JP2019123014A - 特に自動車の車体または該自動車の車体のサブアセンブリの構築において、金属材料の構成要素に対し、金属材料の補強物を適用する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料の２つの構成要素間に電気抵抗溶接スポットを実行し、さらに付加製造法技術により金属材料のクラッディングを適用することにより構成要素間に構造接合部を得る方法を提供する。【解決手段】粗いベースクラッディングを適用する第１の段階の後、緻密なクラッディングを適用する第２の段階が付加製造法技術により実行される。緻密なクラッディングは、ベースクラッディングの上方に、補強マイクロリブ（１２）の分布を含む。同一の方法は、溶接接合部ではなく、単一のシートメタル構成要素に適用されてよい。【選択図】図３

Description

本発明は、特に自動車の車体または該自動車の車体のサブアセンブリの構築において、金属材料の１または複数の構成要素に対し、金属材料の補強物を適用する方法に関する。

「付加製造法（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）」技術により、金属材料の１または複数の構成要素の上方に、金属材料の補強物を適用することが既に提案されている。この技術は、しばらく前から知られ、用いられてきた。当該技術は、レーザービーム等のエネルギー源を利用し、金属粉末の複数の層を溶融し、所望の構成を持つ金属部品を層ごとに形成する。例えば、文献ＷＯ ２０１５ １８１７７２Ａ１に、「付加製造法」技術を用いる、金属構成要素を製造するための機械について記載および図示されている。
［本発明の目的］

本発明の主な目的は、特に自動車の車体または当該自動車の車体のサブアセンブリの製造において、「付加製造法」技術を用い、１または複数の金属構成要素に対し、金属の補強物を適用するための新しい方法を明らかにすることにある。

特に、本発明の１つの目的は、金属構造物、特に自動車の構造物および該自動車の構造物のサブアセンブリを製造する新しい方法を明らかにすることにあり、当該方法は、得られる構造物の軽量性の観点および強度の観点の両方における大きな改善を可能にする。

本発明の別の目的は、自動車の現行の製造ラインに容易に適用可能であり、結果的にその実施のために高コストを伴わない方法を用いて、上述の目的を達成することにある。

本発明の別の目的は、特に自動車の「ホワイトボディ（ｂｏｄｙ-ｉｎ-ｗｈｉｔｅ）（ＢＩＷ）」の製造を最適化し、限定数の電気抵抗溶接スポットを適用して、ホワイトボディがフレーム化されることを可能にする、ことである。

本発明のさらなる別の目的は、成形された金属シート構成要素、特に自動車の構成要素を製造するための代替的な製造技術を提供することにある。

本説明および続く特許請求の範囲において、用語「付加製造法」は、レーザーまたはプラズマビーム等のエネルギー源を用い、様々なサイズの金属粉末または金属ワイヤの層を選択的に溶融して、構成要素の上方に、金属「クラッディング」を１層ずつ重ねて形成する方法を意味するように用いられる。本発明のクラッディングは、マルチレベルであってもよく、粗いベースクラッディング（ｃｏａｒｓｅ ｂａｓｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ）（ミリメートルのオーダーの厚み）並びに緻密なクラッディング（ｆｉｎｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ）（１００ミクロンのオーダーの厚み）および／または非常に緻密なクラッディング（ｓｕｐｅｒ−ｆｉｎｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ）（１０分の１ミクロンまたはそれ未満さえのオーダーの厚み）の両方を含んでよい。

第１の態様によると、本発明は、特に自動車の車体または自動車の車体のサブアセンブリの組み立てにおいて、金属材料の２つの構成要素間に構造接合部を提供するための方法に関する。当該方法は、上記２つの構成要素間に電気抵抗溶接スポットを実行する段階を備え、当該方法は、付加製造法技術により、上記電気抵抗溶接スポットの上方に金属材料の「クラッディング」を適用する追加の段階を備えることをさらに特徴とする。

