JP2020522430A - 鋼板にｃｆｒｐパッチを形成する方法 - Google Patents

鋼板にｃｆｒｐパッチを形成する方法 Download PDF

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Abstract

複合自動車部品の製造方法であって、以下のステップを含む方法。表面処理されたスチール部品（１）をオーステナイト温度まで加熱して、前記スチール部品にオーステナイトを形成する。スチール部品を所望の形状に形成し、スチール部品を５００℃未満の温度に冷却し、プリプレグ繊維強化ポリマーパッチ（２）を前記スチール部品の少なくとも一部に適用し、適用されたパッチ（２）繊維強化ポリマーを鋼部分（１）に接着させ、前記パッチの内側で前記パッチを少なくとも部分的に硬化させる。

Description

本発明は、繊維強化ポリマーをスチール部品に適用する方法に関する。具体的には、車両部品に形成される鋼板にＣＦＲＰパッチを適用する方法に関する。
車両産業では、高い延性を有する部品を提供することが重要であり、この部品は、衝突時などに高いひずみを受けたときに変形する。車両部品の重要な部分に繊維強化ポリマーを適用することによりスチール部品を強化することは、当該技術分野では普通に行われている。これは、製品の重量を最小限に抑えながら、製品を局所的に強化する好ましい方法である。
繊維強化ポリマーのパッチを鋼板に適用する技術分野における課題として、スチール部品間の良好な結合を達成し、作業の生産性を維持することがある。
特許文献１には、車両部品の製造方法が開示されており、２つの部品が接着によって互いに接合され、第２成分である典型的には繊維強化ポリマーが鋼板に接合されている。ここでは鋼板の熱間加工プロセスからの残留熱を使用して、部品間の接着接合を生成している。
スチール部品と繊維強化ポリマーパッチとの間の良好な接着を達成し、強化ポリマーパッチの正確な適合を達成するために、繊維強化ポリマーパッチをプリプレグ（prepreg）として適用し、それが鋼板と接着するように硬化することが望まれる。しかしこのような手順に伴う問題は、プリプレグ繊維強化ポリマーの硬化にかなりの時間がかかりプロセスが遅延することである。
したがって、プリプレグ繊維強化ポリマーパッチをスチール部品に接合するための生産的な方法が望まれている。
欧州特許第1 908 669 B1
本発明の目的は、特に自動車産業のためのスチール部品を製造する効果的な方法を提供することである。
この目的は、複合自動車部品を製造するプロセスによって達成され、以下のステップを含む。
-表面処理されたスチール部品をオーステナイト温度まで加熱して、前記スチール部品にオーステナイトを形成する、
-スチール部品を所望の形状に成形し、
-スチール部品を５００℃未満の温度に冷却し、
-プリプレグ繊維強化ポリマーを前記スチール部品の少なくとも一部に適用し、
-プリプレグ繊維強化ポリマーをスチール部品に接着するように押し付け、前記繊維強化ポリマー部品を少なくとも部分的に硬化させる。
本発明はまた、上記の方法により製造された、成形されたスチール部品と炭素繊維強化ポリマーの適用された部品からなる自動車部品に関する。
本発明の方法の利点は、鋼板を成形および冷却するためのツールを短時間使用し、鋼板をツールの外側で冷却するように設定できるため、生産効率を高めることができることである。
本発明のさらなる態様および利点は、以下の説明および独立請求項から明らかになるであろう。
以下に、本発明の特定の態様を添付の図面を参照して説明する。
本発明の特定の態様によるプロセスの概略図である。
図１には、本発明の特定の態様による複合自動車部品の製造プロセスの概略図が示されている。このプロセスは、３つのサブプロセスに分割することができ、第１のサブプロセスには、複合車両部品の製造用のスチール部品を準備するステップ１０１〜１０３が含まれ、第２のサブプロセスには、繊維強化ポリマー部品を準備するステップ２０１〜２０３が含まれ、第３のサブプロセスには、前記繊維強化ポリマー部品を前記スチール部品に接合し前記複合車両部品を形成するステップ３０１〜３０２が含まれる。
図１の左下部分を参照すると図１において、プロセスは、スチール部品１をオーステナイト温度、典型的には約９００℃に加熱するステップ１０１を含み、スチール部品を約６００〜８５０℃の温度まで冷却し、前記スチール部品を前記温度で所望の形状に熱成形することを可能にするステップ２を含む。スチール部品の成形は、成形ツールで行われる。次のステップ１０３で、熱間成形されたスチール部品は、５００℃未満の温度に冷却される。冷却は、好ましくは、スチール部品が形成された成形ツール内で行われる。
スチール部品１の準備と並行して、スチール部品１へのその後の接着のために繊維強化ポリマー部品２が準備される。第１のステップ２０１では、未硬化のプリプレグ状態の繊維強化ポリマー部品２を準備する。プリプレグは、エポキシなどの熱硬化性ポリマーマトリックス材料が含浸された含浸複合繊維として適用される。プリプレグの熱硬化性マトリックスは、最終形状が与えられた後に硬化する必要がある。
続くステップ２０２では、繊維強化ポリマー部品２が加熱され、さらに続くステップ２０３で、閉じ込められ内包された空気がある場合には繊維強化ポリマー部品２の層間から除去される。このステップも加熱中に実行される。繊維強化ポリマー部品２は、その後スチール部品１に取り付けられたときに約５０〜８０℃の温度を有することが好ましい。
繊維強化ポリマー部品２とスチール部品１の接合は、スチール部品が熱間成形される成形ツールとは異なるプレスツールで行われる。スチール部品は、移送ラインを介して成形ツールからプレスツールに転送される。したがって、スチール部品を成形ツールからプレスツールに移動するためのロボットは必要ない。
加熱されたスチール部品１および加熱された繊維強化ポリマー部品２は、複合部品３を形成するために典型的には成形ツール内で接合され、加熱されたスチール部品１および加熱された繊維強化ポリマー部品２が３０１に導入され、３０２で、加熱されたツール内の強化ポリマー部２を少なくとも部分的に硬化させるためにツールから熱が供給される。
