JP6542215B2 - 複合材料を製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの外側の金属被覆層と、これらの被覆層の間に配置された少なくとも１つのプラスチック層を具えるサンドイッチ複合材料を製造する方法であって、片側にプラスチックが被覆されている少なくとも２つの金属半製品が設けられており、接続作業の前に金属半製品のプラスチックが被覆されている側の少なくとも一方を活性化することで半製品のプラスチック層の間を接続して、半製品のプラスチックが被覆されている側で半製品を互いに接続してサンドイッチ複合材料を製造する方法に関する。更に、本発明は、少なくとも２つの金属被覆層と、それらの金属被覆層の間に配置された少なくとも１つのプラスチック層を有するサンドイッチ複合材料を製造する装置であって、帯状の半製品用の少なくとも２つの巻戻しリールを具え、各製品が片側に少なくとも１つのプラスチック層が被覆されている帯状の金属ストリップと、半製品のプラスチックが被覆されている側で２つの半製品を広い範囲に渡って連続的に接続する手段とを具える装置に関する。

片側に少なくとも１つのプラスチック層が被覆されている金属半製品を互いに接続してサンドイッチ複合材料を造ることは、既に従来技術に開示されている。例えば、半製品の金属側を加熱することでプラスチック層を柔らかくして、次に、２つの半製品をその半製品のプラスチック側で互いに押圧することでプラスチック層を互いに接続するといった、片側にプラスチックが被覆されている同様の半製品を断続的に接続する方法が、独国特許出願公報第２１１８２３０号に開示されている。連続的な方法としては、例えば、少なくとも１つのプラスチック層が被覆されている２つの帯状の半製品をプラスチック層で接続してサンドイッチ複合材料を形成する方法であって、ツインベルトプレスによって半製品の金属被覆層を加熱してプラスチック層を柔らかくすることで、対向するプラスチック層と接続するといった方法が知られている。プラスチック層の活性化において加熱することの問題は、半製品の金属被覆層から半製品の対向する側であって、接続する側への熱の伝達であり、２つのプラスチック層の境界領域内を比較的高い温度で加熱して目的温度に達するようにしなければならないことである。この場合、金属が半製品のプラスチック表面よりも高温になるので、金属領域においてプラスチック層が融解及び離層するリスクがある。

既存技術から先に進み、本発明は、片側に少なくとも１つのプラスチック層が被覆されている半製品を具えるサンドイッチ複合材料の製造におけるプロセス信頼性を改良した方法を提供することを目的としている。更に、本発明は、サンドイッチ複合材料を経済的に製造する装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の教示によれば、半製品のプラスチック層の活性化を、半製品のプラスチックが被覆されている側から直接的に行うことで、方法に関する目的を達成できる。

金属層によってプラスチック層を加熱して活性化を行うといった今日知られている方法とは対照的に、プラスチック層の直接的な活性化、すなわちプラスチック表面側からの活性化を行うことによって、活性化工程がプラスチック層と金属層の間の接続におよぼすマイナス効果を効果的に防ぐことができる。特に、接続工程中に又は後の時点において、接続するべき半製品が離層するリスクをかなり減らすことができる。

本発明による方法の第１の改良によれば、少なくとも１つの半製品のプラスチック表面上への直接的な熱、活性化媒体の働き、放射線、及び／又はプラズマの働きによって、活性化を行う。熱による活性化は、例えば熱可塑性プラスチックといったプラスチック層を活性化させる、特に簡単な方法である。本出願における、活性化の意味は、プラスチック層又はプラスチック層の表面が、このプラスチック層が更なるプラスチック層に接続できる状態へと変化することである。更に、例えばオゾンなどの気体、又は溶媒といった活性化媒体の働きによって、片側が被覆されている少なくとも１つの半製品の表面を活性化することが可能である。更に、例えば紫外線といった放射線、又は、プラズマの働きによって、プラスチックの表面を変化させて、そのプラスチック層に更なるプラスチック層を押圧して、この表面を更なるプラスチック層に接続することができる。全ての方法は、少なくとも１つの半製品のプラスチック層の活性化が半製品のプラスチック表面の側から直接行われるという共通の特徴を有する。

