(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トポロジ最適化された内部構造及び前記内部構造を覆う面構造を有するコア部材と、
前記面構造の前記内部構造を覆う側とは反対の表面を覆うように接合された、樹脂を含む樹脂面材と、
を含み、
前記内部構造が金属で構成され、かつ前記面構造が樹脂で構成されている樹脂体。
【請求項２】
前記樹脂面材に含まれる前記樹脂は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である請求項１に記載の樹脂体。
【請求項３】
前記樹脂面材に含まれる前記樹脂は、繊維が添加された繊維強化樹脂である請求項１又は請求項２に記載の樹脂体。
【請求項４】
前記面構造は、表面に凹凸部を有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の樹脂体。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の樹脂体を製造する樹脂体の製造方法であって、
前記コア部材を作製する工程と、
前記面構造の表面を覆うように前記樹脂面材を接合する工程と、
を含む樹脂体の製造方法。
【請求項６】
前記接合する工程では、インサート成形により前記面構造の表面を覆うように前記樹脂面材を接合する請求項５に記載の樹脂体の製造方法。
【請求項７】
前記樹脂面材に含まれる前記樹脂は、熱可塑性樹脂であり、
前記接合する工程では、溶着により前記面構造の表面を覆うように前記樹脂面材を接合する請求項５に記載の樹脂体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂体及び樹脂体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光造形法や粉末造形法等を代表とする積層造形法によって内部にハニカム形状、または多面体形状が成形された中空コア材と、繊維強化プラスチック等の表裏面板よりなり、各種構造体として曲面成形に供される複次曲面成形用サンドイッチパネルが開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２２４９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の複次曲面成形用サンドイッチパネルでは、中空コア材の内部がハニカム形状等であり、面板と中空コア材とが線接着又は点接着となるため、面板の中空コア材に対する接合強度が不足するという問題がある。また、ハニカムの材質やサイズが限定され、さらに、全体の強度不足が懸念されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、接合強度に優れ、かつ高剛性及び高強度を有する樹脂体及びその樹脂体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】
【０００６】
請求項１に記載の樹脂体は、トポロジ最適化された内部構造及び前記内部構造を覆う面構造を有するコア部材と、前記面構造の前記内部構造を覆う側とは反対の表面を覆うように接合された、樹脂を含む樹脂面材と、を含み、前記内部構造が金属で構成され、かつ前記面構造が樹脂で構成されている。
【０００７】
上記構成によれば、コア部材は面構造を有し、面構造の表面を覆うように樹脂面材が接合されているため、樹脂面材とコア部材の面構造とが面接着により接合し、線接着又は点接着の場合と比較して、樹脂面材のコア部材に対する接合強度を高めることができる。さらに、コア部材は、トポロジ最適化された内部構造を有するため、コア部材を備える樹脂体は、高剛性及び高強度を有する。
【０００８】
請求項２に記載の樹脂体では、前記樹脂は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である。
【０００９】
上記構成によれば、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂面材と、コア部材とは、例えば、溶着、インサート成形などにより接合することができる。そのため、樹脂面材とコア部材との接合に接着剤は不要となり、樹脂体の軽量化及び製造コスト削減が可能である。
【００１０】
請求項３に記載の樹脂体では、前記樹脂は、繊維が添加された繊維強化樹脂である。
【００１１】
上記構成によれば、樹脂面材の強度をより高めることができる。
【００１２】
請求項４に記載の樹脂体では、前記面構造は、表面に凹凸部を有する。
【００１３】
上記構成によれば、アンカー効果により面構造と樹脂面材との接合強度をより向上させることができ、コア部材と樹脂面材と強固に一体化することができる。
【００１４】
請求項５に記載の樹脂体の製造方法は、前述の樹脂体を製造する樹脂体の製造方法であって、前記コア部材を作製する工程と、前記面構造の表面を覆うように前記樹脂面材を接合する工程と、を含む。
