적합하게 이용된다.
표면재(1)는 매트릭스 수지를 강화 섬유로 보강한 재료이다. 매트릭스 수지로서는, 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 들 수 있고, 그 중에서도 강성의 점에서, 열경화성 수지가 적합하게 이용된다. 열경화성 수지로서는, 예컨대 에폭시 수지, 바이닐 에스터 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 폴리이미드 수지, 말레이미드 수지 또는 페놀 수지 등을 들 수 있다. 보강 섬유로서 탄소 섬유를 이용하는 경우는, 탄소 섬유와의 접착성의 점에서, 에폭시 수지 또는 바이닐 에스터 수지가 적합하게 이용된다.
박판(2)과 표면재(1)에 이용하는 강화 섬유로서는, 예컨대 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 수지, 보론 섬유, 탄화규소 섬유, 고강도 폴리에틸렌, PBO 섬유 또는 스테인리스 스틸 섬유 등을 들 수 있고, 그 중에서도 경량화와 강성의 점에서, 탄소 섬유가 적합하게 이용된다. 또한, 보강 섬유의 형태로서는, 장섬유 및 단섬유를 들 수 있고, 그 중에서도 강성의 점에서, 장섬유가 적합하게 이용된다.
장섬유의 형태로서는, 다수의 장섬유를 일 방향으로 정렬시켜 배열하여 시트 형상으로 한 재료(일방향성 시트, 이하, UD 시트라고 부른다), 또는 장섬유로부터 형성되는 직물 등을 들 수 있다. 특히, 강성이 우수한 점에서, 장섬유가 0° 및 90°로 배향되도록 UD 시트를 적층한 형태, 또는 장섬유로부터 형성되는 직물을 적층한 형태가 바람직하다.
박판(2)과 표면재(1)의 제조 방법에는 특별히 제한은 없지만, 예컨대 열경화성 수지를 이용한 프레스 성형법, 핸드 레이업 성형법, 스프레이업 성형법, 진공백(bag) 성형법, 오토클레이브 성형법 또는 레진 트랜스퍼 성형법을 이용할 수 있다. 특히, 양산성의 관점에서, 프레스 성형법이 적합하게 이용된다.
섬유 강화 복합 재료 구조체(6)와 수지 구조체(4)를 접합하여 일체화시킬 때에, 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)와 수지 구조체(4)의 양자간의 접합 계면이 우수한 접착성을 갖는 접착제층(접착제(3)의 층)을 설치해도 좋다. 접착제층을 구성하는 접착제로서는, 아크릴계, 에폭시계 또는 스타이렌계 등의 잘 알려져 있는 접착제를 이용할 수 있고, 예컨대 에폭시 수지 접착제, 우레탄 접착제 또는 고무 강화 메틸 메타크릴레이트 등을 바람직하게 이용할 수 있다.
한편, 표면재(1) 및 박판(2)의 제작에 이용하는 매트릭스 수지로서, 열가소성 수지를 이용한 경우에는, 접착제(3)를 이용하여 표면재(1)와 박판(2)을 접착 접합하는 대신에, 표면재(1)와 박판(2)을 융착 접합해도 좋다.
수지 구조체(4)에 사용되는 수지로서는, 특별히 제한은 없지만, 사출 성형 등을 이용한 접합 형상 제작의 관점에서는, 열가소성 수지가 바람직하게 이용된다.
수지 구조체(4)에 열가소성 수지를 이용하는 경우에는, 특별히 제한은 없지만, 내열성 및 내약품성의 관점에서 폴리페닐렌 설파이드(PPS)가, 성형품 외관 및 치수 안정성의 관점에서 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌 에터(PPE) 또는 스타이렌계 수지가, 성형품의 강도 및 내충격성의 관점에서, 폴리아마이드(PA)가 보다 바람직하게 이용된다.
복합 재료 성형체(7)의 고강도, 고강성화를 실현하기 위해서, 수지 구조체(4)의 수지로서, 강화 섬유가 함유된 수지를 이용하는 것도 바람직하다. 강화 섬유로서는, 전술한 강화 섬유가 예시된다. 수지 구조체(4)가 전파 투과성을 필요로 하는 경우에는, 강화 섬유로서 유리 섬유를 이용하는 것이 바람직하다.
도 3∼9, 도 12, 도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 박판(2)에 형성되는 복수의 볼록부의 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 박판(2)은 베이스부(14)(박판(2)에 있어서, 기저면인 제 1 면을 갖는 기저부)와 1개 이상의 볼록부(11)를 포함한다. 볼록부(11)는 정상면부(정상면)(12), 및 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)(볼록부(11)의 측면)으로부터 형성된다. 한편, 상기 제 1 면은, 박판(2)에 있어서, 볼록부(11)가 형성된 측의 베이스부(14)의 일면을 의미한다. 또한, 표면재에 있어서, 상기 정상면부(정상면)(12)와 접합하는 측의 면을 제 2 면이라고 부른다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 박판(2)에 형성하는 복수의 볼록부(11)의 정상면부(12)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 정방형, 장방형, 능형, 삼각형, 원형, 타원형, 오각형 및 육각형 등을 이용할 수 있다. 정방형, 장방형, 능형, 삼각형, 오각형 및 육각형에 있어서는, 이들의 각 중 적어도 1개가 환각이어도 좋다. 이들 형상으로부터 선택되는 1종류의 모양이어도 좋고, 복수의 모양 또는 사이즈가 혼합되어도 좋다.
전술한 볼록부(11)의 정상면부(12)의 단면 형상에 있어서, 성형성 및 접착 면적 확보를 위해, 삼각형, 오각형 및 육각형에 있어서는, 각 각(角)의 각도가 45° 이상인 것이 바람직하다. 또한, 타원형에 대해서는, 장직경과 단직경의 비가 1.5 이하인 것이 바람직하다.
볼록부(11)의 배열 방향은 특별히 한정되지 않지만, 구조체 전체로서 안정된 강성을 얻기 위해서는 규칙적인 배열이 효과적이다. 볼록부(11)의 정상면부(12)가 동일한 형상을 갖고, 규칙적인 배열을 갖는 경우에, 구조체 전체로서 안정된 강성이 얻어진다. 특히, 박판(2)을 구성하는 강화 섬유에 있어서 섬유의 길이 방향에 대하여 0° 방향(섬유 0° 적층 방향)(A) 및 90° 방향(섬유 90° 적층 방향)(B)으로 배열되는 정방 배열(도 19) 또는 장방 배열(도 35), 볼록부(11)의 배열 방향이 섬유의 길이 배향에 대하여 각도 ±θ를 이루는 엇갈림 배열(도 20)이 바람직하다.
볼록부(11)의 피치(P)(도 37)는 특별히 한정되지 않지만, 볼록부(11)의 사이즈(W1)에 비하여 볼록부(11)의 피치(P)가 클수록 성형성은 양호해지는 한편, 구조체로서의 강성은 저하된다. 박판(2)에서의 볼록부(11)의 피치(P)는 일정해도 좋고, 서서히 변화되어도 좋다. 예컨대, 볼록부(11)의 피치(P)는, 박판(2)의 중앙부에서 피치(P)가 좁은 영역을 갖고 있어도 좋고(볼록부(11)가 조밀하게 형성되어 있는 경우여도 좋고), 박판(2)의 외연부에서 피치(P)가 넓은 영역을 갖고 있어도 좋다.
