JP7830980B2 - Manufacturing method for composite member joints - Google Patents
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Description
本開示は、複合部材接合体の製造方法に関する。 This disclosure relates to a method for manufacturing a composite member assembly.
繊維強化熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂を炭素繊維等の強化繊維で強化した複合材料である。繊維強化熱可塑性樹脂は、軽量で高強度であることから航空機部品や、自動車部品等の車両部品に広く用いられている。従来、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている複合部材同士の接合は、ホットプレス等のヒータにより加圧、加熱して行われている（特許文献１参照）。 Fiber-reinforced thermoplastic resins are composite materials in which thermoplastic resins are reinforced with reinforcing fibers such as carbon fibers. Due to their lightweight and high strength, fiber-reinforced thermoplastic resins are widely used in aircraft parts and vehicle parts such as automobile parts. Conventionally, the joining of composite members formed from fiber-reinforced thermoplastic resins has been performed by applying pressure and heating using a heater such as a hot press (see Patent Document 1).
ところで、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている複合部材同士の接合をホットプレス等のヒータにより行う場合には、複合部材同士の接合面に対して反対側の外表面を外側から加熱して、接合面の熱可塑性樹脂を流動化または溶融させて接合が行われる。このようにホットプレス等のヒータによる複合部材同士の接合は、接合面の熱可塑性樹脂を流動化または溶融させる必要があるので、複合部材の外表面が過加熱された状態で行われる。このため複合部材には、繊維強化熱可塑性樹脂に含まれる強化繊維の露出や破断、熱可塑性樹脂の劣化等の変質が生じる場合があるので、複合部材の本来の設計強度を確保できない可能性がある。 Incidentally, when joining composite members made of fiber-reinforced thermoplastic resin using a heater such as a hot press, the outer surface opposite the joining surface of the composite members is heated from the outside to fluidize or melt the thermoplastic resin at the joining surface, thereby achieving the joint. Because joining composite members using a heater such as a hot press requires fluidizing or melting the thermoplastic resin at the joining surface, the process is carried out with the outer surface of the composite members being overheated. Therefore, the composite members may experience alterations such as exposure or breakage of reinforcing fibers contained in the fiber-reinforced thermoplastic resin, or deterioration of the thermoplastic resin, potentially compromising the original design strength of the composite members.
そこで本開示の目的は、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている複合部材の過加熱による変質を抑制可能な複合部材接合体の製造方法を提供することである。 Therefore, the object of this disclosure is to provide a method for manufacturing a composite member assembly that can suppress deterioration due to overheating of the composite member formed from fiber-reinforced thermoplastic resin.
本開示に係る複合部材接合体の製造方法は、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材の接合面の間に、導電性インサート材を挟んで積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体を加圧し、前記導電性インサート材を誘導加熱して、前記第一複合部材及び前記第二複合部材を接合する接合工程と、を備え、前記導電性インサート材は、前記第一複合部材及び前記第二複合部材のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されている樹脂フィルム層と、前記樹脂フィルム層の表面に被覆される導電膜と、を有し、前記接合工程は、前記積層体を加圧することにより前記導電膜を破砕して導電粒子を形成する。 A method for manufacturing a composite member joint according to this disclosure comprises a laminate formation step of forming a laminate by sandwiching a conductive insert material between the joining surfaces of a first composite member and a second composite member, which are made of a fiber-reinforced thermoplastic resin, and a joining step of joining the first composite member and the second composite member by pressurizing the laminate and induction heating the conductive insert material, wherein the conductive insert material has a resin film layer made of the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member and the second composite member, and a conductive film coated on the surface of the resin film layer, and the joining step crushes the conductive film by pressurizing the laminate to form conductive particles .
本開示に係る複合部材接合体の製造方法は、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材の接合面の間に、導電性インサート材を挟んで積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体を加圧し、前記導電性インサート材を誘導加熱して、前記第一複合部材及び前記第二複合部材を接合する接合工程と、を備え、前記導電性インサート材は、前記第一複合部材及び前記第二複合部材のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されている樹脂フィルム層と、前記樹脂フィルム層の表面に被覆される導電膜と、を有し、前記樹脂フィルム層は、繊維を含む。 A method for manufacturing a composite member joint according to this disclosure comprises a laminate formation step of forming a laminate by sandwiching a conductive insert material between the joining surfaces of a first composite member and a second composite member, which are made of a fiber-reinforced thermoplastic resin, and a joining step of pressing the laminate and induction heating the conductive insert material to join the first composite member and the second composite member , wherein the conductive insert material has a resin film layer made of the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member and the second composite member, and a conductive film coated on the surface of the resin film layer , and the resin film layer contains fibers.
本開示に係る複合部材接合体の製造方法において、前記接合工程は、前記積層体を加圧することにより前記導電膜を破砕して導電粒子を形成してもよい。 In the method for manufacturing a composite member joint according to this disclosure, the joining step may involve crushing the conductive film by applying pressure to the laminate to form conductive particles.
本開示に係る複合部材接合体の製造方法において、前記導電膜は、金属膜としてもよい。 In the method for manufacturing a composite member assembly according to this disclosure, the conductive film may be a metal film.
本開示に係る複合部材接合体の製造方法において、前記導電膜は、金属間化合物または高炭素鋼で形成されていてもよい。 In the method for manufacturing a composite member joint according to this disclosure, the conductive film may be formed from an intermetallic compound or high-carbon steel.
