JP2007155133A - プラスチックワークピースを別のワークピースに連結する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間のうちに、かつ、装置に多大な費用をかけることなく、プラスチックワークピースと別のワークピースとの間にポジティブロック連結を形成する方法を提供する。
【解決手段】プラスチックワークピースを別のワークピースに連結する方法及び、その方法を実施するための装置は、プラスチックワークピース及び別のワークピースを設けるステップと、別のワークピースをプラスチックワークピースに配置するステップと、別のワークピースが支持する表面に対向するプラスチックワークピースの表面上に連結部材を設けるステップと、プラスチックワークピースを支持する表面上に設けられる凹部を別のワークピースに形成するステップと、連結部材を熱し、連結部材の材料を可塑化させるステップと、可塑化した材料を凹部に圧入させるステップとを含む方法によって達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチックワークピースを別のワークピースに連結する方法及びその方法を実施するための装置に関する。

自動車産業、造船産業、建設産業において、一方がプラスチック及び他方が金属からなり、２つの材料が互いの摩擦により連結する「マルチ材料構造物」がより頻繁に使用されている。このようにして両方の材料の物性を組み合わせることで、改良された物性を有する合成材料が得られる。プラスチックと金属とを互いに連結するために、まず、機械的連結及び接着連結を使うことができる。

適切な機械的連結とは、特に、リベット留め或いはクリンチ連結であるが、それには以下の問題点がある。まず、ワークピースに高い圧力が集中することであり、次に、クリープ、水分、及び弛緩の結果として、連結が緩むことである。そして、機械的連結の問題点として、その外観のために目に見える領域で使用することができないこと、或いは、これらの領域は、引き続き処理する必要があるということがある。

接着連結には、連結強度を推測することが困難であるという問題点がある。更には、接着連結させるサイクル時間が、接着剤を硬化させる時間のために比較的長くなるという問題が生じる。また、硬化している間に溶剤が放出することがある。これにより、接着連結させる時に放出を監視することが必要となる。また、硬化するためにより高い温度が必要な場合は、ワークピースも影響を受けることがある。そして、信頼性の高い接着連結を得るために、連結させる表面を予め処理する必要になることもあり、これにより、更なる費用が必要となる。

マルチ材料構造物を形成するために、機械的連結及び接着連結の他に溶接工程も公知である。この目的のために適用される溶接工程としては、超音波溶接、抵抗溶接、振動溶接、誘導溶接、及び赤外線溶接がある。しかしながら、この場合、次のような主な問題点が明らかである。まず、ここでも表面の前処理が必要である。また、このような溶接連結は、比較的効率が悪いため、溶接連結を形成するためのエネルギー消費が比較的高い。さらに、このように形成された溶接連結の信頼性は低いため、影響を受けやすい領域に使用することができない。

一方、２種類以上の従来の接合技術を合わせることで連結物性を向上させようとする「ハイブリッド接合技術」が開発されている。独国特許出願公開１０１４９６３３号（ＤＥ，Ａ１）には、この目的を達成するための金属カラー接合が開示されている。この技術においては、まず、金属部品に孔を開けて孔部を形成し、次に、円形の金属性の「カラー」でその孔部を取り囲む。次に、このカラーは部品の中に圧入され金属部品に連結するので、ポジティブロック連結される。しかしながら、この圧入の際、髪の毛のように細いヒビがプラスチック部品に発生することがあり、このヒビのために負荷がかかると連結不良を引き起こしかねない。

他のハイブリッド接合方法において、金属とプラスチックとは、射出成形工程の過程において、プラスチックを金属部品に予め形成されたキャビティに注入するようにして互いに連結されている。その結果、一方のプラスチックと他方の金属との間に、ポジティブロック連結が形成される。しかしながら、金属部品の複雑な予備処理のために、このような方法は時間がかかり、長いサイクル時間を必要とする。

独国特許出願公開１０１４９６３３号（ＤＥ，Ａ１）

したがって、本発明の目的は、先行技術に基づいて、プラスチックワークピースと別のワークピースとの間にポジティブロック連結を短時間のうちに、また多大な費用をかけることなく形成できる装置及び方法を提供することである。

