JP2009107408A - クラッシュボックスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形が容易であり、原材料の歩留まり率が高く、少ない積層数で必要な機械的強度を備えることのできる、繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスを提供する。
【解決手段】強化繊維をブレイディング法により筒状に編み上強化繊維編組体３とする。それを扁平に押し潰して扁平強化繊維編組体４とし、それを立体形状に賦形する。立体形状となるように賦形した強化繊維編組体５を成形型１０に入れ注入成形法により強化繊維と樹脂とが一体化した繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材７とする。それを用いてクラッシュボックス９とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、衝突時等に変形し破壊することにより衝撃荷重を吸収して衝撃力を緩和し、乗員の安全を確保するためのクラッシュボックスとその製造方法に関する。

自動車等において、衝突時の荷重を吸収する目的で、構造部材（例えばバンパー）と構造部材（例えば車体フレーム）の間にクラッシュボックスを配置することが行われる（特許文献１、２等参照）。従来、クラッシュボックスにはアルミニウム合金や鋼板のような金属材料が用いられてきたが、ＦＲＰと通称される繊維強化樹脂も軽量であり所要の強度を備えることから、クラッシュボックスの衝撃吸収材として用いることが試みられている。

繊維強化樹脂は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂であるマトリックス樹脂と強化繊維とを一体化したものであり、軽量でかつ強度特性に優れている。用いられる熱硬化性樹脂の例としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、熱可塑性樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等を挙げることができる。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を挙げることができる。また、繊維強化樹脂の１つとして、強化繊維を一方向に引きそろえてシートまたは平織物とし、そこに樹脂を含浸させたものがプリプレグとして知られている。

特開２００３−３１２４０１号公報 特開２００５−２２５３９４号公報

クラッシュボックスは、通常時は自己の姿勢を保持できるだけの所要の機械的強度を持つこと、および設計値を超えた衝撃荷重がかかったときに、その衝撃荷重を吸収しなから変形し破壊することが求められる。従来知られている繊維強化樹脂の一形態であるプリプレグは、それをクラッシュボックスの衝撃吸収材として用いる場合、単層では所要の機械的強度を備えないので、プリプレグの原反から所要の形状に切り出した単シートを、例えば繊維方向を交叉させながら必要枚数だけ積層したものを用意し、それを成形型内で加熱して一体化しながら所要形状に賦形する作業が必要となっている。

そのために、作業量が多いばかりでなく、原反からの切り出しを行うことからプリプレグの余剰分が生じ、歩留まりを悪くしている。さらに、積層体の周囲からはみ出ている強化繊維と樹脂の端部を切断して成形する等の作業も必要となる。また、積層した各プリプレグ層同士では強化繊維が連続していないため、必要な自己保形強度を得るために、本来クラッシュボックスとして必要とする枚数以上の単シートを積層する必要がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、成形が容易であり、原材料の歩留まり率が高く、少ない積層数で必要な機械的強度を備えることのできる、繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスとその製造方法を開示することを課題とする。

請求項１に記載の本発明に係るクラッシュボックスは、繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスであって、前記衝撃吸収材は、ブレイディング法で編み上げた筒状体を扁平に押し潰した強化繊維編組体が立体形状に形状付与されたものであることを特徴とする。このクラッシュボックスにおいて、強化繊維編組体は予め樹脂を含浸させてあるプリプレグであってよい。

請求項２に記載の本発明に係るクラッシュボックスは、繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスであって、前記衝撃吸収材は、ブレイディング法で編み上げた筒状体を扁平に押し潰した強化繊維編組体に樹脂を含浸させた繊維強化樹脂が立体形状に形状付与されたものであることを特徴とする。

請求項１および２に記載の本発明に係るクラッシュボックスでは、衝撃吸収材を構成する強化樹脂編組体は、ブレイディング法で編み上げた筒状体を扁平に押し潰したものであり、多層構成でありながら強化繊維は連続している。そのために、プリプレグから切り出した単シートを積層したものと比較して、より少ない層数で必要な強度が備えられる。また、ブレイディング法で編み上げるときの編組糸の本数や組角度を適宜調整するだけで、同じ立体形状であっても、異なった設計値に対応したクラッシュボックスとすることができる。

請求項３に記載の本発明に係るクラッシュボックスの製造方法は、繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスの製造方法であって、強化繊維をブレイディング法により筒状に編み上げる工程と、編み上げた強化繊維の編組体を扁平に押し潰す工程と、扁平に押し潰した編組体を立体形状に賦形する工程と、注入成形法により強化繊維と樹脂とが一体化した繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材とする工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。立体形状に賦形する工程は、注入成形で用いる型に編組体を入れた状態で行ってもよく、予め賦形したものを成形型に入れるようにしてもよい。

従って、請求項４に記載のクラッシュボックスの製造方法は、請求項３に記載のクラッシュボックスの製造方法であって、予め立体形状に賦形した編組体を成形型に入れ、注入成形法により強化繊維と樹脂とが一体化した繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材とする工程を行うことを特徴とする。

