サンドイッチ型の部品を製造する方法及び装置

本発明は、サンドイッチ型の部品を製造する方法と、この方法を実施するための装置に関する。

サンドイッチ型の部品とは、一般的に、同じ材料又は異なる材料の複数の層で形成された部品を意味するものと理解すべきである。最も単純なケースでは、サンドイッチ型の部品は、2つのカバー層(上方カバー層と下方カバー層)、及び上方カバー層と下方カバー層の間に配置されたコア層からなる。個々の層の間の結合は通常、例えばプレス装置等の適切なツールを用いて押圧することによって行われる。

上記サンドイッチ型の部品は、多数の異なる分野で使用されている。しかしながら、最近では特に、軽量自動車構造の分野における構造用部品としてその重要性が非常に高まってきている。ここでの構造用部品とは、三次元形状を有する部品を意味し、必ずしも荷重を担持する部品ではない。例えば、構造用部品は、車両の前部フラップ又はトランクの蓋又はドアでありうる。

従来技術では、異なる構造用部品の製造方法が多数開示されている。

例えば、車両の構造用部品として使用するためのサンドイッチ型の部品を製造するための方法がDE 10 2012 222 376 A1に記載されている。これには、まず内側カバー層をツール内に配置し、多孔性のコア層を内側カバー層の少なくとも特定部分に配置し、次に外側カバー層を前記コア層に配置することが含まれる。個々の層を上記のように配置した後に、2つのカバー層にプロセス圧が発生させられ、プロセス圧に対して圧力を均衡させるようにコア層にコア圧が発生させられる。この方法では、コア層が過剰なプロセス圧にさらされることなく、安定性の観点からサイズを過剰に大きくしなくてもよい。

DE 10 2013 013 419 A1には、可視面が異なっている複数のサンドイッチ型の部品を製造するための連続製造方法と、サンドイッチ型の部品を製造するための装置と、これらによって製造することができるサンドイッチ型の部品とが開示されている。カバー層が繊維性熱可塑性材料の層からなるカバー層/コア層/カバー層の積み重ねから出発して、本文献に提示されるサンドイッチ型の部品を製造するための方法は、サンドイッチ型の構造を加熱する第1のステップを含む。第1のステップでは、繊維性材料の層の熱可塑性材料が少なくとも流れ始めるまで、サンドイッチ型の構造が加熱される。加熱は加熱ツール、例えば加熱プレス装置で実施される。加熱プレス装置が使用される場合には、生成される押圧力により、繊維性熱可塑性材料の層がハニカムコア(コア層)に接着される。次の方法ステップでは、泡層がカバー層に対向するように、泡層を有する装飾層が加熱されたサンドイッチ型の構造に配置される。カバー層の粘性と熱可塑性により、泡層がサンドイッチ型の構造に接着される。その後で、装飾層の表面は、完成したサンドイッチ型の構造が有すべき表面構造の成形テンプレートを用いて調整される。この目的のため、一又は複数の成形テンプレートが、圧縮成形型ツールの基本的な成形表面の一方又は両方に配置される。方法の最終ステップは、成形プレス装置を用いた冷却圧縮成形に相当する。

同様に、EP 1 897 680 A1には、ハニカムコアを有する繊維強化されたサンドイッチ型の構造を製造する方法が記載されており、ハニカムコアはカバー層によって片側だけ閉じられているが、ハニカム層のハニカムは両側が閉じられている。この場合の方法は、ハニカムコア、及びハニカムコアの少なくとも片側に内側から外側に向かって配置されている硬化性接着層、バリア層、及び繊維層を含むレイアップを製造するステップと、そのレイアップを気密空間に閉じ込めるステップと、この気密空間に真空を引くステップと、この真空下でハニカムコアとバリア層との間の接着層を完全に又は部分的に硬化させてバリア層でハニカムセルが閉じられる前にハニカムセルを少なくとも部分的に取り出すステップと、接着層を完全に又は部分的に硬化させた後で、真空下でマトリクス材料を繊維層に注入するステップと、真空下でマトリクス材料を硬化させるステップとを含む。

