(57)【要約】      （修正有）【課題】筒状部材を曲げ加工して得られた金属部品に対して、繊維強化樹脂材による補強効果を充分発揮することができる複合部材の製造方法を提供する。【解決手段】まず、長手方向に沿って凹部が形成された金属部材を、凹部の開口部側に屈曲するように曲げ加工することにより、金属部品２を作製する。次に、平板状の金属板を準備する。次に、金属板を金属部品２の凹部２４の開口部２５を覆う形状に曲げ加工することにより金属板３を作製する。金属板３の表面に、一方向に配向した強化繊維５ａを含む繊維基材５ｂに未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材を貼着し、熱硬化性樹脂を熱硬化させて、補強材６を作製する。次に、金属部品２の開口部２５を覆うように、補強材６の金属板３を接合する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部品と、前記金属部品を補強する繊維強化樹脂材とを備えた筒状の複合部材の製造方法であって、
長手方向に沿って凹部が形成された金属部材を、前記凹部の開口部側に屈曲するように曲げ加工することにより、前記金属部品を作製する工程と、
前記金属部品の凹部の開口部を覆う形状の金属板の表面に、一方向に配向した強化繊維を含む繊維基材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材を貼着した後、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、補強材を作製する工程と、
前記金属部品の前記開口部を覆うように、前記補強材の前記金属板を接合する工程と、を含むことを特徴とする複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
金属部品と、前記金属部品を補強する繊維強化樹脂材とを備えた筒状の複合部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属部品に、強化繊維に高分子樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材を貼着して、金属部品を補強した複合部材が製造される。このような複合部材として、特許文献１には、アルミニウム合金製の筒状部材に対して曲げ荷重が作用することを想定し、この筒状部材の表面のうち、曲げ荷重の作用する側の表面に、繊維強化樹脂材を配置した複合部材が開示されている。この複合部材を製造する際には、金属部品の表面に、繊維強化樹脂材が接着剤等を介して直接貼着される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２９６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、上述した筒状部材を曲げ加工して得られた金属部品９を補強するために、一方向に配向された強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材９５を貼着し、この熱硬化性樹脂を熱硬化させることがある。しかしながら、内側に曲げられた金属部品９の外壁部９１に、未硬化の熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂材９５を貼り付けて、熱硬化性樹脂を熱硬化させても、金属部品９が十分に補強されないことがあった。
【０００５】
これは、曲げ加工時に、曲げ方向の内側の筒状部材の外壁部９１に対して、長手方向に圧縮応力が作用するため、図６（ｃ）に示すように、得られた金属部品９の外壁部９１が波打つように変形し、外壁部９１の表面に凹部９１ａと凸部９１ｂが交互に形成されるからであると考えられる。この凹部９１ａと凸部９１ｂが交互に形成された表面に、繊維強化樹脂材９５を貼り付けると、一方向に配向された強化繊維も、この凹部および凸部に倣うようにうねってしまう。この結果、強化繊維の配向が乱れ、本来期待されていた強化繊維による補強効果を十分に得ることができないと考えられる。
【０００６】
本発明は、この点を鑑みてなされたものであり、曲げ加工して得られた金属部品に対して、繊維強化樹脂材による補強効果を充分発揮することができる複合部材の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を鑑みて、本発明に係る複合部材の製造方法は、金属部品と、前記金属部品を補強する繊維強化樹脂材とを備えた筒状の複合部材の製造方法であって、長手方向に沿って凹部が形成された金属部材を、前記凹部の開口部側に屈曲するように曲げ加工することにより、前記金属部品を作製する工程と、前記金属部品の凹部の開口部を覆う形状の金属板の表面に、一方向に配向した強化繊維を含む繊維基材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材を貼着した後、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて、補強材を作製する工程と、前記金属部品の前記開口部を覆うように、前記補強材の前記金属板を接合する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、長手方向に沿って凹部が形成された金属部材を、凹部の開口部側に屈曲するように曲げ加工することにより、金属部品を作製するので、筒状の金属部材を曲げ加工した際の外壁部の波打つような変形は生じない。
【０００９】
そして、補強材を作製する工程では、繊維強化樹脂材が貼着される金属板の表面は、曲げ加工時のような波打ちの無い平滑な表面であるので、繊維強化樹脂材に含まれる強化繊維の配向性が損なわれることはない。
【００１０】
