JP2008534367A5 - - Google Patents

Description

造船及び船舶に適用のメタルファイバーハイブリッド積層材とその製造プロセス。

本発明の適用対象となる技術分野は、造船、船舶エンジニアリングであり、特に船舶の構造構築の技術に対して最適である。

従来の技術
より軽量、且つより高速度の移動とエネルギーの消費節約を可能にし、更には耐久力に優れた構造のデザイン及び製造が要求される造船及び船舶エンジニアリングにあって、新しい資材の提供の必要が生じている。現況の幾つかの例として、高速フェリー、高速コンテナー船、二重船体のオイルタンカーなどが挙げられる。

船舶及びその他の船の構造構築において、従来からの資材である鋼鉄の使用では、軽量、耐久性そして安全性を考慮した構造の構築ラインに沿った改善を妨げてしまうと言う一連の限界が生じてしまう。経済性と適合性に加え、機械化と溶接が容易であり、その反応と特徴も良く知り尽くされているほか、強固で衝撃に対し耐久力がある等の利点が挙げられるが、その一方では高密度と腐食の問題が、その大きな欠点として指摘されている。

高い弾力限界を有す鋼鉄、アルミニウムの合金、そして重合体マトリクスの複合材など、その代替となる他の資材が当工業の分野に対して提供され、それらの使用も見られた。鋼鉄本来の耐久力を明確に超えて、これらの何れもが構造の軽量化を実現させたが、造船に適用される資材としての他の重要な機能が常に無視されたままであった。

高限度の弾力を有する鋼鉄は一般的に溶接に手間取り、根本的に破砕の傾向がある。アルミニウムの合金は鋼鉄に比べて低密度の利点を有すが、強固さに欠け、その結果、重量の減量が期待するほどの容量に合わず、更にまた鋼鉄に比べて溶接も難しく、疲労、腐食の問題も生じて来る。造船に使用される複合材（グラスファイバーによって補強されたポリエステルあるいはビニルエステルの合成）は軽量で耐久性に富むが、その製造工程は複雑で生産コストが高くつき、衝撃に対して敏感で傷つきやすい上に、（浸透）水による機能的特長の低下が見られるという問題もある。

メタルファイバーハイブリッド材は、出来る限りそれらの欠点を回避するために、両タイプの資材の利点を融合させたものである。そうすることで、衝撃に対して優れた強固さと耐久を持たせ、且つ機械化と疲労に対して優れた持続力を得、更には複合材の特徴を生かし、ファイバーの方向に特有な強度と際立った耐久性を備える金属材としての典型的な生産を容易にさせることを目指したものである。

既に、異なった構造アプリケーションにおいて、メタルファイバーハイブリッド材の使用が提起されている。当初の特許には、60年代のもの(US3091262, US3189054)と70年代のもの(US4029838)がある。その適用は、特に航空分野に集中し、それに使用された資材は（本発明においては鋼鉄を使用しているのに対して）カーボンファイバー、アラミドあるいは硝子（本発明では、もっぱらグラスファイバーの使用を提起する）といった種々の補強材を有するアルミニウムの軽合金とエポキシ重合体マトリクスの複合材（本発明ではビニルエステルを使用）である。

積層加工されたメタルファイバーで最初に商業化されたものは、アラミドとアルミニウムで製造されたもの(ALCOA社製積層材、登録商標ARALL)である。これらの積層材は、疲労による罅割れの拡大に対して、その抵抗力を高めるためにデザインされたものである。継続的な寄与(US 5227216)によって、船舶が支える運航中の荷重とは異なる、当然に本発明で述べる資材の構成とも異なる、航空機への適用で幾つかの不都合な欠陥方式が改善された。