この第１の態様によると、本発明は、付加製造法技術による上記クラッディング適用段階が、粗いベースクラッディングを適用する第１の段階と、ベースクラッディングの上方に、補強マイクロリブの分布を含む、緻密なクラッディングを適用する第２の段階とを含むことをさらに特徴とすることが好ましい。

さらに好ましくは、これらのマイクロリブは、不規則なハニカムパターンにより、比較的薄い壁で形成され、当該壁は、壁の高さ方向の一様なまたはばらつきのある形状および寸法の断面を有してよい。

本出願人による研究および実験によると、上記方法を、亜鉛めっきされたスティールシートメタルで構成される自動車の車体の構成要素に適用すると、付加製造方法中に生じる熱に起因し、亜鉛の外層の局所的破壊が生じ得ることが判明した。この欠点を克服するために、本発明の好ましい実施形態によると、当該方法は、付加製造法によるクラッディングを適用する段階は、付加製造法技術をまた用いて、亜鉛オーバーレイを局所的に適用する追加の段階を含むことをさらに特徴とする。

付加製造方法中に用いられる熱の適用に由来する考え得る別の欠点は、例えば、前のクエンチング処理から得られる微結晶構造の変質に起因する、構成要素を形成する金属シートの強度特性の低下を含み得る。この考え得る欠点を克服すべく、本発明による方法は、当該方法が、クラッディング適用の段階の直後に、クラッディング上に低温流体を供給することで得られる局所的クエンチングの段階も含むことを特徴とすることが好ましい。

すべての上述の特徴により、本発明による方法は、構造の軽量性を損なうことなく、高強度特性を有する構造接合部が金属材料の構成要素間に得られることを可能にする。用語「構造接合部」は、正確には、接合部の２つの構成要素が互いに強固に接続された状態を保持するタスクを遂行するのみでなく、それ自体で、組み立てられた構造物の一部を構成し得る接合部を指す。組み立てられた構造物の一部にも、「構造」機能が割り当てられ、すなわち、それは構造物が使用中に受けるすべての応力に耐える構造物全体の能力に大きく貢献し得る。

この大きな利点により、上記方法は、従来の方法で通常用いられるものと比較して、より少ない数の電気抵抗溶接スポットを適用することで、特に自動車のホワイトボディのフレーミングを可能とするようにできる。

本発明はまた、マルチレベルクラッディングを配置することで得られる補強によって、より薄いシートを用いることも可能にする。より薄いシートを用いることで、重量の低減および処理コストの削減をもたらす。というのは、シートメタルの形成は、より短いサイクルタイム、およびより少ない処理エネルギーで実現できるからである。

本発明の別の態様によると、本発明は、自動車の構造物または自動車の構造物のサブアセンブリを製造するためのプラントに関する。上記構造物は、上で定義した方法を用いて、構成要素間に１または複数の接合部を設けることにより組み立てられる。当該プラントは、組み立てられるべき構造物をフレーミングステーションまで前進させるための運搬デバイスを備え、フレーミングステーションは、複数の電気抵抗溶接スポットを実行するロボット、および、電気抵抗溶接スポットの上方に付加製造法によるベースクラッディングを適用する上記段階を実行する１または複数のロボットを含み、上記プラントはまた、上記フレーミングステーションの下流側に、少なくとも１つの完成ステーションも含み、完成ステーションは、フレーミングステーションで適用されたベースクラッディングの上方に、緻密なクラッディングを適用する上記追加の段階の実行のためのロボットを含む、ことを特徴とする。さらに、この段階において、局所的補強物（マルチレベルクラッディング）が、平らなまたは非球面の表面（未定義のプロファイルを持つ曲面）上に、および、連結領域から遠く離れた構成要素上にも、生成されてよい。このようにして、より低いエネルギーコストおよびより短いサイクルタイムで、厚みが従来の解決手段と比較し５０％も低減された、より薄いシートを使用および形成することが可能である。この場合、マルチレベルクラッディングはまた、シートそれ自体の薄化からもたらされる変形を相殺するように設計される必要がある。

