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JP2011529803A - プラスチックから複合材構成要素を製造するための方法、その方法に従って製造された複合材構成要素、およびそのような複合材構成要素の使用 - Google Patents

プラスチックから複合材構成要素を製造するための方法、その方法に従って製造された複合材構成要素、およびそのような複合材構成要素の使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、複合材構成要素（１００）を製造するための方法であって、
１．１ 少なくとも１層の裏当て層（１１４）および少なくとも１層の着色層（１１２）でできた装飾複合材（１１０）を製造するステップと、
１．２ 少なくとも１層の外層（１３２；１３６）およびそれに接続された少なくとも１つのスペーサ（１３４）でできた構造複合材（１３０）を製造するステップと、
１．３ 装飾複合材（１１０）と構造複合材（１３０）との間に接続層（１２０）を導入するステップと、
１．４ 接続層（１２０）を硬化させながら、構造複合材（１３０）と装飾複合材（１１０）を接合するステップと
を含む方法に関する。

Description

本発明は、請求項１に記載のプラスチックから複合材構成要素を製造するための方法、請求項１４に記載のその方法によって製造される複合材構成要素、および請求項１５に記載のこのタイプの複合材構成要素の有利な使用に関する。
独国特許出願公開第１０２ ４４ ２８７号明細書に、車両用の複合材構成要素が開示されており、この複合材構成要素は、箔でできた外面と補強裏当て層とから構成され、補強裏当て層は、ハニカム構造と、ハニカム構造を両面でそれぞれ覆う強化ガラス繊維を含むポリウレタン層とから構成される。この複合材構成要素は、１つの金型内で複数のステップで製造される。個々の層に必要な硬化時間により、複合材構成要素は、比較的長い全体サイクル時間を必要とし、したがって、製造個数が比較的多い場合には、比較的高価な複数の金型を使用して複数の並行生産ラインを用いる必要がある。
本発明の目的は、複合材構成要素の製造を単純化することができ、かつ複合材構成要素の製造プロセス時間を大幅に短縮することができる、プラスチックでできた複合材構成要素を製造するための方法、およびその方法によって製造される複合材構成要素を提供することである。
本発明によれば、この目的は、方法に関しては請求項１に記載の特徴によって、複合材構成要素に関しては請求項１４に記載の特徴によって実現される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載される。本発明に従って製造される複合材構成要素の有利な使用は、請求項１５に記載される。
本発明の本質は、２つの別々に製造されたモジュール、すなわち着色層を備えて外面を形成する装飾複合材と安定性を高める構造複合材とを接続層によって接合することにより複合材構成要素を提供することにある。装飾複合材と構造複合材を別々に製造することで、生産ラインの一部において製造ステップを並行して行うことができ、または別々の場所で完全に分離することができる。ここで、部品を接合するときには接続層を導入しさえすればよく、接続層の硬化は従来技術よりもはるかに迅速に行われる。また、別々に製造する方法により、例えば様々な装飾複合材を様々な構造複合材と接合することもできるようになり、したがって、例えば車両製造業者が顧客の要求に個別に応じて、外板およびそこに配置される内張りに関して様々な色および材料をモジュール式に組み立てることができる。
１つの有利な実施形態では、装飾複合材の裏当て層が、アルミニウムや鋼などの金属、または熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂から構成される。
別の有利な実施形態では、着色層が、塗料層および／またはプライマ層および／または箔層および／または材料層の１つまたは複数から構成される。様々な材料を選択して場合によっては張り合わせることができることにより、外板の色、構造、および外観に関して大きな設計自由度が得られる。
装飾複合材を構造複合材と接続するための接続層は、発泡または非発泡ポリマーから形成されることが好ましい。
構造層のスペーサが、ペーパーハニカムから、発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）、発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ）、または発泡ポリカーボネート（ＥＰＣ）などのポリマー発泡体から、メラミンから、発泡アルミニウムなどの金属発泡体から、天然原料から、またはモノリシック構造、例えば金属薄板、ガラス繊維強化ポリウレタン（ＰＵ−ＧＦ）、ガラス繊維強化エポキシ（ＥＰ−ＧＦ）、もしくはガラス繊維強化ポリカーボネート（ＰＣ−ＧＦ）から構成されることが好ましい。