その他の場合では、運航中の荷重を支える構造的な役割に加えて、断熱材として作用する層の介在を果たす、ミサイルの構成部品のためのハイブリッド材(US 5979826, US5824404)が挙げられる。造船に対してこれらの要請は不要であり、したがってプレセラミックマトリクスの複合材は特許対象の資材に含まれない。自動車部門に対して適用されている幾つか (IT1279568, US2002178672)は、この場合、積層板の外部層が透明樹脂で、環境の悪化に対して耐久力を有しているにもかかわらず、塗装材あるいは充填材を使用して見栄えの良い仕上がりとなっている（この場合の外部層は衝撃に対して強固な特徴を示す鋼鉄で、その表面は通常造船で使われている塗装システムで得られる）。また、小規模な構造であることから、船舶造船の大規模構造には不向きの木材及びチタンといった材料が導入されて、然程には精緻さが要求されないスケートボードの生産及びデザインに適用されるこのタイプの資材の使用を述べた最近の特許資料(US 2004/0188967 A1)も挙げられる。

製造の技術に関しては、ハイブリッド材自体の組成分に関しては別として、パネルの組み立てなどの種々の側面を対象にした幾つかの特許が存在している。これらの場合、金属の層の終端が複合材の層に継続されるもの(US5160771)か、あるいは二枚の金属板の結合上を継続する複合材の薄板を備えるもの(US5951800)である。本発明では、船舶造船などの大規模構造の部分を構築していくことを可能にする端に階段状の組み込みを備えた平面あるいは曲面のパネルの製造を提起している。

最後に、セラミック型(US5149251, US5252160)の使用及び積層加工に必要なカーブを得るためのマトリクス(US3711934)に関する情報がある。この文献に記載の解決方法は、鋼板を独自に形成してこれを基本部品とし、その上に複合材を積層加工する型として利用することで、特定の型の構築を避けるものである。

発明の詳細な説明
造船のためのメタルファイバーハイブリッド積層材は、鋼板とグラスファイバーで補強された重合体マトリクスで形成された複合材の積層加工によって構成される。容量、厚み、そしてそれぞれの鋼板及び積層板の設定位置は、船舶の各部分毎に適切な耐久力と硬度に合わせて計算される。積層板の組成は、船舶各部の構造の必要に応じた資材のデザインに適合させるべく、多彩であり得る。しかしながら、資材のデザインにおいては一連の前提条件を固守する必要がある。

最表面の層は常に鋼鉄であること。そうすることで、衝撃に対する耐久硬度を備えることが出来、且つそのサンドイッチ状の内部に位置する複合材を、あり得る積層板の分裂及び微小な罅割れから保護する。また更に、複合材の重合体マトリクスよりも高温に耐え、機械的特長の損失を最少限に止め、起こり得る火災では無発煙であるといった能力を利点として得ることが出来る。さらに、ハイブリッド資材の硬度を高めるために、その内部に他の鋼板を設置することも出来る。

複合材の積層板は、常に外側が鋼板によって形成されたサンドイッチの内部に置かれる。その材料として望ましいものは、海洋環境において優れた特性を示して来たポリエステルあるいはビニルエステルのマトリクス及びグラスEの継続ファイバーの補強材である。ファイバーは、運航中での張力の主要方向に対して補強したい優先的方向に従い、織り目状あるいは単一方向のみの補強に使用される。複合材の積層板は常に二枚の鋼板の間に含まれ、一定数の層のパックによってグループ化される。

ハイブリッド資材の各パック内における複合材の積層板と積層板との結合は、マトリクスを構成する重合樹脂自体の粘着能力によってなされる。複合材のパックと金属板との結合は、構造接着剤を使用して実施される。少なくともこの接着剤は、積層板間の張力が最大値に達し得る最上表面部の鋼板と複合材の第一パックとの間に適用される。メタルファイバーハイブリッド板の亀裂に至ることなくその屈伸が促される限りにおいて、接着剤は金属及び複合材の機械的特性の違いを吸収すべく、歪みに対して可逆反応を示す弾性のあるものでなければならない。この場合、二成分ポリウレタンタイプの接着剤が適切である。しかしながら、接着結合の欠陥の早期発生の原因となる過度の厚みに至ること無く、湾曲の違いを緩和させるような接着剤の層の厚みは、（選択される接着剤のタイプの各製造者による忠告に従って）コントロールされるべきものである。

