JP6441969B2 - 複合材料製の構造部材及び複合材料製の構造部材の製造方法 - Google Patents

複合材料製の構造部材及び複合材料製の構造部材の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、複合材料製の構造部材及び複合材料製の構造部材の製造方法に関する。
近年、自動車の車体を始めとする構造体を構成する構造部材として、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等の繊維強化樹脂からなる立体形状の構造部材が使用されつつある。繊維強化樹脂からなる構造部材は、金属製の構造部材に比べて構造部材の軽量化を図ることができる。繊維強化樹脂からなる構造部材は、例えば、強化繊維に熱硬化性のマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化樹脂積層体を、オートクレーブ装置を用いて加熱及び加圧し、マトリックス樹脂を硬化させることにより製造される。
例えば、特許文献１には、コア部材の両面に炭素繊維等を含むＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）スキン板を配置したサンドイッチ構造体の端部同士を、締結部材を用いることなく接合したサンドイッチ構造体が開示されている。具体的に、特許文献１のサンドイッチ構造体では、両端部の表面にわたって延びるＦＲＰ連結層が設けられるとともに、突き合わせ端面間に樹脂拡散媒体を含む層が設けられている。
特開２０００−１０８２３２号公報
車両用の構造部材のように、高強度及び高剛性が求められる場合においては、脆弱な部分を形成されにくくするために、構造部材は閉断面構造とされることが望ましい。しかしながら、特許文献１に記載のサンドイッチ構造体は、平板状のサンドイッチパネルを接合する構造であって、複雑な外形の部品への適用は困難であり、多くの車両用の構造部材への適用が制限される。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、複雑な外形の構造部材にも適用可能な高強度の閉断面構造を有する複合材料製の構造部材及び複合材料製の構造部材の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、コア部材と、コア部材の周囲に配置されて中空を成すように互いに接合された複合材料製の複数の部材と、コア部材と複数の部材との間に、複数の部材同士の接合箇所をオーバーラップするように配置され、かつ、複数の部材とともに中空の複合材料構造部を形成する少なくとも１つの複合材料製シートと、を備えた、複合材料製の構造部材が提供される。
少なくとも１つの複合材料製シートは、構造部材の所定の断面においてコア部材の全周に亘って配置されてもよい。
少なくとも１つの複合材料製シートのうちの複数の部材同士の接合箇所をオーバーラップする一の複合材料製シートが、他の複合材料製シートに重なってもよい。
少なくとも１つの複合材料製シートは、複数の部材のうちの少なくとも１つの部材とコア部材との間の領域から複数の部材同士の接合界面に亘って配置されたシートを含んでもよい。
少なくとも１つの複合材料製シートは、複数の部材のうちの一の部材とコア部材との間に配置された第１の複合材料製シートと、複数の部材のうちの他の部材とコア部材との間に配置された第２の複合材料製シートと、第１の複合材料製シート及び第２の複合材料製シートに亘って配置された第３の複合材料製シートと、を含んでもよい。
少なくとも１つの複合材料製シートは、複数の部材のうちの一の部材とコア部材との間に配置された第１の複合材料製シートと、複数の部材のうちの他の部材とコア部材との間に配置され、かつ、端部が第１の複合材料製シートに重ねて配置された第２の複合材料製シートと、を含んでもよい。
少なくとも１つの複合材料製シートは、構造部材の所定の断面においてコア部材の全周に亘って配置された１枚の複合材料製シートを含んでもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、中空を成すように互いに接合し得る複合材料製の複数の部材を作製する工程と、複数の部材により形成され得る中空部に配置し得るコア部材を作製する工程と、コア部材の外周面であって、少なくとも複数の部材同士の接合箇所をオーバーラップする領域に複合材料製シートを積層する工程と、複合材料製シートが積層されたコア部材の周囲に複数の部材を積層し、複数の部材を接合して、積層構造体を作製する工程と、積層構造体を加熱及び硬化させる工程と、を含む、複合材料製の構造部材の製造方法が提供される。
以上説明したように本発明によれば、複雑な外形の構造部材であっても高強度の閉断面構造を形成することができる。
本実施形態に係る複合材料製の構造部材の一例のロアアームを示す斜視図である。 同実施形態に係る構造部材の一断面図である。 同実施形態にかかる構造部材の製造方法を示す説明図である。 同実施形態にかかる構造部材の製造方法を示す説明図である。 同実施形態にかかる構造部材の製造方法を示す説明図である。 同実施形態にかかる構造部材の製造方法を示す説明図である。 同実施形態にかかる構造部材の製造方法を示す説明図である。 同実施形態にかかる構造部材の製造方法を示す説明図である。 同実施形態の変形例に係る構造部材の断面図である。 同実施形態の変形例に係る構造部材の断面図である。 同実施形態の変形例に係る構造部材の断面図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。
