(57)【要約】【課題】軽量化、製造コストの低減、強度の向上を図ることができると共に、大量生産が可能で、材料が安価であり、又、複雑な形状の成形が可能な繊維強化樹脂構造部材及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】樹脂と繊維の複合材からなる繊維強化樹脂構造部材１であって、内層部２を、繊維構造体に熱可塑性樹脂を含浸した芯材で構成し、この内層部２の周囲を覆う外層部３を、長繊維を含有する熱可塑性樹脂から構成した繊維強化樹脂構造部材１。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂と繊維の複合材からなる繊維強化樹脂構造部材であって、
内層部を、繊維構造体に熱可塑性樹脂を含浸した芯材で構成し、該内層部の周囲を覆う外層部を、長繊維を含有する熱可塑性樹脂から構成したことを特徴とする繊維強化樹脂構造部材。
【請求項２】
前記繊維の前記熱可塑性樹脂に対する含有比率は、前記繊維強化樹脂構造部材の外表面から板厚の中心部に向かって前記繊維の含有率が増大することを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂構造部材。
【請求項３】
前記外層部の熱可塑性樹脂に金属又は鉱物の粉末が混合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂構造部材。
【請求項４】
前記繊維構造体及び前記長繊維は、炭素繊維であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の繊維強化樹脂構造部材。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一つに記載の繊維強化樹脂構造部材の製造方法であって、
予め所定の形状に成形した前記芯材である前記内層部を成形型内に配置し、前記外層部を構成する前記長繊維を含有する熱可塑性樹脂を前記成形型内に射出して成形することを特徴とする繊維強化樹脂構造部材の製造方法。
【請求項６】
前記内層部を前記成形型内に配置する際に、前記内層部を前記成形型に対して固定する固定手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載の繊維強化樹脂構造部材の製造方法。
【請求項７】
前記外層部の射出成形は、前記成形型の固定型、可動型の略対向する位置に設けた少なくとも一対の吐出口から、前記内層部の両側に、前記長繊維を含有する溶融した前記熱可塑性樹脂を射出することにより成形したことを特徴とする請求項５又は６に記載の繊維強化樹脂構造部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維で強化された繊維強化樹脂構造部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から自動車のパワートレインの筐体等の構造部材は、アルミダイキャスト製法により製造されていたが、更なる、軽量化とコスト低減が自動車業界の課題と要求であり、現状のアルミ素材では、製造プロセスの変革と軽量化は限界に近いものである。
【０００３】
そこで、軽量化やコスト低減を図るものとして、特許文献１に記載されたように、繊維強化樹脂よりなる積層構造体が提案されている。このような繊維強化樹脂を射出成形したものは、アルミダイキャストより軽量化が図られると共に、機械加工等の後工程が必要なく製造コストを低減できる。
【０００４】
しかし、このようなものにあっては、３割程度の軽量化にとどまると共に、自動車部品等の比較的大きな荷重がかかるものにおいては、強度が十分とは言い難かった。
【０００５】
そこで、より軽量化を図ることができると共に、強度の向上を図ることができるものとして熱硬化性炭素繊維強化プラスチックが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０７７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような熱硬化性炭素繊維強化プラスチックにあっては、大量生産が難しいと共に、材料が高価であり、又、複雑な形状の成形が難しい、という問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる従来の技術に鑑み、軽量化、製造コストの低減、強度の向上を図ることができると共に、大量生産が可能で、材料が安価であり、又、複雑な形状の成形が可能な繊維強化樹脂構造部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、樹脂と繊維の複合材からなる繊維強化樹脂構造部材であって、内層部を、繊維構造体に熱可塑性樹脂を含浸した芯材で構成し、該内層部の周囲を覆う外層部を、長繊維を含有する熱可塑性樹脂からなる繊維強化樹脂構造部材としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記繊維の前記熱可塑性樹脂に対する含有比率は、前記繊維強化樹脂構造部材の外表面から板厚の中心部に向かって前