JP5636360B2 - 多層複合材料にビーディング折り目を形成する方法及び少なくとも１つのビーディング折り目を有する多層複合材料 - Google Patents
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Description
本発明は、プラスチック材料製の少なくとも１つのコア層と、金属材料製の少なくとも２つのカバー層とを有する多層複合材料にビーディング折り目（beading fold、Boerdelfalzes（英、独訳））を形成する方法に関する。さらに、本発明は、プラスチック材料製の少なくとも１つのコア層と、金属材料製の少なくとも２つのカバー層とを備え、少なくとも１つのビーディング折り目を有する多層複合材料に関する。
多層複合材料は従来知られている。例えば、特許文献１は、折り返し（turn-up、Umschlag（英、独訳））を備えた三層複合材料が配置されている、車体の屋根要素を開示している。この場合、複合材料は合成樹脂、特にポリプロピレン製のコア層を有する。一般に、プラスチック材料製のコア層及び金属材料製の２つのカバー層によって、複合材料の重量と、それぞれ剛性、又は強度との間の有利なバランスがもたらされる。コア層上の応力は、典型的な負荷の場合にはカバー層上の応力より小さいので、金属材料に比べて低い密度、ひいてはその軽い重量によって実質的に区別されるプラスチック材料をコア層として選択することができる。さらに、このタイプの複合材料は断熱性及び振動減衰性を有する。
特許文献２は、同様に、２つの外シート金属層と、プラスチック材料、例えば添加剤を備えたポリ酢酸ビニル製のコア層とを有し、深絞り加工された（deep-drawn、tiefgezogen（英、独訳））三層複合材料を開示している。プラスチック材料コア層の粘度を下げるため、深絞り加工プロセスが１２０℃〜１６０℃の温度で行われるであろう。特に、この手段では限界絞り比を高めることが可能であろう。しかしながら、深絞り加工（deep-drawing、Tiefziehen（英、独訳））中に作り出される形成半径は、それぞれ折り返し又はビーディング折り目の半径に比べて有意に大きく、このことが、個々の層の材料上の応力がビーディング折り目又は折り返しの組込み中より深絞り加工中の形成湾曲領域で有意に低い理由である。プラスチック材料コア層は、特許文献２とは対照的に、また一般的にカバー層より有意に大きい厚さを有するので、形成中に及ぼされる負荷に対してカバー層は不釣合に影響を受けやすく、ひいては材料破損、例えば破裂、亀裂などがカバー層に生じることがある。
従って、本発明は、高いプロセス信頼性及び形成される多層複合材料の最適な完全性を保証する、多層複合材料にビーディング折り目を形成する方法を開示するという目的に基づいている。さらに、本発明は、対応して形成される多層複合材料を開示するという目的に基づいている。
この目的は、本発明の第１の教示に従い、プラスチック材料製の少なくとも１つのコア層と、金属材料製の少なくとも２つのカバー層とを有する多層複合材料にビーディング折り目を形成する方法であって、複合材料のコア層を、形成すべきビーディング折り目の領域で、少なくとも部分的に（in portions、abschnittsweise（英、独訳））、１８０℃〜３００℃の温度に加熱する、方法によって達成される。
本発明によれば、熱、特に１８０℃〜３００℃の温度の熱の作用のため、プラスチック材料コア層の強度を低減し得ることが認められた。ビーディング折り目は、湾曲部の領域の半径を非常に小さくして材料を形づくることを特徴とする。それによって、外側カバー層は、内側カバー層より大きい範囲を覆う。結果として、外側カバー層は伸長しなければならず、高い引張応力をもたらし、外側カバー層の材料の破損につながり得る。この影響はコア層が厚いほど、かつカバー層が薄いほど、なおさらに重大である。
複合材料の加熱のため、コア層の強度は、ビーディング中にコア層がビーディング工具によって及ぼされる圧力によって部分的に変位し得るほどまでに低減する。このことが、ビーディング折り目の幾何学的形を変えて、コア層を加熱しない状態に比べて小さい範囲を外側カバー層が覆うことになる。結果として、カバー層内の張力、ひいては外側カバー層と内側カバー層の破損のリスクが減少する。従って、カバー層のビーディング折り目湾曲部の領域に亀裂、破裂などがあるという多層複合材料の無駄を減らすことができ、特に経済的利益をもたらす。