本開示に係る複合部材接合体の製造方法において、前記樹脂フィルム層は、繊維を含んでいてもよい。 In the method for manufacturing a composite member joint according to this disclosure, the resin film layer may contain fibers.
上記構成によれば、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている複合部材の過加熱による変質を抑制することができる。 According to the above configuration, it is possible to suppress deterioration due to overheating of the composite material formed from fiber-reinforced thermoplastic resin.
以下に本開示の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、複合部材接合体の製造方法の構成を示すフローチャートである。複合部材接合体の製造方法は、積層体形成工程（Ｓ１０）と、接合工程（Ｓ１２）と、を備えている。 The embodiments of this disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. Figure 1 is a flowchart showing the configuration of a method for manufacturing a composite member joint. The method for manufacturing a composite member joint comprises a laminate formation step (S10) and a joining step (S12).
図２は、積層体形成工程（Ｓ１０）を説明するための図である。図３は、積層体２０の構成を示す図である。積層体形成工程（Ｓ１０）は、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面の間に、導電性インサート材１４を挟んで積層体２０を形成する工程である。 Figure 2 is a diagram illustrating the laminate formation process (S10). Figure 3 is a diagram showing the structure of the laminate 20. The laminate formation process (S10) is a process of forming the laminate 20 by sandwiching a conductive insert material 14 between the joining surfaces of a first composite member 10 and a second composite member 12, which are made of fiber-reinforced thermoplastic resin.
第一複合部材１０及び第二複合部材１２は、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている。繊維強化熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂からなるマトリクス樹脂が強化繊維で強化されている繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。 The first composite member 10 and the second composite member 12 are formed from a fiber-reinforced thermoplastic resin. The fiber-reinforced thermoplastic resin is a composite material in which a matrix resin, composed of thermoplastic resin, is reinforced with reinforcing fibers.
熱可塑性樹脂には、例えば、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂等を用いることができる。 Examples of thermoplastic resins that can be used include polyetherimide (PEI) resin, polyamide (PA) resin, polycarbonate (PC) resin, polyphenylene sulfide (PPS) resin, and polyetheretherketone (PEEK) resin.
強化繊維には、例えば、炭素繊維、炭化珪素繊維（ＳｉＣ繊維）、窒化珪素繊維（Ｓｉ３Ｎ４繊維）、グラファイト繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を用いることができる。強化繊維には、長繊維、短繊維、ウイスカ等を用いることが可能である。強化繊維の形態は、例えば、３次元織物、平織りや朱子織り等の２次元織物、一方向材等を用いることができる。 Reinforcing fibers can include, for example, carbon fibers, silicon carbide fibers (SiC fibers), silicon nitride fibers ( Si₃N₄ fibers ), graphite fibers, glass fibers, and aramid fibers. Long fibers, short fibers, and whiskers can also be used as reinforcing fibers. The reinforcing fibers can take various forms, such as three-dimensional woven fabrics, two-dimensional woven fabrics like plain weave or satin weave, and unidirectional materials.
導電性インサート材１４は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面の間に挟んで積層される。導電性インサート材１４は、導電性材料で形成することが可能である。第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面の間に導電性インサート材１４を挟んで積層することにより、後述するように第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面を誘導加熱により加熱することができる。 The conductive insert material 14 is laminated by sandwiching it between the joint surfaces of the first composite member 10 and the second composite member 12. The conductive insert material 14 can be formed from a conductive material. By laminating the conductive insert material 14 between the joint surfaces of the first composite member 10 and the second composite member 12, the joint surfaces of the first composite member 10 and the second composite member 12 can be heated by induction heating, as described later.
導電性インサート材１４は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されている樹脂フィルム層１６と、樹脂フィルム層１６の表面に被覆される導電膜１８と、を有していてもよい。 The conductive insert material 14 may have a resin film layer 16 made of the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12, and a conductive film 18 coated on the surface of the resin film layer 16.
樹脂フィルム層１６は、後述する接合工程（Ｓ１２）で導電膜１８が加圧され破砕されることにより複数の導電粒子２２が形成されたときに、各導電粒子２２の間の空隙を充填する機能を有している。また、樹脂フィルム層１６は、接合工程（Ｓ１２）で形成された導電粒子２２が第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂を貫通することを抑制する機能を有している。更に、樹脂フィルム層１６は、導電性インサート材１４のハンドリング性を高める機能を有している。 The resin film layer 16 has the function of filling the gaps between conductive particles 22 when the conductive film 18 is pressurized and crushed during the bonding process (S12) described later, thereby forming multiple conductive particles 22. Furthermore, the resin film layer 16 has the function of suppressing the penetration of the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12 by the conductive particles 22 formed during the bonding process (S12). In addition, the resin film layer 16 has the function of improving the handling properties of the conductive insert material 14.
樹脂フィルム層１６は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されている。例えば、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂がポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂である場合には、樹脂フィルム層１６も、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂で形成される。このように樹脂フィルム層１６が、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されていることにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合して一体化したときに複合部材接合体の接合強度を高めることができる。 The resin film layer 16 is formed from the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12. For example, if the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12 is polyetherimide (PEI) resin, then the resin film layer 16 is also formed from polyetherimide (PEI) resin. By forming the resin film layer 16 from the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12, the bonding strength of the composite member joint can be increased when the first composite member 10 and the second composite member 12 are joined and integrated.
