JP6612524B2 - 金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとを接合する方法 - Google Patents

金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとを接合する方法 Download PDF

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Description

本開示の分野は、概して、コンポーネントの接合に関し、具体的には、フィルム接着剤を用いた金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとの接合に関する。
（例えば、航空機産業における）周知のアセンブリには、金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとを連結させた部品を含むものが、少なくともいくつかある。このような部品では、組み立てのために、熱可塑性コンポーネントに１つ又は複数の機械的特異部が形成されており、これによって、対応する金属コンポーネントに対する熱可塑性コンポーネントの連結を容易に行えるようにしている場合がある。例えば、熱可塑性コンポーネントを、射出成形によって金属コンポーネント上又は金属コンポーネントの周囲に形成することによって、熱可塑性コンポーネントを金属コンポーネントに機械的に係合する場合がある。しかしながら、応力下では、熱可塑性コンポーネントは、割れたり、金属コンポーネントから外れたりする場合がある。このため、周知のアセンブリの少なくともいくつかは、接着剤を用いて接合された金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとを含んでいる。
既存の接合方法には、二次接合（secondary bonding）を採用しているものが少なくともいくつかある。これらの方法は、例えば、故障耐性を実現するために追加の表面準備処理工程を含めることによって費用及び装置の数が増すなど、いくつかの欠点がある。また、二次接合作業によって、部品を製造するための作業時間が長くなる場合もある。さらに、二次接合作業によって、熱可塑性樹脂‐金属ハイブリッド部品の一体化が制限される。
一態様において、コンポーネントを接合する方法が提供される。当該方法は、金属コンポーネントの表面に準備処理を施すことと、準備処理された表面にフィルム接着剤を塗布することと、フィルム接着剤が金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとの間に位置するように、射出成形によって熱可塑性コンポーネントを形成することと、フィルム接着剤を硬化すること、とを含む。
別の態様において、絶縁キャップを有する留め具の形成方法が提供される。当該方法は、留め具の頭部の表面に準備処理を施すことと、準備処理された表面にフィルム接着剤を塗布することと、フィルム接着剤が留め具の頭部と絶縁キャップとの間に位置するように、射出成形によって絶縁キャップを形成することと、フィルム接着剤を硬化することによって、絶縁キャップを留め具の頭部に接合すること、とを含む。
さらに別の態様において、部品が提供される。当該部品は、金属コンポーネントと、熱可塑性コンポーネントと、金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとの間に配置されたフィルム接着剤とを含み、フィルム接着剤は、金属コンポーネントを熱可塑性コンポーネントに接合しており、当該部品は、金属コンポーネントの表面にフィルム接着剤を塗布することと、射出成形によって熱可塑性コンポーネントを形成することと、射出成形後にフィルム接着剤を硬化すること、とによって製作される。
また、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。
付記１ コンポーネントの接合方法であって、金属コンポーネントの表面に準備処理を施すことと、前記準備処理された表面にフィルム接着剤を塗布することと、前記フィルム接着剤が前記金属コンポーネントと前記熱可塑性コンポーネントとの間に位置するように、射出成形によって熱可塑性コンポーネントを形成することと、前記フィルム接着剤を硬化すること、とを含む。
付記２ 前記フィルム接着剤を塗布することは、エポキシフィルム接着剤を塗布することを含む、付記１に記載の方法。
付記３ 前記熱可塑性コンポーネントを形成する前に、前記フィルム接着剤をＢステージ化することをさらに含む、付記１に記載の方法。
付記４ 前記フィルム接着剤をＢステージ化することは、約５分〜２時間、約６５．６℃〜９８．９℃（１５０°Ｆ〜２１０°Ｆ）の範囲の温度に前記フィルム接着剤を暴露することを含む、付記３に記載の方法。