記繊維の含有率が増大することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記外層部の熱可塑性樹脂に金属又は鉱物の粉末が混合されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の構成に加え、前記繊維構造体及び前記長繊維は、炭素繊維であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一つに記載の繊維強化樹脂構造部材の製造方法であって、予め所定の形状に成形した前記芯材である前記内層部を成形型内に配置し、前記外層部を構成する前記長繊維を含有する熱可塑性樹脂を前記成形型内に射出して成形する繊維強化樹脂構造部材の製造方法としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の構成に加え、前記内層部を前記成形型内に配置する際に、前記内層部を前記成形型に対して固定する固定手段を設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の構成に加え、前記外層部の射出成形は、前記成形型の固定型、可動型の略対向する位置に設けた少なくとも一対の吐出口から、前記内層部の両側に、前記長繊維を含有する溶融した前記熱可塑性樹脂を射出することにより成形したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載された発明によれば、内層部は繊維構造体に熱可塑性樹脂を含浸した芯材で構成し、外層部は長繊維を含有する熱可塑性樹脂からなるため、軽量化、製造コストの低減、強度の向上を図ることができると共に、大量生産が可能で、材料が安価であり、又、複雑な形状の成形を行うことができる。
【００１７】
請求項２に記載された発明によれば、繊維の熱可塑性樹脂に対する含有比率は、繊維強化樹脂構造部材の外表面から板厚の中心部に向かって繊維の含有率が増大しているため、強度、剛性を向上させることができる。
【００１８】
請求項３に記載された発明によれば、外層部の熱可塑性樹脂に金属又は鉱物の粉末が混合されているため、表面には長繊維が露出せず、金属又は鉱物の粉末が表れることから、この金属又は鉱物の粉末を調整することにより、外観の色等を調整できる。
【００１９】
請求項４に記載された発明によれば、内層部及び外層部には、炭素繊維を用いているため、他の繊維と比べ軽量で効果的に強度を確保できる。
【００２０】
請求項５に記載された発明によれば、内層部の周囲に、外層部を構成する長繊維を含有する熱可塑性樹脂を成形型内に射出して成形したため、容易に繊維強化樹脂構造部材を成形できる。
【００２１】
請求項６に記載された発明によれば、固定手段を設けることにより、内層部を容易に成形型内に安定的に配設できる。
【００２２】
請求項７に記載された発明によれば、外層部の射出成形は、固定型、可動型の略対向する位置に設けた少なくとも一対の吐出口から、内層部の両側に、長繊維を含有する溶融した熱可塑性樹脂を射出するようにしたため、内層部の全周に容易に溶融樹脂を行き渡らせることができると共に、この外層部の肉厚を薄く均一に成形することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂構造部材である自動車用ギヤボックスを示す斜視図である。
【図２】同実施の形態に係る繊維強化樹脂構造部材の断面図である。
【図３】同実施の形態に係る成形品である繊維強化樹脂構造部材の断面における板厚中心方向と炭素繊維の含有率との関係を示すグラフ図である。
【図４】同実施の形態に係る芯材を成形するプレス型等を示す正面図である。
【図５】同実施の形態に係る繊維強化樹脂構造部材の成形状態を示す成形型等の断面図である。
【図６】同実施の形態に係る成形型を離型した状態の断面図である。
【図７】同実施の形態に係る繊維長と繊維強化効果係数との関係を示すグラフ図である。
【図８】同実施の形態に係る炭素繊維含有率と引張強さとの関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１乃至図８は、本発明の実施の形態に係る図である。
【００２６】
この実施の形態に係る繊維強化樹脂構造部材１は、図１に示すように、自動車用ギヤボックスで、樹脂と繊維の複合材からなる樹脂構造部材であって、図２に示すように、内層部２と、この内層部２の周囲を覆うように成形された外層部３とから構成されている。
【００２７】
その内層部２は、繊維構造体に熱可塑性樹脂を含浸した芯材で構成され、又、外層部３は、長繊維を含有する熱可塑性樹脂から構成されている。この内層部２及び外層部３の熱可塑性樹脂としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ），ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等が用いられる。ここでは、内層部２と外層部３との熱可塑性樹脂が密着性を確保するため同じ材質で形成されているが、これに限らず、密着性を確保できるものであれば、他の材質でも良い。
【００２８】
