JP2022147372A - 塗装方法および自動車の車体 - Google Patents

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Abstract

【課題】プライマーを用いることなく、金属部材と樹脂部材を組み合わせたワークの塗装を可能とする。【解決手段】塗装方法は、金属部材Mと、電子線照射によって表面が活性化された樹脂部材Pとが互いに接続されたワークWを取得するワーク取得工程と、前記ワークの前記金属部材および前記樹脂部材に塗料を塗布する塗布工程と、を有する。【選択図】図5

Description

本発明は、塗装方法および自動車の車体に関する。
金属部材と樹脂部材を組み合わせたワークを塗装することがある。例えば、自動車では、車体自体は金属材料から構成されるが、車体に取り付けられるバンパーは樹脂材料から構成されることが多い。
ここで、樹脂材料には、ポリプロピレンやナイロン等、塗料との親和性が低いもの(以下、「低親和性材料」という)がある。低親和性材料に塗布された塗料は、剥がれ易い(密着性が良好ではない)ため、塗料の塗布の前に、低親和性材料に、塗料との親和性の高い下地材料(プライマー)を塗布することが多い。この場合、樹脂部材の塗装において、プライマーの塗布が必要となる。このため、金属部材と樹脂部材とを同一の工程で塗装することが困難となる。
特許文献1は、防汚層を形成する前に、基材をコロナ放電等で処理することによって、基材に対する防汚層の密着性を向上させる技術を開示する。しかし、特許文献1の技術は、金属部材と樹脂部材を組み合わせたワークに適用するためのものではなく、また低親和性材料に適用するためのものでもない。
特許第4964021号公報
本発明は、プライマーを用いることなく、金属部材と樹脂部材を組み合わせたワークの塗装を可能とする塗装方法および自動車の車体を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る塗装方法は、金属部材と、電子線照射によって表面が活性化された樹脂部材とが互いに接続されたワークを取得するワーク取得工程と、前記ワークの前記金属部材および前記樹脂部材に塗料を塗布する塗布工程と、を有する。
本発明の一態様に係る自動車の車体は、金属ボディと、前記金属ボディに取り付けられ、且つ、樹脂部材から構成されるバンパーと、前記金属ボディおよび前記バンパーを被覆する塗膜と、を有し、前記バンパーは、前記樹脂部材の表面が活性化された表面活性化層を有し、前記塗膜は、前記表面活性化層上に直接付着している。
本発明によれば、プライマーを用いることなく、金属部材と樹脂部材を組み合わせたワークの塗装を可能とする塗装方法および自動車の車体を提供することができる。
実施形態に係る塗装システムを表す図である。 図2Aおよび図2Bは、一例に係る電子線照射設備の詳細を表す図である。 図3Aおよび図3Bは、他の例に係る電子線照射設備の詳細を表す図である。 さらに他の例に係る電子線照射設備の詳細を表す図である。 実施形態に係る塗装方法を表すフロー図である。 変形例2に係る塗装方法を表すフロー図である。
以下、本発明の実施形態に係る塗装方法および自動車の車体を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る塗装システム10を表す図である。塗装システム10は、ワークWに塗装を行うシステムであり、電子線照射設備12、保管設備14、組み付け設備16、塗布設備18、および加熱設備20を有する。
先に塗装システム10での処理の大まかな流れを説明する。すなわち、樹脂部材Pが電子線照射設備12、および保管設備14に順に移送されて、処理等される。樹脂部材Pは、組み付け設備16に移送され、金属部材Mに組み付けられて、ワークWとなり、塗布設備18、および加熱設備20に移送されて、順に処理される。
