JP5797496B2 - 樹脂板材の結合構造および樹脂板材の結合方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材を複数枚重ね合わせて熱溶着部で結合する樹脂板材の結合構造および樹脂板材の結合方法に関する。

繊維強化樹脂の板材を重ね合わせて結合する従来の手法として、結合部の樹脂を加熱溶融して溶着するものや、結合部に形成した孔を貫通するボルトやリベットを用いるものが知られている。

また炭素繊維で補強した２枚の熱可塑性樹脂の板材の端縁部どうしを重ね合わせ、その部分に電流を流して抵抗溶着する際に、前記端縁部における炭素繊維の配向方向を熱可塑性樹脂の板材の厚さ方向に設定することで電気抵抗を増加させ、発熱量の増加により確実な溶着を可能にするものが、下記特許文献１により公知である。

特許第４２８９４２６号公報

ところで、結合部の樹脂を加熱溶融して溶着する従来の手法では、２枚の熱可塑性樹脂の板材を剥離させる荷重が作用した場合に、せっかくの繊維が剥離強度の向上に殆ど寄与しないために、熱可塑性樹脂の板材が接合面から容易に剥離してしまう問題があった。

またボルトやリベットを用いる従来の手法では、熱可塑性樹脂にボルト孔やリベット孔を形成する必要があるため、加工工数が増加してコストアップの要因になるだけでなく、ボルト孔やリベット孔に応力が集中したり、ボルト孔やリベット孔の加工時に熱可塑性樹脂と繊維とが剥離したりして強度低下の原因となる問題があった。

また上記特許文献１のものは、熱可塑性樹脂の板材の端縁部における炭素繊維の配向方向を、その他の部分における炭素繊維の配向方向と異ならせる必要があるため、製造工程が複雑化してコストアップの要因になるだけでなく、配向方向が切り換わる部分で炭素繊維が不連続になって強度が局部的に低くなり、その部分が破断する可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材を複数枚重ね合わせて熱溶着部で結合する際の強度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材よりなる第１，第２部材を２枚重ね合わせて熱溶着部で相互に結合する樹脂板材の結合構造であって、前記第１，第２部材はアンダーカット部を有する前記熱溶着部において断面Ｕ字状に屈曲しており、前記熱溶着部において、前記第１，第２部材の２層をなす前記連続繊維シートは各々破断することなく連続して、該熱溶着部に対する剪断荷重の作用方向と直交するように断面Ｕ字状に屈曲し、且つ剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うアンダーカット形状を有することを特徴とする樹脂板材の結合構造が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１，第２部材が前記熱溶着部で相互に結合されて、自動車のバンパービームの車幅方向端部から後上方に延びる閉断面のロアメンバが構成されることを特徴とする樹脂板材の結合構造が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材を連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材よりなる第１，第２部材を２枚重ね合わせ、軸対称なカップ状であってアンダーカット部を有する熱溶着部で結合する樹脂板材の結合方法であって、２枚重ね合わせた前記第１，第２部材の熱溶着する部分を予備加熱する工程と、予備加熱した前記部分をパンチおよび２分割されたダイでプレス加工して前記熱溶着部を得るプレス工程とを含み、前記プレス工程では、前記第１，第２部材の前記熱可塑性樹脂及び２層の前記連続繊維シートが前記パンチでカップ状に引き伸ばされることにより、該２層の連続繊維シートは各々破断することなく連続して、前記熱溶着部に対する剪断荷重の作用方向と直交するように断面Ｕ字状に屈曲すると共に、該パンチ及び互いに接近する前記２分割されたダイの相互間で、該２層の連続繊維シートに、前記熱溶着部に対する剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うアンダーカット形状が形成されることを特徴とする樹脂板材の結合方法が提案される。

