WO2020218233A1

WO2020218233A1 - 繊維強化樹脂製締結具の製造方法および繊維強化樹脂製締結具

Info

Publication number: WO2020218233A1
Application number: PCT/JP2020/017021
Authority: WO
Inventors: 尚哲金森; 敬洋長谷川
Original assignee: フクビ化学工業株式会社
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2020-10-29
Also published as: JPWO2020218233A1; JP7108134B2

Abstract

量産性に優れ、かつ高い強度の締結具を製造することが可能な繊維強化樹脂製締結具を提供する。繊維強化樹脂製の締結具の製造方法であって、開繊した強化繊維が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂に含浸された繊維強化樹脂シートが所定の大きさに細断された複数のチョップ材を準備する準備工程と、複数のチョップ材を金型の内部に投入する投入工程と、前記金型を加熱した状態で前記金型内部の前記チョップ材を加圧することにより、前記締結具の形状に成形する加圧工程とを含む。

Description

繊維強化樹脂製締結具の製造方法および繊維強化樹脂製締結具

　本発明は、繊維強化樹脂製締結具の製造方法および繊維強化樹脂製締結具に関する。

　従来、締結具として金属ボルトや樹脂製ボルトなどが用いられている。金属ボルトは腐食しやすく、重量があるという欠点があり、樹脂製のボルトは腐食することはないが、強度が足りないという欠点がある。

　そこで、近年では、腐食しにくく、軽量でかつ金属製のボルト等と同程度の強度を有する締結具として、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）、以下、ＣＦＲＰと呼ぶ）からなるボルトやナットなどの締結具が製造されてきている。ＣＦＲＰ製の締結具は、耐腐食性および高強度を両立しているので、水中や雨にさらされやすい場所などの過酷な使用条件下でも使用可能である。

　このようなＣＦＲＰ製の締結具を製造する方法として一般的に知られる製造方法には、炭素繊維強化樹脂に含まれる炭素繊維の長繊維を所定の方向に並べた状態で樹脂に含浸させたＣＦＲＰ製の丸棒を準備し、当該ＣＦＲＰ製の丸棒の周面を切削加工によってねじ切りしてねじ山を削り出すことによって、ＣＦＲＰ製のボルトを製造する方法がある。

　また、特許文献１記載の方法のように、強化炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた熱可塑性炭素繊維強化樹脂、すなわちＣＦＲＴＰ（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｌａｓｔｉｃ）製の丸棒を加熱状態の金型を用いて熱プレス成形することによってＣＦＲＴＰ製のボルトを製造することも知られている。

　しかし、ＣＦＲＰ製の丸棒を切削加工によりねじ切りをしてボルトを製造する方法では、１本ごとに切削加工を施す必要があり、量産性に劣る。しかも、ＣＦＲＰ製の丸棒は、通常、丸棒の長手方向に強化繊維が延びているので、ボルトを製造するために、ねじ切り加工をしたときに、丸棒周面の強化繊維が切断されて高い強度のボルトを製造することが難しい。

　また、特許文献１記載のようにＣＦＲＰ製の丸棒を熱プレス成形してボルトを製造する方法においても、ねじ山部分で強化繊維が急激な変形をして切断されるので、この製造方法でもボルトの強度の向上が難しい。

特公平７－８６３６７号公報

　本発明の目的は、量産性に優れ、かつ高い強度の締結具を製造することが可能な繊維強化樹脂製締結具を提供することである。

　上記の課題を解決するために、本発明の繊維強化樹脂製締結具の製造方法は、繊維強化樹脂製の締結具の製造方法であって、開繊した強化繊維が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂に含浸された繊維強化樹脂シートが所定の大きさに細断された複数のチョップ材を準備する準備工程と、前記複数のチョップ材を金型の内部に投入する投入工程と、前記金型を加熱した状態で前記金型内部の前記チョップ材を加圧することにより、前記締結具の形状に成形する加圧工程とを含むことを特徴とする。

本発明の製造方法によって製造される繊維強化樹脂製締結具の具体例としてのボルト、ナット、およびワッシャの斜視図である。本発明の繊維強化樹脂製締結具の製造方法の実施形態に係る製造方法の一連の流れを示すフローチャートである。締結具の材料となるＣＦＲＴＰ製のチョップ材を製造するための中間材として、ＣＦＲＴＰ製シートを製造する過程を示す説明図である。ＣＦＲＴＰ製シートを連続的に細断してＣＦＲＴＰ製のチョップ材を製造する過程を示す説明図である。本発明の製造方法で用いられる金型の分解斜視図である。本発明の製造方法における複数のチョップ材またはチョップドシートを金型に投入する投入工程を示す説明図である。投入工程においてチョップ材を金型の内部に押し込む過程を示す説明図である。本発明の製造方法におけるチョップ材を金型の内部で加圧して締結具であるボルトを成形する加圧工程を示す説明図である。加圧工程後に金型を分解する過程を示す説明図である。成形されたボルトを金型から取り出す過程を示す説明図である。本発明の製造方法の変形例であるチョップ材を熱可塑性フィルムに含浸させることによりチョップドシートを作製するチョップドシート作製工程を示す説明図である。比較例１のボルトの断面図である。（ａ）は５ｍｍ×２０ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である製造条件によって製造されたボルトの断面図、（ｂ）は比較例３のボルトの断面図である。本発明の製造方法で使用可能な金型の他の例を示す断面図である。本発明の製造方法で使用可能な金型の他の例を示す断面図である。本発明の製造方法で使用可能な金型の他の例を示す断面図である。本発明の製造方法で使用可能な金型の他の例を示す断面図である。繊維強化樹脂製ボルトの断面を観察した場合の繊維の充填度合いの評価についての説明図である。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。

