JP2023506568A - 接合組立体のための調節可能なマクロ剛性を有する中間変形層 - Google Patents

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Abstract

本発明は、第1の基層(S1)と、第2の基層(S2)と、第1の基層に対して固定された中間変形層(CID)であって、中間変形層(CID)が中間変形層(CID)に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように、空洞部が設けられた材料からなる、中間変形層(CID)と、中間層と第2の基層(S2)との間に位置する接着剤(AD)とを少なくとも備える、接合組立体(AC)に関する。

Description

本発明は、接合組立体を作製するための技術に関する。
本発明は、基層(例えばコンクリート基層)に対する、具体的には装着要素が初めから上に設けられなかった基層に対する要素の連結、または構造的欠陥の出現を修復もしくは予防するために耐久性をより高くすることが必要な構造物の補強を含む、広範な分野において用途を有する。
製造および建設においては、要素が、例えばアンカリング、溶接、穿孔、およびボルト締めなど先行技術において知られているプロセスにより、構造物(基層)に対して、具体的にはコンクリートまた金属から作製された耐荷重性構造物に対してしばしば固定または連結される。これらの技術は、欠点を有する。例えば、鉄筋コンクリート構造物中へのスクリューアンカーの挿入は、これらのコンクリート構造物の強度が非常に高い場合には非常に困難となる可能性がある(例えばコンクリートの構造用鋼に穿孔工具が衝突する)。構造物が金属である場合には、溶接は非常に複雑なものとなり得る。すなわち、爆発のリスク、温度による変形、温度上昇により損傷を受けた塗装表面の修復の必要性等がある。これらの装着技術は、設置のために多大な時間を要し、準備時間または実施上の注意を必要とする。さらに、これらの装着技術は、既存の構造物を脆弱化させる場合がある。
接着による装着または連結を伴う解決策は、これらの欠点を解消し得る。しかし、接着によるかかる装着または連結は、高い機械応力に対して脆弱である。さらに、基層が、機械的変形もしくは大きな力を被った場合または被ることになる場合には、応力集中またはエッジ効果が特に接着層の周縁部に現れ、これが装着または連結に対して損傷を与え得る。
より一般的には、接着剤により接合された2つの基層の組立体は、外力を被る場合があり、それにより具体的にはこれらの基層間に差動変形が引き起こされる場合がある。これを目的として、接着剤は、少なくとも以下の2つの機能を果たすことが一般的に通例になっている。
- 2つの基層のそれぞれに対する接着(所望の一次機能)
- 可動変形に固有の応力の吸収(従属的な二次機能)
図1Aでは、従来の接着剤ADCにより一体化された第1の基層S1および第2の基層S2からなる従来の接合組立体の一例ACCが図示される。符号AおよびBは、接着剤が被る変形の一例を観測するために(以下参照)接着剤ADCの隅部を示す。
図1Bは、接合組立体が変形力Fを被る場合の(例えば基層S1およびS2に対してそれぞれ逆方向の力が印加される)接合組立体ACCの断面図の一例を示す。この接着剤ADCは、力Fにより印加された応力の影響下において変形する。最も顕著な変形は、接着剤ADCのエッジにて通常みられる。
図1Cでは、符号Aと符号Bとの間において接着剤ADCが被る印加力Fに固有のせん断応力τの展開の一例を示す。力Fの印加により、接着剤ADCもまた、図1Cで示すように符号Aと符号Bとの間において剥離応力σを被る。
基層S1およびS2の差動変位は、特に接着剤ADCのエッジの領域において高くなるせん断応力および剥離応力を発生させる。他方において、符号Aと符号Bとの間の中心領域では接着剤ADCに対する力がほとんど存在しないかまたはいくつかの場合においては力がまったく存在しない点に留意されたい。したがって、これらの力は、主としてエッジ領域を介して一方の基層から他方の基層に対して伝達される。
図1Bで観測される接着剤ADCの変形と図1Cに示すような接着剤が被る応力との間に相関関係が存在することが理解される。この相関関係は「エッジ効果」としても知られる。接着剤のエッジにおける変形およびしたがって応力は、これらの領域において接着剤ADCの完全性に大きな影響を及ぼす。したがって、接合組立体ACCは、前述の差動変形に対して脆弱となり、これにより、特に伝達されることとなる力が大きい場合には、機械性能が大幅に低下する。
したがって、接合組立体の機械性能は、組立体がさらされる差動変形が大きい場合にはさらに制限される。
また、この現象は、接合組立体が構造物を補強することを目的とされた場合にも現れる。実際に、この場合に接着剤は、補強対象となる構造物の移動に固有の変形を被り得る。
例として、図2A～図2Cは、構造物パネルであり得る第2の基層S2を補強する役割を有する第1の基層S1を示す。第2の基層S2が例えば力F(典型的には構造物の変形により生じた)による応力下において変形を被る場合に、接着剤は、差動変形の少なくとも一部を吸収して、接着剤のエッジに(符号AおよびBの位置およびその付近に)高いせん断応力τおよび剥離応力σを発生させる点に留意されたい。
これらの局所的応力により制限される接合組立体の機械性能を強化するための1つの解決策は、接着剤と基層との間の接着表面積を拡張することからなり、より具体的にはこの表面の長さを伸ばす(すなわち符号Aと符号Bとの間の距離を増大させる)ことにより接着表面積を拡張することからなり得る。実際に、接着剤と基層との間の接着表面積をかように拡張することにより、接合組立体の機械性能は、少なくともある一定限度までは改善される。
図3は、接着剤と基層との間の接着表面積の長さL(すなわち符号Aと符号Bとの間の長さ)に対する、接着剤の破断を実現するために必要な力Fのグラフを示す。破断時印加力Fは、長さ限界Lmaxに対応して最大で限界値Fmまで線形上昇し、この限界値Fmを超えると、破断のための印加力は、実質的に一定となる点に留意されたい。
ある特定の接着表面長さにて起始する破断時力Fのこの安定化は、大部分においては、接着剤のエッジにおける大きな変形および応力印加と、接着剤の局所的な脆弱化と、接着または粘着の破壊による基層からの接着剤の装着解除とを必ずもたらすエッジ効果により引き起こされる。この場合には、エッジにて起始し接着剤の残りの部分へと広がる「連鎖的(cascading)」破断が、接着剤において(または基層がより脆弱である場合には基層において)観測される。
