JP6596895B2

JP6596895B2 - 複合材料成形体

Info

Publication number: JP6596895B2
Application number: JP2015081433A
Authority: JP
Inventors: 武吉田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2035-04-13
Also published as: JP2016198973A

Description

本発明は、インサート部材を備えた複合材料成形体に関する。

上記インサート部材を備えた複合材料成形体としては、発泡コアの表面にＦＲＰ表層を形成した発泡コアＦＲＰ成形品であって、内部にインサートナットを埋設したものが知られている（下記特許文献１）。この成形品では、発泡コアとインサートナットとの間にＦＲＰ内層が設けられ、このＦＲＰ内層がインサートナットに密着するとともにＦＲＰ表層と一体となってインサートナットを強固に固定している。ＦＲＰ内層は、発泡コアとインサートナットとの間にＦＲＰ内層用繊維基材をセットして、この繊維基材に樹脂液を注入する方法により、ＦＲＰ表層と一体化される。

特開平５−２５３９４６号公報

しかしながら、上記成形品は、主たる構成部品として少なくとも４つの部品（具体的には、ＦＲＰ表層用繊維基材、ＦＲＰ内層用繊維基材、発泡コア及びインサートナット）を必要とし、これがコスト高の要因となっていた。また、ＦＲＰ内層用繊維基材は、シート状の素材をインサートナットに適合する形状にカットして作製する必要があり、工程数の増加等による製造コストの増大を招いていた。

本発明の目的は、インサート部材を備えた複合材料成形体の部品点数や製造工程数を削減し、製造コストを抑制することにある。

本発明では、発泡コア層が、一般部を構成する第１発泡体と、該第１発泡体に一体成形されたより高密度の第２発泡体とから構成されており、インサート部材が、第２発泡体に一体成形されている。

本発明によれば、インサート部材が第１発泡体より高い密度を有する第２発泡体に一体成形されているため、インサート部材を第２発泡体によって強固に保持することができる。これにより、上記特許文献１の場合におけるＦＲＰ内層が不要になり、ＦＲＰ内層用の繊維基材を作製する工程も不要になるので、製造コストを抑制することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態にかかる複合材料成形体の構成を示す図であり、（ａ）は、当該複合材料成形体の断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２は、図１の複合材料成形体のコア材の製造方法を説明する図である。図３は、図１の複合材料成形体の製造方法を説明する図である。図４は、本発明の実施形態の変形例にかかる複合材料成形体の構成を示す図であり、（ａ）は、当該複合材料成形体の断面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図５は、図４の複合材料成形体のコア材の製造方法を説明する図である。図６は、図４の複合材料成形体の製造方法を説明する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明における「上」「下」など方向を表す用語は、各部の位置関係を説明するために便宜上定めたものであり、実際の取り付け姿勢等を限定するものではない。

本発明の実施形態にかかる複合材料成形体（以下、成形体Ｍと称する）について、図１を参照して説明する。

図１（ａ）に示すように、成形体Ｍは、第１の表面層１（第１繊維強化樹脂層）と、第２の表面層２（第２繊維強化樹脂層）と、それらに挟まれた発泡コア層３と、インサートブロック４（インサート部材）とを備えている。

第１及び第２の表面層１，２は、それぞれ炭素繊維強化プラスチックからなるシート状の第１及び第２の表皮材１０，２０から構成されている。各表面層１，２の厚さ、即ち、各表皮材１０，２０の厚さは、特に限定されず、成形体Ｍに要求される強度、剛性等に応じて適宜設定できる。自動車等車両の部品として用いられる成形体Ｍであれば、表皮材１０，２０の厚さは、例えば、０．４〜５．０ｍｍ程度に設定される。なお、表皮材１０，２０は、同一の繊維強化プラスチックから構成してもよいし、要求される強度、剛性、成形時の賦形性等に応じて、互いに異なる繊維強化プラスチックから構成してもよい。