　図１には、本発明の製造方法によって製造される繊維強化樹脂製締結具の具体例としてのボルトＢ、ナットＮ、およびワッシャＷが示されている。これらボルトＢなどの締結具は、強化繊維を熱可塑性樹脂に含浸させた繊維強化樹脂シートを細断したチョップ材を熱プレス成形することによって製造されている。

　すなわち、本実施形態の繊維強化樹脂製の締結具の製造方法は、
（Ａ）　開繊した強化繊維が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂に含浸された繊維強化樹脂シートが所定の大きさに細断された複数のチョップ材を準備する準備工程と、
（Ｂ）　複数のチョップ材を金型の内部に投入する投入工程と、
（Ｃ）　金型を加熱した状態で金型内部のチョップ材を加圧することにより、締結具の形状に成形する加圧工程と
を含むことを特徴とする。

　強化繊維としては、炭素繊維束、ガラス繊維束、アラミド繊維束、セラミックス繊維束などの強化繊維束を開繊したもの（すなわち、繊維束をばらして帯状に広げたもの）が用いられる。とくに、炭素繊維束は、強度および耐腐食性などの点で好ましい。また、炭素繊維のうち、とくに、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維は、他の素材よりも高い強度を有する点で好ましい。

　熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロンＭＸＤ６、ナイロン９Ｔ、ナイロン１１、ナイロン１２等）、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、フッ素系樹脂などが使用される。また、これらの熱可塑性樹脂を２種類以上混合して、ポリマーアロイにした樹脂を使用してもよい。

　また、熱可塑性樹脂は、繊維強化樹脂シートの作製時にはシート状の形態で使用されるが、熱可塑性樹脂材料による繊維から構成される織物シート材または編物シート材、さらには不織布などの形態で使用してもよい。

　本実施形態の繊維強化樹脂製の締結具の製造方法は、具体的には、図２のフローチャートに示される手順で実行される。ここでは、製造される締結具として、ボルトＢを例に挙げて説明する。

　まず、繊維強化樹脂シートとして熱可塑性炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＴＰ）製のシート（以下、ＣＦＲＴＰシート）を製造する（図２のＳ１）。

　ＣＦＲＴＰシートは、例えば、図３に示されるようなＣＦＲＴＰシートを製造するシート製造装置を用いて連続的に製造される。

　図３に示されるシート製造装置は、強化繊維としての炭素繊維束Ｆ１および熱可塑性樹脂シートＲ１を用いて、ＣＦＲＴＰシートＳを連続的に製造する装置である。

　シート製造装置は、具体的には、互いに上下方向に並んで配置された複数対（図３では２対）の加熱ロール１と、上記の加熱ロール１の群の下側に位置し、互いに上下方向に並んで配置された複数対（図３では２対）の冷却ロール２と、上下方向に並ぶ２本加熱ロール１および２本の冷却ロール２の縦列にそれぞれ掛け回された一対の無端ベルト３と、一対の無端ベルト３の下側に位置する一対の引き出しロール４と、巻き取り用のボビン５とを備えている。

　また、図示されていないが、最上段の加熱ロール１の近傍には、炭素繊維束Ｆ１を開繊して帯状に広げることによって開繊繊維Ｆ２を連続的に形成する開繊機構が設けられている。開繊機構としては、例えば、繊維束を広げて長繊維を同一方向に延びるように平たく広げる処理をすることが可能な機構であればよく、繊維束を叩いて広げる機構、または繊維束に風を当てて広げる機構などの種々の機構が用いられる。

　図３に示される製造装置では、熱可塑性樹脂シートＲ１を表裏両側から開繊繊維Ｆ２で挟むことによって、ＣＦＲＴＰシートＳを製造する。

　２対の加熱ロール１は、それぞれ電気ヒータまたは加熱流体などによって加熱される。２対の加熱ロール１は、無端ベルト３を介して開繊繊維Ｆ２と熱可塑性樹脂シートＲ１とを互いに重ね合せた状態で両側から挟み込みながら加熱することにより、開繊繊維Ｆ２を熱可塑性樹脂シートＲ１に連続的に含浸させる。

　複数対の冷却ロール２は、それぞれ冷却流体などによって冷却される。複数対の冷却ロール２は、無端ベルト３を介して開繊繊維Ｆ２が含浸された状態の熱可塑性樹脂シートＲ１を両側から挟み込みながら冷却して下方へ送り出すことにより、所定の厚さのＣＦＲＴＰシートＳを連続的に成形する。

　一対の引き出しロール４は、製造されたＣＦＲＴＰシートＳに張力を加えながら連続的に下方へ引き出す。

　巻き取り用のボビン５は、モータなどの駆動源によって回転し、一対の引き出しロール４によって引き出されたＣＦＲＴＰシートＳを順次巻き取ることにより、ロール状のＣＦＲＴＰシートＳを形成する。

　なお、図３に示される無端ベルト３を用いずに熱可塑性樹脂シートと開繊した強化繊維を所定の方向に一緒に流して巻き取る方法によっても、ＣＦＲＴＰシートを製造することが可能である。

　ついで、図４に示されるように、作製されたＣＦＲＴＰシートＳを細断してチョップ材Ｃを作製する（図２のＳ２）。

　具体的には、図４に示されるように、ロール状に巻かれたＣＦＲＴＰシートＳを引き出しながら、区間Ｉにおいて、シートＳの幅方向に等間隔に配置された多数の刃を有するカッターなどを用いて、所定の幅を有する多数の短冊（ｓｔｒｉｐ）状になるようにシートＳを長手方向に連続的に切断する。ついで、区間ＩＩにおいて、シートＳの幅方向に延びる刃を有するロータリーカッターなどを用いて、シートＳが短冊状に切断されたものを所定の長さごとに切断する。これにより、所定の寸法のチョップ材Ｃを連続的に作製することができる。