エッジ効果を限定するために、接着表面の両側に余剰接着材料(例えば接着剤ビードの形態の)を提供してエッジにおける接着強度を改善することが可能であり得る。しかし、余剰材料の塗布は、いくつかの構成では実現が困難である場合があり、接着剤の追加後におけるエッジ付近での厳密な挙動について不確実性が生じる。さらに、この実施形態は、より高額となるため、設置および/または製造の最中にさらなる注意が必要となる。得られる利益もまた、きわめて限定的である。
例えば、接着剤が構造物と構造物の補強要素との間に設置される場合には、余剰接着剤の追加作業は現場で実施される必要があるが、これは、外的条件または構造物の構成を原因として、不可能ではないにせよ厄介な問題となる場合がある。
さらに、接着剤により上述の機能(基層に対する接着および変形吸収)を実現する必要があるということが矛盾をはらみ得る点に留意されたい。実際に、接着剤の可撓性がより高い(すなわちより良好な吸収性能)場合には、その接着性能はより低下することが一般的に観測される。対照的に、剛性が最高に高い接着剤は、最良の接着性能を実現するが、変形応力に対してより影響を被りやすい。
本発明は、このような状況を改善する。
これを目的として、第1の態様によれば、本発明は、接合組立体であって、
第1の基層と、
第2の基層と、
第1の基層に対して固定された中間変形層であって、中間変形層が中間変形層に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように、空洞部が設けられた材料からなる、中間変形層と、
前記中間層と第2の基層との間に位置する接着剤と
を少なくとも備える、接合組立体に関する。
この可変剛性は、第1の基層に対して平行方向に変化し得る変形を吸収するための性能を有する中間層/接着剤集合体を実現する。これらのような剛性の多様性により、変形レベルをおよびしたがって応力を局所的に制御することが可能となる。
変形挙動は、具体的には、接着剤のエッジ付近に通常位置するせん断応力および剥離応力(上記で説明したように)をさらに均一に分散するように制御され得る。
したがって、局所的変形は中間変形層により効果的に吸収され、中間層の剛性(可撓性の逆)は制御され、この場合に接着剤のエッジは、接合組立体に対して印加される外力により発生した力に対してさらされる程度が低くなる。中間変形層、接着剤、および基層の表面におけるエッジ効果ならびにより一般的には応力集中が、著しく低下し、それにより接着剤の強度および保全性能が上昇し、基層の固定および接合組立体の構造性能が強化され得る。したがって、破損を実現するために必要な力は、先行技術の場合よりもはるかに高くなる。したがって、この接合組立体の変形力に対する脆弱性は低下し、変形力は中間変形層に沿って吸収または分散されることが理解される。
したがって、本発明の目的は、十分な性能を有する剛性接着剤を選択することにより接着機能を損なうことなく良好な変形性を維持することである。
さらに、2つの基層の一方が、脆弱領域(クラック、溶接等)またはより大きな応力にさらされる基層の領域を有する場合に、中間変形層の変形挙動は、これらの領域において中間変形層と基層との間で伝達される応力を低下させるように制御されることが可能となる(例えば脆弱領域または高応力を被る領域に対面する中間変形層の剛性を低下させることにより)。
中間変形層に対する平行方向における前記層の剛性を変更することにより実施される変形挙動の制御は、中間変形層中に位置する空洞部により実現される。例えば、中間変形層が、単一の材料から作製され、空洞部が、中間変形層を形成する材料質量中に設けられる。例えばこれらの空洞部の密度を適合化すること、空洞部のサイズを適合化すること、または空洞部の形状を適合化することなどにより、適切な様式で空洞部を構成することによって、中間変形層の剛性を局所的に適合化することが、および特に中間変形層に対する平行方向に沿って前記層の剛性を変更することが可能となる。したがって、空洞部は、中間変形層に対して平行方向に沿って可変的である剛性をこの中間変形層に対して与えるように構成される。
さらに、空洞部の存在により剛性の多様化が実現されるため、剛性(マクロ剛性を意味する)およびミクロ剛性(ヤング率)は、相互に直接依存的ではなくなる。広範な選択肢の材料が、中間変形層CIDの形成に使用され得る。
したがって、例えば1000～5000MPaの間のおよび有利には2000～5000の間のヤング率値を有する材料など、高いヤング率数値を有する材料を選択することが可能となる。したがって、CIDは、かかるヤング率値を有する材料から完全に形成することが可能である。それにもかかわらず、中間変形層は、接着機能を損なうことなく良好な変形性能を保持する。
さらに、かかる材料は、より低剛性の材料よりも良好な機械強度を有し、具体的には
より高い破壊強度と(例えば10MPa超および有利には30～100MPaの間の)、
より良好なクリープ挙動と(長期間にわたる高荷重を接合組立体が被ることを可能にする)、
より良好な弛緩挙動と
を有する。これは、より高温においても当てはまる(例えば50～250℃の間など)。
さらに、この材料のヤング率の数値は、接着剤のヤング率の数値と同様であることが可能である。接着剤と中間変形層に対して使用されるこの材料とが、同一のヤング率または同様のヤング率を有することにより、これらの接着剤および材料は同様の機械挙動を有し、それにより接着剤と中間変形層との間における剛性の差異が軽減され、結果として中間変形層に対する接着剤のより良好な接合が得られる。
また、接着剤との良好な接着親和性を有する材料を選択することにより、中間変形層と接着剤との間における接合をより良好に確保することが可能である。接着親和性は、2つの材料間の良好な適合性を意味するものとして理解され、これは結果的に良好な機械強度をもたらし、極限状態においては凝集破壊をもたらす。凝集破壊は、用いられる2つの材料(CID、接着剤)の一方の破断と、接着剤とCIDとの間の界面における非破断とを意味する。
空洞部の形状は、空洞部のジオメトリを意味するものとして理解される。空洞部は、中間変形層内に微細構造体を形成する。
空洞部の密度または微細構造体の密度は、中間変形層の単位面積または単位体積あたりの空洞部または微細構造体の個数を意味するものとして理解される。
