JP6214716B2 - 多次元構造化された接続部を少なくとも１つ備えた金属又はセラミック部品及びその作製方法 - Google Patents

多次元構造化された接続部を少なくとも１つ備えた金属又はセラミック部品及びその作製方法 Download PDF

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Description

本発明は、多次元構造化された接続部を少なくとも１つ備えた金属又はセラミック部品であって、該接続部が繊維強化ポリマー積層体と接着結合を形成するためのものである金属またはセラミック部品、及び、該接続部を作製する方法に関する。
航空宇宙産業では特に、また船舶及び陸上車両の建造並びに風力発電所の回転翼及び軽量構造物の建設でもなお、繊維強化構造は今や不可欠なものとなっている。この場合に用いられる繊維強化ポリマー積層体としては、炭素繊維、ガラス繊維、ケブラー（登録商標）、ボロン繊維、又は、それらの繊維からなる混合繊維若しくは織布を含み得る。この場合、ポリマーマトリクスは、「湿潤な」エポキシ樹脂やポリエステル樹脂などにより形成されるか、樹脂を含み、織布繊維が用いられた「プリプレグ」により形成される。これは、特に、実質的に無制限なデザインが可能であることや、金属又はセラミック材料に比べて重量が大幅に減少するためである。繊維粗糸又は繊維マットの適切な配向又は材料選択によって、すなわち、例えば炭素繊維とガラス繊維との組み合わせ、又は炭素繊維とケブラーとの組み合わせであって、一方の繊維タイプが一方の方向に使用されると共に他方の繊維タイプが他方の方向に使用されるか、一方の繊維タイプが内向きに用いられると共に他方の繊維タイプが外向きに用いられる該組み合わせによって、繊維複合材料から構築された種々の部品は、あらかじめ定められた通りに力を最適に吸収することができる。すなわち、それらの部品は、想定される負荷に対して最適に適合されて、相当な重量軽減に単独で寄与することができる。しかしながら、繊維複合体構造の弱点の１つには、それらの低い層剥離耐性すなわち、まさにその材料群に起因する接着剤の接着強度がある。突然の高い初期負荷は、層間に亀裂を生じさせる引き金となり、結果的に、亀裂が広がるのに要するエネルギーが比較的小さくなる。
航空機及び船舶の建造では特に、また車両の製造でもなお、重量を最適化する方法においてメインシェル領域内の高負荷に耐えるために、炭素繊維強化プラスチック材料すなわちＣＦＲＰのスキンシェルを、ＣＦＲＰストリンガ、ＣＦＲＰフォーマ、金属フォーマ及び類似の構造部品を用いて補強することが知られている。そのような部品は、例えば、プリプレグ技術、熱硬化処理又は真空含浸処理を用いて、例えばエポキシ樹脂などのマトリクスを強化繊維内へと導入した後に、炉又はオートクレーブ内にて硬化させることにより作製することができる。繊維複合体部品は、例えば、強化繊維により構成され、該強化繊維は、粗糸又は織布マットであってもよい。構造接合部は、特定の損傷許容性を有することが意図されるが、当接面の間の薄い金属シートにより設けられ得る。この金属シートの材料厚によって、繊維複合体部品に横方向補強材が加えられる。横方向の特性を改善するために、Ｚピン止め、縫い止め、タフティング等の様々な複合体技術が開発されてきている。
さらに、コボンド法が知られている。コボンド法では、繊維複合体接合相手が、第１ステップにて真空中で硬化され、続いて、第２ステップでは、硬化された第１接合相手が、「作りたての」接合相手と一体となるように接続されて硬化される。例えば、航空機建造の分野では、これは、航空機構造における下方の胴体領域の「湿潤な」スキンシェルに接続された硬化した縦方向補強材（ストリンガ）であり得る。
さらに、金属又はセラミック部品とポリマー積層体との組み合わせにより構築され、異なる航空機若しくは宇宙船又は陸上車両若しくは船舶の領域内の異なる箇所に配置され得るハイブリット部品もある。