本発明の範囲では、形成プロセス中にコア層を１８０℃〜３００℃の温度にどのように加熱するかは重要でない。熱を熱伝導、熱誘導又は熱放射によってカバー層内に導入し、そこから熱伝導によってコア層内に導くのが好ましい。この場合、カバー層の加熱は、ビーディングにとっては有利でなく、必ずしも望ましくない。しかし、カバー層の加熱を完全に回避することはできないので、金属カバー層の材料特性がわずかにしか変化せず、同時に、コア層の材料特性が大きく変化する温度範囲が好ましい。有利には、形成の前後及び形成中にコア層の温度状態を測定する。このようにして、形成プロセスの信頼できる遂行を保証することができる。
２つのカバー層を同一金属材料から製造するか又は異なる金属材料から製造してよい。同一金属材料を使用すると、対称構造を有する複合材料をもたらし、特に、複合材料のさらなる加工を容易にすることができる。異なる金属材料を使用することによって、今度は、それぞれ異なるさらなる加工工程又は使用工程において２つのカバー層の異なる要件に非常に柔軟に複合材料を適合させ得る。
本方法の有利な実施形態では、加熱を２００℃〜２６０℃の温度まで行う。こうして、熱によってもたらされるプラスチック材料強度の低減とプラスチック材料の安定性との間のバランスを取ることができる。３００℃付近の高温は、不可逆的でない最大の強度低減を保証するが、もしそうなれば、プラスチック材料自体の構造に修繕できないほどに影響を及ぼす。強度の著しい低減は、形成中にプラスチック材料の変位が促進されることを意味する。一方で、本発明の範囲で定義される１８０℃という温度の適度な上昇は、複合材料が小径のビーディング折り目を形成する能力をまだ十分に良く備えながら、形成中のプラスチック材料の構造、ひいてはプラスチック材料の安定性を高度に維持できるようにする。２００℃〜２６０℃の温度を選択することによって、本方法は両要件を満たすことができる。
形成プロセスの開始前に加熱プロセスを終わらせることが好ましい。このようにして、加熱する段階と、加熱された領域にビーディング折り目を形成する段階とを分離することができる。従って、信頼できるプロセス順序を特に有利に保証し得る。例えば、複合材料を加熱するために用いた装置を複合材料から除去できるので、それぞれ形成工具又はビーディング工具に十分なスペースが得られる。形成プロセスは基本的にあまり長くかからないので、加熱された複合材料の過剰冷却を予想する必要はない。
しかし、もう一つの方法として、形成プロセス中に少なくとも一時的に加熱プロセスを行うこともできる。
このようにして、加熱段階として、時間的に非常に効率的にビーディング折り目を形成する方法を実施することができ、換言すれば、少なくともプラスチック材料を加熱するために使われる時間と、形成プロセスとが少なくとも一時的に並行して進む。従って、例えば、加熱用装置とビーディング用装置を多機能装置に兼備させることもできる。従って、ビーディング工具が加熱要素を装備することもあり、その熱エネルギーが、形成中に少なくとも一時的に複合材料に伝わる。この変形は、本発明の方法の適応性を説明する良い例となる。
カバー層の金属材料は好ましくは鋼又は、特に高強度若しくは超高強度合金鋼である。結果として、コア層とカバー層の異なる材料の特性が、特に複合材料が特定の最小厚を有する必要があるが、その重量は特定の最大限度を超えてはいけない場合、有利に相互に補完し得る。鋼又は、特に高強度若しくは超高強度合金鋼を使用することによって、これらの要件が有利に満たされる。鋼又は合金鋼製のカバー層が、それぞれ高強度、又は剛性を与える一方でプラスチック材料製のコア層を用いて複合材料の特定厚を調整することができ、それにもかかわらず、プラスチック材料はその低い密度のため複合材料の全重量には比較的少ししか寄与しないからである。さらに、鋼又は合金鋼は良い耐食性、良い形成挙動をもたらし、特に溶接に適している。
本方法のさらに有利な実施形態では、２つのカバー層が相互に同一又は異なる厚さを有してよい。従って、複合材料は、２つのカバー層に作用する異なる負荷に適合し得る。同一厚の構成は、複合材料が優先方向を持たないが、実質的に対称なので、複合材料のさらなる加工を容易にする。