請求項３および４に記載の本発明に係るクラッシュボックスの製造方法では、衝撃吸収材を構成する強化繊維の編組体をブレイディング法で編み上げた筒状体から得るようにしており、より容易にかつ材料の無駄のない状態で、任意の形状の強化繊維編組体を得ることができる。また、ブレイディング時の編組糸の本数や組角度を適宜調整することにより、異なった機械的特性を備えた強化繊維編組体を容易に得ることができる。さらに、編み上げられた筒状体を扁平に押し潰すことにより２層の編組体とすることができ、それを必要に応じてさらに折り畳むことにより、所要の層数の強化繊維編組体を容易に得ることができる。また、得られる強化繊維編組体は繊維切断部がないので、それ以降の、編組体を立体形状に賦形する作業や、賦形後に樹脂注入成形型に入れる作業を無駄なく容易に行うことができる。

本発明において、強化繊維に限定はないが、好ましくは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、またはそれらを適宜コンビネーションしたものを好適に用いることができる。注入成形法で用いる樹脂も制限はなく、得ようとするクラッシュボックスに求められる物性値に応じて適宜の樹脂を選択して用いる。例として、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂があげられる。なかでも、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂は、特に適している。

本発明で用いる成形型は、上型と下型の双方が得ようとするクラッシュボックスの形状に一致したキャビティ空間を持つリジットな金型あるいはプラスチック型であることが好ましいが、真空成形を行う場合には、下型または上型の一方がリジットな金型あるいはプラスチック型とし、他方の型は可撓性を備えたフィルムやシートであってもよい。

また、扁平に押し潰した強化繊維編組体を立体形状に賦形するときは、得ようとするクラッシュボックスの形状に一致した形状に賦形することが望ましいが、最終的には形成型内で、注入成形法により繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材として成形されるので、編組体の立体形状への賦形は、得ようとするクラッシュボックスの形状にほぼ一致していればよく、賦形は容易である。また、立体形状は、断面がＶ型、Ｗ型、Ｌ型等の角部を持つ形状や、湾曲した滑らかな連続面を持つ形状等、成形型内で樹脂の注入成形を行える形状であれば、任意である。クラッシュボックスに求められる諸物性値を考慮して適宜選択すればよい。

上記のように、本発明によれば、成形が容易であり、原材料の歩留まり率が高く、少ない積層数で必要な機械的強度を備えることのできる、繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスが提供される。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は強化繊維をブレイディング法により筒状に編み上げる状態を説明する図、図２は編み上げられた強化繊維編組体の２つの態様を説明する図、図３は強化繊維編組体のさらに他の例を説明する図である。図４は異なった形状の強化繊維編組体を扁平に押し潰すときの状態を示す図であり、図５は強化繊維編組体を扁平に押し潰すときのさらに他の態様を示している。図６は扁平に押し潰された編組体を立体形状に賦形したときの一例を示し、図７は立体形状に賦形された編組体を成形型に入れ注入成形する一例を示している。図８は本発明によるクラッシュボックスの一例を示す。

本発明によるクラッシュボックス９の製造方法において、最初に、従来知られたブレイディング法により、炭素繊維のような強化繊維を筒状に編み上げる。図１はその一例であり、機械に装着されたマンドレル１に対して強化繊維２を連続して編み込んでいく。マンドレル１の形状は任意であり、その形状に応じた強化繊維編組体３がマンドレル１の周囲に編み込まれる。

図２は、軸方向の断面形状が等しい円である円筒状のマンドレル１を用いて編み上げた後に、マンドレル１を除去した円筒状の強化繊維編組体３の２つの例を示している。図２（ａ）の強化繊維編組体３はブレイディングの構成糸である２本の編組糸を組角度±θで編みこんだ２軸組織であり、図２（ｂ）はそれに０°方向の編組糸（芯糸）を足して編みこんだ３軸組織である。マンドレル形状選択の自由度に加えて、２軸組織とするか３軸組織とするか、あるいは組角度±θをどのような角度とするかを適宜選択することにより、所望の強度を備えた強化繊維編組体３を得ることができ、得ようとするクラッシュボックス９の諸物性値に応じた設計の自由度が大きくなる。また、往復した編み込みを行うことにより、連続した編組糸による多層構造の繊維編組体３を得ることができる。

図３は多層構造を持つ強化繊維編組体３の一例であり、ここでは、折り返し後の編み込み長を順次短くしていくことにより、図３（ａ）に斜視図を、図３（ｂ）に断面図を示すように、一方端から他方端にかけて次第に厚みが増大した形状の強化繊維編組体３ａとしている。図３（ｂ）の断面図に示すように、この強化繊維編組体３ａでは、図で左側から、１層、３層、５層、７層の層構造となっており、すべての層を構成する編組糸は途中で切断することなく連続している。