第１の態様において、以下の工程からなる方法によって目的を達成する。
つまり、
― プラスチックワークピース及び別のワークピースを設けるステップと、
― 別のワークピースをプラスチックワークピースに配置するステップと、
― 別のワークピースが支持する表面に対向するプラスチックワークピースの表面に連結部材を設けるステップと、
― プラスチックワークピースを支持する表面上に配置される凹部を別のワークピースに形成するステップと、
― 連結部材を熱して連結部材の材料を可塑化させるステップと、
― 可塑化した材料を凹部に圧入させるステップと、を含む方法によって目的を達成する。

本発明による方法において、本発明による方法の好適な実施形態においては金属ワークピースである別のワークピースをプラスチックワークピースに配置する。この場合、プラスチックワークピースの表面に配置され、別のワークピースが支持する表面に対向している連結部材を備える。なお、連結部材は、円筒状の設計であることが好ましい。

好適な方法では、連結部材とプラスチックワークピースとを共に備えるように、連結部材を前もってプラスチックワークピースに形成するが、連結部材をプラスチックワークピースと一体的に形成することが更に好ましい。ここで、まず第１の選択として、射出成形工程中に、プラスチックワークピースを必要な形状することができる。第２の選択として、連結部材を希望した通りにフライスすることによって形成することができる。どちらの場合においても、プラスチックワークピースの材料は、連結形成後においても同種のものからなり、特に連結部分に異質の材料を含まないものであることが保証される。

もしくは、連結部材を本発明による方法に適合させるためにプラスチックワークピースに特別な処理を施す必要がないように、連結部材をプラスチックワークピースから独立した部品として設けることも可能である。

更に、凹部を別のワークピースに組み込んでから、可塑化した材料を別のワークピースに形成した凹部に圧入させるように連結部材が可塑性となり、変形できる程度まで熱する。また、凹部は単一の孔であることが好ましい。

このようにして、まず、一方のプラスチックワークピースと他方の別のワークピースとの間にポジティブロック連結を形成する。そして、連結部材が圧入された後には、プラスチックワークピースの表面には突出部がなく平らとなる。

プラスチックワークピースは、温度を上昇させることによって形成するので、連結された領域において圧力がかかるとしても、低圧がかかるだけである。

本発明による方法によって、従来技術から公知であるリベット留めや接着剤とリベットを組合せた接着などのスポット状の連結構成を、ワークピースに実質的な設計変更を行うことなく置き換えることが可能である。本発明による方法は、例えばロボットと連動して容易に自動化できるという更に別の利点を有する。

好適な実施形態において、プラスチックワークピースから独立した連結部材をプラスチックワークピースに配置するのは、凹部を形成する前でも後でもよい。また、独立した連結部材を、プラスチックワークピースと同じ材料、或いは異なった材料で構成してもよい。

好適な実施形態において、凹部に圧入する材料にかける圧力は、材料が冷却され硬化するまで維持される。これにより、連結が十分に強固にならない一要因と考えられる温度によって誘発される収縮工程によって、キャビティが特に凹部に形成されることはない。

また、更に別の好適な実施形態において、別のワークピースの凹部を孔とすることが好ましい。また、この凹部をプラスチックワークピースを貫通する孔として設計することが更に好ましい。この場合、連結部材の可塑化した材料を、特別に高い圧力をかけることなく、孔を通して別のワークピースの凹部へ圧入させることができる。

また、連結が形成された後に、開口部の延出方向の２つのワークピースの間にポジティブロックを実現するために、孔をネジ孔として形成することが更に好ましい。

また、凹部を別のワークピースに貫通孔として形成してもよい。この場合、更に別の好適な実施形態において、プラスチックワークピースに面する側とは反対の別のワークピースの表面に隣接する貫通孔の領域は、貫通孔の他の部分よりも直径が大きくなっている。凹部をこのように設計することにより、ポジティブロックを凹部の軸方向に実現することができる。よって、本発明により形成される連結の負荷容量が、凹部の方向においても大きくなる。