【００１５】
上記構成によれば、前記内部構造を覆う側とは反対の面構造の表面を覆うように樹脂面材が接合されるため、樹脂面材とコア部材の面構造とが面接着により接合され、線接着又は点接着の場合と比較して、樹脂面材のコア部材に対する接合強度の高い樹脂体を製造できる。さらに、作製されるコア部材は、トポロジ最適化された内部構造を有するため、高剛性及び高強度を有する樹脂体を製造できる。
【００１６】
請求項６に記載の樹脂体の製造方法は、前記接合する工程では、インサート成形により前記面構造の表面を覆うように前記樹脂面材を接合する。
【００１７】
上記構成によれば、コア部材と樹脂面材との接合に接着剤は不要となるため、工程作業時間の短縮が可能であり、さらに、樹脂体の軽量化及び製造コスト削減が可能である。
【００１８】
請求項７に記載の樹脂体の製造方法では、前記樹脂は、熱可塑性樹脂であり、前記接合する工程では、溶着により前記面構造の表面を覆うように前記樹脂面材を接合する。
【００１９】
上記構成によれば、コア部材と樹脂面材との接合に接着剤は不要となるため、工程作業時間の短縮が可能であり、さらに、樹脂体の軽量化及び製造コスト削減が可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、接合強度に優れ、かつ高剛性及び高強度を有する樹脂体及びその樹脂体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る樹脂体の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る樹脂体の製造方法における各工程を示す概略構成図である。
【図３】本発明の比較対象となる樹脂体の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の比較対象となる他の樹脂体の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［樹脂体］
以下、本発明の一実施形態に係る樹脂体について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る樹脂体の概略構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る樹脂体１０は、トポロジ最適化された内部構造１ａ及び内部構造１ａを覆う面構造１ｂを有するコア部材１と、面構造１ｂの表面を覆うように接合された、樹脂を含む樹脂面材２と、を含む。本実施形態に係る樹脂体１０では、コア部材１の内部構造１ａがハニカム構造ではなく、トポロジ最適化された構造となっている。内部構造がハニカム構造である樹脂体では、以下のような問題が生じるため好ましくない。
【００２３】
図３に、本発明の比較対象となる樹脂体の概略構成を示す断面図を示す。図３に示されている樹脂体２０は、内部構造がハニカム構造であるコア部材２１と、コア部材２１の表面を覆うようにコア部材２１と接合した樹脂面材２２と、を備える。
【００２４】
コア部材２１の内部構造がハニカム構造である場合、ハニカム構造を構成する材料及びサイズの仕様が限定されてしまうという問題がある。また、コア部材２１におけるハニカム構造と樹脂面材２２との接合が点接着又は線接着となり、樹脂体２０では樹脂面材２２のコア部材２１に対する接合強度が十分でないという問題がある。
【００２５】
また、コア部材２１の内部構造がハニカム構造である場合、曲げ、板厚方向への圧縮にはハニカム構造による断面効果が大きいが、剪断、板厚垂直方向への圧縮にはハニカム構造による断面効果が小さく、強度が不足する懸念がある。
【００２６】
また、コア部材２１におけるハニカム構造内に樹脂面材２２に含まれる樹脂が流入することにより、繊維強化樹脂を含む樹脂面材２２における樹脂含有割合が低下し、樹脂面材の強度が低下する。
【００２７】
次に、図４に、本発明の比較対象となる他の樹脂体の概略構成を示す断面図を示す。図４に示されている樹脂体３０は、内部構造がハニカム構造であるコア部材３１と、樹脂面材３２と、を備え、コア部材３１及び樹脂面材３２は、接着フィルム３３を介して接合されている。
【００２８】
接着フィルム３３を介して内部構造がハニカム構造であるコア部材３１と樹脂面材３２とを接合することにより、ハニカム構造内への樹脂面材３２に含まれる樹脂の流入は抑制される。しかしながら、接着フィルム３３を別途設ける必要があるため、作業工程数が増加し、また、接着フィルム３３を設けたことにより樹脂体３０の質量が増加するという問題がある。さらに、接着フィルム３３を設けた場合であっても、接着フィルム３３を介したコア部材３１におけるハニカム構造と樹脂面材３２との接合が点接着又は線接着となり、樹脂面材３２のコア部材３１に対する接合強度が十分であるとはいえない。
【００２９】