発泡コア層３は、発泡コア層３の一般部を構成する低密度発泡体３１（第１発泡体）と、低密度発泡体３１に一体成形された高密度発泡体３２（第２発泡体）とから構成されている。発泡コア層３の厚さ、即ち、低密度発泡体３１及び高密度発泡体３２の厚さは、特に限定されず、成形体Ｍに要求される強度、剛性等に応じて適宜設定できる。自動車等車両の部品として用いられる成形体Ｍであれば、両発泡体３１，３２の厚さは、例えば、４．０〜５０．０ｍｍ程度に設定される。

低密度発泡体３１及び高密度発泡体３２は、互いに密度の異なる発泡ポリエチレンから構成される。低密度発泡体３１の比重は、例えば、０．０３以上０．２５未満である。高密度発泡体３２は、低密度発泡体３１より高い密度を有しており、その比重は、例えば、０．２５以上〜１．２未満である。なお、発泡体の密度とは、各発泡体の平均密度を意味している。

高密度発泡体３２の形状、大きさ（寸法）は、特に限定されず、インサートブロック４の大きさやインサートブロック４に付与される外力の種類、大きさ等に応じて適宜設定される。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、厚さ方向視における形状を、インサートブロック４から入力された外力を低密度発泡体３１に効率的に伝達でき、かつ、成形が容易な矩形状としている。

インサートブロック４は、鋼、アルミニウム等の金属からなる外周異形のブロックである。インサートブロック４の外周面４１には、各々径方向に延びる複数の羽根４２が回り止め用に設けられている。

インサートブロック４は、高密度発泡体３２に埋め込まれた状態で、或は、その周囲を高密度発泡体３２によって囲まれた状態で、高密度発泡体３２に一体成形されている。インサートブロック４は、高密度発泡体３２の発泡成形により一体成形されているため、羽根は高密度発泡体３２に深く食い込み、羽根の表面全体に高密度発泡体３２が密着している。そのため、インサートブロック４にトルクや引き抜き荷重等の外力が加わった場合でも、インサートブロック４が強固に保持されて、インサートブロック４の回転や抜けが防止される。なお、インサートブロック４の材質は、特に限定されず、金属の他、セラミックス、樹脂、或はこれらの材料を組み合わせた複合材料等であってもよい。インサートブロック４の形状も特に限定されず、角形、多角形、扇形、半円形、球形、角柱形、パイプ形、異形ブロック形等であってもよい。

成形体Ｍは、低密度発泡体３１及び高密度発泡体３２の上下面上に表皮材１０，２０がそれぞれ配置された、いわゆるサンドイッチ構造を有している。低密度発泡体３１の上側の面３１ａ及び高密度発泡体３２の上側の面３２ａは、第１の表皮材１０の下側の面１１（裏面）と面接合されており、低密度発泡体３１の下側の面３１ｂ及び高密度発泡体３２の下側の面３２ｂは、第２の表皮材２０の上側の面２１（裏面）と面接合されている。

以下、成形体Ｍを製造する方法について、図２，３を参照して説明する。

まず、図２（ａ）（ｂ）に示すように、インサートブロック４を型５内にセットし、型５を閉じる。上型５Ａには成形面５ａを有する凹部５１が形成され、下型５Ｂには成形面５ｂを有する凹部５２が形成されている。型５が閉じられたとき、成形面５ａと成形面５ｂとによって閉じられた成形空間（キャビティ）ＣＶが画成される。

次に、成形体Ｍにおける低密度発泡体３１と高密度発泡体３２との境界面に対応する位置に、仕切り板６を挿入する。仕切り板６は、キャビティＣＶを、内部にインサートブロック４を含む第１空間Ｓ１（高密度発泡体３２に対応する領域）と、第１空間Ｓ１以外の第２空間Ｓ２（低密度発泡体３１に対応する領域）とに仕切る。仕切り板６は、上型５Ａまたは下型５Ｂに設けられたスリット（不図示）を介してキャビティＣＶ内に挿入可能になっている。仕切り板６は、例えばエアシリンダなどのアクチュエータによって、キャビティＣＶを第１及び第２空間Ｓ１，Ｓ２に仕切る仕切り位置と当該仕切りを開放する開放位置との間を、例えば上下方向または水平方向にスライド移動可能になっている。