한편, 볼록부(11)의 피치(P)는, 박판(2)의 베이스부(14)(박판(2)의 제 1 면을 갖는 기저부)와 수직인 방향에서의 볼록부(11)(제 1 볼록부)의 중심축(G1)(제 1 볼록부의 중심의 위치)과, 상기 볼록부(11)(제 1 볼록부)에 이웃하는 볼록부(11)(제 2 볼록부)의 중심축(G2)(제 2 볼록부의 중심의 위치)의 간격으로서 규정된다(도 37). 제 1 볼록부에 이웃하는 볼록부(11)(제 2 볼록부)란, 제 1 볼록부 이외의 볼록부(11)로서, 그의 중심축(해당 볼록부(11)의 중심의 위치)과 중심축(G1)(제 1 볼록부의 중심축)의 거리가 가장 짧은 볼록부(11)를 의미한다.
볼록부(11)의 사이즈(W1)는 이하와 같이 규정된다.
볼록부(11)의 사이즈(W1)는 볼록부(11)의 저면(정상면의 반대에 위치하는 볼록부의 저면으로서의 가상면인 제 1 영역, 볼록부와 베이스부(14)(박판(2)의 제 1 면을 갖는 기저부)의 경계선으로 둘러싸이는 제 1 영역)의 직경으로 규정할 수 있다. 이 경우에 있어서의 볼록부(11)의 사이즈(W1)는, 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)이 원형인 경우에는, 저면의 직경으로서 규정된다. 예컨대, 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)이 원형인 경우에는, 볼록부(11)의 사이즈(W1)는 볼록부(11)와 박판(2)의 베이스부(14)(박판(2)의 제 1 면을 갖는 기저부)의 경계선으로 둘러싸이는 영역인 저면(제 1 영역)의 최소 지름(직경)으로서 규정된다.
볼록부(11)의 저면(제 1 영역)이 타원형인 경우에는 장직경과 단직경의 평균값으로서 규정된다. 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)이 정방형 및 장방형인 경우에는 대각선의 길이로서 규정된다. 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)이 능형인 경우에는 2개의 대각선의 길이의 평균값으로서 규정된다. 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)이 삼각형, 오각형 및 육각형인 경우에는 최소 외접원의 직경으로서 규정된다.
볼록부(11)의 피치(P)는, 양호한 강성을 갖는 복합 재료 구조체(6)를 얻기 위해서는, 볼록부(11)의 사이즈(W1)의 1.6∼2.4배인 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 사이즈가 1.6배 미만인 경우 및 2.4배보다 큰 경우에는, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 낮아진다. 단, 볼록부(11)의 형상 또는 배열에 따르고, 볼록부(11)의 피치(P)의 바람직한 범위는 이에 제한되는 것은 아니다.
볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 정상면부(12)와 베이스부(14)를 수직으로 교차하는 법면(法面, 도 4d), 베이스부(14)와 각도(γ)를 갖는 경사면(도 4a) 또는 곡면 형상(도 4b, 도 4c)이어도 좋다. 법면 형상에 비하여 경사면 형상에서는 성형성은 향상되지만, 베이스부(14)와의 각도(γ)가 예각이 될수록 강성이 저하되기 때문에, 베이스부(14)에 대한 사면(斜面)의 각도(γ)는 45°∼90°가 바람직하다.
접속면(13)이 베이스부(14)에 대하여 각도(γ)를 갖는 사면으로 한 경우에 있어서도, 볼록부(11)의 피치(P)는, 양호한 강성을 갖는 복합 재료 구조체(6)를 얻기 위해서는, 볼록부(11)의 사이즈(W1)의 1.6∼2.4배인 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 사이즈(W1)가 1.6배 미만인 경우 및 2.4배보다 큰 경우에는, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 낮아진다. 단, 볼록부(11)의 피치(P)의 바람직한 범위는 볼록부(11)의 형상 또는 배열에 따라 다르며, 상기에 나타낸 범위에 제한되는 것은 아니다.
이 경우에 있어서의 볼록부(11)의 피치(P)도, 박판(2)의 베이스부(14)(박판(2)에 있어서의 제 1 면을 갖는 기저부)와 수직인 방향에서의 볼록부(11)의 중심축(제 1 볼록부의 중심축)과, 상기 볼록부(11)에 이웃하는 볼록부(11)의 중심축(제 2 볼록부의 중심축)의 간격으로서 규정된다.
정방 배열 및 엇갈림 배열에 있어서는, 볼록부(11)의 피치(P)를, 볼록부(11) 1개분 포함하는 동등한 크기의 능형으로 분할했을 때의 능형의 1변의 길이로 한다. 이 경우, 양호한 강성을 갖는 복합 재료 구조체(6)를 얻기 위해서는, 볼록부(11)의 피치(P)는 볼록부(11)의 사이즈(W1)의 1.6배 이상 2.4배 이하인 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 피치(P)가 볼록부(11)의 사이즈(W1)의 1.6배 미만인 경우 및 2.4배보다 큰 경우에는, 구조체의 강성이 저하된다.
장방 배열에 있어서는, 양호한 강성을 갖는 복합 재료 구조체(6)를 얻기 위해서는, 볼록부(11) 1개분 포함하는 동등한 크기의 장방형으로 분할했을 때의 장방형의 장변 및 단변이 볼록부(11)의 사이즈(W1)의 1.6배 이상 2.4배 이하이며, 더욱이 상기 단변과 상기 장변의 비율이 1 이상 1.25 이하인 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 피치(P)가 볼록부(11)의 사이즈(W1)의 1.6배 미만인 경우 및 2.4배보다 큰 경우에는, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다. 또한, 상기 단변과 상기 장변의 비율이 1 미만 1.25 이상인 경우에는, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다.
개개의 볼록부(11)의 정상면부(12)의 면적(S)은 특별히 제한되지 않고, 접착제를 도포하여 표면재(1)를 볼록부(11)의 정상면부(12)에 접착하는 데에 충분한 크기가 있으면 된다. 또한, 볼록부(11)는 볼록부(11)의 정상면부(12)가 접착제를 도포하는 데에 충분한 폭을 갖고 있으면, 직선 형상 또는 곡선 형상으로 연속해서 형성되거나 또는 테두리 형상 내지 격자 형상으로 형성되는 볼록조(15)(상면(16)과 측면(17)을 갖는다)여도 좋다. 추가로, 볼록부(11)의 선단부(18)에 오목 형상의 함몰(19)을 갖고 있는 것이 바람직하다(도 11, 12, 13a 및 13b). 또한, 볼록조의 선단부(20)에도, 오목 형상의 함몰(21)을 갖고 있어도 좋다(도 11, 12, 13a 및 13b).
박판(2)의 면적에 대한 볼록부(11)의 정상면부(12)의 면적(S) 및 볼록조(15)의 상면(16)의 면적의 합계의 비율은 50% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 더 바람직하며, 20% 이하인 것이 특히 바람직하다. 50%를 초과하면, 실질적으로 표면재(1)와 박판(2)의 단순한 부착이 되어, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다. 또한, 상기 면적의 합계의 비율은 5% 이상인 것이 바람직하다. 상기 면적의 합계의 비율이 5% 미만이면, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하되어 변형이 증대된다.