一方、本実施形態に係る樹脂体１０は、トポロジ最適化された内部構造１ａを有するコア部材１を備えており、この内部構造１ａが剛性及び強度を受け持つ。さらに、トポロジ最適化された内部構造１ａにより、剛性と軽量化とが両立されている。
【００３０】
さらに、トポロジ最適化された内部構造１ａは、ハニカム構造のように、材質、サイズの仕様が限定されず、樹脂体の用途に応じて内部構造を変更することができる。
【００３１】
本実施形態に係る樹脂体１０は、トポロジ最適化された内部構造１ａを覆う面構造１ｂを有するコア部材１を備えており、この面構造１ｂの表面を覆うように樹脂を含む樹脂面材２が接合される。コア部材１の面構造１ｂと、樹脂面材２とが面接着により接合するため、線接着又は点接着の場合と比較して、樹脂面材２のコア部材１に対する接合強度を高めることができる。
【００３２】
また、コア部材１と樹脂面材２との間に接着フィルムを設ける必要がないため、樹脂体１０を軽量化することができ、製造コストも低減できる。
【００３３】
また、コア部材１は、樹脂面材２との接合部が面構造となっているため、樹脂面材２に含まれる樹脂が内部構造１ａに流入することが抑制される。そのため、樹脂面材２に含まれる樹脂が、繊維強化樹脂である場合に、樹脂含有割合の低下が抑制され、樹脂面材２の強度を維持することができ、また、強度維持のために必要となる繊維の量も少なくすることができる。
【００３４】
また、本実施形態に係る樹脂体１０では、コア部材１の面構造１ｂの表面を覆うように樹脂面材２が接合されており、この樹脂面材２が圧縮荷重及び引っ張り荷重を受け持つ。
【００３５】
コア部材１を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の材料を使用可能である。例えば、樹脂、金属などが挙げられる。
【００３６】
コア部材１を構成する樹脂としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂などが挙げられる。
【００３７】
また、コア部材１を構成する樹脂には、機械的強度を向上させる点から繊維が添加されていてもよい。添加される繊維としては、例えば、アラミド繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等の樹脂繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維などが挙げられる。中でも、機械的強度をより向上させる点から、炭素繊維（ＣＦ）及びガラス繊維が好ましい。
【００３８】
コア部材１を構成する金属としては、アルミニウム、チタン、ニッケルなどが挙げられる。アルミニウム、チタン、ニッケル等の金属は、合金であってもよく、ニッケル合金としては、例えば、インコネルが挙げられる。
【００３９】
コア部材１における内部構造１ａ及び面構造１ｂは、同じ材料、例えば、同じ樹脂又は同じ金属で構成されていてもよく、それぞれ異なる材料で構成されていてもよい。例えば、内部構造１ａの強度向上、面構造１ｂと樹脂面材２との接合強度向上及び軽量化を図りつつ、面構造１ｂの板厚を大きくして断面二次モーメントを高める点から、コア部材１における内部構造１ａは、金属、例えば、アルミニウムで構成され、かつ、コア部材１における面構造１ｂは、樹脂で構成されていてもよい。断面二次モーメントを高めることで、樹脂体１０において、変位の抑制、耐久性の向上を図ることができる。
【００４０】
コア部材１における内部構造１ａ及び面構造１ｂを構成する材料としては、ＦＥＭ（有限要素法）を用いて組み合わせることで、より最適な（例えば、軽量で高強度、高剛性）な樹脂体１０を製造することができる。
【００４１】
面構造１ｂは、表面に凹凸部（ポーラス部）を有することが好ましい。アンカー効果により面構造１ｂと樹脂面材２との接合強度をより向上させることができ、コア部材１と樹脂面材２と強固に一体化することができる。凹凸部の形状としては、アンカー効果により面構造１ｂと樹脂面材２との接合強度を高めることができれば特に限定されず、深さ数μｍ程度の微細な凹凸であってもよい。
【００４２】
樹脂面材２に含まれる樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が挙げられる。コア部材１と、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂面材２とは、例えば、溶着、インサート成形などにより接合することができる。そのため、コア部材１と樹脂面材２との接合に接着剤は不要となり、樹脂体の軽量化及びコスト削減が可能である。
【００４３】
また、樹脂は、繊維が添加された強度が向上した繊維強化樹脂であることが好ましい。繊維の状態は特に限定されるものではなく、目的に応じて公知の状態の繊維を使用可能である。本実施形態において用いられる繊維の状態としては、例えば、織布及び不織布が挙げられる。
