JP6318977B2 - 部品結合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品結合体の製造方法に関する。

下記特許文献１には、部品製造技術が開示されている。この部品製造技術では、金属板に炭素繊維強化樹脂シートが重合わされ、プレス加工により金属板と炭素繊維強化樹脂シートとが一体的に成形されている。

特開２０１３−２１２６０３号公報

上記部品製造技術では、プレス加工により金属板と炭素繊維強化樹脂シートとが一体的に貼合わされているだけなので、両者の結合強度の点において、改善の余地があった。

本発明は上記事実を考慮し、繊維が設けられた樹脂製の部品を含む部品同士の結合強度を向上させることができる部品結合体の製造方法を得ることが目的である。

請求項１に記載された発明に係る部品結合体の製造方法は、孔が形成された第１部品に、繊維が一方向に配向されたシート状の樹脂材料を繊維の配向の方向を変えて複数枚重合わせて形成された第２部品を重合わせる工程と、第１部品側へ第２部品を加圧成形することにより、孔内に樹脂材料を流動させて孔内壁に抜止め形状を有するボス部を形成し、第１部品と第２部品とを結合する工程と、を備えている。

請求項１に係る部品結合体の製造方法では、まず第１部品に第２部品が重合わされる。第１部品には孔が形成されている。第２部品は繊維が一方向に配向されたシート状の樹脂材料を繊維の配向の方向を変えて複数枚重合わせて形成されている。次に、第１部品側へ第２部品が加圧成形される。これにより、孔内に第２部品の樹脂材料が流動して、孔内に抜止め形状を有するボス部が形成されるので、第１部品と第２部品とが結合される。

ここで、第２部品は繊維が一方向に配向されたシート状の樹脂材料を繊維の配向の方向を変えて複数枚重合わせて形成されている。加圧成形により、孔内に樹脂材料が流動されると、繊維が多方向に配向されたボス部が形成される。このため、強度の異方性が小さいボス部を形成することができ、強度を向上させたボス部を形成することができる。

請求項１に記載された発明に係る部品結合体の製造方法は、繊維が設けられた樹脂製の部品を含む部品同士の結合強度を向上させることができるという優れた効果を有する。

第１実施の形態に係る部品結合体が適用された車両のフロントサイドドアを車室内側から見た側面図である。 図１に示される部品結合体を車両下方側から見た断面図（図１の領域Ａ、領域Ｂ又は領域Ｃにおける断面図）である。 第１実施の形態に係る部品結合体の製造方法を説明する第１工程断面図である。 第２工程断面図である。 比較例に係る部品結合体の製造方法を説明する工程断面図である。 第２実施の形態に係る部品結合体の図２に対応する断面図である。

［第１実施の形態］
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１実施の形態に係る部品結合体の製造方法を部品結合体と併せて説明する。なお、図中、適宜示されている矢印ＦＲは本実施の形態が適用された自動車の車両前方向を示し、矢印ＩＮは車両幅方向内側を示している。また、矢印ＵＰは車両上方向を示している。なお、自動車等の車体に対する部品同士の結合方法及び部品同士の結合構造の適用方向が本実施の形態により限定されるものではない。

（サイドドアの構成）
図１に示されるように、本実施の形態に係る部品結合体３０が適用された４ドアタイプ（又は２ドアタイプ）の自動車のフロントサイドドア１０は、ドア本体１２と、ドア本体１２の上部に設けられたドアフレーム１４とを備えている。フロントサイドドア１０は車体側部を構成している。

ドア本体１２は、ドアアウタパネル２０と、ドアアウタパネル２０よりも車幅方向内側に設けられたドアインナパネル２２とを備えている。ドアアウタパネル２０とドアインナパネル２２との間のドア本体１２内部にドアガラス１６を昇降させる図示省略のウインドレギュレータ等が収容されている。フロントサイドドア１０にはドア本体１２の上縁（ドアベルトモールディング）１２Ａとドアフレーム１４の内周縁１４Ａとにより周囲が囲まれた窓開口１８が形成されている。窓開口１８はドアガラス１６の昇降により開閉可能とされている。また、ドアインナパネル２２の車両前方側には上下各々に開口部２８Ａ及び開口部２８Ｂが設けられ、車両後方側には上下各々に開口部２８Ｃ及び開口部２８Ｄが設けられている。