その繊維構造体及び長繊維は、この実施の形態では炭素繊維であるが、これに限らず、ガラス、ステンレス、ケプラー等の繊維でも良く、又、その繊維構造体は、織布、不織布或いは網等でも良い。
【００２９】
また、その炭素繊維の熱可塑性樹脂に対する含有比率は、繊維強化樹脂構造部材１の外表面から板厚の中心部に向かって炭素繊維の含有率が増大するように成形されている。すなわち、図３には、成形品である繊維強化樹脂構造部材１の断面における板厚中心方向と炭素繊維の含有率との関係を示す。この図によれば、繊維強化樹脂構造部材１の外層部３の表面は、炭素繊維の含有率が０％で、ここから板厚中心に向かうに従って急激に４０％まで増加し、４０％で暫く安定し、その後、４０％から６０％まで変化し、内層部２（成形品の中間層）では６０％の含有率となっている。
【００３０】
さらに、その外層部３の熱可塑性樹脂には、金属（例えばアルミ、銅、鉄等）又は鉱物（例えばサファイヤ等）の粉末が混合されており、図示は省略されているが、表面には炭素繊維が表れていない代わりに、その金属又は鉱物の粉末が表れている。
【００３１】
次に、かかる構成より成る繊維強化樹脂構造部材１の製造方法について説明する。
【００３２】
まず、内層部２（芯材）を成形するには、図４に示すように成形する。
【００３３】
すなわち、「繊維構造体」として複数の炭素繊維織布４と複数の熱可塑性樹脂シート５とを積層して、プレス型７の下型８と上型９との間にセットする。この状態から下型８及び上型９を所定の温度まで加熱して、その積層した炭素繊維織布４と複数の熱可塑性樹脂シート５とをプレスする。これにより、熱可塑性樹脂シート５が溶融して炭素繊維織布４に含浸され、所定の形状に賦形され、内層部２（芯材）の成形が完了する。
【００３４】
次に、この内層部２（芯材）を図５及び図６に示すような成形型１１にセットして、この内層部２の周囲に炭素繊維が混入した熱可塑性樹脂を射出して外層部３を形成する。
【００３５】
まず、その成形型１１について説明すると、その成形型１１は、成型機の固定側１２に固定された固定型１３と、可動側１４に固定された可動型１５とを有し、これら固定型１３と可動型１５には、それぞれ溶融樹脂が流れるホットランナー１３ａ，１５ａが設けられている。
【００３６】
それらホットランナー１３ａ，１５ａには、それぞれ中央通路１３ｂ，１５ｂとこの中央通路１３ｂ，１５ｂから分岐し射出空間（キャビティ）まで延びる分岐通路１３ｃ，１５ｃとを有している。その固定型１３のホットランナー１３ａの中央通路１３ｂは、図中右側の一端部から溶融された熱可塑性樹脂が流入するようになっており、図中左側の他端部には開閉バルブ１３ｄが配設されている。また、その可動型１５のホットランナー１５ａの中央通路１５ｂは、図中右側の一端部に開閉バルブ１５ｄが設けられ、その固定型１３のホットランナー１３ａの中央通路１３ｂと、図５に示すような型締め状態で連通するようになっている。
【００３７】
また、その固定型１３のホットランナー１３ａの分岐通路１３ｃは、先端部の吐出口が、収容された内層部２の右側に臨み、又、その可動型１５のホットランナー１５ａの分岐通路１５ｃは、先端部の吐出口が、収容された内層部２の左側に臨むようになっている。そして、それら各分岐通路１３ｃ，１５ｃの先端部には、それぞれ開閉バルブ１３ｅ，１５ｅが設けられている。これら固定型１３の吐出口と、可動型１５の吐出口とは、各型１３，１５の相対向する位置に設けられ、内層部２の両側にそれら吐出口から溶融樹脂を射出するようになっている。
【００３８】
さらに、この固定型１３及び可動型１５には、内層部２（芯材）を成型型１１に対して固定する「固定手段」としての保持機構１６が設けられている。この保持機構１６は、保持ピン１６ａが射出空間に対して出没するように設けられ、突出した状態で内層部２を保持ピン１６ａにより両側から挟持して固定するようになっている。この保持ピン１６ａは油圧、空圧やスプリング等により、突出され、又、射出された溶融樹脂の力により、保持ピン１６ａの先端側の一部が押されて没入されるようになっている。
【００３９】
このような成形型１１を用いて内層部２の周囲に外層部３を以下のように成形する。
【００４０】
まず、上述のように成形された内層部２を成形型１１の射出空間内に収容し、固定型１３及び可動型１５を型締めした状態で、保持機構１６の複数の保持ピン１６ａを油圧等により突出させて、内層部２を両側から挟持するようにして固定する。
【００４１】
この状態で、固定型１３及び可動型１５を加熱し、炭素繊維及び、金属又は鉱物の粉末が混入された溶融樹脂を固定型１３のホットランナー１３ａの中央通路１３ｂに流入させると共に、開閉バルブ１３ｄ，１５ｄを開くことにより、溶融樹脂を可動型１５のホットランナー１５ａの中央通路１５ｂに流入させる。
【００４２】
これと共に、各開閉バルブ１３ｅ，１５ｅを開くことにより、中央通路１３ｂ，１５ｂから分岐通路１３ｃ，１５ｃを介して射出空間内に溶融樹脂が射出される。この場合には、内層部２の両側の分岐通路１３ｃ，１５ｃの吐出口から溶融樹脂が内層部２の両側に射出されることにより、内層部２の周囲に溶融樹脂が射出されることとなる。
【００４３】