請求項１の構成によれば、連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材よりなる第１，第２部材を２枚重ね合わせて熱溶着部で相互に結合する樹脂板材の結合構造において、第１，第２部材はアンダーカット部を有する前記熱溶着部において断面Ｕ字状に屈曲しており、前記熱溶着部において、第１，第２部材の２層をなす連続繊維シートは各々破断することなく連続して、熱溶着部に対する剪断荷重の作用方向と直交するように断面Ｕ字状に屈曲しており、且つ剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うアンダーカット形状を有しているので、第１，第２部材を異なる方向に引っ張って熱可塑性樹脂どうしの熱溶着部に剪断荷重が加わったとき、あるいは第１，第２部材を相互に引き剥がす剥離荷重が加わったとき、熱溶着部のアンダーカット部において２層の連続繊維シートが剥離荷重の作用方向で相互に噛み合い、かつ熱溶着部において２層の連続繊維シートが剪断力の方向に対して直交する方向に延びていることで、単に平坦な板材の樹脂どうしを熱溶着する場合に比べて剪断荷重や剥離荷重に対する強度を高めることができる。即ち、断面Ｕ字状の熱溶着部において２層の連続繊維シートが各々破断することなく連続して剪断力の方向と直交する方向に延びるため、剪断力による２層の熱可塑性樹脂の剥がれを防止して接合部の強度を高めることができ、また同熱溶着部において剥離荷重が作用したとき熱溶着部のアンダーカット部において２層の連続繊維シートが、各々破断することなく連続して剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うため、剥離荷重による２層の熱可塑性樹脂の剥がれを防止して接合部の強度を更に高めることができる。

しかも第１，第２部材にボルト孔やリベット孔を形成する必要がないため、加工工数が節減されてコストダウンに寄与することができるだけでなく、ボルト孔やリベット孔に応力が集中したり、ボルト孔やリベット孔の加工時に熱可塑性樹脂と連続繊維シートとが剥離したりして強度低下の原因となるのを防止することができる。

また請求項２の構成によれば、板材よりなる第１，第２部材は、熱溶着部で結合されて閉断面の部材を構成するので、閉断面による強度向上と相まって極めて強度の高い部材、即ち自動車のロアメンバを得ることができる。

また請求項３の構成によれば、連続繊維シートを埋設した熱可塑性樹脂の板材よりなる第１，第２部材を２枚重ね合わせて熱溶着部で結合する際に、２枚重ね合わせた前記第１，第２部材の熱溶着する部分を予備加熱し、その予備加熱した前記部分をパンチおよび２分割されたダイでプレス加工して、軸対称なカップ状であってアンダーカット部を有する前記熱溶着部を得るプレス工程とを含み、前記プレス工程では、第１，第２部材の熱可塑性樹脂及び２層の連続繊維シートがパンチでカップ状に引き伸ばされることにより、該２層の連続繊維シートは各々破断することなく連続して、熱溶着部に対する剪断荷重の作用方向と直交するように断面Ｕ字状に屈曲すると共に、パンチ及び互いに接近する２分割ダイの相互間で、該２層の連続繊維シートに、熱溶着部に対する剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うアンダーカット形状が形成されるので、第１，第２部材を異なる方向に引っ張って熱可塑性樹脂どうしの熱溶着部に剪断荷重が加わったとき、あるいは第１，第２部材を相互に引き剥がす剥離荷重が加わったとき、熱溶着部のアンダーカット部において２層の連続繊維シートが剥離荷重の作用方向で相互に噛み合い、かつ熱溶着部において２層の連続繊維シートが剪断力の方向に対して直交する方向に延びていることで、単に平坦な板材の樹脂どうしを熱溶着する場合に比べて剪断荷重や剥離荷重に対する強度を高めることができる。即ち、カップ状の熱溶着部において２層の連続繊維シートが各々破断することなく連続して剪断力の方向と直交する方向に延びるため、剪断力による２層の熱可塑性樹脂の剥がれを防止して接合部の強度を高めることができ、また同熱溶着部において剥離荷重が作用したとき熱溶着部のアンダーカット部において２層の連続繊維シートが、各々破断することなく連続して剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うため、剥離荷重による２層の熱可塑性樹脂の剥がれを防止して接合部の強度を更に高めることができる。

しかも第１，第２部材にボルト孔やリベット孔を形成する必要がないため、加工工数が節減されてコストダウンに寄与することができるだけでなく、ボルト孔やリベット孔に応力が集中して強度低下の原因となるのを防止することができる。また熱溶着部は軸対称なカップ状であってアンダーカット部を有するので、任意の方向の引張剪断荷重や剥離荷重に対して均等かつ高い強度を得ることができる。しかもダイは２分割されているので、熱溶着部がアンダーカット部を有していても容易に型抜きを行うことができる。