本発明による更なる改良によれば、臨界温度を下回る温度で少なくとも１つの半製品のプラスチック層の表面を加熱して、プラスチック層内において金属被覆層の方向に負の温度勾配を発生させる。融点はもちろん、例えばガラス転移温度点といった特定の軟化点も、例えばそれぞれのプラスチックに応じて臨界温度として用いることができ、２つの半製品の接続するべきプラスチック表面間の最適な接続プロセスを達成することができる。この場合、臨界温度は、表面のそれぞれのプラスチック選択による。導入した負の温度勾配によって、金属被覆層に応じてプラスチックの温度が下がる。その結果、プラスチック表面に起因するマイナス影響に対して金属／プラスチックの接続が保護されて、プラスチック層の最大の活性を達成できる。

本発明による方法の更なる改良によれば、レーザー、ＬＥＤ、マイクロ波、又は赤外線源によって放射で熱が導入される場合、導入される放射線からのエネルギー吸収が指数関数的に落ちることにより、非接触的な方法で、プラスチック層内に負の温度勾配を簡単に作ることができる。このことは、例えば、プラスチック層を熱い空気にさらすといった対流による熱の入力に適用できることは、自明である。

半製品のプラスチック層であって、ポリアミド、ポリエチレン、又は、ポリアミドとポリエチレンの混合物を含むプラスチック層を、互いに接続することが好ましい。ポリエチレンとポリアミドは、金属表面を被覆する時の処理特性に特に優れていることで区別され、例えば加熱によって簡単に活性化できる。ポリアミドとポリエチレンを混合すると、１つの層中に２つのプラスチックの特性の組み合わせが得られる。

本発明による方法の次なる改良によれば、少なくとも１つのプラスチック層を被覆した、２つの帯状の半製品を、コイルから巻き解して、この半製品のプラスチック層の少なくとも１つを活性化した後に、続いてそのプラスチック層によって２つの半製品を互いに接続する。この結果、半製品を次々と連続的に接続する間に一定の特性を持つ大量のサンドイッチ複合材料が製造できるので、特に経済的なサンドイッチ複合材料の製造方法を提供できる。

本発明による方法の更なる改良によれば、このサンドイッチ複合材料は、スチール製で厚さ０．１ｍｍ乃至０．５ｍｍの金属被覆層を有する接合されている半製品によって、各利用分野に必要な強度に極めて効果的に適合する。サンドイッチ複合材料の強度は、鋼種の選択のみならず、厚さ０．１ｍｍ乃至０．５ｍｍによっても大きく影響を受ける。例えば、金属被覆層に高強度の鋼種を用いることで、軽量であるにもかかわらず高強度のサンドイッチ複合材料を製造することができる。しかし、高い必要強度が最重要でない場合は、より費用対効果のよい鋼種を用いてもよい。しかし、原理的には、例えばアルミニウム合金又はマグネシウム合金といった他の素材を金属被覆層に用いることもできる。

本発明による方法の更なる改良によれば、半製品が接続作業前に厚さ０．１乃至０．８ｍｍのプラスチック層を有する場合、第１にプラスチック層によって重量を十分に削減でき、第２に片側にプラスチック層が被覆されている半製品を容易に接続できることが保証される。プラスチック層の厚さが増加するほど、固体材料に比べて重量を削減できる。

本発明による方法の更なる改良によれば、金属層とプラスチック層の間に少なくとも１つの接着促進層を有する半製品を互いに接続する場合、製造工程中又は後の時点においてサンドイッチ複合材料が離層するリスクをより減らすことができる。金属層とプラスチック層の間の接着促進層によって、２つの層の間の接着度合いの増強が確実になる。

