JP2011500384A - サンドウィッチ構造とその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、簡単に製造でき、特に物理的および／または科学的特性で構成されているサンドウィッチ構造を製造する方法に関する。この目的のために、前記サンドウィッチ構造を製造する方法が提案されている。該方法は、ａ）射出金型に第一カバー層（３）を導入する工程と、ｂ）射出金型に第二カバー層（３）を導入する工程と、ｃ）射出金型を閉じる工程と、ｄ）前記閉じた射出成形金型の前記第一と前記第二カバー層（３）との間に、射出成形によってコア材を射出する工程と、ｅ）コア層（２）が前記二つのカバー層（３）の間に形成されるように、前記コア材を硬化させる工程と、ｆ）前記射出金型を開き、前記サンドウィッチ構造（１）を取り出す工程と、から構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サンドウィッチ構造とサンドウィッチ構造を製造するための方法に関する。

サンドウィッチ構造もしくは多層構造は軽量にも関わらず一般に高いレベルの強度および剛性を提供するため、最も幅広い多様な利用領域における多くの部分で使用されている。これらは、例えば、軽量構造物における荷重負担構造組立て部品に使用されている。

多くの場合サンドウィッチ構造は比較的軽量のコア材に接着された比較的硬いカバー層を有している。サンドウィッチ要素が曲げられると、カバー層が張力と圧縮力を支え、コア材が推力を伝える。

プラスチック材は密度が非常に低く従って軽量であるため、多数のこのようなサンドウィッチ構造はプラスチック材から形成されている。熱硬化性材を基材としたプラスチック製品が例えば周知であり、これらの製品は強化ポリエステル、ポリウレタンもしくはエポキシガラス繊維のカバー層と結合される。

これらの熱硬化性サンドウィッチ構造が各種設計構成および品質において利用可能なことは明らかであるが、その物質特性によって、多くの場合再利用不能であるか、あるいはきわめて大きな困難を伴わなければ再利用することができない。さらに、これらの材料の強靭性はきわめて低い。

原則的に、熱可塑性材は強靭性と再利用可能性の点で熱硬化性材より優れている。しかし、今日まで、熱可塑性材は工業生産のために極めて高いレベルの設備投資費を一般に必要とするため、競争価格でサンドウィッチ構造を提供可能とするために大量に生産しなければならない。加えて、周知のライン設備は工程の柔軟性を全く又は低レベルでしか有さない。その場合は通常、機械的負荷支持カバー層は軽量コア材に熱的もしくは化学的に結合される。この点において、既存の加工済コア材は既存の加工済カバー層と一体化される。この工程の実施は、費用のかかる二段階もしくは多段階工程を含む。

例として、このように複雑かつ費用のかかる方法は特許文献１に記載される。

欧州特許第０７９４８５９号明細書

従ってこの先端技術から始まり、本発明の目的は、実施するのに単純かつ費用がかからず、製造工程の柔軟な適応を可能とするサンドウィッチ構造を製造するための方法を提供することである。本発明のもう一つの目的は、容易に製造でき、特定の物理的及び／又は化学的特性を有するサンドウィッチ構造を提供することである。

この目的は以下の工程を有するサンドウィッチ構造を製造するための方法によって達成される、
ａ）射出成形金型に第一カバー層を導入する工程と、
ｂ）射出成形金型に第二カバー層を導入する工程と、
ｃ）射出成形金型を閉じる工程と、
ｄ）閉じた射出成形金型の第一カバー層と第二カバー層との間に、射出成形によってコア材を射出する工程と、
ｅ）コア層が二つのカバー層の間に形成されるようにコア材を硬化させる工程と、
ｆ）射出成形金型を開き、サンドウィッチ構造を金型から取り出す工程。

通常、射出成形金型は少なくとも二つのツール部を有する。この場合、第一カバー層は第一ツール部に導入され、第二カバー層は第二ツール部に導入される。場合により射出成形金型内でカバー層を保持する方策が講じられる。次に射出成形金型を閉じて、コア材が加圧下かつ通常は温度を上げて射出成形金型に射出される。二つのカバー層の間のコア材が硬化してコア層を形成した後で、射出成形金型を開けることが可能となり、出来上がったサンドウィッチ構造を金型から取り外すことが出来る。

