JP2013532596A - 連続強化繊維層を備えた成形プラスチック多層構成部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は連続強化繊維層（２、２'）を備えた成形プラスチック多層構成部品（１）に関し、少なくとも２つの繊維強化プラスチックカバー層の間に埋め込まれた、発泡材料製内部構造体（３）から成るサンドイッチ構造を備えている。構成部品（１）は広埋め込まれた内部構造体（３）の周囲に繊維強化プラスチック製の閉じられた縁を備え、この縁は繊維層（２、２'）の少なくとも１つの、内部構造体（３）の周囲より余る部分（２"）によって形成される。さらにプラスチック多層構成部品（１）を製造するための２つの別の製造方法が開示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続強化繊維層を備えた成形プラスチック多層構成部品に関する。この成形プラスチック多層構成部品は、発泡内部構造体を具備したサンドイッチ構造を備えている。さらに、本発明はこのようなプラスチック多層構成部品の２つの別法の製造方法に関する。

使用時に大きな機械的負荷に耐えなければならない軽量構成部品は、熱硬化性プラスチックコンパウンドシステムを使用して製造されることが公知である。さらに、優れた機械的安定性値を備えたそのような高負荷の軽量構成部品を得るために、層の密度が小さく、層がより高い剛性で結合されているサンドイッチ構成部品が公知である。

こうして特許文献１には、構成部品、特に車両用外板構成部品が記述されており、この外板構成部品は高い表面品質を持つプラスチック製アウターシェルを備えており、このアウターシェルはいわゆるシートモールディングコンパウンド法またはバルク成形コンパウンド法またはＲＴＭ法で製造される。このアウターシェルはさらに、内側に平らな、アウターシェルに接した強化構造を持ち、この強化構造は２つの互いに間隔を空けたプラスチック層で区切られている。これらのプラスチック層の間にはハニカム構造または泡状素材が備えられている。この構成部品は、ダイスと２つの交換可能なパンチを有する金型内で製造される。その中にはまず第一の工程でアウターシェルが第一のパンチを使用して製造され、それに続いて強化構造が金型内にとどまっているアウターシェルの上に置かれ、パンチが交換され、その結果第二の工程で強化構造の輪郭が形成され、およびアウターシェルが強化構造と共にプレス加工され得る。

さらに特許文献２では、車両の多層平面構成部品が公知であり、この多層平面構成部品が繊維間に配置されているプラスチックコア部分を備えており、その際繊維マットがカバーするプラスチックシートで取り囲まれており、および周りを巡る層構造の縁が少なくとも部分的にプレス加工されそれにより層構造ができる限り液密に形成される。プレス加工により、平面構成部品の層全体が、コア部分も、互いにプレスされることで、周りを巡る縁が残りの層構造よりも薄い厚さで作られる。

独国特許出願公開第１０３４７５９８号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０５２９６７号号明細書

この従来技術を前提として、望ましくは、連続強化繊維層を持つ改良されたプラスチック多層構成部品が提供され、このプラスチック多層構成部品は優れた機械的パラメータと並んで、改良された材料特性を備えて成形された構成部品としても製造可能である。この課題は、請求項１の特徴を備えた、成形プラスチック多層構成部品によって解決される。

さらに本発明の課題は、そのような構成部品の製造方法を提供することである。この課題は、請求項４および１０の特徴を備えた方法によって解決される。

構成部品および方法の発展形態は、従属請求項で開示される。

本発明により、連続強化繊維層を備えた成形プラスチック多層構成部品は、少なくとも２つの繊維強化プラスチックカバー層の間に埋め込まれた発泡材料製内部構造体から成るサンドイッチ構造を備え、埋め込まれた内部構造体の周囲に閉じられた縁を備えている。これは繊維強化プラスチックから成り、および内部構造体が間に埋め込まれている繊維層の少なくとも１つが、内部構造体の周囲より余る部分を備えている。内部構造体の上に突き出た繊維層セクションは、周りを巡る縁を形成するために使用される。

