JP5917411B2 - コアを有するシート・モールディング・コンパウンド - Google Patents

Description

本発明は、モールド成形された一体型の部品の強度を増して重量を減らすためのコアを含むシート・モールディング・コンパウンドに関する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００９年１２月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／２８４，４４６号に基づく優先権を主張するものである。上記の特許出願の開示内容は、引用により本明細書に組み入れられる。

種々の可塑性材料のモールド成形は、種々の用途の部品を作るために用いられる一般的な方法である。このやり方で部品を製造する１つの特定の方法は、シート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）の利用によるものである。ＳＭＣ成形法のいくつかの例として、長繊維射出（ＬＦＩ）、構造材用反応射出成形（ＳＲＩＭ）、強化反応射出成形（ＲＲＩＭ）、又は真空樹脂含浸成形（ＶＡＲＴＭ）がある。

ＬＦＩを用いて部品を作る方法は、成形された部品の強度を増すために、樹脂と混合された、長いストランド即ち繊維に裁断されたガラス繊維を用いることを必要とする。ＳＲＩＭ成形は典型的な射出成型と類似するが、熱硬化高分子が使用され、高分子の２つの部分が混合され鋳型の中に高圧で射出され、次いで硬化させられる点で異なる。強度の改善のため、ガラス充填剤のような強化剤が混合物に使用される。ＲＲＩＭは、別のタイプのＳＲＩＭであり、強化剤として繊維メッシュが用いられる。繊維メッシュは鋳型内に配置され、次いで高分子混合物がその上に射出成形される。ＶＡＲＴＭは、繊維の層即ちプリフォームを含む鋳型に樹脂を挿入するプロセスであり、樹脂の流れは鋳型の中の真空によって促進される。

完全に中実ではなく、ＳＭＣの層間に、ある種のインサートを有する部品を生成することへの需要が高まりつつある。完全に中実ではない部品は、ＳＭＣの強度をより効果的に用いながらも、費用が安く、典型的には重量もより軽い。

上述のそれぞれの方法は、例えば異なる種類の樹脂を使用することができるなどの、異なる利点がある一方、上述のそれぞれのプロセスは、付加的な製造工程、ツールの増加、及び組立の困難の増大を伴うという点で、種々の欠点がある。さらに、軽量のインサートはモールド成形の過程で潰れてしまうため、必要なＳＭＣの量を減らすためにインサートを用いながら上述の製造プロセスの１つを組み込むことは、重いインサートの使用を必要とする。

従って、重量比に対して高い強度を保ちながら、軽量で、モールド形成の種々の圧力及び温度に耐えることができるインサート即ちコア上でＳＭＣをモールド成形することにより部品を製造する方法への必要性が存在する。

本発明は、第１の材料で作られた第１の層、第２の材料で作られた第２の層、及び第１の材料で作られた第３の層を有する、少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品に向けられる。第２の層は、第１の層及び第３の層が第２の層に結合するように、第１の層と第３の層との間に配置される。

３つの層はシートを形成し、シートは生成される部品によって種々の形に成形される。シートを成形して、自動車のバンパー、自動車のドア・パネル、ポンツーン・ボートのポンツーンのような浮力装置、サーフ・ボード、バスケットボールのリングのバックボード、冷蔵庫又は冷凍庫などの家電製品の本体パネル、自動車のステップ、風車の羽根等を製造することができる。

第１の層及び第３の層はＳＭＣであり、第２の層、即ち「コア」は、第１の層と第３の層との間に配置され、第１の層及び第３の層のみを有しコアを有しないシートと比較して、より効率的に第１の層及び第３の層の強度を利用することを可能にする。

本発明の用途の更なる領域は、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の実施例は、発明の好ましい実施形態を示しているが、例示のみの目的を意図したものであり、本発明の範囲を限定する意図ではないことを理解されたい。

