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WO2024224440A1 - 構造体の成形方法及び接合構造体 - Google Patents

構造体の成形方法及び接合構造体 Download PDF

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Publication number
WO2024224440A1
WO2024224440A1 PCT/JP2023/016062 JP2023016062W WO2024224440A1 WO 2024224440 A1 WO2024224440 A1 WO 2024224440A1 JP 2023016062 W JP2023016062 W JP 2023016062W WO 2024224440 A1 WO2024224440 A1 WO 2024224440A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
prepreg
thermoplastic resin
mold
needle
cavity
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/016062
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
剛志 江口
和明 西藪
Original Assignee
第一電通株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 第一電通株式会社 filed Critical 第一電通株式会社
Priority to JP2023555507A priority Critical patent/JP7487861B1/ja
Priority to CN202380043051.XA priority patent/CN119343225A/zh
Priority to PCT/JP2023/016062 priority patent/WO2024224440A1/ja
Priority to JP2024068938A priority patent/JP2024156624A/ja
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    • B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
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    • B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/74—Moulding material on a relatively small portion of the preformed part, e.g. outsert moulding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/08—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts of continuous length, e.g. cords, rovings, mats, fabrics, strands or yarns
    • B29K2105/10—Cords, strands or rovings, e.g. oriented cords, strands or rovings

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a structure and a joined structure.
  • Patent Document 1 discloses a conventional joint structure. This joint structure is made of two CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) structures that have carbon fibers in a matrix made of thermoplastic resin or thermosetting resin and are joined by rivets.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • CFRP structures are lightweight yet strong, and have excellent fatigue and corrosion properties.
  • joined structures in which multiple CFRP structures are joined with rivets do not require the use of adhesives, and therefore offer the advantages of reduced joining time, low cost, and high durability. For this reason, joined structures are expected to be widely used in parts and other applications in fields such as automobiles.
  • the conventional joint structure is obtained by punching two structures together with a rivet, the carbon fibers in each structure are easily cut by the rivet, and the tensile strength in the direction along the joint surface of the structures is compromised.
  • the carbon fibers in the first structure extend in a first direction and the carbon fibers in the second structure extend in a second direction that intersects the first direction, such as perpendicular to the first direction, and these first and second structures are joined as described above
  • the carbon fibers in the first structure are easily cut in the first direction by the joining holes through which the rivets pass
  • the carbon fibers in the second structure are also easily cut in the second direction by the same joining holes.
  • the tensile strength of the joined structure decreases in both the first and second directions.
  • the present invention was made in consideration of the above-mentioned conventional situation, and aims to provide a method for molding a structure that can improve the tensile strength of the joined structure. Another aim of the present invention is to provide a joined structure that can improve its strength.
  • the molding method of the first teaching structure includes a preparation step of preparing a first prepreg having a plurality of first carbon fibers extending in one direction in a first base material made of a first thermoplastic resin, a second prepreg having a plurality of second carbon fibers extending in one direction in a second base material made of a second thermoplastic resin, a first mold, a second mold that forms a cavity together with the first mold, and a needle having a pointed tip; a setting process of providing the first prepreg in the cavity and providing the second prepreg in the cavity such that a first direction in which the first carbon fibers extend and a second direction in which the second carbon fibers extend intersect and overlap within a specific range in a third direction perpendicular to the first direction and the second direction; a mold clamping step of clamping the first mold and the second mold after the setting step; a pressurizing step of pressurizing the first prepreg and the second prepreg so as to integrate them in the cavity during or after the mold clamping step;
  • the first direction in which the first carbon fiber extends and the second direction in which the second carbon fiber extends are crossed in the setting process, and the first prepreg and the second prepreg are integrated in the mold clamping process, making it possible to mold structures such as trusses.
  • the needle is inserted in the third direction from its sharp tip into the specific area where the first prepreg and the second prepreg overlap, so that the first carbon fiber in the first prepreg is gradually pushed radially outward by the tip of the needle within the first base material, and the second carbon fiber in the second prepreg is also gradually pushed radially outward by the tip of the needle within the second base material.
  • both the carbon fibers of the first prepreg and the carbon fibers of the second prepreg are difficult to cut. In this way, a connection hole is formed in the resulting structure in which cutting of the surrounding carbon fibers is suppressed.
  • the first and second prepregs are restrained in the cavity while the hole-drilling process is carried out, which is an insert PCM (Pre-Preg Compression Molding) method, and the structure is less prone to deformation and has high dimensional accuracy.
  • PCM Pre-Preg Compression Molding
  • the molding method of the second teaching of the structure includes a preparation step of preparing a first prepreg having a plurality of first carbon fibers extending in one direction in a first base material made of a first thermoplastic resin, a first mold, a second mold forming a cavity together with the first mold, a needle having a pointed tip, and an injection material including a third thermoplastic resin and to be injected into the cavity; a setting step of providing the first prepreg in the cavity; a mold clamping step of clamping the first mold and the second mold after the setting step; a hole making step of inserting the needle from the tip portion into a specific area of the first prepreg in a third direction perpendicular to the first direction to form a connection hole with the needle; and an injection step of injecting the injection material into the cavity before, during or after the hole drilling step.
  • the needle in the hole punching process, is inserted from its sharp tip in the third direction into a specific area of the first prepreg, so that the first carbon fiber in the first prepreg is gradually pushed radially outward by the tip of the needle within the first base material. This makes it difficult for the carbon fiber in the first prepreg to be cut.
  • the injection process is performed before, during, or after the hole punching process, this is an insert injection molding method, and the structure is molded integrally with the first prepreg and the injection material, making it more practical.
  • the injection material since the injection material is injected into the cavity, the injection material also molds the connection holes, and the connection holes can be shaped to a desired shape.
  • the first thermoplastic resin of the first prepreg can be heated so as to be softened by the temperature of the injection material, reducing or eliminating the need to soften a specific range of the first thermoplastic resin during the hole punching process.
  • the molding cycle time of the structure can be shortened, and manufacturing costs can be reduced.
  • the resulting structure is designed to prevent cutting of the surrounding carbon fiber and to form connection holes of a desired shape.
  • CFRTP Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics
  • thermoplastic CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • the joint structure of the third teaching comprises a structure obtained by the above molding method, and a mating member laminated with the structure and having an insertion hole aligned with the joint hole;
  • the connection hole and the insertion hole are characterized in that they have a plurality of fifth carbon fibers extending in one direction within a fifth base material made of a fifth thermoplastic resin, and a rivet is provided to join the structure and the mating material.
  • the joint structure of the third teaching is made by joining the structure obtained in the first and second teachings to the mating material with rivets, so the tensile strength in the direction along the joint surface of the structure is unlikely to be compromised.
  • this joint structure does not require the use of adhesive, it exhibits advantages such as shortened joining time, low cost, and high durability.
  • the method for molding a structure of the present invention makes it possible to obtain a structure that can improve the tensile strength of the joined structure. Furthermore, the joined structure of the present invention can improve its strength.
  • FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, and a needle during a preparation process according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and a second prepreg during a setting process according to the first embodiment.
  • 4 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and a second prepreg during a mold clamping step and a pressure application step according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of the first prepreg and the second prepreg at an early stage of the mold clamping step and the pressurizing step in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of the first prepreg and the second prepreg at the end of the mold clamping step and the pressurizing step in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and a second prepreg during a hole punching process according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of the first prepreg, the second prepreg, and the needle during a hole punching step according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main portion of the structure obtained by the molding method of Example 1.
  • FIG. 2 is an enlarged, partially sectional plan view showing the structure obtained by the molding method of Example 1.
  • FIG. 2 is an enlarged, partially sectional, back view of the structure obtained by the molding method of Example 1.
  • FIG. 2 is a plan view of a structure obtained by the molding method of Example 1.
  • 1 is a cross-sectional view of a structure obtained by the molding method of Example 1 and a counterpart material.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of a main portion of the joined structure of the first embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, and a needle during a preparation process according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the first mold, the second mold, the needle, and the first prepreg during the setting process and the mold clamping process according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and an injected material during an injection process and a hole punching process according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of two structures obtained by the molding method of Example 2 and a counterpart material.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a main portion of a joined structure according to a second embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, and a needle during a preparation step according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and a second prepreg during a setting process according to Example 3.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and a second prepreg during a mold clamping step and a pressure application step according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, and a second prepreg during a mold clamping step and a pressure application step according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a first mold, a second mold, a needle, a first prepreg, a second prepreg, and an injected material during an injection process and a hole punching process according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a structure obtained by the molding method of Example 3 and a counterpart material.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a main portion of a joint structure according to a third embodiment.
  • the first thermoplastic resin constituting the first base material of the first prepreg, the second thermoplastic resin constituting the second base material of the second prepreg, the third thermoplastic resin constituting the injection material, the fourth thermoplastic resin that may constitute the needle, and the fifth thermoplastic resin constituting the fifth base material of the rivet may be polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAC), polyurethane (PUR), polytetrafluoroethylene (PTFE), acrylonitrile butadiene styrene (ABS) resin, acrylonitrile styrene copolymer (AS resin), acrylic (PMMA), etc.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • PS polystyrene
  • PVAC polyurethane
  • PUR polytetrafluoroethylene
  • ABS acrylonitrile butadiene sty
  • MA resin polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified polyphenylene ether (modified PPE), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), cyclic polyolefin (COP), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), amorphous polyarylate (PAR), polyaryletherketone (PAEK), polyetherketoneketone (PEKK), polyetheretherketone (PEEK), thermoplastic polyimide (PI), polyamideimide (PAI), etc.
  • the first to fifth thermoplastic resins may be the same type or different types.
  • the first, second, fourth, and fifth carbon fibers are filaments.
  • the first, second, fourth, and fifth carbon fibers may be PAN (Polyacrylonitrile) based or pitch based.
  • the first, second, fourth, and fifth carbon fibers may have the same diameter or different diameters.