（部品結合体）
本実施の形態に係る部品結合体３０は、図１に示されるドア本体１２のドアインナパネル２２において、領域Ａのヒンジ取付部、領域Ｂのインサート成形部、領域Ｃのドアロック部の少なくとも１箇所に適用されている。図２に示されるように、ドアインナパネル２２は、第１部品２４と、第１部品２４よりも車幅方向内側に重合わされて設けられた第２部品２６とを備えている。そして、第１部品２４と第２部品２６とが結合され、この結合に本実施の形態に係る部品結合体３０が適用されている。

適用される箇所により形状が異なるが、図２に示されるように、第１部品２４は、車両前後方向及び車両上下方向に延在された板状の部品本体２４Ａを備えている。例えば図１に示される領域Ａのヒンジ取付部では、図示を省略したフロントピラー（Ａピラー）に対してフロントサイドドア１０を開閉させるヒンジ等が第１部品２４に取付けられる構成とされている。第１部品２４は、鉄等の金属材料、アルミニウム等の軽金属材料、又はこれらの合金材料により形成されている。

第１部品２４において、部品本体２４Ａの部品同士を結合させる部位には孔２４Ｂが設けられている。孔２４Ｂは、部品本体２４Ａの第２部品２６側の表面（車室内側の表面）から対向する裏面（車室外側の表面）へ貫通され、かつ孔幅（又は孔内径）が部品本体２４Ａの厚さ方向に同一とされた貫通孔により形成されている。車両側面視における図示を省略しているが、孔２４Ｂは車両上下方向に沿って延在されている。また、孔２４Ｂは車両上下方向に沿って一定間隔で複数設けられてもよい。

第２部品２６は、車両前後方向及び車両上下方向に沿って延在された板状の部品本体２６Ａを備えている。部品本体２６Ａにおいて、孔２４Ｂに対応する位置が部品同士を結合する部位とされ、この部位にボス部２６Ｂが一体に設けられている。ボス部２６Ｂは、部品本体２６Ａの第１部品２４側の表面から孔２４Ｂ内に突出され、孔２４Ｂの内壁に密着されると共に、孔２４Ｂ内に埋設されている。更に、本実施の形態では、ボス部２６Ｂの突出方向の先端部２６Ｃが第１部品２４の部品本体２４Ａの裏面に沿って少なくとも車両前後方向へ張出した構成とされている。つまり、ボス部２６Ｂは、底面視においてＴ字状とされ、孔２４Ｂからの抜けを防止する抜け防止形状を有している。ボス部２６Ｂが孔２４Ｂに結合されることによって、第２部品２６が第１部品２４に結合されている。

第２部品２６の部品本体２６Ａは、繊維２６Ｆが多方向に配向され、更に繊維２６Ｆの密度が均等とされた樹脂材料２６Ｒによって形成されている。そして、ボス部２６Ｂ全体が、繊維２６Ｆが多方向に配向されると共に、繊維２６Ｆの密度が均等とされた樹脂材料２６Ｒによって形成されている。ここで、繊維２６Ｆが多方向に配向されるとは、繊維２６Ｆの配向が一方向ではなく三次元的に複数方向に配向され、繊維２６Ｆの配向に方向性を持たないということである。また、繊維２６Ｆの密度が均等であるとは、樹脂材料２６Ｒの単位体積当たりに設けられた繊維２６Ｆの含有量のばらつきが何処の部位でも１０％以内の範囲内とされ、繊維２６Ｆの含有量のばらつきが小さいことである。ここで、繊維２６Ｆの含有量のばらつきは２０％以内であれば、密度が均等の範疇として扱うことが可能である。

