(57)【要約】      （修正有）【課題】少なくとも１つが繊維強化されている複数のプラスチック部品の相互接続されたプラスチック構成部品からなる構成物及び対応する連結方法同士を連結するための改善された方法を提供する。【解決手段】繊維強化プラスチック部品を一体接合する溶接方法であって、溶接ヘッド５０がプラスチック部品の一方に食い込む溶接方法。強化繊維４０が接続領域１５内で破断又は破壊なくその向きを変えられるようになっている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続領域（１５）において第１プラスチック部品（１０）と第２プラスチック部品（１２）とを一体接合する溶接方法であって、少なくとも前記第１プラスチック部品（１０）は複数の方向性繊維により繊維強化されており、溶接ヘッド（５０）を前記第１プラスチック部品（１０）に当接させ、プラスチック材料は、前記溶接ヘッド（５０）が前記第１プラスチック材料（１０）に食い込むことができるように、前記接続領域（１５）において軟化及び／又は融解するように形成されている溶接方法において、
前記接続領域（１５）は前記第１プラスチック部品（１０）の一端（１４）に隣接しており、これにより、強化繊維（４０）は適切な加熱により前記一端（１４）から前記接続領域（１５）内に至ることが可能であり、及び／又は
前記接続領域（１５）に隣接するプラスチック材料が加熱され、これにより、強化繊維（４０）は、前記溶接ヘッド（５０）が該強化繊維（４０）を全体的に破壊又は破断することなく前記第１プラスチック部品（１０）に食い込むことができるように、前記接続領域の外（６２）でも向きを変えられることを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記接続領域（１５）から前記第１プラスチック部品の一端（１４）まで前記強化繊維（４０）の長手方向に軟化領域（６０）が設けられ、繊維は溶接中に該軟化領域から出て前記接続領域内に至ることを特徴とする請求項１記載の溶接方法。
【請求項３】
前記溶接ヘッド（５０）から該溶接ヘッド（５０）の直径（ｄ）の２分の１より大きい距離だけ離れた、特に、前記溶接ヘッド（５０）から該溶接ヘッド（５０）の直径（ｄ）より大きい距離だけ離れた、前記プラスチック部品（１０）の少なくとも１つの領域（６０，６２）において、熱源を用いて、プラスチック材料をその軟化点と融点の間の温度又は最低でも軟化点より５％低い温度まで加熱すること特徴とする請求項１記載の溶接方法。
【請求項４】
溶接領域において必要な温度上昇を得られるようにエネルギーが供給され、特に、少なくとも、前記溶接領域に隣接し、溶接ヘッド断面の２倍以上の大きさを有する領域（６０，６２）で、該領域（６０，６２）において第１プラスチック部品（１０）を軟化点範囲内とするために加熱が行われ、この間、融点未満にとどまっていることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかの溶接方法。
【請求項５】
前記第１プラスチック部品（１０）の強化繊維（４０）は、前記溶接ヘッド（５０）により、前記第２プラスチック部品（１２）の少なくとも複数の部分に押し込まれることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの溶接方法。
【請求項６】
前記溶接ヘッド（５０）は、回転及び／又は往復運動により駆動されることを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかの溶接方法。
【請求項７】
前記溶接ヘッドを、少なくともその一部が、前記第１プラスチック部品（１０）の材料から間欠的に引き出し、少なくとも０．１ｍｍ、好ましくは溶接ヘッド直径の２０％以上の距離だけ溶接軌跡（ｖ）に沿って移動させて、前記第１プラスチック部品（１０）の材料に下げ戻すこと特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの溶接方法。
【請求項８】
前記溶接ヘッド（５０）の外周の周囲に圧力パッド（５４）が配置され、該圧力パッド（５４）は前記第１プラスチック部品（１０）に対して面対面接触し、特に前記強化繊維（４０）の変形中は前記第１プラスチック部品（１０）に対して静止状態に配置されることを特徴とする請求項１乃至７記載のいずれかの溶接方法。
【請求項９】