  • the number and density of the first carbon fibers in the first prepreg, the number and density of the second carbon fibers in the second prepreg, the number and density of the fourth carbon fibers that may be in the needle, and the number and density of the fifth carbon fibers in the rivet may be the same or different.
  • the first and second prepregs may be carbon fibers completely impregnated with thermoplastic resin, or may be so-called semi-pregs in which the carbon fibers are incompletely impregnated.
  • the first and second prepregs may be rods, such as rectangular or cylindrical, or may be sheets. It is also possible to use third and fourth prepregs, etc., similar to the first and second prepregs.
  • the shape of the structure is not limited in the molding direction of the first and second teachings.
  • the pressurizing process may be performed during or after the mold clamping process. If the pressurizing process is performed during the mold clamping process, the molding cycle time of the structure can be shortened, and manufacturing costs can be reduced. If the pressurizing process is performed after the mold clamping process, the pressure can be easily adjusted.
  • the hole-making process may be performed during or after the pressurizing process. If the hole-making process is performed during the pressurizing process, the molding cycle time of the structure can be shortened, and manufacturing costs can be reduced.
  • the preparation step may prepare an injection material containing a third thermoplastic resin to be injected into the cavity.
  • the molding method preferably includes an injection step of injecting the injection material into the cavity before, during, or after the hole punching step.
  • the insert injection molding method is used, and the structure is not only integrated with the first prepreg and the second prepreg, but is also molded by the injection material, which increases the practicality.
  • the injection material since the injection material is injected into the cavity, the injection material also molds the connection hole, and the connection hole can be shaped into a preferred shape.
  • the first thermoplastic resin of the first prepreg and the second thermoplastic resin of the second prepreg can be heated so as to be softened by the temperature of the injection material, and the need to soften the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin in a specific range during the hole punching step can be reduced or eliminated.
  • the injection step is performed during the hole punching step, the molding cycle time of the structure can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the third thermoplastic resin has a higher melting point than the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin.
  • the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin are reliably softened or melted by the temperature of the injected material, increasing the integrity of the structure and improving the dimensional accuracy of the structure including the connection holes.
  • the pressurizing step it is preferable to heat the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin in a specific range so that they soften.
  • the first base material of the first prepreg and the second base material of the second prepreg are more likely to become integrated.
  • the heating temperature is preferably equal to or higher than the thermal deformation temperature of at least one of the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin. It may be equal to or lower than the melting point of at least one of the first thermoplastic resin and the second thermoplastic resin.
  • the first and second thermoplastic resins in the hole-making process, it is preferable to heat the first and second thermoplastic resins in a specific range so that they soften. If the injection process is not performed before or during the hole-making process, the first and second carbon fibers are more likely to move within the first and second base materials by the tip of the needle, making them less likely to be cut.
  • the heating temperature is preferably equal to or higher than the thermal deformation temperature of at least one of the first and second thermoplastic resins. It may also be equal to or lower than the melting point of at least one of the first and second thermoplastic resins.
  • the third thermoplastic resin has a higher melting point than the first thermoplastic resin.
  • the first thermoplastic resin softens or melts depending on the temperature of the injected material, increasing the integrity of the structure and improving the dimensional accuracy of the structure including the connection holes.
  • a second prepreg having a plurality of second carbon fibers extending in one direction within a second base material made of a second thermoplastic resin can be prepared.
  • the setting step it is preferable to provide the second prepreg within the cavity so that in a specific range, the first direction in which the first carbon fibers extend and the second direction in which the second carbon fibers extend intersect and overlap in a third direction.
  • the hole drilling step it is preferable to insert a needle from its tip into the specific range in the third direction and form a connection hole with the needle.
  • a connection hole can be formed in a structure that integrally includes the first prepreg and the second prepreg.
  • the third thermoplastic resin has a higher melting point than the first and second thermoplastic resins.
  • the first and second thermoplastic resins soften or melt depending on the temperature of the injected material, increasing the integrity of the structure and improving the dimensional accuracy of the structure including the connection holes.
  • the second teaching it is preferable to apply pressure to the first and second prepregs in the cavity during the mold clamping process so as to integrate them. In this case, the integrity of the structure is increased and the dimensional accuracy of the structure, including the connection holes, is improved.
  • the needle has a plurality of fourth carbon fibers extending in one direction within the fourth base material made of the fourth thermoplastic resin.
  • the needle can be used as a CFRTP rivet as is.
  • first and second teachings it is preferable to make the first direction and the second direction perpendicular to each other in the setting process. In this case, a high-strength structure can be obtained without the need to weave the carbon fibers.
  • the first and second prepregs are rod-shaped, and the specific range can be the portion where the first and second prepregs intersect.
  • the joining holes will also be formed in the intersecting portions, making the joined structure widely applicable to automobiles, aircraft, spacecraft, ships, trains, buildings, etc.
  • the joining structure of the third teaching has high peel strength in the third direction because the rivets are also made of CFRTP.
  • the shaft or intermediate body disclosed in Patent No. 6840410 or Patent No. 6901063 can be used as the CFRTP rivet, and the fastening method and fastening device disclosed in these documents can be used.
  • the mating material may be metal, CFRTP, or thermosetting CFRP, as long as it has an insertion hole that matches the joining hole.
  • Example 1 embodied the first teaching, which does not include the injection process, and the third teaching.
  • a plurality of prepregs 11 shown in FIG. 1(A) were prepared. These prepregs 11 were in the form of a rod having a rectangular prism shape, and had a plurality of carbon fibers 11b extending only in the length direction within the base material 11a.
  • the base material 11a was a thermoplastic resin.
  • These prepregs 11 corresponded to the first and second prepregs 11f and 11s, the base material 11a corresponded to the first and second base materials 11a made of the first and second thermoplastic resins, and the carbon fibers 11b corresponded to the first and second carbon fibers 11b.
  • a molding device 21 was prepared.
  • the molding device 21 is equipped with a first die 23, a second die 25, and a plurality of needles 27.
  • the first die 23 and the second die 25 are capable of moving relative to each other to clamp the die.
  • the first mold 23 has a first molding surface 23a recessed from the parting surface 21a. As shown in Figures 12 and 13, the first molding surface 23a is adapted to engage with the three first prepregs 11f, which extend in the left-right direction of the paper. In Example 1, the left-right direction of the paper in Figures 12 and 13 is the first direction.
  • the second mold 25 has a second molding surface 25a recessed from the mold parting surface 21b.
  • the first molding surface 23a of the first mold 23 and the second molding surface 25a of the second mold 25 form a cavity C.
  • the second molding surface 25a consists of three first portions 251a, three second portions 252a, and an infinite number of third portions 253a.
  • the first portion 251a faces the first molding surface 23a, and as shown in Figures 12 and 13, the three first prepregs 11f are fitted in the left-right direction of the paper.
  • the sum of the depth of the first molding surface 23a from the parting surface 21a and the depth of the first portion 251a from the parting surface 21b is equal to the thickness of the first prepreg 11f.
  • the second portion 252a is recessed to be continuous with the first portion 251a.
  • the second portion 252a is adapted to engage with the three second prepregs 11s, which extend in the vertical direction of the paper in FIG. 12 and in the thickness direction of the paper in FIG. 13.
  • the vertical direction of the paper in FIG. 12 and the thickness direction of the paper in FIGS. 2 and 13 are the second directions. Therefore, the first prepregs 11f and the second prepregs 11s are perpendicular to each other and overlap in nine specific ranges SA.
  • the length from the bottom surface of the first molding surface 23a to the bottom surface of the second portion 252a is smaller than the sum of the thicknesses of the first prepreg 11f and the second prepreg 11s. Therefore, when the parting surface 21a and the parting surface 21b are brought together and the first mold 23 and the second mold 25 are clamped together, the first prepreg 11f and the second prepreg 11s are pressurized and integrated in the specific range SA, but the first prepreg 11f and the second prepreg 11s have excess material in each specific range SA. Therefore, the third portion 253a is formed between the first portion 251a and the second portion 252a, and the material is molded in each third portion 253a.
  • the first die 23 is provided with a needle hole 23b extending vertically toward each specific range SA.
  • the second die 25 is also provided with a needle hole 25b extending vertically toward each specific range SA to coincide with the needle hole 23b.
  • a metal needle 27 is movably provided in each needle hole 23b, 25b.
  • the needle 27 is composed of a conically pointed tip 27a and a cylindrical portion 27b extending cylindrically coaxially with the tip 27a.
  • the needle 27 in the needle hole 23b protrudes from the tip 27a into the cavity C, and can protrude until the cylindrical portion 27b is positioned within the cavity C.
  • the first die 23 has heating holes 23c formed around each needle hole 23b.
  • the second die 25 also has heating holes 25c formed around each needle hole 25b.
  • the heating holes 23c around each needle hole 23b and the heating holes 25c around each needle hole 25b are connected, allowing a heat medium such as oil at a predetermined temperature to circulate.
  • a first prepreg 11f is provided in the cavity C, and a second prepreg 11s is provided. Specifically, the first prepreg 11f is fitted into the first molding surface 23a of the first mold 23, and the second prepreg 11s is fitted into the second part 252a of the second mold 23.
  • the first prepreg 11f and the second prepreg 11s overlap in a third direction perpendicular to the first and second directions in each specific range SA.
  • the third direction is the up-down direction on the paper in FIG. 3.
  • the first mold 23 and the second mold 25 are clamped together as shown in FIG. 4, and pressure is applied to integrate the first prepreg 11f and the second prepreg 11s within the cavity C.
  • the first prepreg 11f and the second prepreg 11s first come into contact with each other in the specific range SA.
  • the clamping of the first mold 23 and the second mold 25 is completed, as shown in FIG. 6, the first prepreg 11f and the second prepreg 11s are pressurized in the specific range SA, leaving excess material. The excess material is molded in each third portion 253a of the second mold 25.