ワークWは、金属部材M(例えば、自動車の金属ボディ)と樹脂部材P(例えば、自動車のバンパー)とが互いに接続された、例えば、自動車の車体である。バンパーは、多くの場合、ポリプロピレン等の塗料に対する親和性が低い低親和性材料から構成される。このような場合、一般には、低親和性材料には、塗料との親和性の高い下地材料(プライマー)を塗布して乾燥した後に、塗料を塗布している。しかし、このプライマーの塗布および乾燥は、樹脂部材P側でのみ行われ、その分、金属部材Mと樹脂部材Pとを同一工程で処理することが困難となる。また、プライマーの塗布および乾燥に、材料および電力、さらには、そのための区画(ブース)が必要となり、省エネルギーおよび省スペースの観点からも好ましくない。以下に示すように、本実施形態では、電子線を用いることによって、プライマーを不要として、金属部材Mと樹脂部材Pの一貫した処理を可能としている。
電子線照射設備12は、樹脂部材Pに電子線を照射して、樹脂部材Pの前記表面を活性化する。樹脂部材Pに電子線を照射することで、樹脂部材Pの表面に活性化された表面活性化層が形成される。この表面活性化層は、樹脂材料を構成する炭素原子に結合される水酸基を有する。すなわち、電子線を照射することで、樹脂材料を構成する炭素原子は飽和状態から二重結合に開裂する。開裂された二重結合に環境下(後述の照射エリアA内の、例えば、大気)の酸素(O2)が反応することにより、活性基としての水酸基が付加され、樹脂部材Pの表面に沿って配列する。表面活性化層は、活性基を有することから、塗料との濡れ性、分子間力が向上し、塗膜との密着性が向上する。
図2Aおよび図2Bは、一例に係る電子線照射設備12の詳細を表す図である。電子線照射設備12は、樹脂部材Pに電子線EBを照射するための照射エリアAを有する。照射エリアA内は、通常の大気下とすることで、電子線EBによる樹脂部材Pの活性化に適した酸素濃度とすることができる。但し、照射エリアA内の酸素濃度を大気に対して増減してもよい。
照射エリアAへの樹脂部材Pの出入りのために、図示しない入口、出口(例えば、シャッター、山型又は折り曲げ式の開閉部)が設けられる。図2Aは、照射エリアAの入口側からみた状態を表し、図2Bは、照射エリアAの入口の横方法からみた状態を表す。
電子線照射設備12は、電子線EBを発生し、加速して、樹脂部材Pに照射する電子線源22を有する。電子線源22は、長手形状を有し、その長手方向に沿って、複数の電子線EBを照射できるように電子線の出射口が配列される。電子線照射設備12は、電子線源22の位置、および向きを変化させる駆動機構(図示せず)、および電子線源22および駆動機構を制御する制御部(図示せず)をも有する。
図2Aに示すように、複数(ここでは、4つ)の電子線源22が、樹脂部材P(ここでは、バンパー)の長手方向に沿って、配置されている。電子線源22の各々は、その電子線EBの出射口の配列方向が樹脂部材Pの長手方向と一致するように配置され、樹脂部材Pの長手方向に沿って複数の電子線EBを照射できる。図2Bに示すように、複数の電子線源22を樹脂部材Pの短手方向に樹脂部材Pの面に沿うラインS1上を移動させることで、樹脂部材Pの面全体に電子線EBを照射することができる。なお、図2Bでは、判り易さのために、本来は重なって見える複数の電子線源22および複数の電子線EBを省略して、1の電子線源22および1の電子線EBのみを示している。
このように、樹脂部材Pの長手方向に沿って複数の電子線EBが照射されるように電子線源22を配置し、樹脂部材Pの短手方向に沿って、電子線源22を移動させることで、樹脂部材Pの面全体に電子線EBを照射することができる。
図3Aおよび図3Bは、他の例に係る電子線照射設備12の詳細を表す図である。図3Aは、照射エリアAの入口側からみた状態を表し図2Aに対応する。図3Bは、照射エリアAの入口の横方法からみた状態を表し図2Bに対応する。
図3Aおよび図3Bに示すように、ここでは、1つの電子線源22が、その電子線EBの出射口の配列方向が樹脂部材Pの短手方向と一致するように、配置される。そして、電子線源22は、樹脂部材Pの長手方向ではラインS2a上を、短手方向ではラインS2b上を移動させられる。すなわち、樹脂部材Pの面に沿う曲面に沿って、電子線源22を移動させることで、樹脂部材Pの面全体に電子線EBを照射することができる。
