JP4669048B2 - 成形コンポジットおよびこれを製造する方法 - Google Patents

Description

技術分野
開示の分野
本開示は、概略的にはコンポジット材を対象とし、そしてより詳細には、成形コンポジット材を形成する方法を対象とする。

関連技術の説明
コンポジット材は、種々の用途において長く利用されてきた。特に、コンポジット材は最近ベアリングとして利用されている。一般に、ベアリングは摩擦力を軽減するために用いる機械装置である。ベアリングは、一般に２つの広範な範疇、リニアベアリングまたはラジアルベアリングに属し、これらが軽減する摩擦力の性質に基づいたものとして指定される。リニアベアリングまたはスラストベアリングは、ドロワーが中および外で動くこと等の直線に沿った動作を有する用途において使用する。ラジアルベアリングまたはロータリーベアリングは、軸上の旋回等の中心軸の周りの動きを含む用途において使用する。加えて、スラスト荷重およびラジアル荷重の両者を扱うように設計されるベアリングもある。

種々の種類の材料が、摩擦を適切に低減するのに必要なベアリングの種類に応じて利用されてきた。実際、用途において予期される要求および荷重に応じ、ベアリングの材料はプラスチック、金属から更にセラミックスに及ぶことができる。最近の進歩は、自己潤滑性ベアリングと呼ばれるベアリングの新たな分野を与えており、これは自動車の高温等のより厳しい環境中で使用できる。用いる材料の種類はこれらのベアリングの自己潤滑特性を促進する。幾つかの一般的な自己潤滑性材料としては、種々のポリマー、グラファイトまたはＧｒａｐｈａｌｌｏｙ（登録商標）グラファイト／金属合金、および二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）が挙げられる。自己潤滑性ベアリングは、オイルを殆どまたは全く必要とせず、かつ典型的には、従来の補足的な潤滑に依拠する従来のベアリングほど早くは摩耗で劣化しない。

ベアリングを形成するために用いる方法は、ベアリングの形状の複雑さおよび形成される材料に応じて変わるが、一般的には、モールド、キャスト、またはスタンピング操作等の技術を含む。より複雑な構造を有するベアリングは、一般的にはモールドまたはキャストの方法を経て形成する。より複雑でない構造を有するベアリングは、典型的には、スタンピング操作等の形成方法（これにより大きいシートの材料から所望の形状が迅速に与えられる）を利用する。しかし、これらの方法は、最終製品のコストの点で無駄が多い可能性がある。

従って、産業界には、ベアリング用途において用いるもの等の高性能コンポジットを生成するための改善が依然として必要とされ、そしてこのようなものとして、産業界には、よりコスト的に有効で効率的な加工を利用して高性能コンポジットを形成するための方法が望まれている。

発明の要約
一側面に従い、主表面を有する実質的に硬質（rigid）の基材と、該実質的に硬質の基材の主表面上を覆うポリマーとで形成されたコンポジットストリップを作製すること、および、コンポジットストリップをマンドレルとともに成形すること、の工程を含む方法を開示する。コンポジットストリップを成形して、成形工程の間にコンポジットストリップの主表面を実質的に同一平面に維持するようにマンドレルの形状によって実質的に規定される形状を有する成形コンポジット片を形成する。

他の側面に従い、実質的に硬質の基材と、実質的に硬質の基材上を覆うポリマーラミネートとで形成されたコンポジット材を含むコンポジットワッシャを提供する。コンポジット材は、外径約５．１ｃｍ以下かつ形成限界約１．５以下の開放環状構造を有する。

第３の側面に従い、金属と該金属上を覆うポリマーラミネートとから形成されたコンポジット材を含むコンポジットワッシャを提供する。コンポジット材は、外径約５．１ｃｍ超かつ形成限界約１．２５以下を有する開放環状構造を有する。

図面の簡単な説明
本開示は、添付の図面を参照することによってより良く理解でき、そしてその多数の特徴および利点が当業者に明らかとなる。

図１は、特定の態様に係る方法を示すフローチャートである。

図２は、特定の態様に係るコンポジットスプリットワッシャの説明図である。

別の図における同一符号の使用は、同様または同一の事項を示す。

発明を実施するための形態
一側面に従い、主表面を有する実質的に硬質の基材と、該実質的に硬質の基材の主表面上を覆うポリマーとで形成されたコンポジットストリップを作製する工程を含む方法を開示する。該方法はまた、マンドレルコンポジットとともにコンポジットストリップを成形して、成形工程の間にコンポジットストリップの主表面を実質的に同一平面に維持するように、マンドレルの形状によって実質的に規定される形状を有する成形コンポジット片を形成する工程を含む。