繊維強化プラスチックカバー層の繊維層のために、ここでは長繊維または連続長繊維が使用される。問題になるのは特にガラス繊維、炭素繊維および／またはアラミド繊維であり、これらはプラスチックマトリックス材と結合されている。繊維層は、その際ロービング、不織布、メリヤス地、マットまたは織物を含んでいてよい。プラスチックマトリックス材は、好ましくは熱硬化性プラスチックマトリックスを構成する硬化可能な樹脂から、または原位置で重合する熱可塑性のプラスチックマトリックス材から形成されている。長繊維または連続長繊維は特に繊維配置がロービング、不織布、メリヤス地、マット、織物またはそれに類似して使用されてよい。

内部構造体の発泡材料は、繊維の含有ありまたはなしの、熱可塑性のまたは熱硬化性のプラスチックコンポーネントから成る。

このような構成部品は、有利にはいわゆるワンストッププレスで製造され、その際この製造方法を実行するために必要であるのは１つのパンチと１つのダイスを有する１つのプレス成形金型だけである。そのために、まず第一の繊維層がプレス成形金型内に入れられ、その上にセパレーターが続き、セパレーター上に第二の繊維層が続き、その際１つまたは２つの繊維層が、セパレーターの周囲より余る部分を備え、この余る部分から後の構成部品縁部が形成され、これがセパレーターの縁を覆うように寸法決めされる。

層を挿入後、金型が閉じられ、プラスチックマトリックス材が繊維層内に射出され、繊維強化プラスチックカバー層が形成される。これが完全に硬化あるいは強化する前に、発泡性プラスチック材料が硬化した繊維強化プラスチックカバー層の間のキャビティに射出され、このプラスチック材料の発泡工程が開始され、その際膨張する発泡性プラスチック材料が硬化して強化される繊維強化プラスチックカバー層にプレス圧力をかけ、これによって材料結合が行われる。

発泡性プラスチック材料がその中で発泡を開始するキャビティは、セパレーターによって形成され、それによってバルーン形状またはポケット形状が備えられる。

そのような方法により、構成部品製造に高いコストメリットが得られる。なぜなら必要な金型は１つだけであり、構成部品は金型が閉じた状態で作られるからである。さらに金型コストを最小化することができる。なぜならパンチ交換が省略でき、短いサイクルタイムを実現できるからである。

加えて、作られた構成部品は改良された材料特性を備えている。なぜなら繊維強化プラスチックカバー層内の結合も、さらにその間にあるフォームコアも含んだサンドイッチの形成も、ただ１つの原型プロセスで提供されるからである。こうして著しいコスト削減が大ロットの連続強化繊維層を備えたプラスチック多層構成部品でも可能になり、非常に優れた機械的パラメータが得られ、このパラメータは軽量設計に関する基準を考慮して自動車製造に使用できる。

フォームコアを備えた従来のサンドイッチ製品は、従来技術ではこれまで２工程プロセスで製造されており、このフォームコアには前もって作られたサンドイッチコアがカバー層と組み合わせて含まれている。これまでこれはコストが高くプロセス時間も長かった。

発泡性材料の射出に必要な、硬化する繊維強化プラスチックカバー層の間の閉じたキャビティは、セパレーターによって準備され、このセパレーターは異なった方法で形成されてよい。一実施形態ではこれに関して、セパレーターが内部構造体に対応して形成され、キャビティを区切る。

ここではバルーン様のシート構造であってよく、これは発泡性プラスチック材料の射出と発泡工程によって、発泡材料が内部構造体を形成するまで展開される。

別法としてセパレーターは骨組みまたは容器としても形成されてよく、これは繊維層を互いに分離し、その中に発泡性プラスチック材料が射出され得る。バルーン解決法の場合、構成部品が膨張した結果発泡性プラスチック材料の射出と発泡を行うために、パンチがある程度弾性を備えていることが必要であり得る。

別法としてただ１つまたは２つの分離シート層が繊維層の間に備えられてよく、これらは閉じた金型へのマトリックス材射出中に２つが結合することを阻止し、およびプレス成形がまだ完全に硬化するまたは強化される前に繊維強化プラスチックカバー層との間隔を空けることができ、製造するべきプラスチック多層構成部品の所望の端部厚さが達成され、および分離シートによって第一と第二の繊維層の間に閉じられたキャビティが形成される。