　チョップ材Ｃの大きさは、成形されるボルトＢの寸法、後述する金型１１の投入口１２の大きさ、成形時の賦形性などの種々の条件を考慮して選定される。

　ついで、上記（Ｂ）の投入工程として、図５～６に示される金型１１を加熱した状態で、投入口１２を通して、当該金型１１に多数のチョップ材Ｃを投入する。

　金型１１は、その内部でチョップ材Ｃを加熱しながら加圧成形できる構成であればよく、例えば、縦方向に２分割された割り型１１ａ、１１ｂによって構成される。金型１１の上端には、投入口１２が形成されている。金型１１の内部には、成形されるボルトＢ（締結具）の形状に対応する空間部（キャビティー）１３が形成されている。空間部１３は、投入口１２と連通している。空間部１３は、ボルトＢのおねじが形成された軸部分の形状に対応する軸部側空間部１３ａと、ボルトＢの六角形の頭部の形状に対応する頭部側空間部１３ｂとを有する。したがって、軸部側空間部１３ａの内面にはめねじが形成され、頭部側空間部１３ｂには六角柱状にくりぬかれた凹部が形成されている。

　２つの割り型１１ａ、１１ｂは、互いの合わせ面１４を当接させてボルトＢの形状に対応する空間部１３を形成した状態で連結される。具体的には、２つの割り型１１ａ、１１ｂに水平方向に形成された貫通孔１５にボルトを挿入するとともに当該ボルトにナットを締結することによって、２つの割り型１１ａ、１１ｂが連結される。

　なお、図５～６に示される上記の金型１１は、縦割り型の２つの割り型１１ａ、１１ｂを有し、空間部１３のうちボルト頭部側に１個の貫通孔１２が形成された構造を有しているが、本発明の製造方法では金型の構造について限定するものではなく、種々の形状の金型を採用することが可能である。

　例えば、本発明の変形例として、図１４に示される金型２１のように、ボルト形状の空間部２１ａのうち軸部側空間部２１ｂに連通する貫通孔２１ｃが形成され、軸部側の貫通孔２１ｃから圧力Ｐを空間部２１ａ内に与えることが可能な構造であってもよい。

　また、他の変形例として、図１５に示される金型２２のように、２つの貫通孔、すなわち、ボルト形状の空間部２２ａのうち軸部側空間部２２ｂに連通する貫通孔２２ｃ、および頭部側空間部２２ｄに連通する貫通孔２２ｅが形成された構造であってもよい。図１５の構造では、２か所の貫通孔２２ｃ、２２ｅから圧力Ｐを空間部２２ａ内に与えることが可能である。

　さらに他の変形例として、図１６に示される横割り型の金型２３を用いてもよい。この金型２３は、水平方向に延びる合わせ面２３ｄで合わせることが可能な２つの割り型として、上型２３ａおよび下型２３ｂを有する。上型２３ａおよび下型２３ｂを合わせることによりボルト状の空間部２３ｃが形成される。

　横割り型についてのさらに他の変形例として、図１７に示される横割り型の金型２４のように、２か所の貫通孔２４ｅ、２４ｆを形成してもよい。図１７の構造では、上型２４ａおよび下型２４ｂを水平合わせ面２４ｄで合わせることによってボルト形状の空間部２４ｃが形成されている。当該空間部２４ｃのうち軸部側空間部２４ｃ１は、貫通孔２４ｅに連通し、頭部側空間部２４ｃ２は、貫通孔２４ｆに連通している。２か所の貫通孔２４ｅ、２４ｆから圧力Ｐを空間部２４ｃ内に与えることが可能である。

　金型１１の加熱方法については、チョップ材Ｃが溶融する温度（例えば２７０℃前後の２５０～３００℃）まで加熱できる方法であればよく、本発明ではとくに限定しない。例えば、赤外線やバーナーなどによる加熱の他、誘導加熱などによって加熱してもよい。

　チョップ材Ｃを金型１１に投入する方法については、本発明はとくに限定されるものではなく、投入装置を用いた機械的な方法または手作業で所定量のチョップ材Ｃを投入すればよい。

　チョップ材Ｃを投入する際には、チョップ材Ｃ内部の炭素繊維の延びる方向がそろわないように多数のチョップ材Ｃが互いにバラバラの方向を向くように（すなわち、チョップ材Ｃの向きがランダムになるように）投入することにより、成形後のボルトＢのランダム配向性を確実に担保することが可能である。したがって、チョップ材Ｃの大きさは、投入口１２の開口面積や空間部１３の体積や形状などを考慮して、多数のチョップ材Ｃが投入時において互いにバラバラの方向を向く程度の大きさになるように設定されるのが好ましい。

　ついで、図７に示されるように、チョップ材Ｃを金型１１に押し込む（図２のＳ４）。具体的には、押圧ロッド１６を金型１１の投入口１２に挿入し、押圧ロッド１６によって、金型１１に投入されたチョップ材Ｃを金型１１内部の空間部（キャビティー）１３に押し込む。これにより、チョップ材Ｃを空間部１３の内部に均一に分散して詰め込まれるようにする。押圧ロッド１６によってチョップ材Ｃを押し込む場合、投入口１２とほぼ同一の大きさの蓋を介してチョップ材Ｃを押し込んでもよいし、押圧ロッド１６の下端面で直接押し込んでもよい。押し込んだときにチョップ材Ｃが漏れなければ適宜の方法で押し込めばよい。上記のチョップ材Ｃを金型１１に押し込む工程（Ｓ４）は本発明の製造方法では、必須でなく、省略してもよい。