付記５ 金属コンポーネントの表面に準備処理を施すことは、チタン留め具の頭部に準備処理を施すことを含む、付記１に記載の方法。
付記６ 熱可塑性コンポーネントを形成することは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）コンポーネントを形成することを含む、付記１に記載の方法。
付記７ 前記フィルム接着剤を硬化することは、６．９×１０ ４ Ｐａ〜６５×１０ ４ Ｐａ（１０ｐｓｉ〜９５ｐｓｉ）の範囲の圧力下において、約６５．６℃〜１３２℃（１５０°Ｆ〜２７０°Ｆ）の温度で、前記フィルム接着剤を硬化することを含む、付記１に記載の方法。
例示的な航空機の製造およびサービス方法のフロー図である。 航空機のブロック図である。 図２に示した航空機に含まれうる単純部品の概略図である。 図２に示した航空機に含まれうる複雑部品の概略図である。 図３および図４に示した部品を形成するために用いられ得るフロー図である。
本明細書に記載したシステム及び方法は、金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとの接合を容易にするものである。方法は、金属コンポーネントにフィルム接着剤を塗布することと、射出成形を用いて、金属コンポーネント及びフィルム接着剤上に熱可塑性コンポーネントを形成すること、とを含む。
より具体的に図面を参照すると、本開示の例を、図１においては航空機の製造及びサービス方法１００に関連させ、図２においては航空機１０２に関連させて説明する。生産開始前の工程として、例示的な方法１００は、航空機１０２の仕様決定及び設計１０４と、材料調達１０６とを含む。生産中の工程としては、部品及び小組立品（subassembly）の製造１０８、及び、航空機１０２のシステムインテグレーション１１０が行われる。その後、航空機１０２は、例えば認証及び納品１１２の工程を経て、就航１１４に入る。顧客によるサービス中は、航空機１０２は、定例のメンテナンス及びサービス１１６（変更、再構成、改装なども含む場合もある）のスケジュールに組み込まれる。
方法１００の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実行または実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム（majority-system）下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体（military entity）、サービス組織（service organization）などであってもよい。
図２に示すように、例示的な方法１００によって製造される航空機１０２は、例えば、複数のシステム１２０と内装１２２とを備えた機体１１８を含みうる。ハイレベルシステム１２０の例としては、１つ又はそれ以上の駆動系１２４、電気系１２６、油圧系１２８、環境系１３０が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用してもよい。
ここに図示及び記載した装置及び方法は、製造及びサービス方法１００における、１つ又はそれ以上のどの段階において採用してもよい。例えば、部品及び小組立品製造工程１０８で作製される部品又は小部品は、航空機１０２のサービス中に作製される部品又は小部品と同様に作製することができる。また、１つまたはそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、実質的に航空機１０２の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、製造工程１０８及び１１０で用いてもよい。同様に、１つまたは複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１０２のサービス中に、例えば、メンテナンス及びサービス１１６に用いてもよいが、これに限定されない。
図３は、金属コンポーネント３０２と、接着剤３０４と、射出成形熱可塑コンポーネント３０６とを含む単純部品３００の概略図である。接着剤３０４が、金属コンポーネント３０２を熱可塑コンポーネント３０６に接合しており、これについては本明細書で詳しく説明する。単純部品３００は、例えば、航空機１０２（図２に示す）に含まれるものであってもよい。