박판(2)에 있어서, 박판(2)의 베이스부(14)가 2차원 형상으로 연장된 평면 영역인 제 1C 영역(베이스부(14), 복수의 볼록부(11)의 저면(제 1 영역) 및 복수의 볼록조의 저부(가상면인 제 1D 영역)로 구성되는 제 1 면 상의 평면 영역)의 면적으로 정의되는 E와, 복수의 제 1 영역 및 복수의 제 1D 영역의 면적의 합계로 정의되는 F의 비인 F/E가 50% 이하인 것이 바람직하다. 면적비 F/E는 30% 이하인 것이 더 바람직하고, 20% 이하인 것이 특히 바람직하다. 또한, 면적비 F/E는 5% 이상인 것이 바람직하다. 면적비 F/E가 50%를 초과하면, 실질적으로 표면재(1)와 박판(2)의 단순한 부착이 되어, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다. 상기 면적의 합계의 비율이 5% 미만이면, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하되어 변형이 증대된다.
박판(2)에 있어서 양호한 강성을 얻기 위해서는, 볼록부(11)가 규칙적으로 설치된 영역(제 2 영역이라고 부른다. 베이스부(14)가 2차원 형상으로 연장된 평면 영역으로서, 볼록조(15)가 설치된 영역을 제외하고, 베이스부(14)와 복수의 제 1 영역(복수의 볼록부의 저부인 가상면)으로 구성되는 평면 영역이다)에 있어서는, 상기 볼록부(11)가 규칙적으로 설치된 영역(제 2 영역)의 면적으로서 정의되는 α와, 복수의 볼록부(11)의 정상면부(12)의 면적의 합계로서 정의되는 β의 비인 β/α가 5% 이상 40% 미만인 것이 바람직하다. 상기 β/α가 40% 이상이면, 실질적으로 표면재(1)와 박판(2)의 단순한 부착이 되어, 복합 재료 구조체(6)의 강성 향상 효과가 얻어지지 않는다. 상기 β/α가 5% 미만이면, 볼록부(11)의 사이즈(W1)가 커졌을 때에 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하되어 변형이 증대된다.
또한, 박판(2)에 있어서 양호한 강성을 얻기 위해서는, 상기 제 2 영역의 면적으로서 정의되는 α와, 복수의 볼록부의 저면(제 1 영역)의 면적의 합계로서 정의되는 J의 비인 J/α가 5% 이상 40% 미만인 것이 바람직하다. 상기 J/α가 40% 이상이면, 실질적으로 표면재(1)와 박판(2)의 단순한 부착이 되어, 복합 재료 구조체(6)의 강성 향상 효과가 얻어지지 않는다. 상기 J/α가 5% 미만이면, 볼록부(11)의 사이즈(W1)가 커졌을 때에 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하되어 변형이 증대된다.
박판(2)에 있어서 양호한 강성을 얻기 위해서는, 볼록부(11)의 정상면부(12)의 면적(S)이 박판(2)의 판 두께의 2승의 5배 이상~500배 미만인 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 정상면부(12)의 면적이 박판(2)의 판 두께의 2승의 5배 미만이면, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다. 볼록부(11)의 정상면부(12)의 면적(S)이 박판(2)의 판 두께의 2승의 500배 이상인 경우에도, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다.
박판(2)에 있어서 양호한 강성을 얻기 위해서는, 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)의 면적이 박판(2)의 판 두께의 2승의 5배 이상~500배 미만인 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)의 면적이 박판(2)의 판 두께의 2승의 5배 미만이면, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다. 볼록부(11)의 저면(제 1 영역)의 면적이 박판(2)의 판 두께의 2승의 500배 이상인 경우에도, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다.
볼록부(11)의 높이(H)는 박판(2)의 두께의 0.5배 이상 10.0배 미만인 것이 바람직하다. 볼록부의 높이(H)가 박판(2)의 두께의 0.5배 미만이면, 표면재(1)와 박판(2)의 단순한 부착에 비하여 복합 재료 구조체(6)의 강성의 향상이 작아, 경량화의 효과가 얻어지지 않는다. 볼록부의 높이(H)가 박판(2)의 두께의 10.0배 이상의 형상일 때는 성형이 곤란해진다. 볼록부의 높이(H)가 박판(2)의 두께의 1.5배 이상 4.0배 미만이 더 바람직하다. 볼록부의 높이(H)가 박판(2)의 두께의 2.0배 이상 4.0배 미만이 특히 바람직하다. 각각의 볼록부(11)의 높이(H)는 같게 되어 있는 것이 바람직하지만, 표면재(1)가 접착 접합 가능한 한에서 차이가 있어도 좋다. 표면재(1)에 접착 접합되어 있지 않은 볼록부(11)는 복합 재료 구조체(6)의 강성의 향상에 대한 기여가 작다.
상기 볼록부(11)에 있어서, 상기 정상면(12)에 평행한 방향의 단면에 있어서의 최소값 페렛 직경이 상기 박판(2)의 판 두께의 3배 이상 30배 미만인 경우에는, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 양호하다. 상기 볼록부(11)에 있어서, 상기 정상면(12)에 평행한 방향의 단면에 있어서의 최소값 페렛 직경이 상기 박판의 판 두께의 3배 미만 30배 이상인 경우에는, 복합 재료 구조체(6)의 강성이 저하된다.
또한, 볼록부(11)는 박판(2)의 전체 면에 분포하는 것이 바람직하다. 볼록부(11)의 분포가 편중되면 복합 재료 구조체(6)의 강성으로서 필요한 강성이 발현되지 않는다. 박판(2)의 단부에, 복합 재료 구조체(6)로 한 후에 수지 구조체(4)를 주입 사출하는 부분(수지 구조체의 접합부(5)를 설치하는 부분의 주변)에는 볼록부를 설치하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에서는, 복합 재료 구조체(6)를 제작한 후, 복합 재료 구조체(6)에 원하는 양의 수지 구조체(4)(접합부(5))를 사출 주입할 수 있도록, 박판(2)의 단부로부터 소정의 위치에 볼록조(15)가 설치되는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 접합부(5)는 표면재(1)의 단부와 박판(2)의 단부와 볼록조(15)로 둘러싸인 공간에 충전된다. 이 구조에 의해, 사출 성형에 의해서 수지 구조체(4)를 성형할 때에, 볼록조(15)(볼록조(15)의 측면(17))가 수지 구조체(4) 형성 시의 가이드로서 기능하기 때문에, 수지를 주입 사출하는 부분의 깊이를 정밀하게 제어할 수 있다.
다음으로 이 복합 재료 성형체(7)(도 1 및 도 11)의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다.
<박판의 성형>
우선, 강화 섬유에 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 프리프레그의 적층체를 박판용의 하형(8) 표면에 배치한다. 박판용의 하형(8)은 박판(2)의 볼록부(11) 또는 볼록조(15)가 되는 부분이 돌기(9 및 10)(도 2) 또는 함몰(도시하지 않음)을 갖고 있다.
돌기를 갖는 하형(8)을 이용하는 경우에는, 프레스 성형법의 상형은 박판(2)의 볼록부(11) 또는 볼록조(15)가 되는 부분이 오목 형상으로 되어 있는 형을 이용할 수 있다. 또한, 함몰을 갖는 하형(8)을 이용하는 경우에는, 프레스 성형법의 상형에는 박판(2)의 볼록부(11) 또는 볼록조(15)가 되는 부분이 볼록 형상으로 되어 있는 형을 이용할 수도 있다. 압축에 의해 하형(8)의 돌기 또는 함몰을 따라 오목 형상 또는 볼록 형상으로 되는 연질 재료를 이용하는 경우에는, 상형의 성형면에 볼록 형상 또는 오목 형상을 설치할 필요는 없다. 한편, 진공백 성형법의 경우는 상형을 이용하지 않는다.