ＷＯ２０１１／０６９８９９ Ａ２は、繊維複合体部品を航空機又は宇宙船の構造部品に接合する方法に関する。この場合には、繊維複合体部品と構造部品との間に、横方向補強要素として金属フィルムが設けられる。この金属フィルムは、繊維複合体部品に対向する表面から９０°の角度で突出するアンカー要素を少なくとも１つ有しており、繊維複合体部品と構造部品との間に挿入されて、それらと一体化させられる。さらに、この方法によれば、対応する構成が提供される。この方法では、チタンフィルムを横方向補強要素として用いた際には、改善された１．５ｋＪ／ｍ2の層剥離耐性を既に達成できている。
したがって、本発明が取り組む技術的課題は、先行技術の欠点を回避し、繊維複合体構造と金属又はセラミックとの接着剤結合を改善し、それによって層剥離耐性又は接着強度を増加させることにある。当該課題はまた、特に、金属又はセラミック中間層を用いた繊維複合体構造と繊維複合体構造との接着にも適用される。さらに、金属又はセラミック部品に生じ得る、接着強度に悪影響を及ぼす汚染が防止されるものである。
上記目的は、請求項１の特徴を有する方法及び請求項７の特徴を有する装置により達成される。本発明の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項において記載される。
この方法では、先行技術の欠点が回避され、繊維複合体構造と金属又はセラミックとの接着剤結合が改善され、層剥離耐性又は接着強度が増加する。本発明を用いることにより、ミリスケールでしかない構造に比べて、層剥離耐性が３０％を超えて増加し得る。本発明はまた、特に、金属又はセラミック中間層を用いた繊維複合体構造と繊維複合体構造との接着にも適用される。さらに、本発明に係る方法を用いることにより、金属又はセラミック部品に生じ得る、接着強度に悪影響を及ぼす汚染が防止される。
本発明に係る、金属又はセラミック部品の接続部の少なくとも１つを多次元構造化する方法は、前記接続部が前記部品と繊維強化プラスチックとの接着接合を形成するためのものであって、以下のステップを備えている。
１）前記接続部上にアンカー要素を形成することによって、ミリスケール構造すなわち１０００μｍより大きい寸法を有するマクロ構造を作製するステップ、
２）サンドブラスト又は電磁放射によって、前記接続部及び前記アンカー要素上に、マイクロスケール構造すなわち１μｍ〜１０００μｍの寸法を有するマイクロ構造を作製するステップ、
３）前記接続部及び前記アンカー要素上のマイクロスケール構造の上に、ナノスケール構造すなわちμｍより小さい寸法を有するナノ構造を作製するステップ。
この場合には、上記方法のステップは、好ましくは、上記の順に実行され得る。この方法では、ナノ構造が上に形成されたマイクロ構造が、複数のアンカー要素を有するミリスケール接続部上に作製される。この場合には、これらのアンカー要素の少なくとも１つは、実質的に垂直に、又は既定の角度にて、接続部から突出している。これらのアンカー要素は、ピン、棘、歯、スパイク又は螺旋構造等であり得る。有利には、これらのアンカー要素は、接続部と一体に形成される。
本発明に係る方法を用いることにより、金属又はセラミック部品上に、新たな表面形状が形成される。これらの構造によって、周囲のポリマーへの機械的アンカーリングを大きく改善すること、及び／又は、より多くの数の共有結合を形成することができるようになる。その結果、このようにして強化された繊維複合体積層体又は合成物は、既知の繊維複合体積層体よりも著しく高い層剥離耐性を有し、それによって、そのような繊維複合体部品の耐用期間が増加することになる。
上記方法のさらなる有利な発展形態は、前記部品が金属部品であり、前記接続部上にアンカー要素を形成することによって前記ミリスケール構造を作製する前記ステップが、打ち抜き及び折り曲げ処理、高速金属機械加工、電子ビーム機械加工、付加層生成処理、肉盛溶接、又はアンカー要素の溶接によって行われることを提供する。セラミック部品については、上記ミリスケール構造は、例えば、焼結前の成形によって作製され得る。
