JP2015520027A - 金属担体を含む半製品又は構成部品の製造方法及び繊維強化プラスチックを備える硬化性コーティング - Google Patents

Abstract

半製品又は構成部品（２）の製造方法が示され、この場合、金属担体（３）、詳細には金属板（４）の上に繊維強化プラスチックを備える硬化性コーティング（６、１７）を取り付け、コーティングされた金属担体（３）を別の工程で半製品又は構成部品（２）に成形する、詳細には深絞り加工又は曲げ加工する。低価格で改善された方法にするため、金属担体（３）が最大でも部分的にコーティングされ、硬化によってそのコーティング（６、１７）に少なくとも耐ブロッキング性の表面（１２）を発現してから、この金属担体が成形を受けることが提案され、コーティングされた金属担体（３）は、その成形半径（２１）に従う塑性的形状変化が主としてコーティングのない領域（１５）に発現する、好ましくはコーティングのない領域（１５）にのみ発現するように成形される。【選択図】 図１

Description

本発明は、半製品又は構成部品の製造方法に関し、この場合、金属担体、詳細には金属板の上に繊維強化プラスチックを備える硬化性コーティングを取り付け、コーティングされた金属担体を別の工程で半製品又は構成部品に成形する、詳細には深絞り加工又は曲げ加工する。

従来技術から、重なり合う複数の金属層を有するハイブリッド素材が知られ（特許文献１）、それぞれ全面が繊維強化されたＵＤプレプレグプライによってコーティングされており、この素材は異形材に成形された後に硬化される。しかし、この種の方式は、ハイブリッド素材が成形によって最終的な形状を得る前の、プレプレグ層の早期の硬化に対して比較的敏感なことが欠点である。このことは、とくに、繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）又は予備含浸炭素繊維（ＣＦＫプレプレグ）の損傷及び成形したハイブリッド素材の形状精度の低下によって明らかになる。すなわち、このやり方では再現可能な方式を確実に実現することはできない。さらに、非硬化プレプレグ層を使用する方式は、その実施に比較的経費がかかる。これに加え、この種のハイブリッド素材は、繊維強化プラスチックに対する資材要件も比較的高い。そのような方式では、安価な半製品又は構成部品を製造することは不可能である。

この他に、繊維強化半製品又は構成部品の製造には、最初に鋼板を成形し、次の工程で、硬化されたＦＶＫ部材を部分的に取り付けるか、又はコーティングすることが知られている。金属担体の成形とＦＶＫ部材の成形という工程を別々に分けて行い、続いてそれらをボルトなどで接続する方式（特許文献２）は比較的労力がかかり、またこの方式のオートメーション化に比較的高い経費がかかることから、半製品又は構成部品はさらに高額なものとなる。

独国特許第１９９５６３９４Ｂ４号明細書 独国特許第１０２００９００９１１２Ａ１号明細書

従って、本発明の課題は、冒頭に述べた従来技術から出発して、強化された半製品又は構成部品の製造方法を簡略化するばかりでなく、堅牢に形成することによって、本方法の再現可能性を高めることである。さらに、本方法は、オートメーション化されたプロセスの流れにも簡単に対応可能でなければならない。

本発明の課題は、金属担体が最大でも部分的にコーティングされ、硬化によってそのコーティングに少なくとも耐ブロッキング性の表面を発現してから金属担体が成形を受けることによって解決され、コーティングされた金属担体は、その成形半径に従う塑性的形状変化が主としてコーティングのない領域に発現する、好ましくはコーティングのない領域にのみ発現するように成形される。

硬化によって金属担体のコーティングに少なくとも耐ブロッキング性の表面が発現してから金属担体の成形を行う場合、本方法ではコーティングの硬化反応自体が許容されるため、ＦＶＫコーティングの避けられない硬化反応に対して本方法をより堅牢なものにすることができる。従来技術に比べ、本発明では、金属担体の保管時間もそれほど厳密に順守する必要がないため、加工時間の超過によるポリマーマトリックスの特性損失を受け入れる必要もない。これにより、詳細にはコーティング工程と成形工程とを時間的に互いに無関係に行えることから、プロセスの流れに余裕が生じ、そのことが金属担体の深絞り加工又は曲げ加工による金属担体の形状化に有利に作用することができる。つまり、コーティング表面の耐ブロッキング状態により、成形後もコーティングされた金属担体はツールからきれいに分離することが保証され、従って高い再現性と比較的容易な本方法のオートメーション化が可能となる。とりわけ本発明に基づく方法は、さらに、金属担体が少なくとも１つの担体側面に関して最大でも部分的にコーティングされ、それによって金属担体の塑性変形性がほぼ得られることを特徴とする。これに加えて、金属担体の成形半径に従う塑性的形状変化が主にコーティングのない領域に発現するように金属担体を成形する場合、成形度を比較的高くすることもできる。すなわち、これらのコーティングのない担体領域は、ＦＶＫ層からほとんど影響を受けないで塑性変形に従うことができる。このことは、塑性的形状変化がこれらのコーティングのない領域でのみ発現する場合は一層顕著である。従って、要求の多い輪郭、例えば自動車のドアシル又はサイドメンバなどの輪郭も、忠実に金属担体に取り入れることができる。さらに、耐ブロッキング性は有しているが完全に硬化していない、もしくは最大でも部分的にしか硬化していないＦＶＫ層でも、ある程度固有の塑性変形性を許容することができ、従って金属担体の成形にポジティブに貢献し、そのことにより狭い半径にも失敗なく追従可能である。同時に、コーティングされた担体部分は、とりわけ高い強度値を特徴とし、金属担体は成形中及び成形後も機械的に安定している。従って、本発明に基づき、高いレベルの塑性的形状変化能力と高い機械的強度値とを組み合わせることができ、同時に、繊維強化金属担体、好ましくは鋼板に対して比較的簡単な製造規格を設定することができる。