本発明による方法の更に別の好適な実施形態によると、プラスチックワークピースに隣接する別のワークピースの表面を、粗面化、或いは研磨する。その結果、まず、別のワークピースの表面の可塑性物質の接着性が向上する。また、表面が初期状態において明確に形状の定まったものとなるように、表面に存在する可能性のある酸化膜を分割することができる。また、接着連結の表面の接着性を高めるために通常使用する、化学エッチング或いは電子線照射などの表面処理を施してもよい。

また、ドリリング部材を有する装置によって以上の目的を実現することもできる。このドリリング部材は、ドリリング部材を取り囲みピストン面を有する環状のピストンと、ピストンを取り囲み環状の表面位置決め面を有する加熱リングを備える。加熱リングは、加熱可能であり、ピストンは、ピストン面が位置決め面の後方に移動して収縮した位置と、ピストン面が位置決め面の平面を移動して伸長した位置との間を軸方向に移動可能である。ドリリング部材は、ピストンが収縮した位置にある場合、ドリリング部材の先端部がピストン面の平面に配置されている第１の位置と、ドリリング部材の先端部が位置決め面の平面を越えて突出している第２の位置との間で軸方向に移動可能である。

ドリリング部材が第１の位置にあり、ピストンが収縮した位置にある場合、本発明による装置を、収縮した位置が加熱リングによって囲まれる凹部に位置づけられるように、連結部材を配置したプラスチックワークピースの上に配置することができる。

その後、好適な方法で回転させることが可能なドリリング部材を、プラスチックワークピース及び別のワークピースの中に押し込むことができるので、必要な凹部が別のワークピースに形成される。そして、ドリリング部材は、再び第１の位置に後退させ、加熱リングを介して可塑性となり、変形できる程度まで連結部材を熱することができる。その後、ピストンを伸長した位置に移動させ、陥凹部に位置する可塑化した材料を孔そして凹部に圧入させる。

よって、本発明による装置により上述した方法が簡単に実施できる。なお、本発明による装置には、本発明による方法に関連して説明した利点が適用される。

装置に多大な費用をかけずに、簡単な方法で上述した本発明による装置１及び方法により、一方のプラスチックワークピース１０と他方の別のワークピース１２との間にポジティブロック連結を形成することができる。これには、ネジ、或いはリベットなどの連結部材は必要なく、別のワークピース１２に設ける凹部１７に後で圧入させる連結部材１１の材料を、プラスチックワークピース１０に配置するだけで十分である。その材料を可塑化した状態の凹部１７に圧入させるので、プラスチックワークピース１０の材料に係る圧力は低くてすむ。よって、このように形成される連結は高い信頼性がある。また、例えば、装置１をロボットに取り付けることなどにより、本発明による方法の自動化を容易に行うことができる。

本発明を、以下の図を参照して説明する。なお、図は、単に好適な実施例を示すだけである。図１は本発明による装置の縦断面を示す。図２はプラスチックワークピースと別のワークピースとの可能な連結配置の断面図を示す。図３は本発明による方法の好適な実施形態におけるステップａ）乃至ｃ）を示す。図４は本発明による方法の好適な実施形態におけるステップｄ）及びｅ)を示す。

図１に、プラスチックワークピースと別のワークピースとの連結を形成するための本発明による装置１の実施例を示す。装置１は、円筒状のハウジング２を有する。ハウジング２の中心にはドリリング部材３が配置されており、このドリリング部材３は、駆動部（不図示）を介して時計回りにも反時計回りにも回転することができ、かつ、その周辺上には、ネジ山のような型出し部をドリリング部材３によって形成される孔に形成するためにカッティングリブ４を備える。

ドリリング部材３は、ドリリング部材３の縦軸に実質的に直交して移動するピストン面６を有する環状ピストン５によって囲まれている。そして、ドリリング部材３及び環状ピストン５は、加熱リング７によって囲まれている。加熱リング７は、加熱することができ、同じようにドリリング部材３の縦軸に実質的に直交して動く位置決め面８を有する。従って、ピストン面６と位置決め面８は、互いに平衡して動く。