繊維２６Ｆが設けられた樹脂材料２６Ｒは一般的に複合材と称されている。詳しく説明すると、複合材は、樹脂材料２６Ｒとして熱可塑性樹脂材料が使用され、この熱可塑性樹脂材料に繊維２６Ｆとして炭素繊維（CF：Carbon Fiber）が設けられた炭素繊維強化プラスチック（CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastic）である。炭素繊維強化プラスチックは、強度が高く、かつ例えば金属材料に比べて軽く、ドアインナパネル２２の材料として最適である。また、炭素繊維強化プラスチックは車室内の意匠面（加飾面）としても使用可能である。本実施の形態において、炭素繊維には、１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下の長さを有する短繊維が使用されている。

更に詳しく説明すると、熱可塑性樹脂材料として、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂（例えば、略号PA6、PA66、PA610、PA10T等）、芳香族ポリアミド樹脂、半芳香族ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド（PPS）樹脂、ポリエチレンテレフタラート（PET）樹脂、ポリブチレンテレフタラート（PBT）樹脂、ポリカーボネート樹脂（PC）、アクリル（PMMA）樹脂、ABS樹脂、熱可塑性エポキシ樹脂のいずれかの樹脂材料が使用可能である。熱可塑性樹脂材料に設けられる繊維２６Ｆとして、炭素繊維の他に、ガラス繊維（GF：Glass Fiber）、アラミド繊維、バサルト繊維、竹繊維、鉄等の金属繊維、セルロース繊維、ポリプロピレン繊維（自己補強タイプ）のいずれかの繊維が使用可能である。

また、樹脂材料２６Ｒとして、熱可塑性樹脂材料の他に、熱硬化性樹脂材料が使用可能である。熱硬化性樹脂材料として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂のいずれかの樹脂材料が使用可能である。熱硬化性樹脂材料に設けられる繊維２６Ｆとして、熱可塑性樹脂材料に設けられる繊維と同一の繊維が使用可能である。

（部品同士の結合方法）
本実施の形態に係る部品同士の結合方法は以下の通りである。まず最初に、図３に示されるように、プレス型３２の第１プレス型（上型）３２Ａと第２プレス型（下型）３２Ｂとの間に、第１部品２４及び第２部品が重合わせて配置される。詳しく説明すると、第２プレス型３２Ｂ上に第１部品２４が載置される。第１部品２４は板状の部品本体２４Ａによって形成されており、部品本体２４Ａの部品同士を結合する部位に孔２４Ｂが形成されている。第２プレス型３２Ｂの孔２４Ｂに対応する位置に有底凹部３２Ｄが設けられている。第１部品２４には板状の第２部品２６が載置される。第２部品２６は、前述の通り、繊維２６Ｆが多方向に配向され、かつ繊維２６Ｆの密度が均等な樹脂材料２６Ｒにより形成されている。第２部品２６として、ここでは炭素繊維強化プラスチックが使用され、樹脂材料２６Ｒとしての熱可塑性樹脂材料に繊維２６Ｆとしての炭素繊維が２０体積％〜４０体積％含有されている。更に詳しく説明すると、炭素繊維強化プラスチックは、繊維２６Ｆが一方向に配向された０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有するシート状の樹脂材料を、繊維２６Ｆの配向の方向を変えて、数枚〜数十枚重合わせて形成されている。

次に、予備加熱が行われ、第２部品２６（の樹脂材料２６Ｒ）が予め加熱されて軟化される。予備加熱の加熱温度は３００℃であり、加熱時間は５分である。なお、本実施の形態に係る部品同士の結合方法では、第２部品２６の全体に予備加熱が行われるが、第２部品２６の結合部位となる一部に予備加熱が行われてもよい。