図１を参照し、一態様に係るコンポジット材を成形するためのスクラップレスまたはほぼスクラップレスの形成技術の工程を示すフローチャートを与える。図１に従い、実質的に硬質の基材と上覆ポリマー層とを含むコンポジットストリップを作製することによって方法を開始する。一態様において、実質的に硬質の基材としては、金属、金属合金、またはこれらの組合せが挙げられる。実質的に硬質の基材に好適な金属としては、曲げやすい（pliable）金属、例えばアルミニウム、鉄、銅、他の遷移金属、またはこれらの合金が挙げられる。更に、特定の態様に従い、実質的に硬質の基材は織った金属メッシュで形成される。

コンポジット材に更に関し、実質的に硬質の基材は、主表面を有するストリップとして一般的に形成できる。一態様に従い、コンポジットストリップのアスペクト比は約５：１以上である。他の態様に従い、アスペクト比はより大きいことができ、例えば、約６:１以上または約８．１以上であることができる。更に、特定の態様に従い、コンポジットストリップのアスペクト比は約１０:１以上である。本明細書で用いる用語「アスペクト比」は、基材の最長寸法（長さ）と２番目に長い寸法（幅）との間の比として規定する。基材の主表面は、長さおよび幅の寸法によって規定される平面である。そのようなものとして、基材ストリップの最短寸法は厚みであり、そして一態様に従い、コンポジットストリップの厚みは約５．０．０ｍｍ以下、例えば約４．０ｍｍ以下、または更に約３．０ｍｍ以下である。コンポジットストリップの総厚みは、実質的に硬質の基材の厚みにある程度左右される。一態様に係る実質的に硬質の基材は、約３．０ｍｍ以下、例えば約１．０ｍｍ以下または更に約０．５ｍｍ以下である。

他の態様に従い、コンポジット材を作製する工程としては、別個の寸法のコンポジットストリップをより大きいコンポジット材料片から切断することが挙げられる。殆どの用途に対して、コンポジットストリップの長さは典型的には約１００ｃｍ以下である。一態様に従い、コンポジットストリップの長さは約７５ｃｍ以下、または約５０ｃｍ以下である。更に、コンポジットストリップの長さはより短いことができ、例えば約２５ｃｍ以下、または更に約１０ｃｍ以下であることができる。特定の態様において、コンポジットストリップの長さは、約７５ｃｍから約５ｃｍの間である。コンポジットストリップの切断は、手動または自動の装置を用いて実現できる。更に、コンポジットストリップの切断としては、コンポジットストリップの端部を、横軸に対してコンポジットストリップの端部が先細になるような角度で切断することも挙げられる。コンポジットストリップの端部を先細にすることにより、コンポジットストリップの片側の長さをコンポジットストリップの逆側の長さよりも短くする。これにより、すき間を有するコンポジット形状、例えば後続の態様で記載するコンポジットスプリットワッシャの形成が補助される。

基材を作製する工程はまた、別個の幅の基材をコンポジット材のより大きい断片から切断することを含むことができる。一態様に従い、基材の幅は約５．０ｃｍ以下、例えば約４．０ｃｍ以下、または更に約３．０ｃｍ以下である。このようなものとして、基材の幅は、最終的な断片の所望の寸法に応じてより小さいことができ、約２．０ｃｍ以下であることができる。

コンポジット材に関し、実質的に硬質の基材は、ポリマー層がラミネートであって基材の主表面上を実質的に覆うような上覆ポリマー層を含む。ポリマーラミネートは、薄く剥いで、または薄く削って厚みの薄い、例えば厚み約１．０ｍｍ未満のポリマーシートを生成した材料のシートから得ることができる。材料のシートとしてポリマーが実質的に硬質の基材の少なくとも主表面上を覆うように基材をポリマーシートとラミネートできる。任意選択的に、追加の硬質メッシュ層、例えばブロンズ金属メッシュ層、を実質的に硬質の基材とポリマーラミネート層との間に導入できる。コンポジット材の形成は、典型的には熱および圧力の処理、ならびに接着剤、例えばポリマーラミネートと実質的に硬質の基材とを接合させるためのエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）を含む。加えて、耐久性および成形性を改善するために硬質のバッキング層、例えば金属バッキング層をコンポジット材に貼ることができる。金属バッキングは基材上またはポリマーラミネート層上を覆うことができる。一態様において、ポリマー層は、基材の表面の大部分、例えば基材の主表面および基材の主表面に隣接する複数の側面の上を実質的に覆うことができる。更に、ポリマー層は、基材の主表面、基材の反対の主表面、および基材の複数の隣接側面を実質的に覆うラミネート層であることができる。一般的に、ポリマー層は曲げやすくかつ金属とともに成形するのに好適である。一態様に従い、ポリマーはフルオロポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であることができ、これを添加することは自己潤滑性ベアリング用途において使用するのに好適である。加えて、ポリマー層は、フィラー、例えばセラミックス、セラミックファイバーまたはカーボンを含有する化合物を含むことができる。特定の態様において、コンポジット材はＮＯＲＧＬＩＤＥ（登録商標）コンポジット材（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，１５０ Ｄｅｙ Ｒｏａｄ，Ｗａｙｎｅ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙから市販で入手可能）である。