樹脂フィルム層１６の厚みは、例えば、１０μｍから１００μｍとするとよい。樹脂フィルム層１６の厚みが１０μｍより小さい場合には、後述する接合工程（Ｓ１２）で形成される導電粒子２２の空隙を充填し難くなると共に、導電粒子２２が第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂を貫通し易くなる。樹脂フィルム層１６の厚みが１００μｍより大きい場合には、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面に供給される熱可塑性樹脂が過剰になりやすいので、複合部材接合体の接合強度が低下する可能性がある。 The thickness of the resin film layer 16 should be, for example, between 10 μm and 100 μm. If the thickness of the resin film layer 16 is less than 10 μm, it becomes difficult to fill the voids of the conductive particles 22 formed in the bonding process (S12) described later, and the conductive particles 22 are more likely to penetrate the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12. If the thickness of the resin film layer 16 is greater than 100 μm, the amount of thermoplastic resin supplied to the bonding surface of the first composite member 10 and the second composite member 12 tends to be excessive, which may reduce the bonding strength of the composite member joint.
樹脂フィルム層１６は、繊維を含んでいてもよい。樹脂フィルム層１６に含まれる繊維には、炭素繊維、炭化珪素繊維（ＳｉＣ繊維）、窒化珪素繊維（Ｓｉ３Ｎ４繊維）、グラファイト繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を用いることができる。樹脂フィルム層１６に含まれる繊維は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維と同じ繊維とするとよい。例えば、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が炭素繊維である場合には、樹脂フィルム層１６に含まれる繊維を炭素繊維とするとよい。樹脂フィルム層１６に含まれる繊維の形態は、チョップドファイバ等の短繊維や、ウイスカ等とすることが可能である。樹脂フィルム層１６は、例えば、これらの短繊維やウイスカ等を分散させて構成することができる。 The resin film layer 16 may contain fibers. The fibers included in the resin film layer 16 can be carbon fibers, silicon carbide fibers (SiC fibers), silicon nitride fibers ( Si₃N₄ fibers), graphite fibers, glass fibers, aramid fibers, etc. The fibers included in the resin film layer 16 should preferably be the same as the reinforcing fibers of the fiber-reinforced thermoplastic resin in the first composite member 10 and the second composite member 12. For example, if the reinforcing fibers of the fiber-reinforced thermoplastic resin in the first composite member 10 and the second composite member 12 are carbon fibers, then the fibers included in the resin film layer 16 should be carbon fibers. The fibers included in the resin film layer 16 can take the form of short fibers such as chopped fibers or whiskers. The resin film layer 16 can be constructed, for example, by dispersing these short fibers or whiskers.
導電膜１８は、導電性材料で形成された膜である。導電膜１８は、樹脂フィルム層１６の表面に被覆されている。導電膜１８は、樹脂フィルム層１６の一方の表面のみに被覆されていてもよいし、樹脂フィルム層１６の両面に被覆されていてもよい。導電膜１８は、後述する接合工程（Ｓ１２）で誘導加熱されることにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面のマトリクス樹脂と、樹脂フィルム層１６とを加熱して流動化または溶融する機能を有している。 The conductive film 18 is a film formed from a conductive material. The conductive film 18 is coated on the surface of the resin film layer 16. The conductive film 18 may be coated on only one surface of the resin film layer 16, or on both surfaces of the resin film layer 16. The conductive film 18 has the function of heating and fluidizing or melting the matrix resin at the bonding surface of the first composite member 10 and the second composite member 12, and the resin film layer 16, when inductively heated in the bonding process (S12) described later.
また、導電膜１８は、後述する接合工程（Ｓ１２）で導電膜１８が加圧されて破砕されることにより、複数の導電粒子２２を形成する機能を有している。導電粒子２２は導電膜１８が破砕されることにより形成されるので、導電粒子２２は、凹凸状の形状を有している。導電粒子２２が第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂や強化繊維の繊維束に喰い込むことにより、複合部材接合体の接合強度を高めることができる。 Furthermore, the conductive film 18 has the function of forming multiple conductive particles 22 when it is pressurized and crushed during the bonding process (S12) described later. Since the conductive particles 22 are formed by the crushing of the conductive film 18, the conductive particles 22 have an uneven shape. The conductive particles 22 penetrate the matrix resin and reinforcing fiber bundles of the first composite member 10 and the second composite member 12, thereby increasing the bonding strength of the composite member joint.
導電膜１８は、例えば、金属膜、炭素膜、黒鉛膜等で構成することができる。導電膜１８が金属膜で形成されている場合には、後述する接合工程（Ｓ１２）で金属膜が加圧されて破砕されることにより、複数の金属粒子が形成される。導電膜１８が炭素膜で形成されている場合には、後述する接合工程（Ｓ１２）で炭素膜が加圧されて破砕されることにより、複数の炭素粒子が形成される。導電膜１８の被覆方法については特に限定されないが、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）等の一般的な被覆方法を適用することが可能である。物理蒸着法（ＰＶＤ法）には、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等を用いることができる。 The conductive film 18 can be composed of, for example, a metal film, a carbon film, a graphite film, etc. If the conductive film 18 is formed of a metal film, multiple metal particles are formed by pressurizing and crushing the metal film in the bonding step (S12) described later. If the conductive film 18 is formed of a carbon film, multiple carbon particles are formed by pressurizing and crushing the carbon film in the bonding step (S12) described later. The coating method for the conductive film 18 is not particularly limited, but general coating methods such as physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) can be applied. For physical vapor deposition (PVD), for example, vacuum deposition, sputtering, and ion plating can be used.
