JP2000514515A - 強化溝型構造材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 強化構造材（20）は金属打ち抜き加工材(21)、溝型フォイル（32）及びフォーム構造の介在層（30）からなる溝型積層構造を持つ。強化構造材（20）は、フォイル/樹脂成型（36）を溝（32）に押し当て、樹脂を熱的に膨張してフォーム構造（３０）を形成することにより作られる。

Description

【発明の詳細な説明】 強化溝型構造材 発明の背景 本発明は、一般的には種々の構造を強化するための方法と装置に関し、特に強 化溝型材に関する。 軽量かつ高強度の構造材が、多くの用途で、例えば、家庭用器具の様な種々の 装置と同様に自動車及び飛行機に用いるために必要とされている。多くの複合材 が、貴金属軽量合金のような構造材としてこれまで提出されてきた。しかし、多 くの用途では、質量の削減は消費者への製品のコストに対してバランスがとれて いなければならない。このように、材料と労働のコストを有意に増やさないで強 度を提供する必要がある。さらに、根本的なデザイン変化を必要性とせずに、既 存の構造部品の幾何学的構造に適用する事ができる強化技術が必要とされる。 強化技術の例として、本発明者は自動車部品の強化に使用される多くの金属／ プラスチック複合構造を開示してきた。「軽量複合ビーム」と題する米国特許第4, 901,500号には、自動車ドア用の強化ビームが開示されていて、これは、熱硬化 性または熱可塑性の樹脂をベースとする物質が充たされた縦方向の空洞を持つ開 口溝型金属材を含んでいる。「ねじり棒の作成方法」と題する米国特許第4,908,93 0号には、樹脂と充填材の混合物により強化された空洞ねじり棒が記載されてい る。このチユーブは適当な長さに切断されていて、樹脂をベースとする物質が充 填されている。 「構造材用の強化インサートとその製造法及びその用途」と題する米国特許第 4,751,249号には、構造材に対するプレキャスト強化インサートが提供されてい て、これは発泡剤と熱硬化性樹脂を含む複数のペレットで構成されている。プレ キャスト材は膨張し、構造材の決まった場所で硬化する。「チューブの中央部に 局在する合成フォームのコアで強化された複合チューブ状ドアビーム」と題する 米国特許第4,978,562号には、複合ドアビームが記載されていて、これは、金属 チューブの口径の1/3以下を占める樹脂ベースのコアを有する。 「自動車の車体構造に対する複合積層ビーム」と題する1994年５月19日に提出 された同時係属中の米国特許出願第08/245,798号には、高い剛性／質量比により 特徴づけられ、外部材が薄層のフォーム構造により内チューブから分離されてい る中空積層ビームが記載されている。「自動車の車体構造に対する複合積層ビー ム」と題する1994年５月19日に提出された同時係属中の米国特許出願第08/245,79 8号には、フォーム部を持つW型の受け金インサート強化材が中空ビームを強化す るための用途として記述されている。 「中空構造要素に対する内部強化」と題する1996年５月10日に提出された同時 係属中の米国特許出願第08/644,389号には、本発明者が外部フォーム層を含むＩ ビーム強化材を開示している。このＩビームは、多くの先行技術の強化材と同様 に、中空構造材に挿入される成型構造インサートを含む。 また、樹脂の介在層を用い平たい金属板と共に接着して積層構造の強度を増す ことも知られている。例えば、アスファルトまたは弾性ポリマーの介在層を有す る１対の平たい金属シートを含む床パネル材として使用される金属積層シートを 形成することが知られている。 プラスチックのフォームで型材全体を充たすのは型材剛性（少なくとも高密度 のフォームが使用されるときは）を有意に増加するけれども、この技術はまた、 上述したように大抵の用途では好ましくない特徴である質量と部品重量を有意に 増やし得る。さらに、フォームで完全に型材を充たすことは、手が出ないほどに 高価となり、また大きな畜熱部を作ってしまうことになる場合がある。