本発明による更なる改良によれば、ローラー装置を用いて半製品の接続を行う場合、少なくとも１対のローラーが、そのローラー対がロールギャップを具え、そこで帯状の半製品が互いに接続され、極めて優れた製造能力を示すある種の積層工程が提供される。サンドイッチ複合材料製造用の１対のローラーによる生産率は、原理的に、今日使用されているツインベルトプレスの生産率よりも大きい。

最後に、本発明による更なる改良によれば、半製品の接続用にツインベルトプレスを代替的に用いることができる。

本発明の第２の教示によれば、上述の目的は一般的な装置によって達成され、この装置では、少なくとも１つの半製品のプラスチック層を設けた手段が、各半製品のプラスチック層側から、熱によって、活性化媒体の働きによって、放射線によって、及び／又はプラズマの働きによって、直接的に活性化される。

上述したように、半製品の少なくとも１つのプラスチック層のプラスチック表面を直接的に活性化することで、その表面の活性化を極めて効果的に調節して、半製品を接続工程に供給することが可能となる。特に、サンドイッチ複合材料が離層するリスクをかなり減らすことができる。

本発明による装置の更なる改良によれば、半製品を接続する手段としてツインベルトプレス又は少なくとも１対のローラーを設けている。両装置によって、帯状の半製品は、特に効果的かつ経済的な方法で、互いに接続できる。しかし、この場合、ローラー対のほうがより大きな生産性を得ることができる。

少なくとも１つの帯状様の半製品のプラスチック層を活性化する手段を、ベルトの走行方向において、半製品を接続する手段のすぐ上流に設ける場合、片側が被覆されている少なくとも１つの半製品のプラスチック表面を、接続工程の直前に単純な方法で活性化することが可能である。例えば、熱を入れることによって活性化を行う場合、半製品のプラスチック被覆側で２つの半製品が接続されるまで、単純な方法で温度上昇を維持することが可能である。

最後に、本発明による装置は、サンドイッチ複合材料用の巻き上げリールによって、又は、提供されているサンドイッチ複合材料の長さのブランクに切断する装置によって、有利に発展させることができる。このようにして、サンドイッチ複合材料を、両変形例において帯状の加工及びブランクの更なる加工のどちらにも使用することができる。

図面と共に例示的実施形態を参照して、本発明を以下に更に詳細に説明する。
図１は、サンドイッチ複合材料を製造する本発明による装置の例示的実施形態の概略図を示している。 図２ａは、活性化直後における半製品のプラスチック層の拡大図を示している。 図２ｂは、図２ａに示した半製品のプラスチック層の、活性化後の温度プロファイルのグラフを示している。 図３は、サンドイッチ複合材料を製造する本発明による装置の更なる例示的実施形態の概略図を示している。 図４は、図３の装置における最後の方法ステップの代替的な改良を示した概略図である。

図１は、本発明の第１の例示的実施形態によるサンドイッチ複合材料製造装置１を示す概略図である。装置１は、各半製品４、５に用いる巻き戻しリール２、３を具える。半製品４及び５は、金属層４ａ、５ａと金属層４ａ、４ｂ上に配置されたプラスチック層４ｂ、５ｂを具える。プラスチック層４ｂ、５ｂは、例えばポリエチレン又はポリアミドから成るが、ポリエチレンとポリアミドの混合物であってもよい。プラスチック層は、厚さ０．１ｍｍ乃至０．８ｍｍを有する。２つの帯状の半製品４、５を、それぞれ巻き戻しリールから巻き戻して、２つの半製品４、５のプラスチック層が互いに対向するように１対のローラー６、７に供給する。ローラー６、７の間の回転隙間に半製品を挿入する直前に、手段８を用いて２つの半製品４、５のプラスチック層４ｂ、５ｂをプラスチック表面側から活性化する。

