JP7487861B1

JP7487861B1 - 構造体の成形方法

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Publication number: JP7487861B1
Application number: JP2023555507A
Authority: JP
Inventors: 剛志江口; 和明西藪
Original assignee: DAI-ICHI DENTSU LTD.
Current assignee: DAI-ICHI DENTSU LTD.
Priority date: 2023-04-24
Filing date: 2023-04-24
Publication date: 2024-05-21
Anticipated expiration: 2043-04-24

Abstract

接合構造体の引張強度の向上を実現可能な構造体の成形方法を提供する。また、強度の向上を実現可能な接合構造体を提供する。構造体の成形方法は、セット工程において、キャビティＣ内に第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓを設ける。第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓは、第１炭素繊維１１ｂの延びる第１方向と第２炭素繊維１１ｂの延びる第２方向とが交差し、第１方向及び第２方向と直交する第３方向に特定範囲ＳＡで重なる。型締め工程では、セット工程後、第１型２３と第２型２５とを型締めする。加圧工程では、キャビティＣ内で第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓを一体にするように加圧する。射出工程では、キャビティＣ内に射出材料３９を射出する。穴開け工程では、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させ、ニードル２７で接続穴５１ａを形成する。

Description

本発明は、構造体の成形方法に関する。

特許文献１に従来の接合構造体が開示されている。この接合構造体は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる母材内に炭素繊維を有する２枚のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の構造体がリベットによって接合されている。

ＣＦＲＰ製の構造体は、金属製の構造体と比較し、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れている。特に、ＣＦＲＰ製の複数の構造体がリベットによって接合された接合構造体は、接着剤を用いる必要がないことから、接合時間の短縮、低コストの他、高い耐久性等の長所を発揮する。このため、接合構造体は、自動車等の分野において、部品等への適用が広く期待されている。

国際公開２０１２／１１７７３７号

しかし、上記従来の接合構造体は、２枚の構造体をリベットによって打ち抜くことによって得られることから、各構造体中の炭素繊維がリベットによって切断され易く、構造体の接合面に沿った方向の引張強度が損なわれる。

特に、第１構造体中の炭素繊維が第１方向に延び、第２構造体中の炭素繊維が第１方向と直交等、交差する第２方向に延び、これら第１構造体と第２構造体とを上記のように接合した接合構造体では、第１構造体中の炭素繊維がリベットが貫設する接合穴によって第１方向で切断され易いとともに、第２構造体中の炭素繊維も同じ接合穴によって第２方向で切断され易い。このため、接合構造体は、引張強度が第１方向及び第２方向で低下してしまう。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、接合構造体の引張強度の向上を実現可能な構造体の成形方法を提供することを解決すべき課題としている。また、本発明は、強度の向上を実現可能な接合構造体を提供することも解決すべき課題としている。

第１教示の構造体の成形方法は、第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向のみに延びる複数本の第１炭素繊維を有する第１プリプレグと、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向のみに延びる複数本の第２炭素繊維を有する第２プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルとを準備する準備工程と、
前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるとともに、前記第１炭素繊維の延びる第１方向と前記第２炭素繊維の延びる第２方向とが交差し、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向に特定範囲で重なるように、前記キャビティ内に前記第２プリプレグを設けるセット工程と、
前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
前記型締め工程中又は前記型締め工程後、前記キャビティ内で前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグを一体にするように加圧する加圧工程と、
前記加圧工程中又は前記加圧工程後、前記特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程とを備えていることを特徴とする。

第１教示の成形方法では、セット工程において、第１炭素繊維の延びる第１方向と第２炭素繊維の延びる第２方向とを交差させ、型締め工程において、第１プリプレグ及び第２プリプレグを一体とするため、トラス等の構造体を成形できる。

特に、穴開け工程において、第１プリプレグと第２プリプレグとが重なる特定範囲に対し、ニードルを尖った先端部から第３方向に進入させることから、第１プリプレグ中の第１炭素繊維はニードルの先端部によって第１母材内で徐々にニードルの径外方向に押しやられ、第２プリプレグ中の第２炭素繊維もニードルの先端部によって第２母材内で徐々にニードルの径外方向に押しやられる。このため、第１プリプレグの炭素繊維及び第２プリプレグの炭素繊維がともに切断され難い。こうして、得られる構造体には、周囲の炭素繊維の切断が抑制された接続穴が形成される。

また、第１教示の成形方法では、第１プリプレグと第２プリプレグとをキャビティ内で拘束しつつ穴開け工程を行っていることから、インサートＰＣＭ（Pre-Preg Compression Molding）工法となり、構造体は変形し難く、高い寸法精度を有している。

第２教示の構造体の成形方法は、第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向のみに延びる複数本の第１炭素繊維を有し、前記第１炭素繊維の延びる第１方向に長いロッド状の第１プリプレグと、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向のみに延びる複数本の第２炭素繊維を有し、前記第２炭素繊維の延びる第２方向に長いロッド状の第２プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルと、第３熱可塑性樹脂を含み、前記キャビティ内に射出される射出材料とを準備する準備工程と、
前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるとともに、前記第１方向と前記第２方向とが交差する特定範囲において、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向で重なるように、前記キャビティ内に前記第２プリプレグを設けるセット工程と、
前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
前記型締め工程中又は前記型締め工程後、前記特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程と、
前記穴開け工程中又は前記穴開け工程後、前記キャビティ内に前記射出材料を射出する射出工程とを備え、
前記第３熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂よりも融点が高く、
前記射出工程では、前記接続穴に前記ニードルを残しつつ前記射出材料を射出することを特徴とする。