空洞部は、中間変形層が穴を備えることを意味するものとして理解される。これらの穴は、微細構造体を形成する残留要素のための余地を残し得る。
本明細書では、中間変形層に対して平行方向に沿って可変的である剛性は、剛性が基層に沿って変化することを意味し、すなわち中間変形層(CID)に対して実質的に平行である表面(場合によっては平坦状の)中に位置する箇所におけるCIDの剛性がこの表面内において変化することを意味するものとして理解される。例えば、ここで考慮される平行表面は、CIDの2つの面間に構成されるおよびこれらの面の一方に対して平行であるすべての表面である。換言すれば、剛性は、長手方向に分布する2つの部分である中間変形層のある部分から別の部分にかけて可変的である。
剛性は、例えば中間変形層のベクトル(z)方向における剛性、または中間変形層に対して平行なある方向、例えばベクトル(x)、ベクトル(y)、もしくはさらにはベクトル(x)およびベクトル(y)の線形的組合せなどの方向における剛性などの、1つまたは複数の方向における剛性を意味するものとして理解される((ベクトル(x)、ベクトル(y)、ベクトル(z))は、空間基準系を形成し、(ベクトル(x)、ベクトル(y))は、中間変形層に対して平行な表面のための基準系を形成し、ベクトル(z)は、場合によっては基準系(ベクトル(x)、ベクトル(y))に対して直交し、ベクトル(u)は、指定表記である)。CIDに対して平行な表面の箇所(x、y)における剛性は、3つの項(Rvector(x)(x、y);Rvector(y)(x、y);Rvector(z)(x、y))により表され得る。ここでRvector(x)(x、y)は、箇所(x、y)でのベクトル(x)方向における剛性値を表し、Rvector(y)(x、y)は、箇所(x、y)でのベクトル(y)方向における剛性値を表し、Rvector(z)(x、y)は、箇所(x、y)での、中間変形層に対して場合によっては直交となるベクトル(z)方向における剛性値を表す。
中間変形層に対して平行方向に沿って可変的である剛性は、例えば可変的である中間変形層におけるベクトル(z)方向に沿った剛性Rvector(z)(x、y)を、および/または中間変形層に対して平行な方向に沿った剛性Rvector(x)(x、y)および/またはRvector(y)(x、y)などに関し得る。
エッジ効果は、剛性Rvector(z)(x、y)が中間変形層のエッジにおいてベクトル(z)方向(これは中間変形層に対して直交方向であり得る)に沿って低減された場合に特に減衰される。
脆弱なまたは大きな応力を被る領域に対する力は、これらの力を発生させる力と同一方向に沿ってこれらの領域に対面している中間変形層の剛性が低減される場合に特に減衰される。
「固定された」は、基層および中間変形層が分離不能体を形成するように相互に対して接合されることを意味するものとして理解され、これは、接着剤により実現されてもよいが、一体化する対象の基層上に直接的に中間変形層を形成することも可能である。
一実施形態によれば、中間変形層の第1の面および/または中間変形層の第2の面のそれぞれが、第1の基層の表面に対しておよび/または第2の基層に対して相補的な形状を有する。
これにより、中間変形層の表面と基層との間の最適な接着を実現することが可能となる。実際に、中間変形層の表面が基層の表面に対して相補的であることにより、中間変形層は、基層の表面に対してより緊密に取り付けられて、中間変形層と基層との間に均一かつほぼ一定の厚さの接着層が形成される。
空洞部により形成された微細構造体は、中間変形層の2つの面を連結する細長形状要素であってもよい。
したがって、この中間変形層は、中間変形層の2つの面を形成する2つの外方層を備え得る。細長要素は、これらの2つの外方層を連結する。したがって、2つの外方層と細長要素との集合体が、中間変形層を形成する。細長要素は、2つの外方層間にスペーサを形成する。
細長要素は、一定のまたは可変的な断面を有してもよく、これらの断面は、円形形状、三角形形状、矩形形状、または任意の他の形状であってもよい。中間変形層の材料から作製された外方層は、各基層に対してより強力に接着するように連続的であってもよい。
細長形状部を使用することにより、所望の機械特性を有する構造物を作製することが可能となり、すなわち中間変形層が、中間変形層に対して平行方向に適合化され変化する剛性を少なくとも1つの方向に沿って有することが可能となる。
この実現のために、ある方向における中間変形層の剛性は、細長要素の断面および/または細長要素同士の間の間隔および/または細長要素の方向を適合化することにより適合化され得る。ある方向への剛性が、細長要素をこれと同一方向に配向することによって上昇し得る。
細長要素の適合化により、別の方向における剛性レベルとは無関係にある方向における剛性を適合化することが可能となる。したがって、中間変形層の同一箇所にて、ある方向においては高い剛性を有し他の方向においては低い剛性を有する細長要素を構成することが可能となる。
細長要素は、格子構造部またはメッシュ構造部を形成し得る。
格子構造部により、特にその方向に従って剛性を適合化することが可能となる。したがって、格子構造部では、ある方向に沿った剛性を低下させ、他の方向に沿って高剛性を維持するように適合化することが容易である(例えば低Rvector(z)値および高Rvector(x)値)。
細長要素は、例えば櫛構成などで、中間変形層に対して一方向に整列され得る。
中間変形層のかかる構造により、中間変形層に対して直交方向に沿った剛性Rvector(z)を適合化しつつ、中間変形層に対して平行方向に沿って低剛性を維持することが可能となる。実際に、この直交方向に沿った剛性Rvector(z)は、例えば細長要素の断面を縮小する(拡大する)ことによって、または細長要素同士を離間させる(共により近くに配置する)ことによって、容易に低下させる(上昇させる)ことが可能である。
一実施形態によれば、設けられた空洞部は、相互に区画されない。
「区画されない」は、空洞部がコンパートメントを形成せずしたがって開状態にあることを意味するものとして理解される。したがって、少なくとも第1の基層および第2の基層に対して中間層が固定される前においては、中間変形層の空洞部と中間変形層の外部との間において流体が流れることが可能となる。これにより、光重合タイプ3D印刷技術がこの中間変形層の製造のために利用される場合には、印刷の終了時に中間変形層中に含まれる重合されていない液体ポリマーを排出することが可能となる。
一実施形態によれば、中間変形層は、組成において均質である材料から形成される。