コア層は、好ましくは最も厚いカバー層の２〜５倍大きい厚さを有する。従って、特に好適な比は、複合材料の重量と、それぞれ複合材料の強度、又は剛性との間で得られる。このようにして、有利な断熱特性及び振動減衰性をも得ることができる。プラスチック材料製のコア層は、例えば、０．７５ｍｍの厚さを有する一方で、金属材料製のカバー層は約０．２５ｍｍの厚さである。これは約３対１の比に相当する。従って、形成プロセス中に作り出されるビーディング折り目以外の複合材料の全厚は、約１．２５ｍｍであろう。この厚さが、自動車工学、特に車体構造において運搬要素又は外形要素を製造するために好ましいような特性を複合材料に与える。
本方法のさらに好ましい実施形態によれば、コア層が発泡プラスチック材料から成る。このプラスチック材料（ポリマー）は、有利にはガスを含有し、好ましくは空気、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素若しくは他の不活性ガス又は希ガスを含む。この利点は、加熱状態で、プラスチック材料が部分的に側方へ変位できるのみならず、本質的に圧縮性でもあることである。結果として、折り目領域は、まださらに良く変形することができ、カバー層内の応力がさらに減少し得る。
本発明のさらなる教示によれば、プラスチック材料製の少なくとも１つのコア層と、金属材料製の少なくとも２つのカバー層とを備え、少なくとも１つのビーディング折り目を有する多層複合材料であって、ビーディング折り目の湾曲部以外の領域に比べてビーディング折り目の湾曲部の領域でコア層が次第に細くなっている、多層複合材料によっても本発明の目的が達成される。
これは、外側カバー層が、より小さい範囲を覆うことになるという事実につながる。結果として、カバー層内の応力、ひいては外側カバー層と内側カバー層の破損のリスクが減少する。
カバー層の金属材料は好ましくは鋼又は、特に高強度若しくは超高強度合金鋼である。結果として、コア層及びカバー層の異なる材料の特性が、特に複合材料が特定の最小厚を有する必要があるが、その重量は特定の最大限度を超えてはいけない場合、有利に相互に補完し得る。鋼又は、特に高強度若しくは超高強度合金鋼を使用することによって、これらの要件が有利に満たされる。鋼又は合金鋼製のカバー層が、それぞれ高強度、又は剛性を与え、一方でプラスチック材料製のコア層を用いて複合材料の特定厚を調整することができ、それにもかかわらず、プラスチック材料はその低い密度のため複合材料の全重量には比較的少ししか寄与しないからである。さらに、鋼又は合金鋼は良い耐食性、良い形成挙動をもたらし、特に溶接に適している。
多層複合材料のさらに有利な構成では、２つのカバー層が相互に同一又は異なる厚さを有してよい。従って、複合材料は、２つのカバー層に作用する異なる負荷に適合し得る。同一厚の構成は、複合材料が優先方向を持たないが、実質的に対称なので、複合材料のさらなる加工を容易にする。
コア層は、好ましくは最も厚いカバー層の２〜５倍大きい厚さを有する。従って、特に好適な比は、複合材料の重量と、それぞれ複合材料の強度、又は剛性との間で得られる。このようにして、有利な断熱特性及び振動減衰性をも得ることができる。プラスチック材料製のコア層は、例えば、０．７５ｍｍの厚さを有する一方で、金属材料製のカバー層は約０．２５ｍｍの厚さである。これは約３対１の比に相当する。従って、形成プロセス中に作り出されるビーディング折り目以外の複合材料の全厚は、約１．２５ｍｍであろう。この厚さが、自動車工学、特に車体構造において運搬要素又は外形要素を製造するために好ましいような特性を複合材料に与える。
少なくとも１つのビーディング折り目を有する多層複合材料の使用は、有利な軽量化特性と、それぞれカバー層によってもたらされる強度、又は剛性とを有利に併せ持ち、そこで使用できるので、自動車生産、特に車体生産において、運搬要素又は外形要素の製造のために特に好ましい。
