JP2005511389A - 自動車組立用構造強化部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、構造充填物材料が実質的に充填された成形シェル及び成形シェルの外側表面と接触状態にある膨張性接着剤からなる、自動車組立で使用する構造強化部品であって、その構造充填物材料が、部品取り付け後又は自動車組立の間に、如何なる化学反応もしくは膨張も受けないか又は必要としない構造強化部品である。この単純化された構造強化部品は、先行技術のインシトゥ発泡工程を必要とせず、自動車組立の間に熱に曝露された際に、膨張性接着剤を介して自動車骨格に接着させることができる、強くて軽量の構造部材を作る。この構造部材は、大量システム、ポンプ又は追加の装置を必要としないので、容易な設置を提供する。

Description

本発明は自動車用途に有用な構造強化部品に関する。

安全性及び構造的性能必要条件を維持しながら、自動車重量を減少させることは、自動車技術者が直面している重要な設計難題である。車両質量（mass）を最小にすることも、増大しつつある厳しい燃料経済性、ＣＡＦＥ（企業平均燃料経済性）及び排出必要条件に適合する際に必須である。技術者は、工学設計必要条件を犠牲にすることなく、車両重量を最小にする新しい方法、工程及び技術を見出さなくてはならない。

車体構造性能を改良する一般的な方法には、シート金属厚さを修正すること、構造物断面寸法を修正すること並びに追加の強化剤及びシート金属片を追加することが含まれる。

特許文献１には、中空金属部材及び軽量材料の予備製作された強化コアから形成された車両構成物用ビームのような構造部品が開示されている。この部品は、熱発泡性材料のシェルを有するコアを用意し、このアセンブリを加熱浸漬被覆操作に付して熱発泡性材料を膨張させることによって製造される。しかしながら、この方法では、シェルの形状及びサイズが不確かになる、シェルの発泡を必要とする。

特許文献２には、キャリア及び熱膨張性構造強化材料要素からなる構造コンポーネント用の強化部材が開示されている。この熱膨張性強化材料は、自動車生産工程中の高温度ベーキング（例えば、塗料及び粉末塗料焼き付け段階）の間に発泡する合成樹脂である。しかしながら、これらの現場発泡工程は、コアフォーム膨張通路及び方向を制御する際並びにコア内のフォーム使用量及び重量を最小にする際の困難性のために、好ましくない。

特許文献３には、自動車用の構造強化システムであって、強化システムを自動車フレームに結合するための、骨格部材及びその上に配置された膨張性材料からなるシステムが開示されている。特許文献４には、ポリマーキャリア及びエポキシ系樹脂のような熱活性化構造フォーム強化媒体からなる熱活性化強化スリーブが開示されている。しかしながら、これらのシステムは、多数の強化リブを有する複雑なフレームを必要とする。

米国特許第５，１９４，１９９号 国際特許出願公開第０１／５５５２３号 国際特許出願公開第０１／５８７４１号 国際特許出願公開第０１／６８３９４号

従って、自動車フレーム及び車体構造用途に使用する、高性能、軽量、コスト効率的、工程に支障のない構造強化部品についての継続したニーズが存在している。

一つの面に於いて、本発明は、
１）構造充填物材料、
２）外側表面を有するポリマーシェルであって、前記充填物材料がシェルのキャビティを実質的に占めるように、構造充填物材料を含むポリマージェル及び
３）ポリマーシェルの外側表面と接触状態にある熱活性化膨張性接着剤
を含んでなる、自動車用途に使用する構造強化部品であって、構造充填物材料が、部品取り付け後又は自動車組立の間に、如何なる化学反応又は膨張も受けず、又は必要としない、構造強化部品である。

他の面に於いて、本発明は、
１）キャビティ及び外側表面を有する成形ポリマーシェルを形成すること、
２）前記キャビティ中に構造充填物材料又はその成分を、キャビティが実質的に充填されるように、注入すること、並びに
３）膨張性接着剤をポリマーシェルの外側表面と接触させること
を含んでなり、前記構造充填物材料が、部品取り付け後又は自動車組立の間に、如何なる化学反応又は膨張も受けない請求項１に記載の自動車組立用構造強化部品の製造方法である。