このような補強材を用いて、金属部品の開口部を覆うように補強材の金属板を接合すると、金属部品と金属板とにより、金属製の筒状体が形成され、この筒状体の表面に繊維強化樹脂材は配置された複合部材を得ることができる。得られた複合部材は、曲げ加工して得られた金属部品に対して、繊維強化樹脂材による補強効果を充分発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る複合部材の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図２】図１に示す金属部品作製工程を説明するための模式的概念図である。
【図３】図１に示す金属板作製工程を説明するための模式的斜視図である。
【図４】図１に示す補強材作製工程を説明するための模式的概念図である。
【図５】図１に示す接合工程を説明するための模式的概念図である。
【図６】従来の複合部材の製造方法を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、金属部品の曲げ加工により得られた金属部品の模式的斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す金属部品に繊維強化樹脂材を貼着して得られた複合部材の模式的斜視図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明のいくつかの実施形態を図１〜５を参照しながら説明する。
本実施形態では、図５の下図に示すように、金属部品２と、金属部品２を補強する繊維強化樹脂材５とを少なくとも備えた複合部材１を製造する。
【００１３】
１．金属部品作製工程Ｓ１について
まず、金属部品作製工程Ｓ１を行う。この工程では、補強される部品として、長手方向と直交する断面がコの字状の金属部品２を作製する。具体的には、図２の上図に示すように、長手方向に沿って平板状の外壁部２１Ａ〜２３Ａが延在した金属部材２Ａを準備する。
【００１４】
本実施形態では、金属部材２Ａは、対向した一対の外壁部２１Ａ、２３Ａを側壁部とし、これらに連続した外壁部２２Ａを底壁部とした金属製のチャンネル材である。金属部材２Ａは、金属部材２Ａの長手方向に沿って凹部２４が形成され、外壁部２２Ａと対向した位置に、凹部２４Ａの開口部２５Ａが形成されている。
【００１５】
準備される金属部材２Ａは、金属材料からなり、その材料としては、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などを挙げることができ、本実施形態では、アルミニウム合金である。アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金などを挙げることができる。
【００１６】
次に、図２の下図に示すように、外壁部２２Ａを曲げ方向の外側にして、凹部２４Ａの開口部２５Ａ側に屈曲するように、準備した金属部材２Ａを曲げ加工し、金属部品２を作製する。本実施形態では、金属部材２Ａの両側を曲げ加工する。
【００１７】
これにより、両側が屈曲した金属部品２であって、外壁部２１、２３を側壁部とし、外壁部２２を底壁部とし、長手方向に沿って凹部２４が形成された金属部品２を得ることができる。底壁部となる外壁部２２は、凹部２４の開口部２５に対向した位置に形成される。このように、本実施形態では、筒状の金属部材を曲げ加工した際に生じる外壁部の波打つような変形はない（たとえば図６（ｃ）参照）。
【００１８】
２．金属板作製工程Ｓ２について
次に、金属板作製工程Ｓ２を行う。この工程では、後述する接合工程Ｓ４において、金属部品２の凹部２４の開口部２５を覆う形状の金属板３を作製する。本実施形態では、図３に示すように、平板状の金属板３Ａを準備し、この金属板３Ａを、金属部品２の開口部２５を覆う形状に曲げ加工する。
【００１９】
金属板３は、後述する強化繊維の配向を乱さず、開口部２５を覆うように金属部品２に接合することができるものであれば、その大きさ、厚さ、およびその材料は特に限定されるものではない。
【００２０】
金属板３の材料は、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などを挙げることができるが、本実施形態では、アルミニウム合金であり、アルミニウム合金としては、金属部材２Ａにおいて例示した材料を挙げることができる。金属板３の材料を、アルミニウム合金とすることにより、アルミニウム合金からなる金属部品２に対する金属板３の接合性を高めることができる。なお、後述する強化繊維が炭素繊維である場合、金属板３の表面のうち、繊維強化樹脂材５が貼着される表面に、強化繊維が接触しないように、防食用の電着塗装を施してもよい。
【００２１】
３．補強材作製工程Ｓ３について
次に、補強材作製工程Ｓ３を行う。この工程では、まず、図４に示すように、作製した金属板３の表面に、熱硬化型の接着剤４Ａを介して、繊維強化樹脂材５Ａを貼着する。繊維強化樹脂材５Ａは、一方向に配向された強化繊維５ａを含む繊維基材５ｂに、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグである。
【００２２】
より具体的には、金属部品２を補強する際に、強化繊維５ａが、金属部品２の長手方向に沿って配向されるように、金属板３の表面に、繊維強化樹脂材５Ａを貼着する。しかしながら、たとえば、強化繊維５ａが一方向に配向されていれば、強化繊維５ａが、金属部品２の長手方向に交差するように配向されていてもよい。
【００２３】
次に、繊維強化樹脂材５Ａを貼着した後、繊維強化樹脂材５Ａを加熱することにより、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。このとき、接着剤４Ａも合わせて硬化させる。これにより、接着層４を介して繊維強化樹脂材５を金属板３に貼着させた補強材６を得ることができる。
【００２４】
本実施形態では、金属板３の表面は、外壁部２１の表面の如き凹部と凸部が交互に形成された表面ではなく、平滑な表面であるため、この表面に貼着される繊維強化樹脂材５Ａの強化繊維５ａはうねることなく、その配向は乱れることがない。