本発明により対処される問題は、サンドイッチ型の部品を製造するための代替的な方法と、この方法を実施するための装置を提案することである。

サンドイッチ型の部品を製造する、本発明による方法は、 いくつかの材料ウェブを供給するステップと、 材料ウェブの内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に少なくとも1つのマトリクス材料を塗布するステップであって、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも2つに異なる方式で塗布することと、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に沿って異なる方式で塗布することの少なくともいずれかを行うステップと、 少なくとも1つのコア層を材料ウェブの1つの上に配置するステップと、 コア層を材料ウェブの内の少なくとも2つの間に配置した状態で、材料ウェブとコア層を押圧してサンドイッチ型の部品を形成するステップと を含む。

本発明による方法によって製造されたサンドイッチ型の部品は、実質的に、いくつかの層、少なくとも2つの材料ウェブ及び少なくとも1つのコア層から形成されている。この場合、コア層は、材料ウェブの内の少なくとも2つの間に配置されている。

材料ウェブを繊維性材料から製造することが好ましく、コア層と比べて薄く作ることが好ましい。このように使用される繊維は、例えば麻繊維、竹繊維、セルロースベースの繊維等の天然繊維、及び/又は例えばポリアミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維等の有機及び無機の人工繊維である。

したがって、繊維性材料は、織布、不織布又は編布、マット、メッシュ等に処理されている繊維で形成されていることが好ましく、これらの形態が、複合材料として知られる物を形成する要件に好適な基本マトリクスに更に処理されていることが好ましい。

2つの異なる材料ウェブの繊維は異なる向きを有してもよい。特に2つの異なる層の繊維の主な方向は、互いに対して0〜180度又は180度の角度を有してもよい。

本発明による方法の有利な実装変形例では、材料ウェブ(繊維性材料)に前処理が行われる。この前処理については、当業者に既知の全ての前処理方法、例えば下塗り、含浸、コーティング等が考えられる。

使用される個々の材料ウェブは、その(基本的な)組成及び設計において互いに異なっていてよい。

材料ウェブは、マトリクス材料に対して浸透性となるように形成されると有利である。

オプションの構成変形例では、個々の材料ウェブは層状に形成される。つまり、個々の材料ウェブは少なくとも2つの個別の層で形成されており、個別の層の内の少なくとも1つは繊維性材料である。

この場合、非繊維性材料の個々の層はプラスチックからなり、膜状に形成されると有利である。

供給された材料ウェブにおいて、少なくとも1つのマトリクス材料が材料ウェブの内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に塗布される。ここでは、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも2つに異なる方式で塗布することと、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも1つの表面領域に沿って異なる方式で塗布することの少なくともいずれかを行う。

マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも1つの表面領域に沿って異なる方式で塗布することによって、サンドイッチ型の部品の他の部分の特性とは異なる機械特性を有するゾーンを作ることが可能である。特に、より簡単に変形可能で、歩行者を更に保護するゾーンを作ることが可能である。幾つかのゾーン、少なくとも2つ、3つ、又は4つのゾーンを有し、これらのゾーンの全てが他とは異なる機械特性を有することも可能である。

「異なる方式で」という表現は、異なる量及び/又は異なる種類のマトリクス材料を材料ウェブに塗布することによって、マトリクス材料を塗布することを意味するものと理解することが望ましい。

本発明による方法に従って、マトリクス材料が結果的に有利に一又は複数の材料ウェブに均一に及び/又は不均一に塗布される。

マトリクス材料は、熱可塑性及び/又は熱硬化性ポリマー材料であることが好ましい。

マトリクス材料は樹脂であることが好ましく、具体的には合成樹脂(例えばポリウレタン)であることが好ましい。

具体的には、マトリクス材料は接着力を持つ方式で形成され、例えば樹脂及び触媒、又は基材及び触媒を主な構成要素として有することが好ましい。

多様な要件、例えば強度又は弾性に関してマトリクス材料の特性に影響を与えるために、例えば繊維等の追加の構成要素及び/又は材料をマトリクス材料に混合すると有利である。