【００４４】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されるものではなく、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂が挙げられる。これらの中でも、ＰＡ樹脂及びＰＰ樹脂が好ましい。
【００４５】
また、熱可塑性樹脂は、繊維が添加された熱可塑性繊維強化樹脂であってもよい。熱可塑性繊維強化樹脂に含まれる繊維としては、特に限定されるものではなく、例えば、アラミド繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等の樹脂繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維などが挙げられる。これらの中でも、高い機械的強度を実現可能な炭素繊維が好ましい。
【００４６】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されるものではなく、例えば、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、エポキシ樹脂及びウレタン樹脂が挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂が好ましい。
【００４７】
また、熱硬化性樹脂は、繊維が添加された熱硬化性繊維強化樹脂であってもよい。熱硬化性繊維強化樹脂に含まれる繊維としては、特に限定されるものではなく、例えば、アラミド繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等の樹脂繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維などが挙げられる。これらの中でも、高い機械的強度を実現可能な炭素繊維が好ましい。
【００４８】
［樹脂体の製造方法］
以下、本実施形態に係る樹脂体１０を製造する製造方法の一実施形態について説明する。本実施形態に係る樹脂体１０の製造方法は、コア部材１を作製する工程と、面構造１ｂの表面を覆うように樹脂面材２を接合する工程と、を含む。
【００４９】
本実施形態に係る樹脂体１０の製造方法は、トポロジ最適化された内部構造１ａ及び内部構造１ａを覆う面構造１ｂを有するコア部材１を作製する工程を含む。トポロジ最適化された内部構造１ａを有するコア部材１は、例えば以下の手順で作製される。
【００５０】
まず、コア部材１を構成する材料にて設計領域を定める。定めた設計領域にて、ある方向に荷重を設定し、想定される荷重状態に対して材料が必要な箇所（剛性に寄与する箇所）と不必要な箇所（剛性にほとんど寄与しない箇所）を、有限要素法（ＦＥＭ）などを用いて求め、剛性（座屈荷重、変位など）を制約条件として質量最小化を目的とする最適化を図る。これにより、従来のハニカム構造よりも低体積、軽量、高強度及び高剛性を満たすトポロジ最適化された内部構造１ａのデータが短時間で得られる。さらに、ハニカム構造のように、材質、サイズの仕様が限定されず、樹脂体１０の用途に応じて内部構造１ａを変更することができる。
【００５１】
次に、トポロジ最適化された内部構造１ａのデータに基づき、トポロジ最適化による内部構造１ａを、例えば、３Ｄプリンタを用いて作製する。トポロジ最適化された内部構造１ａは、構造が複雑であるが、３Ｄプリンタを用いることでトポロジ最適化された内部構造１ａを有するコア部材を容易に作製することができる。
【００５２】
内部構造１ａを覆う面構造１ｂも、例えば、３Ｄプリンタを用いて作製すればよい。３Ｄプリンタを用いることで、トポロジ最適化された内部構造１ａを覆うように、閉断面構造を有する面構造１ｂを形成することが容易である。
【００５３】
コア部材１の作製にて３Ｄプリンタを用いる場合、トポロジ最適化された内部構造１ａのデータ及び面構造１ｂのデータを３Ｄプリンタに入力する。入力されたデータに基づき、３Ｄプリンタより出力してコア部材１を作製する。
【００５４】
また、トポロジ最適化された内部構造１ａを作製する方法としては、公知のトポロジ最適化解析方法及び解析装置を用いて、トポロジ最適化された内部構造１ａのデータを得た後、３Ｄプリンタにこのデータ及び面構造１ｂのデータを入力し、トポロジ最適化された内部構造１ａ及び面構造１ｂを備えるコア部材１を作製してもよい。
【００５５】
また、コア部材１を作製する工程では、面構造１ｂの表面に凹凸部を形成してもよい。面構造１ｂの表面に凹凸部を形成する方法としては、例えば、表面に凹凸を有する面構造１ｂを３Ｄプリンタにより形成する方法、放電処理により面構造１ｂに凹凸部を形成する方法、その他の公知の方法などが挙げられる。
【００５６】
本実施形態に係る樹脂体１０の製造方法は、コア部材１を作製した後、面構造１ｂの表面を覆うように樹脂面材２を接合する工程を含む。コア部材１における面構造１ｂと樹脂面材２とを接合することにより、樹脂体１０が得られる。