本明細書において、部品３００を「単純」と呼ぶのは、金属コンポーネント３０２の単一の界面３０８が熱可塑コンポーネント３０６の単一の界面３１０に接合されているからである。実施形態の一例において、金属コンポーネント３０２は留め具（例えば、ボルト、ねじ、及び／又は、頭部とシャンクとを有する他の任意の種類の締結具）であり、熱可塑コンポーネント３０６は、接着剤３０４によって留め具の頭部に取り付けられた絶縁キャップである。例えば、金属コンポーネント３０２は、直径が０．４８５インチのチタン留め具であってもよい。熱可塑コンポーネント３０６は、中空の４５０Ｇポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）キャップであってもよい。形成された単純部品３００は、一体型の頂部絶縁（integral dielectric top:ＩＤＴ）留め具であってもよい。あるいは、金属コンポーネント３０２及び熱可塑コンポーネント３０６は、本明細書に記載されたように互いに接合することができる任意のコンポーネントであってもよい。例えば、いくつかの実施形態において、熱可塑性コンポーネント３０６は、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ、ＰＥＫＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアリールスルホン（ＰＰＳ、ＰＰＳＵ、ＰＳＵ）又はポリフタルアミド（ＰＰＡ）である。
図４は、金属コンポーネント４０２と、接着剤４０４と、射出成形熱可塑コンポーネント４０６とを含む複雑部品４００の概略図である。単純部品３００（図３に示す）と同様に、接着剤４０４が、金属コンポーネント４０２を射出成形熱可塑コンポーネント４０６に接合しており、これについては本明細書で詳しく説明する。複雑部品４００は、例えば、航空機１０２（図２に示す）に含まれるものであってもよい。
本明細書において、部品４００を「複雑」と呼ぶのは、金属コンポーネント４０２の複数の界面４０８が、射出成形熱可塑コンポーネント４０６の複数の界面４１０に接合されているからである。従って、単純部品３００に比べて、複雑部品４００は、比較的複雑である。なお、金属コンポーネント４０２及び射出成形熱可塑コンポーネント４０６は、本明細書に記載されたように互いに接合することができる任意の要素であってよい。
図５は、単純部品３００（図３に示す）又は複雑部品４００（図４に示す）のような部品を形成するための例示的な方法５００のフロー図である。方法５００は、表面に対する準備処理５０２、表面への接着剤の塗布５０４、接着剤のＢステージ化（すなわち、接着剤の部分的な予備硬化または硬化）５０６、射出成形プロセスの実施５０８、及び、射出成形プロセス後の接着剤の硬化５１０を含む。方法５００の各工程を、以下に詳しく説明する。
方法５００では、まず、金属コンポーネントの表面に準備処理５０２を行う。すなわち、いくつかの実施形態において、最終的に接着剤が塗布される表面は、初期段階で、接着剤の働きを阻害するおそれがあるコーティング（例えば、ドライ潤滑剤として機能するアルミニウム顔料入りコーティング）を含んでいる場合がある。従って、例えば表面をグリットブラスト仕上げすることによって表面の準備処理５０２を行い、そのようなコーティングを除去することができる。例えば、表面は、＃１８０グリットアルミナでグリットブラスト仕上げしてもよい。さらなる表面準備処理５０２を行うには、グリットブラスト仕上げの後に、ゾルゲル（sol-gel）コーティング（例えば、Boegel EPII ゾルゲル）を表面に塗布してもよい。準備処理５０２の最終段階として、金属コンポーネントの表面に腐食防止用改質エポキシプライマーを塗布してもよい。
準備処理５０２の後、表面への接着剤の塗布５０４が行われる。金属コンポーネントが留め具の場合、当該表面は、留め具の頭部であってもよく、当該頭部は、比較的小さいもの（例えば、０．５平方インチ）であってもよい。例示的な実施形態において、接着剤はフィルム接着剤であり、より具体的には、エポキシフィルム接着剤である。例えば、接着剤は、Henkel Corp.のEA9696U(0.031b/ft2)であってもよい。接着フィルムを用いることによって、接着剤の輪郭形状を比較的均一にすることができる。例示的な実施形態において、接着剤は、強化エポキシ接着剤であり、これは、環境耐久性、及び、構造的接合の機械的強度が比較的高い。また、接着剤は、華氏２５０度以下で硬化し、比較的高い熱可塑化処理温度に対する短時間暴露に耐えうる能力、及び接着剤の特性（kinetics）によって選択される。
あるいは、接着剤は、方法５００を本明細書に記載のように実行することを可能にする任意の適当な接着剤であってもよい。例えば、いくつかの実施形態おいては、使用態様に応じて、接着剤が、より高い温度で硬化してもよい。また、いくつかの実施形態において、フィルム接着剤は、ウレタン又はポリイミド接着剤である。また、いくつかの実施形態において、接着剤は、スプレー式接着剤であってもよい。例示的な実施形態において、接着剤を、比較的薄い厚み（例えば、０．００２〜０．００５インチ）とすることによって、接着剤が、溢れ出たり、射出成形プロセス中に射出成形型のベントを塞いだり（vent blocking）するのを抑制することができる。ただし、形成しようとする部品によっては、いくつかの実施形態において、接着剤をより厚くしてもよい（例えば、厚み０．０１０インチまで）。