これは、短繊維及び/又は長繊維をマトリクス材料に均一に又は不均一に混合することを含んでよく、これにより、異なる方式で(つまりマトリクス材料が均一に)及び/又は不均一に材料ウェブに塗布される。このようにして、材料ウェブの表面領域全体にわたる異なる部品特性、例えば不均一及び/又は均一なゾーン硬度が類似した形式で設けられる。この結果、サンドイッチ型の部品は、部品の表面領域全体、及び層の層構造全体の両方にわたって均一な及び/又は不均一な層構造を有することになる。特に、異なる種類及び/又は長さの繊維を部品の異なるゾーンに混合することによって、異なる機械特性を有するゾーンを作ることが可能である。

材料ウェブを保持ローラに保管し、少なくとも1つの巻出し装置を用いて所望の時に保持ローラから巻出しすることが好ましい。本発明による方法の間に、材料ウェブが、ほぼ水平に互いに平行に、互いに重なるように、及び/又はほぼ垂直に互いに隣り合って、及び/又は互いに対して任意の所望の角度を成して案内されることが好ましい。

オプションの実装変形例では、材料ウェブは、すでにサンドイッチ型の部品の外形に対応する既製の個別の層の形態である。

材料ウェブの案内は、プレス装置の方向に移動する連続組立ラインを通るように行われることが好ましい。

好ましい実施形態では、これらの材料ウェブはそれらの開始部分については、プレス装置の方向において水平及び/又は垂直に離れているように案内される。

材料ウェブがプレス装置の方向に保持ローラから案内されている間に、材料ウェブの内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に少なくとも1つのマトリクス材料を塗布するステップであって、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも2つに異なる方式で塗布することと、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも1つの表面領域に沿って異なる方式で塗布することの少なくともいずれかを行うステップと、プレス装置において材料ウェブとコア層を押圧するステップが、実質的にこの順番で進行する。

結果的に方法の開始時において、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも2つに異なる方式で塗布することと、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも1つの表面領域に沿って異なる方式で塗布することの少なくともいずれかを行うように、材料ウェブの内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に少なくとも1つのマトリクス材料が塗布される。

本発明によれば、マトリクス材料の塗布は、材料ウェブの上面又は下面で行うことが好ましいが、要件によっては、材料ウェブの上面及び下面で同時に行うこともできる。後者は、いくつかの材料ウェブを含む構造の場合に時間の節約となる。

この場合の個々の材料ウェブへのマトリクス材料の塗布は、噴霧塗布及び/又は浸漬プロセス及び/又はローリング塗布(ローラを用いた塗布)を用いて実施することが好ましい。

塗布装置は具体的には噴霧装置が好ましく、噴霧装置は少なくとも2つの噴霧ヘッドを有することが好ましく、これによって様々な特性、例えば粘度、チキソトロピー、組成等のマトリクス材料を単純な方法で材料ウェブに塗布することができる。

これにより、例えばゾーンの硬度又は表面品質に関して部分的に異なる特性を有するサンドイッチ型の部品の製造が可能になる。

更に、マトリクス材料を個別の材料ウェブに(様々な方式で)個別に塗布し、マトリクス材料の特性(例えば粘度、チキソトロピー、量)を材料ウェブのそれぞれの材料に適合させるので、いずれの場合にも、比較的薄いマトリクスのみを塗布することで済み、この結果、重量及び機能が最適化される。

本発明による方法の具体的な好ましい実施形態では、少なくとも1つのコア層が材料ウェブの内の少なくとも1つの上に配置される。完成した部品において、このコア層により例えば、このサンドイッチ型の部品を都合よく強化することができる。