本発明は、詳細な説明及び添付の図面から、より完全に理解されるであろう。

本発明による、コアの周りのシート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）の側断面図である。 本発明による、ＳＭＣ及びコアで作られた材料のシートの強度対撓み特性を示すグラフの第１の例である。 本発明による、ＳＭＣ及びコアで作られた材料のシートの強度対撓み特性を示すグラフの第２の例である。 本発明による、コアのないＳＭＣで作られた材料のシートの強度対撓み特性を示すグラフの例である。 本発明による、ＳＭＣを用いて作られた一体型風車羽根の第１の透視図である。 本発明による、ＳＭＣを用いて作られた一体型風車羽根の第２の透視図である。 本発明による、図６の７−７の線に沿って取られた断面図である。 本発明による、ＳＭＣを用いて作られた一体型風車羽根の分解図である。 本発明による、鋳型に挿入される前の、ＳＭＣを用いて作られた一体型風車羽根の透視図である。

好ましい実施形態の以下の記載は、本質的に単に例示的なものであり、いかなる方法においても、本発明、その用途、又は使用を制限することを意図するものではない。

本発明に基づくシート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）のプロセスを用いて作られた材料のシートの断面が、図１の１０に全体的に示される。ＳＭＣ材料は、熱硬化材料、（ポリエステル又はビニルエステルなどの）高分子、不活性充填剤、繊維補強材、触媒、顔料及び安定剤、剥離剤、及び増粘剤で構成できるが、これらに限定されるものではない。シート１０は、第１の構造層、即ち上層１２、空間支持層又は「コア」とも呼ばれる第２の即ち中間支持層１４、及び第３の構造層即ち下層１６を含む。代替的な実施形態において、構造層１２及び構造層１６は、ＳＭＣの代わりに、ガラスマット熱可塑性材（ＧＭＴ）、ケブラー、Ｅガラス、炭素繊維材、又は任意の他の予備含浸複合繊維材などの、別のタイプの予備含浸即ち「プレプレグ」材料である。

この実施形態において、上層１２及び下層１６は、一般的に、約１．０ミリメートル乃至約５．０ミリメートル、典型的には約１．０ミリメートル乃至約２．０ミリメートル、及び好ましくは約１．３ミリメートル乃至約１．７ミリメートルの、第１の厚さ１８であり、好ましい実施形態においては、上層１２及び下層１６はそれぞれ約１．５ミリメートルの厚さである。

中間の支持層１４は、一般的に、約１．０ミリメートル乃至約５０．８ミリメートル、典型的には約１．０ミリメートル乃至約２５．４ミリメートル、及び好ましくは約１．０ミリメートル乃至約５．０ミリメートルの、第２の厚さ２０である。好ましい実施形態においては、コア１４は約３．０ミリメートルの厚さである。コア１４は第１の側２２及び第２の側２４を有し、上層１２は第１の側２２に接続され、下層１６は第２の側２４に接続されるが、その機能については後述する。

コア１４は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、又はスチレン・アクリロニトリル樹脂（ＳＡＮ）などの、多種の材料のうちの１つ又はそれ以上から作られるが、これらに限定されるものではない。用途及び所望の強度によっては、他の種類の材料も好適とすることができる。これらの材料から作られる軽量、低密度発泡材が使用されることが好ましい。好ましく選択された材料は、モールド成形の間にＳＭＣ材料と化学的に結合する。１つの実施形態において、コア１４は任意の好適な高分子で作られる高分子コアである。

上層１２及び下層１６のそれぞれは、ＳＭＣ材料で作られる。所望の部品を作るため、コア１４がＳＭＣ材料の上層１２と下層１６との間に配置され、その組立体の全体が、鋳型などの加熱されたモールド成形ツールに配置される。部品の成形を促進するため、上層１２及び下層１６は、上層１２及び下層１６が鋳型に配置されると、いくらか湾曲させることが可能なくらい柔軟である。鋳型は、任意の形状とすることができ、代替的な実施形態においては、上層１２及び下層１６はコア１４の周りに巻かれて鋳型に配置される。また、上層１２及び下層１６は、鋳型が加熱される際は流動性であり、このことは完成部品の成形を更に促進する。もし上層１２及び下層１６が完成部品を製造するのに十分な材料を与えない場合は、必要であれば追加の装入材料を鋳型に圧入して、所望の形状を与えることができる。コア１４も圧縮性であり、予め完成部品の形状に部分的に成形することが可能であり、このことも鋳型の中での部品の成形を促進する。代替的な実施形態において、コア１４は、増加した強度が最も必要となる、シート１０のある一定の領域のみで、上層１２と下層１６との間に空間を作るために使用される。