円筒状のピストン５は、図１に実線で示す後退した位置と図１に破線で示す伸長した位置５’との間を、ドリリング部材３の縦軸方向に移動することができる。ピストン５の収縮した位置において、ピストン面６が加熱リング７の位置決め面８の後方に移動するので、加熱リング８は、 プラスチックワークピースの連結部材を収容することができる陥凹部を囲んでいる。伸長した位置５’では、ピストン面６が、位置決め面８の平面上を移動する。

同様に、ドリリング部材３は、第１の位置と、図１と同じように破線で示す第２の位置３’との間でその縦軸方向に移動することができる。第１の位置では、ピストン５が収縮した位置にある場合、ドリリング部材の先端部９がピストン面６の平面上にある。ドリリング部材３が第２の位置３’にある場合は、先端部９は、加熱リング７の位置決め面８の平面から突出するので、位置決め面８の下方に配置されている積み重ねられたワークピースを突き抜けることができる。

本発明による方法により連結することが可能な２つのワークピースの５つの配置図を図２に示す。なお、本発明は、これらの例に限定されるものではない。図２ａ）に示す例では、プラスチックワークピース１０は、プラスチックワークピース１０と一体に形成されている連結部材１１を備える。連結部材１１を有するプラスチックワークピース１０の一部は、別のワークピース１２に配置されている。別のワークピース１２は、金属ワークピースであることが好ましい。この場合、金属ワークピース１２は、プラスチックワークピース１０の支持面１３が連結部材１１が形成されている表面１４に対向するように表面１３を支持している。この好適な実施形態において、支持面１３及び表面１４は互いに対して平行に配置された連結部材１１を備えている。

図２ｂ）に示す連結配置の例において、金属ワークピース１２がプラスチックワークピース１０を支持する支持面１３は、連結部材１１が形成されている表面１４に対して傾くように形成されているが、それでもなお、支持面１３は、プラスチックワークピース１０の表面１４に対向している。この連結配置は、そぎ継と呼ばれている。

図２ｃ）に示す連結配置の例においても、金属ワークピース１２がプラスチックワークピース１０を支持する支持面１３は、連結部材１１を有する表面１４に対向するように配置され、この例においては、「２重そぎ継」を形成することが可能であり、表面１４の平面の良好な摩擦接合に加えて、それに直交する連結を確実に形成することが可能である。

図２ｄ）に示す実施例において、連結部材１１は、プラスチックワークピース１０と一体的に形成されておらず、プラスチックワークピース１０の上に独立した部品として配置されている。そのため、連結部材１１を個別に供給することができ、本発明による方法のために特別にプラスチックワークピース１０を適応させる必要もない。更に、圧痕１６をプラスチックワークピース１０に面する側とは反対の金属ワークピース１２の表面１５に設けるので、プラスチックワークピース１０に面する側とは反対の表面１５に隣接した領域に、貫通孔として次に埋め込まれる凹部１７（破線で示す）は、その貫通孔の直径が他の部分よりも大きくなっている。

図２ｅ）に示す実施例は、圧痕１６が円筒状ではなく円錐状であるという点において、図２ｄ）に示す実施例と異なっている。しかしながら、この場合も、プラスチックワークピース１０に面する側とは反対の表面１５に隣接する領域における貫通孔の直径は、貫通孔の残りの部分よりも大きくなっている。

図２ｄ）及び図２ｅ）に示す実施例において、拡大した直径を有し、そのため切り込みを形成する領域に高い負荷をかけることができるポジティブロックを貫通孔の軸方向に実現できるという効果を得ることができる。

図３及び図４に示した本発明による方法の実施形態のステップａ）乃至ステップｅ）において、プラスチックワークピース１０は、それに一体化して形成される連結部材１１を有し、連結部材１１は、別の金属ワークピース１２に連結している。この場合、連結形成に関しては、図２ｄ）に詳細を示す通り選択される。この実施形態では、連結部材１１をプラスチックワークピース１０と一体化して形成する。ただし、この連結部材１１は、独立した部材として設け、プラスチックワークピース１０上に配置することもできる。