接着剤のＢステージ化５０６を行うことによって、後に行われる射出成形プロセスの間の接着剤の流動を、抑制しやすくなる。すなわち、Ｂステージ化５０６は、オーブン内で行われる中間プロセスであり、接着剤の粘度を高めることによって、後に行われる接着作業のために接着剤に対して行われる準備処理である。Ｂステージ化５０６のパラメータは、接着剤の所定の硬化特性に基づいて選択される。例えば、いくつかの実施形態において、Ｂステージ化５０６は、約８２．２℃（１８０°Ｆ）において約３０分間行われる。他の実施形態において、Ｂステージ化５０６は、約９８．９℃（２１０°Ｆ）において約３０分間行われる。これに代えて、Ｂステージ化５０６は、方法５００を本明細書に記載のように実行することを可能にする任意の適当なパラメータを用いて行ってもよい。例えば、Ｂステージ化５０６は、６５．６℃（１５０°Ｆ）と１２１℃（２５０°Ｆ）との間の温度で、５分〜２時間行ってもよい。実施形態によっては、Ｂステージ化５０６は行われない。
金属コンポーネント及び接着剤は、Ｂステージ化５０６を行った後、射出成形５０８を行う前に、（例えば２４時間）保管してもよい。Ｂステージ化５０６の後、射出成形プロセス５０８が行われる。具体的には、（接着剤が塗布された）金属コンポーネントの少なくとも一部を、射出成形型内に配置し、射出成形によって、金属コンポーネント及び接着剤上に熱可塑性コンポーネントを形成する。射出成形の間、金属コンポーネント及び接着剤は、比較的短い時間（例えば、数秒）、比較的高い温度（例えば、約３６６℃（６９０°Ｆ））及び圧力（例えば、５．５１×１０ ７ Ｐａ（８，０００ｐｓｉ））に暴露される。いくつかの実施形態において、射出成形は、３８５℃（７２５°Ｆ）までの温度で、１．０３×１０ ８ Ｐａ（１５，０００ｐｓｉ）までの圧力下で行われる。ただし、Ｂステージ化５０６により接着剤を部分的に硬化させたことによって、射出成形中の接着剤の流動は抑制される。
射出成形プロセス５０８が行われた後、接着剤の硬化５１０が行われる。ＰＥＥＫなどのいくつかの熱可塑性樹脂の場合、材料が非晶質の場合に熱可塑性コンポーネントの性能が向上する。従って、例示的な実施形態においては、硬化５１０の間、熱可塑性コンポーネントのガラス転移温度（例えば、約１４３℃（２９０°Ｆ））未満に温度を維持する。例えば、硬化５１０は、１．７２×１０ ５ Ｐａ（２５ｐｓｉ）の圧力下で、１分あたり３．９℃（７°Ｆ）の温度勾配をつけつつ昇温し、約１２１℃（２５０°Ｆ）にて約９０分間行ってもよい。これに代えて、硬化５１０は、方法５００を本明細書に記載のように実行することを可能にする任意の適当なパラメータを用いて行ってもよい。例えば、硬化５１０は、６５．６℃（１５０°Ｆ）と１３２℃（２７０°Ｆ）との間の温度で、６．９×１０ ４ Ｐａ〜６５×１０ ４ Ｐａ（１０ｐｓｉ〜９５ｐｓｉ）の圧力下で行ってもよい。例示的な実施形態において、硬化５１０は、加熱されたプレス内で行われる。
方法５００によって、金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとの間に高強度の接合が形成される。例えば、実験結果によると、留め具とキャップとを本明細書に記載のシステム及び方法を用いて接合した場合、得られた接合部は、２３．９℃（７５°Ｆ）において、熱可塑性キャップからチタン留め具を引き離すのに９．６５×１０ ６ Ｐａ〜１．１０×１０ ７ Ｐａ（１４００ｐｓｉ〜１６００ｐｓｉ）が必要となる引っ張り強度を有する。これに対して、少なくともいくつかの周知の接合技術では、接合された熱可塑性コンポーネントと金属コンポーネントとを引き離すのに４．１３×１０ ６ Ｐａ（６００ｐｓｉ）が必要な引っ張り強度しか得られない。さらに、本明細書に記載した接合方法は、比較的耐久性が高く、繰り返し可能である。
本明細書に記載した実施形態は、金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとを接合するためのシステム及び方法を提供する。方法は、金属コンポーネントにエポキシ接着剤を塗布することと、接着剤をＢステージ化することと、射出成形によって金属コンポーネント及び接着剤上に熱可塑性コンポーネントを形成することとを含む。なお、接着剤をＢステージ化することによって、射出成形プロセス中の接着剤の流動を抑制することができる。