次に、型５に設けたビーズ供給口（不図示）からキャビティＣＶの第１及び第２空間Ｓ１，Ｓ２内に、ビーズ（発泡原料）Ｂを供給する。第１空間Ｓ１へのビーズＢの供給量（第１空間Ｓ１の単位容積あたりのビーズＢの重量）は、第２空間Ｓ２への供給量（第２空間Ｓ２の単位容積あたりのビーズＢの重量）より大きくする。ビーズＢは、ポリエチレン樹脂に発泡剤、発泡助剤等を配合した粒状体である。

次に、図２（ｃ）に示すように、型５に設けたガス注入口５３から、例えば、１００〜１３０℃の熱風または水蒸気（以下、高温ガスＨＧと総称する）をキャビティＣＶ内に注入する。高温ガスＨＧは、キャビティＣＶ全域に行き渡り、ビーズＢを加熱する。加熱されたビーズＢは、発泡、膨張し、互いに融着する。

そして、両空間Ｓ１，Ｓ２が各々発泡・膨張したビーズＢ（以下、発泡ビーズと称する）で満たされた時点、即ち、両空間Ｓ１，Ｓ２内の発泡ビーズの移動が互いの融着及び半硬化によってある程度拘束された時点で、仕切り板６を開放位置に移動させ、仕切りを開放する。

その後も、高温ガスＨＧの注入を続け、発泡ビーズをさらに加熱して発泡、膨張させる。これにより、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の境界面において、両空間Ｓ１，Ｓ２の発泡ビーズ同士が融着、接合するとともに、第１空間Ｓ１内において、インサートブロック４の表面と発泡ビーズとが接合する。

ビーズＢまたは発泡ビーズがキャビティＣＶ内で発泡、膨張しつつ固化する間、上型５Ａと下型５Ｂとによって加圧した状態を保持する。第１空間Ｓ１内で発泡、固化した発泡ビーズは、高密度発泡体３２となり、第２空間Ｓ２内で発泡、固化した発泡ビーズは、低密度発泡体３１となる。これにより、低密度発泡体３１と高密度発泡体３２とが一体成形されるとともに、インサートブロック４が高密度発泡体３２に一体成形される。その後、図２（ｄ）に示すように、型開きし、一体成形された低密度発泡体３１と高密度発泡体３２とインサートブロック４と（以下、これらが一体となったものをコア材３０と称する）を型５から取り出す。

次に、図３（ａ）に示すように、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させて半硬化状態にしたプリプレグ１０ｐ，２０ｐを、上記コア材３０の上側と下側とに配置して成形型７内にセットする。

そして、図３（ｂ）に示すように、成形型７を閉じ、上型７Ａと下型７Ｂとによってマトリックス樹脂の硬化温度で加圧、加熱することで、プリプレグ１０ｐ，２０ｐのマトリックス樹脂を硬化させる。これにより、プリプレグ１０ｐ，２０ｐは、表皮材１０，２０となり、コア材３０と一体成形される。その後、図３（ｃ）に示すように、型開きし、一体成形された表皮材１０，２０及びコア材３０を成形型７から取り出すことで、成形体Ｍが得られる。

なお、図示は省略するが、成形体Ｍは、成形後に、例えば、第１の表皮材１０を通してインサートブロック４にタップ加工を施すことにより、インサートブロック４にねじ穴を設けることができる。

以下、成形体Ｍの作用効果について説明する。

本実施形態にかかる成形体Ｍでは、インサートブロック４が高密度発泡体３２に一体成形されている。このため、インサートブロック４にトルク等の外力が加わった場合でも、インサートブロック４を高密度発泡体３２で強固に保持することができる。これにより部品点数を削減して、製造コストを抑制することが可能になる。