第２教示の成形方法では、穴開け工程において、第１プリプレグの特定範囲に対し、ニードルを尖った先端部から第３方向に進入させることから、第１プリプレグ中の第１炭素繊維はニードルの先端部によって第１母材内で徐々にニードルの径外方向に押しやられる。このため、第１プリプレグの炭素繊維が切断され難い。

穴開け工程中又は穴開け工程後に射出工程を行うことから、インサート射出成形工法となり、構造体は、第１プリプレグ及び射出材料が一体に成形され、より実用性が高まる。特に、キャビティ内に射出材料を射出することから、射出材料が接続穴も成形し、接続穴を好ましい形状に整えることができる。穴開け工程中に射出工程を行えば、射出材料の温度によって第１プリプレグの第１熱可塑性樹脂が軟化するように加熱でき、穴開け工程時に特定範囲の第１熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を低減又は無くすことができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

こうして、得られる構造体には、周囲の炭素繊維の切断が抑制されているとともに、好ましい形状の接続穴が形成される。

第１、２教示の成形方法で得られる構造体は、熱可塑性樹脂及び炭素繊維からなるため、ＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics、熱可塑性ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）ともいう。）であり、金属製の構造体と比較し、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れる。

第３教示の接合構造体は、上記成形方法で得られた構造体と、前記構造体と積層され、前記接続穴と整合する挿入穴を有する相手材とを備え、
前記接続穴及び前記挿入穴には、第５熱可塑性樹脂からなる第５母材内に１方向に延びる複数本の第５炭素繊維を有し、前記第５炭素繊維の延びる前記第３方向に長く、前記構造体と前記相手材とを接合するリベットが設けられていることを特徴とする。

第３教示の接合構造体は、第１、２教示で得られる構造体と相手材とをリベットで接合していることから、構造体の接合面に沿った方向の引張強度が損なわれ難い。また、この接合構造体は、接着剤を用いる必要がないことから、接合時間の短縮、低コストの他、高い耐久性等の長所を発揮する。

本発明の構造体の成形方法によれば、接合構造体の引張強度の向上を実現可能な構造体を得ることができる。また、本発明の接合構造体によれば、強度の向上を実現可能である。

プリプレグの斜視図である。参考例に係り、準備工程時の第１金型、第２金型及びニードルを示す模式断面図である。参考例に係り、セット工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。参考例に係り、型締め工程及び加圧工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。参考例に係り、型締め工程及び加圧工程時の初期における第１プリプレグ及び第２プリプレグの模式拡大断面図である。参考例に係り、型締め工程及び加圧工程時の終期における第１プリプレグ及び第２プリプレグの模式拡大断面図である。参考例に係り、穴開け工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。参考例に係り、穴開け工程時における第１プリプレグ、第２プリプレグ及びニードルの模式拡大断面図である。参考例の成形方法で得られた構造体の要部拡大断面図である。参考例の成形方法で得られた構造体を拡大して示し、一部断面の平面図である。参考例の成形方法で得られた構造体を拡大して示し、一部断面の裏面図である。参考例の成形方法で得られた構造体の平面図である。参考例の成形方法で得られた構造体と、相手材との断面図である。参考例の接合構造体の要部断面図である。実施例１に係り、準備工程時の第１金型、第２金型及びニードルを示す模式断面図である。実施例１に係り、セット工程及び型締め工程時の第１金型、第２金型、ニードル及び第１プリプレグを示す模式断面図である。実施例１に係り、射出工程及び穴開け工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び射出材料を示す模式断面図である。実施例１の成形方法で得られた２つの構造体と、相手材との断面図である。実施例１の接合構造体の要部断面図である。実施例２に係り、準備工程時の第１金型、第２金型及びニードルを示す模式断面図である。実施例２に係り、セット工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。実施例２に係り、型締め工程及び加圧工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。実施例２に係り、射出工程及び穴開け工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ、第２プリプレグ及び射出材料を示す模式断面図である。実施例２の成形方法で得られた構造体と、相手材との断面図である。実施例２の接合構造体の要部断面図である。

第１～３教示において、第１プリプレグの第１母材を構成する第１熱可塑性樹脂、第２プリプレグの第２母材を構成する第２熱可塑性樹脂、射出材料を構成する第３熱可塑性樹脂、ニードルを構成し得る第４熱可塑性樹脂、リベットの第５母材を構成する第５熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡＣ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリロニトリルスチレンコポリマー（ＡＳ樹脂）、アクリル（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を採用することができる。第１～５熱可塑性樹脂は同種であってもよく、異種であってもよい。