  • the first and second thermoplastic resins of the first and second prepregs 11f, 11s in the specific range SA are softened by the temperature of the heat medium.
  • the heating temperature is set appropriately depending on the thermoplastic resins of the first and second prepregs 11f, 11s.
  • the first and second carbon fibers 11b deform relatively flexibly and are not damaged.
  • the insert PCM method effectively integrates the first base material 11a of the first prepreg 11f and the second base material 11a of the second prepreg 11s while suppressing damage to the first and second carbon fibers 11b.
  • the needle 27 is inserted into the specific range SA from the tip 27a in the third direction as shown in Figures 7 and 8.
  • the first carbon fiber 11b in the first prepreg 11f is gradually pushed radially outward by the tip 27a of the needle 27 within the first base material 11a.
  • the second carbon fiber 11b in the second prepreg 11s is gradually pushed radially outward by the tip 27a of the needle 27 within the second base material 11a.
  • the first and second thermoplastic resins of the first and second prepregs 11f, 11s in the specific range SA are softened by the temperature of the heat medium. This makes it easier for the first and second carbon fibers 11b to move within the first and second base materials 11a by the tip 27a of the needle 27, making them less likely to be cut. In this way, the resulting structure 51 has a connection hole 51a formed that prevents the surrounding first and second carbon fibers 11b from being cut.
  • connection hole 51a While leaving needles 27 in each connection hole 51a, the circulation of the high-temperature heat medium to the heating holes 23c, 25c is stopped and a low-temperature heat medium is circulated to the heating holes 23c, 25c, or the circulation of the high-temperature heat medium to the heating holes 23c, 25c is stopped and time is allowed to pass, allowing the first and second thermoplastic resins in the specific range SA to reach room temperature. Then, the first mold 23 and the second mold 25 are opened, and a structure 51 is obtained.
  • This structure 51 has the connection holes 51a shown in Figures 9 to 11 formed in it.
  • the first prepreg 11f and the second prepreg 11s are restrained and integrated within the cavity C during the hole drilling process, so the structure 51 is less likely to deform and has high dimensional accuracy.
  • the pressure application process is performed during the mold clamping process, the molding cycle time of the structure 51 can be shortened, and manufacturing costs can be reduced.
  • this structure 51 is made of CFRTP, it is lighter and stronger than a metal structure, and has excellent fatigue and corrosion resistance.
  • this structure 51 has a first prepreg 11f having a plurality of first carbon fibers 11b extending in a first direction in the first matrix 11a made of a first thermoplastic resin, and a second prepreg 11s having a plurality of second carbon fibers 11b extending in a second direction in the second matrix 11a made of a first thermoplastic resin, so that it can exhibit high tensile strength in the first and second directions.
  • the first and second directions of this structure 51 are perpendicular to each other, there is no need to weave the 1.2 carbon fibers 11b, and the structure 51 has high strength.
  • the first prepreg 11f and the second prepreg 11s use the same type of thermoplastic resin, it is easy to soften the matrix 11a in the mold clamping process and the hole punching process, and it is easy to realize the integrity of the structure 51.
  • the rivet 71 consists of a first head 71a, a second head 71b, and a shaft 71c that is integral with the first head 71a and the second head 71b.
  • the first head 71a, the second head 71b, and the shaft 71c consist of a fifth base material 71d made of a fifth thermoplastic resin and a fifth carbon fiber 71e extending in a third direction.
  • a metal plate is used as the mating material 61, but it may be CFRTP or thermosetting CFRP.
  • the joint structure 81 thus obtained has a high peel strength in the third direction, since the rivet 71 is also made of CFRTP, and in particular the first head 71a, the second head 71b, and the fifth carbon fiber 71e in the shaft 71c are not cut.
  • the needle 27 is not made of metal but is made of CFRTP and left in the structure 51, and the needle 27 can be transformed into a rivet 71 to join the structure 51 and the mating material 61, thereby forming a joined structure 81.
  • the first and second thermoplastic resins were heated and softened in the pressurizing and hole-making processes, but depending on the types of the first and second thermoplastic resins, it is also possible to carry out the pressurizing and hole-making processes at room temperature.
  • the hole-making process was performed after the pressurizing process, but the hole-making process may be performed simultaneously with the pressurizing process. In this case, the molding cycle time of the structure 51 can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the molding device 21 may be provided with a heater wire in the heating hole 23c or the heating hole 25c.
  • the first die 23 and the second die 25 may not be provided with the heating hole 23c or the heating hole 25c, and only the needle 27 may be heated and inserted into the needle hole 23b, 25b.
  • Example 2 embodies the second teaching in which the second prepreg is not prepared and the third teaching. First, in the preparation step, similarly to Example 1, a plurality of prepregs 11 shown in FIG.
  • a molding device 33 was prepared.
  • the molding device 33 is equipped with a first die 35, a second die 37, and a plurality of needles 27.
  • the first die 35 and the second die 37 are capable of moving relative to each other to clamp the die.
  • the first mold 35 has a first molding surface 35a recessed from the parting surface 21a. As in Example 1, the first molding surface 35a is designed to fit the three first prepregs 11f by extending them in the left-right direction of the paper.
  • the second mold 37 has a second molding surface 37a recessed from the mold parting surface 21b.
  • the first molding surface 35a of the first mold 35 and the second molding surface 37a of the second mold 37 form a cavity C.
  • the second molding surface 37a consists of three first portions 371a and a second portion 372a.
  • the first portion 371a faces the first molding surface 35a and is adapted to fit into the three prepregs 11 in the left-right direction of the paper surface.
  • the sum of the depth of the first molding surface 35a from the parting surface 21a and the depth of the first portion 371a from the parting surface 21b is equal to the thickness of the prepregs 11.
  • the second portion 372a is spaced apart from the top, right, left, front and rear surfaces of each prepreg 11 when the bottom surface of each prepreg 11 is in contact with the bottom surface of the first molding surface 35a.
  • Needle holes 35b, 37b are formed in the first and second dies 35, 37.
  • the configuration of the needle holes 35b, 37b is similar to that of the needle holes 23b, 25b in Example 1.
  • the first and second dies 35, 37 do not have heating holes 23c, 25c like the first and second dies 23, 25 in Example 1.
  • the other configuration of the molding device 33 is similar to that of the molding device 21 in Example 1.
  • injection material 39 was prepared.
  • Injection material 39 contains a third thermoplastic resin and is in a molten state, and is designed to be injected into cavity C from a gate (not shown).
  • the third thermoplastic resin of injection material 39 has a higher melting point than the thermoplastic resin of prepreg 11.
  • the prepreg 11 is provided in the cavity C.
  • the first mold 35 and the second mold 37 are clamped together.
  • the injection material 39 is injected into the cavity C.
  • the needle 27 is advanced into the specific range SA from the tip 27a in the third direction so that the cylindrical portion 27b of the needle 27 penetrates the injected material 39 in the cavity C and reaches the needle hole 37b.
  • the carbon fibers 11b in the prepreg 11 are gradually pushed radially outward from the needle 27 by the tip 27a of the needle 27 within the base material 11a.
  • the carbon fibers 11b of the prepreg 11 are less likely to be cut.
  • the thermoplastic resin in the specific range SA softens due to the temperature of the injection material 39, and the carbon fibers 11b are more likely to move within the base material 11a by the tip 27a of the needle 27, making them less likely to be cut.
  • the injection material 39 is injected in the injection process while leaving the needle 27 in the connection hole 53a, so that the insert injection molding method is performed and the connection hole 53a can be shaped into a desirable shape by the injection material 39.
  • the molding cycle time of the structure 53 can be shortened, and manufacturing costs can be reduced.
  • the first mold 35 and the second mold 37 are opened with the thermoplastic resin and the injection material 39 at room temperature to obtain a structure 53.
  • the obtained structure 53 is composed of a prepreg 11 and the injection material 39 provided on five surfaces of the prepreg 11 except for the bottom surface.
  • Each structure 53 is formed with a connection hole 53a of a preferred shape while preventing cutting of the surrounding carbon fiber 11b.
  • each structure 53 and the mating member 61 were joined with a rivet 71 made of CFRTP. In this way, a joined structure 83 was obtained.
  • the structure 53 of Example 2 can achieve the same effect as that of Example 1.
  • the joint structure 83 of Example 2 can achieve the same effect as that of Example 1.
  • the needle 27 in Example 2 is also not made of metal, but is made of CFRTP and can be left in the structure 53.
  • the needle 27 can be transformed into a rivet 71 to join the structure 53 and the mating material 61, thereby forming a joined structure 83.
  • Example 2 the injection process is performed during the hole punching process, but it may be performed before or after the hole punching process. If the injection process is performed after the hole punching process, the needle 27 remains in the cavity C, and a connection hole is also formed in the injected material 39.
  • Example 3 is a concrete example of the first teaching of the injection process and the third teaching.
  • Example 3 is a concrete example of the second teaching of preparing a second prepreg and the third teaching.
  • a molding device 41 was prepared.
  • the molding device 41 is equipped with a first die 43, a second die 45, and a plurality of needles 27.
  • the first die 43 and the second die 45 are capable of moving relative to each other to clamp the die.
  • the first mold 43 has a first molding surface 43a recessed from the parting surface 21a. As in Example 1, the first molding surface 43a is designed to fit the three first prepregs 11f by extending them in the left-right direction of the paper.
  • the second mold 45 has a second molding surface 45a recessed from the mold parting surface 21b.
  • the first molding surface 43a of the first mold 43 and the second molding surface 45a of the second mold 45 form a cavity C.
  • the second molding surface 45a consists of three first portions 451a, three second portions 452a, and a third portion 453a.
  • the first portion 451a faces the first molding surface 43a, and the three first prepregs 11f are fitted in the left-right direction of the paper.
  • the sum of the depth of the first molding surface 43a from the parting surface 21a and the depth of the first portion 451a from the parting surface 21b is equal to the thickness of the first prepregs 11f.