이어서, 프레스 성형법에서는 금형을 닫고 하형(8) 및 상형에 의해서 프리프레그의 적층체를 가압하면서, 진공백 성형법에서는 백을 걸어 진공압에 의해 프리프레그의 적층체를 가압하면서 가열 성형한다. 성형 후에, 경화된 프리프레그의 적층체를 탈형하여 복수의 볼록부(11)가 형성된 박판(2)(도 3 및 도 12)이 얻어진다. 한편, 프리프레그 적층체를 성형하여 얻어진 박판(2)에 있어서, 성형에 의해 변형되어 얻어진 각 부위는, 박판(2)의 기저면(제 1 면)을 갖는 베이스부(14), 베이스부(14)에 대하여 돌출한 볼록부(11)라고 부른다. 또한, 볼록부(11)는 정상면부(정상면)(12), 및 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)(볼록부(11)의 측면)으로 구성된다(도 1).
<표면재의 성형>
박판(2)의 성형과 마찬가지로 해서 표면재(1)를 얻는다. 단, 표면재는 평면 내지는 단순한 곡면이기 때문에 표면재용의 하형(8)은 평면 형상 내지 단순한 곡면 형상이다. 한편, 표면재(1)의 형상은 PC 하우징체의 디자인 등에 따라, 로고의 파임 등의 단차나 각(능선)을 갖는 형상도 가능하며, 용도에 따라 선택해도 좋다. 나아가, 표면재(1)의 형상에 따라, 박판(2)의 형상을 결정해도 좋다.
표면재(1)와 박판(2)에 대해서는, 표면재(1)와 박판(2)을 각각 성형한 후에 접합하기 때문에, 휨 방지를 위해서 대칭 구성으로 하지 않아도 된다. 표면재(1)에만은 직포 등 가식재(加飾材)를 사용할 수 있다. 또한, 표면재(1) 및 박판(2)에는 적절히 난연성 수지 재료를 사용해도 좋다.
<박판과 표면재의 접합>
박판(2)의 볼록부(11)의 정상면부(12) 및 볼록조(15)의 상면(16), 또는 볼록부(11)의 선단부(정상면)(18)의 오목 형상의 함몰(19) 및 볼록조의 선단(상면)(20)의 함몰(21)에 접착제(3)를 도포하여, 박판(2)과 표면재(1)를 합친 후에 접착제(3)를 경화시켜, 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)를 얻는다.
얻어진 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)를 사출 성형 금형 내에 세팅하고, 형 조임을 행한 후, 수지 구조체(4)를 형성하는 열가소성 수지 조성물을 사출 성형하여, 도 1 및 도 11에 나타내는, 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)를 형성하는 박판(2)과 표면재(1)의 단면에 수지 구조체(4)를 접합시킴과 더불어, 박판(2)의 측단면과 표면재(1)의 측단면 사이에 수지 재료를 사출 주입함으로써 복합 재료 성형체(7)(도 1 및 도 11)를 제조했다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 한편, 본 발명은 실시예에 의해 제한되지 않는다.
(실시예 1)
본 실시예에 있어서는, 일방향 프리프레그로서, 미쓰비시레이온(주)제, 제품명: TR390E125S(열경화성 수지: 에폭시 수지 #390(미쓰비시레이온(주)제), 강화 섬유: 탄소 섬유(미쓰비시레이온(주)제, 제품명: TR50S))를 이용했다.
우선, 박판(2)의 볼록부(11)를 형성하는 돌기를 갖는 박판용 하형(8)의 표면에, 일방향 프리프레그(일방향성 시트)를 [0°/90°/90°/0°]로 되도록 4층 적층한 적층체를 배치했다. 이어서, 하형(8)의 돌기에 대응하는 함몰을 갖는 상형에 의해서 금형을 닫고, 하형(8) 및 상형에 의해서 프리프레그의 적층체를 140℃에서 가열하면서 8MPa의 압력으로 5분간 프레스하여, 프리프레그의 적층체를 일체 경화시켰다. 압축 성형 후, 금형을 열어, 도 11에 나타내는 형상을 갖는 두께 0.44mm의 박판 형상의 박판(2)을 얻었다. 한편, 원추대(圓錐臺) 형상의 볼록부(11)의 정상면(12)의 형상은 직경 10.0mm의 원형이고, 볼록부(11)의 높이(H)는 1.0mm이고, 볼록부(11)의 간격은 10.0mm이며, 볼록부(11)의 선단부(18)의 오목 형상의 함몰(19)의 형상은 직경 9mm의 원형이고, 오목 형상의 함몰(19)의 깊이는 0.1mm였다. 직선 형상의 볼록조(15)의 상면(16)의 폭은 10.0mm이고, 볼록조(15)의 높이(H)는 1.0mm였다.
한편, 상기 0°란, 표면재(1) 또는 박판(2)이 장방형인 경우, 각각의 단변 방향을 0° 방향으로 정의한 경우를 의미한다.
상기 90°란, 상기 0° 방향과 직교한 표면재(1) 또는 박판의 장변 방향(90° 방향)을 의미한다.
표면재(1) 또는 박판(2)이 장방형 이외인 경우는, 최소값 페렛 직경 방향을 0° 방향으로 정의하고, 90° 방향은 당해 0° 방향과 직교한 방향을 의미한다.
이와는 별도로, 표면재용 하형의 표면에 일방향 프리프레그를 이용하여, [0°/90°/90°/0°]의 배치로 되도록 4층 적층했다. 이어서, 금형을 닫고, 하형 및 상형에 의해서 프리프레그의 적층체를 140℃에서 가열하면서 8MPa의 압력으로 5분간 프레스하여, 프리프레그의 적층체를 일체 경화시켰다. 압축 성형 후, 금형을 열어, 두께 0.44mm의 박판 형상의 표면재(1)를 얻었다.
얻어진 박판(2)의 볼록부(11)의 선단부(18)의 오목 형상의 함몰(19)에 주제(主劑)(지바가이기사제, 제품명: 아랄다이트 AW106)와 경화제(지바가이기사제, 제품명: 하드너 HV953U)를 질량비 100:60으로 혼합한 수지 접착제(3)를 도포했다. 그리고, 접착제(3)를 도포한 박판(2)의 볼록측 면(복수의 볼록부(11)의 복수의 정상면(12))에 표면재(1)를 배치하여, 70℃에서 50분간 유지하고, 박판(2)의 편면에 표면재(1)를 접착제(3)로 접착하여, 두께가 1.90mm인 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)를 얻었다. 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)는 매우 높은 강성을 갖고, 경량성 및 박육성이 우수한 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)였다.
얻어진 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)를 사출 성형 금형 내에 세팅하고, 형 조임을 행한 후, 수지 구조체(4)를 형성하는 수지인 유리 섬유 강화 폴리아마이드 수지(도요방적(주)제, 제품명: 글래마이드 TY791GT, 유리 섬유 함유량 55질량%)를 사출 성형하여, 도 1에 나타내는 복합 재료 성형체(7)(도 1)를 제조했다. 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)와 수지 구조체(4)는 강고히 일체화되어 있었다.
(실시예 2)
이후의 실시예에 있어서는, 실시예 1의 결과를 참고로 시뮬레이션 실험을 행했다.
시뮬레이션 소프트로서, Femap with NX Nastran을 사용하고, 지지 조건은 단순 지지로 해서 실시했다.