第１～３教示において、第１、２、４、５炭素繊維はフィラメントである。第１、２、４、５炭素繊維はＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系であってもよく、ピッチ系であってもよい。また、第１、２、４、５炭素繊維は同径であってもよく、異径であってもよい。また、第１プリプレグが有する第１炭素繊維の本数や密度と、第２プリプレグが有する第２炭素繊維の本数や密度と、ニードルが有し得る第４炭素繊維の本数や密度と、リベットが有する第５炭素繊維の本数や密度とは、同じであってもよく、異なってもよい。

第１、２教示において、第１、２プリプレグは、炭素繊維に熱可塑性樹脂を完全に含侵させたものの他、不完全に含侵させたいわゆるセミプレグであってもよい。第１、２プリプレグは角柱状、円柱状等のロッドであってもよく、シートであってもよい。第１、２プリグレグと同様の第３プリプレグ、第４プリプレグ等を用いることも可能である。また、第１、２教示の成形方向において、構造体の形状は限定されない。

第１教示において、加圧工程は、型締め工程中に行ってもよく、型締め工程後に行ってもよい。型締め工程中に加圧工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。型締め工程後に加圧工程を行えば、加圧力を調整し易い。

第１教示において、穴開け工程は、加圧工程中に行ってもよく、加圧工程後に行ってもよい。加圧工程中に穴開け工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

第１教示において、準備工程では、第３熱可塑性樹脂を含み、キャビティ内に射出される射出材料を準備し得る。そして、成形方法は、穴開け工程前、穴開け工程中又は穴開け工程後、キャビティ内に射出材料を射出する射出工程を備えていることが好ましい。この場合、インサート射出成形工法となり、構造体は、第１プリプレグと第２プリプレグとが一体になっただけではなく、射出材料によっても成形され、より実用性が高まる。特に、キャビティ内に射出材料を射出することから、射出材料が接続穴も成形し、接続穴を好ましい形状に整えることができる。穴開け工程中に射出工程を行えば、射出材料の温度によって第１プリプレグの第１熱可塑性樹脂及び第２プリプレグの第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱でき、穴開け工程時に特定範囲の第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を低減又は無くすことができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

第１教示において、第３熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂よりも融点が高いことが好ましい。この場合、射出材料の温度によって第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂を確実に軟化又は溶融し、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。

第１教示において、加圧工程では、特定範囲の第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱することが好ましい。この場合、第１プリプレグの第１母材と第２プリプレグの第２母材とがより一体になり易い。加熱温度は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の熱変形温度以上が好ましい。第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の融点以下でも構わない。

第１教示において、穴開け工程では、特定範囲の第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱することが好ましい。穴開け工程前や穴開け工程中に射出工程を行わない場合、第１、２炭素繊維がニードルの先端部によって第１、２母材内で移動し易く、より切断され難くなる。加熱温度は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の熱変形温度以上が好ましい。第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の融点以下でも構わない。

第２教示において、第３熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂よりも融点が高いことが好ましい。この場合、射出材料の温度によって第１熱可塑性樹脂が軟化又は溶融し、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。

第２教示において、準備工程では、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向のみに延びる複数本の第２炭素繊維を有する第２プリプレグを準備し得る。また、セット工程では、特定範囲において、第１炭素繊維の延びる第１方向と第２炭素繊維の延びる第２方向とが交差し、第３方向で重なるように、キャビティ内に第２プリプレグを設けることが好ましい。そして、穴開け工程では、特定範囲に対してニードルを先端部から第３方向に進入させ、ニードルで接続穴を形成することが好ましい。この場合、第１プリプレグと第２プリプレグとを一体に含む構造体に接続穴を形成することができる。

第２教示において、第３熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂よりも融点が高いことが好ましい。この場合、射出材料の温度によって第１、２熱可塑性樹脂が軟化又は溶融し、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。

第２教示において、型締め工程中、キャビティ内で第１プリプレグ及び第２プリプレグを一体にするように加圧することが好ましい。この場合、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。

第１、２教示において、ニードルは、第４熱可塑性樹脂からなる第４母材内に１方向に延びる複数本の第４炭素繊維を有し、第４炭素繊維の延びる第３方向に長いことが好ましい。この場合、ニードルをそのままＣＦＲＴＰ製のリベットとして用いることができる。

第１、２教示において、セット工程では、第１方向と第２方向とを直交させることが好ましい。この場合、炭素繊維を編み込む必要なく、高い強度の構造体が得られる。

第１、２教示において、第１プリプレグ及び第２プリプレグはロッド状をなし、特定範囲は第１プリプレグ及び第２プリプレグが交差する部分であり得る。この場合、トラスや格子状の構造体を成形すれば、接合穴もその交差する部分に形成されることとなることから、接合構造体を自動車、航空機、宇宙船、船舶、列車、建築物等に広く適用可能である。

第３教示の接合構造体は、リベットもＣＦＲＴＰであることから、第３方向に高い剥離強度を発揮する。ＣＦＲＴＰ製のリベットとしては、特許第6840410号や特許第6901063号に開示された軸体又は中間体を採用し、これらの文献に開示された締結方法及び締結装置を採用することができる。