導電膜１８は、スパッタリング法で成膜されるとよい。導電膜１８がスパッタリング法で成膜される場合には、導電膜１８の表面粗さを粗くすることができる。これにより後述する接合工程（Ｓ１２）で導電膜１８が加圧されて破砕されるときに、導電膜１８を破砕し易くすることが可能となる。また、導電膜１８をスパッタリング法で成膜する場合には、樹脂フィルム層１６の成膜による熱影響を低減することが可能である。 The conductive film 18 is preferably deposited by sputtering. When the conductive film 18 is deposited by sputtering, the surface roughness of the conductive film 18 can be made rougher. This makes it easier to crush the conductive film 18 when it is pressed and crushed during the bonding process (S12) described later. Furthermore, when the conductive film 18 is deposited by sputtering, the thermal effects of the resin film layer 16 during deposition can be reduced.
導電膜１８は、金属膜で構成されているとよい。導電膜１８を金属膜とすることにより、後述する高周波加熱等の誘導加熱時に、炭素繊維等の強化繊維の加熱を抑制しながら金属膜だけを選択的に加熱できるので、加熱部位を接合面のマトリクス樹脂だけに限定して接合することが可能となる。 The conductive film 18 is preferably composed of a metal film. By using a metal film for the conductive film 18, during induction heating such as high-frequency heating (described later), it is possible to selectively heat only the metal film while suppressing the heating of reinforcing fibers such as carbon fibers. This makes it possible to limit the heating area to only the matrix resin at the bonding surface.
金属膜は、脆性金属材料で形成されているとよい。金属膜が脆性金属材料で形成されることにより、後述する接合工程（Ｓ１２）で金属膜が加圧されたときに金属膜が破砕され易くなる。脆性金属材料には、金属間化合物、高炭素鋼等を用いることができる。金属膜を金属間化合物や高炭素鋼で形成することにより、金属膜をより破砕され易くすることができる。また、金属膜は、金属間化合物で形成されているとよい。金属膜を金属間化合物で形成することにより、金属膜を高炭素鋼で形成するよりも、金属膜を更に破砕され易くすることができる。 The metal film should preferably be formed from a brittle metal material. Forming the metal film from a brittle metal material makes it easier for the metal film to break when pressure is applied during the joining process (S12) described later. Brittle metal materials such as intermetallic compounds and high-carbon steel can be used. Forming the metal film from an intermetallic compound or high-carbon steel makes it even easier to break. Furthermore, it is preferable for the metal film to be formed from an intermetallic compound. Forming the metal film from an intermetallic compound makes it even easier to break than forming it from high-carbon steel.
金属間化合物には、チタンアルミナイドやニッケルアルミナイド等を用いることが可能である。チタンアルミナイドは、ＴｉＡｌ、Ｔｉ３Ａｌ、ＴｉＡｌ２、Ｔｉ２Ａｌ５、ＴｉＡｌ３等である。ニッケルアルミナイドは、ＮｉＡｌ、ＮｉＡｌ３、Ｎｉ２Ａｌ３、Ｎｉ５Ａｌ３、Ｎｉ３Ａｌ等である。高炭素鋼には、０．６質量％以上の炭素を含む炭素鋼を用いることが可能である。これらの金属間化合物や高炭素鋼は、例えば、スパッタリング法等で成膜することができる。 Intermetallic compounds such as titanium aluminides and nickel aluminides can be used. Titanium aluminides include TiAl, Ti3Al , TiAl2 , Ti2Al5 , and TiAl3 . Nickel aluminides include NiAl, NiAl3 , Ni2Al3 , Ni5Al3 , and Ni3Al . For high-carbon steel, carbon steel containing 0.6% by mass or more of carbon can be used. These intermetallic compounds and high-carbon steels can be deposited as films, for example, by sputtering.
導電膜１８の厚みは、例えば、１０μｍから１００μｍとするとよい。導電膜１８の厚みが１０μｍより小さい場合には、導電膜１８が薄すぎることにより後述する接合工程（Ｓ１２）で導電膜１８を破砕し難くなる。導電膜１８の厚みが１００μｍより大きい場合には、導電膜１８が厚くなることにより後述する接合工程（Ｓ１２）で導電膜１８を破砕し難くなる。 The thickness of the conductive film 18 should be, for example, between 10 μm and 100 μm. If the thickness of the conductive film 18 is less than 10 μm, it will be too thin, making it difficult to break the conductive film 18 during the bonding process (S12) described later. If the thickness of the conductive film 18 is greater than 100 μm, it will be too thick, making it difficult to break the conductive film 18 during the bonding process (S12) described later.
接合工程（Ｓ１２）は、積層体２０を加圧し、導電性インサート材１４を誘導加熱して、第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合する工程である。図４は、接合工程（Ｓ１２）を説明するための図である。 The joining process (S12) involves pressurizing the laminate 20 and induction heating the conductive insert material 14 to join the first composite member 10 and the second composite member 12. Figure 4 is a diagram illustrating the joining process (S12).