上記の材料成分の具体的な構成及び特質は、それぞれの部品が最低可能部品重量のための、その特別の応用性能必要条件に適合できるように、著しい設計柔軟性を与えるために、操作し、修正することができる。成形シェルは、一体化された設計構成の材料種類、形状、厚さ及び数に於いて変化することができる。構造充填物材料種類及び密度も、最適性能レベルを与えるように変化させることができる。部品中に構成された全ての材料の組合せた挙動は、強度、剛性及びエネルギー吸収特徴に関して優れた構造的性能になる。

特定された部品コンポーネントは、数個の異なった部品態様に具現化することができる。厚壁のシェルを、より軽い密度のフォームで取り囲んで、部品強度の大部分が、取り囲みシェル容器によって与えられるようにすることができる。他の態様には、構造的ニーズが両方の材料によって分担されるように、より高い密度の構造充填物材料が充填された、より薄い半構造的シェルが含まれる。他の態様では、高強度で、エネルギー吸収のコア充填物材料のためのキャリア及び移送剤として主に機能する、薄壁成形シェルが使用される。種々の部品態様も、吸音シーラー及び構造強化材としての二重目的を果たすことができる。

この単純化された構造強化部品は、先行技術に於けるような構造充填物材料のインシトゥ（in situ）発泡を必要とせず、自動車組立工程の間に熱に曝露された際に、膨張性接着剤を介して自動車フレームに接着させることができる、強くて軽量の構造部材を作る。この構造強化部品は、大量システム(bulk system)、ポンプ又は追加の装置を必要としないので、設置の容易性を提供する。

図１は、構造強化部品の断面図であり、図中、Ｉは自動車フレームの取り囲み構造物であり、ＩＩは膨張性接着剤であり、ＩＩＩは成形シェルであり、そしてＩＶは構造充填物材料である。

本発明の構造強化部品には、設定形状及びサイズを有する成形シェルが含まれ、ここで、シェルは、内側表面及び外側表面を有するポリマー壁及び前記内側表面によって規定される空間からなる。成形シェルは、性能に於ける顕著な劣化を示すことなく、工程環境条件及び自動車組立プラントオーブン温度に耐えることができる、任意の高温度耐性性能プラスチックから製造することができる。即ち、成形シェルは、如何なる有害な変形も無しに、自動車組立工程で受けるこのような温度で、そのサイズ及び形状を保持する。典型的なプラスチック材料には、これらに限定されないが、ナイロン６、ナイロン６／６、ナイロン６／６／６のようなポリアミド、ポリエチレン又はポリプロピレンのようなポリオレフィン、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）のようなシンジオタクチックビニル芳香族ポリマー及びこれらの任意のブレンドを含む、半結晶性又は無定形材料が含まれる。他の可能性のあるポリマーには、ポリエステル、ポリエステルアミド、ポリアクリレート、ポリウレタン、ポリ尿素、ポリフェニレンスルフィド及びポリエーテルイミドが含まれる。

前記成形シェルは、設定形状及びサイズを有するシェル、内側表面及び外側表面を有するポリマー壁並びに内部ポリマー壁表面又はシェルの内側境界によって規定される空間を有するシェルを製造する、任意の成形技術によって製造することができる。典型的な成形技術には、これらに限定されないが、吹込成形、射出成形、回転成形、加圧成形等のような公知の方法が含まれる。

前記成形シェルは、強度、寸法安定性及び重量の目的をバランスさせるための、所望のキャビティサイズ及び適用必要条件に依存して、形状、サイズ及び厚さを変化させることができる。好ましくは、成形シェルは、許容される構造発泡性材料を充填するための、シェルの内側表面によって規定される単一の空間を有する、長方形状又は正方形状である。成形シェル形状は、また、機能部品性能を最適化するための、リブ、局部輪郭又はタック−オフ(tack-off)のような他の設計特徴と一体化させることができる。典型的に、ポリマー壁は、材料を保存し、重量を減少するような厚さである。壁の厚さは、典型的には、使用する材料及び特定の応用必要条件に依存して、１．５ｍｍ〜１０ｍｍで変化するであろう。