さらに、 型材の金属ゲージを増加したりまたは局在化金属強化材を付け加えることは剛性 を増すであろうけれども、金属の厚さが増加するにつれて、金属成形機械に限界 があるために部品を形成することはより困難となる。 それゆえに、比例的質量を増さずに溝型構造材を強化するための低コストの技 術を提供することが望まれる。溝型材に根本的なデザイン変化を要求しない、既 存の溝型材を強化する方法を提供することもまた望ましい。本発明は、高価な樹 脂を大量に使用しないでわずかな質量の増加だけで強度を高めた溝型材を提供す る。本発明はさらに、部品の幾何学的構造を再デザインしないで既存の構造部品 を強化する方法を提供する。本発明は、型材の剛性を増し、非常に効率良く且つ 再現性のある方法で溝型型材における振動の減衰を提供することが見出された。 発明の要約 本発明は強化溝型材を提供する。好ましくは、溝型材は溝を形成する打ち抜き 加工材等である。溝は一般的にはその幅よりも大きい長さを有している。溝型材 は典型的には金属またはプラスチックで形成される。膨張したフォーム構造の層 が溝に配置される。フォーム構造の形は溝型打ち抜き加工材の形とマッチしてい る、即ち、フォーム構造は、溝を形成する溝型材の壁に接着して沿う一表面と、 それ自身溝型である別の（対向）表面を有する。インサートがフォーム構造の層 に配置され接着される。インサートの幾何学的構造はフォーム構造のそれと一致 する。インサートは金属フォイルまたはプラスチックであり、0.002〜0.100イン チの厚さを有する。 別の見地によれば、２つの強化溝型材が形成され、次に強化チューブを形成す るために一緒に結合される。 さらに別の見地によれば、本発明は、非膨張、非硬化のフォーム形成樹脂の層 と金属またはプラスチックの受けシートを含む層とを有する積層構造を形成する ステップ；非平面構造を有する部分にこの積層を配置するステップ；その積層を 非平面部の幾何学的形状に沿わせるステップ；及び樹脂を熱的に膨張させてその 部分に接着させるステップを含む、構造部を強化する方法を提供する。 さらに別の見地によれば、本発明の方法は、熱的に膨張可能な構造樹脂の平面 層を剥離ライナーの表面に押し出すステップ；剥離層を持つフォイル／樹脂積層 を形成するためにその樹脂上に平面フォイルを配置するステップ；その物質を打 ち抜いてある形にするステップ；剥離ライナーを除去するステップ；フォイル／ 樹脂積層を溝型構造材の上にその樹脂層がその部分に面する様に配置するステッ プ；その樹脂層が溝のその部分に接触するように、溝にフォイル／樹脂積層構造 を押し付けるステップ；その部分から余分のフォイル／樹脂積層を切り取るステ ップ；及び熱的に膨張可能な樹脂を熱的に膨張させるためにかつ樹脂をフォイル と溝型材にしっかりと接着するために、その部分を加熱するステップにより溝型 構造を強化する。 本発明のこれらの長所及び目的は、図面と関連してより完全に説明されるであ ろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明により作られた強化溝型構造材の斜視図である。 図２は、本発明に使用される２層のフォイル/樹脂積層の断面図である。 図３は、予備型の上の位置に示される成型具による組立て中間段階の、図１の 強化溝型構造材の分解図を示す。 図４は、図１の線４−４に沿った断面図である。 図５は、強化チューブを形成するためにフランジが互いに溶接される、本発明 により形成された２つの強化溝型構造の断面である。 発明の好ましい実施形態の詳細な説明 図１において、強化構造部20は、溝24、26を形成する壁22と、床または底23を 持つ打ち抜き加工材21を一般的に有することが示されている。図４に外観が示さ れる蓋プレート29を受けるフランジ28もまた示されている。好ましくは、打ち抜 き加工材21は金属打ち抜き加工材であるが、鋳造等の他の金属成形技術により成 形されてもよいし、あるいは、プラスチック、例えば、ポリカーボネートの様な 材料から形成されてもよい。打ち抜き加工材21の寸法は用途に応じて 広く変化させ得る。最も好ましい本発明の実施形態では、打ち抜き加工材21は、 構造材、例えば自動車のラジエーター支持構造である。打ち抜き加工材21は約0. 