例えば金属層の加熱、すなわち金属層側からの加熱によって活性化を行う従来の方法とは対照的に、プラスチック側から、又はプラスチックが被覆されている半製品のプラスチック表面からプラスチック層を活性化した結果、導入すべき接合を成立させるためのプラスチック表面の活性化に必要なエネルギーだけで、活性化が可能である。結果的に、例えば、金属とプラスチックの間の接続部分を激しく加熱することを避けることができる。更に、プラスチック表層を直接的に活性化するため、例えば溶媒又はオゾンといった他の活性化媒体を用いることも可能である。

しかし、プラスチック表層の活性化は、加熱を行う手段８によって、特に単純な方法で提供される。この手段は、少なくとも一方の半製品、好ましくは両方の半製品のプラスチック表層を、放射又は対流法で加熱することができる。放射手段には、例えば、ＬＥＤ、レーザー、マイクロ波放射器、又は、赤外線源を用いることができる。単純な熱風ファンもプラスチック表層の対流加熱に用いることができて、これは臨界温度に関して極めて細かく調節することができる。プラスチックは溶けるとその表面形状を失う可能性があるので、最大臨界温度は、例えばプラスチック層のプラスチックの融点であることが好ましい。しかし、後にローラー対６、７の間で２つのプラスチック層を接続するためには、プラスチック表層の活性化にガラス転移温度の範囲で加熱しても十分である。

例えば、プラスチック表層を活性化する手段８にプラスチック表層の温度を測定する手段を組み込むことが好ましく、その工程は極めて容易に調節できる。ローラー６、７の間に設けられたロールギャップにおいて、２つの半製品４、５を互いに対して押圧することで、２つのプラスチック層４ｂ、５ｂが接触する。この点については、図１に、２つのプラスチック層４ｂ、５ｂの接触箇所においてサンドイッチ複合材料を通る概略断面図を示す。

プラスチック層を活性化することで、そのプラスチック層は更に時間が経過すると単一のプラスチック層を形成することが、図１の積層後の複合材料９の続く概略断面図に示されている。ここで、２つの金属層９ａ及び９ｂは、単一のプラスチック層９ｃのみを封入している。金属層９ａ及び９ｂは、厚さ０．１ｍｍ乃至０．５ｍｍの鋼から成ることが好ましい。製造するサンドイッチ複合材料の強度は、鋼種と共に上述した範囲の厚さを選択することによって調節できる。例えば、サンドイッチ複合材料の金属被覆層９ａ及び９ｂに高強度の鋼種を選択して、強度をかなり増加させたり、強度を維持すると同時に厚さをかなり薄くすることができる。

サンドイッチ複合材料のプラスチック層９ｃは、厚さ０．３ｍｍ乃至１．５ｍｍであることが好ましい。この方法で製造されたサンドイッチ複合材料９は、次に、巻き上げリール１０によって、例えばコイル状に巻き上げることができる。

図２ａは、金属被覆層５ａが下にあるプラスチック表層５ｂの詳細を示している。図２ａは、更に、プラスチック表面にある座標Ｚ_０と、金属被覆層の境界層にある座標Ｚ_Ｍを示している。図に示した実施形態において、プラスチック層５ｂは加熱によって活性化されている。本発明の活性化方法によれば、半製品のプラスチックが被覆されている側からプラスチック層を直接活性化する結果として、プラスチック層内で金属被覆層５ａの方向に負の温度勾配が生じる。

このことは図２ｂのグラフに概略的に示されている。半製品のプラスチック層を活性化し、放射又は対流で熱を伝える手段８によって、典型的なほぼ指数関数的プロファイルが得られる。図２ｂのグラフに表す温度勾配は、プラスチック表面上の座標Ｚ_０に臨界温度を設定できて、金属被覆層Ｚ_Ｍの方向に温度が下がることを示している。これによって、プラスチック層を接続する特定の最適処理温度を設定すると、金属被覆層に関する接続が影響を受けないことが保証される。この結果、少なくとも、金属被覆層４ａ及び５ａとプラスチック層４ｂ及び５ｂとの間の接続領域において臨界温度が超過しないという高い信頼度を得ることができる。