第３教示において、相手材は接合穴と整合する挿入穴を有すれば、金属であってもよいし、ＣＦＲＴＰであってもよいし、熱硬化性ＣＦＲＰであってもよい。

以下、参考例と、本発明を具体化した実施例１、２とを図面を参照しつつ説明する。

（参考例）
参考例は、射出工程を行わない第１教示と、第３教示とを具体化した。まず、準備工程において、図１（Ａ）に示す複数本のプリプレグ１１を準備した。これらのプリプレグ１１は、四角柱形状でロッド状をなしており、母材１１ａ内に長さ方向のみに延びる複数本の炭素繊維１１ｂを有している。母材１１ａは熱可塑性樹脂である。これらのプリプレグ１１が第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓに相当し、母材１１ａが第１、２熱可塑性樹脂からなる第１、２母材１１ａに相当し、炭素繊維１１ｂが第１、２炭素繊維１１ｂに相当する。

また、図２に示すように、成形装置２１を準備した。成形装置２１は、第１型２３と、第２型２５と、複数本のニードル２７とを備えている。第１型２３と第２型２５とは相対移動して型締めできるようになっている。

第１型２３には型割り面２１ａから第１成形面２３ａが凹設されている。第１成形面２３ａは、図１２及び図１３に示すように、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に延在させて嵌合するようになっている。参考例では、図１２及び図１３の紙面の左右方向が第１方向である。

図２に示すように、第２型２５には型割り面２１ｂから第２成形面２５ａが凹設されている。第１型２３の第１成形面２３ａと、第２型２５の第２成形面２５ａとがキャビティＣを形成する。第２成形面２５ａは、３本の第１部２５１ａと、３本の第２部２５２ａと、無数の第３部２５３ａとからなる。

第１部２５１ａは、第１成形面２３ａと対面しており、図１２及び図１３に示すように、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に嵌合するようになっている。第１成形面２３ａの型割り面２１ａからの深さと、第１部２５１ａの型割り面２１ｂからの深さとの合計は、第１プリプレグ１１ｆの厚さと等しくなっている。

図２に示すように、第２部２５２ａは第１部２５１ａと連続して凹設されている。第２部２５２ａは３本の第２プリプレグ１１ｓを図１２の紙面の上下方向、図１３の紙面の厚さ方向に延在させて嵌合するようになっている。参考例では、図１２の紙面の上下方向、図２及び図１３の紙面の厚さ方向が第２方向である。このため、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、直交し、９つの特定範囲ＳＡで重なるようになっている。

図２に示すように、第１成形面２３ａの底面から第２部２５２ａの底面までの長さは、第１プリプレグ１１ｆの厚さと第２プリプレグ１１ｓの厚さとの合計よりも小さい。このため、型割り面２１ａと型割り面２１ｂとを合わせることにより、第１型２３と第２型２５とを型締めすれば、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは特定範囲ＳＡで加圧されて一体になるが、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓは各特定範囲ＳＡで材料が余る。このため、第３部２５３ａが第１部２５１ａと第２部２５２ａとの間に形成され、その材料が各第３部２５３ａで成形されるようになっている。

第１型２３には、各特定範囲ＳＡに向かって垂直に延びるニードル孔２３ｂが貫設されている。また、第２型２５にも、ニードル孔２３ｂと一致するように各特定範囲ＳＡに向かって垂直に延びるニードル孔２５ｂが貫設されている。各ニードル孔２３ｂ、２５ｂには金属製のニードル２７が移動可能に設けられている。ニードル２７は、円錐状に尖った先端部２７ａと、先端部２７ａと同軸に円柱状に延びる円柱部２７ｂとからなる。ニードル孔２３ｂ内のニードル２７は、先端部２７ａからキャビティＣ内に突出し、円柱部２７ｂをキャビティＣ内に位置させるまで突出可能である。

また、第１型２３には各ニードル孔２３ｂ周りに加熱穴２３ｃが形成されている。また、第２型２５にも各ニードル孔２５ｂ周りに加熱穴２５ｃが形成されている。各ニードル孔２３ｂ周りの加熱穴２３ｃ及び各ニードル孔２５ｂ周りの加熱穴２５ｃは接続されており、所定の温度の油等の熱媒体が循環されるようになっている。

セット工程では、図３に示すように、キャビティＣ内に第１プリプレグ１１ｆを設けるとともに、第２プリプレグ１１ｓを設ける。具体的には、第１型２３の第１成形面２３ａに第１プリプレグ１１ｆを嵌合し、第２型２３の第２部２５２ａに第２プリプレグ１１ｓを嵌合する。第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、各特定範囲ＳＡにおいて、第１方向及び第２方向と直交する第３方向で重なるようになっている。図３の紙面の上下方向が第３方向である。

型締め工程及び加圧工程では、加熱穴２３ｃ、２５ｃに高温の熱媒体を循環させつつ、図４に示すように、第１型２３と第２型２５とを型締めするとともに、キャビティＣ内で第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓを一体にするように加圧する。この際、図５に示すように、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは特定範囲ＳＡでまず接触する。さらに、第１型２３と第２型２５との型締めが終了すると、図６に示すように、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、特定範囲ＳＡで加圧されて材料が余る。余った材料は第２型２５の各第３部２５３ａで成形される。