次の工程で、強化繊維編組体３（３ａ）を扁平に押し潰す。図４（ａ）の例では、円筒状の強化繊維編組体３の例であり、ここでは、図示のように次第に押し潰していくことにより、平面視で長方形である２層構成の扁平強化繊維編組体４ａが得られる。図４（ｂ）は、円形断面が軸方向に次第に大きくなっている円錐柱形状の強化繊維編組体３ｂの例であり、ここでは、押し潰すことにより、平面視で台形状である２層構成の扁平強化繊維編組体４ｂが得られる。図４（ｃ）は、とっくり状をなす強化繊維編組体３ｃの場合であり、これを押し潰すことにより、前半部と後半部で面積が大きく異なる２層構成の扁平強化繊維編組体４ｃが得られる。図５は扁平強化繊維編組体４のさらに他の例であり、ここでは、図４（ａ）に示した平面視長方形である２層構成の扁平強化繊維編組体４ａをさらに２つ折りして４層構成の扁平強化繊維編組体４ｄとし、あるいは３つ折りして６層構成の扁平強化繊維編組体４ｆとしている。このように、最終的なクラッシュボックス９の形状や求められる機械的強度等に応じて、任意の形状の扁平強化繊維編組体４（例えば、４ａ〜４ｆ）を得ることができる。

次に、上記のようにして形成した扁平な強化繊維編組体４を、得ようとするクラッシュボックス９の形状に一致したあるいは近似した形状となるように、立体形状に賦形する。図６は、一例として図４（ａ）に示した平面視台形状である２層構成の扁平強化繊維編組体４ｂを用い、それを適宜の方法で断面Ｗ字形状の立体形状となるように賦形した強化繊維編組体５を示している。なお、図６で６は賦形を容易にするための副え具であって、賦形後は除去される。図示しないが、上記した扁平強化繊維編組体４ａ〜４ｆのいずれに対しても、同様にして賦形処理が行われる。また、図６に示した断面Ｗ字形状の賦形は立体形状の例示であって、賦形後の断面形状は任意である。

次に、図７に示すように、立体形状に賦形した強化繊維編組体５を、雄型１０ａと雌型１０ｂとからなる成形型１０のキャビティ内に入れ、成形型１０を閉じる。そして、定法により、注入成形法による成形処理を行う。すなわち、型を閉じた後、キャビティ内の真空引きを行い、また、その状態で樹脂注入ポート１１からマトリックス用樹脂１２をキャビティ内に供給する。供給されたマトリックス用樹脂１２は強化繊維編組体の繊維間に含浸していく。十分な量の樹脂が供給された時点で、樹脂注入ポート１１を閉じる。

マトリックス用樹脂がエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂の場合には、さらに硬化温度まで昇温し、その温度を保持する。それにより、樹脂は強化繊維との間でマトリックスを組むようにして硬化し、強化繊維と樹脂とが一体化した繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材が形成される。樹脂の硬化終了後、冷却して成形型１０を開き、成形品である繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材７（図８）を取り出す。必要に応じ、図８に示すように、フランジ８、８を取り付ける等の処理を行うことにより、本発明によるクラッシュボックス９が形成される。

強化繊維をブレイディング法により筒状に編み上げる状態を説明する図。 図２（ａ），（ｂ）は編み上げられた強化繊維編組体の２つの態様を説明する図。 強化繊維編組体のさらに他の例を説明する図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は断面図である。 図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は３つの異なった形状の強化繊維編組体を扁平に押し潰すときの状態を示す図。 強化繊維編組体を扁平に押し潰すときのさらに他の態様を示す図。 扁平に押し潰された編組体を立体形状に賦形したときの一例を示す図。 立体形状に賦形された編組体を成形型に入れ注入成形する一例を示す図。 本発明によるクラッシュボックスの一例を示す図。

符号の説明

１…マンドレル、２…強化繊維、３、３ａ、３ｂ、３ｃ…強化繊維編組体、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｆ…扁平強化繊維編組体、５…立体形状となるように賦形した強化繊維編組体、７…繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材、８…フランジ、９…クラッシュボックス、１０…成形型、１１…樹脂注入ポート、１２…マトリックス用樹脂

Claims (4)

1. 繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスであって、前記衝撃吸収材は、ブレイディング法で編み上げた筒状体を扁平に押し潰した強化繊維編組体が立体形状に形状付与されたものであることを特徴とするクラッシュボックス。
2. 繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスであって、前記衝撃吸収材は、ブレイディング法で編み上げた筒状体を扁平に押し潰した強化繊維編組体に樹脂を含浸させた繊維強化樹脂が立体形状に形状付与されたものであることを特徴とするクラッシュボックス。
3. 繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材を備えたクラッシュボックスの製造方法であって、
   強化繊維をブレイディング法により筒状に編み上げる工程と、
   編み上げた強化繊維の編組体を扁平に押し潰す工程と、
   扁平に押し潰した編組体を立体形状に賦形する工程と、
   注入成形法により強化繊維と樹脂とが一体化した繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材とする工程と、
   を少なくとも含むことを特徴とするクラッシュボックスの製造方法。
4. 請求項３に記載のクラッシュボックスの製造方法であって、予め立体形状に賦形した編組体を成形型に入れ、注入成形法により強化繊維と樹脂とが一体化した繊維強化樹脂からなる衝撃吸収材とする工程を行うことを特徴とするクラッシュボックスの製造方法。

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