図３は、サンドイッチ部品を製造する装置の更なる例示的実施形態における、装置１の代替例を示す。装置１’は、供給された半製品４’、５’を接続するツインベルトプレス１１を具えており、半製品４’、５’のプラスチック表面を直接的に活性化した後に、サンドイッチ複合材料を形成する。次いで帯状のサンドイッチ複合材料を、巻き上げリール１０を用いて巻き上げる。しかし、図３に示す半製品４’、５’は、図２に示す半製品４及び５とは異なる。金属層４ａ’及び５ａ’に加えて、少なくとも１つの接着促進層５ｂ’及び４ｂ’が設けられており、プラスチック層４ｃ’、５ｃ’に関連する金属層４ａ’と５ａ’の間の接続がかなり改善される。

図４は、図３に示す装置の最終処理ステップの、代替的な改良型を概略的に示す図であり、特に巻き上げリール１０を用いてコイルを形成する材料の巻き上げステップを示す。製造したサンドイッチ複合材料９’は、材料を長さ方向に切断する装置１２によって、ブランク９’’に切断される。この様にして、サンドイッチ複合材料でできており、すでに分離されたシートを提供できる。

材料の巻き上げ又は材料の長さ方向に切断することは、半製品４、５及び、４’、５’それぞれの接続後の更なる処理ステップとして図に示しているが、例えば、サンドイッチ複合材料の金属被覆層の外側を追加的に被覆するといった更なる処理ステップを以降に加えることもできることは自明である。他の処理ステップも可能である。

Claims (9)

1. 少なくとも２つの金属被覆層と、この金属被覆層の間に配置された少なくとも１つのプラスチック層を具えるサンドイッチ複合材料を製造する方法であって、
   片側にプラスチックが被覆されている少なくとも２つの金属半製品が提供されており、
   前記金属半製品の少なくとも１つのプラスチックが被覆されている側を接続作業前に活性化して、前記半製品のプラスチック層の間が接続され、
   前記半製品を前記半製品のプラスチックが被覆されている側で互いに接続して、サンドイッチ複合材料を成形する方法において、
   前記半製品が、ポリアミド、ポリエチレン、又は、ポリアミド及びポリエチレンの混合物から成る少なくとも１つのプラスチック層に接続されており、
   前記半製品のプラスチック層の活性化を、前記半製品のプラスチックが被覆されている側から直接的に行い、
   当該活性化を、少なくとも１つの半製品の前記プラスチックの表面を融点又はガラス転移温度を下回る温度で加熱することによって行うことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記金属被覆層の方向に負となる温度勾配を前記プラスチック層の中に発生させることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記加熱を、レーザー、ＬＥＤ、マイクロ波放射、又は赤外線源によって放射方式で行うことを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法において、少なくとも１つのプラスチック層で被覆した２つの帯状の半製品をそれぞれ１つのコイルから巻き戻して、前記半製品の少なくとも１つのプラスチック層の活性化後、連続的に、前記２つの半製品を前記プラスチック層で互いに接続することを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法において、鋼から成り、厚さ０．１ｍｍ乃至０．５ｍｍの金属被覆層を有する半製品を接続することを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法において、前記接続作業前に０．１乃至０．８ｍｍの厚さであったプラスチック層を有する半製品を接続することを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法において、前記金属被覆層と前記プラスチック層の間に少なくとも１つの接着促進層を有する半製品を接続することを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法において、前記半製品の接続がローラー装置を用いて行われ、少なくとも１対のローラーが、当該ローラー対がロールギャップを提供するように配置されており、その中で前記帯状の半製品が互いに接続されていることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法において、前記半製品の接続に、ツインベルトプレスを用いることを特徴とする方法。

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