接続領域（１５）において接続される２つのプラスチック部品（１０，１２）からなる構成物（１）であって、第１プラスチック部品（１０）は繊維強化されており、該第１プラスチック部品（１０）内で強化繊維（４０）の大部分が直線的に方向付けされており、前記強化繊維の少なくともいくつかは、前記接続領域（１５）において、前記直線方向から逸れるずれを有する構成物（１）。
【請求項１０】
前記第１プラスチック部品（１０）はある一定の含有量で長強化繊維（４０）を備え、前記接続領域（１５）における該強化繊維が４０％未満の場合に繊維破壊が生じる請求項９記載の構成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの相互接続されたプラスチック構成部品からなる構成物及び対応する連結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な適用産業分野において、様々なプラスチック構成部品を相互接続する作業は、常時繰り返される作業である。これに関して、接着法や溶接法を用いるのが好ましい。繊維強化プラスチック材料では、接続領域、即ち、接着又は溶接面が位置する領域は繊維強化がされていないという結果になることが多々ある。繊維強化プラスチック材料の強度は、母材のプラスチック材料とこれに埋め込まれる繊維とを組み合わせることによりもたらされる。接続領域の繊維の不足により、この点における溶接された構成物の荷重支持力、特に引張強度が低下する。この問題を削減するために、従来通り接着部をより広い表面領域を覆う設計としたり、「チキンリベット」等の補助的な固定手段を用いたりしている。リベットは、接着部の接続強度と基材材料の強度とが対応している十分に頑丈な接合がされており実際にはリベットは必要ではない場合にチキンリベットと呼ばれる。
【０００３】
国際公開第２０１１／０６９８９９号には、接続領域に金属シートが組み込まれ、両側の隣接するプラスチック材料に突出部又は固定ピンが固着し、このようにして接着又は溶接面の接続を向上させる噛合いを得る連結方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、少なくとも１つが繊維強化されている複数のプラスチック部品同士を連結するための改善された方法の提供である。この方法により接続領域の荷重支持力が高まり、また、できる限り全体的な材料強度を弱めないようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、請求項１の溶接方法により、また、これに対応する構成物により達成される。好ましい実施形態は従属請求項に見られる。
【０００６】
接続領域において第１プラスチック部品と第２プラスチック部品とを一体接合するための溶接方法において、少なくとも第１プラスチック部品は複数の方向性繊維により繊維強化されており、溶接ヘッドを第１プラスチック部品に当接させ、プラスチック材料は、溶接ヘッドが第１プラスチック部品に食い込むことができるように、接続領域において軟化及び／又は融解するように形成されている。接続領域は、特に第１プラスチック部品の一端に隣接しており、これにより、強化繊維は適切な加熱により上記一端から接続領域内に至ることが可能である。或いは、又はさらに、接続領域に隣接するプラスチック材料が加熱され、これにより、強化繊維は、溶接ヘッドが強化繊維を全体的に破壊又は破断することなく第１プラスチック材料に食い込むことができるように、接続領域の外でも向きを変えることができる。従来、強化繊維プラスチック材料を用いた摩擦溶接による溶接は、主に、繊維が短い場合、即ち、繊維の長さが３ｍｍ未満である場合に可能であった。溶接工具が方向性繊維を有する繊維強化加工物に食い込もうとすれば、該溶接工具がこれらの繊維を破壊してしまったであろう。上記２つの方法を用いることにより、繊維が過度に破壊又は破断されることなくプラスチック部品同士が溶接される。過度の繊維の破壊又は破断は、特に接続領域内で５０％を超える繊維が破壊される場合に生じる。
【０００７】
接続領域から第１プラスチック部品の一端まで強化繊維の長手方向に軟化領域が設けられ、繊維は溶接中に軟化領域から出て接続領域内に至る。接続領域外の、加工物の隣接する端部に向けて延びる繊維材料は、プラスチック部品の挿入中は荷重がかからず、機能的な重要性を有していない。故に、溶接中に接続領域の強化繊維にかかる引張荷重及び／又は曲げ荷重及び／又はせん断荷重を削減するために繊維材料が当該領域の外に延伸することが有利である。
【０００８】
