(57)【要約】単一操作で、介在する紙の層を有する１対の金属スキンから非平面的複合材料部品を積層し、成形する方法は、型の面の間に均一圧力を維持する。紙の層は、積層／成形プロセスの前に脱ガスされ得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料部品を成形するための方法であって、
１対のシート金属スキンを提供する工程であって、前記スキンのそれぞれが少なくとも約０．００５ｉｎ．の厚さを有する工程、
前記シート金属スキンの間に、前記シート金属スキンと接触させて、樹脂で含浸された紙の層を配置して複合材料スタックを形成する工程、
ダイプレスに前記スタックを配置する工程であって、前記ダイプレスは、前記スタックと接触する少なくとも１つの非平面状表面を有する工程、および
前記スキンと前記紙の層を互いに結合させるのに十分な時間前記ダイプレスにより前記スタックに均一な圧力を掛け、そうしながら同じ操作で前記スタックから非平面状部品を成形する工程
を具備する方法。
【請求項２】
前記紙の層が揮発性溶剤と水を含み、さらに、前記紙の層の中の前記揮発性溶剤と水の含有量を減少させるために前記金属スキンの間に前記紙の層を配置する前に前記紙の層を加熱する工程を含む請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項３】
前記均一な圧力が、前記スタックの表面に沿ういずれか２つの点で１０％を超えて変化しない、請求項１記載の複合材料部品を形成するための方法。
【請求項４】
前記ダイプレスの対向する型表面の間に間隙が存在し、前記間隙が均一な幅を有し、かつ前記均一な幅が前記間隙に沿ういずれか２点で約２％を超えて変化しない、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項５】
前記紙の層の中の揮発性化合物と水の組み合わせられた合計量が、前記紙の層の約５重量％未満まで減少させる、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項６】
前記シート金属が、冷間圧延鋼、亜鉛めっき鋼、スズ被覆鋼およびステンレス鋼からなる群より選択される、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項７】
前記紙の層が、前記シート金属スキンに接着により結合する、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項８】
前記スキンのそれぞれが、約０．００７ｉｎ．から約０．０３０ｉｎ．までの厚さを有する、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項９】
前記紙の層が少なくとも約０．０１ｉｎ．の厚さを有する、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１０】
前記紙の層が、約０．０１ｉｎ．から０．０５ｉｎの厚さを有する、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１１】
前記紙の層と前記各スキンとの間に配置される接着剤の層をさらに含む、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１２】
前記シート金属スキンが、表面上の亜鉛とともに冷間圧延された亜鉛被覆鋼である、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１３】
前記金属スキンが、低炭素微小合金化高強度鋼で形成されている、請求項１記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１４】
前記シート金属が、冷間圧延鋼、亜鉛めっき鋼、スズ被覆鋼およびステンレス鋼からなる群より選択される、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１５】
前記紙の層が前記シート金属スキンに接着により結合している、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１６】
前記スキンのそれぞれが約０．００５ｉｎ．から約０．０３０ｉｎ．の厚さを有する、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１７】