接合工程（Ｓ１２）では、積層体２０を加圧し、導電性インサート材１４を誘導加熱して、第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合する。積層体２０を加圧することにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面と、導電性インサート材１４とをより密着させることができる。また、導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成されている場合には、積層体２０を加圧することにより、導電性インサート材１４の導電膜１８が粉砕されて複数の導電粒子２２が形成される。導電粒子２２は、導電膜１８が粉砕されて形成されるので、凹凸状の突起を有している。そしてこの導電粒子２２が加圧されて第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂や強化繊維の繊維束に喰い込むことにより、複合部材接合体３０の接合強度を高めることができる。より詳細には、導電粒子２２が、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂や強化繊維の繊維束に喰い込むことにより、複合部材接合体３０の接合面のせん断強度が高められて接合強度が向上する。 In the joining process (S12), the laminate 20 is pressurized and the conductive insert material 14 is induction heated to join the first composite member 10 and the second composite member 12. Pressurizing the laminate 20 allows for closer contact between the joining surfaces of the first composite member 10 and the second composite member 12 and the conductive insert material 14. Furthermore, if the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, pressurizing the laminate 20 causes the conductive film 18 of the conductive insert material 14 to be crushed, forming a plurality of conductive particles 22. Since the conductive particles 22 are formed by crushing the conductive film 18, they have uneven protrusions. When these conductive particles 22 are pressed, they bite into the matrix resin and reinforcing fiber bundles of the first composite member 10 and the second composite member 12, thereby increasing the joining strength of the composite member joint 30. More specifically, the conductive particles 22 penetrate the matrix resin and reinforcing fiber bundles of the first composite member 10 and the second composite member 12, thereby increasing the shear strength of the joint surface of the composite member joint 30 and improving the joint strength.
導電性インサート材１４を誘導加熱することにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面のマトリクス樹脂を加熱して流動化または溶融して、第一複合部材１０と第二複合部材１２とが接合されて複合部材接合体３０が形成される。より詳細には、導電性インサート材１４が誘導加熱されて、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面のマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱されて流動化または溶融し、第一複合部材１０と第二複合部材１２とが接合される。導電性インサート材１４を誘導加熱して接合するので、加熱部位が、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面及びその近傍に限定される。これにより第一複合部材１０及び第二複合部材１２の加熱による変質を抑制することができる。 By induction heating the conductive insert material 14, the matrix resin at the joining surface of the first composite member 10 and the second composite member 12 is heated, causing it to fluidize or melt, thereby joining the first composite member 10 and the second composite member 12 and forming the composite member joint 30. More specifically, the conductive insert material 14 is induction heated, causing the matrix resin at the joining surface of the first composite member 10 and the second composite member 12 to heat above the glass transition temperature of the thermoplastic resin, causing it to fluidize or melt, and joining the first composite member 10 and the second composite member 12. Because the joining is performed by induction heating of the conductive insert material 14, the heating area is limited to the joining surface of the first composite member 10 and the second composite member 12 and its vicinity. This makes it possible to suppress deterioration of the first composite member 10 and the second composite member 12 due to heating.
導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成される場合には、導電性インサート材１４を誘導加熱することにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面のマトリクス樹脂と、導電性インサート材１４の樹脂フィルム層１６とが熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱されて流動化または溶融し、第一複合部材１０と第二複合部材１２とが接合される。導電性インサート材１４を誘導加熱して接合するので、加熱部位が、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面及びその近傍に限定される。これにより第一複合部材１０及び第二複合部材１２の加熱による変質を抑制することができる。また、流動化または溶融した樹脂フィルム層１６の熱可塑性樹脂は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面に形成された導電粒子２２の隙間に充填される。 When the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, induction heating of the conductive insert material 14 heats the matrix resin at the joining surface of the first composite member 10 and the second composite member 12, and the resin film layer 16 of the conductive insert material 14, to a temperature above the glass transition temperature of the thermoplastic resin, causing them to fluidize or melt, and thus joining the first composite member 10 and the second composite member 12. Since the conductive insert material 14 is induction heated for joining, the heating area is limited to the joining surface of the first composite member 10 and the second composite member 12 and its vicinity. This suppresses deterioration of the first composite member 10 and the second composite member 12 due to heating. Furthermore, the fluidized or melted thermoplastic resin of the resin film layer 16 fills the gaps in the conductive particles 22 formed at the joining surface of the first composite member 10 and the second composite member 12.
積層体２０の加圧と、導電性インサート材１４の誘導加熱とは、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。例えば、積層体２０を加圧しながら導電性インサート材１４を誘導加熱して、第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合してもよい。また、導電性インサート材１４を誘導加熱した直後に積層体２０を加圧して、第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合してもよい。 The pressurization of the laminate 20 and the induction heating of the conductive insert material 14 may be performed simultaneously or separately. For example, the first composite member 10 and the second composite member 12 may be joined by induction heating of the conductive insert material 14 while pressurizing the laminate 20. Alternatively, the first composite member 10 and the second composite member 12 may be joined by pressurizing the laminate 20 immediately after induction heating of the conductive insert material 14.
また、導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成される場合には、上記の接合方法に加えて、積層体２０を予め加圧した直後に導電性インサート材１４の誘導加熱を行い、導電性インサート材１４を誘導加熱した直後に積層体２０を本加圧して、第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合してもよい。導電性インサート材１４を誘導加熱する前に積層体２０を予め冷間で加圧することにより、導電膜１８にクラックを発生させ易くすることができる。これにより、導電性インサート材１４を誘導加熱した直後に積層体２０を本加圧したときに、導電膜１８を粉砕し易くすることができる。 Furthermore, if the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, in addition to the above bonding method, the conductive insert material 14 may be induction heated immediately after pre-pressurizing the laminate 20, and the laminate 20 may be fully pressurized immediately after induction heating of the conductive insert material 14 to bond the first composite member 10 and the second composite member 12. Pre-pressurizing the laminate 20 at a cold state before induction heating of the conductive insert material 14 makes it easier to generate cracks in the conductive film 18. This makes it easier to pulverize the conductive film 18 when the laminate 20 is fully pressurized immediately after induction heating of the conductive insert material 14.