特に好ましい実施形態において、第一カバー層と第二カバー層は同じ材料から選択される。このような場合、両層は実質的に同じ厚さを有し、出来上がりが対称サンドウィッチ構造であることが好ましい。第一及び／又は第二カバー層は、ポリマー材、例えば熱硬化材又は熱可塑性材から成ることも可能で、本明細書において熱可塑性プラスチック材を使用することが好ましい。本明細書の冒頭ですでに述べたように、熱可塑性材はより良好な強靭性を有し、かつ、一般に再利用しやすい。

カバー層に考慮される材料の例としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ＰＥとＰＰの共重合体、ポリアミド（例えば、ＰＡ６又はＰＡ６６、ＰＡ６、ＰＡ６６及び／又はＰＡ１２の共重合体）がある。さらに、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、アクリロニトリル・ブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）もしくはスチレンアクリロニトリル（ＳＡＮ）などの熱可塑性ポリエステル類も使用できる。

熱可塑性エラストマーもまた特に適切であると証明されており、その例として熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）を有するＰＰ、又は、ポリアミド、ポリプロピレンもしくはポリエチレンを基材とした熱可塑性エラストマーがある。

加えて、エラストマーは特に耐衝撃性であるため、その使用は多くの使用状況において有意義であるだろう。その例として、ポリアミドもしくはエステルを基材としたエラストマーがある。

他の実施形態において金属層がカバー層として採用される。

ポリマー材の場合において、カバー層が繊維強化されれば、つまり、第一及び／又は第二カバー層が繊維プラスチック複合材から成れば有利である。

このような繊維プラスチック複合材は、重量比約４０％の基材に導入される重量比約６０％の繊維、すなわち特定のポリマー材から成ることが好ましい。

例として、単層又は複層の、単方向に強化された又は布強化された、長繊維複合材を使用することが可能である。ノンクリンプ・ファブリックはカバー層における強化材として特に有利であることが実証されている。繊維は、ガラス、炭素、アラミド、玄武岩、又は、例えば、黄麻、麻、又はケナフのような天然繊維である。例えば、ＰＰ、ＰＥ、ＰＥとＰＰの共重合体のような熱可塑性材の繊維、例えば、ＰＡ６又はＰＡ６６、ＰＡ６とＰＡ６６、ＰＡ１２、又は類似物との共重合体のような各種ポリアミドの繊維、例えば、ＰＥＴ又はＰＢＴのような熱可塑性ポリエステルの樹脂の繊維を使用することも可能である。

コア層がポリマー材から成ることもまた好ましい。基本的にはコア層はどのようなポリマー材から成ることができるが、熱可塑性材が上記の理由で好ましい。特に好ましい実施形態においてコア層は泡から成る。この点に関して、用語「泡」は構造が孔隙によって形成されているポリマー材を表すのに用いられる。さらに好ましい実施形態において、コア層は全体的な泡を形成している、つまり、コア層は実質的に閉じた外皮と多孔性コアを有する。

例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）もしくはポリスルフォン（ＰＳＵ）のような高温熱可塑性材を、コア層及び／又はカバー層において使用することも望ましいことが実証されている。

ポリマー材が追加的に充填材及び／又は強化物質を含有すれば、コア層の機械的特性が改良可能であることが示されている。これらは、ＣａＣｏ_３、滑石、ＴｉＯ_２、短い繊維、ガラス又は炭素の不連続の長い繊維、又は、天然の繊維であることが好ましい。

コア層が第一及び／又は第二カバー層と適合するように、コア層およびカバー層を選択することが好ましい。用語「適合する材料」は、加圧下及び／又は温度上昇下で融合する全ての材料、又は、化学反応によって結合されうる全ての材料を表すのに使用される。

カバーおよびコア層は同じ基材つまり同じポリマー材から選択されると特に有利であることが実証されている、その場合、カバー及び／又はコア層に導入されるかもしれない充填材もしくは繊維が異なることは可能である。

原則的に、適合しない材料を使用することもまた可能である、この場合、好ましくは工程ｃ）の前に、結合膜が第一及び／又は第二カバー層に塗布される。用語「結合膜」は、膜が間に導入される二つの層と適合する膜を表すのに用いられる。このような結合膜は合体押出成形によって製造される二つの層から例えば成り、この二層の内、第一の層がカバー層と適合し、他方の層がコア層と適合する。