  • the second portion 452a is recessed to continue from the first portion 451a.
  • the second portion 452a is adapted to engage with the three second prepregs 11s by extending them in the thickness direction of the paper surface of FIG. 20. Therefore, the first prepregs 11f and the second prepregs 11s are perpendicular to each other and overlap in nine specific ranges SA.
  • the third portion 453a abuts the bottom surface of the first prepreg 11f against the bottom surface of the first molding surface 43a, and when the second prepreg 11s is fitted to the second portion 452a, it is spaced apart from the top, right, left, front and rear surfaces of the first prepreg 11f and the second prepreg 11s.
  • the length from the bottom surface of the first molding surface 43a to the bottom surface of the second portion 452a is smaller than the sum of the thicknesses of the first prepreg 11f and the second prepreg 11s. Therefore, when the parting surface 21a and the parting surface 21b are brought together and the first mold 43 and the second mold 45 are clamped together, the first prepreg 11f and the second prepreg 11s are pressurized in the specific range SA and become one, but the first prepreg 11f and the second prepreg 11s have excess material in each specific range SA. Therefore, that material bulges out into the third portion 453a.
  • Needle holes 43b, 45b are formed in the first and second dies 43, 45.
  • the configuration of the needle holes 43b, 45b is similar to that of the needle holes 23b, 25b, 35b, 37b in Examples 1 and 2.
  • the first and second dies 43, 45 do not have heating holes 23c, 25c like the first and second dies 23, 25 in Example 1.
  • the other configuration of the molding device 41 is similar to that of the molding device 21 in Example 1.
  • injection material 39 was prepared.
  • Injection material 39 contains a third thermoplastic resin and is in a molten state, and is designed to be injected into cavity C from a gate (not shown).
  • the third thermoplastic resin of injection material 39 has a higher melting point than the first and second thermoplastic resins of first and second prepregs 11f and 11s.
  • the first and second prepregs 11f and 11s are provided in the cavity C, as in Example 1.
  • the mold clamping process and pressurizing process as shown in FIG. 22, the first mold 43 and the second mold 45 are clamped together, and pressure is applied to integrate the first prepreg 11f and the second prepreg 11s in the cavity C.
  • the injection material 39 is injected into the cavity C.
  • the needle 27 is advanced into the specific range SA from the tip 27a in the third direction so that the cylindrical portion 27b of the needle 27 penetrates the injected material 39 in the cavity C and reaches the needle hole 37b.
  • the first and second carbon fibers 11b in the first and second prepregs 11f, 11s are gradually pushed radially outward of the needle 27 by the tip 27a of the needle 27 within the first and second base materials 11a.
  • the first and second carbon fibers 11b of the first and second prepregs 11f, 11s are less likely to be cut.
  • the first and second thermoplastic resins in the specific range SA are softened by the temperature of the injection material 39, and the first and second carbon fibers 11b are easily moved by the tip 27a of the needle 27 in the first and second base material 11a, making them less likely to be cut.
  • connection holes 55a formed by the needles 27 in the first and second prepregs 11f and 11s become undesirable shapes, the injection material 39 is injected in the injection process while leaving the needles 27 in the connection holes 55a, so that the insert injection molding method is performed and the connection holes 55a can be shaped into a desirable shape by the injection material 39. Also, if the injection process is performed during the hole punching process, the molding cycle time of the structure 53 can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the first and second thermoplastic resins and the injected material 39 are brought to room temperature, and the first and second dies 43 and 45 are opened to obtain structures 55.
  • the obtained structures 55 are made of the first and second prepregs 11f and 11s, and the injected material 39 provided on five surfaces of the first and second prepregs 11f and 11s, excluding the bottom surfaces.
  • Each structure 55 is formed with a connection hole 55a of a preferred shape, while preventing cutting of the surrounding first and second carbon fibers 11b.
  • FIG. 24 three structures 55 were arranged in the thickness direction of the paper, and a mating member 61 was prepared in the same manner as in Examples 1 and 2. Then, as shown in FIG. 25, the structures 55 and the mating member 61 were joined with a rivet 71 made of CFRTP in the same manner as in Examples 1 and 2. In this manner, a joined structure 85 was obtained.
  • the structure 55 of Example 3 can achieve the same effects as those of Examples 1 and 2.
  • the joint structure 85 of Example 3 can achieve the same effects as those of Examples 1 and 2.
  • the needle 27 in Example 3 is also not made of metal, but is made of CFRTP and can remain in the structure 55.
  • the needle 27 can be transformed into a rivet 71 to join the structure 55 and the mating material 61, thereby forming a joined structure 85.
  • the injection process was performed during the hole drilling process, but the injection process may be performed before or after the hole drilling process. If the injection process is performed before or after the hole drilling process, the needle 27 remains in the cavity C, and a connection hole is also formed in the injected material 39.
  • the inventors molded multiple structures 53 of Example 2 using PP (polypropylene) as the thermoplastic resin and injection material of the prepreg 11, and manufactured a lattice-shaped joint structure 83 using each structure 53.
  • This joint structure 83 is lightweight yet strong, and has excellent fatigue properties and corrosion resistance, making it suitable for use as a cover member for a battery case.