連結部材１１が配置される表面１４に対向する、プラスチックワークピース１０の表面１３を支持するように、金属ワークピース１２をプラスチックワークピース１０に配置している。そして、ピストン５が収縮した位置にあり、ドリリング部材３が第１の位置にある場合に、加熱リング７によって囲まれている陥凹部に連結部材１１を収納するように図１の装置１をプラスチックワークピース１０に配置する（ステップａ））。

その後、金属ワークピース１２がプラスチックワークピース１０を支持する表面１３から延出する凹部１７を金属ワークピース１２に組み込み、プラスチックワークピース１０及び金属ワークピース１２を貫通する貫通孔として形成する。凹部１７を組み込むために、ドリリング部材３を更に回転させながら、ドリリング部材３を第２の位置３’に伸長させる。その結果、ネジ山のような型出し部がドリリング部材３上に設けられたカッティングリブ４によって凹部１７の内面上に形成される（ステップｂ））。

そして、ドリリング部材３を伸長する時の方向とは反対の方向に回転させながら、ドリリング部材３を第１の位置（図１参照）に後退させる。その後、連結部材１１の材料が可塑化するまで、加熱リング７を加熱する（ステップｃ））。

連結部材１１が可塑化し、粘着性のある状態になるとすぐに、可塑化した材料を金属ワークピース１２の凹部１７に圧入させる。このため、ドリリング部材３がピストン５とともに移動する間に、装置１のピストン５を伸長した位置５’に移動させるので、先端部９は、その工程においてピストン面６の平面に残ったままとなる（ステップｄ））。

可塑化した材料を圧入させた後、プラスチック材料が冷却し固化するまで、ピストン５によってプラスチックワークピース１０にかかる圧力を維持する。このように圧力を維持するため、冷却の結果としての収縮工程によって、凹部１７に空洞が形成される可能性はない。

必要であれば、金属ワークピース１２は、プラスチックワークピース１０に面する側とは反対の表面１５上に圧痕１６を有してもよく、凹部１７が組み込まれた後に、この圧痕１６によって形成される凹部１７の軸方向に、改良されたポジティブロックを実現する切り込みを有してもよい（図２ｄ）乃至図２ｅ））。

本発明による装置１をワークピース１０、１２から取り除くことができる。なお、連結部材１１の材料をドリリング部材３によって形成される凹部１７に圧入させているため、プラスチックワークピース１０の表面は、連結が形成された後、水平になる（ステップｅ)）。

また、好適な実施形態において、プラスチックワークピース１０に金属ワークピース１２を設置する前に、まずプラスチックワークピース１０を支持する金属ワークピース１２の表面に存在し得る酸素層を取り除き、更にワークピース１０とワークピース１２との間に優れた粘着性を実現するために、金属ワークピース１２の表面を他の方法で研磨したり、或いは粗面化してもよい。また、粘着性のある連結面の粘着性を高めるために通常用いられる化学エッチング或いは電子線照射などの別の表面処理を実施してもよい。

装置に多大な費用をかけずに、簡単な方法で上述した本発明による装置１及び方法により、一方のプラスチックワークピース１０と他方の別のワークピース１２との間にポジティブロック連結を形成することができる。これには、ネジ、或いはリベットなどの連結部材は必要なく、別のワークピース１２に設ける凹部１７に後で圧入させる連結部材１１の材料を、プラスチックワークピース１０に配置するだけで十分である。その材料を可塑化した状態の凹部１７に圧入させるので、プラスチックワークピース１０の材料に係る圧力は低くてすむ。よって、このように形成される連結は高い信頼性がある。また、例えば、装置１をロボットに取り付けることなどにより、本発明による方法の自動化を容易に行うことができる。

本発明による装置の縦断面を示す。 プラスチックワークピースと別のワークピースとの可能な連結配置の断面図を示す。 本発明による方法の好適な実施形態におけるステップａ）乃至ｃ）を示す。 本発明による方法の好適な実施形態におけるステップｄ）及びｅ)を示す。