コア層は、ハニカムの形態に構成されると有利である。しかしながら、他の構造及び形態のコア層、例えば波形も除外されてはいない。

コア層は軽量材料、例えばポリマー(泡、プラスチック、ゴム等)、セルロースベースの材料(紙、木、カード等)、複合材料又はその他金属等から形成されることが好ましい。

更なるオプション構成では、コア層は層状、例えば互いに重なり合って配置されたいくつかの個別のコア層によって形成される。ここでは、少なくとも2つの個別のコア層は互いとは異なるやり方で形成することができる。具体的には、異なるハニカム形状、ハニカムサイズ、ハニカムコア配列、異なるセル壁形状及び/又はハニカムの材料及び/又は個別のコア層を有するハニカムコアを積み重ねて、互いに結合させることができる。これは特に結果的に、後に完成する部品に異なる機能特性又は部品特性を部分的に付与することができる。すなわち、一方では部品は要求される特定の強度及び硬度を有するように意図され、他方では部品は、柔らかく簡単に変形可能なゾーンを特定の場所、例えば歩行者と衝突した際にけがしないようにする利点がある車両の部分に備えるように意図される。

コア層は、マトリクス材料に対して浸透性であるか、少なくとも半浸透性であるように形成されることが好ましい。

本発明による方法では、それらの開始部分については水平方向にずれ、互いに平行し重なりあって、及び/又は垂直に互いに隣り合って案内される複数の材料ウェブと、少なくとも1つのコア層を押圧して、サンドイッチ型の部品が形成される。押圧は、プレス装置、好ましくは湿式プレスプロセスを用いて実施される。

本発明による方法の有利な実施形態では、材料ウェブとコア層の押圧過程において、押圧されていない材料ウェブからのサンドイッチ型の部品の分離が追加で行われ、サンドイッチ型の部品が形成される。これにより、2つの動作ステップが1つの工程で行われ、結果的にサンドイッチ型の部品を製造するための方法内で時間の節約となる利点がもたらされる。

サンドイッチ型の部品を製造するための上述した方法を実施するための本発明による装置は実質的に、 複数の保持ローラから複数の材料ウェブを巻き出すための少なくとも1つの巻出し装置と、 前記材料ウェブ(1、2、3、4)の内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に少なくとも1つのマトリクス材料を塗布する塗布装置(19、20)であって、マトリクス材料を材料ウェブ(1、2、3、4)の内の少なくとも2つに異なる方式で塗布することと、マトリクス材料を材料ウェブ(1、2、3、4)の内の少なくとも1つの表面領域に沿って異なる方式で塗布することの少なくともいずれかを行う塗布装置と、 少なくとも1つのコア層を材料ウェブの内の少なくとも1つの上に配置するための少なくとも1つの第1の把持装置と、 互いに重なりあって案内される材料ウェブとコア層とを押圧してサンドイッチ型の部品を形成するための少なくとも1つのプレス装置とを備える。

本発明による装置の有利な実施形態では、材料ウェブとコア層を押圧するためのプレス装置は、上方押圧板の領域及び/又は下方押圧板の領域に切断装置を有する。上方押圧板の領域及び/又は下方押圧板の領域に切断装置を配置することによって、材料ウェブとコア層を押圧してサンドイッチ型の部品を形成するのと同時に、この部品を分離することが可能になる。2つの動作ステップがこれにより、1つの工程に組み合わされる。

プレス装置は、加熱可能な構成のものであってもよい。

本発明による装置は、少なくとも1つの巻出し装置と、ある状況下において、連続組立ラインも有することが好ましい。連続組立ラインによって、材料ウェブは、プレス装置の方向にほぼ水平に互いに並行して、互いに重なり合って、及び/又はほぼ垂直に互いに隣り合って案内される。

本発明による装置の具体的な好ましい変形例では、材料ウェブの保持ローラは、水平及び/又は垂直に互いに離れているように配置されている。この結果、これらの材料ウェブをそれらの開始部分については、プレス装置の方向において水平及び/又は垂直に離れているように案内することが可能になる。

少なくとも1つの塗布装置を用いて、少なくとも1つのマトリクス材料が材料ウェブの内の少なくとも1つの上面及び/又は下面に塗布される。ここでは、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも2つに異なる方式で塗布することと、マトリクス材料を材料ウェブの内の少なくとも1つの表面領域に沿って異なる方式で塗布することの少なくともいずれかを行う。