【００２５】
また、金属板３の貼着される面が平坦面（単純な表面）であるため、金属板３と繊維強化樹脂材５Ａとの間に空気が入り込み難く、繊維強化樹脂材５Ａの内部にボイドが形成され難い。
【００２６】
このようにして、強化繊維５ａの配向を確保した状態で、繊維強化樹脂材５Ａの界面および内部にボイドがほとんどない状態で、熱硬化性樹脂を熱硬化させるので、強化繊維５ａによる補強効果の高い補強材６を得ることができる。
【００２７】
ここで、繊維基材５ｂは、一方向に配向された強化繊維を含むものであれば、平織、綾織、または朱子織された織物基材であってもよい。本実施形態では、繊維基材５ｂは、金属部品２の長手方向に沿って強化繊維５ａが配向されるように、引き揃えられた強化繊維５ａからなってもよく、それを一部に含んでいてもよい。
【００２８】
強化繊維５ａとしては、たとえば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができ、本実施形態では、強化繊維５ａは、炭素繊維である。
【００２９】
繊維基材５ｂに含浸される熱硬化性樹脂としては、たとえばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、尿素系樹脂、シリコーン系樹脂、マレイミド系樹脂、ビニルエステル系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、シアネート系樹脂、又はポリイミド系樹脂等の樹脂を挙げることができる。本実施形態では、熱硬化性樹脂は、エポキシ系樹脂である。
【００３０】
また、接着剤４Ａは熱硬化型の接着剤であり、繊維強化樹脂材５Ａの観点から、繊維基材５ｂに含浸させる樹脂と同種の樹脂が好ましい。接着剤４Ａの代わりに接着シートを用いてもよい。本実施形態では、金属板３は、アルミニウム合金からなるため、炭素繊維からなる強化繊維５ａが金属板３に直接接触しないように、接着剤４Ａを配置することが好ましい。これにより、アルミニウム合金と炭素との接触を回避し、アルミニウム合金のガルバニック腐食を抑えることができる。
【００３１】
なお、このような腐食が発生しないように、金属板３の材料と強化繊維５ａの材料とが選択され、金属板３に、繊維強化樹脂材５Ａを直接貼着することができるのであれば、接着剤４Ａを設けなくてもよい。たとえば、金属板３が鋼製である場合には、強化繊維５ａが炭素繊維であっても、このような腐食を回避することができる。
【００３２】
４．接合工程Ｓ４について
次に、接合工程Ｓ４を行う。この工程では、図５に示すように、金属部品２に補強材６を接合する。具体的には、金属部品２の開口部２５を覆うように、補強材６の金属板３を接合する。本実施形態では、補強材６の金属板３で外壁部２１及び２３の一部の表面を覆い、金属板３の周縁に沿って、連続的に金属板３と外壁部２１とにアーク溶接などの溶接を行う。
【００３３】
これにより、図５の下図に示すように、金属板３は、その周縁において、溶接部８を介して外壁部２１、２３に接合された複合部材１を得ることができる。複合部材１には、金属部品２と金属板３とにより、金属製の筒状体が形成され、この筒状体の表面に繊維強化樹脂材５が配置される。なお、本実施形態では、金属板３の周縁に沿って連続的に溶接したが、金属板３の周縁に沿ってスポット的に溶接してもよい。
【００３４】
本実施形態では、金属部品２に繊維強化樹脂材５を直接貼着するのではなく、平滑な表面を有した金属板３に繊維強化樹脂材５を貼り付けて熱硬化させるため、強化繊維５ａの配向性を保った状態の補強材６で、金属部品２を補強することができる。
【００３５】
したがって、金属部品２の長手方向に沿って、強化繊維５ａが蛇行することなく、配向性の高い強化繊維５ａを配置することができる。この結果、補強材６による金属部品２の補強効果を高めることができる。
【００３６】
さらに、補強材６の作製の際に、熱硬化性樹脂を熱硬化させるので、熱硬化時の熱影響を金属部品２が受けることはない。したがって、金属部品２が、アルミニウム合金からなる場合、この熱硬化時の熱によりアルミニウム合金が過時効により、強度低下することはない。
【００３７】
さらに、補強材６の金属板３と、金属部品２とを溶接により接合するため、金属材料同士の接合になり、金属板３と外壁部２１、２３との接合強度を高めることができる。なお、本実施形態では、金属板３と、金属部品２とを溶接により接合したが、たとえば、リベット、ネジ、またはボルトなどの部材を介してこれらを接合してもよい。
【００３８】
また、通常、金属部品に繊維強化樹脂材を直接貼着する場合、金属部品のアルミニウム合金と炭素繊維の炭素とが接触すると、アルミニウム合金のガルバニック腐食が懸念されるため、金属部品の表面に、電着塗装などの塗装を行わなければならない。しかしながら、本実施形態では、金属板３を介して繊維強化樹脂材５を金属部品２に接合するため、このような塗装をしなくてもよい。特に、金属部品に電着塗装を行うと、金属部品のアルミニウム合金も加熱され、過時効による金属部品の強度低下が懸念されるところ、本実施形態では、このような強度低下を防止することができる。
【００３９】
実施形態で得られた複合部材１は、たとえば、自動車のバンパーリインフォースメントやドアのインパクトビームに用いることができる。
【００４０】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１：複合部材、２：金属部品、２Ａ：金属部材、３：金属板、４：接着層、４Ａ：接着剤、５：（熱硬化後の）繊維強化樹脂材、５Ａ：（熱硬化前の）繊維強化樹脂材、６：補強材、８：溶接部
【図１】
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【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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