　その後、図８に示されるように、熱プレス機１７を用いて金型１１内部のチョップ材Ｃを加圧する（図２のＳ５）。熱プレス機１７は、台座１７ａと、台座１７ａの上方に配置された加圧部１７ｂとを有する。台座１７ａは、ヒータを有しており、台座１７ａに載置された金型１１を加熱する。金型１１が台座１７ａに載置された状態で、加圧部１７ｂが下降することにより、加圧部１７ｂは押圧ロッド１６を介して加熱された金型１１内部のチョップ材Ｃを加圧する。これにより、金型１１内部では多数のチョップ材Ｃの群が高温高圧下で空間部１３内部で溶融変形してボルトＢの形状に成形される。

　ボルトＢの成形後、図９に示されるように、金型１１を分解して、２つの割り型１１ａ、１１ｂに分割する（図２のＳ６）。

　最後に、図１０に示されるように、ボルトＢを金型１１の一方の割り型１１ａの空間部１３から取り外して脱型をして（図２のＳ７）、ボルトＢの製造方法の一連の工程が終了する。

　本発明の実施形態に係るボルトＢなどの繊維強化樹脂製締結具は、上記の製造方法で製造することにより、熱可塑性樹脂と、配向が特定されない状態で前記熱可塑性樹脂に含浸されている強化繊維とで形成された繊維強化樹脂製締結具であって、前記強化繊維の繊維長は、５～１００ｍｍの範囲内、好ましくは５～４０ｍｍであり、さらに好ましくは５～２０ｍｍである。前記熱可塑性樹脂における前記強化繊維の体積含有率は、３０～８０％の範囲内、好ましくは３０～６０％であるという特徴を有することが可能になる。

　上記の締結具では、強化繊維の配向が特定されない状態、すなわちランダム配向性を有する状態で強化繊維が熱可塑性樹脂に含浸されており、しかも、強化繊維における条件として、繊維長が５～１００ｍｍの範囲内であり、かつ、前記熱可塑性樹脂における体積含有率が３０～８０％の範囲内であるので、量産性に優れ、かつ高い強度を有している。

　上記の条件は、後述の実施例で示されるように、強化繊維の繊維長が、５～１００ｍｍで、好ましくは５～４０ｍｍであり、さらに好ましくは５～２０ｍｍ程度あれば、引張強度に優れたボルトを製造することができる点、および強化繊維の体積含有率が３０～８０％の範囲内、好ましくは３０～６０％であれば、ボルトの高い強度および賦形性を確保することが可能である点に基づいている。

　（本実施形態の特徴）
　上記の本実施形態の繊維強化樹脂製の締結具の製造方法では、ボルトＢなどの締結具の材料として、図３～４に示されるように、開繊した強化繊維Ｆ２が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂Ｒ１に含浸されたＣＦＲＴＰシートＳなどの繊維強化樹脂シートを所定の大きさに細断することによって形成された複数のチョップ材Ｃを準備する。そして、複数のチョップ材Ｃを金型１１の内部に投入して、チョップ材を加熱した状態で加圧成形する。チョップ材Ｃは賦形性、すなわち金型のキャビティ形状への追随性が良いので、従来の繊維強化樹脂製の棒状部材を切削加工して製造する場合と比較して量産性に優れる。

　すなわち、本実施形態の製造方法によって製造された繊維強化樹脂製の締結具は、上記（Ｃ）の加圧工程のように熱プレス成形を行うことによって大量量産が可能である。また、使用済の締結具を再加熱して熱可塑性樹脂を溶融すれば他の用途に再利用することが可能である。

　しかも、締結具の材料となる複数のチョップ材の群はランダム配向性を有するので、加圧成形しても、チョップ材に含まれる強化繊維が切断されるおそれが低い。そして、成形後の締結具も一定の繊維長を維持しているので、締結具の強度（例えば、ねじり強度、せん断強度など）を向上することができる。これにより、量産性に優れてかつ高い強度を有する繊維強化樹脂製締結具を製造することが可能になる。

　つぎに、本発明の実施例として、本実施形態の繊維強化樹脂製の締結具の製造方法によって製造されたＣＦＲＴＰ製のボルトＢの強度および賦形性についての評価を行う。ボルトＢとしては、Ｍ８×３０のサイズの六角全ねじのボルト（すなわち外径が８ｍｍで、かつ、長さ３０ｍｍの軸部を有する六角全ねじのボルト）を例に挙げて説明する。

　ボルトＢの材料となるＣＦＲＴＰ製のチョップ材は、ＣＦＲＴＰシートを細断することにより形成される。ＣＦＲＴＰシートは、炭素繊維からなる多数の長繊維が単一の方向に延びるシート、すなわちＵＤシートからなり、具体的には、開繊されたＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維を単一の方向に延ばしながらマトリックス（母材）となるナイロン６（ＰＡ６）、ＰＡ９Ｔ、ＰＰＳなどに含浸させることにより製造される。

　上記のＣＦＲＴＰシートを細断することにより形成されるチョップ材の大きさは、Ｍ８のボルトを成形するための金型の投入口およびキャビティの大きさを考慮して、当該キャビティに対して賦形性の良い大きさになるように設定される。

　ＣＦＲＴＰシートおよびそれを細断したチョップ材における炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）は、３５～５３％である。

　チョップ材（またはチョップ材をキャリアシート（例えば、熱可塑性樹脂製のフィルム）に固定したチョップドシート）を金型に投入してボルトＢをプレス成形する際には、例えば、成形温度２７０℃の加熱状態の下、プレス圧力３７ＭＰａでチョップ材（またはチョップドシート）を加圧する。その後、加熱を停止した状態で、冷間プレスとして、常温（例えば２５℃程度）の状態においてプレス圧力７３ＭＰａでさらに加圧して、所定の形状のボルトＢに成形する。

