JP2005532168A - プラスチック材料を含む工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも部分的にプラスチック材料を含み、このプラスチック材料に添加剤されたナノ粒子を含有する工具に関する。高い耐圧性および耐摩擦性を示すこれらの工具は、特にたとえば車両用金属板の深絞り成形用の造形工具として用いられる。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、少なくとも部分的にプラスチック材料を含む工具に関する。最近、いわゆるナノテクノロジーが種々の技術分野で重要性を得ている。ナノテクノロジーにおいては、かなりの部分が１μｍより小さい粒径をもつナノスケール粒子が用いられる。１０^−９〜１０^−６ｍの範囲の粒径であるため、既知の巨視的原理に従わない固体状態系の原子構造次元のものが得られる。通常はそのようなナノ粒子の粒径は短波可視光線の波長（約４００ｎｍ）より小さいので、これらの粒径を一般的な顕微鏡で見えるようにすることはできない。そのようなナノスケール粒子の製造および取扱いにはかなり多大な努力を伴う。ナノスケール無機固体粒子の種々の興味深い技術的用途、たとえば光学素子の被覆におけるそれらの使用が考慮されている（ＤＥ ４１ ３３ ６２１ Ａ１参照）。記載された用途からみて、この文献は主に透明な複合材料の製造に関するものである。

ＤＥ １９７ ４６ ８８５ Ａ１には、重合性表面基をもつ無機ナノスケール固体粒子を含有する自由流動性(free-flowing)の素材から出発し、これを型に入れて重合させ、硬化成形品を形成する、ナノ構造の成形品および層の製造方法が記載されている。こうして製造された成形品について、具体的な用途は述べられていない。この文献では、その成形品をたとえば通常は金属で作製される加工操作用工具として使用する選択は考慮されていない。

たとえばカッピング操作などの加工操作に用いる工具は、しばしば耐久性が短かいという欠点をもつ。たとえばプラスチック材料からなるスタンプ、ホルダーまたは母型を金属部品のカッピングに用いると、接触面に著しい摩擦が生じ、工具の材料は圧縮強さが低すぎるという欠点をもつ。このためしばしば工具がすぐに破損する。

これに対し本発明の課題は、少なくとも部分的にプラスチック材料を含み、より良好な摩擦特性を示し、高い耐久性をもつ工具を提供することである。
この課題の解決により、主請求項の特徴をもつ本発明の工具が提供された。本発明によれば、少なくとも部分的にプラスチック材料を含む工具がプラスチック材料に取り込まれたある割合のナノスケール粒子を含有することが考慮される。したがって、一般的なプラスチック材料と比較して摩耗性の著しく改善された材料特性およびより良好な摩擦特性が、一般に得られる。本発明を加工操作に利用することにより、工具はより高い耐久性をもち、したがってより多数回の作業サイクルに使用できる。

本発明により使用するナノ粒子の粒径は、好ましくは約１５〜２５０ｎｍの範囲にある。これらのナノスケール粒子を用いて製造されたプラスチック材料をキャスト材料またはブロック材料として提供できる。プラスチック材料中のナノスケール粒子の割合は、広範に変更できる。特に好ましいのは、複合材料の全重量を基準として約５〜約６０重量％の割合のナノスケール粒子の使用である。好ましくは、これらのナノスケール粒子はプラスチック材料中に著しく均一に分布した状態で存在する。ナノスケール粒子は任意の方法でプラスチック材料に埋め込まれる。ナノスケール粒子の著しく均一な分布を達成するためには、複合材料の製造に際してナノスケール粒子に表面改質剤を付与する。ガラス様の非晶質構造がプラスチック材料中に形成され、プラスチック材料を特に工具材料として適したものにする特性が付与される。その際、基材がガラス様構造特性をもつにもかかわらず、この材料は特にそのレジリエンスを保持する。基材として考慮されるプラスチック材料は、特にポリウレタン、エポキシ樹脂、または同等の特性を備えたプラスチック材料である。

主に、本発明の範囲において考慮されるナノスケール粒子は無機物質の粒子である。たとえばこれらは金属酸化物であってよい。意図する用途に応じて、十分な硬度および／または摩擦堅牢度をもつ金属酸化物、たとえば酸化ケイ素、酸化チタンなどが好ましい。