＜１．複合材料製の構造部材＞
（１−１．ロアアームの基本構成例）
本実施形態に係る複合材料製の構造部材の一態様であるロアアーム２０の構成例について説明する。図１は、ロアアーム２０の一例を示す斜視図である。ロアアーム２０は、略Ｔ字状あるいはＬ字状の平面形状を有し、車体のサスペンションクロスメンバに連結される第１の基部２１と、車体のサイドフレームに連結される第２の基部２２と、ボールジョイントが連結され、揺動端とされる先端部２３とを有する。かかるロアアーム２０は、本体部１８と、第１の基部２１、第２の基部２２及び先端部２３に設けられた孔部１９ａ，１９ｂ，１９ｃと、孔部１９ａ，１９ｂ，１９ｃ内に配置された円筒部材２７，２８，２９とを有する。第１の基部２１、第２の基部２２、及び先端部２３は、それぞれアーム部２５ａ，２５ｂ，２５ｃの先端側に設けられる。
本体部１８は、例えば連続繊維を含む繊維強化樹脂シートを用いて成形された複合材料製の成形体である。また、本体部１８は、互いに接合された第１の半体１８ａと第２の半体１８ｂとを有する。第１の半体１８ａと第２の半体１８ｂとは、第１の基部２１、第２の基部２２、及び先端部２３を通過する平面に沿った接合面で接合されている。第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂは、図示しないコア部材の外周面に接合されている。つまり、第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂは中空を成すように接合され、中空部分に図示しないコア部材が備えられている。コア部材は、例えば発泡部材であってもよいし、ハニカム構造の部材であってもよい。
第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂは、例えば連続繊維を含む繊維強化樹脂シートからなる複合材料を用いて成形されている。連続繊維を含む繊維強化樹脂シートは、連続する繊維にマトリックス樹脂を含浸させて形成されるシートである。例えば、第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂは、複数枚の繊維強化樹脂シートを積層した積層体を、金型を用いて成形することにより作製され得る。複数枚の繊維強化樹脂シートを積層する際に、連続繊維の配向方向は一致していてもよく、異なっていてもよい。連続繊維の配向方向が一致している場合には、所定方向への引張荷重に対する耐性を向上させることができる。一方、連続繊維の配向方向が異なっている場合には、複数の方向への引張荷重に対する耐性を向上させることができる。
用いられる連続繊維としては、例えば炭素繊維が挙げられるが、他の繊維が用いられてもよく、さらには複数の繊維が組み合わせられて用いられてもよい。他の繊維としては、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、又はザイロン（登録商標）等が挙げられるが、かかる例に限られない。ただし、炭素繊維は、機械特性に優れていることから、強化繊維が炭素繊維を含むことが好ましい。
繊維強化樹脂のマトリックス樹脂には、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂などが例示される。
マトリックス樹脂としては、これらの熱可塑性樹脂うちの１種類、あるいは２種類以上の混合物を使用することができる。あるいは、マトリックス樹脂は、これらの熱可塑性樹脂の共重合体であってもよい。また、マトリックス樹脂をこれらの熱可塑性樹脂の混合物とする場合には相溶化剤を併用してもよい。さらには、マトリックス樹脂は、難燃剤としての臭素系難燃剤や、シリコン系難燃剤、赤燐等を含んでいてもよい。
この場合、使用される熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等の樹脂が挙げられる。中でも熱可塑性マトリックス樹脂が、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン及びフェノキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
また、マトリックス樹脂として使用可能な熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂などが例示される。マトリックス樹脂としては、これらの熱硬化性樹脂のうちの１種類、あるいは２種類以上の混合物を使用することができる。これらの熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂に使用する場合、熱硬化性樹脂に、適切な硬化剤や反応促進剤が添加されてもよい。
円筒部材２７，２８，２９には、図示しないブッシュが圧入される。円筒部材２７，２８，２９としては、例えば、金属製の円筒部材が用いられる。使用され得る金属としては、例えば、ステンレス鋼、鋳鉄、チタン、チタン合金等が挙げられるが、これらの金属に限られない。ロアアーム２０において、筒状の第１の基部２１に配置された円筒部材２７は、車両の前後方向に略一致する中心軸を有し、先端部２３の上下方向の揺動を可能にする。また、第２の基部２２に配置された円筒部材２８は、略鉛直方向に沿う中心軸を有し、先端部２３の水平方向の揺動を可能にする。なお、本発明に係る複合材料製の構造部材に、金属製の円筒部材２７，２８，２９は必須ではない。