本発明の方法及び本発明の多層複合材料を構成するため及びさらに開発するための新しい多様な可能性がある。この目的のため、例えば、請求項１に従属する従属請求項を参照されたい。以下、図面に示す典型的な実施形態の助けを借りて本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、その中にビーディング折り目を形成するために使用できる典型的な三層複合材料２の細部の断面図を示す。コア層４はプラスチック材料から成り、例えば、０．７５ｍｍの厚さを有する。コア層４の両側にそれぞれ鋼製のカバー層６、８が配置されている。また、特に高強度又は超高強度合金鋼をカバー層６、８の材料として使用できる。この例では、カバー層６、８は約０．２５ｍｍの同一厚を有するが、相互に異なる厚さで構成してもよい。コア層４は、一般的に好ましくは最も厚いカバー層６、８の厚さの２〜５倍大きい厚さを有する。２つのカバー層６と８の間に複数のコア層４を備えることがその用途に好都合な場合にはそれも可能である。その場合さらなるコア層４も有利には、例えば、プラスチック材料のような比較的低密度の材料から形成すべきであろう。
次に、図２は、伝統的なやり方でビーディング折り目を設けた場合の図１から知られている三層複合材料２を示す。ビーディング折り目の湾曲部１０の半径が、深絞り加工によってもたらされる形成半径に比べて小さいことが図２で分かる。ビーディング折り目を形成するという材料構造を考慮していない伝統的方法を使用したため、ビーディング折り目の湾曲部１０の領域のプラスチック材料コア層４の厚さは、ビーディング折り目の湾曲部１０以外にあるような、従って三層複合材料２中にビーディング折り目が形成される前にもあったような厚さと実質的に等しい。しかし、このことが、比較的高い応力のため、ビーディング折り目の湾曲部１０の領域における鋼製のカバー層６、８の材料の破損につながることがあるので、この点でカバー層６、８の亀裂又は破裂のリスクが高まる。
これとは対照的に、図３は、図１から分かるように、複合材料２内に本発明の方法でビーディング折り目を形成した場合の三層複合材料２を示す。少なくともコア層４の材料を１８０℃〜３００℃、特に２００℃〜２６０℃の温度に加熱することによって、プラスチック材料の強度を低減する。この温度で行われるビーディングプロセスのため、コア層４の材料は、形成すべきビーディング折り目の湾曲部１０の領域から部分的に変位し得る。結果として、外側カバー層６は、図２の例に比べて小さい範囲を覆うので、特に、形成すべきビーディング折り目の湾曲部１０の領域のカバー層６、８の応力及び破損のリスクを低減することができる。それに応じて、形成されるビーディング折り目の湾曲部１０の領域のコア層４は、ビーディング折り目の湾曲部１０以外の領域に比べて次第に細くなる。このようにして、特に本方法のプロセス信頼性及び多層複合材料２の完全性を高めることができる。
Claims (8)
- プラスチック材料製の少なくとも１つのコア層と、金属材料製の少なくとも２つのカバー層とを有する多層複合材料にビーディング折り目を形成する方法において、前記複合材料の前記コア層を、形成すべき前記ビーディング折り目の領域で、少なくとも部分的に、１８０℃〜３００℃の温度に加熱することで、前記プラスチック材料の強度を低減し、ビーディング折り目の湾曲部の厚さが他の領域のそれより薄くなるように、前記コア層の材料がビーディング折り目の領域から部分的に変位し得ることを特徴とする方法。
- 前記加熱を２００℃〜２６０℃の温度まで行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記加熱プロセスを前記形成プロセスの開始前に終わらせることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
- 前記形成プロセス中に少なくとも一時的に前記加熱プロセスを行うことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
- 前記カバー層の金属材料が鋼又は合金鋼であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
- 前記カバー層が相互に同一又は異なる厚さを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
- 前記コア層が、最も厚い前記カバー層の２〜５倍大きい厚さを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
- 前記コア層が、特にガスを含有している発泡プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
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