上記方法のさらなる有利な発展形態は、前記マイクロスケール構造が、レーザ照射によって、前記接続部及び前記アンカー要素上に作製されることを提供する。このようにして、構造中の不純物が除去され得る。したがって、表面への接触及び接着の改善が達成され得る。
上記方法のさらなる有利な発展形態は、前記ナノスケール構造が、レーザ照射又は陽極酸化によって、前記接続部及び前記アンカー要素上の前記マイクロスケール構造の上に作製されることを提供する。特に、ナノスケール構造をマイクロスケール構造の上に形成することは、複合体構造の接合表面を最適化するのに役立つ。
上記方法のさらなる有利な発展形態は、前記レーザ照射が、短パルスレーザによって行われることを提供する。また、前記短パルスレーザは、前記接続部に対して既定の送り速度で動かされる、高いパルス繰り返し周波数を有するフェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ又はナノ秒レーザであってもよい。この場合には、送り速度および送り経路は、処理のタイプ（マイクロスケール化又はナノスケール化）により規定される。
上記方法のさらなる有利な発展形態は、前記ナノ構造が上に形成された前記マイクロ構造が１つの送り流路内に作製されるように、前記マイクロスケール構造を作製するための前記レーザ及び前記ナノスケール構造を作製するための前記レーザが前後に並んで配されることを提供する。結果として、該形成処理が最適化及び加速され得る。
本発明に係る、多次元構造化された接続部を少なくとも１つ備えた金属又はセラミック部品は、前記部品と繊維強化ポリマー積層体との接着結合を形成するための接続部を提供し、前記接続部は、アンカー要素により形成されたミリスケール構造と、サンドブラスト又は電磁照射によって形成された、前記接続部及び前記アンカー要素上のマイクロスケール構造とを有しており、前記マイクロスケール上には、追加のナノスケール構造が形成されている。これによって、金属又はセラミック部品をポリマー繊維複合体構造へと固定して効果的かつ機械的に補強することができると共に、より多くの数の共有結合を形成させることができる。
使用される金属は、チタン合金、アルミニウム合金、ステンレススチール合金、マグネシウム等であり得る。セラミック部品については、電気絶縁性又は断熱性であるにもかかわらず、機械的かつ熱的に処理された材料が用いられてもよい。該材料としては、例えば、ＭＡＣＯＲ、窒化ホウ素、炭化ケイ素又は酸化アルミニウムが挙げられる。
本発明に係る金属又はセラミック部品の有利な一実施形態は、前記接続部が全ての面に設けられていることを提供する。平らな金属又はセラミック部品については、接続要素はそれによってｚ方向に突出している。
本発明に係る金属又はセラミック部品の有利な一実施形態は、前記部品がチタン、アルミニウム、スチール（例えば、ステンレススチール）又はマグネシウムの合金から作製されるか、別の金属の合金から作製されることを提供する。
さらに、本発明は、本発明に係る金属又はセラミック部品の、繊維強化ポリマー積層体のｚ補強材としての使用を提供する。この場合には、金属又はセラミック部品は、ポリマー積層体により完全に囲まれ得る。
さらに、本発明に従って形成された金属又はセラミック部品は、コボンド法における接続要素として提供され得る。金属又はセラミック部品の第１接合相手との接着結合がオートクレーブ内での真空中において硬化された後、次のステップにて、湿潤接着することとなる第２接合相手との接着が行われる。
本発明を改善するさらなる特徴については、実施例及び添付の図面に基づいて、以下により詳細に説明される。
図１は、本発明に係る方法ステップを示すフロー図である。 図２ａ〜ｄは、多次元構造化された接続部を有する金属部品を示す。 図３は、補強プレートを有する繊維複合体構造の分解組立図である。 図４は、接着された状態における図３の繊維複合体構造の側面図である。