前記紙の層が少なくとも約０．０１ｉｎの厚さを有する、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１８】
前記紙の層が約０．０１ｉｎ．から０．０５ｉｎ．の厚さを有する、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項１９】
前記紙の層と前記スキンのそれぞれとの間に配置される接着剤の層をさらに含む、請求項２記載の複合材料を成形するための方法。
【請求項２０】
前記シート金属スキンが、表面上の亜鉛とともに冷間圧延された亜鉛被覆鋼である、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項２１】
前記金属スキンが低炭素微小合金化高強度鋼で形成されている、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【請求項２２】
前記紙の層が多層である、請求項２記載の複合材料部品を成形するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造パネルに関し、より具体的には、軽量複合材料積層物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シート鋼は、パネルを成形するために広範に用いられている。剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）のような要求される構造特性は、具体的な用途に応じて変化する。より大きな剛性値が要求されるとき、鉄鋼の厚さは、典型的には増加する。しかしながら、シート鋼の厚さを増すと、より重くなるだけでなく、より高価なパネルとなってしまう。
【０００３】
重量または材料経費を実質的に増加させることなくよりすぐれた構造特性のパネルを提供するために、過去に、多数のアプローチが採用されてきた。例えば、固体のポリマー心材を有する鉄鋼シートの複合材料は、防音および振動の減衰が要求される用途で用いられてきた。
【０００４】
開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、「金属スキンの間にクラフト紙心材を有する構造パネル」と言う表題の特許文献１において、紙の介在層により分離され、紙の介在層に結合する金属スキンを有する積層構造物である構造パネルが開示されている。そこに記載されている積層体は、大きな比剛性を有している。
【０００５】
開示全体が本明細書に組み込まれている「改善された構造パネルおよび製造の方法」と言う表題の特許文献２において、鋼鉄と紙の積層体を製造するための様々の技術が記載されている。本発明は、この複合材料積層物を同時に積層し、成形して成形された製品を製造する方法に対していくつかの改善を提供する。
【特許文献１】
米国特許第５，９８５，４５７号
【特許文献２】
米国特許第６，１７１，７０５号
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００６】
１つの側面において、本発明は、１層の紙の両表面に薄い鋼鉄のシートを結合させながら、一方、同時に所望の形状にそれらの層を成形する方法を提供する。言い換えれば、複合材料積層物は、単一操作で成形するように作り出され、形成される。
【０００７】
１態様において、本発明の方法は、樹脂の含浸された紙の層の中の揮発性化合物が積層／成形プロセスの間に気化しないように、積層／形成の前に前記樹脂含浸紙層を脱ガスする工程を含む。
【０００８】
本発明の方法はまた、好ましくは、積層／成形操作の間に雄成形型と雌成形型の係合（ｍａｔｉｎｇ）表面の間に正確な予め決められた間隙を維持する工程も含む。
【０００９】
１つの側面において、積層体を製造するために利用される層はシート金属であり、シート金属スキンのそれぞれは、少なくとも約０．００５インチの厚さを有し、紙の層がシート金属スキンの間に配置され、それらに結合している。紙の層は、心材層を直接スキンに結合させる接着剤樹脂により含浸され得るか、および／または接着剤の層が心材とスキンとの間に配置され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図１を参照すると、金属スキン２２と介在する繊維質心材２４を有する、形成され、積層された部品２０が示されている。部品２０は、機能性単位を形成するように協調する３つの別個の層を有することが理解されうる。この機能性単位の特性は、本明細書でより十分に記載されるように、その個別の要素の特性より優れている。本明細書で用いられる、部品２０を参照して用いられる場合を含む「部品」と言う用語は、非平面状製品を意味する。すなわち、それは、平坦なシート以外の形状を有する（すなわち、図３のスタック３２は平坦である。部品２０は非平面的である）。例示目的のために、部品２０は帽子形断面として示される。