　本実施形態の製造方法によって製造されたＣＦＲＴＰ製のボルトＢの引張破断荷重、成形性、および繊維充填度合いについての評価は、以下のようにして行われる。

　なお、引張破断荷重の試験は、ＪＩＳ　Ｂ　１０５１に準拠した試験方法で実施される。

　表１に示されるように、本実施形態の繊維強化樹脂製の締結具の製造方法によって製造されたＣＦＲＴＰ製のボルトＢとして、実施例１～７の条件でＭ８×３０のサイズの六角全ねじのボルトを製造する。あわせて、実施例８の条件で当該ボルトに対応するＭ８のナットを製造する。

　実施例１では、５ｍｍ×１０ｍｍ（すなわち、横５ｍｍ、縦１０ｍｍ）の矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられる。なお、炭素繊維の繊維体積含有率（Ｖｆ）は５３％である。

　実施例２では、５ｍｍ×２０ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は３５％である。

　実施例３では、５ｍｍ×１００ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である。

　実施例４では、４０ｍｍ角（すなわち、縦横いずれも４０ｍｍ）の正方形状のチョップ材、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である。

　実施例５では、５ｍｍ×２０ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６よりも物理的特性に優れたＰＡ９Ｔフィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である。

　実施例６では、５ｍｍ×１０ｍｍの矩形形状のチョップ材、およびマトリックス（基材）としてＰＰＳフィルムが用いられる。なお、炭素繊維の繊維体積含有率は４７．７％である。

　実施例７では、チョップドシート（すなわち、チョップ材をキャリアシート（熱可塑性樹脂製のフィルム）に固定したシート）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である。

　実施例８は、上記実施例１～７の条件で製造されるボルトに対応するＭ８のナットであって、５ｍｍ×２０ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である。

　一方、表２には、上記実施例１～８と比較するために、比較例１～７の条件でＭ８×３０のサイズの六角全ねじのボルトを製造する。あわせて、実施例８の条件で当該ボルトに対応するＭ８のナットを製造する。

　比較例１では、ＵＤシート（厚さ１８０μｍ）であって、マトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられる。

　比較例２では、５ｍｍ×１０００ｍｍのテープ材（厚さ５０μｍ）を丸めて金型に投入する形で用いられる。なお、マトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である。

　さらに、比較例３では、５ｍｍ×２０ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である製造条件でボルトを製造後にねじ山を削り出したものが用いられる。

　比較例４では、ガラス繊維を含む短繊維強化品の材料の射出品であり、マトリックス（基材）としてＰＰＳが用いられる。ガラス繊維（ＧＦ）の含有率は４０％（重量％）である。

　比較例５では、ガラス繊維を含む短繊維強化品の材料の射出品であり、マトリックス（基材）としてＭＸＤ６が用いられる。ガラス繊維（ＧＦ）の含有率は５０％（重量％）である。

　比較例６では、樹脂製の材料の射出品であり、マトリックス（基材）としてＰＣ（ポリカーボネート）が用いられる。

　比較例７では、樹脂製の材料の射出品であり、マトリックス（基材）としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）が用いられる。

　比較例８では、上記比較例４の条件で製造されるボルトに対応するＭ８のナットであって、短繊維強化品の材料の射出品であり、マトリックス（基材）としてＰＰＳが用いられる。ガラス繊維（ＧＦ）の含有率は４０％（重量％）である。

　上記実施例１～８および比較例１～８によってそれぞれ製造されたボルトおよびナットについて規定本数の引張試験を行った結果、それぞれの例についての引張張破断荷重を求めるとともに、成形性および繊維の充填度合いについての評価を行った。その結果が表１～２に示される。

　上記の表１～２に示されるように、本実施形態の製造方法（すなわち、ＣＦＲＴＰ製のチョップ材を用いて加圧成形する製造方法）によって製造されたＣＦＲＴＰ製のボルトの引張破断荷重は、実施例１～７に示されるように、４９２１～７８９０Ｎの範囲内である。しかも、実施例１～７では、成形性についての評価は△（７割程度の割合で成形完了）および〇（すべて成形完了）である。また、実施例１～７では、繊維の充填度合いの評価も〇（７割程度の割合でねじ山全体まで充填完了）および◎（すべてねじ山先端まで充填完了）である（図１８の繊維の充填度合いの評価についての説明図参照）。なお、図１８には、ボルトのねじ山３１の断面図が示され、３１ａがねじ山の先端、３２が炭素繊維、３３がマトリックス樹脂を示す。

　一方、比較例１では、ＵＤシートをそのまま加圧成形して製造したボルトの引張破断荷重が２５３７Ｎにすぎず、実施例１～７における上記の範囲内の最小値の４９２１Ｎを大きく下回っている。さらに、繊維の充填度合いの評価も×（ねじ山の先端まで充填できなかった）である（図１８参照）。

　上記の比較例１では、ＵＤシートを用いたボルトの成型は可能であるが、引張破断荷重が２５３７Ｎしかなく、同一材料（ＰＡ６フィルム）のマトリックスを用いた実施例１～４および７の引張破断荷重（４９２１～７８９０Ｎ）よりも大幅に低い。この原因は、比較例１によって成型されたボルトＢでは、図１２に示される当該ボルトＢの断面において、ネジ山Ｇの奥の箇所において発生したボイドＶ（空孔）による剛性の低下が原因であると考えられる。ボイドＶは、ボルト成型中においてＵＤシート内の連続繊維（すなわち、所定方向に配向された長繊維の強化繊維の層）によって空気の逃げ道を塞ぐために生じたと考えられる。なお、図１２に示されるボイドＶは、ボルトＢの切断面をレーザー顕微鏡で観察することによって確認された。一方、実施例１～４および７のボルトＢでは、断面観察してもボイドＶは発見されなかった。