図4は、さらに他の例に係る電子線照射設備12の詳細を表す図である。図4は、照射エリアAの入口の横方法からみた状態を表し、図2Bおよび図3Bに対応する。図4に示すように、複数(ここでは、2つ)の電子線源22が樹脂部材Pの短手方向に沿って配置される。この例では、照射エリアAの入口側からみた状態は、図3Aによって表すことができる。但し、判り易さのために、本来は重なって見える複数の電子線源22および複数の電子線EBを省略して、1の電子線源22および1の電子線EBのみを示しているものと考える。
ここでは、2つの電子線源22を樹脂部材Pの短手方向に沿って配置し、さらに図3Aに示すように、長手方向に移動させることで、樹脂部材Pの面全体に電子線EBを照射している。すなわち、図3Bの場合と異なり、樹脂部材Pの短手方向での電子線源22の移動を不要としている。
図1に戻って説明を続ける。保管設備14には、電子線照射によって活性化された樹脂部材Pが保管される。後述のように、電子線照射した樹脂部材Pを1ヶ月程度は保管し、保管中に付着したほこりや汚れを溶剤等で除去しても、電子線照射の有効性は失われない。
組み付け設備16は、金属部材Mと活性化された樹脂部材Pを接続するものであり、自動車の金属ボディに電子線を照射した樹脂部材Pを組み付ける。このように接続された金属部材Mと樹脂部材Pは、塗布設備18および加熱設備20によって、同時に塗料の塗布および加熱(乾燥)が行われる。
塗布設備18は、ワークWに塗料を塗布して塗膜を形成する。塗布設備18は、例えば、溶剤に溶かした塗料をノズルから噴霧することで、ワークWに塗料を塗布する。溶剤が気化することで、ワークW上に塗料の膜(以下、塗膜という)が形成される。この塗料の塗布および溶剤の気化は、通常、塗装ブース内で行われる。
加熱設備20はワークWに形成された塗膜を加熱して、乾燥(硬化)させる。加熱設備20は、例えば、熱処理炉である。
本実施形態では、樹脂部材Pへの電子線照射を行うことで、樹脂部材Pへのプライマーの塗布および乾燥は不要となる。プライマー塗装用の塗布装置および乾燥装置が不要となる。塗布設備18および加熱設備20には、金属部材Mに使われていた設備を利用することができる。
また、金属部材Mと樹脂部材Pは、1のワークWとして、同時に、塗料の塗布および乾燥が行われる。この結果、金属部材Mと樹脂部材P間でのカラーマッチングが向上する。
プライマーの使用を前提とした上で、金属部材Mと樹脂部材P間でのカラーマッチングを良好とするためには、塗布設備、および加熱設備のブースを大きくして、金属部材Mと樹脂部材Pを同時に処理した後に、接続する(組み付ける)ことが考えられる。これに対して、本実施形態では、金属部材Mと樹脂部材Pの接続後に塗料の塗布および乾燥を行えばよいので、塗布設備18および加熱設備20の大きさは、金属部材M(ここでは、自動車の金属ボディ)を処理できれば足り、樹脂部材P用のスペースを別個に設ける必要はない。
以下、電子線による活性化の利点を説明する。すなわち、電子線照射以外の手法を用いて、樹脂部材Pの表面を活性化することは可能である。他の手法として、例えば、フレーム処理(ガスの燃焼によってプラズマ化した酸素による処理)、プラズマ処理、およびUV(紫外線)照射を挙げることができる。しかし、次の理由から電子線照射は、他の手法よりも好ましい。
電子線照射の利点として、電子線照射による活性化の効果は、持続性が高いことを挙げることができる。これは次のように実験によって確認することができた。すなわち、ポリプロピレンの板材を板材試料(樹脂部材P)として用いて、電子線を照射した。その後、電子線を照射した板材試料に、ウレタン塗料を塗布、室温で乾燥して、板材試料と塗料の密着性、すなわち、塗料の剥離の有無を確認した。
電子線の照射条件は、電子線源22と板材試料の距離を10mm、加速電圧を100KV、照射線量を150kGy、又は500kGyとした。