図１は、方法の処理手順における方法ステップを示す。この場合には、まず、金属又はセラミック部品が提供される。該金属又は該セラミック部品は、薄い金属シート又は堅い金属若しくはセラミック体であり得る。次に、該部品上に、ミリスケール構造が作製される。このようにして、金属若しくはセラミック部品の全体上に、又はその部分上に、複数のアンカー要素が設けられる。この場合には、これらのアンカー要素の少なくとも１つが、実質的に垂直に、又は既定の角度にて、接続部から突出し得る。これらのアンカー要素は、ピン、棘、歯、スパイク又は螺旋構造等であり得る。有利には、これらのアンカー要素は、接続部と一体に形成される。
この場合には、ミリスケール構造を作製する具体的な方法は、材料の厚み及び金属又はセラミック部品の材料のタイプにより大きく影響を受ける。金属部品については、接続部は、打ち抜き及び折り曲げ処理、高速金属機械加工、電子ビーム機械加工、付加層生成処理、肉盛溶接、アンカー要素の溶接又は他の適切な方法によって作製され得る。セラミック部品については、このステップは、例えば、焼結前の成形により行われる。
その上に形成されたミリ構造を含む金属又はセラミック部品上にマイクロスケール構造を作製するための次のステップは、例えば、サンドブラスト又は電磁放射によって行われる。該ステップは、レーザ照射によって行われてもよい。
最後に、さらなるステップとして、接続部及びアンカー要素上のマイクロスケール構造の上に、レーザ照射によって、又は、（金属部品の場合には）陽極酸化によって、ナノスケール構造が作製される
本発明に係る方法については、実施形態に基づき、以下でより詳細に説明する。
実施例１
例として、金属又はセラミック部品の接続部の少なくとも１つを多次元構造化するための第１の方法は、以下のようにして進行し得る。
１．ミリスケール構造を作製するために、チタンシートの連続的な打ち抜き及び変形を行う。該チタンシートは、例えば、シート厚ｔ＝０．４ｍｍを有するＴｉ15Ｖ3Ａｌ3Ｃｒ3Ｓｎである。
２．マイクロスケール構造を作製するために、該チタンシートをサンドブラストする。該サンドブラストは、例えば、粒径２５０〜５００ｍｍのＡｌ2Ｏ3又はＳｉＯ2を用いて、７ｂａｒのジェット圧にて行う。
３．ナノスケール構造を作製するために、レーザ照射を行う。該レーザ照射は、例えば、波長１０６４ｎｍ、パルス長２０ｎｓ未満、速度８００ｍｍ／ｓ、電流４３Ａ、周波数１０ｋＨｚ及び頻繁な繰り返しにて行う。
実施例２
例として、金属又はセラミック部品の接続部の少なくとも１つを多次元構造化するための第２の方法は、以下のようにして進行し得る。
１．ミリスケール構造を作製するために、チタンシートの連続的な打ち抜き及び変形を行う。該チタンシートは、例えば、シート厚ｔ＝０．４ｍｍを有するＴｉ15Ｖ3Ａｌ3Ｃｒ3Ｓｎである。
２．マイクロスケール構造を作製するために、レーザマイクロ構造形成を行う。該レーザマイクロ構造形成は、例えば、波長１０６４ｎｍ、パルス長２０ｎｓ未満、速度８００ｍｍ／ｓ、電流２０−１５０Ａ、周波数１０ｋＨｚ及びオーバーラップ８０％超にて行う。
３．ナノスケール構造を作製するために、レーザ照射を行う。該レーザ照射は、例えば、波長１０６４ｎｍ、速度８００ｍｍ／ｓ、電流４３Ａ、周波数１０ｋＨｚ及び頻繁な繰り返しにて行う。
この第２の例では、第２及び第３のステップは、１回の作業サイクルで実行され得る。すなわち、第２及び第３のステップは、共通の送り装置又は２つの別々の送り装置において一方が他方の後ろに配された少なくとも２つのレーザを用いて実行される。そして、第２及び第３のステップは、加工対象物に対して、この場合にはチタンシートに対して、同時に進められる。
実施例３
例として、金属の接続部の少なくとも１つを多次元構造化するための第３の方法は、以下のようにして進行し得る。
１．ミリスケール構造を作製するために、チタンシートの連続的な打ち抜き及び変形を行う。該チタンシートは、例えば、シート厚ｔ＝０．４ｍｍを有するＴｉ15Ｖ3Ａｌ3Ｃｒ3Ｓｎである。