積層体２０の加圧手段は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面と導電性インサート材１４とが密着可能であり、導電性インサート材１４の導電膜１８が粉砕可能であれば、特に限定されない。積層体２０の加圧手段には、例えば、加圧ローラ、加圧ベルト、プレス装置等を用いることができる。積層体２０の加圧手段に加圧ローラや加圧ベルトを用いる場合には、接合面に沿って連続して接合可能なので、大型構造物の場合でも効率的に接合作業を行うことができる。また加圧ローラや加圧ベルトは、プレス装置よりも小型装置なので、例えば、航空機部品や車両部品等の最終組立工程や、現場作業等でも接合作業を行うことができる。 The pressurizing means for the laminate 20 is not particularly limited, as long as it allows for close contact between the joint surfaces of the first composite member 10 and the second composite member 12 and the conductive insert material 14, and the conductive film 18 of the conductive insert material 14 can be crushed. For example, a pressurizing roller, a pressurizing belt, or a press device can be used as the pressurizing means for the laminate 20. When a pressurizing roller or pressurizing belt is used as the pressurizing means for the laminate 20, continuous joining along the joint surface is possible, allowing for efficient joining even in the case of large structures. Furthermore, since pressurizing rollers and pressurizing belts are smaller devices than press devices, joining can be performed in, for example, the final assembly process of aircraft parts or vehicle parts, or in on-site work.
積層体２０の加圧手段は、加圧ローラと加圧ベルトとを並行して用いてもよい。加圧ローラに小径ローラを用いることにより、導電性インサート材１４の導電膜１８にクラックを発生させ易くすることができる。これにより加圧ベルトで積層体２０を加圧したときに、導電膜１８を破砕し易くすることができる。小径ローラは、例えば、ローラ径が約２０ｍｍから３０ｍｍのローラである。 The pressurizing means for the laminate 20 may use a pressurizing roller and a pressurizing belt in parallel. By using a small-diameter roller for the pressurizing roller, it is possible to easily induce cracks in the conductive film 18 of the conductive insert material 14. This makes it easier to crush the conductive film 18 when the laminate 20 is pressed with the pressurizing belt. A small-diameter roller is, for example, a roller with a diameter of approximately 20 mm to 30 mm.
積層体２０の加圧力は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の接合面と導電性インサート材１４とが密着可能であり、導電性インサート材１４の導電膜１８が粉砕可能であれば、特に限定されない。積層体２０の加圧力は、例えば、０．１ＭＰａから１０ＭＰａとすることが可能である。 The applied pressure of the laminate 20 is not particularly limited, as long as the joint surfaces of the first composite member 10 and the second composite member 12 can be in close contact with the conductive insert material 14, and the conductive film 18 of the conductive insert material 14 can be pulverized. For example, the applied pressure of the laminate 20 can be between 0.1 MPa and 10 MPa.
導電性インサート材１４の誘導加熱手段は、導電性インサート材１４を誘導加熱することにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂である熱可塑性樹脂をガラス転移温度以上に加熱可能であれば特に限定されない。導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成されている場合には、誘導加熱手段は、導電膜１８を誘導加熱することにより、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂及び樹脂フィルム層１６の熱可塑性樹脂をガラス転移温度以上に加熱可能であればよい。導電性インサート材１４の誘導加熱手段には、一般的なコイルを備えた高周波誘導加熱装置等を用いることが可能である。 The induction heating means for the conductive insert material 14 is not particularly limited, as long as it can heat the thermoplastic resin, which is the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12, to above its glass transition temperature by induction heating the conductive insert material 14. If the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, the induction heating means only needs to be able to heat the thermoplastic resin of the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12 and the resin film layer 16 to above their glass transition temperature by induction heating the conductive film 18. A high-frequency induction heating device equipped with a general-purpose coil can be used as the induction heating means for the conductive insert material 14.
積層体２０の加圧手段として、加圧ローラと加圧ベルトとを並行して用いる場合には、加圧ローラと加圧ベルトとの間に誘導加熱装置を設けるとよい。導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成されている場合には、加圧ローラで予め積層体２０を加圧して導電膜１８にクラックを発生させた後、クラックを発生させた導電膜１８を誘導加熱し、加圧ベルトで積層体２０を本加圧して、クラックを発生させた導電膜１８を粉砕しながら第一複合部材１０及び第二複合部材１２を接合することができる。 When using a pressure roller and a pressure belt in parallel as means of pressurizing the laminate 20, it is preferable to provide an induction heating device between the pressure roller and the pressure belt. If the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, the laminate 20 can be pre-pressurized with the pressure roller to generate cracks in the conductive film 18. Then, the cracked conductive film 18 can be induction heated, and the laminate 20 can be fully pressurized with the pressure belt, thereby crushing the cracked conductive film 18 and joining the first composite member 10 and the second composite member 12.