次に、図示を省略したプレス加工機を用いて、図４に示されるように、第１部品２４及び軟化された第２部品２６がプレス型３２に挟込まれ、更にプレス型３２により第１部品２４側へ第２部品２６が加圧成形される。この加圧成形は一般的にシートスタンピング成形と称されている。加圧成形条件（シートスタンピング成形の加工条件）として、プレス型３２の加熱温度が１５０℃、加圧力Ｐが９８００ｋＮ、型保持時間が２分である。加圧成形により、第２部品２６が加圧力Ｐによって加圧されると、第２部品２６の樹脂材料２６Ｒが第１部品２４の孔２４Ｂ内に流動し、更に孔２４Ｂ内を通過して第２プレス型３２Ｂの有底凹部３２Ｄ内に流動する。樹脂材料２６Ｒの流動に伴い、繊維２６Ｆが流動する。樹脂材料２６Ｒ及び繊維２６Ｆは孔２４Ｂの内壁形状及び第２プレス型３２Ｂの有底凹部３２Ｄの輪郭形状に沿ってしっかりと回込んで流動する。孔２４Ｂ内に流動された樹脂材料２６Ｒによって、繊維２６Ｆが多方向に配向され、かつ繊維２６Ｆの密度が均等とされたボス部２６Ｂが第２部品２６と一体に成形される。また、樹脂材料２６Ｒによって、繊維２６Ｆが多方向に配向され、かつ繊維２６Ｆの密度が均等とされた先端部２６Ｃがボス部２６Ｂと一体に成形される。

そして、孔２４Ｂにボス部２６Ｂが結合されるので、第１部品２４と第２部品２６とが結合される。これにより、本実施の形態に係る部品結合体３０の製造方法が終了し、部品結合体３０が完成する。

（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る部品結合体３０の製造方法では、図３に示されるように、まず第１部品２４に第２部品２６が重合わされる。第１部品２４には部品同士を結合する孔２４Ｂが形成されている。第２部品２６は繊維２６Ｆが多方向に配向された樹脂材料２６Ｒによって形成されている。次に、図４に示されるように、第１部品２４側へ第２部品２６が加圧成形される。これにより、孔２４Ｂ内に第２部品２６の樹脂材料２６Ｒが流動して、孔２４Ｂに抜け止め形状を有するボス部２６Ｂが形成されるので、第１部品２４と第２部品２６とが結合される。

ここで、図５には、比較例に係る部品結合体の製造方法を説明する樹脂成形工程における断面が示されている。樹脂注入成形（RTM）法又は射出成形法では、成形金型３６の上型３６Ａと下型３６Ｂとの間に第１部品２４が配置され、上型３６Ａ、下型３６Ｂ及び第１部品２４により形成されたキャビティ内に樹脂材料３４Ｒが注入されて第２部品３４が成形されている。比較例の第１部品２４の構成は本実施の形態の第１部品２４の構成と同一であり、第１部品２４は部品本体２４Ａを備え、部品本体２４Ａに孔２４Ｂが設けられている。一方、比較例の第２部品３４は繊維３４Ｆが設けられた樹脂材料３４Ｒによって形成された部品本体３４Ａを備え、部品本体３４Ａには孔２４Ｂにボス部３４Ｂが形成されている。ボス部３４Ｂの先端部３４Ｄは第１部品２４の裏面に沿って張出した構成とされ、ボス部３４Ｂは抜け防止形状を有する。

比較例に係る製造方法では、上型３６Ａに注入ゲート３６Ｃが設けられている。流動性を有し繊維３４Ｆが設けられた樹脂材料３４Ｒが注入ゲート３６Ｃからキャビティ内に注入され、注入された後に樹脂材料３４Ｒが硬化されると、第１部品２４の孔２４Ｂにボス部３４Ｂが結合された第２部品３４が成形される。キャビティ内に注入直後の樹脂材料３４Ｒはキャビティ内の輪郭形状に沿って流動するため、樹脂材料３４Ｒの流動に伴い繊維３４Ｆが流動すると共に、樹脂材料３４Ｒの流動方向に繊維３４Ｆが配向される。このため、第２部品３４では、部品本体３４Ａ及びボス部３４Ｂの繊維３４Ｆが一定の方向に配向されるので、部品本体３４Ａ及びボス部３４Ｂの強度に異方性が生じる。ここで、強度の異方性とは、ある方向の強度が強く、ある方向の強度が弱い性質である。