塗布装置はこの場合、噴霧装置、及び/又は浸漬装置及び/又はローリング装置であることが好ましい。

具体的には、塗布装置は少なくとも1つの第2の噴霧ヘッドを有する噴霧装置であることが好ましく、第2の噴霧ヘッドが、異なる量及び/又は異なる種類のマトリクス材料を塗布することによって、異なる方式でマトリクス材料を塗布することが好ましい。

噴霧装置を使用して噴霧塗布を用いた塗布は、追加の繊維性材料、例えば短繊維材料がマトリクス材料に混合された場合に特に有利である。

本発明は、下記の図面を参照しながら単なる例として記載される。

サンドイッチ型の部品を製造するために、本発明に従って方法を実施するための、本発明による装置の側方から見た概略図である。

サンドイッチ型の部品を製造するために、本発明に従って方法を実施するための、本発明による装置の上方から見た概略図である。

図1及び図2は、サンドイッチ型の部品を製造するために、本発明に従って方法を実施するための、本発明による装置の可能な実装変形例を異なる視点、側方(図1)及び上方(図2)から示す概略図である。

図1は、サンドイッチ型の部品を製造するために、本発明に従って方法を実施するための、本発明による装置の可能な実装変形例の側面図である。この装置は、4つの材料ウェブ1、2、3、4に対して6つの保持ローラ5、6、7、8、4つの巻出し装置10、11、12、13、連続組立ライン14、2つの塗布装置19、20、2つの把持装置22、23、及びプレス装置15を有しており、プレス装置15は切断装置18を有する。

連続組立ライン14は、プレス装置15に向かう水平方向への移動を行う。

図1に単なる例として示す装置を用いて、コア層24、及び4つの材料ウェブ1、2、3、4(第1の材料ウェブ1、第2の材料ウェブ2、第3の材料ウェブ3、及び第4の材料ウェブ4)で本発明による方法によってサンドイッチ型の部品を製造することができる。この例示の実施形態では、第2の材料ウェブ2と第3の材料ウェブ3は、二重の層構成となっている。

個々の材料ウェブ1、2、3、4の材料は同じ又は異なっている。

本実装変形例では、装置の上方/周囲のケージ状フレームワーク9は、材料ウェブの保持ローラ5、6、7、8の取り付け部として機能する。材料ウェブの保持ローラ5、6、7、8は、それぞれの巻出し装置10、11、12、13及び連続組立ライン14の上方に互いからある距離を置いて水平に配置される。

第1の材料ウェブ1には第1の巻出し装置10が割り当てられ、第2の材料ウェブ2には第2の巻出し装置11が割り当てられ、第3の材料ウェブ3には第3の巻出し装置12が割り当てられ、第4の材料ウェブ4には第4の巻出し装置13が割り当てられる。巻出し装置10、11、12、13も同様に、ケージ状フレームワーク9に配置される。

装置に沿って材料ウェブ5、6、7、8の保持ローラを水平にずらして配置することによって、材料ウェブ1、2、3、4をそれらの開始部分についてプレス装置15の方向において水平に離れているように案内するとともに、それらの開始部分の間に、例えば塗布装置19、20又は把持装置22等の装置の個々の更なる構成要素を配置することが可能になる。

第1の材料ウェブ1は、第1の巻出し装置10によって、連続組立ライン14の上方を水平に案内される。

第2の材料ウェブ2は、第2の巻出し装置11を用いて、第1の材料ウェブ1の上方を水平に案内される。これにより、第2の材料ウェブ2は、第1の材料ウェブ1にほぼ平行に流れる。

第3の材料ウェブ3は、第3の巻出し装置12を用いて、第2の材料ウェブ2の上方を水平に案内される。これにより、第3の材料ウェブ3は、第1の材料ウェブ1及び第2の材料ウェブ2にほぼ平行に流れる。

第4の材料ウェブ4は、第4の巻出し装置13を用いて、第3の材料ウェブ3の上方を水平に案内される。これにより、第4の材料ウェブ4は、第1の材料ウェブ1、第2の材料ウェブ2及び第3の材料ウェブ3にほぼ平行に流れる。