このように溶融樹脂を内層部２の両側に射出することにより、内層部２の全周に容易に溶融樹脂を行き渡らせることができると共に、この外層部３の肉厚を均一に薄く成形することもできる。例えば、内層部２の片側からのみ溶融樹脂を射出すると、内層部２の反対側まで樹脂が流れて行くようにする必要があり、内層部２の全周に容易に溶融樹脂を行き渡らせるのが容易でなく、又、溶融樹脂が硬化する前に内層部２の全周に溶融樹脂を行き渡らせるためには、肉厚を厚くする必要があることから、その外層部３の肉厚をそれ程、薄くできない。
【００４４】
この際には、射出された溶融樹脂の力により、保持ピン１６ａの先端側の一部が押されて没入されることにより、射出空間から保持ピン１６ａを退避させて、この保持ピン１６ａが存在していた所に溶融樹脂を行き渡らせることができる。
【００４５】
また、このように内層部２の全周に溶融樹脂を射出することにより、炭素繊維の熱可塑性樹脂に対する含有比率は、繊維強化樹脂構造部材１の外表面から板厚の中心部に向かって炭素繊維の含有率が増大することとなる。その外層部３の熱可塑性樹脂には、金属（例えばアルミ、銅、鉄等）又は鉱物（例えばサファイヤ等）の粉末が混合されており、図示は省略されているが、表面には炭素繊維が表れていない代わりに、その金属又は鉱物の粉末が表れることとなる。これは、成形型１１を加熱することにより、溶融樹脂が成形品表面（成形型１１と接触する部分）にまわることから、炭素繊維が表面に表れることなく、溶融樹脂に混入されている金属又は鉱物の粉末が表れるからである。
【００４６】
その後、この固定型１３及び可動型１５を冷却することにより、溶融樹脂を冷却して硬化させることで、内層部２の周囲を覆うように外層部３が成形される。次いで、可動型１５を移動させて、離型することにより、成形された繊維強化樹脂構造部材１を取り出すことにより、成形を完了する。
【００４７】
このような繊維強化樹脂構造部材１にあっては、内層部２は繊維構造体に熱可塑性樹脂を含浸した芯材で構成し、外層部３は長繊維を含有する熱可塑性樹脂からなるため、アルミダイキャストと比べ軽量化、製造コストの低減を図ることができると共に、従来の射出成形品と比べ強度の向上を図ることができ、熱硬化性樹脂の成形に比べ大量生産が可能で、材料が安価であり、又、複雑な形状の成形を行うことができる。
【００４８】
この場合の繊維長と繊維強化効果係数との関係を図７に示す。この図に示すように、繊維長が４ｍｍ程度まで、繊維強化効果係数が大きな伸びを示しており、強度が向上するように任意の繊維長のものを用いることとする。
【００４９】
また、炭素繊維の含有率と引張強さとの関係を図８に示す。この図に示すように、炭素繊維の含有率が増加すると引張強さが強くなるため、適当な含有率とする。
【００５０】
さらに、炭素繊維の熱可塑性樹脂に対する含有比率は、繊維強化樹脂構造部材１の外表面から板厚の中心部に向かって炭素繊維の含有率が増大しているため、強度、剛性を向上させることができる。
【００５１】
さらにまた、その外層部３の熱可塑性樹脂に金属又は鉱物の粉末が混合されているため、表面には長繊維が露出せず、金属又は鉱物の粉末が表れることから、この金属又は鉱物の粉末を調整することにより、外観の色等を調整できる。
【００５２】
また、内層部２及び外層部３には、炭素繊維を用いているため、他の繊維と比べ軽量で効果的に強度を確保できる。
【００５３】
さらに、内層部２の周囲に、外層部３を構成する長繊維を含有する熱可塑性樹脂を成形型１１内に射出して成形したため、容易に繊維強化樹脂構造部材１を成形できる。
【００５４】
さらにまた、保持機構１６を設けることにより、内層部２を容易に成形型１１内に安定的に配設できる。
【００５５】
また、外層部３の射出成形は、固定型１３、可動型１５の略対向する位置に設けた少なくとも一対の吐出口（分岐通路１３ｃ，１５ｃ）から、芯材（内層部２）の周囲に熱可塑性樹脂を射出するようにしたため、内層部２の周囲に肉厚の薄い外層部３を均一に成形することができる。
【００５６】
なお、上記実施の形態では、繊維強化樹脂構造部材１として自動車用ギヤボックスにこの発明を適用したが、これに限らず、強度や軽量化等を要求される構造部材であれば、他のものでも有効にこの発明を適用できる。
【００５７】
また、内層部２を成形型１１に対して固定する固定手段として、成形型１１側に保持機構１６を設けたが、これに限らず、内層部２に突起等の固定手段を設けることもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１…繊維強化樹脂構造部材
２…内層部
３…外層部
４…炭素繊維織布
５…熱可塑性樹脂シート
７…プレス型
８…下型
９…上型
11…成形型
13…固定型
13a…ホットランナー
13b…中央通路
13c…分岐通路
15…可動型
15a…ホットランナー
15b…中央通路
15c…分岐通路
16…保持機構（固定手段）
16a…保持ピン
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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