この均質材料という特徴により、空洞部(例えば微細構造体)によるCIDの剛性のより正確かつ良好な制御的調節が可能となる。有利には、例えば以下のタイプなどであり得る均質材料が選択される。
この材料は、
エポキシド、
エラストマー、
プラスチック、
ポリウレタン、
複合材料、
金属
であってもよい。
さらに一般的には、使用される接着剤との良好な接着親和性を有する任意の材料を使用することが可能である。接着親和性が不十分である場合には、接着プライマまたは界面層が、中間変形層と接着剤との間において使用され得る。
一実施形態によれば、第1の基層は、第2の基層を補強するのに適した補強ピース15である。補強ピースは、第2の基層の構造的および/または機械的補強を実現するピースを意味するものとして理解される。
一実施形態によれば、第1の基層は、装着手段に対して固定される。例えば、機械コネクタが基層に対して固定される(例えば接着されてもよい)。
一実施形態によれば、中間層の剛性は、徐々に変化する。これにより、接着剤、中間変形層、および基層のすべてを一斉に伴う関心領域内での剛性変化が過度に急激である領域において出現する応力集中を低下させることが可能となる。実際に、これらの変化領域では、エッジ効果の現象と同様の現象が高剛性部分と低剛性部分との間に現れる。さらに、これにより、中間変形層の全長に沿って、中間変形層の変形および吸収挙動の良好な制御が確保される。
一実施形態によれば、中間層は、中間層のエッジに配置された部分を備え、この部分は、ある方向に沿って、中間層の別の部分の前記方向に沿った剛性よりも低い剛性を有する。これは、中間変形層の剛性が、中間変形層の周縁部においてより低いことを意味する。周縁部におけるまたは中間変形層のエッジに配置された部分におけるこのより低い剛性は、中間変形層中に適切に構成された空洞部によって実現される。すなわち、例えば周縁部におけるまたはエッジに配置された部分における空洞部の密度を上昇させることなどによって実現される。また、空洞部のサイズを増大することによりまたは空洞部の形状を適合化することにより、中間変形層のこれらの同部分においてより低い剛性を実現することが可能である。これにより、エッジ効果を軽減することが可能となる。また、エッジの形状は、例えば中間変形層の斜面形状または嘴形状のエッジなどにより、中間変形層の周縁部における剛性を徐々に低下させるように適合化されてもよい。周縁部剛性は、全方向について(Rvector(x)、Rvector(y)、Rvector(z))または主として一方向において低下させてもよい。2つの基層の一方または両基層に対して印加される力がある特定の方向に従ったものである場合には、エッジ効果を軽減するためにこの方向(主として中間変形層に対する直交方向または長手方向)に沿った剛性を低下させることが有利となり得る。例えば、接合組立体が主に張力荷重を印加される場合には、ベクトル(z)方向(中間変形層に対して直交方向または主として直交方向となり得る方向)に沿った剛性Rvector(z)を低下させることが有利である。この剛性は、張力が印加される厳密な位置において局所的に最適に低減され得る。
「中間変形層の部分」は、製造の最中に所望の剛性レベルが割り当てられた中間変形層の局所的部分を意味するものとして理解される。
中間変形層の周縁部、または均等表現である中間変形層のエッジは、中間変形層の周縁領域を意味するものとして理解される。
エッジに配置された部分は、例えばエッジから閾値未満の距離(例えば10mm)に位置する中間変形層の部分などであってもよく、中間変形層の他の部分は、例えばエッジから閾値超の距離に位置する部分などであってもよい。
一実施形態によれば、中間変形層は、第2の基層の脆弱領域および/または第2の基層中のクラックを覆う部分を備え、中間変形層の前記部分は、ある方向に沿って、中間変形層の他の部分の前記方向に沿った剛性よりも低い剛性を有する。中間変形層の剛性は、脆弱領域またはクラックを覆う部分においてより低いことを意味する。脆弱領域またはクラックを覆う中間変形層のこの部分における中間変形層のこの低剛性は、中間変形層中に適切に構成された空洞部により実現される。例えば、周縁部に位置する脆弱領域またはクラックを覆うこの部分またはエッジに配置されたこの部分における中間変形層中の空洞部密度を上昇させることにより。また、空洞部のサイズを増大させることによりまたは空洞部の形状を適合化することにより、中間変形層のこの同部分における低剛性を実現することが可能である。したがって、脆弱領域または大きな応力を被る領域に対する力が特に減衰される。この部分の剛性は、すべての方向(Rvector(x)、Rvector(v)、Rvector(z))についてまたは主としてある方向に沿って低減され得る。2つの基層の一方または両基層に対して認可される力がある特定の方向に従ったものである場合には、この方向(主として中間変形層に対する直交方向または長手方向)に沿った剛性を低下させることが有利となり得る。例えば、接合組立体が主として張力荷重を印加される場合には、ベクトル(z)方向(中間変形層に対して直交方向または主として直交方向となり得る方向)に沿った剛性Rvector(z)を低下させること(具体的には力が印加される厳密な位置において剛性を低下させること)が有利である。
基層の脆弱領域または基層の高応力領域は、基層の構造または基層に対して印加される力のいずれかにより基層が破断またはクラックを生じる可能性がある任意の領域を意味するものとして理解される。
一実施形態によれば、引張応力および/またはせん断応力に対する中間変形層の機械抵抗が、第1の基層および第2の基層の少なくとも一方の機械抵抗よりも低い。この強度は、予備ステップにおいて決定され得る。
引張応力および/またはせん断応力に対する中間変形層の機械抵抗は、垂直軸Zもしくは水平面X、Yまたはこれら2つの組合せに沿った合計終局抵抗を意味するものとして理解される。
これにより、基層の破断を回避することが可能となる。実際に、大きな応力が中間変形層を介して第1の基層から第2の基層に伝達された場合に、これらの応力は、基層が破断するより先に最初に中間変形層の破断を引き起こし、したがって基層を保護する。
有利には、基層間の間隙が、接着剤により相互に対して保持された基層によって圧縮されるように構成された、中間層の周囲のガスケットからなる。