符号の説明

１ 装置
２ ハウジング
３ ドリリング部材
３’ 第２の位置
４ カッティングリブ
５ 環状ピストン
５’ 伸長した位置
６ ピストン面
７ 加熱リング
８ 位置決め面
９ 先端部
１０ プラスチックワークピース
１１ 連結部材
１２ 別のワークピース
１３ 表面
１４ 表面
１５ 表面
１６ 圧痕
１７ 凹部

Claims (18)

1. プラスチックワークピース（１０）を別のワークピース（１２）に連結する方法であって、
   − プラスチックワークピース（１０）及び別のワークピース（１２）を設けるステップと、
   − 前記別のワークピース（１２）を前記プラスチックワークピース（１０）に設置するステップと、
   − 前記別のワークピース（１２）が支持する表面（１３）に対向する、前記プラスチックワークピース（１０）の表面（１４）上に連結部材（１１）を提供するステップと、
   − 前記プラスチックワークピース（１０）を支持する前記表面上に設けられる凹部（１７）を前記別のワークピース（１２）に形成するステップと、
   − 前記連結部材（１１）の材料を可塑化させるように、前記連結部材（１１）を加熱するステップと、
   − 前記凹部（１７）に可塑化した材料を圧入するステップと、を含む方法。
2. 前記連結部材（１１）を前記プラスチックワークピース（１０）上に形成することによって前記連結部材（１１）を設ける請求項１に記載の方法。
3. 前記連結部材（１１）を前記プラスチックワークピース（１０）と一体に形成する請求項２に記載の方法。
4. 前記連結部材（１１）を前記プラスチックワークピース（１０）から独立した部品として供給する請求項１に記載の方法。
5. 前記凹部１７を組み込む前に前記連結部材（１１）を供給する請求項４に記載の方法。
6. 前記凹部１７の形成後に供給する前記連結部材（１１）を形成する請求項４に記載の方法。
7. 前記凹部（１７）に圧入させる前記プラスチックワークピース（１０）の前記材料にかかる圧力は、前記プラスチックワークピース（１０）の前記材料が冷却するまで維持される請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の方法。
8. 前記別のワークピース（１２）が金属からなる請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の方法。
9. 前記凹部（１７）を前記別のワークピース（１２）に穴として組み込む請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の方法。
10. 前記穴は、前記連結部材（１１）及び前記プラスチックワークピース（１０）を貫通し、別のワークピース（１２）へ到る請求項９に記載の方法。
11. 前記穴をネジ穴として形成する請求項９又は請求項１０に記載の方法。
12. 貫通孔として設計される前記穴は、前記別のワークピース（１２）を通る請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記プラスチックワークピース（１０）に面する側とは反対の表面（１５）に隣接する前記貫通孔の領域が、前記貫通孔の他の部分より大きな直径を有する請求項１２に記載の方法。
14. 前記プラスチックワークピース（１０）に隣接する前記別のワークピース（１２）の前記表面を粗面化する請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記プラスチックワークピース（１０）に隣接する前記別のワークピース（１２）の前記表面を研磨する請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の方法。
16. ドリリング部材（３）と、
    前記ドリリング部材（３）を囲み、ピストン面（６）を有する環状ピストン（５）と、
    前記ピストンを囲み、環状位置決め面（８）を有する加熱リング（７）と、を備え、
    加熱リングを加熱することが可能であり、
    前記ピストン（５）は、前記ピストン面（６）が前記位置決め面（８）の後方に移動して収縮した位置と、前記ピストン面（６）が前記位置決め面（８）の平面を移動して伸長した位置との間を、前記ドリリング部材（３）の軸方向に移動可能であり、
    前記ドリリング部材（３）は、前記ピストン（５）が前記収縮した位置にある場合、前記前記ドリリング部材（３）の先端部（９）が前記ピストン面（６）の平面に配置されている第１の位置と、前記ドリリング部材の前記先端部（９）が前記位置決め面（８）の平面から突出している第２の位置との間で、軸方向に移動可能である請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の方法を実施する装置。
17. 前記ドリリング部材（３）は、２方向に回転可能である請求項１６に記載の装置。
18. 前記ドリリング部材（３）によって形成する前記穴において、ネジ山のような型出し部が形成されるように前記ドリリング部材（３）を設計する請求項１７に記載の装置。

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