ツールは所望の温度と圧力のもとで閉じられて、部品は硬化する。部品は一体型の部品としてツールから取り外される。本実施形態において、組立体は、一般的に華氏約２００度乃至４００度、典型的には華氏約２５０度乃至約３５０度、及び好ましくは華氏約２８０度乃至３２０度の範囲の温度で硬化する。好ましい実施形態において、硬化温度は華氏約３００度であるが、用途並びに上層１２、下層１６及びコア１４に対して選択した材料によって硬化温度が華氏３００度を上回り又は下回ることができることも、本発明の範囲内にある。

本プロセスを用いて、最大の構造特性を要する部品（例えば、自動車の床板、又はセミトレーラの床板）、又は準構造部品（例えば、ポンツーン・ボートのポンツーンなどの、浮力のために用いる装置）などの、様々な種類の部品を生成する。上述のプロセスは、自動車のドア・パネル又はバンパーなど、高光沢仕上げを有する部品に必要な「Ａ級」表面などの、高品質仕上げを有する部品を製造するためにも用いられる。上述の方法を用いて、サーフ・ボード、バスケットボールのリングのバックボード、冷蔵庫若しくは冷凍庫などの家電製品の本体パネル、暖炉若しくはエアコンなどの他の機器、自動車のステップ、又は自動車若しくはオートバイ等を輸送するために使うトレーラ用の床板などの他の部品を作ることもできる。

図５から図９までを参照すると、本発明の１つの実施形態が一体型風車羽根２６として示され、層１２、層１４及び層１６は、風車羽根２６が完成部品となったときに、風車羽根２６が、国際電気標準会議（ＩＥＣ）により規定される強度要件に合格するだけの強度を有するような材料から作られる。図９に最も良く示されるように、製造工程において、上層１２及び下層１６は、異なる寸法の、いくつかの個別に裁断されたシート４６である。図９にさらに示すように、風車羽根２６の所望の形状に応じて、風車羽根２６の異なる領域に沿って追加のシート４６を用いて、異なる輪郭及び厚みを与える。さらに、シート４６をより多く又は少なく使用し、かつ異なる寸法に裁断して、風車羽根２６を異なる寸法又は形状に成形するのを促進し、或いは層１２及び層１６を異なる厚さにすることができる。風車羽根２６の一端に配置された一般的に４８で示すロール形状の追加シート４６を用いて、図６及び図８に示す接続部５０を形成することができる。図９に示す風車羽根２６は鋳型に配置され、鋳型は加熱され、シート４６は溶解して風車羽根２６の形を形成する。

層１２、層１４及び層１６の厚さに関して、上層１２及び下層１４は、より大きい又は小さい厚さとすることができることは、本発明の範囲内であることに留意されたい。上層１２と下層１４とを異なる厚さとすることができることも、本発明の範囲内である。さらに、コア１４は、用途及びコア１４を作成するのに用いる材料の種類に応じて、より大きい又は小さい厚さとすることができる。