この被圧縮ガスケットにより、接合組立体を囲む媒体から中間層/接着剤集合体を隔離することが可能となる。ガスケットにより確保されたこの隔離により、この集合体は、良好な耐久性を確保し得る使用条件下に保護される。したがって、所望の特性に応じた中間層および接着剤の材料と、相互に対して保持されるべき基層の組成とを、これらの特性が効果的かつ継続的に実現される確信を得ながら選択することが可能となる。
第2の態様によれば、本発明は、接合組立体の要素を製造する方法に関する。この方法は、
ある材料からなる中間変形層を形成するステップであって、中間変形層が中間変形層に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように、材料中に空洞部を形成するように実施される、ステップと、
形成された中間層および第1の基層を共に固定するステップと
を含む。
一実施形態によれば、中間変形層は、前述の基層のうちの一方からなる支持部上に形成される。
一実施形態によれば、中間層を形成するステップは、積層造形技術により実施される。
積層造形技術は、ASTMなどにより定義される技術を意味するものとして理解される。また、積層造形法は、3D印刷とも呼ばれる。
これにより、微細構造体の製造およびそれらの位置決めにおいて高い精度レベルを実現することが可能となり、したがって中間変形層の剛性および中間変形層内のその多様性を正確に制御することが可能となる。
利用され得る積層造形技術は、具体的には、
光重合、
粉末床溶融結合、
結合剤噴射、
材料押出(例えばFDM)、
材料噴射(例えばMJ、NPF、DOD)、
シート積層(例えばLOM、SL)、
集束エネルギー堆積(例えばDED、LENS、EBAM)
である。
一実施形態によれば、この方法は、
第2の基層の表面の形状に関連するデータを取得するステップ
をさらに含み、
中間変形層を形成するステップは、第2の基層の表面の形状に対して相補的である形状を有する中間変形層の表面を形成するように実施される。
基層の表面の形状に関連するデータは、基層の表面を、およびより厳密には基層の輪郭を特徴付ける。第2の基層の表面の形状に対して相補的である形状を有するCIDの表面を形成することは、第2の基層の表面の形状に関連するこれらのデータを用いることにより実現される。
第3の態様によれば、本発明は、接合組立体を製造する方法であって、上述のような方法に従って接合組立体の要素を製造するステップを含み、接着剤により第2の基層に対して中間変形層を接合するステップをさらに含む、方法に関する。
一実施形態によれば、接着剤により第2の基層に対して中間変形層を接合するステップは、中間変形層の前記表面が、第2の基層の表面に対して相補的な様式で固定されるように実施される。
第4の態様によれば、本発明は、補強対象の少なくとも1つ基層を備える構造物を補強するための方法に関する。この方法は、
補強基層および中間層を共に固定するステップであって、中間層は、中間変形層が中間変形層に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように空洞部が設けられた材料からなる、ステップと、
接着剤により補強対象の基層上に補強基層および中間変形層を保持するステップと
を含む。
以下の詳細な説明および添付の図面を検討することにより、本発明の他の特徴および利点が明らかになろう。
接合組立体の典型的な実施形態の例を示す図である。従来的に接着剤が特にそのエッジにおいて被る変形およびせん断応力を示す。 接合組立体の典型的な実施形態の例を示す図である。従来的に接着剤が特にそのエッジにおいて被る変形およびせん断応力を示す。 接合組立体の典型的な実施形態の例を示す図である。従来的に接着剤が特にそのエッジにおいて被る変形およびせん断応力を示す。 図1A～図1Cの例と同様の変形および応力を発生させる、構造物に対して接合された補強要素の実施形態の例を示す図である。 図1A～図1Cの例と同様の変形および応力を発生させる、構造物に対して接合された補強要素の実施形態の例を示す図である。 図1A～図1Cの例と同様の変形および応力を発生させる、構造物に対して接合された補強要素の実施形態の例を示す図である。 従来の接合組立体において接着剤の破断を実現するために印加すべき最終的な力の、接着剤の接着界面の2つの基層の重畳長さに対する展開を示す図である。 本発明による接合組立体の例を示す図である。 本発明による接合組立体の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による中間変形層の例を示す図である。 本発明による接合組立体ACを製造する方法を示す図である。
次に、本発明による接合組立体ACの例を示す図4Aおよび図4Bを参照する。この組立体は、第1の基層S1および第2の基層S2を備える。
図4Aに示す例では、機械的コネクタ(CM)が、第1の基層S1に対して固定され、第2の基層は、壁部であり得る。第1の基層(S1)が第2の基層(S2)に対して固定されると、接合組立体(AC)は壁部上に装着手段を形成する。
図4Bに示す例では、第1の基層S1は、第2の基層S2からなる構造物を修復、保護、および/または補強するように意図された補強要素である。この補強要素は、構造物の壁部上に重畳された合成プレートの形態をとってもよく、典型的には構造物を補強するのに十分な合成を有する金属、複合材料、または任意の他の材料から作製されたプレートの形態をとり得る。この補強は、具体的には、
- ミリメートル規模のクラックを生じさせ得る地震帯のコンクリート構造物、
- 大きな繰返し荷重を被る金属構造物、
- 瞬間的または長期的な変形(収縮、損傷、クリープ、腐食)を被る金属構造物またはコンクリート構造物
を補強するために使用され得る。
組立体ACは、「変形」と呼ばれる中間変形層CIDと、接着剤ADとを備える。接着剤ADは、基層S1と基層S2との間に配置され、CIDを介して相互に対して固定されるように意図される。CIDは、基層S1との第1の固定界面INT1と、接着剤ADとの第2の固定界面INT2とを備える。CIDは、これらの界面INT1およびINT2に沿って可変的な剛性を有する。
CIDおよび接着剤ADは、同一材料から作製されてもよい。CIDは、特に接着剤ADに近いヤング率を有してもよい。
CIDのために使用される材料は、具体的には以下のリストのポリマー、すなわち
- エポキシド、
- エラストマー、
- プラスチック、
- ポリウレタン、または
- 複合材料
の中から選択され得る。
エポキシおよび/またはポリウレタンの使用は、特に効果的であることが判明している。実際に、この場合には、CIDと接着剤ADとの間の接着親和性が改善される。