図１を再び参照し、コンポジットストリップ１０１を作製した後、コンポジットストリップを導路（channel）１０３内で係合させることができる。一態様に従い、コンポジットストリップは導路内に機械的に供給でき、または手動で導路内に供給できる。成形の間コンポジットストリップの少なくとも一部を導路内に固定できるように、導路はコンポジットストリップの寸法と実質的に同様の寸法を有することができる。

例示的な態様において、コンポジットストリップを導路１０３内で係合させた後、コンポジットストリップはマンドレル１０５と係合する。一般的に、コンポジットストリップは、マンドレルの表面にストリップの一部を接触させることによってマンドレルと係合できる。マンドレルを係合させることは、コンポジットストリップの一部をマンドレルに対して固定することを更に含むことができる。本明細書の種々の態様に従い、コンポジットストリップは、一般的に導路内に固定でき、そしてコンポジットストリップの主表面がマンドレルの表面と接触しないようにマンドレルと係合でき、更には、コンポジットストリップの厚みによって規定されるコンポジットストリップの端が成形の間にマンドレルの表面と接触できる。

従って、マンドレルは、最終的な成形コンポジット片の所望の配置および外形と実質的に同様の選択された配置および外形を有することができる。一般的に、マンドレルは多角形形状を有することができ、特に対称な多角形形状、例えば円等を有することができる。特定の態様に従い、円形の外形（circular contour）を有する成形コンポジット片を形成し、これによりマンドレルの外周が成形コンポジット片の内周を実質的に規定するために、マンドレルは円形の外形を有する。一般的に、マンドレルのサイズは、成形コンポジットの所望のサイズに応じて変えることができる。円形の外形を有する成形コンポジットの形成に関連し、マンドレルの直径は約１ｃｍ以上、例えば約２．５ｃｍ以上、そして特には直径約２．５ｃｍから約１５ｃｍの範囲内であることができる。

コンポジットストリップをマンドレル１０５と係合させた後、基材およびコンポジットストリップの主表面がマンドレルと接触せず同一平面に維持されるようにコンポジットストリップをマンドレル１０７の外形の周りに成形できる。一態様において、マンドレルの周りにコンポジットストリップを形成するための好適な技術としては、コンポジットストリップをマンドレルの周りに案内するのに十分な力でコンポジットストリップの主表面を回転させることが挙げられる。一態様に従い、回転力は、約２．０ｋＮ以上、例えば約４．５ｋＮ以上、または約１０ｋＮ以上である。種々の態様において、コンポジットストリップの主表面に適用される力は、約１５ｋＮ以上、そして特には約５ｋＮから約５０ｋＮの間の範囲内であることができる。

成形プロセスはまた、コンポジットストリップの主表面を回転させる一方、コンポジットストリップを把持し、そしてマンドレルの周りにコンポジットストリップを案内することによって補助できる。プロセスは、１つまたは複数の把持機構、例えばジョーまたはペンチ（pincers）を利用でき、コンポジットストリップを係合させるため、および成形プロセスを補助するのに十分な力を維持するためにマンドレルの周りに移動させる。特定の態様において、ジョーがコンポジットストリップの端部を把持する一方、成形の間に縁の少なくとも一部がマンドレルの表面との接触を実質的に維持するように、コンポジットストリップの縁がマンドレルを係合する。特定の態様において、ジョーがマンドレルの形状に沿ってコンポジットストリップを形成する一方、ローラーがコンポジットストリップの主表面の上を移動する。コンポジット形状の半分を形成した後、他の組のジョーがコンポジットストリップの端部を把持してコンポジットストリップをマンドレルの残り部分に沿って案内し成形プロセスを終了させる一方、コンポジット材の主表面を十分な力で巻くことができる。成形プロセス１０７の完了時に、コンポジットストリップは、マンドレル１０９の形状の周りから取出すことができる。

図２を参照し、先の態様で説明した成形プロセスに従って形成できるスプリットワッシャ２００を示す。図２は、隙間またはスプリット２０７を有する環状構造に形成されたコンポジットストリップ２０１を示す。隙間のサイズは製品の所望の用途に大きく左右される可能性がある。一態様に従い、開放環状構造は、外周が約３４０°以上、例えば約３５０°以上、または更に約３５５°以上に亘って伸びる。