030〜0.120インチの厚さを有している。 図１をさらに参照すると、熱的に膨張するフォーム構造層30は溝24、26の壁22 及び底23に配置されていることが示されている。熱的に膨張するフォーム構造層 30は、剛性，強度，振動減衰特性を強化構造部20に加えるフォーム構造である。 熱的に膨張するフォーム構造層30は熱を用いて膨張せられ、以下により完全に説 明されるように、図１に示される膨張状態では、約1/8〜3/8インチの厚さ、より 好ましくは約3/16〜1/4インチの厚さを有する。 内部強化材またはフォイル32は、熱的に膨張するフォーム構造層30に接して配 置されており、多くの好ましい実施形態では、鋼のフォイル、アルミニウムフォ イルまたはガラスをしみ込ませた樹脂（ファイバーグラス）等からなる。もっと も、幾つかの用途では他の材料を利用する事も可能である。内部強化材またはフ ォイル32は、それ自身の溝を形成し、以下により完全に説明される。 好ましい実施形態では、内部強化材またはフォイル32は、打ち抜き穴溝35（図 ３及び４に示される）を形成する複数の打ち抜き穴33（図３にのみ示される）を 備ている。層30が加熱されて熱的に膨張するとき、打ち抜き穴33は、気体が内部 強化材またはフォイル32を経て脱出することを可能とする重要な機能を備えてい る。打ち抜き穴33がないと、熱的に膨張するフォーム構造層30はガスポケットの 形成のために打ち抜き加工材21に正しく接着されないかもしれない。 熱的に膨張するフォーム構造層30は、好ましくは、約1/8〜1/2インチの厚さを 、さらに好ましくは、自動車への用途において約1/4〜3/8インチの厚さを有する 。多くの用途では、熱的に膨張するフォーム構造層30はフォイル32の全面積を覆 う；即ち、これは打ち抜き加工材21からフォイル32を完全に分離する。 本発明の１つの重要な見地によれば、強化構造部20の質量の削減である。ま た、前述の背景で説明したように、樹脂が相対的に高価な成分であり、従って樹 脂の削減が望ましいゴールである。図１に示すような、適合するまたはぴったり 重なるように正しく形成された溝型構造により、樹脂を全体に充填した場合より も樹脂体積が削減され、また厚くて重い金属インサートを使用するよりも強化フ ォイルを使用することにより重量が削減される。 次に図２を参照すると、本発明の方法により、成型積層36は熱的に膨張可能な 構造樹脂層30'と内部強化材またはフォイル32'を２層積層構造の形で有すること が示されている。成型積層36を形成する好ましい方法は、ろう紙の様なリリーズ ペーパーに熱的に膨張可能な構造樹脂層30'を押し出すことによる。樹脂／リリ ーズペーパーシートはそこで、フォイル32'を受け取れる準備ができる。即ち、 フォイル32'は樹脂／リリーズペーパーシートの樹脂側に置かれる。得られた「 ３層積層」は次に、樹脂をフォイルにしっかりと接着させるためにピンチローラ ーの様なものに通す。３層積層を形成する手順は、好ましくはコンベア等を用い て実施される。樹脂／リリーズ層／フォイルシートはある形に打ち抜かれる。剥 離ライナーは使用直前に除去される。この好ましい工程では、熱的に膨張可能な 構造樹脂層30'はライナーに配置されるとき約100°Fから150°Fの温度である。 最も好ましくは、フォイル32'は、平方インチ当たり平均約1〜2の打ち抜き穴 を有し、各穴が約1/16〜3/16インチの直径を有する。打ち抜き穴は、樹脂シート に積層化される前にフォイル32'に予め形成される。熱的に膨張可能な構造樹脂 層30'に対する最も好ましい組成を用いて、成型積層36は、製造後最高約90日使 用される事ができる。上述したように、成型積層36（非膨張の）は約1/8〜1/4イ ンチの厚さを有する。 次に図３を参照すると、成型積層36を打ち抜き加工材21に沿わせる好ましい方 法は、矢印Aの方向に動き、成型積層36上に位置していることが示される成型具3 8を用いることによる。即ち、成型具38は成型36の主要表面40に接触し、 成型積層36を溝24及び26に押し付ける。要するに、フォーム構造溝42とフォイル 溝44が図４にもっとの良く示されるように形成されることが認められる。