これらの間、特定範囲ＳＡにおける第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２熱可塑性樹脂は熱媒体の温度によって軟化している。加熱温度は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの熱可塑性樹脂によって適宜設定される。このため、第１、２炭素繊維１１ｂが比較的柔軟に変形し、第１、２炭素繊維１１ｂが損傷されることがない。こうして、インサートＰＣＭ工法により、第１、２炭素繊維１１ｂの損傷を抑制しつつ、第１プリプレグ１１ｆの第１母材１１ａと第２プリプレグ１１ｓの第２母材１１ａとが好適に一体になる。

そして、穴開け工程として、加熱穴２３ｃ、２５ｃに高温の熱媒体を循環させたまま、図７及び図８に示すように、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させる。これにより、第１プリプレグ１１ｆ中の第１炭素繊維１１ｂはニードル２７の先端部２７ａによって第１母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。また、第２プリプレグ１１ｓ中の第２炭素繊維１１ｂもニードル２７の先端部２７ａによって第２母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。

この間、特定範囲ＳＡにおける第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２熱可塑性樹脂は熱媒体の温度によって軟化している。このため、第１、２炭素繊維１１ｂがニードル２７の先端部２７ａによって第１、２母材１１ａ内で移動し易く、より切断され難い。こうして、得られる構造体５１には、周囲の第１、２炭素繊維１１ｂの切断が抑制された接続穴５１ａが形成される。

各接続穴５１ａにニードル２７を残しつつ、加熱穴２３ｃ、２５ｃへの高温の熱媒体の循環を停止して加熱穴２３ｃ、２５ｃに低温の熱媒体を循環させるか、加熱穴２３ｃ、２５ｃへの高温の熱媒体の循環を停止して時間の経過を待ち、特定範囲ＳＡの第１、２熱可塑性樹脂を常温とする。そして、第１型２３と第２型２５とを型開きし、構造体５１が得られる。この構造体５１には、図９～１１に示す接続穴５１ａが形成されている。

また、この成形方法では、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとをキャビティＣ内に拘束して一体にしつつ穴開け工程を行っていることから、構造体５１は変形し難く、高い寸法精度を有している。また、型締め工程中に加圧工程を行っていることから、構造体５１の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

この構造体５１はＣＦＲＴＰであるため、金属製の構造体と比較し、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れる。特に、この構造体５１は、第１プリプレグ１１ｆが第１熱可塑性樹脂からなる第１母材１１ａ内に第１方向に延びる複数本の第１炭素繊維１１ｂを有し、第２プリプレグ１１ｓが第１熱可塑性樹脂からなる第２母材１１ａ内に第２方向に延びる複数本の第２炭素繊維１１ｂを有することから、第１方向及び第２方向に高い引張強度を発揮できる。また、この構造体５１は、第１方向と第２方向とが直交しているため、第１．２炭素繊維１１ｂを編み込む必要なく、高い強度となっている。さらに、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓが同種の熱可塑性樹脂を採用していることから、型締め工程や穴開け工程で母材１１ａを軟化させ易く、構造体５１の一体性を実現し易い。

そして、接合工程において、図１４に示すように、参考例で得た構造体５１と相手材６１とをＣＦＲＴＰ製のリベット７１によって接合し、接合構造体８１とする。この際、特許第6840410号や特許第6901063号に開示された締結方法及び締結装置を採用する。

リベット７１は、第１頭部７１ａと、第２頭部７１ｂと、第１頭部７１ａと第２頭部７１ｂと一体をなす軸部７１ｃとからなる。第１頭部７１ａ、第２頭部７１ｂ及び軸部７１ｃは第５熱可塑性樹脂からなる第５母材７１ｄと第３方向に延びる第５炭素繊維７１ｅとからなる。相手材６１としては金属板を採用したが、ＣＦＲＴＰであってもよいし、熱硬化性ＣＦＲＰであってもよい。

こうして得られた接合構造体８１は、リベット７１もＣＦＲＴＰであり、特に、第１頭部７１ａ、第２頭部７１ｂ及び軸部７１ｃ内の第５炭素繊維７１ｅが切断されていないことから、第３方向にも高い剥離強度を発揮する。

参考例のニードル２７を金属製ではなく、ＣＦＲＴＰ製として構造体５１に残留させ、ニードル２７をリベット７１に変形することによって構造体５１と相手材６１とを接合することによって接合構造体８１とすることも可能である。

上記参考例では、加圧工程及び穴開け工程で第１、２熱可塑性樹脂を加熱して軟化させたが、第１、２熱可塑性樹脂の種類によっては加圧工程及び穴開け工程を常温で行うことも可能である。

また、上記参考例では、加圧工程後に穴開け工程を行ったが、加圧工程と同時に穴開け工程を行ってもよい。この場合には、構造体５１の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

なお、成形装置２１として、加熱穴２３ｃや加熱穴２５ｃにヒータ線を設けてもよい。また、第１型２３及び第２型２５に加熱穴２３ｃや加熱穴２５ｃを設けず、ニードル２７だけを加熱してニードル孔２３ｂ、２５ｂに挿通してもよい。