　比較例２のようにテープ材を丸めて加圧成形した場合、ボルトを成形することができず、引張破断荷重の測定、ならびに成形性および繊維の充填度合いの評価を行うことができなかった。

　比較例３は、５ｍｍ×２０ｍｍの矩形形状のチョップ材（厚さ５０μｍ）、およびマトリックス（基材）としてＰＡ６フィルムが用いられ、炭素繊維の繊維体積含有率は５３％である製造条件によって製造されたＭ８のボルト（直径８ｍｍ）をさらにネジ山を削る加工をしている。これにより、比較例３の引張破断荷重（２０８４Ｎ）は、実施例１～４および７の引張破断荷重（４９２１～７８９０Ｎ）よりも大幅に低下している。この原因は、図１３（ａ）に示される削り加工前のボルトＢ１内部において強化繊維Ｆが連続して延びている状態と比較して、図１３（ｂ）に示される削り加工後の比較例３のボルトＢ２内部において強化繊維Ｆが切断されて引張強度が低下したことが原因であると考えられる。

　比較例４のようにガラス繊維を含むＰＰＳの射出品、および比較例５のようにガラス繊維を含むＭＸＤ６の射出品を用いた場合のそれぞれの引張破断荷重（３２１５Ｎおよび４３８６Ｎ）を見ても、実施例１～４および７の引張破断荷重（４９２１～７８９０Ｎ）よりも十分に低いことがわかる。

　また、繊維を含まない樹脂の射出品の例として、比較例６のようにＰＣの射出品、および比較例７のようにＰＥＥＫの射出品を用いた場合のそれぞれの引張破断荷重（２１２１Ｎおよび３２５８Ｎ）を見ても、実施例１～４および７の引張破断荷重（４９２１～７８９０Ｎ）よりも十分に低いことがわかる。

　また、実施例８に示されるように、本実施形態の製造方法（すなわち、ＣＦＲＴＰ製のチョップ材を用いて加圧成形する製造方法）によって製造されたＣＦＲＴＰ製のナットの引張破断荷重は、９２９２Ｎであり、非常に高い値である。しかも、実施例８では、成形性についての評価は〇（すべて成形完了）であり、かつ、繊維の充填度合いの評価も◎（すべてねじ山先端まで充填完了）である。

　一方、比較例８で製造されたナット、すなわち、ガラス繊維を含むＰＰＳの射出品であるナットの引張破断荷重は３２９０Ｎにすぎず、上記の実施例のナットの引張破断荷重（９２９２Ｎ）を大きく下回っている。

　さらに、以下の表３に示されるように、実施例１～７で製造される炭素繊維製（ＣＦ）のＭ８のボルトの重量は３ｇであり、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のＭ８のボルトの重量（１６ｇ）と比較して１／５よりも小さく、非常に軽い。また、実施例８で製造される炭素繊維製（ＣＦ）のＭ８のナットの重量は１．２ｇであり、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のＭ８のナットの重量（５．４ｇ）と比較して１／４～１／５程度小さく、非常に軽い。

　上記の表１の試験結果などを見れば、チョップ材に含まれる強化繊維の繊維長は、５～１００ｍｍで、好ましくは５～４０ｍｍ、さらに好ましくは５～２０ｍｍ程度あれば、引張強度に優れたボルトやナットを製造することができると考えられる。また、このように実施例１～８によって製造されたボルトやナットは、引張強度に優れることを考慮すればねじり強度も高くなることが推定される。

　ここで、チョップ材の繊維長は、長い方がボルトの強度の向上に寄与すると考えられるが、賦形性を考えた場合には、マトリックスの樹脂材料の流動性（ＭＦＲ）は、２～５０ｇ／１０ｍｉｎ、好ましくは５～３０ｇ／ｍｉｎである。この数値であれば賦形性を良好に維持することが可能である。

　また、チョップ材におけるマトリックスに含まれる強化繊維の体積含有率が３０～８０％の範囲内であるのが好ましい。３０％よりも少ないとボルトの強度が低くなり、８０％を超えると賦形性が低下して成型が困難になるので、ボルトの高い強度および賦形性を確保する観点から強化繊維の体積含有率は上記の範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは３０～６０％が良い。

　（変形例）
　（Ａ）
　上記の実施形態では、図６に示されるようにＣＦＲＴＰシートを細断した多数のチョップ材Ｃを金型１１に投入して、チョップ材Ｃの状態で熱プレス成形をしてボルトＢなどの締結具を製造しているが、本発明はこれに限定するものではなく、多数のチョップ材Ｃを平面的に並べて合体したシート状の部材、すなわちチョップドシートＣＳの状態で金型に投入してもよい。

　すなわち、本発明の製造方法の変形例として、この製造方法は、上記の（Ａ）チョップ材の準備工程の後において、（Ｄ）複数のチョップ材を平面的に並べて合体したチョップドシートを作製するチョップドシート作製工程（図２のＳ２１）をさらに含み、上記の（Ｂ）投入工程において、チョップドシートを金型の内部に詰め込むことを特徴とする。

　チョップドシート作製工程は、複数のチョップ材Ｃを平面的に並べて合体したチョップドシートＣＳを作製することができればよく、本発明では複数のチョップ材Ｃを合体させるためのフィルムの使用についてはとくに限定しない。