このような構成を有するロアアーム２０には、車体への荷重や振動が伝達されるため、高い剛性及び強度が要求される。具体的に、ロアアーム２０の各部分には、圧縮荷重、引張荷重又は捻じり荷重が複合的に作用するため、ロアアーム２０は、これらの荷重に対する耐性を有することが要求される。ロアアーム２０を、繊維強化樹脂を含む複合材料製とする場合、第１の半体１８ａと第２の半体１８ｂとを接合して本体部１８が形成されるが、第１の半体１８ａと第２の半体１８ｂとを接着剤等により接合した場合、第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂと接着剤層との界面が脆弱になりやすい。このため、第１の半体１８ａと第２の半体１８ｂとを単に接着剤等により接合した場合には、ロアアーム２０に荷重が作用したときに接着界面から破壊が生じるおそれがある。これに対して、本実施形態に係るロアアーム２０は、本体部１８を形成する第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂの接合界面からの破壊を抑制した、高強度及び高剛性の閉断面構造を実現している。
（１−２．構造部材の構成例）
図２は、本実施形態に係る複合材料製の構造部材５０の断面図であって、図１に示したロアアーム２０のＩ−Ｉ断面を模式的に示している。なお、図２は、構造部材５０の断面を模式的に示した例に過ぎず、構造部材５０の断面形状は種々の形状であり得る。
構造部材５０は、コア部材５１と、複合材料製の構造部分である複合材料構造部７０とを有する。複合材料構造部７０は、複合材料製の第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂと、複合材料製の第１のシート６１、第２のシート６３及び第３のシート６５，６６を含む複合材料製シート層６０とを有する。つまり、図２において、コア部材５１の周囲に配置された部材が全体として複合材料構造部７０を構成している。
コア部材５１は、例えば発泡部材又はハニカム構造を有する部材からなり、構造部材５０のコアをなす。コア部材５１は、例えば第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂにより形成される中空部分Ｓに略対応する形状を有している。例えば発泡部材からなるコア部材５１は、成形型内に発泡性樹脂を充填することにより成形されてもよい。なお、コア部材５１の成形方法は特に限定されない。また、コア部材５１の構成材料は樹脂に限定されない。かかるコア部材５１の周囲に複合材料構造部７０を備えた構造とすることにより、構造部材５０の強度が高められつつ、構造部材５０の軽量化が図られる。
複合材料製の第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂは、例えば図１に示したロアアーム２０の第１の半体１８ａ及び第２の半体１８ｂに相当する。第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂは、コア部材５１の外周面に配置されて、中空を成すように直接あるいは複合材料製シートを介して互いに接合されている。第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂは、例えば端部同士が直接あるいは複合材料製シートを介して接合されることで、中空部分Ｓを形成する。かかる中空部分Ｓが形成されるように第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂが構成されることで、比較的高価な複合材料の使用量を減らすことができるとともに、構造部材５０の軽量化を図ることができる。第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂは、例えば繊維強化樹脂シートからなる複合材料の積層体を、成形型を用いて成形することによって、あらかじめ所望の形状に成形される。
複合材料製の第１のシート６１、第２のシート６３及び第３のシート６５，６６からなる複合材料製シート層６０は、コア部材５１と第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとの間に、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置される。図２に示した構造部材５０の例では、第１のシート６１が第１の部材５３ａとコア部材５１との間に配置され、第２のシート６３が第２の部材５３ｂとコア部材５１との間に配置され、第３のシート６５，６６が、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置されている。この複合材料製シート層６０は、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとともに中空の複合材料構造部７０を形成している。例えば、構造部材５０の製造段階において、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂのマトリックス樹脂と複合材料製シート層６０のマトリックス樹脂とが溶融し硬化する過程で、少なくとも一部が一体化されて一つの構造体として形成されていてもよい。