  • a rod-shaped prepreg 11 in the shape of a rectangular prism shown in FIG. 1(A) was used, but a rod-shaped prepreg 13 in the shape of a cylinder shown in FIG. 1(B) may also be used.
  • This prepreg 13 also has multiple carbon fibers 13b that extend only in the length direction within the base material 13a.
  • a sheet-shaped prepreg 15 shown in FIG. 1(C) may also be used.
  • This prepreg 15 also has multiple carbon fibers 15b that extend only in the length direction within the base material 15a.
  • the injected material 39 is provided on five surfaces of the prepreg 11 or the first and second prepregs 11f and 11s, excluding the bottom surface, but the injected material may be provided on the entire surface of the prepreg 11 or the first and second prepregs 11f and 11s, or may be provided only on specific parts.
  • the first and second prepregs 11, 13, and 15 have carbon fibers 11b, 13b, and 15b that extend only in the length direction, but may also have carbon fibers that extend in the length direction while twisting.
  • the present invention can be used for parts in the fields of automobiles, aircraft, spacecraft, ships, trains, buildings, etc.

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Abstract

接合構造体の引張強度の向上を実現可能な構造体の成形方法を提供する。また、強度の向上を実現可能な接合構造体を提供する。構造体の成形方法は、セット工程において、キャビティＣ内に第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓを設ける。第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓは、第１炭素繊維１１ｂの延びる第１方向と第２炭素繊維１１ｂの延びる第２方向とが交差し、第１方向及び第２方向と直交する第３方向に特定範囲ＳＡで重なる。型締め工程では、セット工程後、第１型２３と第２型２５とを型締めする。加圧工程では、キャビティＣ内で第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓを一体にするように加圧する。射出工程では、キャビティＣ内に射出材料３９を射出する。穴開け工程では、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させ、ニードル２７で接続穴５１ａを形成する。

Description

構造体の成形方法及び接合構造体
　本発明は、構造体の成形方法と、接合構造体とに関する。
　特許文献１に従来の接合構造体が開示されている。この接合構造体は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂からなる母材内に炭素繊維を有する２枚のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の構造体がリベットによって接合されている。
　ＣＦＲＰ製の構造体は、金属製の構造体と比較し、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れている。特に、ＣＦＲＰ製の複数の構造体がリベットによって接合された接合構造体は、接着剤を用いる必要がないことから、接合時間の短縮、低コストの他、高い耐久性等の長所を発揮する。このため、接合構造体は、自動車等の分野において、部品等への適用が広く期待されている。
国際公開２０１２／１１７７３７号
　しかし、上記従来の接合構造体は、２枚の構造体をリベットによって打ち抜くことによって得られることから、各構造体中の炭素繊維がリベットによって切断され易く、構造体の接合面に沿った方向の引張強度が損なわれる。
　特に、第１構造体中の炭素繊維が第１方向に延び、第２構造体中の炭素繊維が第１方向と直交等、交差する第２方向に延び、これら第１構造体と第２構造体とを上記のように接合した接合構造体では、第１構造体中の炭素繊維がリベットが貫設する接合穴によって第１方向で切断され易いとともに、第２構造体中の炭素繊維も同じ接合穴によって第２方向で切断され易い。このため、接合構造体は、引張強度が第１方向及び第２方向で低下してしまう。
　本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、接合構造体の引張強度の向上を実現可能な構造体の成形方法を提供することを解決すべき課題としている。また、本発明は、強度の向上を実現可能な接合構造体を提供することも解決すべき課題としている。
　第１教示の構造体の成形方法は、第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向に延びる複数本の第１炭素繊維を有する第１プリプレグと、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向に延びる複数本の第２炭素繊維を有する第２プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルとを準備する準備工程と、
　前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるとともに、前記第１炭素繊維の延びる第１方向と前記第２炭素繊維の延びる第２方向とが交差し、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向に特定範囲で重なるように、前記キャビティ内に前記第２プリプレグを設けるセット工程と、
　前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
　前記型締め工程中又は前記型締め工程後、前記キャビティ内で前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグを一体にするように加圧する加圧工程と、
　前記加圧工程中又は前記加圧工程後、前記特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程とを備えていることを特徴とする。
　第１教示の成形方法では、セット工程において、第１炭素繊維の延びる第１方向と第２炭素繊維の延びる第２方向とを交差させ、型締め工程において、第１プリプレグ及び第２プリプレグを一体とするため、トラス等の構造体を成形できる。
　特に、穴開け工程において、第１プリプレグと第２プリプレグとが重なる特定範囲に対し、ニードルを尖った先端部から第３方向に進入させることから、第１プリプレグ中の第１炭素繊維はニードルの先端部によって第１母材内で徐々にニードルの径外方向に押しやられ、第２プリプレグ中の第２炭素繊維もニードルの先端部によって第２母材内で徐々にニードルの径外方向に押しやられる。このため、第１プリプレグの炭素繊維及び第２プリプレグの炭素繊維がともに切断され難い。こうして、得られる構造体には、周囲の炭素繊維の切断が抑制された接続穴が形成される。
　また、第１教示の成形方法では、第１プリプレグと第２プリプレグとをキャビティ内で拘束しつつ穴開け工程を行っていることから、インサートＰＣＭ（Pre-Preg Compression Molding）工法となり、構造体は変形し難く、高い寸法精度を有している。
　第２教示の構造体の成形方法は、第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向に延びる複数本の第１炭素繊維を有する第１プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルと、第３熱可塑性樹脂を含み、前記キャビティ内に射出される射出材料とを準備する準備工程と、
　前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるセット工程と、
　前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
　前記第１プリプレグの特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第１方向と直交する第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程と、
　前記穴開け工程前、前記穴開け工程中又は前記穴開け工程後、前記キャビティ内に前記射出材料を射出する射出工程とを備えていることを特徴とする。
　第２教示の成形方法では、穴開け工程において、第１プリプレグの特定範囲に対し、ニードルを尖った先端部から第３方向に進入させることから、第１プリプレグ中の第１炭素繊維はニードルの先端部によって第１母材内で徐々にニードルの径外方向に押しやられる。このため、第１プリプレグの炭素繊維が切断され難い。
　穴開け工程前、穴開け工程中又は穴開け工程後に射出工程を行うことから、インサート射出成形工法となり、構造体は、第１プリプレグ及び射出材料が一体に成形され、より実用性が高まる。特に、キャビティ内に射出材料を射出することから、射出材料が接続穴も成形し、接続穴を好ましい形状に整えることができる。穴開け工程中に射出工程を行えば、射出材料の温度によって第１プリプレグの第１熱可塑性樹脂が軟化するように加熱でき、穴開け工程時に特定範囲の第１熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を低減又は無くすことができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　こうして、得られる構造体には、周囲の炭素繊維の切断が抑制されているとともに、好ましい形状の接続穴が形成される。
　第１、２教示の成形方法で得られる構造体は、熱可塑性樹脂及び炭素繊維からなるため、ＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics、熱可塑性ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）ともいう。）であり、金属製の構造体と比較し、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れる。
　第３教示の接合構造体は、上記成形方法で得られた構造体と、前記構造体と積層され、前記接合穴と整合する挿入穴を有する相手材とを備え、
　前記接続穴及び前記挿入穴には、第５熱可塑性樹脂からなる第５母材内に１方向に延びる複数本の第５炭素繊維を有し、前記構造体と前記相手材とを接合するリベットが設けられていることを特徴とする。
　第３教示の接合構造体は、第１、２教示で得られる構造体と相手材とをリベットで接合していることから、構造体の接合面に沿った方向の引張強度が損なわれ難い。また、この接合構造体は、接着剤を用いる必要がないことから、接合時間の短縮、低コストの他、高い耐久性等の長所を発揮する。
　本発明の構造体の成形方法によれば、接合構造体の引張強度の向上を実現可能な構造体を得ることができる。また、本発明の接合構造体によれば、強度の向上を実現可能である。
プリプレグの斜視図である。 実施例１に係り、準備工程時の第１金型、第２金型及びニードルを示す模式断面図である。 実施例１に係り、セット工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。 実施例１に係り、型締め工程及び加圧工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。 実施例１に係り、型締め工程及び加圧工程時の初期における第１プリプレグ及び第２プリプレグの模式拡大断面図である。 実施例１に係り、型締め工程及び加圧工程時の終期における第１プリプレグ及び第２プリプレグの模式拡大断面図である。 実施例１に係り、穴開け工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。 実施例１に係り、穴開け工程時における第１プリプレグ、第２プリプレグ及びニードルの模式拡大断面図である。 実施例１の成形方法で得られた構造体の要部拡大断面図である。 実施例１の成形方法で得られた構造体を拡大して示し、一部断面の平面図である。 実施例１の成形方法で得られた構造体を拡大して示し、一部断面の裏面図である。 実施例１の成形方法で得られた構造体の平面図である。 実施例１の成形方法で得られた構造体と、相手材との断面図である。 実施例１の接合構造体の要部断面図である。 実施例２に係り、準備工程時の第１金型、第２金型及びニードルを示す模式断面図である。 実施例２に係り、セット工程及び型締め工程時の第１金型、第２金型、ニードル及び第１プリプレグを示す模式断面図である。 実施例２に係り、射出工程及び穴開け工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び射出材料を示す模式断面図である。 実施例２の成形方法で得られた２つの構造体と、相手材との断面図である。 実施例２の接合構造体の要部断面図である。 実施例３に係り、準備工程時の第１金型、第２金型及びニードルを示す模式断面図である。 実施例３に係り、セット工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。 実施例３に係り、型締め工程及び加圧工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ及び第２プリプレグを示す模式断面図である。 実施例３に係り、射出工程及び穴開け工程時の第１金型、第２金型、ニードル、第１プリプレグ、第２プリプレグ及び射出材料を示す模式断面図である。 実施例３の成形方法で得られた構造体と、相手材との断面図である。 実施例３の接合構造体の要部断面図である。