別の態様によると、本発明はまた、特に、自動車の車体または自動車の車体のサブアセンブリの構築において、金属材料の補強物を金属材料の構成要素に適用するための方法に関する。この態様によると、本発明の方法は、付加製造法技術により、金属構成要素の上方に、金属材料の補強物を適用する段階を含み、当該方法は、付加製造法技術により補強物を適用する上記段階が、粗いベースクラッディングを適用する第１の段階、および、既に上記したタイプの補強マイクロリブの分布を含む、緻密なクラッディングを適用する第２の段階を含む、ことをさらに特徴とする。

この場合であっても、本発明による方法は、亜鉛オーバーレイの局所的適用のための追加の段階、および／または、クラッディング適用段階の直後に、上記クラッディングの上方に低温流体を適用することによる追加の局所的クエンチングの段階も提供することが好ましい。

本方法の別の実施形態によると、上記構成要素に型での形成段階を受けさせる前に、上記補強物が付加製造法技術を用い、上記構成要素に適用される。

本発明による方法に係るすべての上述の特徴が、現在用いられている技術と比較し、自動車の構造物の製造における一連の大きな改善に対する道を開く。

本発明のさらなる特徴および利点が、専ら非限定的な例示として提供される添付図面を参照する、以降の詳細な説明から明らかとなろう。
本発明による方法の一実施形態に係る第１の段階後の、２つの金属シート要素の溶接接合部の概略断面図である。 本発明による方法の第２の段階後の、図１と同じ溶接接合部の概略断面図である。 付加製造法技術を用いる、本発明による方法で作成された上部構造の部分的斜視図である。 図３の変形例を示す。 図４の構造の一部を形成する単一のセルの断面図を示す。 貝殻の斜視図である。 本発明による方法で利用可能なツールの斜視図である。 本発明による方法で利用可能なツールの斜視図である。 本発明による方法を利用する、自動車の製造ラインのレイアウトの概略平面図である。 本発明による方法を用い、金属シート構成要素の上方に適用された補強物の概略断面図である。 本発明による方法を用いて得られる補強物が設けられた金属シート構成要素を形成する方法の段階を示す。 本発明による方法を用いて得られる補強物が設けられた金属シート構成要素を形成する方法の段階を示す。 本発明による方法の別の実施形態の例を示す。 本発明による方法の別の実施形態の例を示す。 本発明による方法の別の実施形態の例を示す。 本発明による方法の別の実施形態の例を示す。

図１中、参照番号１は、本発明の第１の実施形態に係る方法の第１の段階の後の、２つのスティールシート構成要素の構造接合部を全体として示す。２つのスティールシート構成要素２、３は、従来の電気抵抗溶接ヘッド（不図示）を用いて得られた電気抵抗溶接スポットＷによって互いに強固に接続されたフランジ２Ａ、３Ａをそれぞれ有する。電気抵抗溶接ヘッドには２つの電極が含まれ、当該電極が２つのフランジ２Ａ、３Ａに対し反対側から押されると、圧力がかかると同時にこれらのフランジを通る電流の流れが生じ、それらの接触ゾーンに金属の局所的融合を生じさせる。

本発明の第１の態様によると、２つのフランジ２Ａ、３Ａの溶接接合部の上方に、付加製造法技術により、粗いベース４のクラッディングが適用される。

添付図面のうち図７は、例示として、付加製造法のためのデバイス５を示し、デバイス５は、エラストマ材料から成る可撓管７の端部に配置されたヘッド６を備え、可撓管の内側には、金属粉末を加えるためのダクト８、レーザービームを送信するための光ガイド９、亜鉛粉末を供給するためのダクト１０が配置されている。

デバイス５は、それ自体は公知の技術により、ダクト８を通して金属粉末を供給し、金属粉末は、光ガイド９によって送信されるレーザービームによって、シートメタル構成要素２、３の上方で即座に溶融され、層ごとに、要求される構成を有する粗いクラッディングベース４を形成する。