メタルファイバーハイブリッド材パネルは、船舶造船の異なった構造部分に利用出来るよう、平面または曲面のいずれの状態でも可能である。いずれにしても、理想的な構造を得るためには個別のパネルの組み立て実施が不可欠である。そのため、パネルは隣接する他のパネルと互いに組み合うように、四方周囲が階段の形で作られる。弾性のある接着剤がパネル同士の接着に使用される。接着面、即ち組み立ての階段の表面は、パネルからパネルへの荷重をその断層を介して完璧に伝達出来る十分な広さを有したものでなければならない。これらの階段の厳密な寸法は２〜２０cmで、パネルの大きさと運航中に受け得る荷重をベースに算出される。同様に、組み立ての接着剤は隙間を完全に埋めて塞ぎ、且つ製造の許容誤差を吸収し得る特定な能力を備えたものでなければならない。

パネルの組み立てが済んだ後、外側の結合部分をハイブリッド積層板の両表面とその縦横の交差方向に完璧にコーティングする必要がある。この結合部分はパネル間の荷重の伝達に携わるが、主として、積層板内部への水の浸透を防いでいる。コーティングには、隣接する鋼板を溶接する場合と重合コーティング剤による場合の二通りの方法がある。溶接の場合には、内部奥にある重合材を損傷することなくその浸透を最少限に抑えながら、パネルとパネルとの間の遊びを金属で埋めることに注意する必要がある。重合コーティング剤を使用する場合は、双方のパネルの間に相対的に生じる移動に欠陥無く耐え、且つ隙間を埋め尽くす能力のあるものを選択しなければならない。そのコーティング剤は、構造の働く寿命が続く間、資材内部への水の浸入を防ぐものでなければならない。

パネルの組み立てが済んだ後、構造を腐食現象から防ぐための造船及び船舶エンジニアリングにおける従来の塗装作業に沿ったプロセスに進むことが出来る。

造船のためのメタルファイバーハイブリッド積層材は、一枚あるいはそれ以上の中間鋼板（１b）を含むことが出来、二枚の外部鋼板（１aと１c）によって構成されていることに焦点が置かれる。鋼板は、その適用に応じて適切に平面または曲面であることが出来る。単一方向の曲面、あるいは平面のみのパネル、あるいは二重曲面を持たせて作ることも可能である。即ち、パネルの幾何学的形成に対して何ら規制は生じない。鋼板の形状形成プロセスは、パネルの厚さに関して、利用可能な種々の適切な方法（圧搾機、折り機、熱ライン、その他）が存在しているが、これは本明細書で取り扱う対象ではない。

鋼板は、次いでその表面の準備処理を受けなければならない。接着結合の効果を高めるために鋼板表面の加工処理が種々に存在する。これらの加工処理について詳述することは本明細書における対象ではない。しかしながら、望ましい実施例として、適切な処理は蒸気状の有機溶剤による洗浄を行い、燐酸の熱湯処理に次いで、最後に無イオン水で洗浄するものである。

鋼板の表面(1aと1c)に対しては、メタルと接着剤の層の粘着を高めるために下塗りを行った後、接着剤を施す。下塗には、使用する接着剤のタイプに適応した特性を備えたものを用いるべきで、それぞれの場合毎に、各接着剤の製造者が推奨する最適な下塗り剤を利用する。鋼板（1aと１c）の二皮層の内部表面に対して、（積層板の内部方向に）一度のみの下塗りを行う。パネルあるいは中間鋼板（１b）に対して下塗り剤を施す必要はないが、金属と複合材のマトリクスを形成する重合樹脂との粘着を高める可能性を考慮した適用もある。如何なる場合においても、鋼板（1aと１c）の皮層の外表面に下塗り剤を施すことは無い。それは、これらの表面に対して、後のペイント塗装のために異なった表面の準備が要求されるからである。