前記構造充填物は、成形シェルに構造的強化を与えるために使用することができる任意の材料であってよい。この材料は、特定の応用で必要な特性に依存して選択することができる。

典型的には、成形シェルで、部品取り付けの前に膨張させ、硬化させる、フォーム構造充填物材料を包み込む。フォーム材料をポリマー壁の内側表面内に規定された空間の中に置き、充填する。換言すると、フォーム材料は、ポリマー壁の内側表面と実質的連続的接触状態にある。フォーム材料は、典型的に、完全に膨張したとき、５ポンド／立方フィート（８０Ｋｇ／ｍ³）〜２５ポンド／立方フィート（４００Ｋｇ／ｍ³）の密度を有する。フォーム充填物材料は、成形シェル内に注入され、膨張され、そして完全に硬化され、その後に自動車車体キャビティの中に取り付けられる。

一つの態様に於いて、前記構造充填物材料は、ポリウレタン熱硬化性ポリマーフォームである。しかしながら、エポキシ樹脂、ポリウレタンハイブリッド、ポリオレフィン、シンジオタクチックス、コンポジット及び他の硬質フォームを含む他の熱硬化性及び熱可塑性充填物のような、他の充填物材料種類を使用することもできる。アルミニウムフォーム、有機及び非有機（セラミック及び金属）フォームのような非プラスチック充填物材料を使用することもできる。

前記成形シェルの中に導入する任意の方法を、構造充填物材料の配置のために使用することができる。典型的には、充填物材料は、自動車車体構造キャビティ内に挿入する前に、成形シェルキャビティ内に配置されるか又は注入され、そして完全に反応させる。充填物材料を成形シェルの中に注入するために、ポンプ装置又は他の適切な注入技術を使用することができる。

構造充填物材料は、典型的には、自動車組立工程内で部品配置の前に、成形シェルの中に注入される。成形シェルは、構造充填物材料のための、挿入ホールのような、幾つかの導入の手段を有する。この手段は、構造充填物材料又はそれらの成分の注入又は挿入を可能にするような任意の態様であってよい。典型的には、成分は、ポリマー又はモノマーと発泡剤とからなるであろう。幾つかの場合に、この材料は、環境条件下で硬化する、「Ａ側」成分と「Ｂ側」成分との組合せから製造される。例えば、Ａ側は、イソシアネートプレポリマー又はメチレンジフェニルイソシアネート（ＭＤＩ）ポリマーからなっていてよく、そしてＢ側は、通常、種々のポリオール、界面活性剤、触媒及び水からなるポリオールブレンドからなっていてよい。充填物材料には、また、ガラスビーズ、チキソトロピー性添加剤及び他のコンポジット繊維が含まれてもよい。発泡剤には、構造充填物材料のために選択された材料と共に使用することができ、化学的発泡剤、物理的発泡剤又はこれらの組合せであってよい、任意の発泡剤が含まれる。発泡剤は、プレミックス状態でポリマーと組合せそして成形シェルの中に注入することができるか又はポリマー若しくはポリマー成分と同時に添加することができる。米国特許第４，９２３，９０２号明細書及び同第４，９９５，５４５号明細書（引用により本明細書に含める）に記載されているもののような、単一成分フォーム材料及びシステムを使用することもできる。

成形シェル及び構造充填物材料に加えて、構造強化部品は、また、成形シェルの外側表面と接触状態にある膨張性接着剤を含む。膨張性接着剤は、イー・コート(e-coat)、塗装又はシーラー・オーブンのような関連する自動車車体処理工程で受ける温度、即ち１１０℃以上で活性化して、膨張し、取り囲み構造物に接着する、任意の有機材料であってよい。典型的な膨張性接着剤には、エポキシ樹脂又はエチレンベースのポリマーのようなポリマーベースの材料が含まれ、これは、適切な成分（典型的に、発泡剤及び硬化剤）と共に配合したときに、熱の適用の際に信頼でき且つ予測可能な方式で膨張し、そして硬化する。この膨張性接着剤は、また、硬化の際に架橋するか又はその最終形状を達成し、材料を、更に流れたり形状変化できないようにする。選択された応用のための、構造的必要条件に適合しながら、適切な条件下で予測可能で且つ信頼できる方式で、熱活性化され、膨張しそして硬化する任意の材料を使用することができる。他の有用な材料には、ポリオレフィン、少なくとも１種のモノマー型α−オレフィンとのコポリマー及びターポリマー、フェノール／ホルムアルデヒド材料、フェノキシ材料並びに米国特許第５，７６６，７１９号明細書、同第５，７５５，４８６号明細書、同第５，５７５，５２６号明細書、同第５，９３２，６８０号明細書に於けるような高いガラス転移温度を有するポリウレタン材料が含まれる。