一方、酸素濃度は、オゾンによる影響を低減するため、大気より小さい、300ppmとした。大気中で電子線を照射すると、大気中の酸素が分解されてオゾンが発生する。従って、大気中で電子線を照射すると、結果として、板材試料は電子線による処理とオゾンによる処理とが重複して適用されることになる。このため、本実験では、比較的低酸素濃度下で、電子線を照射して、オゾンが実質的に発生しないようにして、電子線の照射自体による活性化の効果を確認した。但し、大気下で樹脂部材Pに電子線を照射して、活性化することは、むしろ好ましいと言える。酸素濃度が高い方が、電子線照射の効果が大きくなる。また、結果的に、オゾンによる処理が加わるが、オゾン処理の効果は、電子線照射の効果を削減するものではなく、むしろ電子線照射の効果を強化する。
電子線を照射した板材試料と、電子線を照射しない板材試料とで、密着力を比較したところ、照射の有無によって明確な差が見られた。
ここで、電子線を照射してから時間Hが経過してから塗料を塗布した場合、時間Hの経過によって密着力が低下する傾向があった。しかし、1ヶ月の時間Hが経過した場合であっても、大きな密着力を得ることができた。なお、時間Hの経過時において、板材試料は、大気下で保管した。
他の手法として、比較のために、板材試料にエキシマレーザ(UV)を照射した。ここでは、エキシマレーザの光源と板材試料の距離を1~2mmとして、波長172nm、照射強度65mW/cm2のエキシマレーザ光を5秒間照射した。エキシマレーザ光を照射してから時間Hが経過した板材試料に塗料を塗布、乾燥して、密着性を確認した。この結果、エキシマレーザ照射の効果は、照射後一日程度であり、一週間は持続しないことが判った。
このように、電子線照射の効果は、照射後1ヶ月程度と、エキシマレーザ照射の効果に比べて、長時間持続することが分かった。
さらに、電子線照射の利点として、他の材料(例えば、溶剤)の接触による影響が小さいことが挙げられる。すなわち、電子線を照射した板材試料をゴム手袋で触ったり、溶剤(IPA:イソプロピルアルコール)で洗浄したりしてから、塗料を塗布した場合であっても、板材試料と塗料間の密着性は良好であった。これは、電子線の照射から1ヶ月が経過した板材試料でも同様であった。
以上のように、樹脂部材Pに電子線を照射した効果は、照射後1ヶ月程度は持続し、且つ、他の材料が接触しても劣化し難い。すなわち、電子線を照射した樹脂部材Pを保管し、且つ、保管中に付着したほこりや汚れを溶剤等で除去することが可能となる。
この理由は次のように説明できる。すなわち、電子線は、他の手法で用いられる、酸素プラズマ、光等に比べて、樹脂部材Pのより深部に到達すると考えられる。電子線によって、樹脂部材Pがラジカル化され、その表層が酸素等と反応して表面活性層が形成される。時間の経過や他の材料との接触によって、表面活性層の活性が失われたときに、より深部から一種のラジカルが補充され、大気中の酸素と反応することで、表面活性層は再生される。このように、電子線は樹脂部材Pの比較的深部に達することから、電子線照射の持続性は、他の手法に比べて、高いと考えられる。
この他に、電子線照射は、他の手法(フレーム処理、プラズマ処理、およびUV照射)に比べて、処理が容易である。すなわち、電子線照射の効果は、電子線源22と樹脂部材Pの距離が離れても、大きく変わることはない。このため、電子線源22を移動させる等して樹脂部材Pの面全体に照射することが容易となる。電子線源22が移動すると、電子線源22と樹脂部材Pとの距離が変化する可能性があるが、その影響は小さい。これに対して、他の手法では、照射距離による影響が大きく、処理装置と試料の間の距離が大きくなると処理の効力は急激に小さくなる傾向がある。