本発明に関して、ナノスケール粒子を含有するプラスチック材料の混合物を他の添加剤を含有するプラスチック材料と比較する試験を実施した。その際、本発明によるナノスケール粒子を含有するプラスチック材料は、種々の特性に関して、特に摩耗性、圧縮強さおよび摩擦堅牢度に関して特に好ましいことが示された。これらの試験に関して、一方ではナノスケール粒子、他方では一般的な充填材をそれぞれ添加した各種プラスチック材料サンプルのＲＥＭ記録を作成し、これらの添加剤がプラスチック材料母材中に異なる粒子分布状態で存在することが分かった。ある試験では、まだ凝固していない材料の撹拌中に既に不均一化および塊状化が起きることが示された。サンプルが硬化する際に多量に混入した空気がプラスチック材料中に存在することが認められた。これに対し、適切な表面改質剤を用いてナノスケール粒子をプラスチック材料に埋め込むと、ナノスケール粒子がはるかに良好にプラスチック材料母材中に分布するのを観察できる。本発明のナノスケール粒子をプラスチック材料に埋め込むことにより非晶質固体が形成され、その際、固体ナノ粒子の表面がプラスチック材料母材で濡れると推定される。この２相間に緊密な結合が形成されると思われる。この推定は、窒素溶液に浸漬して破壊した本発明材料のサンプルのＲＥＭ記録によっても確認される。破断面付近に平坦な表面が見られ、粒子尖端は見られない。

本発明の試験の範囲において、一方では本発明によるナノスケール粒子を含むプラスチック材料、他方では一般的な粉末粒子を含むプラスチック材料の弾性率（Ｅ−ｍｏｄｕｌｅ）および圧縮強さを調べて比較した。たとえば２０％のナノスケール粒子の添加で既に、一般的な充填材のみを含有するプラスチック材料よりかなり高い圧縮強さが得られた。

本発明のプラスチック材料を用いて工具を作製し、その工具についてカッピング試験を行った。これにより、寸法精度およびカッピング工具の工具寿命が共に著しく改善されることが認められた。普通はそのようなプラスチック材料製工具は比較的短期間で摩滅する。複合材料の全重量を基準としてたとえば約２０重量％の量のナノスケール粒子を埋め込むことによって、より良好な摩擦および摩耗状態を達成できた。さらに流動促進材（ｇｌｉｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）、たとえば黒鉛または硫化モリブデンを埋め込むことにより、後記の具体的態様から分かるように、工具の摩耗およびカッピング挙動をさらに改善できた。

ナノスケール粒子を埋め込んだ本発明のプラスチック材料は、一般的なスチール製工具と比較して材料コストがかなり低い（たとえば最高７０％）という利点をもつ。これらの工具はより加工しやすく、このため必要な機械力が少ない。これにより、機械作業に必要なエネルギーおよび動力が削減される。本発明のプラスチック材料製工具はスチール製工具より職業調整期間が短かい。それらはかなり軽量である。たとえば最高６０％の軽量化を達成でき、これによりたとえば工具を操作するクレーン装置の負荷を軽減できる。

本発明のプラスチック材料製工具およびそれから作製した工具用プラスチック材料インサートは、それぞれ改変しやすく、これによってもコスト、エネルギーおよび時間が削減される。不用の工具はたとえば新たなプラスチック材料製工具の充填材として完全に再利用でき、したがって廃棄物処理のためのコストがかからない。プラスチック材料製工具は弾性挙動を示すので、そのような加工工具により加工される材料の品質改善を達成できる。特に、流動促進性をもつ物質を追加することにより、カッピング操作の摩擦特性が改善される。したがって、これまで必要であった潤滑液を省くことができ、これによって加工操作は環境に対していっそう優しいものになる。

さらに本発明は、少なくとも部分的にプラスチック材料を含む加工工具を使用して工作物、特に金属部品を加工する方法であって、加工工具が本発明に従ってプラスチック材料に埋め込まれたある割合のナノスケール粒子を含む方法に関する。本発明の好ましい態様によれば、本発明の加工工具を薄板金、特に自動車のボディ部品またはボディのカッピング操作のためのカッピング工具として使用する。