図２及び図３を参照すると、本発明により製造された、いくつかのシート１０を試験（３点曲げ試験）して生成された、強度対撓み曲線の例が示される。図２においては、試験に用いられたシート１０は、厚さ１．５ミリメートルの上層１２及び下層１６を含み、コア１４は厚さ３．０ミリメートルであった。図２は、３つの異なるシートについて行われた３つの異なる試験を表す、第１の撓み曲線２８、第２の撓み曲線３０、及び第３の撓み曲線３２を含む。図３において、試験に用いられたシート１０は、厚さ１．５ミリメートルの上層１２及び下層１６並びに厚さ１２．０ミリメートルのコア４を含む。図３は、３つの異なるシートについて行われた３つの異なる試験を表す、第４の撓み曲線３４、第５の撓み曲線３６、及び第６の撓み曲線３８を含む。図２及び図３におけるこれらの例は両方とも、図４に示すコアを用いずに試験されたシート１０に対して改善を示している。図４は、３つの強度対撓み曲線を示す。より具体的には、図４は、厚さ１．５ミリメートルの２つの層を組み合わせた厚さに等しい、各シートの全体の厚さが３．０ミリメートルである（かつコア１４が無い）、３つの異なるシート１０に対する３つの異なる試験を表す、第７の撓み曲線４０、第８の撓み曲線４２、及び第９の撓み曲線４４を示す。

本発明の記述は本質的に単に例示的なものであり、従って、本発明の本質から逸脱しない変形は本発明の範囲内であることが意図される。そうした変形は、本発明の精神及び範囲から逸脱すると考えられるべきではない。

１０：シートの断面
１２：上層
１４：コア
１６：下層
１８：第１の厚さ
２０：第２の厚さ
２６：風車羽根
２８：第１の撓み曲線
３０：第２の撓み曲線
３２：第３の撓み曲線
３４：第４の撓み曲線
３６：第５の撓み曲線
３８：第６の撓み曲線
４０：第７の撓み曲線
４２：第８の撓み曲線
４４：第９の撓み曲線
４６：シート
５０：接続部

Claims (23)