図5は、実施形態に係る塗装方法を表すフロー図である。ワークWが形成される(ステップS31)前は、金属部材Mと樹脂部材Pは別個に処理される。すなわち、金属部材Mは、例えば、板材がプレスされ、プレスされた複数の板材を接合(例えば、溶接)することで作成される(ステップS11)。作成された金属部材Mには下地塗装が行われる。すなわち、金属部材Mは電着液に浸漬され、電圧が印加されることで、電着塗装され(ステップS12)、乾燥される(ステップS13)。一方、樹脂部材Pは、射出成型によってバンパー等として形成される(ステップS21)。電子線照射設備12は、樹脂部材Pに電子線を照射して、樹脂部材Pの表面を活性化する(ステップS22)。その後、電子線を照射された樹脂部材Pは、保管設備14に保管される(ステップS23)。
組み付け設備16は、金属部材Mと、表面が活性化された前記樹脂部材Pとを互いに接続して、ワークWを形成する(ステップS31)。塗布設備18は、ワークWに塗料を塗布し(ステップS32)、加熱設備20は塗料を乾燥する(ステップS33)。この後、塗装されたワークWと他の部材とが組み合わされ、艤装されることで自動車の車両が作成される(ステップS34)。
以上のように、本実施形態では、金属部材Mと、電子線照射によって表面が活性化された樹脂部材Pとが互いに接続されたワークWを用いて、プライマーを用いることなく、塗装を行うことができる。
(変形例1)
以下、変形例1に係る塗装方法を説明する。上記実施形態では、電子線を照射した樹脂部材Pを保管していた。これに替えて、ステップS22とS23を入れ換え、保管設備14は電子線未照射の樹脂部材Pを保管し、その後、ワークWの形成の前に、電子線照射設備12は、電子線を照射してもよい。
(変形例2)
以下、変形例2に係る塗装方法を説明する。図6は、変形例2に係る塗装方法を表すフロー図である。ここでは、組み付け設備16は、金属部材Mと、電子線未照射の樹脂部材Pとを互いに接続して、ワークWを形成する。その後に、電子線照射設備12は、ワークWの樹脂部材Pに電子線を照射している(ステップS35)。このように、金属部材Mと、樹脂部材Pとの接続後に、樹脂部材Pに電子線を照射してもよい。この場合、電子線照射設備12は、樹脂部材P以外の金属部材Mに電子線が照射しても差し支えない。金属部材Mに電子線を照射することで、その特性が大きく変わるものでは無い。但し、効率の観点から、樹脂部材P以外の金属部材Mへの電子線の照射は制限することが好ましい。
(その他の変形例)
以上、本発明の実施形態および変形例1、2について説明したが、本発明はこれらに限られない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適時変更してもよい。例えば、図1に記載の塗装システム10では電子線照射設備12が保管設備14の前に設置されているが、変形例1、および変形例2に合わせて、電子線照射設備12を保管設備14の後、又は、組み付け設備16の後に設置してもよい。
また、上述の実施形態および変形例2において、成型および電子線照射を行った樹脂部材Pあるいは、成型後電子線未照射の樹脂部材Pを保管設備14に保管するステップ(ステップS23)について記載したが、本発明はこれに限らない。成型および電子線照射を行った樹脂部材Pあるいは、成型後電子線未照射の樹脂部材Pを保管することなく、直接次のステップ(ワークWの形成)を実行してもよい。
〔実施形態から得られる発明〕
上記各実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
[1]塗装方法は、金属部材(M)と、電子線照射によって表面が活性化された樹脂部材(P)とが互いに接続されたワーク(W)を取得するワーク取得工程と、前記ワークの前記金属部材および前記樹脂部材に塗料を塗布する塗布工程と、を有する。これにより、樹脂部材へのプライマー塗布、乾燥を行うことなく、ワークの樹脂部材に塗料を塗布できる。
[2]前記ワーク取得工程は、前記樹脂部材に電子線を照射して、前記樹脂部材の前記表面を活性化する活性化工程と、前記金属部材と、前記表面が活性化された前記樹脂部材とを互いに接続させて、前記ワークを形成するワーク形成工程と、を有する。これにより、金属部材と樹脂部材とを1つのワークとして纏めて処理できる。
