○上田政人（日大）

長谷川寛幸（福井鋲螺）

平野義鎭（JAXA）

自己穿孔リベットによるCFRP同士または

CFRPと金属との低コストかつ瞬間的な機械的接合法

分野別 炭素材料

新技術説明会

日程：2014年1月24日（金） 10：30～15:00

会場：JST東京本部別館ホール（東京・市ヶ谷）

研究背景・・・自動車部品のFRP化

2

500

700

900

1100

1300

1960 1970 1980 1990 2000 2010

年代

車両重量

[kg

]

電気自動車化による重量増加

材料置換（FRP）による重量削減

○ ： カローラ（トヨタ）△ ： シビック（ホンダ）□ ：サニー（日産）

自動車重量の変移

© Toyota

材料置換による自動車軽量化を妨げている要因

• 材料コスト

• 成形方法

• ばらつき

• リサイクル方法

• ２次加工

（トリム，穿孔，接合）

© BMW

3

• 金属/金属 ・・・ スポット溶接

穴加工後，リベット締結

自動車における部品の接合

穴あけ加工に時間がかかる．

接着剤

迅速，安価

表面処理が必要（脱脂，研磨）．

硬化時間が長い

• CFRP/CFRP・・・CFRP/鋼板

（硬化するまで治具固定）

量産における最適な接合方法は？

Lexus LF-Aでの接合

自己穿孔リベット（SPR：Self Piercing Rivet）

4

•溶接接合できない，異種金属の接合に使用されている．

【方法】 リベットを板材に押し込み，板材を塑性変形させて接合する．

http://www.byora.co.jp

http://www.byora.co.jp/

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研究目的

(1) 自己穿孔リベット（SPR）による短時間・低コスト接合法を提案．

本研究では

(2) 穿孔時にはく離の生じやすいCFRP積層板を用いて有効性を実証．

（引張試験，疲労試験，曲げ試験）

• CFRP/CFRP，CFRP/CFRTP，CFRP/鋼板に使用可能なSPRの開発．

自己穿孔リベット（SPR）のメリット

• 短時間で接合が完了．

• 前処理が不要．

既存のSPRでは，FRPの接合には向かない・・・打ち込み時にFRPを損傷する．

CFRP用SPRの形状及び接合方法

6

CFRP

(2) Lower washer supporting die

(3) Upper washer

(4) Lower washer

CFRP

Pressure

Pressure

(1) Upper washer supporting die

(a) 接合前 (b) 接合後

図２ CFRP用ＳＰＲによるＦＲＰの接合手順

既存のSPR

金属の塑性変形を利用

CFRP用に開発した新しいSPR

FRPは塑性変形しないので，

リベットで完全に打ち抜いた後，かしめ．

リベットを押し込んだ後，金属板内部でリベットの足を開いて，リベットが抜けないように固定．

CFRP用SPRによる接合

7

Piercing hole Washer

(a1) C-scan 画像 (a2) 表面写真

(a) リベット打ち込み側のCFRP

Piercing hole

Washer

(b1) C-scan 画像 (b2) 表面写真

(b) かしめ側のCFRP

図５ 穿孔後のCFRPのC-scan画像

• CFRP用SPRによる接合後，リベットを取り外し，

超音波探傷機（SDS-5400R 日本クラウトクレーマー）

により層間はく離のC-scan 画像を取得．

かしめ側

Upper washer

Lower washer

CFRP laminate

はく離領域は座金径よりも小さい．

8

静的引張試験

実験結果・・・引張試験

9

• 万能試験機（AG-IS150kN 島津製作所）を用いて，負荷速度1.0mm/minで実施．

Bolt jointed CFRP

10

Load

[kN

]

8

6

4

2

0

Displacement [mm]