別の実施形態において、粉末は、ワイヤに置き換えられてよい。この場合、複数の仕上げレベル（１からｎレベル）におけるクラッディングの考え得る製造として、様々な直径（１ミリメートルから１０ミクロン）および異なる化学組成を持つ金属ワイヤ（またはマルチマテリアルバージョンにおいては高分子材料）から成る１または複数のコイルが設けられる。

本発明の方法のこの実施形態によると、ベースクラッディング４が適用されると、デバイス５は、ベースクラッディング４の上方に、補強マイクロリブの分布を含む、緻密なクラッディング１１のさらなるオーバーレイを適用するために用いられる。

図３は、複数のセル１３を含む概して不規則なハニカムパターンを画定する、複数のマイクロリブ１２を有する緻密なクラッディング構造の第１の例を示す。図３の例においては、マイクロリブ１２が、一様な形状および寸法から成る高さ方向の断面を有するという意味において、当該パターンは二次元の構成を有している。

図４は図３の変形例を示し、そこでは、壁１２は、ばらつきのある形状および寸法から成る高さ方向の断面を有し、図５は当該例による拡大図を示す。

本出願人は、緻密なオーバーレイ１１のデザインに対し、図６に示すタイプの自然界に存在する殻構造からインスピレーションを受けた。当該殻構造は、構造上の強度および軽量性の理想的な組み合わせで特徴付けられる。

上記の特性により、少なくとも粗いベースクラッディング４を備えて、および、好ましくは緻密なクラッディング１１も備えて完成された溶接接合部Ｗは、アセンブリ全体の構造上の強度に大きな貢献をもたらす部分を構成し得る「構造」連結部となる。

本出願人によって認識されている上記方法の考え得る不利益な点とは、付加製造段階中に金属シート構造に加えられる熱が、シートメタル構成要素２、３に設けられてよい亜鉛の外層を局所的に破壊する可能性があること、および、さらに当該熱が、上記構成要素が既に受けたクエンチング方法により得られたシート２、３の構造上の強度の有利な点を台無しにする可能性があること、である。これらの欠点を克服すべく、デバイス５は、亜鉛粉末を付加するための上記のダクト１０を含んでよく、層４および／または層１１で被覆された接合部の上方の亜鉛コーティングを復元すべく、亜鉛粉末も付加製造法技術で上記構成要素の上方に適用される。さらに、例えば、マニピュレータロボット１４（図８中、部分的にのみ見える）の手首に搭載された図８に示すタイプのデバイス５を提供することも可能であり、および、当該デバイスには、図７を参照して説明したヘッド６に加え、ノズル１５も設けられる。当該ノズルは、付加製造段階における熱の発生の後、構成要素の急激な冷却を生じさせるべく、構成要素２、３上に低温流体（例えば、窒素またはアルゴン）を加えるためのものであり、その結果、当該金属構成要素の局所的クエンチングが得られる。

本発明による方法は、自動車の構造物の製造、特に、従来の方法と比較して、より少ない数の電気抵抗溶接スポットを持つ自動車の「ホワイトボディ」のフレーミングを可能にする。

例えば、図９を参照すると、自動車製造プラントはライン１６を提供してよく、当該ライン１６上を組み立てられるべき構造物が前進し、例えば、自動搬送タイプの車両１８上で搬送される。ライン１６沿いで、車両１８は、フレーミングステーションＦに遭遇する。フレーミングステーションＦは、溶接されるべき構造物を構成する部分を正確な組み立て位置に固定するための任意の既知のタイプの固定デバイス（不図示）、および、車両１８で運搬される構造物に対し複数の電気抵抗溶接を実行するための電気抵抗溶接ヘッドが備わった１または複数の溶接ロボット１９を備える。また、フレーミングステーションＦは、上記した手法による付加製造法技術により、溶接接合部上に、粗いクラッディングの層を適用すべく、図７を参照して上記したタイプのデバイス５を持つ複数のロボット２０を備えてもよい。

フレーミングステーションＦを出た後、溶接された構造物は完成ステーションＳへ移送され、完成ステーションＳでは、追加のロボット２１が、ここでも再び付加製造法技術により、緻密なクラッディングの追加の層の適用を実行する。これらのロボットは、シートメタル構造物の抵抗特性を復元すべく、上記の方法により、溶接接合部の上方の亜鉛の外層の復元段階を実行し、且つ、局所的クエンチングを実行してもよい。