ベクトル(v)に沿ったCIDの箇所(x1;y1)におけるCIDの剛性Rvector(v)(x1;y1)は、その箇所においておよびベクトル(v)と同一方向に沿って印加される力Fと、その箇所における結果的な偏曲との間の正比例関係を表す。ベクトル(v)がCIDに対して垂直である場合には、引張-圧縮剛性という用語が使用され、ベクトル(v)がCIDに対して平行である場合には、せん断剛性という用語が使用される。これは、メートル当たりのニュートン(N/m)で表される。
接着剤ADは、比較的高い剛性を有してもよく、
- 基層S2の剛性により、基層S2との、および
- 接着剤ADおよびCIDの材料の接着親和性により、ならびに場合によってはCIDのヤング率が接着剤ADのヤング率と同様であり得ることにより、CIDとの
良好な接着性能を有する。
中間変形層CIDは、
- 接着層ADの周縁部における差動変形の吸収(CIDによる)、および
- 応力がより均一に分散される接着剤ADを介したこれらの基層との界面INT1およびINT2における全般的な接着性能
の改善を可能にする。
この場合に、可変剛性を有するCIDにより、接合組立体ACに対して印加された外力により発生するせん断応力および剥離応力をより均一に分散させる制御的な挙動の実現が可能となる。
CIDの変形吸収挙動により、通常であれば先行技術では接着剤ADにて発生するエッジ効果を軽減またはさらには解消することが可能となる。
一方向に沿ったCIDの所望の剛性値と、CIDに沿った剛性変化量は、上記に明示したように層内の空洞部により実現される。したがって、箇所(x1;y1)における剛性Rvector(x1;y1)を低下させるためには、例えば、
- ベクトル(v)の方向に沿って配向された微細構造体(細長要素)の個数および/または断面を減少および/または縮小すること、および/または
- 箇所(x1;y1)の周囲の空洞部の密度を上昇させること、および/または
- 細長要素を有利に配向すること
などが可能である。
種々の微細構造体を有するCIDの例を以下に示す。
図4Aの例では、CIDのエッジに配置された部分P1が示される。CIDのこの部分は、CIDの中心部に配置された部分P2の剛性レベルよりも低い剛性を有する。部分P1は、例えばCIDの周縁部、すなわち長手方向におけるエッジにおいてCIDの20%に相当する部分などであってもよい。より具体的には、エッジ効果は、P1において、
- 剥離応力に関連するエッジ効果を低下させるためにCIDに対して垂直な方向における剛直性を(ベクトル(v)=ベクトル(z))、および/または
- せん断に関連するエッジ効果を低下させるためにエッジのある箇所の近傍におけるCIDのこの箇所にてエッジに対して垂直な方向に沿ったおよびCIDの面に対して平行な方向に沿った剛性を(すなわちディスクである場合にはCIDの極基準系に関するCIDの面内におけるエッジからの径方向、ベクトル(v)=ベクトル(r))
低下させた場合に大幅に低下する。
エッジ効果が低下することにより(限界長さLmaxが大幅に増加される)、CIDの破壊強度が改善される。
図4Bの例では、CIDの脆弱領域にすなわち壁部中のクラックに配置された部分P3が示される。CIDの部分P3は、部分P2よりも低い剛性レベルを有する。
さらに具体的には、クラックの近傍における第1の基層(S1)と第2の基層(S2)との間の応力伝達は、P3にて応力が印加される方向に沿って(すなわち応力が剥離応力である場合にはCIDに対して垂直な方向に沿って、および/または応力がせん断応力である場合には1つまたは複数の長手方向に沿って)P3の剛性が低減される場合には、大幅に低下する。
図4Aの例は機械的コネクタに関し、図4Bの例は補強に関するが、図4Aで説明したCIDは、第2の基層(S2)が脆弱領域を有する場合には、図4Bにおいて説明するような部分P3をさらに備えてもよい。同様に、図4Bにおいて説明したCIDは、接合組立体(AC)がエッジ効果をもたらす高い応力を被る場合には、図4Aにおいて説明するような部分P1をさらに備えてもよい。
次に、可変剛性を有する中間変形層(CID)の実施形態を示した図5A～図5Gを参照する。これらのCIDはいずれも、図4Aの実施形態および図4Bの実施形態において使用が可能である。図5Aは、図5Bに示すCIDの断面図である。
このCIDは、第1の基層S1に対して固定される第1の外方層CEx1と、接着剤ADを介して第2の基層S2に対して固定される第2の層CEx2とを備える。
微細構造体MSが、これら2つの外方層CEx1およびCEx2を連結する。MSは、2つの外方層CEx1とCEx2との間にスペーサを形成する。これらの空洞部EVは、CIDのCEx1とCEx2との間においてMSにより占められない空間である。各CID、ならびに特にCIDの面内の剛性およびその変化量は、CIDを形成するために使用される材料と、MSにより形成される構造物すなわち換言すれば空洞部により形成される構造物とにより特徴付けられる。
図5Aおよび図5BのMSは、矩形断面の細長要素である。MSは格子を形成する。CIDの剛性は、図4Aおよび図4Bにおいて説明したような所望の特性を実現するように適合化され得る。例えば、全方向へのCIDのエッジにおける剛性を低下させるために、
- 層のエッジに位置するMS、例えばMS1は、CIDの中心に位置するMS、例えばMS2よりも小さな断面を有することが可能であり、
- CIDのエッジにより少数のMSを有することが可能である。
CIDのエッジにてCIDに対して直交方向における剛性を低下させ、CIDに対して平行方向における剛性を上昇させるために、
- CIDのエッジにおけるCEx1およびCEx2に対するMSの傾斜角度を縮小すること
が可能である。
対照的に、CIDのエッジにおけるCEx1およびCEx2に対するMSの傾斜角度が拡大されると、CIDに対して直交方向における剛性はCIDのエッジにて上昇し、CIDに対して平行方向における剛性は低下する。さらに一般的には、MSが上述したものとは逆に修正されると、剛性の逆修正が実現される。
CIDのエッジに位置しないMS、例えばMS2もまた、特に第2の基層S2が例えばMS2などにおいて脆弱領域を有する場合には、剛性を変更するために同一の様式で適合化することが可能である。
MSのかかる格子構造により、CIDに対して直交方向における剛性と、CIDに対して平行方向に沿った剛性とを、それらの剛性間において相対的な制約を伴わずに適合化することが可能となる。