一番目の鋼板（１a）に関しては、ペースト状（２a）の接着剤の一層を、予め下塗り剤の施された鋼鉄表面全体に均質になるよう繰り返し施す。接着剤として最適なものは、鋼鉄とその上に施される複合材との機械的特色の違いを調整する能力を備えた、弾力性を有すものである。接着剤自体は、受ける歪みの力に対して問題のない耐久力を十分に有したものでなければならない。製品の理想的な効力の発揮のために、生産者によって推奨されたその厚さの規定範囲・最大〜最小の値を常に満足する限りにおいて、二成分ポリウレタン接着剤の選択は適したものの一つである。接着剤の層は、最終のハイブリッド資材の包括的な特性において本質的役目を果たす。弾力性を備え、且つ層と層との間の歪みの違いを吸収するために、接着剤の製造者の推奨に従った接着剤の層の厚みを施さない場合は、二つの資材の結合に対して欠陥をもたらす原因となり得る。接着剤は移行要素として作用し、金属板と合成板(1a および 3a)との間に生じる歪みの調整を、圧縮・折り曲げの荷重が課された時に起こり得る局部の反りから来る欠陥を回避あるいは退きながら、両資材の結合部分に起こるパネル間の張力を緩和することによって行う。

接着剤と下塗り準備のされた鋼板に対し、先ずは、複合材の積層がされる。平面または曲面で形成された鋼板（１ａ）自体が、複合材の連続して重なる層の設置のための型と成ることで、従来の複合材の実施に伴うように、積層板の生産において特に新たな工具が必要となることはない。プレートの正確な設置及びその位置の保持、重合体マトリクスの強化が進む間、常にある種の補助的部品が（緩衝器の役割で）必要とされるが、それは本来の意味では、型ではあり得ない。

複合材の補強とマトリクスは、構造内におけるパネルに施される具体的な適用として適切なものであろう。即ち、造船及び船舶エンジニアリングにおける利用には、既に海洋にてその適用が実証済みの資材が求められていることから、ビニルエステル樹脂のマトリクスとグラスファイバーの補強材Eが選ばれた。補強材には乾燥状のものが使われ、型の役目をする鋼板の上に置かれてその場で（in situ）樹脂に浸透される。グラスファイバーの補強材Eは、織目状または単一方向の補強方法で使用される。後者の場合、ファイバーはパネル（６）自身に関連のシステムによって、運航中に課される主な張力の働きに対して適切な方向で設定される。

パネル（３ａ）は、最初に角度−45度の単一方向の補強で設置される。これに次いで、二番目のパネル（４ａ） が +45度の角度で設置される。これらの二層の目的は、パネルに対して要請される歪みのために、構造の運航寿命中に最大の断層張力が作用する方向を優先にした補強を導入することにある。しかしながら、具体的な積層の順は、構造の各部分で受ける張力の分配の役割において、それぞれの適用に応じてなされるべきである。

理想の強度に応じた厚さを備えるパネルを得るために、一枚あるいはそれ以上の釣合いのとれた織目状（縦横の各方向に同数の線引きで出来ている）の積層用薄板（５a）に続く。それぞれの新しい積層用薄板を設置するためのプロセスは常に同じであって、次の様に行われる：乾燥状の補強材を適切に位置付けて樹脂に十分に、完全に浸透させる。ハイブリッド積層板の内部に鋼板（１b）が導入される。この時点で、鋼板の上に一様に分配された重しを置くか、あるいは他の手段（真空バッグ、オートクレーブ）によって圧力を掛けるのが好ましい。積層用の薄板に導入された樹脂の余分が取り除かれ複合材のパックがコンパクト化されるように、パネルの周囲端の切り付けを行う。

コンパクト化を終えた後、中心層(1b)から、鋼鉄の上部皮層(5b、4b、 3b、2b 、1c)に至るまで対称に積層が継続される。こうすることで、対称で安定した、三枚の鋼板とパネルの間に挿入された複合材の二パックとから構成されるハイブリッド積層が得られる。この構成は特別なケースが示されたものとして捉えるべきであり、勿論提起のハイブリッド資材の全特徴に関しても同様に言えるが、この資材の利点が特にそれぞれの構造的適用において必要な要求に対しデザインを適合させるという可能性に基づくものであることから、構成のすべての可能性と積層の連続について限定するものではない。