본 실시예의 박판(2) 및 표면재(1)는, 일방향 프리프레그 미쓰비시레이온(주)제, 제품명: TR390E125S(열경화성 수지: 에폭시 수지 #390(미쓰비시레이온(주)제), 강화 섬유: 탄소 섬유(미쓰비시레이온(주)제, 제품명: TR50S))를 [0°/90°/0°]의 배치로 되도록 3층 적층하고, 적층체를 140℃에서 가열하면서 8MPa의 압력으로 5분간 프레스하여 경화시킴으로써 성형된다.
박판(2)으로서는, 직경 5.0mm의 원주형의 볼록부(11)가, 이웃하는 볼록부(11)의 원주 중심축의 간격(볼록부 피치(P))이 가로 세로 10mm로 규칙적으로 배열되고, 세로 폭 200mm, 가로 폭 300mm인 성형판을 이용한다. 표면재(1)로서는, 세로 폭과 가로 폭이 상기 박판(2)과 동등한 성형판을 이용한다. 평가에는, 상기 박판(2)의 볼록부(11) 정상면(12)과 상기 표면재(1)가 접합된 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)를 이용한다.
본 실시예의 구조체의 두께는 볼록부(11)의 높이(H), 전술한 박판(2) 및 표면재(1)의 적층 두께, 접착제(3)의 두께의 합에 의해서 정해진다. 적층체를 형성하는 각 층의 두께는 균등하며, (비교예 1)의 샌드위치 구조체와 본 실시예의 구조체의 두께와 중량이 동등해지도록 결정한다. 원주형의 볼록부(11)의 높이(H)를 0.602mm, 적층을 구성하는 1층의 두께를 0.125mm, 접착제(3)의 두께를 0.1mm로 함으로써, 두께 1.45mm, 질량 77.9g의 구조체를 얻는다.
볼록부(11)를 갖는 박판(2)과 표면재(1)가, 박판(2)의 볼록부(11) 정상면부(12)에서 접착제(3)에 의해서 접합되는 것에 의해 얻어지는 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)의 강성을 평가한다. 평가 방법은 판의 굽힘 시험이며, 지지 조건을 4변 단순 지지로 하고(지지대(Y)를 이용하고), 하중 조건을 표면재(1) 상의 중앙부에 집중 하중(Z)으로 가하여, 중앙부의 변형량으로 평가한다(도 26). 지지간 거리는 세로 길이 160mm, 가로 길이 260mm이며, 하중값은 5kgf로 한다. 변형량은 구조체 하면(박판(2)측)의 중앙부에서의 최대 변형량을 계측한다.
굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 2.46mm가 된다. 비교예 1보다도 변형량이 낮아, 높은 강성을 갖고 있었다. 구조체의 중량은 동일하며, 박판(2)과 표면재(1)의 적층 두께를 저감시키는 것에 의해, 샌드위치 구조체와 동등한 강성과 경량화를 기대할 수 있다.
(실시예 3)
비교예 2의 샌드위치 구조체와 본 실시예의 구조체의 두께 및 중량이 동등해지도록 결정한다. 실시예 2와 마찬가지의 방법을 이용하여, 원주형의 볼록부(11)의 높이(H)를 0.535mm, 적층체를 구성하는 1층의 두께를 0.119mm로 함으로써, 두께 1.35mm, 질량 74.4g의 구조체를 얻는다.
실시예 2와 마찬가지의 구조체의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 2.98mm가 된다. 비교예 2와 동등한 변형량이며, 동등한 강성을 갖는다.
(실시예 4)
비교예 3의 샌드위치 구조체와 본 실시예의 구조체의 두께와 중량이 동등해지도록 결정했다. 실시예 2와 마찬가지의 방법을 이용하여, 원주형의 볼록부(11)의 높이(H)를 0.468mm, 적층체를 구성하는 1층의 두께를 0.114mm로 함으로써, 두께 1.25mm, 질량 71.0g의 구조체를 얻는다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 3.66mm가 된다.
(비교예 1)
비교예에는, 선행문헌 1을 비롯하여, 실용화되어 있는 구조체로서, 구조체를 형성하는 심재(I)와, 상기 심재(I)의 양면에 배치되고, 연속된 강화 섬유와 매트릭스 수지로 구성된 섬유 강화재(II)로부터 형성되는 샌드위치 구조체(III)에 대하여 검토했다.
섬유 강화재(II)는 실시예 2와 동일한 재료를 사용한다. 양면 모두 2층 적층체이며, 적층체는 상면의 적층체를 [0°/90°], 하면의 적층체를 [90°/0°]가 되도록 배치하고, 심재(I)를 협지하여 상면의 적층체와 하면의 적층체를 대칭이 되도록 구성한다. 심재(I)에는 발포 폴리프로필렌(탄성률 0.65GPa)을 이용한다.
본 비교예의 구조체의 두께는 심재(I)와 그의 양면에 배치되는 섬유 강화재(II)의 적층체(상면의 적층체 및 하면의 적층체)의 두께의 합에 의해서 결정된다. 심재의 두께를 1.05mm, 적층체를 형성하는 1층의 두께를 0.1mm로 함으로써, 두께 1.45mm, 질량 77.9g의 구조체를 얻는다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 구조체의 변형량은 2.56mm가 된다.
(비교예 2)
비교예 1의 샌드위치 구조체에 있어서, 심재의 두께를 0.95mm로 함으로써, 두께 1.35mm, 질량 74.4g의 구조체를 얻는다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 구조체의 변형량은 2.99mm가 된다.
(비교예 3)
비교예 1의 샌드위치 구조체에 있어서, 심재의 두께를 0.85mm로 함으로써, 두께 1.25mm, 질량 71.0g의 구조체를 얻는다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 구조체의 변형량은 3.54mm이다.
실시예 2∼4 및 비교예 1∼3의 결과를 도 28에 나타낸다. 본 발명의 실시예 2∼4로서 복합 재료 구조체를 이용한 경우에는, 복합 재료 구조체의 두께가 두꺼울수록 복합 재료 구조체의 변형량이 적어져, 종래 기술인 샌드위치 구조체(비교예 1∼3의 구조체)에 대한 강성 우위성이 높아진다는 것을 판단할 수 있다.
볼록부(11)를 갖는 박판(2)과 표면재(1)를 포함하는 구조체가 접착제(3)로 접착되는 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)로서 유효적인 형상을 검토하기 위해, 볼록부(11)의 형상 최적화를 검토한다. 실시예 5∼26에서는, 볼록부(11)의 배열과 볼록부(11)의 피치(P)(제 1 볼록부(11)의 중심축(G1)과 이웃하는 제 2 볼록부(11)의 중심축(G2) 사이의 거리)에 대하여 검토한다.
(실시예 5)
실시예 4에 있어서, 박판(2) 및 표면재(1)를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 적층의 1층의 두께를 0.1mm, 볼록부(11)의 높이(H)를 0.55mm, 볼록부 피치(P)를 6mm로 하여, 두께 1.25mm의 구조체를 얻은 경우에 대하여 검토한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 5.40mm가 된다.
(실시예 6)
실시예 5에 있어서, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.12mm가 된다.
(실시예 7)
실시예 5에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.05mm가 된다.
(실시예 8)
실시예 5에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.33mm가 된다.
(실시예 9)
실시예 5에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.83mm가 된다.
(실시예 10)
실시예 5에 있어서, 볼록부(11)의 배열을 도 20에 나타나는 엇갈림 배열로 변경한 경우에 대하여 검토한다. 구조체의 볼록부(11)의 배열을 섬유 방향에 대하여 ±30° 방향으로 배열되는 엇갈림 배열로 하고, 볼록부 피치(P)를 6mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 6.86mm가 된다.