また、 図４に最も良く示されるように、熱的に膨張するフォーム構造層30及び内部強化 材またはフォイル32は打ち抜き加工材21の上部表面の下で切り取られる。 図５には、二つの強化構造部20が、溶接されたフランジ48で接合されて強化チ ューブ46を形成する事が示されている。この様に、本発明はチューブへの用途が 要求される場合にもまた適用され得る。 多くの樹脂をベースとする組成物が、本発明の熱的に膨張するフォーム構造層 30を形成するために利用される。好ましい組成物は、強化構造部20に優秀な強度 と剛性特性を付与する一方、ほんの僅かしか重量を増さない。特に熱的に膨張す るフォーム構造層30の組成物に関しては、この材料の密度は、重量を最少とする ために、好ましくは立方フィート当たり約15〜50ポンドであるべきである。融点 ，熱歪み温度及び化学分解が起こる温度は、熱的に膨張するフォーム構造層30が ペンキオーブン等で典型的に遭遇する高温に対しその構造を維持するように充分 に高くなければならない。このため、熱的に膨張するフォーム構造層30は、短時 間の間本質的な熱誘導歪みまたは分解を示さないで、140°F以上、好ましくは35 0°F以上の温度に耐え得る必要がある。 さらに詳しくは、ある特に好ましい実施形態では、熱的に膨張した構造泡層30 は合成樹脂，微小球，発泡剤及び充填剤を含む。合成樹脂は、熱的に膨張される フォーム構造層30'の約40から約90重量パーセント、好ましくは約50から約80重 量パーセント、最も好ましくは約50から約70重量パーセントを含む。本発明では 、フォーム層30は、強化構造部20において強いが軽量の構造を提供する低密度， 高強度材を提供する隔室構造を有する。本発明に一致する微小球は、ガラスまた はプラスチックのいずれでできていてもよい強化「中空」球または微小球を含む 。プラスチック微小球は、熱硬化性または熱可塑性のいずれであってもよ く、膨張または非膨張のいずれであってもよい。ある実施形態では、非膨張の微 小球が使用され、これは次に膨張して熱的に膨張したフォーム構造層30を形成す る。好ましい微小球は、直径が約10〜400ミクロン、好ましくは約20〜100ミクロ ンである。微小球はまた、直径が400ミクロン以上の微小球のような大き目の軽 量材料を含んでいてもよい。ガラス微小球は特に好ましい。また好ましくは、発 泡剤は含まれていて、化学的発泡剤または物理的発泡剤のいずれであってもよい 。微小球成分は、熱的に膨張できるフォーム構造層30'を形成する材料の約５〜5 0重量パーセント、好ましくは約10〜40重量パーセント、さらに好ましくは約15 〜40重量パーセント程含まれる。発泡剤は、熱的に膨張できる構造樹脂層30'の 、約1〜15重量パーセント、好ましくは約1〜10重量パーセント、最も好ましくは 約1〜5重量パーセントほど含まれる。好適な充填材としては、ガラスまたはプラ スチック微小球，発煙シリカ，炭酸カルシウム，粉砕されたガラスファイバー及 び細かく切られたガラス糸等が挙げられる。ガラス微小球が特に好まれる。他の 物質もまた好適であるかもしれない。充填材は、熱的に膨張可能な構造樹脂層30 'の約1〜40重量パーセント、好ましくは約1〜30重量パーセント、最も好ましく は約1〜20重量パーセントほど含まれる。 本発明で使用される好ましい合成樹脂としては、エポキシ樹脂，ビニルエステ ル樹脂，熱硬化ポリエステル樹脂及びウレタン樹脂の様な熱硬化性のものが挙げ られる。本発明の範囲は樹脂の分子量により限定されるものではない。液体充填 材の樹脂成分が熱硬化性樹脂であるときは、“EMI-24”（イミダゾール促進剤） 及び“DMP”の様な種々の促進剤、及び硬化材、好ましくは“MEK”過酸及び“Pe rcadox”の様な有機過酸等が硬化速度を上げるために含まれていてもよい。機能 量の促進剤は、典型的には樹脂量の約0.1〜4.0パーセントであり、他成分の内の １つが対応する量削減される。効果量の工程補助材，安定材，着色剤，UV吸収剤 等もまた層に含まれていてもよい。熱可塑剤もまた好適であるかもしれない。 以下の表は熱的に膨張可能なフォーム構造層30'に対する好ましい組成を示す 。これらの組成が、約320°Fで完全に膨張して硬化し、優れた構造特性を持つ強 化構造部20を提供する熱的に膨張するフォーム構造層を提供することが見出され た。本開示におけるすべての百分率は、特に指示される場合を除き、重量パーセ ントである。組成Ｉ 組成II 組成III