２．マイクロスケール構造を作製するために、レーザマイクロ構造形成を行う。該レーザマイクロ構造形成は、例えば、波長１０６４ｎｍ、速度８００ｍｍ／ｓ、電流２０−１５０Ａ、周波数１０ｋＨｚ及びオーバーラップ８０％超にて行う。
３．ナノスケール構造を作製するために、電解質中において陽極酸化する。該電解質は、例えば、濃度１００〜３００ｇ／ｌの水酸化ナトリウム、濃度２０〜２００ｇ／ｌの酒石酸ナトリウム、濃度１〜２００ｇ／ｌの錯化剤（例えば、ＭＧＤＡ）及び追加成分である。
図２ａは、多次元構造化された接続部を有する金属部品１の有利な実施形態の斜視図である。この場合には、接続部は、下側及び上側に設けられている。本実施形態は、連続的に打ち抜かれ、かつ変形されたチタンシートである。該チタンシートは、例えば、シート厚ｔ＝０．４ｍｍを有するＴｉ15Ｖ3Ａｌ3Ｃｒ3Ｓｎである。まずは、該チタンシート上に、ミリスケール構造すなわち１ｍｍより大きな範囲で構造形成された構造が作製される。最初に、規則的に分布した複数の矩形がチタンシートの三辺に打ち抜かれ、図２の側面図に示されるように、シート面又はｘ−ｙ面から見た場合において、下方アンカー要素２が下方へと屈曲させられると共に、上方アンカー要素３が上方へと打ち抜かれた領域から離れるようにチタンシートの面と垂直に屈曲させられる。このようにして、矩形状の切り込み６と、ｚ軸方向に上方及び下方へと突出しているアンカー要素が、シートに作製される。シートの一方側のみがアンカーとして用いられることとなる場合には、対応するアンカー要素２，３は、例えば、それぞれｚ軸方向に下方のみ又は上方のみに突出するように形成され得る。
さらに、金属部品１は、マイクロスケール化すなわち１μｍより大きな範囲で構造化される。該マイクロスケール化は、チタンシートの下側すなわち下方接続部４と、チタンシートの上側すなわち上方接続部５と、それらの上に位置する上方及び下方アンカー要素２，３とをサンドブラストすることにより行われる。本実施形態では、粒径２５０〜５００ｍｍのＡｌ2Ｏ3及び７ｂａｒのジェット圧がサンドブラストに用いられる。このようにして作製されたマイクロスケール表面構造は、図２ｃに拡大して示される。同様の結果は、レーザ照射によるマイクロスケール化によっても達成され得る。
ナノスケール構造は、本実施形態では電解質を用いた陽極酸化のような電気化学処理により作製されて、金属部品１のマイクロスケール構造の末端上に形成された。その結果、０．１μｍより小さな範囲での表面構造が、マイクロスケール構造の上に作製された。このようにして作製されたマイクロスケール構造は、図２ｄに拡大して示される。同様の結果は、レーザ照射によるマイクロスケール化によっても達成され得る。
図３は、補強プレートを有する繊維複合体構造の分解組立図である。図４は、接着された状態における図３の繊維複合体構造の側面図である。この場合には、上方接合相手７は、上部アンカー要素３が上方接合相手７の繊維構造体内にｚ軸方向に係合することによって最適な接着固定ができるように、本発明に係る金属部品に接続される。本実施形態では、上方接合相手７の繊維構造体は、エポキシ樹脂又はフィルム状接着剤による湿潤接着法にて、補強要素として用いられる金属部品１に接続される炭素繊維構造体である。オートクレーブ内での真空中において適切に硬化を行った後に、下方接合相手９との接合が行われる。下方接合相手９は、同様に、エポキシ樹脂又はフィルム状接着剤による湿潤接着法にて、補強要素として用いられる金属部品１に接続されて、複合体構造９を形成する炭素繊維構造体である。
多次元構造化された金属部品１は、従来の補強材に比べて大きく優れた繊維強化ポリマー積層体のｚ補強材を可能にする。この方法において、層剥離耐性は、２ｋＪ／ｍ2に増加する。
本発明は、その実施に関し、上述の好ましい実施形態には制限されない。むしろ、前述の解決手段を用いた多くの変形形態は、それらの設計が根本的に異なっていたとしても、想定可能である。