次いで以下に、添付の図面を参照して具体的態様によって本発明をより詳細に記載する。
本発明の範囲における種々のバッチのプラスチック材料を試験した。その際、異なる粒径をもつナノスケール粒子をそれらに添加した。試験したナノスケール粒子のサンプルＰ−Ｄ４、Ｐ−ｂ１、Ｐ−ｂ２およびＰ−ｂ３の特性を下記の表１に示す。

この表から分かるように、サンプルＰ−Ｄ４の粒径は８００ｎｍであったのに対し、他のナノ粒子の粒径はこれより本質的に小さかった。ナノスケール粒子に表面改質剤を付与し、プラスチック材料素材に添加した。サンプルＰ−Ｄ４の試験においては、撹拌中に既に不均一化が起き、塊状化が起きた。サンプルが硬化する際に多数の混入空気がプラスチック材料中に存在することが認められた。

これに対し、表に示すようにこれより本質的に小さい粒径を示すナノスケール粒子を含むサンプルについては、プラスチック材料母材における本質的に改善されたナノスケール微粒子分布が達成されたことが認められた。これは対応するＲＥＭ記録によって確認された。図１に、表１の左から２番目の欄に示すサンプルＰ−ｂ１による本発明工具についてプラスチック材料を切断したもののＲＥＭ記録を示す。図１には、プラスチック材料中におけるナノスケール粒子の均一な分布を見ることができる。図２には、図１と同一サンプルであるが、より高い倍率の対応するＲＥＭ記録を示す。

ナノスケール粒子を含有するプラスチック材料の材料特性を試験する際には、バッチＰ−ｂ１（表１参照）のサンプルを液体窒素の溶液に浸漬し、次いで破壊した。図３は、そのサンプルの破断面のＲＥＭ記録を示す。破断面に２つの平坦な表面が存在し、粒子尖端は見えないことが分かる。したがって、ナノスケール粉末とプラスチック材料母材の間に形成された緊密な結合があると推定できる。

工具材料としての本発明のプラスチック材料の適性を試験するために、プラスチック材料の種々の材料特性、特に圧縮弾性率（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｅ−ｍｏｄｕｌｅ）［ＭＰａ］および圧縮強さ［ＭＰａ］を測定し、図４によるグラフに示した。これによれば、プラスチック材料中のナノスケール粒子の割合はグラフにおいて左から右へ増大する。このグラフから、約２０％のナノスケール粒子の添加により、両特性、特に弾性率について、材料剛性のかなりの増大が達成されたことが分かる。他の試験は、一般的な充填材の追加使用により弾性率値のさらにかなりの増大および圧縮強さの増大を達成できることを示す。

本発明の範囲において、一方ではある割合のナノスケール粒子を含む本発明のプラスチック材料から作製した工具、他方では流動促進性をもつある割合の材料を含む比較プラスチック材料から作製した工具により、種々の薄板金材料をカッピングする際の摩擦試験を行った。結果を図６に示す。これによれば、２種類の異なる薄板金材料、すなわちＡＣ １２０およびアルミニウムマグネシウム合金ＡｌＭｇ４．５Ｍｎの薄板金についてのカッピング結果が示される。その際、両例とも４種類の異なるプラスチック材料製のカッピング工具を試験した。両例とも、左側の棒は流動促進性をもつ材料として黒鉛を含有するプラスチック材料についての値に対応する。次いで左から右へ見て、流動促進性をもつ材料として硫化モリブデンを含有するプラスチック材料が続き、次いで左から右へ見て、ある割合のＰＴＦＥを含むプラスチック材料が続き、最後に、ある割合の本発明のナノスケール粒子を含むプラスチック材料を示す最右の棒が続く。図５に表わした摩擦結果は、両例とも約０．１９の平均摩擦値をもつ本発明のプラスチック材料が摩耗に関して最良の特性をもつことを示す。特に、ナノスケール粒子の添加によって、流動促進性が知られている一般的な添加剤をプラスチック材料に添加するより良好な摩耗強度が得られたのは意外である。