誘導加熱の周波数及び出力は、導電性インサート材１４を誘導加熱したときに、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂の熱可塑性樹脂をガラス転移温度以上に加熱可能に設定される。導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成されている場合には、誘導加熱の周波数及び出力は、導電膜１８を誘導加熱したときに、第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂及び樹脂フィルム層１６の熱可塑性樹脂をガラス転移温度以上に加熱可能に設定される。これにより第一複合部材１０及び第二複合部材１２のマトリクス樹脂や樹脂フィルム層１６の熱可塑性樹脂を流動化または溶融させることができる。誘導加熱の周波数は、例えば、１０ｋＨｚから１０ＭＨｚとすることが可能である。 The induction heating frequency and output are set so that when the conductive insert material 14 is induction heated, the thermoplastic resin of the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12 is heated to above its glass transition temperature. If the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, the induction heating frequency and output are set so that when the conductive film 18 is induction heated, the thermoplastic resin of the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12 and the resin film layer 16 are heated to above their glass transition temperature. This allows the matrix resin of the first composite member 10 and the second composite member 12 and the thermoplastic resin of the resin film layer 16 to be fluidized or melted. The induction heating frequency can be, for example, from 10 kHz to 10 MHz.
また、誘導加熱の周波数及び出力は、導電性インサート材１４の材質や厚み、導電性インサート材１４が樹脂フィルム層１６と導電膜１８とから構成されている場合には、導電膜１８の材質や膜厚等を考慮して適宜選択することが可能である。更に、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の強化繊維に炭素繊維等の導電性繊維を用いている場合には、誘導加熱の周波数及び出力は、第一複合部材１０及び第二複合部材１２の強化繊維の加熱を抑制可能な周波数及び出力を選択するとよい。これにより第一複合部材１０及び第二複合部材１２の過加熱による変質を更に抑制することができる。 Furthermore, the induction heating frequency and output can be appropriately selected considering the material and thickness of the conductive insert material 14, and, if the conductive insert material 14 is composed of a resin film layer 16 and a conductive film 18, the material and film thickness of the conductive film 18. Moreover, if conductive fibers such as carbon fibers are used as reinforcing fibers in the first composite member 10 and the second composite member 12, the induction heating frequency and output should be selected to suppress heating of the reinforcing fibers of the first composite member 10 and the second composite member 12. This further suppresses deterioration of the first composite member 10 and the second composite member 12 due to overheating.
上記の複合部材接合体の製造方法は、航空機部品に好適に適用することができる。航空機部品は、例えば、翼、胴体等である。最終形状組立工程や現場作業では、通常、大型のプレス装置を用いたプレス作業は難しい。上記の複合部材接合体の製造方法によれば、例えば、加圧ローラや、加圧ベルト等の小型装置を用いて接合作業が可能なので、最終形状組立工程や現場作業でも接合作業を行うことができる。 The above-described method for manufacturing composite member joints can be suitably applied to aircraft components. Aircraft components include, for example, wings and fuselages. In the final shape assembly process and on-site work, pressing operations using large press equipment are usually difficult. According to the above-described method for manufacturing composite member joints, joining operations can be performed using small devices such as pressure rollers or pressure belts, thus enabling joining operations in the final shape assembly process and on-site work.
以上、上記構成によれば、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材を、第一複合部材及び第二複合部材の接合面に介在させた導電性インサート材を誘導加熱して接合することから、第一複合部材及び第二複合部材の接合面及びその近傍が局所的に加熱されて接合される。これにより第一複合部材及び第二複合部材の過加熱による変質を抑制することができるので、複合部材の本来の設計強度を担保することができる。また、第一複合部材及び第二複合部材の接合面及びその近傍が局所的に加熱されて接合されるから、ホットプレス等のヒータを用いて接合する場合よりも冷却時間を短くすることができる。これにより複合部材接合体の生産性を向上させることが可能となる。 As described above, with this configuration, the first and second composite members, both made of fiber-reinforced thermoplastic resin, are joined by induction heating of a conductive insert material interposed at the joint surface of the first and second composite members. This results in localized heating of the joint surface and its vicinity. This suppresses deterioration due to overheating of the first and second composite members, thus ensuring the original design strength of the composite members. Furthermore, because the joint surface and its vicinity are heated locally, the cooling time can be shortened compared to joining using a heater such as a hot press. This improves the productivity of the composite member joint.
上記構成によれば、導電性インサート材の導電膜が加圧により破砕されて形成された導電粒子が、第一複合部材及び第二複合部材の接合面のマトリクス樹脂または強化繊維の繊維束に喰い込むので、複合部材接合体の接合強度を高めることができる。 According to the above configuration, the conductive particles formed by the crushing of the conductive film of the conductive insert material under pressure penetrate the matrix resin or reinforcing fiber bundles at the joint surfaces of the first and second composite members, thereby increasing the joint strength of the composite member joint.
上記構成によれば、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材を、第一複合部材及び第二複合部材の接合面に介在させた導電性インサート材を誘導加熱して接合することから、超音波接合する場合よりも短時間で接合作業を行うことができる。これにより複合部材接合体の生産性を向上させることが可能となる。 According to the above configuration, the first and second composite members, which are made of fiber-reinforced thermoplastic resin, are joined by induction heating of a conductive insert material interposed at the joint surface of the first and second composite members. This allows the joining process to be completed in a shorter time than with ultrasonic joining. This improves the productivity of the composite member joint.