　第１～３教示において、第１プリプレグの第１母材を構成する第１熱可塑性樹脂、第２プリプレグの第２母材を構成する第２熱可塑性樹脂、射出材料を構成する第３熱可塑性樹脂、ニードルを構成し得る第４熱可塑性樹脂、リベットの第５母材を構成する第５熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡＣ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリロニトリルスチレンコポリマー（ＡＳ樹脂）、アクリル（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を採用することができる。第１～５熱可塑性樹脂は同種であってもよく、異種であってもよい。
　第１～３教示において、第１、２、４、５炭素繊維はフィラメントである。第１、２、４、５炭素繊維はＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系であってもよく、ピッチ系であってもよい。また、第１、２、４、５炭素繊維は同径であってもよく、異径であってもよい。また、第１プリプレグが有する第１炭素繊維の本数や密度と、第２プリプレグが有する第２炭素繊維の本数や密度と、ニードルが有し得る第４炭素繊維の本数や密度と、リベットが有する第５炭素繊維の本数や密度とは、同じであってもよく、異なってもよい。
　第１、２教示において、第１、２プリプレグは、炭素繊維に熱可塑性樹脂を完全に含侵させたものの他、不完全に含侵させたいわゆるセミプレグであってもよい。第１、２プリプレグは角柱状、円柱状等のロッドであってもよく、シートであってもよい。第１、２プリグレグと同様の第３プリプレグ、第４プリプレグ等を用いることも可能である。また、第１、２教示の成形方向において、構造体の形状は限定されない。
　第１教示において、加圧工程は、型締め工程中に行ってもよく、型締め工程後に行ってもよい。型締め工程中に加圧工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。型締め工程後に加圧工程を行えば、加圧力を調整し易い。
　第１教示において、穴開け工程は、加圧工程中に行ってもよく、加圧工程後に行ってもよい。加圧工程中に穴開け工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　第１教示において、準備工程では、第３熱可塑性樹脂を含み、キャビティ内に射出される射出材料を準備し得る。そして、成形方法は、穴開け工程前、穴開け工程中又は穴開け工程後、キャビティ内に射出材料を射出する射出工程を備えていることが好ましい。この場合、インサート射出成形工法となり、構造体は、第１プリプレグと第２プリプレグとが一体になっただけではなく、射出材料によっても成形され、より実用性が高まる。特に、キャビティ内に射出材料を射出することから、射出材料が接続穴も成形し、接続穴を好ましい形状に整えることができる。穴開け工程中に射出工程を行えば、射出材料の温度によって第１プリプレグの第１熱可塑性樹脂及び第２プリプレグの第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱でき、穴開け工程時に特定範囲の第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を低減又は無くすことができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　第１教示において、第３熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂よりも融点が高いことが好ましい。この場合、射出材料の温度によって第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂を確実に軟化又は溶融し、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。
　第１教示において、加圧工程では、特定範囲の第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱することが好ましい。この場合、第１プリプレグの第１母材と第２プリプレグの第２母材とがより一体になり易い。加熱温度は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の熱変形温度以上が好ましい。第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の融点以下でも構わない。
　第１教示において、穴開け工程では、特定範囲の第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱することが好ましい。穴開け工程前や穴開け工程中に射出工程を行わない場合、第１、２炭素繊維がニードルの先端部によって第１、２母材内で移動し易く、より切断され難くなる。加熱温度は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の熱変形温度以上が好ましい。第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂の少なくとも一方の融点以下でも構わない。
　第２教示において、第３熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂よりも融点が高いことが好ましい。この場合、射出材料の温度によって第１熱可塑性樹脂が軟化又は溶融し、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。
　第２教示において、準備工程では、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向に延びる複数本の第２炭素繊維を有する第２プリプレグを準備し得る。また、セット工程では、特定範囲において、第１炭素繊維の延びる第１方向と第２炭素繊維の延びる第２方向とが交差し、第３方向で重なるように、キャビティ内に第２プリプレグを設けることが好ましい。そして、穴開け工程では、特定範囲に対してニードルを先端部から第３方向に進入させ、ニードルで接続穴を形成することが好ましい。この場合、第１プリプレグと第２プリプレグとを一体に含む構造体に接続穴を形成することができる。
　第２教示において、第３熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂よりも融点が高いことが好ましい。この場合、射出材料の温度によって第１、２熱可塑性樹脂が軟化又は溶融し、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。
　第２教示において、型締め工程中、キャビティ内で第１プリプレグ及び第２プリプレグを一体にするように加圧することが好ましい。この場合、構造体の一体性が増すとともに、接続穴を含む構造体の寸法精度が高くなる。
　第１、２教示において、ニードルは、第４熱可塑性樹脂からなる第４母材内に１方向に延びる複数本の第４炭素繊維を有することが好ましい。この場合、ニードルをそのままＣＦＲＴＰ製のリベットとして用いることができる。
　第１、２教示において、セット工程では、第１方向と第２方向とを直交させることが好ましい。この場合、炭素繊維を編み込む必要なく、高い強度の構造体が得られる。
　第１、２教示において、第１プリプレグ及び第２プリプレグはロッド状をなし、特定範囲は第１プリプレグ及び第２プリプレグが交差する部分であり得る。この場合、トラスや格子状の構造体を成形すれば、接合穴もその交差する部分に形成されることとなることから、接合構造体を自動車、航空機、宇宙船、船舶、列車、建築物等に広く適用可能である。
　第３教示の接合構造体は、リベットもＣＦＲＴＰであることから、第３方向に高い剥離強度を発揮する。ＣＦＲＴＰ製のリベットとしては、特許第6840410号や特許第6901063号に開示された軸体又は中間体を採用し、これらの文献に開示された締結方法及び締結装置を採用することができる。
　第３教示において、相手材は接合穴と整合する挿入穴を有すれば、金属であってもよいし、ＣＦＲＴＰであってもよいし、熱硬化性ＣＦＲＰであってもよい。
　以下、本発明を具体化した実施例１～３を図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）
　実施例１は、射出工程を行わない第１教示と、第３教示とを具体化した。まず、準備工程において、図１（Ａ）に示す複数本のプリプレグ１１を準備した。これらのプリプレグ１１は、四角柱形状でロッド状をなしており、母材１１ａ内に長さ方向のみに延びる複数本の炭素繊維１１ｂを有している。母材１１ａは熱可塑性樹脂である。これらのプリプレグ１１が第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓに相当し、母材１１ａが第１、２熱可塑性樹脂からなる第１、２母材１１ａに相当し、炭素繊維１１ｂが第１、２炭素繊維１１ｂに相当する。
　また、図２に示すように、成形装置２１を準備した。成形装置２１は、第１型２３と、第２型２５と、複数本のニードル２７とを備えている。第１型２３と第２型２５とは相対移動して型締めできるようになっている。
　第１型２３には型割り面２１ａから第１成形面２３ａが凹設されている。第１成形面２３ａは、図１２及び図１３に示すように、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に延在させて嵌合するようになっている。実施例１では、図１２及び図１３の紙面の左右方向が第１方向である。
　図２に示すように、第２型２５には型割り面２１ｂから第２成形面２５ａが凹設されている。第１型２３の第１成形面２３ａと、第２型２５の第２成形面２５ａとがキャビティＣを形成する。第２成形面２５ａは、３本の第１部２５１ａと、３本の第２部２５２ａと、無数の第３部２５３ａとからなる。
　第１部２５１ａは、第１成形面２３ａと対面しており、図１２及び図１３に示すように、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に嵌合するようになっている。第１成形面２３ａの型割り面２１ａからの深さと、第１部２５１ａの型割り面２１ｂからの深さとの合計は、第１プリプレグ１１ｆの厚さと等しくなっている。
　図２に示すように、第２部２５２ａは第１部２５１ａと連続して凹設されている。第２部２５２ａは３本の第２プリプレグ１１ｓを図１２の紙面の上下方向、図１３の紙面の厚さ方向に延在させて嵌合するようになっている。実施例１では、図１２の紙面の上下方向、図２及び図１３の紙面の厚さ方向が第２方向である。このため、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、直交し、９つの特定範囲ＳＡで重なるようになっている。
　図２に示すように、第１成形面２３ａの底面から第２部２５２ａの底面までの長さは、第１プリプレグ１１ｆの厚さと第２プリプレグ１１ｓの厚さとの合計よりも小さい。このため、型割り面２１ａと型割り面２１ｂとを合わせることにより、第１型２３と第２型２５とを型締めすれば、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは特定範囲ＳＡで加圧されて一体になるが、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓは各特定範囲ＳＡで材料が余る。このため、第３部２５３ａが第１部２５１ａと第２部２５２ａとの間に形成され、その材料が各第３部２５３ａで成形されるようになっている。
　第１型２３には、各特定範囲ＳＡに向かって垂直に延びるニードル孔２３ｂが貫設されている。また、第２型２５にも、ニードル孔２３ｂと一致するように各特定範囲ＳＡに向かって垂直に延びるニードル孔２５ｂが貫設されている。各ニードル孔２３ｂ、２５ｂには金属製のニードル２７が移動可能に設けられている。ニードル２７は、円錐状に尖った先端部２７ａと、先端部２７ａと同軸に円柱状に延びる円柱部２７ｂとからなる。ニードル孔２３ｂ内のニードル２７は、先端部２７ａからキャビティＣ内に突出し、円柱部２７ｂをキャビティＣ内に位置させるまで突出可能である。
　また、第１型２３には各ニードル孔２３ｂ周りに加熱穴２３ｃが形成されている。また、第２型２５にも各ニードル孔２５ｂ周りに加熱穴２５ｃが形成されている。各ニードル孔２３ｂ周りの加熱穴２３ｃ及び各ニードル孔２５ｂ周りの加熱穴２５ｃは接続されており、所定の温度の油等の熱媒体が循環されるようになっている。
　セット工程では、図３に示すように、キャビティＣ内に第１プリプレグ１１ｆを設けるとともに、第２プリプレグ１１ｓを設ける。具体的には、第１型２３の第１成形面２３ａに第１プリプレグ１１ｆを嵌合し、第２型２３の第２部２５２ａに第２プリプレグ１１ｓを嵌合する。第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、各特定範囲ＳＡにおいて、第１方向及び第２方向と直交する第３方向で重なるようになっている。図３の紙面の上下方向が第３方向である。