複合材料製の第１のシート６１、第２のシート６３及び第３のシート６５，６６は、例えば第１の部材５３ａ，５３ｂの成形に用いられる繊維強化樹脂シートと同一のシートが用いられてもよい。複合材料製シート層６０の構成材料は第１の部材５３ａ，５３ｂの成形に用いられる繊維強化樹脂シートと同一でなくてもよいが、同一の繊維強化樹脂シートが用いられることにより、複合材料製シート層６０と第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとが溶融し、硬化したときの一体化が促進されやすく、界面の脆弱性を低減することができる。
複合材料製シート層６０のうちの第３のシート６５，６６が第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂの接合箇所５９をオーバーラップして配置されていることにより、構造部材５０に荷重がかかった場合に、複合材料構造部７０の接合箇所５９の内面側から破壊が生じることを抑制することができる。また、接合箇所５９をオーバーラップして配置された第３のシート６５，６６を含む複合材料製シート層６０が第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂと一体となって複合材料構造部７０を構成していることから、複合材料製シート層６０と第１の部材５３ａ又は第２の部材５３ｂとの界面からの破壊も生じにくく、構造部材５０の強度及び剛性が高められる。
複数のシートを含む複合材料製シート層６０は、構造部材５０の一断面を見たときに、コア部材５１の全周に亘って配置されていてもよい。複合材料製シート層６０がコア部材５１の全周に亘って配置されることで、全周に亘って複合材料製シート層６０の連続性が得られ、複合材料構造部７０の一部に脆弱部が形成されることを抑制することができる。このとき、複合材料製シート層６０の複数のシートが互いに重なり合いながらコア部材５１の全周に亘って配置されていてもよい。これにより、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂの内側に、断面が管状の複合材料製シート層６０が形成され、複合材料製シート層６０の連続性が高められる。また、複合材料製シート層６０の複数のシートが互いに重なり合いながらコア部材５１の全周に亘って配置されることにより、全周に亘って複合材料製シート層６０と第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとの一体性が得られやすく、複合材料構造部７０の強度及び剛性を向上させることができる。
特に、複合材料製シート層６０のうち、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップする第３のシート６５，６６が、他の第１のシート６１及び第２のシート６３とそれぞれ重なるように設けられていてもよい。これにより、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９を補強する第３のシート６５，６６と、第１のシート６１及び第２のシート６３との連続性が高められ、コア部材５１の全周に亘って複合材料構造部７０の強度及び剛性を高めることができる。
複合材料製シート層６０は、第１の部材５３ａ又は第２の部材５３ｂとコア部材５１との間の領域から第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合界面に亘って配置されたシートを含んでもよい。図２に示した構造部材５０では、第２の部材５３ｂとコア部材５１との間に配置された第２のシート６３が、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合界面にも進入して配置されている。このため、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合界面の接合強度も高められるとともに、複合材料製シート層６０と第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとの一体性も高められる。
内面とコア部材５１の外面との間に配置されている。また、第２のシート６３が、第２の部材５３ｂの内面とコア部材５１の外面との間に配置され、さらに第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合界面に延在して配置されている。そして、第３のシート６５，６６が、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所をオーバーラップするように、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとコア部材５１との間に配置されている。
なお、コア部材５１と複合材料製シート層６０との界面、あるいは、複合材料製シート層６０と第１の部材５３ａ又は第２の部材５３ｂとの界面の適宜の位置あるいは範囲に、接着剤層が設けられていてもよい。
本実施形態に係る複合材料製の構造部材５０としてのロアアーム２０は、略Ｔ字あるいは略Ｌ字状の立体構造の構造部材であって、例えば第１の半体１８ａと第２の半体１８ｂとの接合面に直交する任意の位置で切断した場合の断面が、図２に例示した構成を有していてもよい。これにより、ロアアーム２０の各部分の強度及び剛性が高められ、入力される様々な荷重に対する耐性の向上を図ることができる。
＜２．複合材料製の構造部材の製造方法＞