自動車の車体前部のフレーム構造を示す斜視図。 図１の２−２線断面図。 熱溶着部を加工する金型の斜視図。 熱溶着工程の作用説明図。

以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、自動車の車体前部には前後方向に延びる左右一対のフロントサイドフレーム１１，１１が配置される。またフロントサイドフレーム１１，１１の車幅方向外側において、左右一対のフロントピラー１２，１２の前端から左右一対のアッパーメンバ１３，１３が前下方に延びており、左右一対のアッパーメンバ１３，１３の前端から左右一対のロアメンバ１４，１４が前下方に延びている。従って、ロアメンバ１４，１４、アッパーメンバ１３，１３およびフロントピラー１２，１２は、前下方から後上方に向かって直列に接続される。

各フロントサイドフレーム１１の前端に箱状の衝撃吸収部材１５が接続されており、この衝撃吸収部材１５の車幅方向外面にロアメンバ１４の前半部の車幅方向内面が接続される。車幅方向中央部が前方に向かって弧状に湾曲するバンパービーム１６の車幅方向両端部が、衝撃吸収部材１５の前面とロアメンバ１４の前端部の車幅方向内面とに接続される。

車幅方向に延びるアッパービーム１７と、車幅方向に延びるロアビーム１８と、上下方向に延びる左右一対のサイドメンバ１９，１９とで構成される枠状のフロントバルクヘッド２０が、そのサイドメンバ１９，１９の上下方向中間部を衝撃吸収部材１５，１５の車幅方向内面に接続することで、バンパービーム１６の後方に支持される。バンパービーム１６に前面はバンパーフェイス２１で覆われる。

フロントサイドフレーム１１，１１、フロントピラー１２，１２およびアッパーメンバ１３，１３は金属製の部材であるが、ロアメンバ１４，１４、衝撃吸収部材１５，１５、バンパービーム１６、フロントバルクヘッド２０およびバンパーフェイス２１は繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の部材である。

図２に示すように、ロアメンバ１４はハット状断面の第１部材２２と、平板状の第２部材２３とで構成される。第１部材２２は底壁２２ａと、一対の側壁２２ｂ，２２ｂと、一対のフランジ２２ｃ，２２ｃとを備えており、第２部材２３の一対の縁部２３ａ，２３ａが第１部材２２の一対のフランジ２２ｃ，２２ｃに重ね合わされ、その重ね合わせ部が第１部材２２および第２部材２３の長手方向に所定間隔で配置された複数の熱溶着部２４…で熱溶着されて四角閉断面に構成される。

第１部材２２および第２部材２２は、ガラス繊維やカーボン繊維の織布から成る連続繊維シート２５と、連続繊維シート２５を挟み込むように埋設するポリプロピレン等の熱可塑性樹脂２６の板材とで構成される。

熱溶着部２４は、例えば縁部２３ａ側からフランジ２２ｃ側に突出する軸対称なカップ形状を有しており、その熱可塑性樹脂２６は引き伸ばされることで熱溶着部２４以外の部分に対して厚さが減少している。連続繊維シート２５は熱溶着部２４において破断することなく連続していて、断面Ｕ字状に屈曲する。熱溶着部２４は、その開口部側の直径に対して底部側の直径が若干拡大している。つまり、熱溶着部２４はアンダーカット形状を有している。

図３に示すように、熱溶着部２４を加工する金型２７は、パンチ２８および２分割されたダイ２９，３０で構成される。パンチ２８の下面には下向きに突出する凸部２８ａが形成され、凸部２８の中間部には環状溝２８ｂが形成される。一方、２分割されたダイ２９，３０は、金型２７の開閉方向（熱溶着部２４の軸方向）に直交する方向に開閉可能である。２分割されたダイ２９，３０の内部には各々半円筒状の凹部２９ａ，３０ａが形成されており、凹部２９ａ，３０ａの上端には直径が縮小する縮径部２９ｂ，３０ｂが形成される。金型２７の内部には図示せぬヒータが埋設されており、その表面温度を所定温度に加熱することができる。