【００５７】
前述のように、樹脂面材２に含まれる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂が挙げられる。また、樹脂は、繊維が添加された強度が向上した繊維強化樹脂であることが好ましい。
【００５８】
樹脂面材２に含まれる樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合、接合する工程では、インサート成形により面構造１ｂの表面を覆うように樹脂面材２を接合することが好ましい。また、接合に際して、熱硬化性樹脂を硬化させてもよい。
【００５９】
インサート成形により、コア部材１と樹脂面材２とを接合するときに接着剤が不要であるため、工程作業時間の短縮が可能である。
【００６０】
樹脂面材２に含まれる樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、接合する工程では、溶着により面構造１ｂの表面を覆うように樹脂面材２を接合することが好ましい。
【００６１】
樹脂面材２に含まれる樹脂として熱可塑性樹脂を用いることにより、コア部材１と樹脂面材２とを接合するときに接着剤が不要であり、さらに、溶着により、コア部材１の面構造１ｂと樹脂面材２とを接合することができ、工程作業時間（タクトタイム）の短縮、接着剤不要による樹脂体の軽量化及び製造コスト削減が可能である。また、樹脂として熱可塑性樹脂を用いることにより、樹脂のリサイクルが可能である。
【００６２】
熱可塑性樹脂を含む樹脂面材２をコア部材１に溶着させて面構造１ｂの表面を覆うように樹脂面材２を接合する方法としては特に限定されるものではなく、公知の各種溶着方法が使用可能である。本実施形態において用いることのできる溶着方法としては、例えば、超音波溶着、振動溶着、誘導溶着、高周波溶着、レーザー溶着、熱溶着及びスピン溶着が挙げられる。
【００６３】
振動溶着は、溶着させるコア部材１及び樹脂面材２に対してプレス機等を用いて荷重をかけた状態で、コア部材１及び樹脂面材２の一方をコア部材１及び樹脂面材２の接触面に対して水平方向に振動させ、それによって発生する摩擦熱を利用して溶着する方法である。
【００６４】
超音波溶着は、超音波発振器によって電気エネルギーを振動エネルギーに変換し、この振動エネルギーを接触させた状態のコア部材１及び樹脂面材２の接触面に付与することで当該接触面に発生した摩擦熱を利用して溶着する方法である。
【００６５】
以下、熱溶着により本実施形態に係る樹脂体１０を製造するときの各工程について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る樹脂体の製造方法における各工程を示す概略構成図である。
【００６６】
図２（ａ）に示すように、まず、トポロジ最適化された内部構造１ａ及び面構造１ｂを有するコア部材１と、樹脂面材２と、を準備する。
【００６７】
次に、図２（ｂ）に示すように、型１１、１２にコア部材１及び樹脂面材２を配置する。そして、コア部材１と樹脂面材２とを圧着させながら、コア部材１と樹脂面材２との界面を、熱板、ＩＲ（infrared）、ＩＨ（induction heating）等にて加熱して、コア部材１と樹脂面材２とを接合する。
【００６８】
そして、図２（ｃ）に示すように、型１１、１２を用いてコア部材１及び樹脂面材２を加圧した状態で冷却する。これにより、図１及び図２（ｄ）に示すように、コア部材１及び樹脂面材２を備える樹脂体１０が得られる。
【００６９】
樹脂面材２に含まれる樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、コア部材１と樹脂面材２とを接合する方法としては、溶着に限定されず、型内のインサート成形を採用してもよい。インサート成形により、コア部材１と樹脂面材２とを接合するときに接着剤が不要であるため、工程作業時間の短縮、樹脂体の軽量化及び製造コスト削減が可能である。
【００７０】
本実施形態に係る樹脂体としては、特に限定されないが、例えば、アクセル、ブレーキなどのペダル部品、ロアアームなどシャーシのアーム部品、インジェクター保護カバーなどの自動車部品が挙げられる。
【符号の説明】
【００７１】
１              コア部材
１ａ            内部構造
１ｂ            面構造
２              樹脂面材
１０            樹脂体
１１、１２      型
２０、３０      樹脂体
２１、３１      コア部材
２２、３２      樹脂面材
３３            接着フィルム
【図１】
0006332248.tif 000002
【図２】
0006332248.tif 000003
【図３】
0006332248.tif 000004
【図４】
0006332248.tif 000005