図5Cおよび図5DのMSは、矩形断面の細長要素である。これらのMSは、CIDに対して直交方向において実質的に整列される。CIDの剛性は、図4Aおよび図4Bにおいて説明されたように所望の特性を実現するように適合化され得る。例えば、全方向においてCIDのエッジにおける剛性を低下させるために、
- 層のエッジに位置するMS、例えばMS3は、CIDの中心に位置するMS、例えばMS4よりも小さい断面を有することが可能であり、
- CIDのエッジにより少数のMSを有することが可能である。
図5Cの例では、例えばMSの曲率を上昇させることによってなど、CIDのエッジに位置するMSの形状を修正することによりCIDのエッジにおけるCIDに対して直交方向に沿った剛性を低下させることも可能である。
MSが上述したものとは逆に修正されると、剛性の逆修正が実現される。
CIDのエッジに位置しないMS、例えばMS4もまた、特に第2の基層S2が例えばMS4などにおいて脆弱領域を有する場合には、剛性を変更するために同一の様式で適合化することが可能である。
MSがCIDに対して直交方向に整列されるかかる構造体により、これと同一方向に沿って高い剛性を実現することが可能となり、また同時にCIDに沿った剛性の変更が可能になる。
図5EのMSは、矩形断面の細長要素である。図5Eの実施形態は、CIDに対して直交方向に実質的に整列されたMSと、CEx1およびCEx2に対して傾斜されたMSとを組み合わせる。図5EにおけるCIDの剛性は、図4Aおよび図4Bに図示したように所望の特性を実現するように適合化され得る。
例えば、全方向においてCIDのエッジにおける剛性を低下させるために、
- 層のエッジに位置するMS、例えばMS5は、CIDの中心に位置するMS、例えばMS6よりも小さい断面を有することが可能であり、
- CIDのエッジにより少数のMSを有することが可能である。
CIDのエッジにてCIDに対して直交方向における剛性を低下させ、CIDに対して平行方向における剛性を上昇させるために、
- CIDのエッジにおけるCEx1およびCEx2に対するMSの傾斜角度を縮小すること
が可能である。
また、例えばMSの曲率を上昇させることによってなど、CIDのエッジに位置するMSの形状を修正することによりCIDのエッジにおけるCIDに対して直交方向に沿った剛性を低下させることも可能である。
MSが上述したものとは逆に修正されると、剛性の逆修正が実現される。
CIDのエッジに位置しないMS、例えばMS6もまた、特に第2の基層S2が例えばMS6などにおいて脆弱領域を有する場合には、剛性を変更するために同一の様式で適合化することが可能である。
傾斜がCEx1およびCEx2に対して大きく変化するMSを有するかかる構造により、CIDに対して直交方向に沿ったCIDの剛性およびCIDに対して平行方向に沿ったCIDの剛性を、相互に対して大幅におよび無関係に異なるものにすることが可能となる。
図5Fの実施形態は、MSがCIDに対して直交方向に整列された細長要素である図5Dの実施形態の代替形態である。しかし、ここでは、MSは円形断面からなる。
図5Gの実施形態では、MSは自由形状であり、CID内における剛性の高い適合性を可能にする。これらの自由形状は、多数のシミュレーションにより実現され得る。
さらに、P3中に、すなわち脆弱領域に対面するCIDの部分中にクラックを設けることが可能である。これにより、第2の基層S2中に場合によっては出現するクラックにより印加される力を低減させることが可能となる。
CIDの厚さは、例えば2～20mmの間である。CIDの材料、すなわちCEx1およびCEx2ならびにMSは、1000～5000MPaの間であるヤング率数値を有する、組成において均質な材料からなる。CIDは、接着剤の同一の材料からなるものであってもよく、または接着剤ADのヤング率と同等のヤング率を有してもよい。CIDと接着剤との間におけるこの剛性均質性により、CIDと接着剤ADとの間の良好な接着条件が確保される。
図6では、上述したような接合組立体ACを製造する方法が図示される。
第1のステップST1では、第2の基層の表面の形状に関連するデータが取得される。例えば、第2の基層S2が、3Dレーザスキャナもしくはストラクチャードライトスキャナにより、または写真測量によりスキャンされる。
第2のステップST2で、CIDが形成される。CIDの剛性は、上述したようなMSの適切な構成により実現される。
具体的には、CIDは、例えば光重合によってなど、積層造形技術によって形成され得る。空洞部が密閉部を形成しないため、固化していないポリマーを抽出することが可能である。
ステップST1で取得されたデータに基づき、CIDの外方表面を形成するCEx2の表面が第2の基層S2に対して相補的になるように、CEx2が形成される。
第3のステップST3で、CIDが、第1の基層に対して固定される(例えば接着剤により)(この固定は工場で実施されてもよい)。このステップは、CIDが第1の基層上に直接的に形成される場合には実施されない。
第4のステップST4で、CIDおよび第1の基層S1により形成された組立体が、接着剤ADにより第2の基層S2に対して接合される。第2の基層S2は、このために事前に調製される(洗浄、表面仕上げ等)。接着剤ノブが、CID上に、より厳密には固定界面INT2上に配置される。次いで、CIDが、第2の基層S2に対面して、それらの表面同士が相互に相補的に対面し合うように位置決めされる。第1の基層S1、CID、および接着剤ノブからなるこの組立体は、第2の基層S2上に運ばれ、貼付け時間の最中に定位置に保持される。
第5のステップST5で、接合組立体ACが壁部上に装着手段を形成する例では、デバイスが、例えばボルト締めによってなど機械的コネクタを介して接合組立体ACに対して固定され得る。
本発明による接合組立体ACの適用は、上述の実施形態に限定されず、
- 損傷を被る(典型的には腐食により)構造領域の修復、
- パイプラインの修理、
- 産業構造物、航空機、船舶、車両、またはその他などの修復、補強、および/またはそれらに対する連結
を行う役割をさらに果たし得る点に気づかれよう。
当然ながら、本発明は、例として上述した実施形態に限定されず、他の変形例まで範囲が及ぶ。これに関して、他の実施形態によれば、中間変形層に含まれる層が、例えば空気セルがやはり中に設けられた傾斜プロファイルを有してもよい。具体的には、接合組立体のかかる実装形態により、特にエッジにおける接着剤の変形挙動の制御をさらに改良することが可能となり得る。