【００１１】
１つの好ましい構造において、スキン２２は、最も好ましくは亜鉛被覆鋼で作られ、それぞれの層２２は、約．００５インチ以上、好ましくは約．００７インチないし．０３０インチ、およびより好ましくは約．００５インチから約０．０１２インチの厚さを有する。１態様において、介在する繊維質層２４は、好ましくは、約．０１インチ以上、好ましくは約．０１インチから約．０５インチまでの厚さを有する。したがって、部品２０の厚さ全体は、１態様において、典型的には、約０．０２４インチないし０．１１０インチであろう。図１（３次元部品の２次元化）の描写について上述された寸法および直前に記載された好ましい層厚さを有する部品は、典型的には、匹敵する寸法と剛性の単一シートの鋼鉄から作られた同じ部品の約３０〜６０％である重量を有する。
【００１２】
図１に示される個々の層が、以後より詳細に記載される。確認されるとおり、金属スキン２２は、一般的に、平坦であり、それぞれの側面に平面の表面を有する。スキン２２を形成するために利用され得る金属は、好ましくは、鋼鉄、アルミニウム、ステンレス鋼およびそれらの様々の組み合わせからなる群より選択される。最低のコストで、部品２０が用いられる具体的な環境で適切な構造的および（もし必要ならば）耐腐食性を提供する金属が最も望ましい。最も好ましいものは、亜鉛被覆シート鋼である。
【００１３】
当業者に理解されるように、鋼鉄は、それが含む炭素と他の元素の量に基づいて多数のグレードを有するに至る。概して、それらのグレードは、低炭素鋼、中炭素鋼および高炭素鋼として記述され得る。本発明での使用のために好ましいものは、低炭素鋼および低炭素微小合金化高強度鋼（ＨＳＬＡ）である。本発明における使用にとって最も好ましい金属スキンは、冷間圧延鋼、亜鉛めっき鋼、スズ被覆鋼、およびステンレス鋼である。片面が亜鉛めっきされたシートを利用するのが望ましいであろうし、亜鉛めっきされた表面はスキン２２の外側表面となり、スキンの内側表面は、接着目的のための裸金属（ｂａｒｅ  ｍｅｔａｌ）である。１態様において、差のある亜鉛被覆（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｚｉｎｃ  ｃｏａｔｉｎｇ）が好ましい。すなわち、内側表面では少ない亜鉛被覆で、外側表面では多量の亜鉛被覆である。１態様において、亜鉛被覆された鋼鉄は、最終的な厚さまで、表面上の亜鉛とともに冷間圧延される。
【００１４】
層２４は、繊維質材料である。理論により拘束されることを望まないけれども、層２４の繊維質という性質は、剥離への抵抗を含む部品２０の望ましい構造的特性に寄与し得るものと信じる。本明細書で用いられる、「繊維質」と言う用語は、本発明のコンテキストでは繊維質の範囲を限定しないが、シート製品に形成され得る天然または合成のいずれかの繊維の一般的に均質な集まりを意味することが意図される。
【００１５】
層２４として本発明のための使用にとって最も好ましい繊維質材料、すなわち、繊維質シートの中で独特と思われる材料は、紙である。当業者には理解されているように、紙は、本質的には、パルプと水の希釈懸濁液によって比較的薄いシートに形成される繊維質材料のマット化されているかまたはフェルト化されている構造である。それは、本質的にはセルロース繊維で構成されている。製紙のためのパルプは、木材または他の植物を機械的に粉砕することにより、化学的加工処理（亜硫酸、クラフト、またはソーダ）により、およびまた綿、リネン、麻、ぼろきれ、廃物、わらなどを化学的に処理することにより調製され得る。
【００１６】
本発明では、クラフトプロセスを用いて形成された紙が最も好ましい。当業者には理解されていることであるが、クラフトプロセス（これはまた硫酸パルプ化またはアルカリプロセスとも称され得る）は、大きな物理的強度と大きな嵩の紙をもたらす。１つの好ましい紙が、サウスカロライナ州チャールストンのウエストベーコにより含浸クラフト紙として販売されている。
【００１７】