上記構成によれば、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材を、第一複合部材及び第二複合部材の接合面に介在させた導電性インサート材を誘導加熱して接合することから、接着剤を用いて接合する場合よりも接着層の厚みをより小さくすることができる。これにより複合部材接合体の接合部のせん断強度を高めて接合強度を向上させることができる。 According to the above configuration, the first and second composite members, which are made of fiber-reinforced thermoplastic resin, are joined by induction heating of a conductive insert material interposed at the joint surface of the first and second composite members. This allows for a thinner adhesive layer compared to joining with adhesive. As a result, the shear strength of the joint in the composite member assembly can be increased, improving the overall joint strength.
上記構成によれば、繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材を、第一複合部材及び第二複合部材の接合面に介在させた導電性インサート材を誘導加熱して接合することから、複雑形状部品や大型部品等を製造する場合でも容易に製造可能である。 According to the above configuration, since the first and second composite members, which are made of fiber-reinforced thermoplastic resin, are joined by induction heating of a conductive insert material interposed at the joint surface of the first and second composite members, it is possible to easily manufacture even complex-shaped parts and large parts.
１０ 第一複合部材
１２ 第二複合部材
１４ 導電性インサート材
１６ 樹脂フィルム層
１８ 導電膜
２０ 積層体
２２ 導電粒子
３０ 複合部材接合体
４０ 航空機部品
４２ 外板
４４ リブ
10 First composite member 12 Second composite member 14 Conductive insert material 16 Resin film layer 18 Conductive film 20 Laminate 22 Conductive particles 30 Composite member joint 40 Aircraft part 42 Outer panel 44 Rib
Claims (8)
繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材の接合面の間に、導電性インサート材を挟んで積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を加圧し、前記導電性インサート材を誘導加熱して、前記第一複合部材及び前記第二複合部材を接合する接合工程と、
を備える、複合部材接合体の製造方法であって、
前記導電性インサート材は、前記第一複合部材及び前記第二複合部材のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されている樹脂フィルム層と、前記樹脂フィルム層の表面に被覆される導電膜と、を有し、
前記接合工程は、前記積層体を加圧することにより前記導電膜を破砕して導電粒子を形成する、複合部材接合体の製造方法。 A method for manufacturing a composite member joint,
A laminate formation step involves forming a laminate by sandwiching a conductive insert material between the joining surfaces of a first composite member and a second composite member, which are made of fiber-reinforced thermoplastic resin,
A bonding step in which the laminate is pressurized and the conductive insert material is inductively heated to join the first composite member and the second composite member,
A method for manufacturing a composite member joint, comprising:
The conductive insert material comprises a resin film layer formed of the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member and the second composite member, and a conductive film coated on the surface of the resin film layer.
The bonding step is a method for manufacturing a composite member bond, wherein the bonding step involves crushing the conductive film by applying pressure to the laminate to form conductive particles.
前記導電膜は、金属膜である、複合部材接合体の製造方法。 A method for manufacturing a composite member joint according to claim 1 ,
The conductive film is a metal film, and the method is for manufacturing a composite member assembly.
前記導電膜は、金属間化合物または高炭素鋼で形成されている、複合部材接合体の製造方法。 A method for manufacturing a composite member joint according to claim 2 ,
A method for manufacturing a composite member joint, wherein the conductive film is formed of an intermetallic compound or high-carbon steel.
前記樹脂フィルム層は、繊維を含む、複合部材接合体の製造方法。 A method for manufacturing a composite member joint according to any one of claims 2 to 3 ,
The resin film layer includes fibers, and the method is for manufacturing a composite member assembly.
繊維強化熱可塑性樹脂で形成されている第一複合部材及び第二複合部材の接合面の間に、導電性インサート材を挟んで積層体を形成する積層体形成工程と、A laminate formation step involves forming a laminate by sandwiching a conductive insert material between the joining surfaces of a first composite member and a second composite member, which are made of fiber-reinforced thermoplastic resin,
前記積層体を加圧し、前記導電性インサート材を誘導加熱して、前記第一複合部材及び前記第二複合部材を接合する接合工程と、A bonding step in which the laminate is pressurized and the conductive insert material is inductively heated to join the first composite member and the second composite member,
を備える、複合部材接合体の製造方法であって、A method for manufacturing a composite member joint, comprising:
前記導電性インサート材は、前記第一複合部材及び前記第二複合部材のマトリクス樹脂と同じ熱可塑性樹脂で形成されている樹脂フィルム層と、前記樹脂フィルム層の表面に被覆される導電膜と、を有し、The conductive insert material comprises a resin film layer formed of the same thermoplastic resin as the matrix resin of the first composite member and the second composite member, and a conductive film coated on the surface of the resin film layer.
前記樹脂フィルム層は、繊維を含む、複合部材接合体の製造方法。The resin film layer includes fibers, and the method is for manufacturing a composite member assembly.
前記接合工程は、前記積層体を加圧することにより前記導電膜を破砕して導電粒子を形成する、複合部材接合体の製造方法。The bonding step is a method for manufacturing a composite member bond, wherein the bonding step involves crushing the conductive film by applying pressure to the laminate to form conductive particles.
前記導電膜は、金属膜である、複合部材接合体の製造方法。The conductive film is a metal film, and the method is for manufacturing a composite member assembly.
前記導電膜は、金属間化合物または高炭素鋼で形成されている、複合部材接合体の製造方法。A method for manufacturing a composite member joint, wherein the conductive film is formed of an intermetallic compound or high-carbon steel.
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