(실시예 11)
실시예 10에 있어서, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.48mm가 된다.
(실시예 12)
실시예 10에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.06mm가 된다.
(실시예 13)
실시예 10에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.15mm가 된다.
(실시예 14)
실시예 10에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.46mm가 된다.
(실시예 15)
실시예 10에 있어서, 볼록부 피치(P)를 16mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험을 행한 바, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.95mm였다.
(실시예 16)
실시예 5에 있어서, 구조체의 볼록부(11)의 배열 방향을 변경한다. 섬유 방향에 대하여 구조체의 볼록부(11)가 ±45° 방향으로 배열되는 엇갈림 배열로 하고, 볼록부 피치(P)를 6mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 7.44mm가 된다.
(실시예 17)
실시예 16에 있어서, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.67mm가 된다.
(실시예 18)
실시예 16에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.13mm가 된다.
(실시예 19)
실시예 16에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.17mm가 된다.
(실시예 20)
실시예 16에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.49mm가 된다.
(실시예 21)
실시예 16에 있어서, 볼록부 피치(P)를 16mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 본 실시예의 구조체의 최대 변형량은 4.97mm가 된다.
(실시예 22)
실시예 6에 있어서, 볼록부(11)의 배열 방향을 변경한다. 섬유 방향에 대하여 구조체의 볼록부(11)가 ±60° 방향으로 배열되는 엇갈림 배열로 하고, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 5.32mm가 된다.
(실시예 23)
실시예 22에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.40mm가 된다.
(실시예 24)
실시예 22에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.23mm가 된다.
(실시예 25)
실시예 22에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.35mm가 된다.
(실시예 26)
실시예 22에 있어서, 볼록부 피치를 16mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.69mm가 된다.
실시예 5∼26의 결과를 도 29에 나타낸다. 어느 배열에 있어서도, 볼록부(11)의 직경 5mm에 대하여, 볼록부 피치(P)가 10∼12mm에서 최대 변형량이 최소로 되며, 그의 ±2mm의 범위에서는 변형량은 안정된다.
한편으로, 볼록부 피치(P)가 8mm 이하 및 12mm 이상에서는, 변형량이 커져, 강성이 크게 저하된다.
볼록부(11)를 갖는 박판(2)과 표면재(1) 구조체가 접착제(3)로 접착되는 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)로서, 원주 볼록부에 있어서는, 볼록부 피치(P)가 볼록부 사이즈(W1)의 1.6∼2.4배인 것이 바람직하다.
또한, 어느 배열에 있어서도 최소 변형량은 거의 동일하며, 정방 배열 및 엇갈림 배열에 있어서는 우수한 강성 효과가 얻어진다.
또한, 엇갈림 배열에서는 섬유의 길이 방향에 있어서의 단면 길이의 차가 정방 배열보다도 짧아지기 때문에, 성형성이 향상된다.
이하의 실시예 27∼50에서는, 볼록부 피치(P)와 볼록부의 형상, 크기에 대하여 검토한다.
실시예 27∼38에서는 볼록부(11)의 형상을 타원형으로 변경했다.
(실시예 27)
실시예 5에 있어서, 볼록부(11)의 형상을 타원형으로 변경하고, 정방 배열로 변경한다(도 21).
타원의 단직경은 5mm, 장직경은 7.5mm로 하고, 볼록부 피치(P)는 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.68mm가 된다.
(실시예 28)
실시예 27에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.41mm가 된다.
(실시예 29)
실시예 27에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.60mm가 된다.
(실시예 30)
실시예 27에 있어서, 볼록부 피치(P)를 16mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 5.00mm가 된다.
(실시예 31)
실시예 27에 있어서, 볼록부(11)의 형상을 타원형으로 변경한다.
단직경을 5mm, 장직경을 10mm로 하고, 볼록부 피치(P)는 12mm로 한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 5.10mm가 된다.
(실시예 32)
실시예 31에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.73mm가 된다.
(실시예 33)
실시예 31에 있어서, 볼록부 피치(P)를 16mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.82mm가 된다.
(실시예 34)
실시예 31에 있어서, 볼록부 피치(P)를 18mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 5.10mm가 된다.
(실시예 35)
실시예 27에 있어서, 볼록부(11)를 90° 회전시킨 타원형으로 변경하고, 정방 배열로 변경한다(도 22).
타원의 단직경은 5mm, 장직경은 7.5mm로 하고, 볼록부 피치(P)는 9mm로 한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.33mm가 된다.
(실시예 36)
실시예 35에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.28mm가 된다.
(실시예 37)
실시예 35에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.29mm가 된다.
(실시예 38)
실시예 35에 있어서, 볼록부 피치(P)를 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.64mm가 된다.
실시예 27∼38의 결과를 도 30에 나타낸다.
볼록부(11)가 타원형일 때에는, 볼록부 피치(P)가 타원형의 단직경과 장직경의 평균값의 약 2배로 되는 범위에서 강성이 최대로 되며, 1.6∼2.4배의 범위에서 양호한 강성 효과가 얻어진다.
또한, 타원의 장직경과 단직경의 비가 커지면 최대 변형량이 증가하여 강성 효과가 뒤떨어지기 때문에, 타원형의 볼록부(11)에 있어서는, 장직경이 단직경의 1.5배 이하인 것이 바람직하다.
이하의 실시예 39∼46에서는 볼록부(11)의 형상을 정방형으로 변경한다.
(실시예 39)
실시예 5에 있어서, 볼록부(11)의 형상을 정방형으로 변경하고, 정방 배열로 변경한다(도 23).
정방형의 대각선은 5mm로 하고, 볼록부 피치(P)는 6mm로 한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.22mm가 된다.
(실시예 40)
실시예 39에 있어서, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 3.84mm가 된다.
(실시예 41)
실시예 39에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.00mm가 된다.
(실시예 42)
실시예 39에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.43mm가 된다.
실시예 39∼42의 결과를 도 31에 나타낸다.
볼록부(11)의 형상이 정방형일 때에, 정방형의 대각선 5mm에 대하여, 볼록부 피치(P)가 7∼10mm의 범위에서 우수한 강성 효과가 얻어진다.
볼록부(11)가 정방형일 때에는, 볼록부 피치(P)가 정방형의 대각선의 1.4∼2.0배인 것이 바람직하다.
(실시예 43)
실시예 39에 있어서, 볼록부(11)의 형상을 45° 회전시킨 정방형(도 24), 배열을 정방 배열로 하고, 볼록부 피치(P)를 6mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.95mm가 된다.
(실시예 44)
실시예 43에 있어서, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.07mm가 된다.
(실시예 45)
실시예 43에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.11mm가 된다.
(실시예 46)
실시예 43에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.49mm가 된다.
실시예 43∼46의 결과를 도 31에 나타낸다.
볼록부(11)의 형상이 45° 기울어진 정방형인 경우에 있어서, 정방형의 대각선 5mm에 대하여 볼록부 피치(P)가 8∼10mm의 범위에서 우수한 강성 효과가 얻어진다.
볼록부(11)의 형상이 45° 기울어진 정방형일 때에는, 볼록부 피치(P)가 정방형의 대각선의 1.6∼2.0배인 것이 바람직하다.
이하의 실시예 47∼50에서는 볼록부(11)의 형상을 정육각형으로 변경한다.
(실시예 47)
실시예 5에 있어서, 볼록부(11)의 형상을 정육각형으로 변경하고, 정방 배열로 변경한다(도 25).