次に、第１部材２２のフランジ２２ｃおよび第２部材２３の縁部２３ａを重ね合わせて熱溶着する工程を説明する。

先ず、第１部材２２のフランジ２２ｃおよび第２部材２３の縁部２３ａを重ね合わせ、熱溶着する部分をＩＲヒータ（遠赤外線ヒータ）やレーザーにより予備加熱する。続いて、金型２７の一対のダイ２９，３０を開いた状態で、その上面に第１部材２２のフランジ２２ｃおよび第２部材２３の縁部２３ａを重ね合わせたものを載置する（図４（Ａ）参照）。そして金型２７のパンチ２８およびダイ２９，３０を加熱した状態でパンチ２８を下降させ、パンチ２８の凸部２８ａを一対のダイ２９，３０の凹部２９ａ，３０ａ間に挿入する（図４（Ｂ）参照）。その結果、第１部材２２のフランジ２２ｃおよび第２部材２３の縁部２３ａの熱可塑性樹脂２６，２６および連続繊維シート２５，２５がパンチ２８の凸部２８ａによってカップ状に引き伸ばされる。

続いて、一対のダイ２９，３０を相互に接近させながらパンチ２８を更に下降させると、カップ状の熱溶着部２４の外表面がダイ２９，３０により成形され、内表面がパンチ２８により成形される（図４（Ｃ）参照）。このとき、ダイ２９，３０の凹部２９ａ，３０ａの上端の縮径部２９ｂ，３０ｂとパンチ２８の凸部２８ａの環状溝２８ｂとにより、熱溶着部２４の外表面にアンダーカット部２４ａ（図２参照）が形成されるとともに、熱溶着部２４の内表面にアンダーカット部２４ｂ（図２参照）が形成される。

続いて、一対のダイ２９，３０を相互に離反する方向に型開きするとともに、パンチ２８を一対のダイ２９，３０から離反する方向に型開きすることで熱溶着部２４を金型２７から分離する（図４（Ｄ）参照）。このとき、２分割されたダイ２９，３０によって熱溶着部２４の外表面のアンダーカット部２４ａの離型が可能になる。またパンチ２８の環状溝２８ｂ内に突出する熱溶着部２４の内表面のアンダーカット部２４ｂは、熱溶着部２４が完全に冷却固化する前にパンチ２８を引く抜くことで離型が可能になる。

以上のように、本実施の形態の熱溶着部２４は、第１部材２２のフランジ２２ｃおよび第２部材２３の縁部２３ａを単に重ね合わせて熱可塑性樹脂２６，２６どうしを相互に熱溶着したものに比べて、接合強度が大幅に向上する。即ち、第１部材２２のフランジ２２ｃおよび第２部材２３の縁部２３ａに相互に逆方向の引っ張り荷重Ｆ１，Ｆ１が作用したとき（図２参照）、カップ状の熱溶着部２４を持たない従来のものでは、２層の熱可塑性樹脂２６，２６の接触面の熱溶着が剪断力によって剥がれやすくなるが、本実施の形態ではカップ状の熱溶着部２４において２層の連続繊維シート２５，２５が断面Ｕ字状に屈曲していて剪断力の方向と直交する方向に延びるため、剪断力による２層の熱可塑性樹脂２６，２６の剥がれを防止して接合部の強度を高めることができる。

また２層の熱可塑性樹脂２６，２６を引き剥がすような剥離荷重Ｆ２，Ｆ２が作用したとき（図２参照）、カップ状の熱溶着部２４のアンダーカット部２４ａ，２４ｂにおいて２層の連続繊維シート２５，２５が、剥離荷重Ｆ２，Ｆ２の作用方向で相互に噛み合うため、剥離荷重Ｆ２，Ｆ２による２層の熱可塑性樹脂２６，２６の剥がれを防止して接合部の強度を高めることができる。