また、成形体Ｍによれば、発泡コア層３の大部分を占める一般部を低密度発泡体３１で構成しているので、成形体Ｍの軽量化を図ることができる。

また、成形体Ｍでは、インサートブロック４が高密度発泡体３２に一体成形され、かつ、高密度発泡体３２が低密度発泡体３１に一体成形されている。従って、発泡体３１，３２とインサートブロック４との一体化を発泡コア層３の発泡成形時に一度に行うことが可能になる。これにより成形体Ｍを製造する際の製造工程数を削減して、製造コストを抑制することが可能になる。

さらに、成形体Ｍによれば、上記特許文献１のように発泡コアとインサートナットとの間にＦＲＰ内層を設けて、これをＦＲＰ表層と一体化することでインサートナットを保持固定する場合と比較し、当該ＦＲＰ内層が不要になるため、部品点数を削減することができる。また、上記ＦＲＰ内層用の繊維基材は、シート状の素材をインサートナットに適合する形状にカットして作製していたが、成形体Ｍによれば、そのような工程が不要になるので、製造コストを削減することができる。また、上記ＦＲＰ内層は、繊維基材の素材を所定形状にカットすることで繊維がほつれて（或は、ばらけて）所望の強度を発揮できず、そのためインサートナットの保持力が低下するおそれがあった。しかしながら、成形体Ｍによれば、繊維の切断加工が不要になるため、インサートブロック４（インサート部材）の安定した保持力を得ることができる。

次に、上記実施形態の変形例にかかる成形体Ｍ１について、図４乃至図６を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、成形体Ｍ１では、インサート部材として厚さ方向視矩形状のインサートナット４Ａを採用している。インサートナット４Ａは、その下部を高密度発泡体３２に埋設させた状態で高密度発泡体３２と一体成形されている。そして、第１の表皮材１０のインサートナット４Ａに対応する箇所には、矩形状の開口１２が設けられている。インサートナット４Ａには、成形体Ｍ１を図外の他の部材に係合させるための係合部としてのねじ穴８が設けられている。インサートナット４Ａの上端部は、開口１２に挿入されており、ねじ穴８は、開口１２から露出している。このようにすることで、成形体Ｍ１を成形した後にねじ穴８を形成するためのタップ加工を省略することができる。

成形体Ｍ１のコア材３０を製造する際は、図５（ａ）に示すように、下型５Ｂの成形面５ｂにインサートナット４Ａを挿入するための凹部５４を設け、そこにインサートナット４Ａをセットして、上述の成形体Ｍの場合と同様に発泡成形を行う。凹部５４の深さは、第１の表皮材１０の厚さに相当する値に設定されている。その後、得られたコア材３０を用いて成形体Ｍ１を成形する際は、図６（ａ）に示すように、まずプリプレグ１０ｐのインサートナット４Ａに対応する箇所に、予めインサートナット４Ａの上端部を挿入可能な開口１２を設けておく。そしてプリプレグ１０ｐ，２０ｐをコア材３０の上側と下側とに配置して成形型７内にセットする際、プリプレグ１０ｐを、インサートナット４Ａの上端部を開口１２に挿入した状態でコア材３０の上側に配置する。なお、図５（ａ）及び図６（ａ）以外の工程（図５（ｂ）〜（ｄ）及び図６（ｂ），（ｃ）の工程）は、上述の成形体Ｍにおける図２（ｂ）〜（ｄ）及び図３（ｂ），（ｃ）の工程と同じであるため、説明を省略する。

なお、成形体Ｍ１では、インサート部材として、インサートナット４Ａに替えて埋め込みボルトや溶接用ブラケット等を採用してもよい。これにより、成形体Ｍ１をねじ締結や溶接によって他の部材に係合させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上記実施形態では、各表皮材１０，２０の材料となる繊維強化プラスチックとして炭素繊維強化プラスチックを採用したが、繊維強化プラスチックの材料は、特に限定されない。強化繊維としては、炭素繊維以外に、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維などを用いることができる。炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ系）、ピッチ系、セルロース系、炭化水素による気相成長系炭素繊維、黒鉛繊維などを用いることができる。これらの繊維を２種類以上組み合わせて用いてもよい。また、マトリックス樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。典型例としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、変性ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂（アクリロニトリルとスチレンとのコポリマー）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレンのコポリマー）、変性ＡＢＳ樹脂、ＭＢＳ樹脂（メチルメタクリレート、ブタジエン及びスチレンのコポリマー）、変性ＭＢＳ樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、変性ポリメチルメタクリレート樹脂等が挙げられる。