1. 少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品であって、
   第１の材料で作られた第１の構造層と、
   第２の材料で作られた空間支持層と、
   前記第１の構造層との間に前記空間支持層が配置された、前記第１の材料で作られた第３の構造層と、
   ロール形状にあり、前記部品の一端に配置され、最終組立体への接続のための接続部をなす追加のシートと、
   を備え、前記追加のシート、前記第１の構造層、前記空間層、及び前記第３の構造層は鋳型に配置され、前記第１の構造層及び前記第３の構造層が前記空間支持層と化学的に結合するように、前記鋳型が加熱されることを特徴とする部品。
2. 前記第１の構造層及び前記第３の構造層のそれぞれは、熱成形可能な予備含浸されたシート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
3. 前記熱成形可能な予備含浸されたＳＭＣは、熱硬化材料、高分子樹脂、不活性充填剤、繊維補強材、触媒、顔料及び安定剤、剥離剤、増粘剤、並びにこれらの組み合わせをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の少なくとも１つの熱形成可能な材料で作られた部品。
4. 前記第１の構造層及び前記第３の構造層のそれぞれは、予備含浸された材料をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
5. 前記予備含浸された材料は、ガラスマット熱可塑性材（ＧＭＴ）、ケブラー、Ｅガラス、炭素繊維材、複合繊維材、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される１つであることを特徴とする、請求項４に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
6. 前記空間支持層は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、スチレン・アクリロニトリル樹脂（ＳＡＮ）、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される１つの材料から作られることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
7. 前記第１の構造層及び前記第３の構造層は実質的に同じ厚さであることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
8. 前記第１の構成層及び前記第３の構造層は異なる厚さであることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
9. 前記空間支持層は、前記第１の構造層及び前記第３の構造層と比較して、より大きな厚さであることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた部品。
10. 少なくとも１つの熱成形可能な材料の部品を作る方法であって、
    第１の予備含浸された材料で作られる第１の層を準備するステップと、
    高分子材料で作られる第２の層を準備するステップと、
    前記第１の予備含浸された材料で作られる第３の層を準備するステップと、
    前記第１の層及び前記第２の層が、異なる寸法の、いくつかの個別に裁断されたシートを含むようにするステップであって、前記個別に裁断されたシートは、予め決定された前記部品の所望の形状に応じて、前記第２の層の異なる領域に沿って使用され、異なる輪郭及び厚みを与えるステップと、
    ロール形状にあり、前記部品の一端に配置され、最終組立体への接続のための接続部をなす追加のシートを準備するステップと、
    前記第１の層、前記第２の層、及び前記第３の層を鋳型の中に配置して、前記第２の層が前記第１の層と前記第３の層との間に配置されてシートを形成するようにするステップと、
    前記第１の層が前記第２の層に結合され、前記第３の層が前記第２の層に結合されるように、前記鋳型を所望の硬化温度に加熱することにより前記鋳型内の前記シートを硬化させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 摂氏９３．９度乃至摂氏２０４．４度（華氏２００度乃至華氏約４００度）の範囲、摂氏１２１．１度乃至摂氏１７６．７度（華氏２５０度乃至華氏３５０度）の範囲、又は摂氏１３７．８度乃至摂氏１６０度（華氏２８０度乃至華氏３２０度）の範囲内であるように、前記所望の硬化温度をもたらすステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料の部品を作る方法。
12. ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、スチレン・アクリロニトリル樹脂（ＳＡＮ）、及びこれらの組み合わせから成る群から選択されるものとなるように、前記高分子材料を準備するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料の部品を作る方法。
13. シート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）、ガラスマット熱可塑性材（ＧＭＴ）、ケブラー、Ｅガラス、炭素繊維材、複合繊維材、及びこれらの組み合わせから成る群から選択されるもの１つとなるように、前記第１の予備含浸された材料を選択するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料の部品を作る方法。
14. １．０ミリメートル乃至５．０ミリメートル、１．０ミリメートル乃至２．０ミリメートル、又は１．３ミリメートル乃至１．７ミリメートルの厚さであるように、前記第１の層及び前記第３の層を準備するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料の部品を作る方法。
15. １．０ミリメートル乃至５０．８ミリメートル、１．０ミリメートル乃至２５．４ミリメートル、又は１．０ミリメートル乃至５．０ミリメートルの厚さになるように、前記中間層を準備するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料の部品を作る方法。
16. 少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根であって、
    シート・モールディング・コンパウンドで作られた上部構造層と、
    第１の側及び第２の側を有する、高分子材料で作られた中間支持層と、
    前記シート・モールディング・コンパウンドで作られた下部構造層と、
    ロール形状にあり、前記部品の一端に配置され、最終組立体への接続のための接続部をなす追加のシートと、
    を備え、前記上部構造層は前記中間支持層の前記第１の側に結合され、前記下部構造層は前記中間支持層の前記第２の側に結合され、シートを形成することを特徴とする、風車羽根。
17. 前記高分子は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、スチレン・アクリロニトリル樹脂（ＳＡＮ）、及びこれらの組み合わせから成る群から選択されるものであることを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。
18. 前記シート・モールディング・コンパウンドは、熱硬化材料、高分子樹脂、不活性充填剤、繊維補強材、触媒、顔料及び安定剤、剥離剤、増粘剤、並びにこれらの組み合わせをさらに含むことを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。
19. 前記上部構造層及び前記下部構造層は第１の厚さであることを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。
20. 前記第１の厚さは、１．０ミリメートル乃至５．０ミリメートル、１．０ミリメートル乃至２．０ミリメートル、又は１．３ミリメートル乃至１．７ミリメートルであることを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。
21. 前記中間支持層は、１．０ミリメートル乃至５０．８ミリメートル、１．０ミリメートル乃至２５．４ミリメートル、又は１．０ミリメートル乃至５．０ミリメートルの厚さであることを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。
22. 前記シートは、鋳型に配置され、硬化されて、前記上部構造層を前記中間支持層に結合し、かつ、前記下部構造層を前記中間支持層に結合することを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。
23. 前記シートは、摂氏９３．９度乃至摂氏２０４．４度（華氏２００度乃至華氏約４００度）の範囲、摂氏１２１．１度乃至摂氏１７６．７度（華氏２５０度乃至華氏３５０度）の範囲、又は摂氏１３７．８度乃至摂氏１６０度（華氏２８０度乃至華氏３２０度）の範囲の温度で硬化されることを特徴とする、請求項１６に記載の少なくとも１つの熱成形可能な材料で作られた風車羽根。

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