また、当業者により理解されているが、紙のセルロース繊維の平均的配列は、紙の製造中の「縦方向（ｍａｃｈｉｎｅ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）」により幾分か制御される。本発明では、積層体の紙の配向は、積層体の剛性と強度に影響を与え得る要因であると思われる。最も好ましいものは、クラフト紙の縦方向が積層体の曲げの中立軸に対して平行な線である積層体である。本発明で有用であり得る繊維質材料のもう１つのクラスは、きわめて細い繊維に紡糸することにより形成され、次いで、熱と圧力により互いに結合する高密度ポリエチレン繊維のようなプラスチック繊維紙である。
【００１８】
本発明の１つの好ましい態様では、層２４は、樹脂含浸繊維質材料として提供される。層２４がクラフト紙である場合、紙は樹脂により含浸され、次いで、乾燥される。本発明での使用にとって最も好ましいのは、フェノール樹脂含浸クラフト紙である。ポリエステル樹脂含浸もまた一部の用途では適切であり得る。樹脂で紙を含浸させる方法は、当業者に周知であろう。本質的には、好ましい樹脂含浸紙は、液体フェノール樹脂中に基材の紙ウエブを浸漬することにより形成される。典型的には、飽和含浸紙の層は、半硬化含浸紙の単層を形成させるように互いに積層される。他の含浸方法には、紙の上への樹脂の被覆および散布が含まれる。樹脂含有層２４については、本明細書で以後記述される範囲を超えることが特定の用途では適切であるかまたは望ましいこともあり得るけれども、本発明の好ましい態様においては、樹脂は、樹脂含有層２４の約１５重量％から約４５重量％までを構成する。
【００１９】
ほとんどの場合には、熱硬化性樹脂が、含浸紙層２４での使用にとって好ましい。しかしながら、一部の用途では、熱可塑性樹脂が許容可能であり得る。前述のように、熱硬化性樹脂の場合には、樹脂は、一般的には、部品２０を成形する前にＢ段階まで硬化されるが、しかし、以下に記載される積層／成形操作の前に含浸された紙を完全に硬化することも可能であろう。フェノール樹脂の場合には、樹脂は、積層の前にＢ段階まで硬化される。次いで、スキン２２と含浸された紙の心材２４がプレスを用いて互いに積層されるとき完全に硬化される。一部の用途では、樹脂中に、硬化剤、フィラーなどのような多数の標準的添加剤を含むことが適切であろう。
【００２０】
繊維質層２４の樹脂含浸があってもなくても、紙の層２４にスキン２２を結合させるために接着剤の層を用いることが望ましいかまたは要求され得る。エポキシ、フェノール、イソシアネート、ポリウレタンおよびホットメルトを含む多数の接着剤が特定の用途で適切であろう。この目的のための特に好ましい接着剤は、アッシュランド・ケミカル由来の「アロフェン１１６６」として販売されるニトリルフェノールである。接着剤は、多数の方法により、層２４もしくは金属スキン２２または両方に直接適用され得る。結合の一体性および腐食への抵抗性を改善するために錯体酸化物またはリン酸亜鉛のようなコンバージョン被覆（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｃｏａｔｉｎｇ）により鋼鉄を予備処理することが好ましい。
【００２１】
本発明では、積層／成形プロセスに付加的な工程が加えられる。積層／成形の前に、樹脂含浸紙層２４は、少なくとも部分的に脱ガスされる。樹脂含浸紙層２４は、有機溶媒などのような多数の揮発性成分を有し得ることが理解されるであろう。加えて、紙の層２４は、典型的には、周囲の湿度のような多数の要因に応じて変化する水分含有量を有するであろう。本発明では、樹脂含浸紙層２４の溶媒含有量および水分含有量の組み合わせられた合計は、積層の前に、樹脂含浸した層２４の重量の約５％未満およびより好ましくは、樹脂含浸紙層２４の重量の約３％未満に減少させる。層２４のこの脱ガスは、本発明の積層／成形操作またはすでに参照された係属中の米国特許出願で記載された平坦な複合材料パネルで用いられ得ることが理解されるべきである。
【００２２】
従って、積層／成形のためにスタック３２を調製する前に、紙の層２４は、約１から５分間約２００°ないし２５０°Ｆに加熱される。もちろん、それらの温度および時間は、紙の層２４の厚さ、含まれている溶剤のタイプおよび存在する溶剤と水の量に応じて変化し得る。輻射熱オーブンがこの目的のために用いられ得る。紙の層２４は、それがスキン２２に積層される直前にこのようにして「乾燥」されるのが好ましいが、しかし、溶剤／水含有量が積層のときに上記所望の範囲にある限り、本発明の目的は満足されている。
【００２３】