もちろん、金属担体は、鉄、アルミニウム又はマグネシウムの素材を有する金属板など、又は合金から成っていてもよい。繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）は、例えばガラス、玄武岩、炭素又は連続フィラメント、長繊維又は短繊維としてのアラミドといった無機ないし有機の強化繊維と組み合わせた熱可塑性ないし熱硬化性プラスチックマトリックスを有しているか、又はそれらから成ることが一般的に言われている。接着は、繊維強化プラスチックにマトリックスとして用いることのできる、化学的に架橋されている中間層を使用することによって改善できる。さらに、耐ブロッキング性とは、一般に、コーティングの表面がまったく粘着しないことを意味している。例えば成形ツールなどにより、圧力をかけてコーティングの表面に別の表面を押し当てる場合も、このことが当てはまる。言い換えれば、この硬化可能なコーティングは、成形前に少なくとも部分的に硬化しており、粘着することはない。

本発明に基づく方法は、詳細には熱硬化性マトリックスを備える繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）としての炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）が金属担体に取り付けられる場合、とくに有利であり得る。

予備含浸炭素繊維を取り付ける場合、低価格であってしかも高強度の半製品又は最終生産物を作ることができる。すなわち、このことにより、重量をあまり上昇させずに要求に沿った形で最適かつ高強度の半製品又は最終生産物を製造することが可能である。例えばガラス繊維、アラミド繊維など、その他の予備含浸繊維も考えることができるが、熱硬化性マトリックスを備える炭素繊維を、車両の構成部品、具体的にはドアシル又はサイドメンバの構成部品として金属板に取り付ける場合、製造コストが支持できる限り、達成可能な強度値に関してとくに有利であることが判明した。

化学的に架橋された中間層を備える繊維強化プラスチックが金属担体に取り付けられる場合、すでに部分的に硬化した繊維強化プラスチックは比較的一定した硬化状態になり得るため、本方法の再現性を向上させることができる。さらに、詳細にはこの中間層が繊維強化プラスチックにマトリックスとして用いられる場合、接着も改善することができる。

長繊維を有する繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）が金属担体に取り付けられる場合は、金属担体のコーティングを比較的急速に実施することができる。従って製造時間が短くなり、製造経費を削減できる。この種の長繊維コーティングは、押出し成形、引抜き成形、吹付け又はステンシルを用いて取り付けることが考えられる。

長繊維の代替として、繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）のファブリック又はノンクリンプ織物を形状に裁断して金属担体に取り付ける場合も、コーティングを素早く行うことができる。コーティングのない担体領域に沿って開口部を有するそのようなマトリックスを用いることにより、さらに、低価格の半製品又は最終生産物の連続的な製造方法が可能になる。

ファブリック又はノンクリンプ織物は、プラスチックマトリックスを予備含浸させて金属担体に取り付けるか、あるいは金属担体に取り付けた後にプラスチックマトリックスを含浸させることもできる。この場合、製造工程をオートメーション化するためには、とくに、プラスチックマトリックスを含浸させたファブリックを金属担体に取り付けるのが有利であると判明した。

このコーティングが、あらかじめ金属及び／又は有機物でコーティングした金属担体上に、必要に応じて接着剤による前処理を施して取り付けられる場合は、成形の際に金属担体とコーティングとの間の接着接合に不良が生じる危険を明らかに小さくすることができる。これによって、本方法及びそのパラメータの再現性が高められる。この種の前処理により、さらに、水、化学物質及び天候の影響に対する耐性も高まり、追加的に腐食に対する保護も改善される。

詳細には繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）の多方向層構造用に、複数のプライがファブリック又はノンクリンプ織物に重ね合わせられる場合は、半製品又は最終生産物の機械的強度を顕著に改善することができる。