発泡性材料は、一実施形態においてプラスチックマトリックス材によっても提供され得、これは繊維層への射出中に少なくとも部分的にキャビティを満たし、およびそこで推進剤、例えば圧縮ガスの供給によって発泡される。他の発泡性材料を使用する場合でも、発泡は圧縮ガスなどの推進剤によって引き起こされ得る。別法として、発泡性プラスチック材料を使用することができる。その発泡が例えばその場で生成されるか送り込まれる熱で、またはマイクロ波または超音波または光を接続することによる他のエネルギー流入により発泡させることができる。

一実施形態では、セパレーターはシート材から形成され、発泡工程でマトリックス材中に溶解する。最後に、成形プラスチック多層構成部品の製造方法では、発泡性材料を射出するためにキャビティを形成するセパレーターの位置に、発泡が完了した発泡材料から成る前もって作られた内部構造体が使用され、これがプレス成形金型内に配置されている第一の繊維層の上に設置されて第二の繊維層によって覆われる。その際２つの繊維層の少なくとも１つが、内部構造体の周囲より余る部分を備え、その結果繊維層の少なくとも１つが内部構造体の縁を覆う。次に金型が閉じられ、プラスチックマトリックス材が繊維層内に射出され、その際硬化する繊維強化プラスチックカバー層と発泡材料製内部構造体との間にプレス圧力がかけられ、その結果構成部品が改良された材料特性を備えて提供される。

このことで、複合繊維層が提示されたプロセスで内圧を加えられながら硬化され、そのことが造形に役立つことが明らかになる。加えて、つぶれた縁の発生がなくなる。泡層の上下にある繊維層を公知の方法で結合することにより、大抵つぶれた縁ができる。本発明による方法で提示されたように、このつぶれた縁ができないことにより、およびその代わりに衝撃を遮断する縁が形成されることにより、ワークピースがより柔軟に投入できる。

この利点および他の利点は、以下の明細書において添付の図を使用して詳しく説明される。

明細書中の図は記述を支援するものであり、対象物を理解しやすくするためのものである。ほぼ同じか類似している、対象物または対象物の部分は、同じ符号が付けられている。図は本発明の一実施形態の単なる模式図である。

繊維強化プラスチックから成る、周りを巡る縁の付いた成形プラスチック多層構成部品の模式的横断面図である。 １つの金型内にある構成部品のための第一の製造段階の模式的横断面図である。 １つの金型内にある構成部品のための第二の製造段階の模式的横断面図である。

本発明による構成部品１は、図１に例として、２つの繊維強化プラスチックカバー層２、２'と共に示されており、繊維強化プラスチックカバー層は発泡した内部構造体３をサンドイッチしており、閉じた縁層２"を備え、この縁層は内部構造体３の周りを取り囲んでいる。縁層は、カバー層２、２'と同じ複合繊維プラスチックから成る。

マトリックスプラスチックの射出、例えばＲＴＭ法（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｕｌｄｉｎｇ、レジントランスファー成形）によって繊維層の成形が行われ、同時に金型内で発泡内部構造体が作られることで、本発明による製造方法によって構成部品の機械的パラメータが向上する。連続強化カバー層２、２'およびフォームコア３から成るサンドイッチパッケージ一式は、有利にはワンストッププレスで製造され、その際閉じた金型内に強化された連続長繊維と熱硬化性マトリックスを組み合わせてカバー層が作り出される。

この硬化中または強化中に、製造プロセスの経過につれてこれら２つの層の間に熱硬化性のまたは熱可塑性の発泡性コンパウンドが射出され、これはその後のプロセスフロー中で発泡されるかまたは発泡する。

複合繊維カバー層として、長繊維または連続長繊維から成る繊維層が使用され、これは例えば繊維配置の形、ロービング、不織布、メリヤス地、マットまたは織物である。まずこのような繊維配置はプレス成形金型内に、あるいはダイス１１上に置かれ、第一の繊維層２を形成する。この上に、方法変形例に応じて、例えばやはり繊維性材料製のプレフォームまたはメッシュ生地であるセパレーター３'が置かれるか、または発泡内部構造体３を構成する完成したポリマーフォーム製インサートが置かれる。