前記ツールにおいて、適用された繊維強化ポリマーのパッチは、その加熱中にスチール部品に接着するように押され、それにより、前記繊維強化ポリマー部品２は、前記ツールの内部で少なくとも部分的に硬化される。好ましくは、スチール部分１とプリプレグ繊維強化ポリマー部分２は、繊維強化ポリマーの固有ポリマー以外の他の接着剤を使用せずに接合される。
好ましくは、スチール部品１を形成するステップと繊維強化ポリマー部品２を前記スチール部品に適用するステップとの間で、スチール部品に対して表面処理は行われない。これは、スチール部品がステンレススチール、コーティングされたスチール、または前処理されたスチール部品のいずれかであっても可能である。前処理は、繊維強化ポリマー部品２への表面結合を妨げる酸化鉄のない表面をスチール部品上に生成するために行われる。スチール部品の加熱、すなわちステップ１０１は、加熱中に酸化鉄が形成されないように、酸素を含まない不活性環境で囲まれた炉で行うことができる。しかし、スチール部品を炉から成形ツールに移動する際に、スチール部品を不活性環境に保つことは困難である。
これに対し多くの従来技術においては、形成された酸化鉄を除去するために、スチール部分への繊維強化ポリマー接着の前に、冷却されたスチールに表面処理を行うことで解決している。そのような表面処理としては、例えば、ショットピーニング、ブラストなどが含まれる。ただし、このような処理により、プロセスにさらに工程が追加されて処理全体が遅くなってしまう。
本発明の方法の態様によれば、スチール部品は、酸化物スケール抑制層で処理された鋼から製造される。これは、スチール部品の加熱および成形と、繊維部品への繊維強化ポリマー部品の接着との間に、スチール部品の表面処理を必要としないという利点がある。
一態様によれば、スチール部品は、Ａｌ−Ｓｉ層で覆われた鋼から製造される。選択肢として、スチール部品は、加熱する前に表面処理された鋼から製造され、その表面処理により表面の特性が変化し、繊維強化ポリマーのパッチが付着する構造の酸化物を形成しやすくする。この表面処理は、通常、酸化鉄（ウスタイト、磁鉄鉱、赤鉄鉱）で形成された厚さ１．５〜４μmのもので構成される。鋼の表面は化学的に前処理されているため、プレス硬化中に形成されたスケール（scale）が鋼に固定される。
さらなる代替案として、スチール部品はステンレス鋼で製造されてもよく、スチール部品の加熱前でも加熱後でも表面処理は不要である。ほとんどの用途では、スチール部品は炭素鋼でできていることが好ましい。
強化ポリマー２が少なくとも部分的に硬化する複合部３の加熱工程３０２の間、ツールは、鋼部上の繊維強化ポリマーのパッチに向かって、４０秒未満、好ましくは３０秒未満、押し付けられたままである。最も好ましくは、ツールは２０秒未満押されたままであることが好ましい。
従来技術では、繊維強化ポリマーを硬化させるために、ある圧力を維持し、約１２０秒間加熱することが一般的である。本発明の一態様として、硬化温度のわずかな増大により硬化が促進されることが試験されている。結果として、典型的なエポキシの場合、所定の１２０秒の代わりに約２０〜３０秒で硬化を行うことができ、それによりプロセスを実質的に促進することができる。
一態様において、プリプレグ繊維強化ポリマーパッチは、少なくとも１つの曲げられた部分を含むように変形されたスチール部品に取り付けられ、プリプレグ繊維強化ポリマーパッチは、少なくとも１つの曲がった部分のある内側部分を覆うように配置される。繊維強化ポリマーパッチの適用は局所的な強化を付与するが、これは曲げられた部分または成形された部分を有する領域で望まれていることである。
プリプレグ繊維強化ポリマーパッチは、エポキシが含浸された炭素繊維が好ましい。エポキシは好ましくは、スナップ硬化エポキシ（snap cure epoxy）として知られている急速硬化エポキシである。
プリプレグ繊維強化ポリマーが少なくとも部分的に硬化されるツールは、繊維強化ポリマーのパッチをスチール部品に押し付ける間に、好ましくは１５０℃を超える温度に加熱される。繊維強化ポリマーのパッチは、スチール部品が冷却される前にスチール部品に取り付けられ、少なくとも１５０℃の温度を維持される。これは、プロセス全体を加速するだけでなく、繊維強化ポリマーの硬化におけるスチール部品の残留熱を利用するという点においても有利なことである。スチール部品とツールの最も適切な温度は、使用するエポキシの種類によって異なる。
典型的に、スチール部品は、硬化プロセスの開始時に、ツールよりも高い温度を有する。これは、上記のとおり、プロセス全体を加速し、繊維強化ポリマーの硬化においてスチール部品の残留熱を利用するため有利である。したがってスチール部品は、繊維強化ポリマーの硬化中にわずかに冷却される。
繊維強化ポリマーのパッチの加熱中、層間に内包され閉じ込められた空気は逃げることができる。パッチはスチール部品に適用されるため、１００℃を超える温度になる場合がある。
スチール部品は、焼入れなしにマルテンサイト構造を形成するオーステナイト鋼で形成されていてもよく、プロセスは、焼入れなしで炭素繊維強化ポリマーのパッチを適用してスチール部品を冷却するステップを含む。したがって、鋼は、低い冷却速度でも硬化マルテンサイト組織の作成を可能にする合金である。冷却は空気での冷却で十分である。これはまた、スチール部品が空気で硬化され、冷却がそれほど重要なステップではないため、全体的なプロセスを促進する。典型的な鋼は空気中で硬化される超高強度鋼（UHSS）である。
本発明の方法の主な目的は、上記の方法により製造された、成形されたスチール部品と炭素繊維強化ポリマーの貼付パッチからなる自動車部品を製造することである。
上記により本発明をその特定の態様により説明した。本発明の特許請求の範囲によって開示された範囲内において適宜変更できることを、当業者は理解することができる。