図１０は、粗いベースクラッディングの層２３および緻密なクラッディングのオーバーラップ２４が適用されたスティールシート構成要素２２の断面図を示す。粗いベースクラッディングの層２３および緻密なクラッディングのオーバーラップ２４は両方とも、図１、２の溶接接合部を参照して上記した付加製造法技術と同様の付加製造法技術で適用されている。

金属シート構成要素２２が成形された構成要素である場合、クラッディング２３、２４の層は、シートメタル要素を形成した後、適用されることが想定されてよい。しかしながら、本発明の特に興味深い実施形態においては、ベース層２３およびオーバーラップ２４により構成される補強要素を適用した後、型でのシートメタル構成要素の形成が実行される。オーバーラップ２４は、図３または図４を参照して上記したタイプの構成を有することが好ましい。

図１１および１２に、この実施形態の変形例を示す。これらの図は、上型２５および下型２６を有する型でのシートメタル構成要素２２の形成を示す。図１１および１２に示す事例においては、型での形成の前に、補強要素２３が付加製造法技術により、シートメタル２２の上方に適用される。補強部２３の適用の後、２つの型部分２５、２６を閉じると、補強部２３がシート２２の厚みの中へ組み込まれ、このようにして得られる構造が型で形成される。

図１３−図１６は、マルチレベルおよびマルチマテリアルクラッディングを生成する、本発明による方法のさらなる実施形態に係る後続の段階を示す。

図１３は、構成要素２２の上に、第１の粗い金属クラッディングを適用し、互いに離間する補強金属部分２３を画定する、第１の段階を示す。図１４は、補強金属部分２３間に、例えば、プラスチック、軽合金およびセラミック材料から選択される、より軽い材料から成る支持層２７を適用する第２の段階を示す。図１５は、別のレベルの緻密なクラッディング２８を適用する後続の段階を示し、図１６は、支持層２８の上方に層２９を作成する、非常に緻密な最終クラッディングの適用を示す。

上記内容から明らかように、本発明による方法は、その好ましい実施形態において、マルチレベルクラッディングを提供し、マルチレベルクラッディングでは、各レベルは、付加製造法により、一連の層で作成される。レベルは、すべて金属材料で構成されてよく、または、異なる材料で作成されてよく、および、合成材料若しくはセラミック材料のレベルを含んでもよい。好ましくは、また、各種レベルは、ベースレベルから開始して、漸進的により緻密になる上のレベルに向かって、漸進的に小さくなる高さ寸法を有する。すなわち、ベースレベルは、ミリメートルのオーダー（すなわち、０．１ｍｍから１０ｍｍの間）の高さを持つ粗いクラッディングであってよく、当該上のレベルは、ミクロン範囲（１ミクロンから２００ミクロンの間）、および、それ以降は１０分の１ミクロン（０．１ミクロンから１ミクロンの間）またはさらにそれ未満のオーダーの厚みを有してよい。

上記の説明から明らかなように、本発明による方法は、自動車の製造プロセスにおいて、とりわけ、得られる構造物の強度および軽量性の理想的な組み合わせの観点から、一連の改善に向かう道を開く。さらに、説明した内容から明らかなように、本発明による方法は、高コストを伴わずに、現在使用中の製造プラントに容易に適用可能且つ適合可能である。

もちろん、本発明の原理を損なうことなく、構成の実施形態および詳細は、専ら例示として説明および図示したものに対し、本発明の範囲から逸脱することなく、広く変形されてよい。

Claims (15)