　型締め工程及び加圧工程では、加熱穴２３ｃ、２５ｃに高温の熱媒体を循環させつつ、図４に示すように、第１型２３と第２型２５とを型締めするとともに、キャビティＣ内で第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓを一体にするように加圧する。この際、図５に示すように、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは特定範囲ＳＡでまず接触する。さらに、第１型２３と第２型２５との型締めが終了すると、図６に示すように、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、特定範囲ＳＡで加圧されて材料が余る。余った材料は第２型２５の各第３部２５３ａで成形される。
　これらの間、特定範囲ＳＡにおける第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２熱可塑性樹脂は熱媒体の温度によって軟化している。加熱温度は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの熱可塑性樹脂によって適宜設定される。このため、第１、２炭素繊維１１ｂが比較的柔軟に変形し、第１、２炭素繊維１１ｂが損傷されることがない。こうして、インサートＰＣＭ工法により、第１、２炭素繊維１１ｂの損傷を抑制しつつ、第１プリプレグ１１ｆの第１母材１１ａと第２プリプレグ１１ｓの第２母材１１ａとが好適に一体になる。
　そして、穴開け工程として、加熱穴２３ｃ、２５ｃに高温の熱媒体を循環させたまま、図７及び図８に示すように、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させる。これにより、第１プリプレグ１１ｆ中の第１炭素繊維１１ｂはニードル２７の先端部２７ａによって第１母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。また、第２プリプレグ１１ｓ中の第２炭素繊維１１ｂもニードル２７の先端部２７ａによって第２母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。
　この間、特定範囲ＳＡにおける第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２熱可塑性樹脂は熱媒体の温度によって軟化している。このため、第１、２炭素繊維１１ｂがニードル２７の先端部２７ａによって第１、２母材１１ａ内で移動し易く、より切断され難い。こうして、得られる構造体５１には、周囲の第１、２炭素繊維１１ｂの切断が抑制された接続穴５１ａが形成される。
　各接続穴５１ａにニードル２７を残しつつ、加熱穴２３ｃ、２５ｃへの高温の熱媒体の循環を停止して加熱穴２３ｃ、２５ｃに低温の熱媒体を循環させるか、加熱穴２３ｃ、２５ｃへの高温の熱媒体の循環を停止して時間の経過を待ち、特定範囲ＳＡの第１、２熱可塑性樹脂を常温とする。そして、第１型２３と第２型２５とを型開きし、構造体５１が得られる。この構造体５１には、図９～１１に示す接続穴５１ａが形成されている。
　また、この成形方法では、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとをキャビティＣ内に拘束して一体にしつつ穴開け工程を行っていることから、構造体５１は変形し難く、高い寸法精度を有している。また、型締め工程中に加圧工程を行っていることから、構造体５１の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　この構造体５１はＣＦＲＴＰであるため、金属製の構造体と比較し、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れる。特に、この構造体５１は、第１プリプレグ１１ｆが第１熱可塑性樹脂からなる第１母材１１ａ内に第１方向に延びる複数本の第１炭素繊維１１ｂを有し、第２プリプレグ１１ｓが第１熱可塑性樹脂からなる第２母材１１ａ内に第２方向に延びる複数本の第２炭素繊維１１ｂを有することから、第１方向及び第２方向に高い引張強度を発揮できる。また、この構造体５１は、第１方向と第２方向とが直交しているため、第１．２炭素繊維１１ｂを編み込む必要なく、高い強度となっている。さらに、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓが同種の熱可塑性樹脂を採用していることから、型締め工程や穴開け工程で母材１１ａを軟化させ易く、構造体５１の一体性を実現し易い。
　そして、接合工程において、図１４に示すように、実施例１で得た構造体５１と相手材６１とをＣＦＲＴＰ製のリベット７１によって接合し、接合構造体８１とする。この際、特許第6840410号や特許第6901063号に開示された締結方法及び締結装置を採用する。
　リベット７１は、第１頭部７１ａと、第２頭部７１ｂと、第１頭部７１ａと第２頭部７１ｂと一体をなす軸部７１ｃとからなる。第１頭部７１ａ、第２頭部７１ｂ及び軸部７１ｃは第５熱可塑性樹脂からなる第５母材７１ｄと第３方向に延びる第５炭素繊維７１ｅとからなる。相手材６１としては金属板を採用したが、ＣＦＲＴＰであってもよいし、熱硬化性ＣＦＲＰであってもよい。
　こうして得られた接合構造体８１は、リベット７１もＣＦＲＴＰであり、特に、第１頭部７１ａ、第２頭部７１ｂ及び軸部７１ｃ内の第５炭素繊維７１ｅが切断されていないことから、第３方向にも高い剥離強度を発揮する。
　実施例１のニードル２７を金属製ではなく、ＣＦＲＴＰ製として構造体５１に残留させ、ニードル２７をリベット７１に変形することによって構造体５１と相手材６１とを接合することによって接合構造体８１とすることも可能である。
　上記実施例１では、加圧工程及び穴開け工程で第１、２熱可塑性樹脂を加熱して軟化させたが、第１、２熱可塑性樹脂の種類によっては加圧工程及び穴開け工程を常温で行うことも可能である。
　また、上記実施例１では、加圧工程後に穴開け工程を行ったが、加圧工程と同時に穴開け工程を行ってもよい。この場合には、構造体５１の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　なお、成形装置２１として、加熱穴２３ｃや加熱穴２５ｃにヒータ線を設けてもよい。また、第１型２３及び第２型２５に加熱穴２３ｃや加熱穴２５ｃを設けず、ニードル２７だけを加熱してニードル孔２３ｂ、２５ｂに挿通してもよい。
（実施例２）
　実施例２は、第２プリプレグを準備しない第２教示と、第３教示とを具体化したものである。まず、準備工程において、実施例１と同様、図１（Ａ）に示す複数本のプリプレグ１１を準備した。
　また、図１５に示すように、成形装置３３を準備した。成形装置３３は、第１型３５と、第２型３７と、複数本のニードル２７とを備えている。第１型３５と第２型３７とは相対移動して型締めできるようになっている。
　第１型３５には型割り面２１ａから第１成形面３５ａが凹設されている。第１成形面３５ａは、実施例１と同様、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に延在させて嵌合するようになっている。
　第２型３７には型割り面２１ｂから第２成形面３７ａが凹設されている。第１型３５の第１成形面３５ａと、第２型３７の第２成形面３７ａとがキャビティＣを形成する。第２成形面３７ａは、３本の第１部３７１ａと、第２部３７２ａとからなる。
　第１部３７１ａは、第１成形面３５ａと対面しており、３本のプリプレグ１１紙面の左右方向に嵌合するようになっている。第１成形面３５ａの型割り面２１ａからの深さと、第１部３７１ａの型割り面２１ｂからの深さとの合計は、プリプレグ１１の厚さと等しくなっている。第２部３７２ａは、第１成形面３５ａの底面に各プリプレグ１１の底面を当接した場合、各プリプレグ１１の上面、右面、左面、前面及び後面に対して離隔している。
　第１、２型３５、３７には、ニードル孔３５ｂ、３７ｂが形成されている。ニードル孔３５ｂ、３７ｂの構成は実施例１のニードル孔２３ｂ、２５ｂと同様である。第１、２型３５、３７には、実施例１の第１、２型２３、２５のような加熱穴２３ｃ、２５ｃは形成されていない。成形装置３３の他の構成は実施例１の成形装置２１と同様である。
　また、射出材料３９を準備した。射出材料３９は、第３熱可塑性樹脂を含んで溶融状態とされ、図示しないゲートからキャビティＣ内に射出されるようになっている。射出材料３９の第３熱可塑性樹脂はプリプレグ１１の熱可塑性樹脂よりも融点が高い。
　セット工程では、図１６に示すように、キャビティＣ内にプリプレグ１１を設ける。また、型締め工程では、第１型３５と第２型３７とを型締めする。
　そして、射出工程及び穴開け工程として、図１７に示すように、キャビティＣ内に射出材料３９を射出する。同時に、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させ、ニードル２７の円柱部２７ｂがキャビティＣ内の射出材料３９も貫通しつつニードル孔３７ｂに到達するようにする。このため、プリプレグ１１中の炭素繊維１１ｂはニードル２７の先端部２７ａによって母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。このため、プリプレグ１１の炭素繊維１１ｂが切断され難い。
　この際、穴開け工程中に射出工程を行っているため、射出材料３９の温度により、特定範囲ＳＡの熱可塑性樹脂は軟化し、炭素繊維１１ｂがニードル２７の先端部２７ａによって母材１１ａ内で移動し易く、より切断され難い。この間、特定範囲ＳＡの熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を無くすことができる。また、プリプレグ１１にニードル２７によって形成される接続穴５３ａが仮に好ましくない形状になったとしても、射出工程において、接続穴５３ａにニードル２７を残しつつ射出材料３９を射出することから、インサート射出成形工法となり、接続穴５３ａを射出材料３９によって好ましい形状に整えることができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体５３の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　熱可塑性樹脂及び射出材料３９を常温として第１型３５と第２型３７とを型開きし、構造体５３が得られる。得られた構造体５３は、プリプレグ１１と、プリプレグ１１の底面を除く５面に設けられた射出材料３９とからなる。各構造体５３には、周囲の炭素繊維１１ｂの切断が抑制されているとともに、好ましい形状の接続穴５３ａが形成されている。
　図１８に示すように、３本の構造体５３を紙面の厚さ方向に並べるとともに、３本の構造体５３を左右方向に並べ、かつ、実施例１と同様、相手材６１を準備した。紙面の厚さ方向に並ぶ構造体５３のプリプレグ１１が第１プリプレグ１１ｆに相当し、紙面の左右方向に並ぶ構造体５３のプリプレグ１１が第２プリプレグ１１ｓに相当する。
　そして、図１９に示すように、実施例１と同様、各構造体５３と相手材６１とをＣＦＲＴＰ製のリベット７１によって接合した。こうして、接合構造体８３を得た。
　実施例２の構造体５３も実施例１と同様の作用効果を奏することができる。また、実施例２の接合構造体８３も実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
　実施例２のニードル２７も金属製ではなく、ＣＦＲＴＰ製として構造体５３に残留させ、ニードル２７をリベット７１に変形することによって構造体５３と相手材６１とを接合することによって接合構造体８３とすることも可能である。
　実施例２では、穴開け工程中に射出工程を行ったが、穴開け工程前又は穴開け工程後に射出工程を行ってもよい。穴開け工程後に射出工程を行う場合、ニードル２７がキャビティＣに残り、射出材料３９にも接続穴を成形するようにする。
（実施例３）
　実施例３は、射出工程を行う第１教示と、第３教示とを具体化したものである。換言すれば、実施例３は、第２プリプレグを準備する第２教示と、第３教示とを具体化したものである。まず、準備工程において、実施例１、２と同様、図１（Ａ）に示す複数本のプリプレグ１１を準備した。
　また、図２０に示すように、成形装置４１を準備した。成形装置４１は、第１型４３と、第２型４５と、複数本のニードル２７とを備えている。第１型４３と第２型４５とは相対移動して型締めできるようになっている。
　第１型４３には型割り面２１ａから第１成形面４３ａが凹設されている。第１成形面４３ａは、実施例１と同様、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に延在させて嵌合するようになっている。
　第２型４５には型割り面２１ｂから第２成形面４５ａが凹設されている。第１型４３の第１成形面４３ａと、第２型４５の第２成形面４５ａとがキャビティＣを形成する。第２成形面４５ａは、３本の第１部４５１ａと、３本の第２部４５２ａと、第３部４５３ａとからなる。
　第１部４５１ａは、第１成形面４３ａと対面しており、３本の第１プリプレグ１１ｆを紙面の左右方向に嵌合するようになっている。第１成形面４３ａの型割り面２１ａからの深さと、第１部４５１ａの型割り面２１ｂからの深さとの合計は、第１プリプレグ１１ｆの厚さと等しくなっている。
　第２部４５２ａは第１部４５１ａと連続して凹設されている。第２部４５２ａは３本の第２プリプレグ１１ｓを図２０の紙面の厚さ方向に延在させて嵌合するようになっている。このため、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは、直交し、９つの特定範囲ＳＡで重なるようになっている。