정육각형의 외접원을 5mm로 하고, 볼록부 피치(P)는 6mm로 한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.90mm가 된다.
(실시예 48)
실시예 47에 있어서, 볼록부 피치(P)를 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.03mm가 된다.
(실시예 49)
실시예 47에 있어서, 볼록부 피치(P)를 10mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.06mm가 된다.
(실시예 50)
실시예 47에 있어서, 볼록부 피치(P)를 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.41mm가 된다.
실시예 47∼50의 결과를 도 32에 나타낸다.
볼록부(11)의 형상이 정육각형일 때에는, 외접원 5mm에 대하여, 볼록부 피치(P)가 8∼12mm의 범위에서 효과적인 강성 효과가 얻어진다.
볼록부(11)의 형상이 정육각형일 때에는, 볼록부 피치(P)가 정육각형의 외접원의 1.6∼2.4배인 것이 바람직하다.
실시예 51∼64에서는, 박판(2)과 표면재(1)가 볼록부(11)의 정상면부(12)에서 접착제(3)에 의해서 접착되는 섬유 강화 복합 재료 구조체(6)에 대하여, 박판(2)의 볼록부(11)가 규칙적인 피치(P)로 길이 방향으로 일렬로 배열되는 스트립 형상(도 27)의 3점 굽힘으로 평가했다. 스트립 형상은 전체 길이 100mm, 폭은 볼록부 피치(P)와 동일하게 하고, 3점 굽힘의 조건으로서, 지지간 거리 80mm, 하중은 지지간 중앙의 선 하중이며, 폭에 대하여 2N/mm로 한다. 구조체의 변형량은 구조체 하면(박판(2)측)의 지점간 중앙부에서의 최대 변형량을 계측한다.
박판(2)과 표면재(1)를 구성하는 섬유 강화 복합 재료는 실시예 5와 동일하다.
박판(2) 및 표면재(1)를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 적층체는 실시예 5와 동일한 [0°/90°/0°]의 3층 적층체이며, 1층의 두께를 0.1mm, 볼록부(11)의 높이(H)를 0.55mm, 접착제(3)의 두께를 0.1mm로 하여, 두께 1.25mm의 구조체로 한 경우에 대하여 검토한다.
볼록부(11)는 직경 3mm의 원주형으로 변경한다. 볼록부 피치(P)는 4mm, 폭은 마찬가지인 4mm로 하고, 하중은 8N이 된다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.13mm가 된다.
(실시예 52)
실시예 51에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 6mm, 하중을 12N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 2.55mm가 된다.
(실시예 53)
실시예 51에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 8mm, 하중을 16N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 2.68mm가 된다.
(실시예 54)
실시예 51에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 10mm, 하중을 20N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.08mm가 된다.
(실시예 55)
실시예 51에 있어서, 볼록부(11)의 직경을 5mm, 볼록부 피치(P) 및 폭을 6mm, 하중을 12N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 4.02mm가 된다.
(실시예 56)
실시예 55에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 8mm, 하중을 16N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 2.91mm가 된다.
(실시예 57)
실시예 55에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 10mm, 하중을 20N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 2.85mm가 된다.
(실시예 58)
실시예 55에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 12mm, 하중을 24N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.12mm가 된다.
(실시예 59)
실시예 55에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 14mm, 하중을 28N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.44mm가 된다.
(실시예 60)
실시예 60에 있어서, 볼록부(11)의 직경을 7mm, 볼록부 피치(P) 및 폭을 8mm, 하중을 16N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 4.58mm가 된다.
(실시예 61)
실시예 60에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 10mm, 하중을 20N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.29mm가 된다.
(실시예 62)
실시예 60에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 12mm, 하중을 24N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.12mm가 된다.
(실시예 63)
실시예 60에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 14mm, 하중을 28N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.18mm가 된다.
(실시예 64)
실시예 60에 있어서, 볼록부 피치(P) 및 폭을 16mm, 하중을 32N으로 변경한다.
3점 굽힘 시험에 의한 구조체의 최대 변형량은 3.58mm가 된다.
실시예 51∼64의 결과를 도 33에 나타낸다. 볼록부(11)의 크기가 직경 3, 5, 7mm 중 어느 것에 있어서도, 볼록부 피치(P)가 직경의 약 2배일 때에, 구조체의 변형량이 최소로 되고, 그 전후의 범위에서 양호한 강성 효과가 얻어진다.
즉, 볼록부 사이즈와 볼록부 피치(P)의 비율에 의해서 강성 효과가 결정된다.
또한, 볼록부(11)의 직경이 작을수록 최대 변형량의 최소값은 낮아지고, 강성 효과가 향상된다.
이하의 실시예 65∼68에서는, 볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)의 형상을 도 4a의 사면 형상으로 한다.
(실시예 65)
실시예 5의 박판(2)에 있어서, 정방 배열하는 볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)의, 베이스부(14)와의 접속부를 직경 5mm의 원, 접속면(13)을 경사각 60°의 사면으로 하고, 볼록부(11)의 정상면부(12)의 직경은 4.36mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.05mm가 된다.
(실시예 66)
실시예 65에 있어서, 볼록부(11)와 베이스부(14)의 접속면(13)을 경사각 45°의 사면으로 하고, 볼록부(11)의 정상면부(12)의 직경은 3.9mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.11mm가 된다.
(실시예 67)
실시예 16의 박판(2)에 있어서, ±45° 엇갈림 배열하는 볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)의 베이스부(14)의 접속부를 직경 5mm의 원, 접속면(13)을 경사각 60°의 사면으로 하고, 볼록부(11)의 정상면부(12)의 직경은 4.36mm가 된다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.09mm가 된다.
(실시예 68)
실시예 67에 있어서, 볼록부(11)와 베이스부(14)의 접속면(13)을 경사각 45°의 사면으로 하고, 볼록부(11)의 정상면부(12)의 직경은 3.9mm가 된다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.12mm가 된다.
실시예 65, 66, 67, 68, 및 볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)의 접속면(13)이 원통형인 실시예 5, 16의 결과를 도 34에 나타낸다.
정방 배열과 엇갈림 배열 중 어느 쪽에 있어서도, 볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)를 잇는 접속면(13)이 사면이어도 원통형이어도 변형량은 거의 동일하며, 동등한 강성이 얻어진다.
볼록부(11)를 갖는 박판(2)의 성형예로서, 실시예 1의 프리프레그 적층체를 가열 프레스하는 방법이 있지만, 볼록부(11)의 정상면부(12)와 베이스부(14)의 접속면(13)을 원통형으로부터 사면으로 함으로써, 프리프레그 적층체가 프레스에 의해서 연신되는 비율이 감소했기 때문에, 성형성은 향상된다.
한편, 충분한 접착 면적을 확보하기 위해, 사면의 경사각은 45° 이상이 바람직하다.
이하의 실시예 69∼74에서는 장방 배열의 볼록부(11)의 배열 간격에 대하여 검토한다.
(실시예 69)
실시예 7의 박판(2)에 있어서, 볼록부(11)의 배열을 도 35에 나타내는 장방 배열로 하고, P1(장방 배열에 있어서의 볼록부 피치 1)을 6mm, P2(장방 배열에 있어서의 볼록부 피치 2)를 10mm, 박판(2) 및 표면재(1)를 구성하는 섬유 강화 복합 재료 적층의 1층의 두께를 0.1mm, 볼록부(11)의 높이(H)를 0.55mm로 하여, 두께 1.25mm의 구조체를 얻는다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.16mm가 된다.