　チョップドシート作製工程の一例としては、例えば、複数のチョップ材を熱可塑性樹脂フィルムの少なくとも一方の面に分散させた状態で含浸させたチョップドシートを作製する。具体的には、図１１に示されるように、熱可塑性樹脂フィルムＲ２を連続的に送り出していき、区間ＸＩのように、熱可塑性樹脂フィルムＲ２の両面に多数のチョップ材Ｃを分散させた状態で加熱ロールなどで加熱しながら加圧することにより、チョップ材Ｃが両面に分散されたチョップドシートＣＳが製造される。なお、チョップ材Ｃは、熱可塑性樹脂フィルムＲ２の両面のうちのいずれか一方の面のみに含浸してもよい。

　熱可塑性樹脂フィルムＲ２は、上記のチョップ材Ｃを製造する際に用いられた熱可塑性樹脂シートＲ１（図３参照）と同じ材料（例えばナイロン６（ＰＡ６））であれば、チョップ材Ｃのマトリックス（母材）と同じ材料であるので、チョップ材Ｃが熱可塑性樹脂フィルムＲ２に含浸されやすくなる。

　なお、これら熱可塑性樹脂シートＲ１および熱可塑性樹脂フィルムＲ２の厚さは、チョップ材ＣおよびチョップドシートＣＳを作製する際の製造条件などを考慮して適宜選定される。

　製造されたチョップドシートＣＳは、金型１１の投入口１２に投入しやすいように変形され、例えば丸められた状態で金型１１に詰め込まれる（図６参照）。なお、チョップドシートＣＳが大きい場合は、成形されるボルトＢの体積に対応する大きさで切り出してから丸めて用いればよい。

　このような上記の製造方法では、複数のチョップ材Ｃを平面的に並べて合体したチョップドシートＣＳの状態にして、当該チョップドシートＣＳを金型１１の内部に詰め込むことにより、複数のチョップ材Ｃを金型１１の空間部（キャビティー）１３に容易に分散させて投入することが可能になる。その結果、投入後のチョップ材Ｃを金型１１の空間部１３に均一に分散させるための別作業が必要なくなり、量産性がさらに向上する。

　しかも、チョップドシートＣＳ内部のチョップ材Ｃにおいても一定の繊維長が維持されているので、長繊維を有するボルトＢなどの締結具を製造することが可能であり、締結具の強度を向上することが可能である。

　また、上記の変形例では、複数のチョップ材Ｃを熱可塑性樹脂フィルムＲ２の少なくとも一方の面に分散させた状態で含浸させることにより、チョップドシートＣＳを容易に作製することが可能である。また、作製後のチョップドシートＣＳからチョップ材Ｃが分離するおそれも低減する。

　（Ｂ）
　また、他の変形例として、上記の図１１で作製されたチョップドシートＣＳを金型１１に投入しやすい大きさに細断してもよい。

　すなわち、本発明の他の変形例としての製造方法は、上記の（Ｄ）チョップドシート作製工程の後において、図１１の区間ＸＩＩ～ＸＩＩＩに示されるように、チョップドシートＣＳをチョップ材Ｃよりも大きい所定の大きさに細断するチョップドシート細断工程をさらに含み、上記の（Ｂ）投入工程において、細断されたチョップドシートＴ（図６および図１１参照）を金型１１の内部に詰め込むことを特徴とする。

　上記の製造方法では、チョップ材Ｃよりも大きい所定の大きさに細断されたチョップドシートＴを金型１１の内部に詰め込むので、チョップドシートを金型１１の内部に詰め込む前に丸めたり変形する別作業が不要になり、金型への投入が容易である。それとともに、チョップ材Ｃのままの状態で金型１１に投入するよりも金型１１の空間部１３において均一に分散させることが可能である。その結果、量産性がより一層優れる。

　（Ｃ）
　なお、上記実施の形態の製造方法では、複数のチョップ材を平面的に並べて合体したチョップドシートを作製し、当該チョップドシートを金型の内部に詰め込む例が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のチョップ材のどのような形状にまとめて金型に詰め込むか限定としない。したがって、本発明の変形例として、複数のチョップ材を棒状にしたものを金型に投入して加圧するようにしてもよい。

＜実施形態のまとめ＞
　前記実施形態をまとめると以下のとおりである。

　前記実施形態にかかる繊維強化樹脂製締結具の製造方法は、繊維強化樹脂製の締結具の製造方法であって、開繊した強化繊維が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂に含浸された繊維強化樹脂シートが所定の大きさに細断された複数のチョップ材を準備する準備工程と、前記複数のチョップ材を金型の内部に投入する投入工程と、前記金型を加熱した状態で前記金型内部の前記チョップ材を加圧することにより、前記締結具の形状に成形する加圧工程とを含むことを特徴とする。

　かかる製造方法では、締結具の材料として、開繊した強化繊維が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂に含浸された繊維強化樹脂シートを所定の大きさに細断することによって形成された複数のチョップ材を準備する。そして、複数のチョップ材を金型の内部に投入して、チョップ材を加熱した状態で加圧成形する。チョップ材は賦形性、すなわち金型のキャビティ形状への追随性が良いので、従来の繊維強化樹脂製の棒状部材を切削加工して製造する場合と比較して量産性に優れる。

　しかも、締結具の材料となる複数のチョップ材の群はランダム配向性（すなわち強化繊維の配向が特定されていない性質）を有するので、加圧成形しても、チョップ材に含まれる強化繊維が切断されるおそれが低い。そして、成形後の締結具も強化繊維の一定の繊維長を維持しているので、締結具の強度を向上することができる。これにより、量産性に優れてかつ高い強度を有する繊維強化樹脂製締結具を製造することが可能になる。