次に、図３〜図７を参照して、本実施形態に係る複合材料製の構造部材５０の製造方法の一例について説明する。ここでは、第１の部材５３ａ、第２の部材５３ｂ及び複合材料製シート層６０の成形素材としての繊維強化樹脂シートのマトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂を用いた場合を例に採って説明する。
まず、図３に示したように、複合材料製の第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂを作製する。第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂは、例えば以下のように作製することができる。なお、以下に説明する第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂの作製方法は一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
まず、所定幅の繊維強化樹脂シート（プリプレグ）が、製造する繊維強化樹脂構造体に適した大きさ、あるいは、長さに切断される。プリプレグの形状は、第１の部材５３ａ又は第２の部材５３ｂを展開した形状に略一致していてもよい。この場合、プリプレグの寸法は、第１の部材５３ａ又は第２の部材５３ｂの外形よりも大きくされていてもよい。連続繊維を含む繊維強化樹脂シートは、例えば、公知のフィルム含浸法や溶融含浸法等により、強化繊維を連続的に送り出しながらマトリックス樹脂を当該強化繊維に含浸させることにより製造される。この繊維強化樹脂シートが適宜切断されて、所望の平面形状を有するプリプレグが作製される。１枚の繊維強化樹脂シート又はプリプレグの厚さは、例えば、０．０３〜１．０ｍｍの範囲内であってよい。
次いで、半溶融状態の複数枚のプリプレグが積層されて、繊維強化樹脂積層体が作製される。プリプレグは、例えば、成形型の成形面上に積層される。積層されるプリプレグの数は、特に限定されるものではなく、製造する繊維強化樹脂構造体の用途等に応じて選択し得るが、例えば、３〜６枚のプリプレグを積層することができる。このとき、それぞれのプリプレグの連続繊維の配向方向を一方向にそろえて積層し、繊維強化樹脂積層体が作製されてもよい。これにより、製造される構造部材５０における、連続繊維の配向方向に沿う特定方向の強度を高めることができる。あるいは、一部又は全部のプリプレグの連続繊維の配向方向を異ならせて積層し、繊維強化樹脂積層体が作製されてもよい。これにより、製造される構造部材５０の強度に異方性を持たせることができる。
なお、複数のプリプレグを積層して繊維強化樹脂積層体を成形する場合、それぞれの繊維強化樹脂シートに含まれる強化繊維の種類や含有率等が異なっていてもよい。また、積層される複数枚の繊維強化樹脂シートにおいて、マトリックス樹脂は、相溶性を有する異なる材料が用いられてもよく、あるいは、同一のマトリックス樹脂に対して異なる添加物等が混合されていてもよい。この場合においても、繊維強化樹脂積層体の溶融及び硬化を効率的に行えるように、融点が近似するマトリックス樹脂が用いられるとよい。
次いで、成形型上に配置された繊維強化樹脂積層体の上に、例えばゴム製のバッグ（被覆シート）が設置され、バッグと成形型とがクランプされる。成形型は、例えば、金型であってもよいし、繊維強化樹脂製の成形型であってもよい。バッグは、変形可能な材質のバッグであればよく、ゴム製のバッグに限られない。ただし、成形型及びバッグは、いずれも、後工程におけるオートクレーブ装置を用いた加熱処理に耐え得る材料により構成される。かかるバギングにより、少なくとも成形型とバッグとにより形成される成形空間が気密状態にされる。
次いで、バギングされた繊維強化樹脂積層体がオートクレーブ装置内に投入される。オートクレーブ装置は、釜の内部を高圧状態にしつつ、加熱処理を行う装置である。繊維強化樹脂積層体がオートクレーブ装置内に投入された後、ポンプ等により成形空間内の空気が吸引されて、成形空間内が真空状態にされる。これにより、繊維強化樹脂積層体は、プリプレグ及び繊維強化樹脂積層体内の空気が脱気されつつ、加圧下で加熱され、硬化させられる。これにより、第１の部材５３ａ又は第２の部材５３ｂがそれぞれ成形される。成形空間内を真空状態にしつつ、加圧下で加熱することにより、成形される第１の部材５３ａの空洞率を低下させることができ、第１の部材５３ａの機械的強度を高めることができる。また、成形空間内が真空状態にされることから、成形型に接する面の反対面も、比較的きれいな仕上がりになる。
次いで、図４に示したように、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとを接合したときに形成される中空部分に充填され得るコア部材５１を作製する。例えば、発泡部材からなるコア部材５１を作製する場合、コア部材５１の外形に対応する成形空間を形成する成形型内に発泡性樹脂を充填し、硬化させることによって、発泡部材からなるコア部材５１が作製される。なお、コア部材５１の作製方法は特に限定されない。また、コア部材５１の材料や形態も特に限定されない。また、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂを作製する工程と、コア部材５１を作製する工程の前後は問わない。