耐ブロッキング性領域の拡張及び成形ツールへの付着回避のため、成形前に、コーティングに分離層を取り付けることもできる。例えば、そのような分離層にはパーチメント紙などのコート紙が優れている。

硬化可能なコーティングが無圧でプレゲル化され、次の工程でこのコーティングを金属担体に圧着して、金属担体に取り付ける場合は、繊維強化材からのプラスチック流出を減少させることができるため、このプラスチックが金属担体の曲げ領域に無制限に浸透するのを回避できる。すなわち、プレゲル化の過程における適切な高い粘性により、プラスチック流出を大幅に減少させられる。従って、金属担体の成形過程における繊維強化プラスチックの損傷を考慮する必要がない。さらに、このように無圧でプレゲル化するコーティングは接着特性の減少がなく、このことにより半製品又は構成部品は機械的な負荷にも耐えられるようになる。

とくに有利には、本発明に基づく方法が、耐荷重構成部品の製造に適用可能であり、詳細には自動車のドアシル又はサイドメンバにも有利であると思われる。

図の中で、本発明に基づく方法を例によって詳しく説明する。

繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）を金属担体上にのせることによるプロセスの流れ図である。 繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）を金属担体に塗布することによるプロセスの流れ図である。 図１及び２に従って示された構成部品の断面図である。

図１に示されている、構成部品２を製造するためのプロセスの流れ１に従って、第１の工程では、金属板５から成るコイル４から切り離された金属担体３の上に、繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）を備える硬化可能なコーティング６を取り付ける。金属担体３は、さらに必要に応じて、このコーティングする側面があらかじめ清浄されるか、又は化学的に前処理されるが、このことは詳しく図示されていない。コーティング６を取り付けるためにロボット７が設けられており、このロボットはロボット９からカット８を受け取る。ロボット９はこの目的のために、プラスチックマトリックスを予備含浸させたファブリック１０を、金属担体３のコーティングする領域面に対応するように裁断する。次に、コーティングされた金属担体３が乾燥装置又は硬化装置１１によって部分硬化されると、コーティング６は少なくとも１つの耐ブロッキング性の表面１２を発現する。これにより、金属担体３はスタック１３にも問題なくのせられるため、例えばこれを一時保管するか、あるいは輸送のために準備することができる。詳細にはしかし、これによって、次の工程で、コーティングした金属担体３を構成部品２に成形することができる。というのも、硬化によってコーティング６が少なくとも１つの耐ブロッキング性表面１２を発現するからである。コーティングされた金属担体３は深絞り加工ツール１４の中に運ばれ、成形される。図１から分かるように、金属担体３は最大でも部分的に、一方の金属担体の側面上にコーティングされているため、金属担体３の比較的高い塑性変形性も確保することができる。すなわち、成形の度合が大きくても失敗なく成形を実現することができる。このことは、例えば自動車のドアシル又はサイドメンバの場合に必要となる。

同じく図１から分かるように、金属担体３が深絞り加工によって塑性成形を受ける箇所はすべて、コーティングのない領域１５になっている。しかし、要求に従って、その他にもコーティングのない領域を金属担体３に設けてもよい。

図１に示されている方法１とは異なり、図２による方法は、別のやり方でコーティング１７を金属担体３に取り付けている。樹脂１８と硬化剤１９とが、規定の割合で繊維２０、好ましくは長繊維と混合され、金属担体３に塗布される。続いて、図１と同様に、コーティング１７の耐ブロッキング性の硬化が乾燥装置又は硬化装置１１を用いて行われる。コーティングされた金属担体３は、次に再度スタック１３の上にのせられるか、又はすぐに深絞り加工ツール１４を用いて深絞り加工を受けることも可能であるが、これについては詳しく図示されていない。

図３から、金属担体３がコーティングのない領域１５を有し、この領域が成形の際に金属担体３の塑性的形状変化を受けていることが分かり、この塑性的形状変化は成形半径１２、詳細には曲げ半径に従っている。これにより、コーティングされた金属担体３の比較的高い塑性成形性が保証されている。金属担体は、さらに金属及び／又は有機物による保護コーティング２２、例えば亜鉛層を有している。さらに、コーティング６と保護コーティング２２との間には接着剤２３が設けられている。コーティング６又は７の上には分離層２４が取り付けられている。有利には、本方法に基づく方法を、圧潰性能又は曲げ性能に関して、衝突性能における機械的特性を最適化するために用いることもできる。

表１には、コーティングしていないハット型形状部材とコーティングしたハット型形状部材の機械的特性が比較されている。

さまざまな負荷をかけるために、以下の試験構成が選択された：
準静的な軸方向の圧潰試験：表面の約５０％をＦＶＫで強化；
３点曲げ試験：表面の約１５％をＦＶＫで強化；