本明細書に記載した実施形態は、少なくともいくつかの周知の接合方法に対して改善をもたらす。少なくともいくつかの周知の接合方法に比べて、本明細書に記載の方法によって金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとの間に形成される接合は、より強固である。また、本明細書に記載の方法は、接着剤が射出成形プロセスに耐え得るようにしているため、金属コンポーネントと熱可塑性コンポーネントとを含む部品を、比較的素早く且つ簡単に形成することができる。
本明細書は、例を用いてベストモードを含む様々な実施形態を開示することよって、任意の装置又はシステムを作製及び使用すること、及び、組み入れられた方法を実行することを含め、当業者がそれらの実施形態を実施することができるようにしたものである。特許を受けようとする範囲は、特許請求の範囲の記載によって規定されるものであり、当業者が想定する他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが、特許請求の範囲の文言と相違のない構成要素である場合、又は、特許請求の範囲の文言に対して非本質的な相違を有するだけの均等の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれると考えられるべきである。

Claims (12)

  1. 絶縁キャップを有する留め具の形成方法であって、
    留め具の頭部の表面に準備処理を施すことと、
    前記準備処理された表面にフィルム接着剤を塗布することと、
    前記フィルム接着剤をＢステージ化することと、
    Ｂステージ化された前記フィルム接着剤が前記留め具の頭部と前記絶縁キャップとの間に位置するように、射出成形によって前記絶縁キャップを形成することと、
    前記フィルム接着剤を硬化することによって、前記絶縁キャップを前記留め具の頭部に接合すること、とを含む方法。
  2. フィルム接着剤を塗布することは、エポキシフィルム接着剤を塗布することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記フィルム接着剤をＢステージ化することは、約５分〜２時間、約６５．６℃〜９８．９℃の範囲の温度に前記フィルム接着剤を暴露することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記フィルム接着剤を硬化することは、６．９×１０ ４ Ｐａ〜６５×１０ ４ Ｐａの範囲の圧力下において、約６５．６℃〜１３２℃の温度で、前記フィルム接着剤を硬化することを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記フィルム接着剤を硬化することは、約１２１℃で約９０分間前記フィルム接着剤を硬化することを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 表面に準備処理を施すことは、チタン留め具の頭部に準備処理を施すことを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. 絶縁キャップを形成することは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）キャップを形成することを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
  8. 金属コンポーネントと、
    熱可塑性コンポーネントと、
    前記金属コンポーネントと前記熱可塑性コンポーネントとの間に配置されたフィルム接着剤とを含む部品であって、
    前記フィルム接着剤は、前記金属コンポーネントを前記熱可塑性コンポーネントに接合しており、前記部品は、前記金属コンポーネントの表面に前記フィルム接着剤を塗布することと、前記フィルム接着剤をＢステージ化することと、射出成形によって前記熱可塑性コンポーネントを形成することと、前記射出成形後に前記フィルム接着剤を硬化すること、とによって製作される、部品。
  9. 前記金属コンポーネントは、チタン留め具を含む、請求項８に記載の部品。
  10. 前記熱可塑性コンポーネントは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）キャップを含む、請求項８又は９に記載の部品。
  11. 前記フィルム接着剤は、エポキシフィルム接着剤である、請求項８〜１０のいずれかに記載の部品。
  12. 前記フィルム接着剤は、ポリウレタンフィルム接着剤およびポリイミドフィルム接着剤の１つである、請求項８〜１１のいずれかに記載の部品。
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