1. 特に自動車の車体または前記自動車の車体のサブアセンブリの組み立てにおいて、金属材料の２つの構成要素間に、構造接合部を作成するための方法であって、
   前記方法は、前記２つの構成要素間に電気抵抗溶接スポットを実行する段階を備え、
   前記方法はまた、前記電気抵抗溶接スポットの上方に、付加製造法技術により、金属材料のクラッディングを適用する段階を備える、方法。
2. 付加製造法技術により、前記クラッディングを適用する段階が、粗いベースクラッディングを適用するための第１の段階、および、前記ベースクラッディングの上方に、補強マイクロリブの分布を含む緻密なクラッディングを適用するための第２の段階を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記補強マイクロリブは、複数のセルを持つ不規則なハニカムパターンを画定し、前記複数のセルの壁は、前記補強マイクロリブの高さ方向の一様なまたはばらつきのある形状およびサイズから成る断面を有する、請求項２に記載の方法。
4. 亜鉛オーバーレイの局所的適用のためのさらなる最終的な段階を備える、請求項２に記載の方法。
5. 前記クラッディングを適用する段階の直後に、前記クラッディングの層の上方に、低温流体を供給することにより得られる局所的クエンチング段階も備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記２つの構成要素により形成される構造物に型での形成段階を受けさせる前に、前記構造接合部が２つの金属シート構成要素間に作成される、請求項１に記載の方法。
7. 自動車の構造物または自動車の構造物のサブアセンブリを製造するためのプラントであって、
   前記構造物は、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法により、構成要素間に１または複数の接合部を設けることにより組み立てられ、
   前記プラントは、組み立てられるべき前記構造物をフレーミングステーションまで前進させるための運搬デバイスを備え、前記フレーミングステーションは、複数の電気抵抗溶接スポットを実行するロボット、および、前記複数の電気抵抗溶接スポットの上方に付加製造法技術によりベースクラッディングを適用する前記段階を実行する１または複数のロボットを含み、
   前記プラントはさらに、前記フレーミングステーションの下流側に、少なくとも１つの完成ステーションを備え、前記完成ステーションは、前記フレーミングステーションで適用された前記ベースクラッディングの上方に、緻密なクラッディングを適用する追加の前記段階の実行のためのロボットを含む、プラント。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法により共に接合された少なくとも２つの構成要素を備える、構造物。
9. 特に自動車の車体または前記自動車の車体のサブアセンブリの構築において、金属材料の補強物を金属材料の構成要素に適用するための方法であって、
   前記方法は、付加製造法技術を用いて、前記構成要素の上方に、金属材料の補強物を適用する段階を備え、
   付加製造法技術により補強物を適用する前記段階は、粗いベースクラッディングを適用するための第１の段階、および、補強マイクロリブの分布を含む、緻密なクラッディングを適用するための第２の段階を含む、方法。
10. 付加製造法技術によりクラッディングを適用する前記段階は、亜鉛オーバーレイの局所的適用の最終的な段階を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記クラッディングを適用する段階の直後に、前記クラッディングの上方に、低温流体を供給することにより得られる局所的クエンチング段階を備える、請求項９に記載の方法。
12. 前記構成要素に型での形成段階を受けさせる前に、前記補強物が前記構成要素上に適用される、請求項９に記載の方法。
13. 前記構成要素の上方に、第１の粗い金属クラッディングを適用し、互いに離間された補強金属部分を画定する段階と、
    前記補強金属部分間に支持層を適用する第２の段階であって、前記支持層は、例えば、プラスチック、軽合金およびセラミック材料から選択される、より軽い材料で構成される、第２の段階と、
    前記補強金属部分と前記支持層との上方に、緻密なまたは非常に緻密なクラッディングの１または複数の追加のレベルを適用する１または複数の後続の段階と、を備える、請求項９に記載の方法。
14. 前記粗いベースクラッディングはミリメートルのオーダーの高さを有し、前記緻密なクラッディングはミクロンのオーダーの高さを有し、
    前記緻密なクラッディングの上方に１０分の１ミクロンのオーダーの厚みを持つ少なくとも１つの追加の非常に緻密なクラッディングが適用され、各クラッディングは、付加製造法技術により適用された１または複数の層により形成される、請求項９に記載の方法。
15. 請求項９から１３のいずれか一項に記載の方法により得られた、自動車の構成要素。