第1の塗布装置19は、ケージ状フレームワーク9に配置され、具体的には、第1の材料ウェブ1の保持ローラ5と、第2の材料ウェブ(第2の材料ウェブ2は二重の層構成となっている)の2つの保持ローラ6との間に配置されている。第1の塗布装置19は噴霧装置として構成され、2つの噴霧ヘッド21を有する。要件によっては、マトリクス材料を塗布する時に、一方の噴霧ヘッド21のみ、又は両方の噴霧ヘッド21を使用することができる。第1の塗布装置19により、マトリクス材料が第1の材料ウェブ1の上面に塗布される。

第2の材料ウェブ2は、マトリクス材料で湿らされた第1の材料ウェブ1の上方を案内される。

第1の把持装置22は、ケージ状フレームワーク9に配置され、具体的には、第2の材料ウェブの2つの保持ローラ6と、第3の材料ウェブの2つの保持ローラ7との間に配置されている(第2の材料ウェブ2及び第3の材料ウェブ3は二重の層構成となっている)。第1の把持装置22により、コア層24が第2の材料ウェブ2の上面に置かれる。

第3の材料ウェブ3は、コア層24の上方を案内される。

第2の塗布装置20は、ケージ状フレームワーク9に配置され、具体的には、第3の材料ウェブ(第3の材料ウェブ3は二重の層構成となっている)の2つの保持ローラ7と、第4の材料ウェブの保持ローラ8との間に配置されている。第2の塗布装置20も同様に、噴霧装置として構成され、同様に2つの噴霧ヘッド21を有する。ここでもまた、要件によっては、マトリクス材料を塗布する時に、両方の噴霧ヘッド21又は一方のみを使用することができる。この第2の塗布装置20により、マトリクス材料が第3の材料ウェブ3の上面に塗布される。

第4の材料ウェブ4は、マトリクス材料で湿らされた第3の材料ウェブ3の上方を案内される。

このように得られたサンドイッチ型の部品は(底部から上部まで)下記の層を備える。第1の材料ウェブ1、マトリクス材料、第2の材料ウェブ2、コア層24、第3の材料ウェブ3、マトリクス材料、第4の材料ウェブ4。

単なる例として示す装置のこの構造により、第4の材料ウェブ4が結果的にサンドイッチ型の部品の終端部を形成することになる。

積み重ねられたサンドイッチ型の部品は、連続組立ライン14によってプレス装置15に送られる。プレス装置15では、個々の層(材料ウェブ1、2、3、4及びコア層24)が押圧されて、完成したサンドイッチ型の部品が形成される。図示したプレス装置15は、上方押圧板16と下方押圧板17に切断装置18を有する。従って、押圧工程の過程では、完成したサンドイッチ型の部品が原料(材料ウェブ1、2、3、4)から分離される。

第2の把持装置23により、完成したサンドイッチ型の部品がプレス装置15から取り外される。

図2に、上述した装置を上から示す。同じ部品には同じ参照番号が付与されている。加えて、コア層24(複数可)の中間保管箇所25もまたこの図に示されている。第1の把持装置22は、これらの中間保管箇所25からコア層24を把持して、これを第2の材料ウェブ2に配置する。

1 第1の材料ウェブ 2 第2の材料ウェブ 3 第3の材料ウェブ 4 第4の材料ウェブ 5 第1の材料ウェブの保持ローラ(複数可) 6 第2の材料ウェブの保持ローラ(複数可) 7 第3の材料ウェブの保持ローラ(複数可) 8 第4の材料ウェブの保持ローラ(複数可) 9 フレームワーク 10 第1の巻出し装置 11 第2の巻出し装置 12 第3の巻出し装置 13 第4の巻出し装置 14 連続組立ライン 15 プレス装置 16 上方押圧板 17 下方押圧板 18 切断装置 19 第1の塗布装置 20 第2の塗布装置 21 噴霧ヘッド 22 第1の把持装置 23 第2の把持装置 24 コア層 25 中間保管箇所