(실시예 70)
실시예 69에 있어서, P1을 8mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.05mm가 된다.
(실시예 71)
실시예 69에 있어서, P1을 12mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.12mm가 된다.
(실시예 72)
실시예 69에 있어서, P1을 14mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.21mm가 된다.
(실시예 73)
실시예 69에 있어서, P1을 16mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.33mm가 된다.
(실시예 74)
실시예 69에 있어서, P1을 18mm로 변경한다.
실시예 2와 마찬가지의 굽힘 시험에 의해, 최대 변형량은 4.41mm가 된다.
실시예 69∼74, 및 P1이 P2와 동일한 10mm의 정방 배열인 실시예 7의 결과를 도 36에 나타낸다.
실시예 7의 정방 배열이 가장 강성이 높아, P1이 8∼12mm의 범위에서도 우수한 강성이 얻어진다.
장방 배열에서는, 볼록부(11) 1개분 포함하는 동등한 크기의 장방형으로 분할했을 때의 장방형의 장변 및 단변이 볼록부(11)의 사이즈의 1.6배 이상 2.4배 이하이며, 더욱이 단변과 장변의 비율이 1배 이상 1.25 이하인 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명해 왔지만, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 각 실시형태의 구성 요소의 조합을 변경하거나, 각 구성 요소에 다양한 변경을 가하거나, 삭제하거나 하는 것이 가능하다.
본 발명은 경량성, 박육성 및 강성이 우수한 섬유 강화 복합 재료 구조체 및 그것을 이용한 복합 재료 성형체, 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 스포츠 또는 레저 용도로부터 자동차 또는 항공기 등의 산업 용도, 개인용 컴퓨터 등의 전기 전자 기기, 가전 기기 및 의료 기기의 하우징체까지 폭넓게 이용할 수 있다.
1: 표면재
2: 박판
3: 접착제
4: 수지 구조체
5: 접합부
6: 섬유 강화 복합 재료 구조체
7: 복합 재료 성형체
8: 박판용의 하형
9: 볼록부용의 돌기
10: 볼록조용의 돌기
11: 볼록부
12: 정상면부
13: 접속면
14: 베이스부
15: 볼록조
16: 볼록조의 상면
17: 볼록조의 측면
18: 선단부
19: 함몰
20: 볼록조의 선단
21: 볼록조의 함몰
P: 볼록부의 피치
A: 섬유 0° 적층 방향
B: 섬유 90° 적층 방향
Y: 지지대
Z: 집중 하중
P1: 장방 배열에 있어서의 볼록부 피치 1
P2: 장방 배열에 있어서의 볼록부 피치 2
W1: 볼록부의 사이즈
W2: 볼록조의 사이즈
G1: 제 1 볼록부의 중심축(제 1 볼록부의 중심의 위치)
G2: 제 2 볼록부의 중심축(제 2 볼록부의 중심의 위치)
H: 볼록부의 높이
S: 볼록부의 정상면부의 면적
γ: 베이스부와 접속면이 이루는 각도

Claims (15)

  1. 제 1 면과, 정상면을 가짐과 더불어 상기 제 1 면 상에 돌출하여 규칙적으로 배치된 복수의 볼록부를 갖는 박판과;
    제 2 면을 갖고, 상기 제 2 면에서 상기 정상면과 접합되어 있는 표면재
    를 구비한, 섬유 강화 복합 재료 구조체와,
    상기 박판의 단부와 상기 표면재의 단부 사이에 형성되는 공간에 충전된 접합부와, 상기 접합부에 의해서 상기 섬유 강화 복합 재료 구조체와 접합되는 수지 구조체를 구비하고,
    상기 제 1 면 상에 돌출하여,
    상기 복수의 볼록부를 둘러싸도록 연속해서 배치되는 볼록조(條)를 추가로 구비하고,
    상기 볼록조와, 상기 박판의 상기 단부와, 상기 표면재의 상기 단부로 둘러싸이는 공간에, 상기 접합부가 충전되어 있는
    복합 재료 성형체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부 중 한 개의 볼록부에 있어서, 상기 볼록부의 정상면의 형상 및 상기 볼록부와 상기 제 1 면의 경계선으로 둘러싸이는 제 1 영역의 형상이,
    정방형, 장방형, 능형, 삼각형, 오각형, 육각형, 원형, 타원형, 환각(丸角) 정방형, 환각 장방형, 환각 능형, 환각 삼각형, 환각 오각형 및 환각 육각형으로부터 선택되는 적어도 1종인
    복합 재료 성형체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부는, 한 개의 제 1 볼록부와 상기 제 1 볼록부에 이웃하는 제 2 볼록부를 갖고,
    상기 제 1 면과 수직인 방향에서의 상기 제 1 볼록부의 중심축과 상기 제 2 볼록부의 중심축의 간격에 의해서 볼록부 피치가 규정되고,
    상기 볼록부 피치가 상기 제 1 영역의 최소 직경의 1.6∼2.4배인
    복합 재료 성형체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부가 규칙적으로 설치된 제 2 영역에 있어서, 상기 제 2 영역의 면적이 α로 정의되며, 상기 복수의 볼록부의 상기 정상면의 면적의 합계가 β로 정의되고, 비 β/α가 5% 이상 40% 미만인
    복합 재료 성형체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부 중 한 개의 볼록부에 있어서, 상기 볼록부의 정상면의 면적이 상기 박판의 판 두께의 2승의 5배 이상~500배 미만인
    복합 재료 성형체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부의 높이가 상기 박판의 판 두께의 0.5배 이상 10배 미만인
    복합 재료 성형체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 박판은 강화 섬유를 포함하고,
    상기 복수의 볼록부의 배열이,
    상기 강화 섬유에 있어서의 섬유의 길이 방향에 대하여 0° 및 90° 방향으로 배열되는 정방 배열 및 장방 배열, 또는 상기 복수의 볼록부의 배열 방향이 상기 섬유의 길이 방향에 대하여 각도를 이루는 엇갈림 배열로부터 선택되는 적어도 1종의 배열을 포함하는
    복합 재료 성형체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부의 각각에 있어서, 상기 정상면에 평행한 방향의 단면에 있어서의 최소값 페렛 직경이 상기 박판의 판 두께의 3배 이상 30배 미만인
    복합 재료 성형체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 볼록부의 각각의 선단부에 오목 형상의 함몰을 갖는
    복합 재료 성형체.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 복합 재료 구조체와 상기 수지 구조체의 접합 계면에 설치된 접착제층을 갖는
    복합 재료 성형체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 수지 구조체가 열가소성 수지를 포함하는
    복합 재료 성형체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수지 구조체가 추가로 유리 섬유를 포함하는
    복합 재료 성형체.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항 및 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 복합 재료 성형체의 제조 방법으로서,
    강화 섬유와 열경화성 수지 조성물을 포함하는 프리프레그 적층체를 준비하고,
    돌기 또는 함몰을 갖는 형(型)을 이용해 상기 프리프레그 적층체를 가열 가압하여, 복수의 볼록부를 갖는 박판을 제작하고,
    상기 박판의 상기 볼록부의 정상면에 표면재를 접합함으로써 섬유 강화 복합 재료 구조체를 제작하고,
    수지 재료를 상기 박판과 상기 표면재 사이에 주입 사출하여, 상기 수지 재료를 포함하는 수지 구조체와 상기 섬유 강화 복합 재료 구조체를 접합하는,
    복합 재료 성형체의 제조 방법.
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