次いで、コア部材５１の外周面であって、少なくとも第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップする領域に複合材料製シートを積層する。図５に示したように、本実施形態の例では、図示したコア部材５１の左右両側面に、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所が位置することから、コア部材５１の左右両側面に複合材料製シート（第３のシート）６５，６６が積層される。第３のシート６５，６６は半溶融状態でコア部材５１上に配置されてもよい。また、第３のシート６５，６６は、接着剤を用いてコア部材５１上に配置されてもよい。
次いで、図６に示すように、接合する第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂのうちの少なくとも一方の接合面に接着剤６９が塗布される。接着剤６９は、液状又はゲル状の接着剤であってもよく、シート状の接着材であってもよい。また、接着剤６９は、加熱工程で硬化するように熱硬化性の接着剤６９であってもよい。かかる接着剤６９を塗布する工程は省略されてもよいが、接着剤６９を塗布することにより、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂと複合材料製シート層６０とを加熱硬化する前に、第１の部材５３ａと第２のシート６３とを固定させることができる。
次いで、図７に示すように、第２の部材５３ｂ、第２のシート６３、コア部材５１、第１のシート６１、及び第１の部材５３ａを積層する。図７に示した例では、前工程で作製された第２の部材５３ｂ上に、半溶融状態の複合材料製の第２のシート６３が積層された後、両側面に第３のシート６５，６６が積層されたコア部材５１が積層される。さらにコア部材５１上に半溶融状態の第１のシート６１が積層された後、第１の部材５３ａが積層される。第１のシート６１は、あらかじめ第１の部材５３ａの内面に積層された状態で、第１の部材５３ａとともに積層されてもよい。このとき、適宜の位置及び範囲に接着剤を塗布してもよい。
次いで、図８に示すように、積層された構造体を加熱し、複合材料のマトリックス樹脂である熱硬化性樹脂を硬化させることにより、構造部材５０が作製される。作製された構造部材５０のうち、複合材料製シート層６０はコア部材５１の全周に亘って一体となりつつ、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとも一体となって、内部にコア部材５１が配置された中空の複合材料構造部７０が形成される。
このように製造された構造部材５０では、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように複合材料製の第３のシート６５，６６が配置されている。複合材料構造部７０を高強度の閉断面構造とすることができ、構造部材５０に荷重がかけられたときに、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９が内面側から破壊されることが抑制される。これにより、比較的複雑な外形の構造部材５０であっても、構造部材５０の強度及び剛性の向上が図られる。
なお、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂が用いられる場合には、第１の部材５３ａ、第２の部材５３ｂ、第１のシート６１、第２のシート６３及び第３のシート６５，６６をあらかじめ所定形状に形成した状態で積層し、加熱溶融後に冷却硬化させればよい。これにより、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置された第３のシート６５，６６を含む複合材料製シート層６０と第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとが一体となった複合材料構造部７０を備えた構造部材５０が製造される。したがって、強度及び剛性の向上が図られた構造部材５０を得ることができる。
＜３．変形例＞
ここまで、本実施形態に係る複合材料製の構造部材５０の実施形態を説明したが、構造部材５０は上記の例に限られない。以下、本実施形態に係る複合材料製の構造部材５０の変形例の幾つかを説明する。
図９は、第１の変形例に係る構造部材５０Ａの断面を示す模式図である。第１の変形例に係る構造部材５０Ａは、複合材料製の第２のシート６３だけでなく、第１のシート６１Ａの端部も第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合界面に亘って配置された例である。かかる構成以外は、上記実施形態に係る構造部材５０と同様の構成を有している。第1の変形例に係る構造部材５０Ａは、例えば第２の部材５３ｂ上に第２のシート６３を積層し、第１の部材５３ａ上に第１のシート６１Ａを積層し、コア部材５１の両側面に第３のシート６５，６６を積層した後に、コア部材５１を挟み込むように第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂを積層して、さらに加熱硬化させることで製造することができる。