以下、図２、３、および４を参照すると、同時積層／成形の方法が記載され得る。プレス２８は、油圧などを用いて通例の方式で互いに向かって動く成形型３０を含む。成形型３０は、熱と圧力の両方が樹脂を硬化させ、層を互いに結合させるように積層体に適用されるように加熱要素などを含む。より具体的には、図２において、成形キャビティ３４を有する型３０上に位置する金属／紙／金属スタック３２が示される。上記のように、層２４のフェノール樹脂は、プレス操作の前に硬化のＢ段階の状態にあり、加熱された成形型３０は、プレスプロセスの間にフェノール樹脂の硬化を完了させる。やはり、一部の用途では、紙の層２４と金属のスキン２２との間に接着剤を配置することが望ましいであろう。
【００２４】
以下図３を参照すると、プレス２８は、スタックに圧力を掛けるために閉じる。時間、温度および圧力は、スキン２２と層２４の厚さ、層２４を含浸させるために用いられる樹脂のタイプ、およびもしあれば、層２４と金属スキン２２との間で用いられる接着剤のタイプに依存して広く変化し得る。最も好ましくは、用いられる温度は、フェノール樹脂を完全に硬化させ、もしあれば、接着剤層の結合を確実にするのに適切であるべきである。フェノール樹脂含浸紙については、温度は、好ましくは、２５から８００ｐｓｉで、より好ましくは３００から５００ｐｓｉで、プレスの中で約３５０°Ｆないし４００°Ｆである。確実に結合した積層体を成形するためのそれらの好ましい温度と圧力で要求される時間は、典型的には、１５ないし６０秒であろう。すなわち、熱と圧力は、典型的にはこの範囲の時間適用され得る。上記の溶剤／水の減少は、結合プロセスを妨害するかもしれないスキン２２と紙の層２４の界面に沿ってのポケットの形成を防ぐ役割をする。
【００２５】
本発明では、正確で均一な寸法の間隙３８が型３０の型表面３６の間に維持される。金属成形は、一般的に、均一な圧力が型表面の間の接触の全領域で掛けられることを要求しないけれども、そのような均一な圧力を維持することは、本明細書に記載される複合材料部品のための同時積層／成形操作では望ましいことが発見された。
【００２６】
図３で最もよく理解されるように、間隙３８についての近接した許容差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）を維持することにより、型の面３６と金属スキン２２の主たる表面との間の接触の全領域で実質的に等しい圧力が掛けられる。したがって、間隙３８は、いずれの２つの点でもその予め選択された所望の値から約２％を超えて変化すべきではない。例えば、間隙３８が、１ｍｍの呼称幅を有するならば、許容差は、±０．０２ｍｍを超えるべきではない。圧力の点では、製品２０の２つの領域は、１０％を超えるほど互いに変化すべきでない。
【００２７】
次いで図４を参照すると、型３０が分離するとき、部品２０は、所望の非平面状形態に積層され（層が互いに結合する）て、かつ成形される。部品２０は、次いで、キャビティ３４から取り外され得る。
【００２８】
本明細書では、本発明の特定の態様が示され、記載されているけれども、本明細書の開示に鑑みて、特に当業者により、多くの修正がなされ得るので、もちろん、本発明は本明細書に限定されるべきではないことが理解され得る。それゆえ、特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲に当てはまるいずれのそのような修正もカバーするものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の方法により成形される積層体製品の断面である。
【図２】図２は、単一操作で積層され、成形される積み重ねられた層を有するダイプレスを描写するダイアグラムである。
【図３】図３は、係合する型表面の間の均一な間隙を維持する、閉じた位置の図２のプレスを描写するダイアグラムである。
【図４】図４は、積層／成形操作後の図２および３のプレスを描写するダイアグラムである。
【符号の説明】
【００３０】
２０…部品、２２…金属スキン、２４…心材、２８…プレス、３０…成形型、３２…スタック、３８…間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004534656.tif 000015
2004534656.tif 000016
2004534656.tif 000017
2004534656.tif 000018
2004534656.tif 000019
2004534656.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004534656.tif 000021
【国際調査報告】
2004534656.tif 000022
2004534656.tif 000023