構造層の少なくとも１層の外層が、繊維層から形成されており、繊維層が、ガラス繊維、ガラス繊維強化ポリウレタン（ＰＵ−ＧＦ）、天然繊維、ポリマー繊維、無機繊維、金属繊維、または炭素繊維でできており、かつポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エポキシ（ＥＰ）、またはポリウレタン（ＰＵ）でできたプラスチックマトリックス内に埋め込まれていることが好ましい。
１つの特に好ましい実施形態では、構造複合材の構成は、スペーサの両面に２層の外層を有し、少なくとも１層の外層、特に好ましくは両方の外層が、スペーサの空隙内に浸透する接着剤または液体プラスチックによって接続されている。このタイプの構造複合材は、非常に軽量でありながら特に高い安定性を有する。
少なくとも１層の飛散防止層が装飾複合材および／または構造複合材内に組み込まれていることがさらに好ましい。飛散防止層の組込みは、独国特許出願第１０ ２００８ ０３３ ９２３．７号明細書に記載されており、この出願は、本願と同一出願人によるものであり、本出願よりも優先日が先であり、本明細書においてその開示を本出願に援用する。
装飾複合材の製造と接続層の導入を第１の金型内で連続的に行い、同時に構造複合材の製造を、他のステップの場所とは空間的に離れた場所で行い、したがって完成した構造複合材を第２の金型内に中間製造物として挿入することができ、装飾複合材と構造複合材との間に接続層を導入した後に２つの金型を押し合わせて複合材構成要素を接合する方法が特に好ましい。
本発明における上述した方法に従って製造される複合材構成要素は、特に好ましくは、車両の外板構成要素、例えば車両ルーフモジュール、車両ドア、フェンダ（ｗｈｅｅｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄ）、エンジンルームの蓋、トランクの蓋、テールゲートモジュール、折り畳み式のカブリオレの屋根（ｒｏｏｆ ｓｈｅｌｌ）、フロントスポイラ、またはリアスポイラに使用される。装飾複合材の高い表面品質および構造複合材による高い安定性、加えて着色および構造の自由度および短いサイクル時間により、本発明による方法は車両の外板構成要素の製造での使用に適したものとなる。
別の有利な実施形態では、装飾複合材および／または構造複合材の層の少なくとも一方は、ＣＳＭ法（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｐｒａｙ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；複合材噴霧成形法）によって、および／またはＬＦＩ法（ｌｏｎｇ ｆｉｂｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ；長繊維射出成形法）によって、および／またはＧＭ−ＰＵ法（ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ−ｍａｔ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｐｒｏｃｅｓｓ；ガラス繊維マットポリウレタン法）によって、および／またはＲＴＭ法（ｒｅｓｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；樹脂注入成形法）によって、および／またはＳＭＣ法（ｓｈｅｅｔ ｍｏｌｄｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；シート状成形材料法）によって、および／またはＲＩＭ法（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｎｊｅｃｔ
ｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；反応射出成形法）によって、および／またはＰＲＩＭ法（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；強化反応射出成形法）によって、および／または射出成形法によって製造されている。
少なくとも１層の飛散防止層が、好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、および／またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、および／またはポリアミド（ＰＡ）、および／またはポリプロピレン（ＰＰ）、および／またはアラミド、および／または弾性ポリウレタン（ＰＵ）、および／または天然ゴムもしくは合成ゴム、および／またはスチール織物から構成される飛散防止織物を有する。
同様に、複合材構成要素の最外部を成す外面が、既に供給業者のもとで所望の車両の色で着色されたプラスチック層から構成されていると有利である。これにより、複合材構成要素が車両の外板構成要素として使用されるとき、後から車両製造業者が塗装作業を行う必要が全くなくなる。
以下、本発明の複合材構成要素を、図面を参照して一実施形態に基づいてより詳細に説明する。