　上記の繊維強化樹脂製締結具の製造方法であって、前記準備工程の後において、前記複数のチョップ材を平面的に並べて合体したチョップドシートを作製するチョップドシート作製工程をさらに含み、前記投入工程において、前記チョップドシートを前記金型の内部に詰め込むのが好ましい。

　かかる製造方法では、前記複数のチョップ材を平面的に並べて合体したチョップドシートの状態にして、当該チョップドシートを金型の内部に詰め込むことにより、複数のチョップ材を金型の空間部に容易に分散させて投入することが可能になる。その結果、投入後のチョップ材を金型の空間部に均一に分散させるための別作業が必要なくなり、量産性がさらに向上する。

　しかも、チョップドシート内部のチョップ材においても一定の繊維長が維持されているので、長繊維を有する締結具を製造することが可能であり、締結具の強度を向上することが可能である。

　上記の繊維強化樹脂製締結具の製造方法であって、前記チョップドシート作製工程は、前記複数のチョップ材を熱可塑性樹脂フィルムの少なくとも一方の面に分散させた状態で含浸させることにより前記チョップドシートを作製するのが好ましい。

　この場合、複数のチョップ材を熱可塑性樹脂フィルムの少なくとも一方の面に分散させた状態で含浸させることにより、チョップドシートを容易に作製することが可能である。また、作製後のチョップドシートからチョップ材が分離するおそれも低減する。

　上記の繊維強化樹脂製締結具の製造方法であって、前記チョップドシート作製工程の後において、前記チョップドシートを前記チョップ材よりも大きい所定の大きさに細断するチョップドシート細断工程をさらに含み、前記投入工程において、細断された前記チョップドシートを前記金型の内部に詰め込むのが好ましい。

　かかる製造方法では、チョップ材よりも大きい所定の大きさに細断されたチョップドシートを金型の内部に詰め込むので、チョップドシートを金型の内部に詰め込む前に丸めたり変形する別作業が不要になり、金型への投入が容易である。それとともに、チョップ材のままの状態で金型に投入するよりも金型の空間部において均一に分散させることが可能である。その結果、量産性がより一層優れる。

　上記の繊維強化樹脂製締結具の製造方法であって、前記チョップ材に含まれる前記強化繊維の繊維長は、５～１００ｍｍであるのが好ましい。この範囲内であれば、締結具の高い強度を確保することが可能である。

　上記の繊維強化樹脂製締結具の製造方法であって、前記チョップ材における前記熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維の体積含有率は、３０～８０％であるのが好ましい。この範囲内であれば、締結具の高い強度および賦形性を確保することが可能である。

　本実施形態にかかる繊維強化樹脂製締結具は、熱可塑性樹脂と、配向が特定されない状態で前記熱可塑性樹脂に含浸されている強化繊維とで形成された繊維強化樹脂製締結具であって、前記強化繊維の繊維長は、５～１００ｍｍの範囲内であり、前記熱可塑性樹脂における前記強化繊維の体積含有率は、３０～８０％の範囲内であることを特徴とする。

　上記の締結具では、強化繊維の配向が特定されない状態、すなわち強化繊維が長繊維を有する状態で熱可塑性樹脂に含浸されており、しかも、強化繊維における条件として、繊維長が５～１００ｍｍの範囲内であり、かつ、前記熱可塑性樹脂における体積含有率が３０～８０％の範囲内であるので、量産性に優れ、かつ高い強度を有する。

　本実施形態にかかる繊維強化樹脂製締結具の製造方法および繊維強化樹脂製締結具によれば、量産性に優れ、かつ高い強度の締結具を製造することができる。

Claims

　繊維強化樹脂製の締結具の製造方法であって、
　開繊した強化繊維が所定の方向に配向した状態で熱可塑性樹脂に含浸された繊維強化樹脂シートが所定の大きさに細断された複数のチョップ材を準備する準備工程と、
　前記複数のチョップ材を金型の内部に投入する投入工程と、
　前記金型を加熱した状態で前記金型内部の前記チョップ材を加圧することにより、前記締結具の形状に成形する加圧工程と
を含む繊維強化樹脂製締結具の製造方法。
　前記準備工程の後において、前記複数のチョップ材を平面的に並べて合体したチョップドシートを作製するチョップドシート作製工程をさらに含み、
　前記投入工程において、前記チョップドシートを前記金型の内部に詰め込む、
　請求項１に記載の繊維強化樹脂製締結具の製造方法。
　前記チョップドシート作製工程は、前記複数のチョップ材を熱可塑性樹脂フィルムの少なくとも一方の面に分散させた状態で含浸させることにより前記チョップドシートを作製する
　請求項２に記載の繊維強化樹脂製締結具の製造方法。
　前記チョップドシート作製工程の後において、前記チョップドシートを前記チョップ材よりも大きい所定の大きさに細断するチョップドシート細断工程をさらに含み、
　前記投入工程において、細断された前記チョップドシートを前記金型の内部に詰め込む、
請求項２または３に記載の繊維強化樹脂製締結具の製造方法。
　前記チョップ材に含まれる前記強化繊維の繊維長は、５～１００ｍｍである、
請求項１～４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂製締結具の製造方法。
　前記チョップ材における前記熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維の体積含有率は、３０～８０％である、
請求項１～５のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂製締結具の製造方法。
　熱可塑性樹脂と、配向が特定されない状態で前記熱可塑性樹脂に含浸されている強化繊維とで形成された繊維強化樹脂製締結具であって、
　前記強化繊維の繊維長は、５～１００ｍｍの範囲内であり、
　前記熱可塑性樹脂における前記強化繊維の体積含有率は、３０～８０％の範囲内である、
ことを特徴とする繊維強化樹脂製締結具。