パネルの組み立てが実施され最終構造が構築されるためには、それぞれのパネルは平面にせよ曲面にせよ個々に作られ、周囲に一連の階段を設けて積層される。図３と図４は、それぞれの新しい鋼板が積層板上をある距離をもって水平及び垂直方向に移動する様子を示している。積層は鋼板の新しい位置に継続されて行く。最終的にパネルの四端で三段の階段が作られ、各階段は各複合材のパックに鋼板の厚みを加えた分の高さと同等になる。各パネルは、他の四枚のパネルに対応する端の階段が組み込まれて組み立てられる。外側に二つの結合が出来上がる。その一つは継続しない縦長の結合（７）で、結合ラインと一致しないように各隣接のパネルがこの方向に移動される。もう一つは横断方向の結合（８）で継続されたものである。この組み立て方法によって、パネルは（厚みの方向での）各層におけるパネル間の結合一致を避け、したがって、結合部分の欠陥がハイブリッド積層板の全厚みにまで及んで起こり得ると言う危険が減少するのである。

説明の方法で組み立てられたパネルは、各パネルの製造で使われたものと一致しない接着剤（９）によって結合される。接着剤は、二枚のパネルの間の隙間を埋めることが出来、製造における許容誤差を吸収することの出来る最大の厚みを許容するものが望ましい。一成分ポリウレタンの接着剤は適切なものの一つである。のりしろ部分の長さは、連続するパネル間の張力伝達を効果的にして結合部分における欠陥をなくし、それが構造全体に行き渡るようにする、発生し得る最大張力とパネルの大きさの役割において、２〜２０cmとする。

最後のステップは、 ハイブリッド積層の内部への水の浸入を防ぐために、縦または横の両方向における外部結合ラインのコーティングの実施である。コーティングはパネル（１０と１１）の両表面に、平面または曲面に関係なく、施される。これは構造的結合を扱うのではなく、所謂、その役割は（内部のりしろ部分の接着結合を実施する作業）部分の間の荷重の伝達ではなく、単に結合ラインのコーティングにある。この作業は、重合体シーラント剤あるいは溶接コード適用の、二つの方法で行うことが出来る。

重合体シーラント剤を適用する場合、所望される特色は結合部分に侵入の水に対する耐久性とハイブリッド資材に使われた他の重合体との和合性にある。同様に、パネルの結合に使われた接着剤をそのまま使用することも可能である。

外部の結合部分のシーリング処理に溶接コードを使う場合、組み立ての接着剤と複合材のマトリクスを損傷させないために、溶接処理で熱をあまり与えないような方法を取る必要がある。これらの重合材の耐久温度は、鋼鉄の溶解に必要な温度に比べて著しく低温である。従って、ほんの僅かなコードの浸透と最低限の温度与えることで重合の達成する温度が出来る限り最小になるよう心掛ける必要がある。しかしながら、結合されたのりしろ部分の周辺部の温度減損は必然的であり、したがって、後にパネルを溶接するのならば、こののりしろ部分を大き目に取るのが適切である。重合体シーラント剤の使用に対する溶接コーティングの唯一の利点は、鋼鉄が外部から完全に視覚可能な資材であり、水の浸入に対してその溶接コードが最大の安定と耐久を備えていることにある。

適用される産業
本発明は造船及び船舶エンジニアリングの分野に利用することが出来る。特に船舶造船の構造構築技術への適用に向いている。

図の説明概略
課題に対して、本発明の記述内容をより明確にさせるべく、造船のためのメタルファイバーハイブリッド積層板の組み立て及びその製造工程に合理的な典型例の図を幾つか添付する。