多くの使用状況のため、コア層及び／又はカバー層がバイオプラスチック材（場合により、追加的強化物質及び／又は充填物質）から成る場合が有利である。ポリ乳酸（ＰＬＡ）を用いると特に良い結果が得られるが、この点に関して、基材が、でんぷん、でんぷん混合物、ポリヒドロキシ酪酸（ＰＨＢ）、もしくはアセチルセルロースから成るサンドウィッチ構造を着想することもまた可能である。この場合、生物学的に分解可能な繊維及び／又は充填材を使用すると有利である。

特に好ましい実施形態において、第一及び／又は第二カバー層は化学及び／又は物理特性においてコア層と異なる。

従って、例えば、カバー層はコア層よりもはるかに高いレベルの展性もしくは密度を有することが可能であり、それによりサンドウィッチ構造全体に、より高い程度の耐衝撃性を付与する。

第一及び／又は第二層が予熱されずに射出成形金型に導入される場合でも驚くことに上述の方法は機能する。このため、好ましい実施形態において予熱が省略されて生産手順がさらに簡潔化する。

更に特に好ましい実施形態において、工程ｄ）が、
ｄ１）閉じた射出成形金型の第一カバー層と第二カバー層との間にコア材を加圧下での射出成形により射出する工程、
ｄ２）射出成形ツールの空洞の容積を拡大させる工程を有する。

この方法は簡単な様式で全体的な泡を生成することを可能とし、この方法において、始めにコア材が高圧下で射出される。射出成形ツールは空洞の容積を変更できるような構成になっている。コア層用の材料が射出された後、空洞の容積が拡大される。その結果、コア層のコア領域が孔隙を有する。

好ましい実施形態において、コア層はこのように、かつ、圧縮された端領域を備えるように製造されて、圧縮端領域におけるコア層の密度はコア層の中心部より高くなる。

好ましい実施形態において、圧縮端領域における孔隙の比率は２％未満であり、好ましくは１％未満、特に好ましくは０．５％未満である。

他の実施形態において、圧縮端領域の密度はコア層に使用されるポリマー材の密度の少なくとも９０％である。

この構造に関して、コア層と、対向して配置されるコア層の側部に配置される二つのカバー層を備えるサンドウィッチ構造によって上記目的は達成されて、同様にコア層は、中心コア領域と、密度がコア領域より高く、かつ、対向して配置されるコア領域の側部に配置される二つの端領域を備えて、端領域の密度はコア領域の密度よりも高い。

好ましい実施形態において、端領域の密度はコア領域の密度より少なくとも５０％、好ましくは少なくとも１００％、特に好ましくは少なくとも３００％高い。

第一カバー層と第二カバー層は同じ材料から成ることが好ましく、実質的に同じ厚さであることが特に好ましい。

また、少なくとも一つのカバー層及び／又はコア層はポリマー材、好ましくは熱可塑性材、特に好ましくは繊維プラスチック複合物質である。

好ましい実施形態において、サンドウィッチ構造の厚さは、少なくとも４ｍｍである。コア層の厚さは、少なくとも３ｍｍであることが好ましい。

好ましい実施形態において、カバー層の厚さは０．３〜２ｍｍの間である。コア層の厚さは８〜３０ｍｍの間が好ましく、圧縮端領域の厚さは０．３〜１．５ｍｍであることが好ましい。

本発明のさらなる利点、特徴および可能な使用法は、好ましい実施形態の以下における説明と添付の図面から明らかとなるであろう。

本発明に従ったサンドウィッチ構造の実施形態の概略図を表す。 サンドウィッチ構造の表面に対する間隔に関する密度を線図で描画したものを表す。

図１は本発明に従ったサンドウィッチ構造１を線図で表している。この構造は、コア層２と、コア層２の両側部に配置される二つのカバー層３を備える。

同様にコア層２はコア領域４と圧縮端領域５とを備える。

サンドウィッチ構造の密度は均一ではない。この構成は図２に示される。この図において、表面に対する間隔に基づく密度を描く線グラフが示される（いずれの場合も任意の単位である）。

この点に関して、図２は左側にサンドウィッチ構造の表面における密度、右側にコア層のコア領域における密度を示す。

サンドウィッチ構造１は、そのカバー層３の領域において最大密度を有し、密度は最初コア層の圧縮端領域５への移行において大幅に低下することが図示される。圧縮端領域内では、密度は構造の内側方向にわずかに低下するにすぎない。圧縮端領域５からコア層のコア領域への移行において密度は再び大幅に低下し、サンドウィッチ構造１の中心では実質的に一定の低密度に達する。コア層２の圧縮端領域５における密度は、コア領域４における密度よりはるかに高い。つまり、密度は外側から内側に向けて２回急激に変化する。