　第３部４５３ａは、第１成形面４３ａの底面に第１プリプレグ１１ｆの底面を当接し、第２部４５２ａに第２プリプレグ１１ｓを嵌合した場合、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓの上面、右面、左面、前面及び後面に対して離隔している。
　第１成形面４３ａの底面から第２部４５２ａの底面までの長さは、第１プリプレグ１１ｆの厚さと第２プリプレグ１１ｓの厚さとの合計よりも小さい。このため、型割り面２１ａと型割り面２１ｂとを合わせることにより、第１型４３と第２型４５とを型締めすれば、第１プリプレグ１１ｆと第２プリプレグ１１ｓとは特定範囲ＳＡで加圧されて一体になるが、第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓは各特定範囲ＳＡで材料が余る。このため、その材料は第３部４５３ａに膨出する。
　第１、２型４３、４５には、ニードル孔４３ｂ、４５ｂが形成されている。ニードル孔４３ｂ、４５ｂの構成は実施例１、２のニードル孔２３ｂ、２５ｂ、３５ｂ、３７ｂと同様である。第１、２型４３、４５には、実施例１の第１、２型２３、２５のような加熱穴２３ｃ、２５ｃは形成されていない。成形装置４１の他の構成は実施例１の成形装置２１と同様である。
　また、射出材料３９を準備した。射出材料３９は、第３熱可塑性樹脂を含んで溶融状態とされ、図示しないゲートからキャビティＣ内に射出されるようになっている。射出材料３９の第３熱可塑性樹脂は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２熱可塑性樹脂よりも融点が高い。
　セット工程では、図２１に示すように、実施り１と同様、キャビティＣ内に第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓを設ける。また、型締め工程及び加圧工程では、図２２に示すように、第１型４３と第２型４５とを型締めするとともに、キャビティＣ内で第１プリプレグ１１ｆ及び第２プリプレグ１１ｓを一体にするように加圧する。
　そして、射出工程及び穴開け工程として、図２３に示すように、キャビティＣ内に射出材料３９を射出する。同時に、特定範囲ＳＡに対してニードル２７を先端部２７ａから第３方向に進入させ、ニードル２７の円柱部２７ｂがキャビティＣ内の射出材料３９も貫通しつつニードル孔３７ｂに到達するようにする。このため、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓ中の第１、２炭素繊維１１ｂはニードル２７の先端部２７ａによって第１、２母材１１ａ内で徐々にニードル２７の径外方向に押しやられる。このため、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの第１、２炭素繊維１１ｂが切断され難い。
　この際、穴開け工程中に射出工程を行っているため、射出材料３９の温度により、特定範囲ＳＡの第１、２熱可塑性樹脂は軟化し、第１、２炭素繊維１１ｂがニードル２７の先端部２７ａによって第１、２母材１１ａ内で移動し易く、より切断され難い。この間、特定範囲ＳＡの第１、２熱可塑性樹脂が軟化するようにする必要性を無くすことができる。また、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓにニードル２７によって形成される接続穴５５ａが仮に好ましくない形状になったとしても、射出工程において、接続穴５５ａにニードル２７を残しつつ射出材料３９を射出することから、インサート射出成形工法となり、接続穴５５ａを射出材料３９によって好ましい形状に整えることができる。また、穴開け工程中に射出工程を行えば、構造体５３の成形サイクルタイムを短縮でき、製造コストの低廉化を実現することができる。
　第１、２熱可塑性樹脂及び射出材料３９を常温として第１型４３と第２型４５とを型開きし、構造体５５が得られる。得られた構造体５５は、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓと、第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの底面を除く５面に設けられた射出材料３９とからなる。各構造体５５には、周囲の第１、２炭素繊維１１ｂの切断が抑制されているとともに、好ましい形状の接続穴５５ａが形成されている。
　図２４に示すように、３本の構造体５５を紙面の厚さ方向に並べ、かつ、実施例１、２と同様、相手材６１を準備した。そして、図２５に示すように、実施例１、２と同様、構造体５５と相手材６１とをＣＦＲＴＰ製のリベット７１によって接合した。こうして、接合構造体８５を得た。
　実施例３の構造体５５も実施例１、２と同様の作用効果を奏することができる。また、実施例３の接合構造体８５も実施例１、２と同様の作用効果を奏することができる。
　実施例３のニードル２７も金属製ではなく、ＣＦＲＴＰ製として構造体５５に残留させ、ニードル２７をリベット７１に変形することによって構造体５５と相手材６１とを接合することによって接合構造体８５とすることも可能である。
　また、上記実施例３でも、穴開け工程中に射出工程を行ったが、穴開け工程前又は穴開け工程後に射出工程を行ってもよい。穴開け工程前又は穴開け工程後に射出工程を行う場合、ニードル２７がキャビティＣに残り、射出材料３９にも接続穴を成形するようにする。
　発明者らは、プリプレグ１１の熱可塑性樹脂及び射出材料をＰＰ（ポリプロピレン）として実施例２の複数の構造体５３を成形し、各構造体５３によって格子状の接合構造体８３を製造した。この接合構造体８３は、バッテリケースの蓋部材として、軽量でありながら高強度である他、疲労特性や腐食性に優れた。
　以上において、本発明を実施例１～３に即して説明したが、本発明は上記実施例１～３に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
　例えば、実施例１～３では、図１（Ａ）に示す四角柱形状のロッド状のプリプレグ１１を採用したが、図１（Ｂ）に示す円柱形状のロッド状のプリプレグ１３を採用してもよい。このプリプレグ１３も、母材１３ａ内に長さ方向のみに延びる複数本の炭素繊維１３ｂを有している。また、図１（Ｃ）に示すシート状のプリプレグ１５を採用してもよい。このプリプレグ１５も、母材１５ａ内に長さ方向のみに延びる複数本の炭素繊維１５ｂを有している。
　また、実施例２、３では、プリプレグ１１又は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの底面を除く５面に射出材料３９を設けたが、プリプレグ１１又は第１、２プリプレグ１１ｆ、１１ｓの全面に射出材料を設けたり、特定の部分だけに射出材料を設けてもよい。
　また、本発明によれば、軽量、高強度、高耐熱性かつ高耐摩耗性の部品等を製造するため、プリプレグの熱可塑性樹脂をローメルトのＰＡＥＫとし、射出材料をＰＥＥＫとし、スーパーエンジニアリングプラスチックを用いた構造体や接合構造体を得ることができる。
　なお、上記第１、２プリプレグ１１、１３、１５は、長さ方向のみに延びる炭素繊維１１ｂ、１３ｂ、１５ｂを有するが、長さ方向に延びつつ、旋回する炭素繊維を有していてもよい。
　本発明は、自動車、航空機、宇宙船、船舶、列車、建築物等の分野における部品等に利用可能である。
　１１ａ、１３ａ、１５ａ…母材（第１母材、第２母材）
　１１ｂ、１３ｂ、１５ｂ、７１ｅ…炭素繊維（第１炭素繊維、第２炭素繊維、７１ｅ…第４炭素繊維）
　１１、１３、１５…プリプレグ（１１ｆ…第１プリプレグ、１１ｓ…第２プリプレグ）
　２３、３５、４３…第１型
　Ｃ…キャビティ
　２５、３７、４５…第２型
　２７ａ…先端部
　２７…ニードル
　ＳＡ…特定範囲
　５１ａ、５３ａ、５５ａ…接続穴
　５１、５３、５５…構造体
　３９…射出材料
　６１ａ…挿入穴
　６１…相手材
　７１…リベット
　８１、８３…接合構造体

Claims (14)

  1. 　第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向に延びる複数本の第１炭素繊維を有する第１プリプレグと、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向に延びる複数本の第２炭素繊維を有する第２プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルとを準備する準備工程と、
    　前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるとともに、前記第１炭素繊維の延びる第１方向と前記第２炭素繊維の延びる第２方向とが交差し、前記第１方向及び前記第２方向と直交する第３方向に特定範囲で重なるように、前記キャビティ内に前記第２プリプレグを設けるセット工程と、
    　前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
    　前記型締め工程中又は前記型締め工程後、前記キャビティ内で前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグを一体にするように加圧する加圧工程と、
    　前記加圧工程中又は前記加圧工程後、前記特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程とを備えていることを特徴とする構造体の成形方法。
  2. 　前記準備工程では、第３熱可塑性樹脂を含み、前記キャビティ内に射出される射出材料を準備し、
    　前記穴開け工程前、前記穴開け工程中又は前記穴開け工程後、前記キャビティ内に前記射出材料を射出する射出工程を備えている請求項１記載の構造体の成形方法。
  3. 　前記第３熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂よりも融点が高い請求項２記載の構造体の成形方法。
  4. 　前記加圧工程では、前記特定範囲の前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱する請求項１乃至３のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
  5. 　前記穴開け工程では、前記特定範囲の前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂が軟化するように加熱する請求項１乃至４のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
  6. 　第１熱可塑性樹脂からなる第１母材内に１方向に延びる複数本の第１炭素繊維を有する第１プリプレグと、第１型と、前記第１型とともにキャビティを形成する第２型と、尖った先端部を有するニードルと、第３熱可塑性樹脂を含み、前記キャビティ内に射出される射出材料とを準備する準備工程と、
    　前記キャビティ内に前記第１プリプレグを設けるセット工程と、
    　前記セット工程後、前記第１型と前記第２型とを型締めする型締め工程と、
    　前記第１プリプレグの特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第１方向と直交する第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する穴開け工程と、
    　前記穴開け工程前、前記穴開け工程中又は前記穴開け工程後、前記キャビティ内に前記射出材料を射出する射出工程とを備えていることを特徴とする構造体の成形方法。
  7. 　前記第３熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂よりも融点が高い請求項６記載の構造体の成形方法。
  8. 　前記準備工程では、第２熱可塑性樹脂からなる第２母材内に１方向に延びる複数本の第２炭素繊維を有する第２プリプレグを準備し、
    　前記セット工程では、前記特定範囲において、前記第１炭素繊維の延びる第１方向と前記第２炭素繊維の延びる第２方向とが交差し、前記第３方向で重なるように、前記キャビティ内に前記第２プリプレグを設け、
    　前記穴開け工程では、前記特定範囲に対して前記ニードルを前記先端部から前記第３方向に進入させ、前記ニードルで接続穴を形成する請求項６記載の構造体の成形方法。
  9. 　前記第３熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂及び前記第２熱可塑性樹脂よりも融点が高い請求項８記載の構造体の成形方法。
  10. 　前記型締め工程中、前記キャビティ内で前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグを一体にするように加圧する加圧工程を備えている請求項８又は９記載の構造体の成形方法。
  11. 　前記ニードルは、第４熱可塑性樹脂からなる第４母材内に１方向に延びる複数本の第４炭素繊維を有する請求項１乃至１０のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
  12. 　前記セット工程では、前記第１方向と前記第２方向とを直交させる請求項１乃至５又は請求項８乃至１０のいずれか１項記載の構造体の成形方法。
  13. 　前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグはロッド状をなし、
    　前記特定範囲は前記第１プリプレグ及び前記第２プリプレグが交差する部分である請求項１２記載の構造体の成形方法。
  14. 　請求項１乃至１３の成形方法で得られた前記構造体と、前記構造体と積層され、前記接合穴と整合する挿入穴を有する相手材とを備え、
    　前記接続穴及び前記挿入穴には、第５熱可塑性樹脂からなる第５母材内に１方向に延びる複数本の第５炭素繊維を有し、前記構造体と前記相手材とを接合するリベットが設けられていることを特徴とする接合構造体。
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