図１は、積層処理の順を示している。使用されている各資材、それらの位置方向、及び他層との接着に使用された接着剤のそれぞれが明示されるよう、ハイブリッド材の各層が剥き出しに描写されている。 図２は、層の積み重ね順を明確にする図１の断面図である。特にこの場合は、一枚の積層板が三枚の鋼板と、それぞれが別々の構成と方向を持つ三枚の独立したパネルで形成されている複合材の二つのパックとによって構成されたものの例である。 図３は、４枚のパネルの組み立てを示している。その内の一枚は透かし図となっている。これは、それぞれが三つの段で形成された階段を有すパネルにおいて、一層が他の層に対して水平方向に移動する様子を表したものである。互いに隣接する二枚のパネルの結合は、パネルの階段によって一方が他方のパネルの下敷になること無く組み合わされる。 図４は、図３の断面図で、階段の組み合わせ及び構造接着剤の使用による結合を示す。 図５は、両面が積層処理されたパネルの外側の、溶接あるいは重合コーティング剤の使用によって結合された部分のコーティングプロセスを示したものである。この図は縦方向での結合を描いたものであるが、パネルの横方向における結合の場合もこれと同様のものとなる。

Claims (10)

1. 鋼板と複合材層が、弾性タイプの接着剤を介して交互に積層された積層材であって、
   鋼板が、積層材の最上層、少なくとも一の中間層及び最下層に位置し、
   該複合材層は、グラスファイバーによって補強された、ポリエステルまたはビニルエステル樹脂マトリクスからなり、
   最上層の鋼板と中間層の鋼板は、各々の下に位置する複合材層と、長さ方向及び幅方向にずらされており、階段状の輪郭を形成している、
   船舶及び航海用品用メタルファイバーハイブリッド積層材。
2. 複合材層中のグラスファイバーによる補強が、織り目状もしくは単一方向またはこれら双方混合の形で使用されることによって特徴付けられる請求項１に記載のメタルファイバーハイブリッド積層材。
3. 接着剤が二成分ポリウレタンであることで特徴付けられる請求項１又は２に記載のメタルファイバーハイブリッド積層材。
4. 請求項１〜３のいずれか1項に記載のメタルファイバーハイブリッド積層材の複数個を、各々の階段状の輪郭部で、互いに組合わせてなる、メタルファイバーハイブリッド積層材。
5. 鋼板が積層材の最上層、少なくとも一の中間層、及び最下層に位置し、複合材が弾性タイプの接着剤を介して鋼板と交互に積層された積層材の製造プロセスであって、該複合材は、グラスファイバーによって補強された、ポリエステルまたはビニルエステル樹脂マトリクスからなり、
   次のステップ：
   ａ）最上層を構成する鋼板の下側表面に下塗り剤層を施すステップ；
   ｂ）該下塗り剤層の表面に弾性タイプの接着剤層を施し、次いで複合材層と、中間層を形成する鋼板と、該中間層の下の複合材層を、輪郭を階段の形に形成していくために、各層を移動しながら、積層するステップ、
   ｃ）下塗り剤及び接着剤が上側表面に施された、最下層を構成する鋼板を積層し、圧力を加えながら積層材を硬化させるステップ；
   ｄ）階段状の周囲に弾性タイプの接着剤を施し、上記ステップａ）〜ｃ）の方法で製造された少なくとも一の他の積層材と、各々の階段形状の輪郭部で、互いに組み合わせて結合するステップ；及び
   ｅ）最上層及び最下層の鋼板の外部接合部分をシールするステップ；
   を含むプロセス。
6. 鋼板を切断して、該鋼版を複合材の積層が実施される型として使用するために、曲面あるいは平面を与える成形を行うステップをさらに含む、請求項５に記載のプロセス。
7. ステップｂ）において、各鋼板が該鋼板の下に位置する複合材層に対して長さ及び幅方向に２〜２０ｃｍずらされる、請求項５または６に記載のプロセス。
8. ステップｄ）において、接着剤が一成分ポリウレタン又は二成分ポリウレタンである、請求項５〜７のいずれか１項に記載のプロセス。
9. ステップｅ）において、結合された積層材の外部結合の縦横のライン方向のシールが、重合体シーラントあるいは溶接コードを適用することによって行なわれる、請求項５〜８のいずれか１項に記載のプロセス。
10. 請求項５〜９のいずれか１項に記載の方法で得られる積層材を、船舶及び航海用道具の構築のために利用する方法。