Claims (16)

  1. 複合自動車部品を製造するための方法であって、
    -表面処理されたスチール部品（１）をオーステナイト温度まで加熱して、スチール部品にオーステナイトを形成する、
    -スチール部品（１）を所望の形状に成形し、
    -スチール部品（１）を５００℃未満の温度に冷却し、
    -スチール部品の少なくとも一部にプリプレグ繊維強化ポリマー部品（２）を適用し、
    -プリプレグ繊維強化ポリマー部品（２）を、スチール部品（１）に接着するように押し付け、前記繊維強化ポリマー部品（２）を少なくとも部分的に硬化させる、
    工程を含む上記方法。
  2. 前記スチール部品を所望の形状に成形する工程が成形ツール内で行われ、前記プリプレグ繊維強化ポリマー部品を前記スチール部品に適用する工程が成形ツールとは異なるプレスツールで実行される、請求項１に記載の方法。
  3. スチール部品が、移送ラインを介して成形ツールからプレスツールに移送される、請求項２に記載の方法。
  4. 前記スチール部品を形成するステップと前記プリプレグ繊維強化ポリマー部品（２）を少なくともスチール部品に適用するステップとの間で、前記スチール部品（１）に表面処理が行われない、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. スチール部品（１）とプリプレグ繊維強化ポリマー部分（２）が、繊維強化ポリマー部分（２）の固有ポリマー以外の接着剤を使用せずに接合される、請求項４に記載の方法。
  6. プレスツールが、スチール部品（１）上の繊維強化ポリマー部品（２）に対し４０秒未満、好ましくは３０秒未満プレスされたままである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記繊維強化ポリマー部品（２）が、成形中に変形された前記スチール部品（１）に取り付けられ、前記繊維強化ポリマー部品（２）は、その成形中に変形したスチール部品の少なくとも一部を覆うように配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記繊維強化ポリマー部品（２）が、エポキシが含浸された炭素繊維を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 繊維強化ポリマー部品（２）をスチール部品（１）にプレスする間、前記プレスツールが１２０℃を超える温度に加熱される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 繊維強化ポリマー部品（２）が、スチール部品（１）が冷却され、少なくとも１５０℃の温度を有する前に、スチール部品（１）に取り付けられる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記スチール部品（１）が、酸化物スケール抑制層で処理された鋼から製造される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記スチール部品（１）が、Ａｌ−Ｓｉ層で覆われた鋼から製造される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記スチール部品（１）が、繊維強化ポリマー部分（２）が付着し得る構造の酸化物を形成するように表面処理された鋼から製造され、形成された酸化物は厚さ１．５−４μmの酸化鉄を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記スチール部品（１）がステンレス鋼から製造される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  15. スチール部品（１）が、空気中での硬化によりマルテンサイト構造を形成するオーステナイト鋼で形成され、急冷なしで適用される繊維強化ポリマー部品（２）によりスチール部品を冷却するステップを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法により製造されることを特徴とする、成形スチール部品（１）および適用繊維強化ポリマー部品（２）からなる自動車部品。
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