図２のスプリットワッシャは、内径２０３と外径２０５とを有する。特定の態様に従い、開放環状構造は形成限界を有する。本明細書で用いる「形成限界」は、先の態様で説明した成形プロセスを用いてコンポジット形状を形成するための最大許容寸法の指標である。円形の外形を有するコンポジット形状、例えばスプリットワッシャ２００に関連し、成形限界は最大許容外径２０５を、外径２０５と内径２０３との間の比（Ｏ．Ｄ．_max／Ｉ．Ｄ．）として表す。特定の態様に従い、外径約５．１ｃｍ（約２．０インチ）以下の開放環状構造について、形成限界（Ｏ．Ｄ．_max／Ｉ．Ｄ．）は約１．５以下であり、これにより、最大許容外径は、内径寸法の１．５倍以下である。とりわけ、外径が５．１ｃｍ（約２．０インチ）超である場合、形成限界は変化する。特定の態様に従い、外径約５．１ｃｍ超である開放環状構造について、形成限界（Ｏ．Ｄ．_max／Ｉ．Ｄ．）は約１．２５以下であり、すなわち、最大許容外径は内径寸法の１．２５倍以下である。

これに関連し、以下のコンポジット環状構造を考える。一態様に従い、実質的に硬質の基材と、実質的に硬質の基材上を覆うポリマーラミネートとを有するコンポジット材は、開放環状構造を形成する。コンポジット材の開放環状構造は、外径約５．１ｃｍ以下および形成限界約１．５以下を有することができる。このような構造はシール、ワッシャ、またはベアリング、または特にスラストベアリングとして好適であることができる。実際に、好適なポリマー、例えばフルオロポリマーは、ベアリング用途のための自己潤滑特性を促進するために使用できる。特定の態様において、コンポジット材は、ＮＯＲＧＬＩＤＥ（登録商標）コンポジット材（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，１５０ Ｄｅｙ Ｒｏａｄ，Ｗａｙｎｅ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙから市販で入手可能）である。

特定の態様に従い、他のコンポジット環状構造を考える。この構造は、金属基材と、金属基材上を覆うポリマーラミネートとを含むことができ、該構造は開放環状構造である。開放環状構造は、外径約５．１ｃｍ超および形成限界約１．２５以下を有することができる。このような構造は、シール、ワッシャ、またはベアリング、もしくは特にスラストベアリングとして好適であることができる。実際、好適なポリマー、例えばフルオロポリマーは、ベアリング用途のための自己潤滑特性を改善するために使用できる。特定の態様において、コンポジット材は、ＮＯＲＧＬＩＤＥ（登録商標）コンポジット材（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，１５０ Ｄｅｙ Ｒｏａｄ，Ｗａｙｎｅ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙから市販で入手可能）であることができる。

上記で開示した主題は例示的であって限定的ではなく、特許請求の範囲は本発明の真の範囲内の全てのこのような変更、改良および他の態様に及ぶことを意図すると考えるべきである。従って、法律が許容する最大限の範囲で、本発明の範囲は特許請求の範囲の最も広範な許容し得る解釈およびこれらの均等物によって決定すべきであり、そして前記した詳細な説明によって限定または制限すべきでない。

特定の態様に係る方法を示すフローチャートである。 特定の態様に係るコンポジットスプリットワッシャの説明図である。

Claims (10)

1. 主表面を有する実質的に硬質の基材と、該実質的に硬質の基材の主表面上を覆うポリマーとを含むコンポジットストリップを作製すること；および
   コンポジットストリップをマンドレルとともに成形して、マンドレルの形状によって実質的に規定される形状を有する成形コンポジット片を形成すること；
   を含み、成形工程の間にコンポジットストリップの主表面を実質的に同一平面に維持する、方法。
2. コンポジットストリップのアスペクト比が５：１以上である、請求項１に記載の方法。
3. 作製工程が、コンポジットストリップの横軸に対してコンポジットストリップの第１の側の長さがコンポジットストリップの逆側の長さよりも短い角度で、コンポジットストリップの端部を切断することを更に含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 成形工程が、コンポジットストリップを導路内で係合させることを更に含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 成形工程が、コンポジットストリップをマンドレルの周りに案内するのに十分な力でコンポジットストリップの主表面を回転させることを更に含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 成形工程が、円形の外形を有する成形コンポジット片を形成することを更に含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. マンドレルの外周が、成形コンポジット片の内周を実質的に規定する、請求項６に記載の方法。
8. 成形コンポジット片の外径が５．１ｃｍ以下であり、かつ形成限界が１．５以下である、請求項６に記載の方法。
9. 実質的に硬質の基材の厚みが０．５ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
10. 実質的に硬質の基材と、該実質的に硬質の基材上を覆うポリマーラミネートとを含むコンポジット材を含み、コンポジット材が外径５．１ｃｍ以下かつ形成限界１．５以下の開放環状構造を有する、コンポジットワッシャ。

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