第１の変形例に係る構造部材５０Ａによっても、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置された第３のシート６５，６６を含みつつ、コア部材５１の全周に亘って配置された複合材料製シート層６０と、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとが一体となった閉断面構造の複合材料構造部７０が形成される。これにより、構造部材５０Ａに荷重がかけられたときに、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９の内側面から破壊が生じることが抑制される。したがって、比較的複雑な外形を有する構造部材５０Ａであっても、構造部材５０Ａの強度及び剛性を向上させることができる。
図１０は、第２の変形例に係る構造部材５０Ｂの断面を示す模式図である。第２の変形例に係る構造部材５０Ｂは、複合材料製シート層６０が、第１のシート６１Ｂ及び第２のシート６３の２枚のシートを有する。このうちの第２のシート６３は、上記の実施形態に係る構造部材５０の第２のシート６３と同様に構成されている。第２の変形例に係る構造部材５０Ｂにおいて、複合材料製の第１のシート６１Ｂは、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように、図示のコア部材５１の上面から両側面に亘って配置されている。また、第１のシート６１Ｂの端部は、第２のシート６３と重なるように配置されている。
第２の変形例に係る構造部材５０Ｂは、例えばコア部材５１の上面から両側面に亘って第１のシート６１Ｂを巻き付けて積層し、第２の部材５３ｂ上に第２のシート６３を積層した後に、コア部材５１を挟み込むように第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂを積層して、さらに加熱硬化させることで製造することができる。第２の変形例に係る構造部材５０Ｂは、複合材料製シート層６０を構成するシートが２枚であるために、上記の実施形態に係る構造部材５０と比べて、シートを積層する一つの工程を省略することができる。
第２の変形例に係る構造部材５０Ｂによっても、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置された第１のシート６１Ｂを含みつつ、コア部材５１の全周に亘って配置された複合材料製シート層６０と、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとが一体となった閉断面構造の複合材料構造部７０が形成される。これにより、構造部材５０Ｂに荷重がかけられたときに、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９の内側面から破壊が生じることが抑制される。したがって、比較的複雑な外形を有する構造部材５０Ｂであっても、構造部材５０Ｂの強度及び剛性を向上させることができる。
図１１は、第３の変形例に係る構造部材５０Ｃの断面を示す模式図である。第３の変形例に係る構造部材５０Ｃは、複合材料製シート層６０が、１枚のシート６１Ｃからなっている。かかる複合材料製のシート６１Ｃは、コア部材５１の全周に亘って巻き付けられて積層されている。かかるシート６１Ｃは、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置されている。また、かかるシート６１Ｃの端部は、互いに重なるようにして配置されている。なお、第１の部材５３ａとシート６１Ｃ又はコア部材５１との間に現れている隙間は図示の便宜上表されているにすぎず、実際にはかかる隙間も樹脂等によって埋められる。
第３の変形例に係る構造部材５０Ｃは、例えばコア部材５１の全周に亘ってシート６１Ｃを巻き付けて積層した後、コア部材５１を挟み込むように第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂを積層して、さらに加熱硬化させることで製造することができる。第３の変形例に係る構造部材５０Ｃは、複合材料製シート層６０を構成するシートが１枚であるために、上記の実施形態に係る構造部材５０と比べて、シートを積層する二つの工程を省略することができる。
第３の変形例に係る構造部材５０Ｃによっても、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置されたシート６１Ｃからなり、コア部材５１の全周に亘って配置された複合材料製シート層６０と、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂとが一体となった閉断面構造の複合材料構造部７０が形成される。これにより、構造部材５０Ｃに荷重がかけられたときに、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９の内側面から破壊が生じることが抑制される。したがって、比較的複雑な外形を有する構造部材５０Ｃであっても、構造部材５０Ｃの強度及び剛性を向上させることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る複合材料製の構造部材及びその製造方法によれば、コア部材５１が配置される中空を有して接合される第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂと、コア部材５１との間に、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９をオーバーラップするように配置されたシートを含む断面管状の複合材料製シート層６０が形成される。