原則的に、カバー層の密度もまた圧縮端領域の密度より低くすることも可能であろう。

本発明による方法によって、きわめて良好な機械特性を有するサンドウィッチ構造を製造することが可能である。また、製造工程を関連する要求に容易に適合させることが可能である。従って、例えば、カバー層の厚みや性質についてツールを変える必要なしに容易に変更できる。

１ サンドウィッチ構造
２ コア層
３ カバー層
４ コア領域
５ 圧縮端領域

Claims (21)

1. サンドウィッチ構造（１）を製造するための方法であって、
   ａ）射出成形金型に第一カバー層（３）を導入する工程と、
   ｂ）前記射出成形金型に第二カバー層（３）を導入する工程と、
   ｃ）前記射出成形金型を閉じる工程と、
   ｄ）前記閉じた射出成形金型の前記第一と前記第二カバー層（３）との間に、射出成形によってコア材を射出する工程と、
   ｅ）コア層（２）が前記二つのカバー層（３）の間に形成されるように、前記コア材を硬化させる工程と、
   ｆ）前記射出成形金型を開き、前記サンドウィッチ構造（１）を前記金型から取り出す工程と、を有することを特徴とするサンドウィッチ構造（１）を製造するための方法。
2. 前記第一と前記第二カバー層（３）は同じ材料から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一と前記第二カバー層（３）が、実質的に同じ厚さであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）が、ポリマー材、好ましくは熱硬化材もしくは熱可塑性材、特に好ましくは熱可塑性材から成ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）が繊維プラスチック複合物質から成ることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記コア層（２）がポリマー材、好ましくは熱硬化材もしくは熱可塑性材、特に好ましくは泡から成ることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記コア層（２）が、前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）と適合することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 工程ｃ）の前に、結合膜が前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）に塗布されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
9. 前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）は化学又は物理特性において前記コア層（２）と異なることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
10. 前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）は予熱されずに前記射出成形金型に導入されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
11. 工程ｄ）が、
    ｄ１）前記閉じた射出成形金型の前記第一と前記第二カバー層（３）との間にコア材を射出成形により射出する工程と、
    ｄ２）前記射出成形ツールの空洞の容積を拡大させる工程とを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。
12. 前記コア層（２）が圧縮端領域（５）を有するように製造され、前記圧縮端領域（５）における前記コア層（２）の密度は前記コア層（２）の中心部より高いことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記圧縮端領域（５）における孔隙の比率が２％未満、好ましくは１％未満、特に好ましくは０．５％未満であることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記圧縮端領域（５）の密度は前記コア層（２）に使用されるポリマー材の密度の少なくとも９０％であることを特徴とする、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
15. コア層（２）と、対向して配置される前記コア層（２）の両側部に配置される二つのカバー層（３）とを備えており、同様に前記コア層（２）が、中心コア領域（４）と、対向して配置される前記コア領域（４）の両側部に配置される二つの端領域（５）を備え、前記端領域（５）の密度が前記コア領域（４）より高いことを特徴とする、サンドウィッチ構造（１）。
16. 前記端領域（５）の密度が、前記コア領域（４）の密度より、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも１００％、特に好ましくは少なくとも２００％高いことを特徴とする、請求項１５に記載のサンドウィッチ構造（１）。
17. 前記第一と前記第二カバー層（３）が同じ材料から成り、好ましくは実質的に同じ厚さを有していることを特徴とする、請求項１５または請求項１６に記載のサンドウィッチ構造（１）。
18. 少なくとも一つのカバー層（３）及び／又は前記コア層（２）が、ポリマー材、好ましくは熱可塑性材、特に好ましくは繊維プラスチック複合物質を備えることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一つに記載のサンドウィッチ構造（１）。
19. 前記コア層（２）が、前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）と適合することを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか一つに記載のサンドウィッチ構造（１）。
20. 結合膜が、少なくとも一つのカバー層（３）と前記コア層（２）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一つに記載のサンドウィッチ構造（１）。
21. 前記第一及び／又は前記第二カバー層（３）が、化学特性又は物理特性において前記コア層（２）と異なっていることを特徴とする、請求項１５〜２０のいずれか一つに記載のサンドウィッチ構造（１）。

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