装飾複合材と、接続層と、構造複合材とでできた複合材構成要素のモジュール構造を示す図である。 別々の、第１の金型内での装飾複合材の製造と、それとは別途の構造複合材の製造とを示す図である。 第１の金型内での装飾複合材の内面への接続層の導入を示す図である。 ２つの金型を押し合わせることによる装飾複合材と構造複合材の接合を示す図である。
図１に示される複合材構成要素１００は、装飾複合材１００（上側に示される）と、接続層１２０と、構造複合材１３０（下側に示される）とからモジュール式に組み立てられる。
装飾複合材１１０は、少なくとも１層の裏当て層１１４と、少なくとも１層の着色層１１２とから構成される。着色層１１２は、後に複合材構成要素１００が接合されたときに、複合材構成要素１００の外向きの層を形成する。任意選択で、飛散防止層１１６が、裏当て層１１４の下面に提供されるか、または裏当て層１１４に埋め込まれる。装飾複合材１１０の裏当て層１１４は、任意選択で、アルミニウムや鋼板などの金属から構成されるか、または熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂から例えば熱間成形プラスチック箔の形態で構成される。着色層１１２は、その着色が複合材構成要素の所望の色に合わせられている塗料および／またはプライマおよび／または箔および／または層材料から構成される。飛散防止層１１６は、特にポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、アラミド、弾性ポリウレタン（ＰＵ）、天然ゴムもしくは合成ゴム、またはスチール織物から製造されている織物から構成されることが好ましい。また、特に好ましくは、飛散防止織物の形態での飛散防止層１１６は、特に裏当て層１１４がプラスチックから構成されている場合には裏当て層１１４内に埋め込むことができる。
接続層１２０は、発泡または非発泡ポリマー、特にポリウレタン発泡体（ＰＵ）から構成されることが好ましい。接続層１２０の厚さは、好ましくは約２〜２．５ｍｍである。
それと同時に、好ましくは、この層は、着色層１１２の外面上で見られる、スペーサ１３４のハニカム構造から伝達される圧力によって引き起こされる影響を効果的に防止するのに役立つ。この影響は、分離層がない場合に金型内での圧縮時に通常であれば生じ得る。スペーサ層１３４としてハニカム構造が使用されず、プラスチック、プラスチック発泡体、金属、または金属発泡体が代わりに使用される場合には、このとき接続層１２０の役割が装飾複合材１１０と構造複合材１３０の接続に限定されるので、接続層１２０の厚さをかなり小さくすることができる。
構造複合材１３０は、上側外層１３２、スペーサ１３４、および下側外層１３６から構成される。任意選択で、上側外層１３２の上に飛散防止層１３８が配置され、飛散防止層１３８の構造は飛散防止層１１６と同様である。さらに、飛散防止層１１６の飛散防止織物が、外層１３２のプラスチック材料内に埋め込まれていることが好ましい。車両の外板構成要素として使用される複合材構成要素が事故により破砕した場合、２層の飛散防止層１１６および１３８は、それぞれ隣接する裏当て層１１４および１３２、１３６が破砕して鋭利な破片が車外または車内に突き出すのを防止する。
構造層１３０のスペーサ１３４は、ペーパーハニカムから構成されることが好ましく、そのセル壁（ｆｉｌｌｅｔ）は、隣接する外層１３２、１３６に対して垂直に、複合材構成要素１００の主負荷方向に向けられている。代替形態として、スペーサ１３４は、ポリウレタン発泡体から、発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）、発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ）、または発泡ポリカーボネート（ＥＰＣ）などのポリマー発泡体から、メラミンから、発泡アルミニウムなどの金属発泡体から、天然原材料から、あるいはモノリシック構造、例えば金属薄板、ガラス繊維強化ポリウレタン（ＰＵ−ＧＦ）、ガラス繊維強化エポキシ（ＥＰ−ＧＦ）、またはガラス繊維強化ポリカーボネート（ＰＣ−ＧＦ）から構成することもできる。スペーサ１３４は、例えば約１３ｍｍの厚さを有するペーパーハニカムから構成されることが特に好ましく、ここで、ハニカム構造の波形要素および外面要素の単位当たりの重量は、それぞれ１平方メートル当たり約１１５ｇであり、波形要素は、好ましくはＡ型の波形で設計されている。
構造層１３０の少なくとも一方の外層１３２、１３６は繊維層から構成され、この繊維層は、例えばガラス繊維、ガラス繊維強化ポリウレタン（ＰＵ−ＧＦ）、天然繊維、ポリマー繊維、無機繊維、金属繊維、または炭素繊維でできており、かつ例えばポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エポキシ（ＥＰ）、またはポリウレタン（ＰＵ）でできたプラスチックマトリックス内に埋め込まれている。外層１３２および１３６は、１平方メートル当たり約３００ｇの単位当たりの重量を有するポリウレタン（ＰＵ）から構成されることが特に好ましく、このポリウレタンはそれぞれ、必須ではないが好ましくは、１平方メートル当たり約２２５ｇの単位当たりの重量を有するガラス繊維マットによって補強されている。