かかる複合材料製シート層６０は、製造段階において第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂと少なくとも一部において一体となって、複合材料構造部７０を構成する。このため、構造部材５０に荷重がかけられたときに、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９の内側面から破壊することが抑制される。したがって、構造部材５０の強度及び剛性を向上させることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、第１の部材５３ａと第２の部材５３ｂとの接合箇所５９の内側面からの破壊を抑制する構成を有しているが、接合箇所５９の外側面にも、第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂに亘って積層される補強シートが設けられてもよい。これにより、接合箇所５９の外側面からの破壊も抑制することができる。
また、上記実施形態では、複合材料製の構造部材としてロアアーム２０を例に採って説明したが、本発明を適用可能な構造部材はロアアームに限られない。車体の構造部材以外の様々な用途に用いられる構造部材についても、本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、２つの第１の部材５３ａ及び第２の部材５３ｂを接合する構造を例に採って説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、３つ以上の複数の部材が、コア部材が配置され得る中空をなすように接合される構造の場合であっても本発明を適用することができる。この場合、各部材の接合箇所をオーバーラップするように複合材料製シートを積層しつつ、全体として断面が管状をなす複合材料製シート層を形成することで、各部材の接合箇所の内側面からの破壊が抑制され、構造部材の強度及び剛性を向上させることができる。
２０ ロアアーム（複合材料製の構造部材）
５０ 複合材料製の構造部材
５１ コア部材
５３ａ 第１の部材
５３ｂ 第２の部材
５９ 接合箇所
６０ 複合材料製シート層
６１ 第１のシート
６３ 第２のシート
６５ 第３のシート
７０ 複合材料構造部

Claims (8)

  1. コア部材と、
    前記コア部材の周囲に配置されて中空を成すように互いに接合された複合材料製の複数の部材と、
    前記コア部材と前記複数の部材との間に、前記複数の部材同士の接合箇所をオーバーラップするように配置され、かつ、前記複数の部材とともに中空の複合材料構造部を形成する少なくとも１つの複合材料製シートと、
    を備えた、複合材料製の構造部材。
  2. 前記少なくとも１つの複合材料製シートは、前記構造部材の所定の断面において前記コア部材の全周に亘って配置される、請求項１に記載の複合材料製の構造部材。
  3. 前記少なくとも１つの複合材料製シートのうちの前記複数の部材同士の接合箇所をオーバーラップする一の複合材料製シートが、他の複合材料製シートに重なる、請求項１又は２に記載の複合材料製の構造部材。
  4. 前記少なくとも１つの複合材料製シートは、前記複数の部材のうちの少なくとも１つの部材と前記コア部材との間の領域から前記複数の部材同士の接合界面に亘って配置されたシートを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料製の構造部材。
  5. 前記少なくとも１つの複合材料製シートは、前記複数の部材のうちの一の部材と前記コア部材との間に配置された第１の複合材料製シートと、前記複数の部材のうちの他の部材と前記コア部材との間に配置された第２の複合材料製シートと、前記第１の複合材料製シート及び前記第２の複合材料製シートに亘って配置された第３の複合材料製シートと、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料製の構造部材。
  6. 前記少なくとも１つの複合材料製シートは、前記複数の部材のうちの一の部材と前記コア部材との間に配置された第１の複合材料製シートと、前記複数の部材のうちの他の部材と前記コア部材との間に配置され、かつ、端部が前記第１の複合材料製シートに重ねて配置された第２の複合材料製シートと、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料製の構造部材。
  7. 前記少なくとも１つの複合材料製シートは、前記構造部材の所定の断面において前記コア部材の全周に亘って配置された１枚の複合材料製シートを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料製の構造部材。
  8. 中空を成すように互いに接合し得る複合材料製の複数の部材を作製する工程と、
    前記複数の部材により形成され得る中空部に配置し得るコア部材を作製する工程と、
    前記コア部材の外周面であって、少なくとも前記複数の部材同士の接合箇所をオーバーラップする領域に複合材料製シートを積層する工程と、
    前記複合材料製シートが積層された前記コア部材の周囲に前記複数の部材を積層し、前記複数の部材を接合して、積層構造体を作製する工程と、
    前記積層構造体を加熱及び硬化させる工程と、
    を含む、複合材料製の構造部材の製造方法。
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