[3]前記ワーク取得工程は、前記表面が活性化された前記樹脂部材を保管する保管工程を有し、前記ワーク形成工程では、前記金属部材と、前記保管された前記樹脂部材とを互いに接続させる。電子線を照射した後に保管した樹脂部材を用いて、ワークを形成できる。
[4]前記ワーク取得工程は、前記金属部材と、前記樹脂部材とを互いに接続させる接続工程と、前記金属部材に接続された前記樹脂部材に電子線を照射して、前記樹脂部材の前記表面を活性化する活性化工程と、を有する。金属部材と樹脂部材との接続後に、電子線を照射して、ワークを形成することができる。
[5]前記樹脂部材は、ポリプロピレンから構成される。これにより、プライマーを塗布することなく、ポリプロピレンを塗装することが可能となる。
[6]前記ワークは、自動車の車体であり、前記金属部材は、金属ボディであり、前記樹脂部材は、バンパーである。これにより、プライマーを用いることなく、自動車の車体を塗装できる。
[7]自動車の車体は、金属ボディと、前記金属ボディに取り付けられ、且つ、樹脂部材から構成されるバンパーと、前記金属ボディおよび前記バンパーを被覆する塗膜と、を有し、前記バンパーは、前記樹脂部材の表面が活性化された表面活性化層を有し、前記塗膜は、前記表面活性化層上に直接付着している。これにより、表面活性化層を用いて、バンパーを塗装できる。
[8]前記表面活性化層は、前記樹脂部材を構成する炭素原子に結合される水酸基を有する層である。これにより、水酸基を活性基として用いて、樹脂部材を活性化できる。
10…塗装システム 12…電子線照射設備
14…保管設備 16…組み付け設備
18…塗布設備 20…加熱設備
22…電子線源 M…金属部材
P…樹脂部材 W…ワーク

Claims (8)

  1. 金属部材と、電子線照射によって表面が活性化された樹脂部材とが互いに接続されたワークを取得するワーク取得工程と、
    前記ワークの前記金属部材および前記樹脂部材に塗料を塗布する塗布工程と、
    を有する塗装方法。
  2. 請求項1に記載の塗装方法であって、
    前記ワーク取得工程は、
    前記樹脂部材に電子線を照射して、前記樹脂部材の前記表面を活性化する活性化工程と、
    前記金属部材と、前記表面が活性化された前記樹脂部材とを互いに接続させて、前記ワークを形成するワーク形成工程と、
    を有する、塗装方法。
  3. 請求項2に記載の塗装方法であって、
    前記ワーク取得工程は、前記表面が活性化された前記樹脂部材を保管する保管工程を有し、
    前記ワーク形成工程では、前記金属部材と、前記保管された前記樹脂部材とを互いに接続させる、塗装方法。
  4. 請求項1に記載の塗装方法であって、
    前記ワーク取得工程は、
    前記金属部材と、前記樹脂部材とを互いに接続させる接続工程と、
    前記金属部材に接続された前記樹脂部材に電子線を照射して、前記樹脂部材の前記表面を活性化する活性化工程と、
    を有する、塗装方法。
  5. 請求項1~4のいずれか1項に記載の塗装方法であって、
    前記樹脂部材は、ポリプロピレンから構成される、塗装方法。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載の塗装方法であって、
    前記ワークは、自動車の車体であり、
    前記金属部材は、金属ボディであり、
    前記樹脂部材は、バンパーである、塗装方法。
  7. 金属ボディと、
    前記金属ボディに取り付けられ、且つ、樹脂部材から構成されるバンパーと、
    前記金属ボディおよび前記バンパーを被覆する塗膜と、
    を有し、
    前記バンパーは、前記樹脂部材の表面が活性化された表面活性化層を有し、
    前記塗膜は、前記表面活性化層上に直接付着している、自動車の車体。
  8. 請求項7に記載の自動車の車体であって、
    前記表面活性化層は、前記樹脂部材を構成する炭素原子に結合される水酸基を有する層である、自動車の車体。
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