比較例に係る製造方法に対して、本実施の形態に係る部品結合体３０の製造方法では、第２部品２６は繊維２６Ｆが多方向に配向された樹脂材料２６Ｒによって形成されている。加圧成形により、孔２４Ｂ内に樹脂材料２６Ｒが流動されると共に、繊維２６Ｆが流動して、ボス部２６Ｂが形成される。このため、繊維２６Ｆが多方向に配向された樹脂材料２６Ｒによってボス部２６Ｂが形成されるので、強度の異方性が小さいボス部２６Ｂを形成することができ、強度を向上させたボス部２６Ｂを形成することができる。従って、本実施の形態に係る製造方法により形成された部品結合体３０では、第１部品２４と第２部品２６との結合強度を向上させることができる。

加えて、図３及び図４に示されるように、ボス部２６Ｂでは、加圧成形により、孔２４Ｂの内壁の形状及び第２プレス型３２Ｂの有底凹部３２Ｄの輪郭形状に沿ってしっかりと樹脂材料２６Ｒ及び繊維２６Ｆを回込むことができる。詳しく説明すると、孔２４Ｂ内に突出され、かつ第１部品２４の裏面に沿って張出した先端部２６Ｃを有するボス部２６Ｂの隅々まで樹脂材料２６Ｒ及び繊維２６Ｆを回込むことができる。図５に示される比較例に係る樹脂注入成形法では、樹脂材料３４Ｒが一定の方向に流動し、複雑な形状の部位において樹脂材料３４Ｒの回込み不足が生じ、ボイド（巣）が生じ易い。例えば、ボス部３４Ｂの先端部３４Ｃに欠落部位が形成される可能性がある。これに対して、本実施の形態に係る部品結合体３０の製造方法では、ボイドの発生を効果的に抑制して、狙い通りの形状によりボス部２６Ｂを形成することができる。このため、本実施の形態に係る部品結合体３０では、ボス部２６Ｂの強度を更に向上させることができる。

また、本実施の形態に係る部品結合体３０の製造方法では、図３及び図４に示されるように、加圧成形により、孔２４Ｂ内に樹脂材料２６Ｒが流動されると共に、繊維２６Ｆが流動して、繊維２６Ｆの密度が均等なボス部２６Ｂが形成される。このため、強度斑を減少させたボス部２６Ｂを形成することができる。詳しく説明すると、ボス部２６Ｂでは、樹脂材料２６Ｒの単位体積当たりに設けられた繊維２６Ｆの含有量のばらつきが小さいので、強度の部分的な脆弱部がない。このため、ボス部２６Ｂの強度の品質を向上させることができる。従って、本実施の形態に係る部品結合体３０では、第１部品２４と第２部品２６との結合強度を更に向上させることができる。

更に、本実施の形態に係る部品結合体３０では、図２に示されるように、ボス部２６Ｂの先端部２６Ｃが第１部品２４の裏面に沿って張出して抜け防止形状とされている。このため、第１部品２４からの第２部品２６の抜け防止効果を高めることができる。

［第２実施の形態］
次に、図６を用いて、本発明の第２実施の形態に係る部品結合体の製造方法を部品結合体と併せて説明する。なお、本実施の形態において、第１実施の形態の構成要素と同一又は同等の構成要素には同一符号を付して、重複する説明は省略する。

（部品結合体）
図６に示される本実施の形態に係る部品結合体４０では、第１実施の形態に係る部品結合体３０と同様に、第１部品２４の孔２４Ｃに第２部品２６のボス部２６Ｄが結合され、第１部品２４と第２部品２６とが結合されている。孔２４Ｃは底面視においてテーパ状とされ、孔２４Ｃの表面側（第２部品２６側）の開口幅（又は開口径）よりも裏面側の開口幅（又は開口径）が大きい構成とされている。ボス部２６Ｄは孔２４Ｃの内壁に密着され、かつ孔２４Ｃの形状に対して反転形状によって形成されている。つまり、ボス部２６Ｄは、部品本体２６Ａ側の幅（又は外径）よりも突出方向先端側の幅（又は外径）が大きい抜け防止形状とされている。