例えばハニカム構造の形でのスペーサ１３４の連続気泡構造の場合、スペーサ１３４の空隙に浸透して垂直セル壁の縁部領域に溜まる接着剤または液体プラスチックによって外層１３２、１３６への接続を強化することが特に好ましい。
スペーサ１３４と２層の隣接する外層１３２および１３６とでできた従来説明されている層構造は、ＣＳＭ法（複合材噴霧成形法；Ｈｅｎｎｅｃｋｅ ＧｍｂＨ社（Ｄ−５３７５４ Ｓａｎｋｔ Ａｕｇｕｓｔｉｎ）によって開示されている）によって金型（ＣＳＭ金型）内で製造されることが好ましい。これは、本願と同一出願人による独国特許第１００ ３３ ２３２号明細書で既に同様に説明されている。ここでは、非常に軽量である一方で、主にハニカムの垂直セル壁の領域内に浸透してセル壁と結合するプラスチック（ＰＵ）によって強度が与えられる。
本発明による方法においては、装飾複合材１１０と構造複合材１３０の製造が別々に行われる。互いに並べて配置された２つの生産ラインで製造を行うことができ、装飾複合材１１０と構造複合材１３０の個々の層の硬化時間が並行して経過し、したがって、複合材構成要素１００を製造する全体のプロセス時間は、冒頭で述べた従来技術に比べて長くはならず、むしろ短縮される。また、装飾複合材１１０および／または構造複合材１３０の製造を完全に異なる場所で、完全に異なる供給業者のもとで行うこともできる。
図２における第１のステップでは、着色層１１２を下にした状態での装飾複合材１１０が第１の金型２１０内に配置されるか、または代替形態として第１の金型２１０内で製造される。着色層１１２は、ＩＭＣ法（ｉｎｍｏｌｄ−ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；インモールドコーティング法）によって、ＣＳＭ金型（記載する例では下型２１０）内に直接、噴霧によって０．０３〜０．０６ｍｍの層厚さで（Ｓ＆Ｒ）、または０．３〜０．６ｍｍの層厚さで（Ｐａｎａｄｕｒ）製造されることが好ましい。
それとは別に、第２のステップで構造複合材１３０が製造される。
図３における第３のステップでは、少なくとも１つのノズル２５５を設けられた噴射器２５０によって、接続層１２０が裏当て層１１４の内側に塗布される。
図４における第４のステップでは、構造複合材１３０は、上型２３０に固定されているか、またはその代替形態として接続層１２０の上に配置されている。上型２３０が下型２１０と押し合わされるとき、接続層１２０が、硬化過程中に構造複合材１３０と装飾複合材１１０を接続させる。
完成した複合材構成要素１００は、例えば車両のルーフモジュールまたは車両ドアとなる。しかし、有利には、本発明は、例えばフェンダ、エンジンルームの蓋、トランクの蓋、テールゲートモジュール、カブリオレの屋根、フロントスポイラ、またはリアスポイラなど他の車両構成要素でも実現することができ、また、自動車産業では使用されない他のプラスチック複合材構成要素にも適している。
車両ルーフモジュールとして設計される複合材構成要素が金型内部で受ける圧力は、縁部領域で比較的大きい。縁部領域ではスペーサ１３４が省かれ、得られた空間に、車両ルーフモジュールの安定性を高める裏当て層が下から設けられ、この裏当て層は、ＬＦＩ−ＰＵＲ法（長繊維射出成形法）での射出成形によって、繊維材料が中に注入されたポリウレタンから製造されることが好ましい。車両ルーフモジュールとして設計された複合材構成要素が設置されるとき、強度を高められたこれらの縁部領域は、ルーフフレームのフランジ領域内で、接着剤ビードの高さ分だけ上がった位置にある（これに関しては、その本出願よりも優先日が先の独国特許出願第１０ ２００８ ０３３ ９２３．７号明細書参照）。
１００ 複合材構成要素
１１０ 装飾複合材
１１２ 着色層
１１４ 裏当て層
１１６ 飛散防止層
１２０ 接続層
１３０ 構造複合材
１３２ 外層
１３４ スペーサ
１３６ 外層
１３８ 飛散防止層
２１０ 金型（下型）
２３０ 金型（上型）
２５０ 噴射器
２５５ ノズル
本発明は、請求項１に記載のプラスチックから複合材構成要素を製造するための方法、請求項１３に記載のその方法によって製造される複合材構成要素、および請求項１５に記載のこのタイプの複合材構成要素の有利な使用に関する。
独国特許出願公開第１０２ ４４ ２８７に、車両用の複合材構成要素が開示されており、この複合材構成要素は、箔でできた外面と補強裏当て層とから構成され、補強裏当て層は、ハニカム構造と、ハニカム構造を両面でそれぞれ覆う強化ガラス繊維を含むポリウレタン層とから構成される。この複合材構成要素は、１つの金型内で複数のステップで製造される。個々の層に必要な硬化時間により、複合材構成要素は、比較的長い全体サイクル時間を必要とし、したがって、製造個数が比較的多い場合には、比較的高価な複数の金型を使用して複数の並行生産ラインを用いる必要がある。

Claims (15)