（実施例１）
実施例１は、第２プリプレグを準備しない第２教示と、第３教示とを具体化したものである。まず、準備工程において、参考例と同様、図１（Ａ）に示す複数本のプリプレグ１１を準備した。

また、図１５に示すように、成形装置３３を準備した。成形装置３３は、第１型３５と、第２型３７と、複数本のニードル２７とを備えている。第１型３５と第２型３７とは相対移動して型締めできるようになっている。

第１型３５には型割り面２１ａから第１成形面３５ａが凹設されている。第１成形面３５ａは、参考例と同様、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に延在させて嵌合するようになっている。

第２型３７には型割り面２１ｂから第２成形面３７ａが凹設されている。第１型３５の第１成形面３５ａと、第２型３７の第２成形面３７ａとがキャビティＣを形成する。第２成形面３７ａは、３本の第１部３７１ａと、第２部３７２ａとからなる。

第１部３７１ａは、第１成形面３５ａと対面しており、３本のプリプレグ１１紙面の左右方向に嵌合するようになっている。第１成形面３５ａの型割り面２１ａからの深さと、第１部３７１ａの型割り面２１ｂからの深さとの合計は、プリプレグ１１の厚さと等しくなっている。第２部３７２ａは、第１成形面３５ａの底面に各プリプレグ１１の底面を当接した場合、各プリプレグ１１の上面、右面、左面、前面及び後面に対して離隔している。

第１、２型３５、３７には、ニードル孔３５ｂ、３７ｂが形成されている。ニードル孔３５ｂ、３７ｂの構成は参考例のニードル孔２３ｂ、２５ｂと同様である。第１、２型３５、３７には、参考例の第１、２型２３、２５のような加熱穴２３ｃ、２５ｃは形成されていない。成形装置３３の他の構成は参考例の成形装置２１と同様である。

また、射出材料３９を準備した。射出材料３９は、第３熱可塑性樹脂を含んで溶融状態とされ、図示しないゲートからキャビティＣ内に射出されるようになっている。射出材料３９の第３熱可塑性樹脂はプリプレグ１１の熱可塑性樹脂よりも融点が高い。

セット工程では、図１６に示すように、キャビティＣ内にプリプレグ１１を設ける。また、型締め工程では、第１型３５と第２型３７とを型締めする。

そして、射出工程及び穴開け工程として、図１７に示すように、キャビティＣ内に射出材料３９を射出する。同時に、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させ、ニードル２７の円柱部２７ｂがキャビティＣ内の射出材料３９も貫通しつつニードル孔３７ｂに到達するようにする。このため、プリプレグ１１中の炭素繊維１１ｂはニードル２７の先端部２７ａによって母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。このため、プリプレグ１１の炭素繊維１１ｂが切断され難い。

この際、穴開け工程中に射出工程を行っているため、射出材料３９の温度により、特定範囲ＳＡの熱可塑性樹脂は軟化し、炭素繊維１１ｂがニードル２７の先端部２７ａによって母材１１ａ内で移動し易く、より切断され難い。この間、特定範囲ＳＡの熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を無くすことができる。また、プリプレグ１１にニードル２７によって形成される接続穴５３ａが仮に好ましくない形状になったとしても、射出工程において、接続穴５３ａにニードル２７を残しつつ射出材料３９を射出することから、インサート射出成形工法となり、接続穴５３ａを射出材料３９によって好ましい形状に整えることができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体５３の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

熱可塑性樹脂及び射出材料３９を常温として第１型３５と第２型３７とを型開きし、構造体５３が得られる。得られた構造体５３は、プリプレグ１１と、プリプレグ１１の底面を除く５面に設けられた射出材料３９とからなる。各構造体５３には、周囲の炭素繊維１１ｂの切断が抑制されているとともに、好ましい形状の接続穴５３ａが形成されている。

図１８に示すように、３本の構造体５３を紙面の厚さ方向に並べるとともに、３本の構造体５３を左右方向に並べ、かつ、参考例と同様、相手材６１を準備した。紙面の厚さ方向に並ぶ構造体５３のプリプレグ１１が第１プリプレグ１１ｆに相当し、紙面の左右方向に並ぶ構造体５３のプリプレグ１１が第２プリプレグ１１ｓに相当する。

そして、図１９に示すように、参考例と同様、各構造体５３と相手材６１とをＣＦＲＴＰ製のリベット７１によって接合した。こうして、接合構造体８３を得た。

実施例１の構造体５３も参考例と同様の作用効果を奏することができる。また、実施例１の接合構造体８３も参考例と同様の作用効果を奏することができる。

実施例１のニードル２７も金属製ではなく、ＣＦＲＴＰ製として構造体５３に残留させ、ニードル２７をリベット７１に変形することによって構造体５３と相手材６１とを接合することによって接合構造体８３とすることも可能である。

実施例１では、穴開け工程中に射出工程を行ったが、穴開け工程後に射出工程を行ってもよい。穴開け工程後に射出工程を行う場合、ニードル２７がキャビティＣに残り、射出材料３９にも接続穴を成形するようにする。