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２９Ｌ 31:10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 下記の構成を有する強化構造材。 開放溝を有する構造材； 前記溝に配置され、前記構造材に接着されるフォーム構造層であって、前記溝 の形に沿うような幾何学的構造を有するフォーム構造層； 前記フォーム構造層に配置されたインサートであり、前記フォーム構造層の形 に沿うような幾何学的構造を有するインサート； ２． 前記構造材がビームである、請求項１に記載の強化構造材。 ３． 前記フォーム構造がガラス微小球を含む、請求項１に記載の強化構造材。 ４．前記インサートが約0.002〜0.015インチの厚さを有するフォイルである、請 求項１に記載の強化構造材。 ５． 前記フォーム構造層が約1/8〜1/2インチの厚さを有する、請求項１に記載 の強化構造材。 ６． 前記構造材が金属打ち抜き加工材である、請求項１に記載の強化構造材。 ７． 前記構造材の２つがチューブの形に結合されている、請求項１に記載の強 化構造材。 ８． 前記フォーム構造は発泡剤を含んでいる、請求項１に記載の強化構造材。 ９． 下記の工程を含む構造材を強化する方法。 平らな層の熱的に膨張可能な構造樹脂を平らなフォイルに接触させて２層の成 型積層を形成する工程； ２層の成型積層が溝を覆うように、２層の成型積層を構造溝規定部と接触させ て配置する工程； 前記２層の成型積層の熱的に膨張可能な樹脂部分が前記構造溝規定部と接触す るように、前記溝の形に前記２層の成型積層を沿わせる工程； 前記２層の成型積層と前記構造溝規定部を加熱して、前記熱的に膨張可能な樹 脂を膨張させる工程； １０． 前記加熱工程の前に２層の成型積層の余分な部分を切り取る工程をさら に含む、請求項９に記載の構造材を強化する方法。 １１． 前記構造材がビームである、請求項９に記載の構造材を強化する方法。 １２． 前記２層の成型が、一層の前記熱的に膨張可能な構造樹脂を剥離ライナ ー上に押し出し、次に前記平らなフォイルを前記熱的に膨張可能な構造樹脂層上 に配置することにより形成される、請求項９に記載の構造材を強化する方法。 １３． 前記フォイルが約0.002〜0.015インチの厚さを有する、請求項９に記載 の構造材を強化する方法。 １４． 前記熱的に膨張可能な樹脂が、前記加熱工程の前に約1/8〜1/4インチの 厚さを有し、前記加熱工程の後に約1/8〜1/2インチの厚さを有する、請求項９に 記載の構造材を強化する方法。 １５． 前記構造材が金属打ち抜き加工材である、請求項９に記載の構造材を強 化する方法。 １６． 前記構造材が二つ形成され、次に一緒にしてチューブ形状に互いに結合 される、請求項９に記載の構造材を強化する方法。 １７． 前記フォーム構造が微小球を含む、請求項９に記載の構造材を強化する 方法。 １８． 前記フォイルがスチールまたはアルミニウムである、請求項９に記載の 構造材を強化する方法。 １９． 前記フォイルがガラス充填樹脂である、請求項９に記載の構造材を強化 する方法。 ２０． 下記の工程を含む部材を強化する方法。 一層の熱的に膨張可能な樹脂を剥離ライナーの表面上に一層として押し出す工 程； 前記樹脂の上にフォイルを配置して積層を形成する工程； 前記積層を打ち抜いて所定の形にする工程； 非平面幾何学的構造を有する部分に積層を配置する工程； 積層を非平面部分の幾何学的構造に沿わせる工程； 樹脂を熱的に膨張して非平面部分に接着する工程； ２１． 前記構造材に前記溝を閉じる蓋プレートが配置されている、請求項１に 記載の強化構造材。 ２２． 前記フォイルに穴が打ち抜かれている、請求項１に記載の強化構造材。 ２３． 前記フォイルに打ち抜き穴をあける工程をさらに含む、請求項９に記載 の構造を強化する方法。