他の試験において、種々の充填材を含むプラスチック材料からなる工具を用いて薄板金を多数の連続リフト（ｌｉｆｔ）数でカッピングすることにより、これらのプラスチック材料製工具の摩耗挙動を調べた。結果を図６によるグラフに示す。それぞれの場合、試験開始時の初期値と対比した相対摩耗強度を示す。各試験材料について５本の棒を示す。左側の各棒は初期値（相対目盛５）に対応し、その後、左から右へ５，０００リフト、１０，０００リフト、１５，０００リフトおよび２０，０００リフトと続く。図６によるグラフから、ナノスケール粒子を含まず、かつ流動促進性をもつプラスチック材料を含まないプラスチック材料の工具の摩耗強度は、リフト数が増加するのに伴って低下することが分かる。第２欄の結果は、黒鉛を埋め込んだプラスチック材料を用いた試験から得られたものである。第３欄（左から）は、硫化モリブデン添加剤を含むプラスチック材料についての数値を示す。第４欄（左から）は、流動促進性をもつ材料としてＰＴＦＥを埋め込んだプラスチック材料についての数値を示す。最後に第５欄（図中、右側）には、ナノスケール粒子を含むプラスチック材料製工具についての数値を示す。流動促進性をもつ添加材の埋込みにより、摩耗強度値が多少は低下するが、プラスチック材料が添加剤を含有しない場合よりは低下が少ないことが、この図の左側の棒との比較により分かる。これに対し、ナノスケール粒子（ナノ−Ｋ）を埋め込んだ本発明のプラスチック材料の摩耗値は、２０，０００リフトの工具操作後も一定のままである。

本発明の範囲においてモデル工具を作製し、それぞれ本発明によるナノスケール粒子および一般的な添加材を含む種々のプラスチック材料からスタンプを作製した。これらの工具は一定領域の半径を備えていた。これらの領域、たとえば工具の縁領域を、それぞれの場合、各１００個の部品をカッピングした後の摩耗挙動の決定領域として測定した。本発明によるナノスケール粒子を含む種々のプラスチック材料から作製したスタンプは、半径に生じたリダンダント差（ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が最小であったので、最良の摩耗挙動を示すことが認められた。

第１サンプルＰ−ｂ１による本発明工具について、プラスチック材料を切断したもののＲＥＭ記録を示す。 図１と同一サンプルであるが、より高い倍率のＲＥＭ記録をさらに示す。 窒素溶液に浸漬して破壊した本発明のプラスチック材料のサンプルの破断面のＲＥＭ記録を示す。 プラスチック材料中に種々の割合のナノスケール粒子を用いた際の弾性率および圧縮強さのグラフを示す。 種々の充填材を含有するプラスチック材料製カッピング工具を用いた際の摩擦値のグラフを示す。 リフト（ｌｉｆｔ）数を増加させた際の種々の充填材を含むプラスチック材料製工具の摩耗挙動を表わすグラフを示す。

Claims (14)

1. 少なくとも部分的にプラスチック材料を含む工具であって、プラスチック材料に埋め込まれたある割合のナノスケール粒子を有することを特徴とする工具。
2. プラスチック材料のブロック材料またはキャスト材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の工具。
3. ナノスケール粒子の粒径が主に約１５〜２５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の工具。
4. プラスチック材料中のナノスケール粒子の割合が、複合材料の全重量を基準として約５〜約６０重量％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工具。
5. ナノスケール粒子がプラスチック材料中に著しく均一に分布していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の工具。
6. 表面改質剤を付与したナノスケール粒子から出発して製造されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の工具。
7. プラスチック材料がガラス様の非晶質構造を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の工具。
8. プラスチック材料中に、ある割合の、好ましくは複合材料の全重量を基準として約１０〜約６０重量％、より好ましくは約２０〜約３０重量％の割合の、流動促進性を有する材料が埋め込まれていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の工具。
9. 流動促進性を有する材料として黒鉛および／または硫化モリブデンがプラスチック材料中に埋め込まれていることを特徴とする、請求項８に記載の工具。
10. 少なくとも部分的に、ポリウレタン、エポキシ樹脂、または同等の特性を備えたプラスチック材料を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の工具。
11. 加工工具、特にカッピング工具であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の工具。
12. スタンプ、薄板金ホルダー、または金属部品カッピング用母型であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の工具。
13. 少なくとも部分的にプラスチック材料を含む加工工具を使用して工作物、特に金属部品を加工する方法であって、加工工具がプラスチック材料に埋め込まれたある割合のナノスケール粒子を含むことを特徴とする方法。
14. 加工工具が薄板金、特に自動車のボディのカッピング操作においてカッピング工具として使用されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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