セパレーター３'は、必ずしも内部構造体３の形状を複製しなくてよい。分離シートまたは複数の分離シートが使用されることも考えられ、これら分離シートはキャビティの形成をパンチ１０とダイス１１間の距離によって形成する。しかしセパレーター３'は、バルーン状のシートセパレーターであってもよく、発泡性材料の射出によって膨張する。

この製造プロセスではさらに続いて、セパレーター３'上または完成した内部構造体３上に第二の繊維層２'が載せられ、その際繊維層２、２'が乾燥繊維またはプレフォームであってよく、場合によっては繊維層２、２'はあらかじめ含浸されていてもよい。繊維層２、２'は、内部構造体の周囲、あるいはセパレーター３'の周囲より余る部分を持っており、この余る部分は完成した構成部品１に周りを巡る、漏れのない縁セグメント２"ができるように寸法決めされ、繊維層２、２'は形成される。

図２の矢印４が示すように、マトリックス材は繊維層２、２'中に射出される。マトリックス材は一般的なポリエステルまたはビニルエステル樹脂であってよく、樹脂注入プロセスの実施に適切な樹脂はＲＴＭ法により公知である。しかし、熱可塑性材料の前段階で、いわゆる原位置で重合させた熱可塑性樹脂を使用してもよい。発泡材料から内部構造体を形成するために前もって作られたインサートが使用される方法変形例では、ここで製造が終了し、樹脂に適切な圧力と温度がかけられて硬化され／強化され、および構成部品が取り出され得る。

セパレーター３'を使用する場合、発泡性材料の射出は、セパレーター３'によって２つの層２、２'の間に準備されたキャビティ内に行われる。例えばプラスチック溶融液を射出してよく、これは１つまたは複数の射出ノズルを使用して、構成部品造形に依存して実行され得る。その際、図３に示されたように、発泡性材料５は適切な供給法によって射出される。

発泡により、有利には、硬化する、または強化される繊維層２、２'上へのプレス圧力を、内側からもかけ、それによって構成部品１の材料特性または機械的パラメータが改良される。加えて、発泡内部構造体３と硬化するカバー層２、２'および縁セグメント２"も、互いに材料結合する。

セパレーターまたは分離シートは、その後にまだキャビティを準備できるよう、その溶解温度が成形を実行する溶解温度より上にある材料から選択することができ、しかしまた発泡工程中に溶ける材料であってもよい。

発泡性材料の発泡開始は、さまざまな方法で行うことができる。圧縮ガスまたは化学的手段のような推進剤を供給してよく、この推進材は、射出されたプラスチックコンポーネントを発泡させる。発泡はしかし、熱または他の形のエネルギーの供給、例えばマイクロ波および超音波の供給によって引き起こされてよい。熱の供給は、例えばセパレーター内に配設されたヒーターワイヤが行ってよい。

発泡内部構造体のための材料は、有利には、マトリックス材によって自身で形成され、マトリックス材は推進剤の供給によって発泡されるが、他の熱硬化性のまたは熱可塑性のポリマーコンポーネント、特にポリウレタンフォームを使用してよい。

キャビティを作るためにパンチおよびダイスの間に間隔を空けられる実施形態では、この間隔は同時に泡形成プロセスの開始によって空けられる。

有利には、マトリックス材は、泡形成プロセスが開始されたが、形成される、膨張する泡が繊維層を外側へ押すことのできるほど柔らかく、その結果まだ柔らかい材料に加えられる内圧によって造形が行われ、この造形は変形による損傷を引き起こさない。繊維層の寸法および金型内での配置により、周りを巡る縁セグメントは水密または気密にシールされ、および面一のジョイントが形成され、つぶれた縁は生じない。

さらに、サンドイッチ構造が別の層、例えばプラスチックフリースから成る１つまたは複数の層を備え、これらの層は層構造内で繊維マットとセパレーターとの間に組み込まれ得ることが企図される。

Claims (10)