（実施例２）
実施例２は、射出工程を行う第１教示と、第３教示とを具体化したものである。換言すれば、実施例２は、第２プリプレグを準備する第２教示と、第３教示とを具体化したものである。まず、準備工程において、参考例及び実施例１と同様、図１（Ａ）に示す複数本のプリプレグ１１を準備した。

また、図２０に示すように、成形装置４１を準備した。成形装置４１は、第１型４３と、第２型４５と、複数本のニードル２７とを備えている。第１型４３と第２型４５とは相対移動して型締めできるようになっている。

第１型４３には型割り面２１ａから第１成形面４３ａが凹設されている。第１成形面４３ａは、参考例と同様、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に延在させて嵌合するようになっている。

第２型４５には型割り面２１ｂから第２成形面４５ａが凹設されている。第１型４３の第１成形面４３ａと、第２型４５の第２成形面４５ａとがキャビティＣを形成する。第２成形面４５ａは、３本の第１部４５１ａと、３本の第２部４５２ａと、第３部４５３ａとからなる。

第１部４５１ａは、第１成形面４３ａと対面しており、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に嵌合するようになっている。第１成形面４３ａの型割り面２１ａからの深さと、第１部４５１ａの型割り面２１ｂからの深さとの合計は、第１プリプレグ１１ｆの厚さと等しくなっている。

第２部４５２ａは第１部４５１ａと連続して凹設されている。第２部４５２ａは３本の第２プリプレグ１１ｓを図２０の紙面の厚さ方向に延在させて嵌合するようになっている。このため、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、直交し、９つの特定範囲ＳＡで重なるようになっている。

第３部４５３ａは、第１成形面４３ａの底面に第１プリプレグ１１ｆの底面を当接し、第２部４５２ａに第２プリプレグ１１ｓを嵌合した場合、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓの上面、右面、左面、前面及び後面に対して離隔している。

第１成形面４３ａの底面から第２部４５２ａの底面までの長さは、第１プリプレグ１１ｆの厚さと第２プリプレグ１１ｓの厚さとの合計よりも小さい。このため、型割り面２１ａと型割り面２１ｂとを合わせることにより、第１型４３と第２型４５とを型締めすれば、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは特定範囲ＳＡで加圧されて一体になるが、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓは各特定範囲ＳＡで材料が余る。このため、その材料は第３部４５３ａに膨出する。

第１、２型４３、４５には、ニードル孔４３ｂ、４５ｂが形成されている。ニードル孔４３ｂ、４５ｂの構成は参考例及び実施例１のニードル孔２３ｂ、２５ｂ、３５ｂ、３７ｂと同様である。第１、２型４３、４５には、参考例の第１、２型２３、２５のような加熱穴２３ｃ、２５ｃは形成されていない。成形装置４１の他の構成は参考例の成形装置２１と同様である。

また、射出材料３９を準備した。射出材料３９は、第３熱可塑性樹脂を含んで溶融状態とされ、図示しないゲートからキャビティＣ内に射出されるようになっている。射出材料３９の第３熱可塑性樹脂は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２熱可塑性樹脂よりも融点が高い。

セット工程では、図２１に示すように、実施り１と同様、キャビティＣ内に第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓを設ける。また、型締め工程及び加圧工程では、図２２に示すように、第１型４３と第２型４５とを型締めするとともに、キャビティＣ内で第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓを一体にするように加圧する。

そして、射出工程及び穴開け工程として、図２３に示すように、キャビティＣ内に射出材料３９を射出する。同時に、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させ、ニードル２７の円柱部２７ｂがキャビティＣ内の射出材料３９も貫通しつつニードル孔３７ｂに到達するようにする。このため、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓ中の第１、２炭素繊維１１ｂはニードル２７の先端部２７ａによって第１、２母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。このため、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２炭素繊維１１ｂが切断され難い。

この際、穴開け工程中に射出工程を行っているため、射出材料３９の温度により、特定範囲ＳＡの第１、２熱可塑性樹脂は軟化し、第１、２炭素繊維１１ｂがニードル２７の先端部２７ａによって第１、２母材１１ａ内で移動し易く、より切断され難い。この間、特定範囲ＳＡの第１、２熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を無くすことができる。また、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓにニードル２７によって形成される接続穴５５ａが仮に好ましくない形状になったとしても、射出工程において、接続穴５５ａにニードル２７を残しつつ射出材料３９を射出することから、インサート射出成形工法となり、接続穴５５ａを射出材料３９によって好ましい形状に整えることができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体５３の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。

第１、２熱可塑性樹脂及び射出材料３９を常温として第１型４３と第２型４５とを型開きし、構造体５５が得られる。得られた構造体５５は、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓと、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの底面を除く５面に設けられた射出材料３９とからなる。各構造体５５には、周囲の第１、２炭素繊維１１ｂの切断が抑制されているとともに、好ましい形状の接続穴５５ａが形成されている。

図２４に示すように、３本の構造体５５を紙面の厚さ方向に並べ、かつ、参考例及び実施例１と同様、相手材６１を準備した。そして、図２５に示すように、参考例及び実施例１と同様、構造体５５と相手材６１とをＣＦＲＴＰ製のリベット７１によって接合した。こうして、接合構造体８５を得た。