１ 金属部品
２ 下方アンカー要素
３ 上方アンカー要素
４ 下方接続部
５ 上方接続部
６ 切り込み
７ 上方接合相手
８ 下方接合相手
９ 複合体構造

Claims (12)

  1. 金属又はセラミック部品の接続部の少なくとも１つを多次元構造化する方法であって、前記接続部は、前記部品と繊維強化ポリマー積層体との接着結合を形成するためのものであり、前記方法が以下のステップを備えている、方法。
    １）前記接続部上にアンカー要素を形成することによってミリスケール構造を作製するステップ、
    ２）サンドブラスト又は電磁放射によって、前記接続部及び前記アンカー要素上にマイクロスケール構造を作製するステップ、
    ３）前記接続部及び前記アンカー要素上のマイクロスケール構造の上にナノスケール構造を作製するステップ。
  2. 前記部品は金属部品であり、
    前記接続部上にアンカー要素を形成することによって前記ミリスケール構造を作製する前記ステップが、打ち抜き及び折り曲げ処理、高速金属機械加工、電子ビーム機械加工、付加層生成処理、肉盛溶接、又はアンカー要素の溶接によって行われる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記マイクロスケール構造が、レーザ照射によって、前記接続部及び前記アンカー要素上に作製される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ナノスケール構造が、レーザ照射又は陽極酸化によって、前記接続部及び前記アンカー要素上の前記マイクロスケール構造の上に作製される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記レーザ照射が、短パルスレーザによって行われる、請求項３又は４に記載の方法。
  6. 前記ナノ構造が上に形成された前記マイクロ構造が１つの送り流路内に作製されるように、前記マイクロスケール構造を作製するための前記レーザ及び前記ナノスケール構造を作製するための前記レーザが前後に並んで配されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 多次元構造化された接続部を少なくとも１つ備えた金属又はセラミック部品であって、前記接続部は、前記部品と繊維強化ポリマー積層体との接着結合を形成するためのものであり、前記金属又はセラミック部品は、アンカー要素により形成されたミリスケール構造と、サンドブラスト又は電磁照射によって形成された、前記接続部及び前記アンカー要素上のマイクロスケール構造とを有しており、前記マイクロスケール構造上には、追加のナノスケール構造が形成されている、金属又はセラミック部品。
  8. 前記接続部が全ての面に設けられている、請求項７に記載の金属又はセラミック部品。
  9. 前記部品がチタン、アルミニウム、スチール又はマグネシウムの合金から作製されるか、別の金属の合金から作製される、請求項７又は８に記載の金属又はセラミック部品。
  10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の金属又はセラミック部品の、繊維強化ポリマー積層体のｚ補強材としての使用。
  11. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を用いて作製された金属又はセラミック部品の、コボンド法における接続要素としての使用。
  12. 前記短パルスレーザは、前記接続部に対して既定の送り速度で動かされる、高パルス繰り返し周波数を有するフェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ又はナノ秒レーザである、請求項５に記載の方法。
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