準静的な軸方向の圧潰試験は、変形速度３０ｍｍ／分、最大変形６０％で実施された。３点曲げ試験は、変形速度３０ｍｍ／分、最大移動範囲２５０ｍｍで実施された。

ハット型形状部材の部分的コーティングにもかかわらず、コーティングしていないハット型形状部材に比べて負荷容量を顕著に改善していることが確認され、しかも、達成可能な成形度が制限されてしまうのを受け入れる必要もない。

表２には、さまざまなＦＶＫコーティングを備える平坦な半製品の強度が従来の金属板と比較されている。ＦＶＫコーティングは、引張試験又は曲げ試験の前に少なくとも１つの耐ブロッキング性表面を有している。

ＦＶＫコーティングの硬化は、２０〜１３０℃の範囲で１２０〜５００分行われた。予備含浸したノンクリンプ織物の場合は９０〜１３０℃で９０〜１８０分が好ましく、後含浸したノンクリンプ織物ならびに長繊維を使用する場合は２０〜６０℃で最低４８０分が好ましい。

金属担体の厚さに対するコーティングの厚さの割合は、これらの例では１：２〜１：０．４の範囲が有利であると判明した。それぞれの金属担体材料の鋼板厚さ又は金属板厚さも変更することができる。本発明は、とくに０．６〜５ｍｍ、詳細には１〜２．５ｍｍの範囲にある金属担体厚さが有利であり得る。

全体として、強度を１０〜２０％上昇させることができた。驚くべきことに、このことは０．２〜３ｍｍ、詳細には０．４〜２ｍｍの範囲にある比較的薄いＦＶＫ層で得られた。これによって、例えばドアシル又はサイドメンバにおいては、１０％を上回る範囲での全重量削減を達成することができる。有利には、このことから結果的にボディ重量が減少し、それに伴って車両総重量も減少する。このことは同様に燃料消費量の低下にも反映する。

Claims (14)

1. 半製品又は構成部品（２）の製造方法であり、金属担体（３）、詳細には金属板（４）の上に繊維強化プラスチックを備える硬化性コーティング（６、１７）を取り付け、コーティングされた前記金属担体（３）を別の工程で半製品又は構成部品（２）に成形する、詳細には深絞り加工又は曲げ加工する方法であって、
   前記金属担体（３）が最大でも部分的にコーティングされ、硬化によってそのコーティング（６、７）に少なくとも耐ブロッキング性の表面（１２）を発現してから前記金属担体が前記成形を受け、コーティングされた前記金属担体（３）は、その成形半径（２１）に従う塑性的形状変化が主としてコーティングのない領域（１５）に発現する、好ましくはコーティングのない領域（１５）にのみ発現するように成形されることを特徴とする方法。
2. 詳細には熱硬化性マトリックスを備える繊維強化プラスチックとしての炭素繊維強化プラスチックが前記金属担体（３）に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 予備含浸炭素繊維が取り付けられることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 化学的に架橋された中間層を備える繊維強化プラスチックが前記金属担体（３）に取り付けられることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の方法。
5. 長繊維を有する繊維強化プラスチックが前記金属担体（３）に取り付けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記繊維強化プラスチックのファブリック又はノンクリンプ織物を形状（８）に裁断して前記金属担体（３）に取り付けることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ファブリック又はノンクリンプ織物は、プラスチックマトリックスを予備含浸させて前記金属担体（３）に取り付けるか、あるいは前記金属担体（３）に取り付けた後にプラスチックマトリックスを含浸させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記コーティング（６、１７）が、あらかじめ金属及び／又は有機物でコーティングした金属担体（３）上に、必要に応じて接着剤で前処理を施して取り付けられることを特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の方法。
9. 詳細には前記繊維強化プラスチックの多方向層構造用に、複数のプライがファブリック又はノンクリンプ織物に重ね合わせられることを特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法。
10. 前記成形の前に、前記コーティング（６、１７）に分離層を取り付けることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法。
11. 前記金属担体（３）、詳細には鋼板（４）が、０．６〜５ｍｍ、詳細には１〜２．５ｍｍの範囲にある金属板厚さを有することを特徴とする、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の方法。
12. 前記コーティング（６、１７）が、０．２〜３ｍｍ、詳細には０．４〜２ｍｍの範囲にある厚さを有することを特徴とする、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の方法。
13. 硬化可能な前記コーティング（６、１７）が無圧でプレゲル化され、次の工程でこのコーティングを前記金属担体（３）に圧着して、前記金属担体（３）に取り付けることを特徴とする、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の方法。
14. 耐荷重構成部品、詳細には自動車のドアシル又はサイドメンバを製造するための、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法の適用。

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