0 10 20 30

SPR jointed CFRP

図６ 荷重‐変位線図

(a) SPR接合試験片 (b) ボルト・ナット接合試験片

図７接合したCFRPの引張破壊

最大荷重の平均値

CFRP用SPR ： 8.0kN

ボルト接合 ： 7.2kN

• ボルト接合では，最大荷重に

到達後荷重は急激に低下．

• CFRP用SPRでは，最大荷重近

傍でその荷重を保持．

面圧付与による好影響

• 接合部の破壊モードは共に面圧

破壊．その後，リベット部が引き

抜けて終局破壊に至る．

10

疲労試験（引張‐引張）

実験結果・・・疲労試験

11

• 油圧式疲労試験機（INSTRON 8802）を用い，応力比R=0.1，最大負荷smaxを

引張継手強度sfの90, 80, 70, 60, 55, 50, 40%として実施．試験周波数は2Hz．

• 引張継手強度の80%以上 ： FRPが損傷．

• 引張継手強度の80%以下 ： リベットが損傷

• 損傷の生じない荷重（疲労限度1000万回）：引張継手強度の50% （400kgf）

0 102

10

103

104

105

106

107

Number of cycles to failure Nf

0

2

4

6

10

Max

imum

load

Pm

ax [k

N]

108

: Failure of CFRP : Failure of rivet

8

80%リベットの破損

FRPの破損

疲労限度

（疲労破壊が生じない荷重）

50%

図８ S-N線図 疲労限度は十分高い．

リベット形状で寿命決定可能．

最後に

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サンプル，試し接合をご希望の方はご遠慮なくご連絡下さい．

日大 上田政人 ueda.masato@nihon-u.ac.jp福井鋲螺 http://www.byora.co.jp

【今後検討すべき点】

• CFRPと鋼との電食・・・リベット表面のコーティングにより防止．

• 切断したCFRPを排出するかしないか？

• 適切な座金の厚み，樹脂性の座金の検討．

• リベット形状の最適化．

Upper washer

Lower washer

CFRP laminate

SPR接合はFRPに対する今までにない接合方法→ いろいろな改善で新規性を出せる．→ 今後の主流に？

要約

従来技術とその問題点

既に実用化されているものには、鋼板とアルミ板などの異種金属材を接合するための自己穿孔リベットがあるが、CFRPに使用する場合には、

・穿孔に起因する損傷の発生

（脆性材料であるため）

・損傷によりCFRPの力学特性が大幅に低下

の問題があり、多くのメリット（短時間接合，低コスト）があるが，今までに応用された報告はない。

新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、穿孔時の損傷発生の抑制に成功。

• 従来は金属材料への使用に限られていたが、損傷抑制機構を付加し、CFRPの接合が可能となった。

• 本技術の適用により、瞬間的にCFRP板とＣＦＲＰ板またはＣＦＲＰ板と鋼板などを接合可能。事前の穴あけ加工や下処理は不必要であり、本リベットはボルト・ナットなどより低コスト。

想定される用途

• 本技術の特徴を生かすため、ＣＦＲＰを使用した量産品へ適用すれば、接合時間の削減、接合コスト削減のメリットが大きい。

• また、CFRPを使用した自動車、自動車関連部品、オートバイ、航空機、鉄道、船舶、土木建築分野など、ＣＦＲＰの利用が広がれば将来的に様々な分野へ展開することが可能と思われる。

実用化に向けた課題

• 現在、ＣＦＲＰ板とＣＦＲＰ板、またはＣＦＲＰ板と鋼板が接合可能なところまで開発済み。しかし、試作のリベットはステンレス製のため、ＣＦＲＰとの接触による電食が未解決である。

• 今後、リベットの絶縁コーティング、材質の変更についても検討（穿孔によって絶縁コーティングが剥がれないことは確認済み）。

• 量産に対応するには、自動化したリベッター（ロボット）の開発が必要。

企業への期待

• 未解決のリベッターの開発については、既存技術により克服できる。

• ＣＦＲＰを量産品へ応用しようと考える先進的な企業との共同研究を希望。

• また、ＣＦＲＰ製品を開発中の企業、ＣＦＲＰ分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：リベットによる板材の

接合方法，接合構造

• 出願番号 ：特願2013-502198，

US14/002297

• 出願人 ：学校法人日本大学

福井鋲螺株式会社

• 発明者 ：上田政人，長谷川寛幸，

渡辺勤也，藤井直哉

お問い合わせ先

日本大学産官学連携知財センター(NUBIC)

コーディネーター 渡辺 麻裕

ＴＥＬ ０３－５２７５－８１３９

ＦＡＸ ０３－５２７５－８３２８

e-mail nubic@nihon-u.ac.jp