また、上記実施形態では、プリプレグ１０ｐ，２０ｐを硬化させることで表皮材１０，２０を得ていたが、表皮材１０，２０の形成方法は、特に限定されず、ハンドレイアップ法、ＲＴＭ法、ＳＭＣ成形法、スプレーアップ法等の公知の方法を用いてもよい。

さらに、上記実施形態では、発泡コア層３の材料として、発泡ポリエチレンを採用していたが、発泡コア層３の材料はこれに限定されない。他の材料としては、例えば、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリル、ポリイミド（ＰＩ）、塩化ビニル（ＰＶＣ）、フェノール（ＰＦ）、シリコーン（ＳＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などが挙げられる。また、発泡コア層３は、例えば不織布等の短繊維の強化材を含んでいてもよい。

また、上記実施形態では、高密度発泡体３２の高さ（成形体Ｍ，Ｍ１の厚さ方向寸法）は、発泡コア層３の厚さ、即ち、低密度発泡体３１の高さと同じにしているが、これに限定されない。発泡コア層３の厚さがインサートブロック４やインサートナット４Ａの高さに比べて十分に大きい場合には、高密度発泡体３２の高さを低密度発泡体３１のそれより小さくし、これによって生じた隙間（空間）に低密度発泡体３１を配置してもよい。このようにすることで、成形体Ｍ，Ｍ１をさらに軽量化することができる。

また、上記成形体Ｍ１では、インサートナット４Ａの一端側に設けたねじ穴８を第１の表皮材１０に設けた開口１２から露出させているが、これに限定されない。例えば、インサート部材の両端部に係合部を設けるとともに第１及び第２の表皮材に各々開口を設け、これらの開口にインサート部材の両端部をそれぞれ挿入して、係合部が成形体の上下両面から露出するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、低密度発泡体３１及び高密度発泡体３２の上下両面上に表皮材１０，２０を配置していたが、両発泡体３１，３２と第１の表皮材１０との間または両発泡体３１，３２と第２の表皮材２０との間に他の層材を介在させてもよい。例えば、両発泡体３１，３２と第１及び第２の表皮材１０，２０との密着性を高めるために、ホットメルト接着剤などからなる接着層を介在させてもよい。また、第１及び第２の表面層１，２の外側に他の層を設けてもよい。例えば、表皮材１０，２０の外側表面に装飾用表面材等を設けてもよい。

Ｍ，Ｍ１複合材料成形体
１第１の表面層（第１繊維強化樹脂層）
２第２の表面層（第２繊維強化樹脂層）
３発泡コア層
３１低密度発泡体（第１発泡体）
３２高密度発泡体（第２発泡体）
４インサートブロック（インサート部材）
４Ａインサートナット（インサート部材）
８ねじ穴（係合部）
１２開口

Claims

第１繊維強化樹脂層と、第２繊維強化樹脂層と、前記第１及び第２繊維強化樹脂層に挟まれた発泡コア層と、インサート部材とを備え、
前記発泡コア層は、該発泡コア層の一般部を構成する第１発泡体と、該第１発泡体に一体成形された該第１発泡体より高い密度を有する第２発泡体とからなり、
前記インサート部材は、前記第２発泡体に一体成形されており、
前記第１発泡体は、前記第１繊維強化樹脂層と前記第２繊維強化樹脂層とに接合されており、
前記第２発泡体は、前記第１繊維強化樹脂層と前記第２繊維強化樹脂層とに接合されていることを特徴とする複合材料成形体。