流動性膨張性接着剤を、シェル壁の外側表面に、浸漬、ラミネート、刷毛塗り、ロール塗り、共押出を含む任意の方法で適用することができる。更に、膨張性接着剤を、片に予備成形するか又は打ち抜くことができ、この片をシェル壁の外側表面に置くか又は接着させることができる。一つの態様に於いて、膨張性接着剤は、外側表面の周囲全体に実質的に連続的である。

強化構造部品を製造すると、この構造部品を自動車製品組立の間に、所望のキャビティの中に置くことができる。１１０℃又はそれ以上の温度に曝露すると、シェルの外側上の膨張性接着剤は発泡し、適用フレームに更に接着し、一方、構造フォーム材料は、このような条件下で更に反応又は膨張しないであろう。構造部品が、接着剤が活性化されるまで所定の位置に保持するために、ある種の一時的機械式ファスナー又は接着剤を必要とすることも可能である。更に、接着剤は膨張して、外側膨張性材料と取り囲みフレーム又は構造物との間に存在する間隙を充填するであろう。

本発明によって、成形シェル及び構造充填物材料の両方についての材料の選択に於ける自由度のために、構造強化部品の設計での最大柔軟性が可能になる。これは重量が軽く、部品材料の強度は、フォーム密度、シェル厚さ、シェル材料種類、シェル設計特徴又はシェル全体形状を増加又は減少させることによって最適化することができる。

一つの態様に於いて、成形シェルは、ナイロンポリマーからなる組成物から製造され、構造充填物はポリウレタンフォームであり、そして膨張性接着剤は熱活性化膨張性フォームである。

構造強化部品の断面図である。

Claims (10)

1. １）構造充填物材料、
   ２）外側表面を有するポリマーシェルであって、前記充填物材料がシェルのキャビティを実質的に占めるように、構造充填物材料を含むポリマージェル及び
   ３）ポリマーシェルの外側表面と接触状態にある熱活性化膨張性接着剤
   を含んでなる、自動車用途に使用する構造強化部品であって、構造充填物材料が、部品取り付け後又は自動車組立の間に、如何なる化学反応又は膨張も受けず、又は必要としない、構造強化部品。
2. 成形シェルが、ポリアミド、ポリオレフィン、シンジオタクチックビニル芳香族ポリマー又はこれらのブレンドから製造される請求項１に記載の構造強化部品。
3. 成形シェルがポリアミドから製造される請求項１に記載の構造強化部品。
4. 構造充填物材料がポリウレタンフォーム又はアルミニウムフォームである請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造強化部品。
5. 構造充填物材料がポリウレタンフォームである請求項４に記載の構造強化部品。
6. 膨張性接着剤が膨張性エポキシ、ポリオレフィン又は熱可塑性ポリウレタンである請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造強化部品。
7. １）キャビティ及び外側表面を有する成形ポリマーシェルを形成すること、
   ２）前記キャビティ中に構造充填物材料又はその成分を、キャビティが実質的に充填されるように、注入すること、並びに
   ３）膨張性接着剤をポリマーシェルの外側表面と接触させること
   を含んでなり、前記構造充填物材料が、部品取り付け後又は自動車組立の間に、如何なる化学反応又は膨張も受けない請求項１に記載の自動車組立用構造強化部品の製造方法。
8. 成形シェルを吹込成形、回転成形又は射出成形する請求項７に記載の方法。
9. 膨張性接着剤をポリマー壁の外側表面上に被覆する請求項７又は８に記載の方法。
10. 膨張性接着剤を予備成形又は切断し、そしてポリマー壁の外側表面に接着する請求項７又は８に記載の方法。

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