  1. 特に車両の外板構成要素、例えば車両ルーフモジュール、車両ドア、フェンダ、エンジンルームの蓋、トランクの蓋、テールゲートモジュール、カブリオレの屋根、フロントスポイラ、またはリアスポイラの複合材構成要素（１００）を製造するための方法であって、
    １．１ 少なくとも１層の裏当て層（１１４）および少なくとも１層の着色層（１１２）でできた装飾複合材（１１０）を製造するステップと、
    １．２ 少なくとも１層の外層（１３２；１３６）および前記外層（１３２；１３６）に接続された少なくとも１つのスペーサ（１３４）でできた構造複合材（１３０）を製造するステップと、
    １．３ 装飾複合材（１１０）と構造複合材（１３０）との間に接続層（１２０）を導入するステップと、
    １．４ 前記接続層（１２０）を硬化させながら、前記構造複合材（１３０）と前記装飾複合材（１１０）を接合するステップと
    を含む方法。
  2. 前記装飾複合材（１１０）の前記裏当て層（１１４）が、アルミニウムや鋼などの金属、または熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記着色層（１１２）が、塗料層および／またはプライマ層および／または箔層および／または材料層の１つまたは複数から構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記接続層（１２０）が、発泡ポリマーまたは非発泡ポリマーから形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記構造層（１３０）の前記スペーサ（１３４）が、ペーパーハニカムから、ポリウレタン発泡体から、発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）、発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ）、または発泡ポリカーボネート（ＥＰＣ）などのポリマー発泡体から、メラミンから、発泡アルミニウムなどの金属発泡体から、天然原料から、またはモノリシック構造、例えば金属薄板、ガラス繊維強化ポリウレタン（ＰＵ−ＧＦ）、ガラス繊維強化エポキシ（ＥＰ−ＧＦ）、もしくはガラス繊維強化ポリカーボネート（ＰＣ−ＧＦ）から構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記構造層（１３０）の前記少なくとも１層の外層（１３２、１３６）が、繊維層から形成されており、前記繊維層が、ガラス繊維、ガラス繊維強化ポリウレタン（ＰＵ−ＧＦ）、天然繊維、ポリマー繊維、無機繊維、金属繊維、または炭素繊維でできており、かつポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エポキシ（ＥＰ）、またはポリウレタン（ＰＵ）でできたプラスチックマトリックス内に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記スペーサ（１３４）の両面に２層の外層（１３２、１３６）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記少なくとも１層の外層（１３２、１３６）が、前記スペーサ（１３４）の空隙内に浸透する接着剤または液体プラスチックによって接続されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 少なくとも１層の飛散防止層（１１６、１３８）が、前記装飾複合材（１１０）および／または前記構造複合材（１３０）内に組み込まれていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. ステップ１．１およびステップ１．３が、第１の金型（２１０）内で連続的に行われることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. ステップ１．２が、他のステップが行われる場所とは空間的に離れた場所で行われることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. ステップ１．２の中間製造物が、第２の金型（２３０）内に挿入されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. ステップ１．４が、前記第１の金型（２１０）と前記第２の金型（２３０）を押し合わせることによって行われることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法に従って製造された複合材構成要素。
  15. 車両の外板構成要素、例えば車両ルーフモジュール、車両ドア、フェンダ、エンジンルームの蓋、トランクの蓋、テールゲートモジュール、カブリオレの屋根、フロントスポイラ、またはリアスポイラとしての請求項１４に記載の複合材構成要素の使用。
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