（部品結合体の製造方法）
本実施の形態に係る部品結合体４０の製造方法は、第１実施の形態に係る製造方法と同様である。すなわち、図３に示されるように、第１部品２４に第２部品２６が重合わされる。そして、図４に示されるように、第１部品２４及び第２部品２６が、プレス型３２に挟込まれ、図示省略のプレス加工機により加圧成形される。加圧成形により、第１部品２４の孔２４Ｃ内に第２部品２６の樹脂材料２６Ｒの一部が流動し、流動された樹脂材料２６Ｒによって抜け防止形状を有するボス部２６Ｄが形成される。ボス部２６Ｄでは、樹脂材料２６Ｒの流動に伴い、繊維２６Ｆが多方向に配向されると共に、繊維２６Ｆの密度が均等とされている。

ボス部２６Ｄが形成されると、ボス部２６Ｄは孔２４Ｃに結合されるので、第１部品２４と第２部品２６とが結合される。これにより、本実施の形態に係る製造方法が終了すると共に、部品結合体４０が完成する。

（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る部品結合体４０及びその製造方法では、前述の第１実施の形態に係る部品結合体３０及びその製造方法により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施の形態に係る部品結合体４０及びその製造方法では、第１部品２４の孔２４Ｃがテーパ状とされ、ボス部２６Ｄが孔２４Ｃに対して反転形状とされているので、ボス部２６Ｄが抜け防止形状を有し、孔２４Ｃにボス部２６Ｄが係止される。このため、第１部品２４からの第２部品２６の抜け防止効果を高めることができる。更に、ボス部２６Ｄでは、第１部品２４の裏面に沿って張出す先端部２６Ｃ（図２参照）の構成が無くなるので、構造を簡易とすることができる。更に、部品結合体４０の製造方法においては、第２プレス型３２Ｂの有底凹部３２Ｄが無くなるので、プレス型３２の構造を簡易とすることができる。

［上記実施の形態の補足説明］
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、上記実施の形態では、第１部品が金属材料、軽金属材料又は合金材料とされているが、本発明は、第２部品よりも硬質の樹脂材料や繊維が設けられた樹脂材料によって形成された第１部品を使用してもよい。

また、上記第１実施の形態において、第１部品の裏面側に孔と連結された座ぐり部を設け、第２部品のボス部の先端部を座ぐり部に収まる抜け防止形状としてもよい。更に、本発明では、第１部品、第２部品は、板状に限定されるものではなく、ブロック状であってもよい。

また、上記実施の形態では、自動車のフロントサイドドアに部品結合体及びその製造方法が適用されているが、本発明は、自動車のリアサイドドア、バックドア、フード、ラゲージ、ルーフ等の部品結合体及びその製造方法に適用してもよい。

更に、本発明は、自動車以外の車両や建造物の部品結合体や部品結合体の製造方法に適用してもよい。

３０、４０ 部品結合体
２４ 第１部品
２４Ｂ、２４Ｃ 孔
２６ 第２部品
２６Ｂ、２６Ｄ ボス部
２６Ｒ 樹脂材料
２６Ｆ 繊維

Claims (1)

1. 孔が形成された第１部品に、繊維が一方向に配向されたシート状の樹脂材料を前記繊維の配向の方向を変えて複数枚重合わせて形成された第２部品を重合わせる工程と、
   前記第１部品側へ前記第２部品を加圧成形することにより、前記孔内に前記樹脂材料を流動させて前記孔内壁に抜止め形状のボス部を形成し、前記第１部品と前記第２部品とを結合する工程と、
   を備えた部品結合体の製造方法。