1. 少なくとも２つの繊維強化プラスチックカバー層の間に埋め込まれた発泡材料製の内部構造体（３）を具備するサンドイッチ構造を備える、連続強化繊維層（２、２'）を備えた成形プラスチック多層構成部品（１）であって、
   前記構成部品（１）が前記埋め込まれた内部構造体（３）の周囲に前記繊維強化プラスチック製の閉じられた縁を備え、該縁が前記繊維層（２、２'）の少なくとも１つの、前記内部構造体（３）の周囲より余る部分（２"）によって形成されることを特徴とする構成部品。
2. 前記繊維強化プラスチックカバー層の繊維層（２、２'）が
   長繊維または連続長繊維から成り、該繊維層がガラス繊維、炭素繊維および／またはアラミド繊維を含み、特にロービング、不織布、メリヤス地、マット、織物を含む繊維配置の形であり、
   熱硬化性または原位置重合熱可塑性プラスチックマトリックス材（４）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の構成部品。
3. 前記内部構造体の前記発泡材料が、繊維部分ありまたはなしで熱可塑性のまたは熱硬化性のプラスチックコンポーネントを含んでいることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の構成部品。
4. 請求項１〜３の少なくとも１項に記載の成形プラスチック多層構成部品（１）の製造方法であって、以下の工程：
   ａ）パンチ（１０）およびダイス（１１）を含み、製造方法を実行するための一つのプレス成形金型を準備し、少なくとも１つの第一の繊維層（２）を挿入し、その上にセパレーター（３'）を載せ、前記セパレーター（３'）の上に第二の繊維層（２'）を載せ、その際前記繊維層（２、２'）の少なくとも１つが前記セパレーター（３'）の周囲より余る部分（２"）を備え、その結果前記セパレーター（３'）の縁が前記繊維層（２、２'）の少なくとも１つによって周囲を覆われている、
   ｂ）前記金型を閉じ、硬化可能なプラスチックマトリックス材（４）を前記繊維層（２、２'）に射出する、
   ｃ）発泡性プラスチック材料（５）を前記セパレーター（３'）によって準備された、前記硬化される繊維強化プラスチックカバー層（２、２'）の間の閉じたキャビティ内に射出し、前記プラスチック材料の発泡工程を開始する、
   を含む製造方法。
5. 前記セパレーター（３'）が前記内部構造体に対応して形成され、および前記キャビティを区切る、請求項４に記載の方法。
6. 前記発泡性材料が、熱硬化性プラスチックマトリックス材によって準備される、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記セパレーター（３'）が少なくとも１つの分離シート層によって準備され、その際前記方法が工程ｃ）の前に以下の工程：
   ｃ_０）前記パンチ（１０）と前記ダイス（１１）が、その間に準備された、前記製造すべきプラスチック多層構成部品の厚さの間隔と一致するよう互いに間隔を空けられ、その際前記閉じられたキャビティが前記第一のおよび前記第二の繊維層の間に前記分離シート層によって形成される、を含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記マトリックス材中の前記セパレーターが、前記発泡工程中に溶解する、請求項４〜８のうち少なくとも１項に記載の方法。
9. 工程ｃ）で、前記発泡工程の開始が以下：
   −推進剤、特に圧縮ガスの射出、または
   −前記キャビティ内にある前記利用可能な発泡性プラスチック材料への熱または光の供給、またはマイクロ波または超音波の接続
   を含む、請求項４〜９のうち少なくとも１項に記載の方法。
10. 請求項１〜３のうち少なくとも１項に記載の成形プラスチック多層構成部品の方法であって、以下の工程
    ａ_１）パンチ（１０）およびダイス（１１）を含み、製造方法を実行するための１つのプレス成形金型を準備し、少なくとも１つの第一の繊維層（２）を挿入し、その上に発泡させた発泡材料から成る前記内部構造体（３）を載せ、前記内部構造体（３）の上に第二の繊維層（２'）を載せ、その際前記繊維層（２、２'）の少なくとも１つが前記内部構造体（３）の周囲より余る部分（２"）を備え、その結果前記内部構造体（３）の縁が前記繊維層（２、２'）の少なくとも１つによって周囲を覆われている、
    ｂ_１）前記金型を閉じ、熱硬化性のプラスチックマトリックス材（４）を前記繊維層（２、２'）に射出する、
    を含む方法。
    

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