実施例２の構造体５５も参考例及び実施例１と同様の作用効果を奏することができる。また、実施例２の接合構造体８５も参考例及び実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

実施例２のニードル２７も金属製ではなく、ＣＦＲＴＰ製として構造体５５に残留させ、ニードル２７をリベット７１に変形することによって構造体５５と相手材６１とを接合することによって接合構造体８５とすることも可能である。

また、上記実施例２でも、穴開け工程中に射出工程を行ったが、穴開け工程前又は穴開け工程後に射出工程を行ってもよい。穴開け工程前又は穴開け工程後に射出工程を行う場合、ニードル２７がキャビティＣに残り、射出材料３９にも接続穴を成形するようにする。

発明者らは、プリプレグ１１の熱可塑性樹脂及び射出材料をＰＰ（ポリプロピレン）として実施例１の複数の構造体５３を成形し、各構造体５３によって格子状の接合構造体８３を製造した。この接合構造体８３は、バッテリケースの蓋部材として、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れた。

以上において、本発明を参考例及び実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記参考例及び実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、参考例及び実施例１、２では、図１（Ａ）に示す四角柱形状のロッド状のプリプレグ１１を採用したが、図１（Ｂ）に示す円柱形状のロッド状のプリプレグ１３を採用してもよい。このプリプレグ１３も、母材１３ａ内に長さ方向のみに延びる複数本の炭素繊維１３ｂを有している。また、図１（Ｃ）に示すシート状のプリプレグ１５を採用してもよい。このプリプレグ１５も、母材１５ａ内に長さ方向のみに延びる複数本の炭素繊維１５ｂを有している。

また、実施例１、２では、プリプレグ１１又は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの底面を除く５面に射出材料３９を設けたが、プリプレグ１１又は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの全面に射出材料を設けたり、特定の部分だけに射出材料を設けてもよい。

また、本発明によれば、軽量、高強度、高耐熱性かつ高耐摩耗性の部品等を製造するため、プリプレグの熱可塑性樹脂をローメルトのＰＡＥＫとし、射出材料をＰＥＥＫとし、スーパーエンジニアリングプラスチックを用いた構造体や接合構造体を得ることができる。

なお、上記第１、２プリプレグ１１、１３、１５は、長さ方向のみに延びる炭素繊維１１ｂ、１３ｂ、１５ｂを有するが、長さ方向に延びつつ、旋回する炭素繊維を有していてもよい。

本発明は、自動車、航空機、宇宙船、船舶、列車、建築物等の分野における部品等に利用可能である。

１１ａ、１３ａ、１５ａ…母材（第１母材、第２母材）
１１ｂ、１３ｂ、１５ｂ、７１ｅ…炭素繊維（第１炭素繊維、第２炭素繊維、７１ｅ…第４炭素繊維）
１１、１３、１５…プリプレグ（１１ｆ…第１プリプレグ、１１ｓ…第２プリプレグ）
２３、３５、４３…第１型
Ｃ…キャビティ
２５、３７、４５…第２型
２７ａ…先端部
２７…ニードル
ＳＡ…特定範囲
５１ａ、５３ａ、５５ａ…接続穴
５１、５３、５５…構造体
３９…射出材料
６１ａ…挿入穴
６１…相手材
７１…リベット
８１、８３…接合構造体

Claims

第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向のみに延びる複数本の第１炭素繊維を有し、前記第１炭素繊維の延びる第１方向に長いロッド状の第１プリプレグと、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向のみに延びる複数本の第２炭素繊維を有し、前記第２炭素繊維の延びる第２方向に長いロッド状の第２プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルと、第３熱可塑性樹脂を含み、前記キャビティ内に射出される射出材料とを準備する準備工程と、
前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるとともに、前記第１方向と前記第２方向とが交差する特定範囲において、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向で重なるように、前記キャビティ内に前記第２プリプレグを設けるセット工程と、
前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
前記型締め工程中又は前記型締め工程後、前記特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程と、
前記穴開け工程中又は前記穴開け工程後、前記キャビティ内に前記射出材料を射出する射出工程とを備え、
前記第３熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂よりも融点が高く、
前記射出工程では、前記接続穴に前記ニードルを残しつつ前記射出材料を射出することを特徴とする構造体の成形方法。
前記穴開け工程を常温で行う請求項１記載の構造体の成形方法。
前記穴開け工程では、前記特定範囲の前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱する請求項１記載の構造体の成形方法。
前記型締め工程中、前記キャビティ内で前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグを一体にするように加圧する加圧工程を備えている請求項１乃至３のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
前記加圧工程では、前記特定範囲の前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱する請求項４記載の構造体の成形方法。
前記ニードルは、第４熱可塑性樹脂からなる第４母材内に１方向に延びる複数本の第４炭素繊維を有し、前記第４炭素繊維の延びる前記第３方向に長い請求項１乃至５のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
前記セット工程では、前記第１方向と前記第２方向とを直交させる請求項１乃至６のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
前記ニードルは、前記第１型及び／又は前記第２型に移動可能に設けられている請求項１乃至７のいずれか１項記載の構造体の成形方法。