このように、本実施の形態によれば、熱溶着部２４において連続繊維シート２５が剪断力の方向に対して直交する方向に延びているため、単に平坦な板材の樹脂どうしを熱溶着する場合に比べて剪断荷重や剥離荷重に対する強度を高めることができる。しかもフランジ２２ｃおよび縁部２３ａにボルト孔やリベット孔を形成する必要がないため、加工工数が節減されてコストダウンに寄与することができるだけでなく、ボルト孔やリベット孔に応力が集中して強度低下の原因となるのを防止することができる。特に、熱溶着部２４は軸対称なカップ状であるので、任意の方向の引張剪断荷重や剥離荷重に対して均等な強度を得ることができる。

また第１部材２２および第２部材２３を熱溶着部２４…で熱溶着して閉断面のロアメンバ１４を構成するので、閉断面による強度向上と熱溶着部２４による強度向上とが相まって極めて強度の高いロアメンバ１４を得ることができる
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、実施の形態の熱溶着部２４はカップ状に形成されているが、Ｕ字状の断面を有して線状に延びる熱溶着部に対しても適用することができる。

また実施の形態の連続繊維シートは織布で構成されているが、長繊維が相互に絡み合った不織布であっても良い。

また実施の形態では２枚の板材を結合しているが、本発明は３枚以上の板材を結合する部分にも適用することができる。

また実施の形態では本発明を自動車のロアメンバ１４に適用しているが、それを自動車のバンパービーム１６や他の任意の部材に適用することができる。

１４ ロアメンバ
１６ バンパービーム
２２ 第１部材（板材）
２３ 第２部材（板材）
２４ 熱溶着部
２４ａ アンダーカット部
２４ｂ アンダーカット部
２５ 連続繊維シート
２６ 熱可塑性樹脂
２８ パンチ
２９ ダイ
３０ ダイ

Claims (3)

1. 連続繊維シート（２５）を埋設した熱可塑性樹脂（２６）の板材よりなる第１，第２部材（２２，２３）を２枚重ね合わせて熱溶着部（２４）で相互に結合する樹脂板材の結合構造であって、
   前記第１，第２部材（２２，２３）はアンダーカット部（２４ａ，２４ｂ）を有する前記熱溶着部（２４）において断面Ｕ字状に屈曲しており、
   前記熱溶着部（２４）において、前記第１，第２部材（２２，２３）の２層をなす前記連続繊維シート（２５）は各々破断することなく連続して、該熱溶着部（２４）に対する剪断荷重の作用方向と直交するように断面Ｕ字状に屈曲し、且つ剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うアンダーカット形状を有することを特徴とする樹脂板材の結合構造。
2. 前記第１，第２部材（２２，２３）が前記熱溶着部（２４）で相互に結合されて、自動車のバンパービーム（１６）の車幅方向端部から後上方に延びる閉断面のロアメンバ（１４）が構成されることを特徴とする、請求項１に記載の樹脂板材の結合構造。
3. 連続繊維シート（２５）を埋設した熱可塑性樹脂（２６）の板材よりなる第１，第２部材（２２，２３）を２枚重ね合わせ、軸対称なカップ状であってアンダーカット部（２４ａ，２４ｂ）を有する熱溶着部（２４）で結合する樹脂板材の結合方法であって、
   ２枚重ね合わせた前記第１，第２部材（２２，２３）の熱溶着する部分を予備加熱する工程と、
   予備加熱した前記部分をパンチ（２８）および２分割されたダイ（２９，３０）でプレス加工して前記熱溶着部（２４）を得るプレス工程とを含み、
   前記プレス工程では、前記第１，第２部材（２２，２３）の前記熱可塑性樹脂（２６）及び２層の前記連続繊維シート（２５）が前記パンチ（２８）でカップ状に引き伸ばされることにより、該２層の連続繊維シート（２５）は各々破断することなく連続して、前記熱溶着部（２４）に対する剪断荷重の作用方向と直交するように断面Ｕ字状に屈曲すると共に、該パンチ（２８）及び互いに接近する前記２分割されたダイ（２９，３０）の相互間で、該２層の連続繊維シート（２５）に、前記熱溶着部（２４）に対する剥離荷重の作用方向で相互に噛み合うアンダーカット形状が形成されることを特徴とする樹脂板材の結合方法。

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