ACC 接合組立体
ADC 接着剤
F 力
AC 接合組立体
CM 機械的コネクタ
CID 中間変形層
AD 接着剤
INT1 第1の固定界面
INT2 第2の固定界面
P1 部分
P2 部分
P3 部分
S1 第1の基層
S2 第2の基層
CEx1 第1の外方層
CEx2 第2の層
MS 微細構造体

Claims (18)

  1. 接合組立体(AC)であって、
    第1の基層(S1)と、
    第2の基層(S2)と、
    前記第1の基層に対して固定された中間変形層(CID)であって、前記中間変形層(CID)が前記中間変形層(CID)に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように、互いに区分されない空洞部が設けられた材料を含む、中間変形層(CID)と、
    中間層と前記第2の基層(S2)との間の接着剤(AD)と、
    を少なくとも備える、接合組立体(AC)。
  2. 前記中間変形層の第1の面および/または前記中間変形層の第2の面のそれぞれが、前記第1の基層(S1)に対しておよび/または前記第2の基層(S2)に対して相補的な形状を有する、請求項1に記載の接合組立体(AC)。
  3. 前記中間変形層(CID)は、前記中間変形層(CID)の2つの面を連結する細長形状要素を備える、請求項1または2に記載の接合組立体(AC)。
  4. 細長要素は格子構造部を形成する、請求項3に記載の接合組立体(AC)。
  5. 細長要素は、前記中間変形層(CID)に対して直交方向に整列される、請求項3に記載の接合組立体(AC)。
  6. 一方向に沿った前記中間変形層(CID)の剛性が、要素の断面および/または前記要素間の間隔および/または前記要素の方向を適合化することによって、適合化される、請求項3から5のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  7. 前記材料は、前記接着剤のヤング率値と同一のヤング率値を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  8. 前記中間層の前記剛性は、徐々に変化する、請求項1から7のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  9. 前記中間層(CID)は、前記中間層のエッジに配置された部分(P1)を備え、前記部分(P1)は、ある方向に沿って、前記中間層の別の部分(P2)の前記方向に沿った剛性よりも低い剛性を有する、請求項1から8のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  10. 前記中間変形層(CID)は、前記第2の基層の脆弱領域および/または前記第2の基層中のクラックおよび/または高応力領域を覆う部分(P3)を備え、前記中間変形層(CID)の前記部分は、ある方向に沿って、前記中間変形層(CID)の他の部分(P2)の前記方向に沿った剛性よりも低い剛性を有する、請求項1から9のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  11. 引張応力および/またはせん断応力に対する前記中間変形層(CID)の機械抵抗が、前記第1の基層(S1)および前記第2の基層(S2)の少なくとも一方の機械抵抗よりも低い、請求項1から10のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  12. 前記中間変形層(CID)は、組成において均質な材料から形成される、請求項1から11のいずれか一項に記載の接合組立体(AC)。
  13. 接合組立体(AC)の要素を製造する方法であって、
    ある材料を含む中間変形層(CID)を形成するステップであって、前記中間変形層(CID)が前記中間変形層(CID)に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように、前記材料中に空洞部を形成するように実施される、ステップと、
    前記形成された中間層および第1の基層を共に固定するステップと、
    を含む、接合組立体(AC)の要素を製造する方法。
  14. 前記中間層を形成するステップは、積層造形技術により実施される、請求項13に記載の接合組立体(AC)の要素を製造する方法。
  15. 第2の基層(S2)の表面の形状に関連するデータを取得するステップをさらに含み、
    前記中間変形層(CID)を形成するステップは、前記第2の基層(S2)の表面の形状に対して相補的である形状を有する前記中間変形層(CID)の表面を形成するように実施される、請求項13または14に記載の接合組立体(AC)の要素を製造する方法。
  16. 接合組立体(AC)を製造する方法であって、
    請求項13または14に記載の接合組立体(AC)の要素を製造するステップを含み、前記方法は、接着剤(AD)により第2の基層に対して前記中間変形層(CID)を接合するステップをさらに含む、または
    請求項15に記載の接合組立体(AC)の要素を製造するステップを含み、前記方法は、接着剤(AD)により前記第2の基層に対して前記中間変形層(CID)を接合するステップをさらに含む、
    接合組立体(AC)を製造する方法。
  17. 前記接合組立体(AC)の要素を製造する方法は、請求項15に従って実施され、前記接着剤(AD)により前記第2の基層(S2)に対して前記中間変形層(CID)を接合するステップは、前記中間変形層(CID)の表面が相補的な様式で前記第2の基層(S2)の表面に対して固定されるように実施される、請求項16に記載の接合組立体(AC)を製造する方法。
  18. 補強対象の少なくとも1つ基層(S2)を備える構造物を補強するための方法であって、
    補強基層(S1)および中間層(CID)を共に固定するステップであって、前記中間層(CID)は、中間変形層(CID)が前記中間変形層(CID)に対して平行方向に沿って可変的である剛性を有するように、互いに区分されない空洞部が設けられた材料を含む、ステップと、
    接着剤(AD)により補強対象の前記基層(S2)上に前記補強基層(S1)および前記中間変形層(CID)を保持するステップと、
    を含む、方法。
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