溶接ヘッドから該溶接ヘッドの直径の２分の１より大きい距離だけ離れた、特に、溶接ヘッドから該溶接ヘッドの直径より大きい距離だけ離れた、第１プラスチック部品の少なくとも１つの領域において、熱源を用いて、プラスチック材料をその軟化点と融点との間の温度又は最低でも軟化点より５％低い温度まで加熱することができる。接続領域は、好ましくは、溶接ヘッドが材料に食い込む領域、且つ／又は形状篏合がされる領域である。強化繊維のプラスチック材料への埋め込み抵抗は、軟化点未満でも低下しているので、強化繊維は破断なく位置を変えることができる。好ましくは、加熱は最高でも融点より５°低い温度までである。
【０００９】
好ましくは、溶接領域において必要な温度上昇を得られるようにエネルギーが供給され、特に、少なくとも、溶接領域に隣接し、溶接ヘッド断面の２倍以上の大きさを有する領域で、該領域において第１プラスチック部品を軟化点範囲内とするために加熱が行われ、この間、温度は融点未満にとどまっている。供給されるエネルギーは、具体的には、摩擦圧接法による摩擦エネルギー等の運動エネルギーではない、又は運動エネルギーのみではない。さらに、溶接ヘッドは回転又は往復運動によりエネルギーを導入することができる。
【００１０】
特に、第１プラスチック部品の強化繊維を、溶接ヘッドにより、第２プラスチック部品の少なくとも複数の部分に押し込むことができる。この場合、溶接前に、第１プラスチック部品の強化繊維が押し込まれる第２プラスチック部品の領域の幾何学的形状を考慮しておく。これにより、第１プラスチック部品は第２プラスチック部品に最適に固定されることになる。第２プラスチック部品も繊維強化されている場合、強化繊維に対して空間的に近くに近接しているため、強化繊維の架橋結合を作る良好な固定がなされる。
【００１１】
溶接ヘッドは、回転及び／又は振動運動により駆動することができる。その結果、接続領域に熱が導入されるとともに該運動が強化繊維の変位移動を助け、このようにすることで強化要素の破壊なく溶接ヘッドをかわすことができる。
【００１２】
溶接ヘッドを、少なくともその一部を、第１プラスチック部品の材料から間欠的に引き出し、少なくとも０．１ｍｍ、又は好ましくは溶接ヘッド直径の２０％以上の距離だけ溶接軌道に沿って移動させて、第１プラスチック部品の材料内に下げ戻すことができる。このようにすることで、継続的な溶接軌道が徐々に作られる。接続相手に対して重複した溶接配置の場合、強化繊維が反る。
【００１３】
溶接ヘッドの外周の周囲に圧力パッドが配置され、該圧力パッドは第１プラスチック部品と面対面接触させることが有利である。強化繊維が変形する間、圧力パッドを第１プラスチック部品に対して静止状態とすることができる。圧力パッドにより、母材部分は確実に接続領域に残り、局所的に堆積することがない。
【００１４】
構成物は接続領域で接続される２つのプラスチック部品からなり、少なくとも第１プラスチック部品は繊維強化されており、第１プラスチック部品内で強化繊維の大部分が直線的に方向付けされており、該強化繊維の少なくとものいくつかは、接続領域において、上記直線方向から逸れるずれを有している。この配置は上述した連結方法によりもたらされるものである。上記繊維は、接続している連結相手に向けて方向付け又は反らせることも可能である。
【００１５】
第１プラスチック部品はある一定の含有量で長強化繊維を備えていてもよく、これら強化繊維の４０％未満しかない場合に接続領域において繊維破壊が生じる。繊維破壊を完全に防ぐことはできないかもしれないが、荷重を吸収できる破壊されていない繊維が高い含有率で残る。
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について、概略図に基づきより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】相互接続されて構成物を形成する２つのプラスチック構成部品の斜視図である。
【図２】図１に示した構成物の側面図である。
【図３】図１の構成物の２つのプラスチック構成部品１０，１２の平面図であり、溶接ヘッド５０を示しているが、その駆動装置５５は図示していない。
【図４】溶接中の溶接装置を部分断面で示した側面図である。
【図５】突合せ接合された２つのプラスチック部品における溶接部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に、構成物１の２つのプラスチック部品１０，１２を示す。構成物１は、航空機産業で用いられる構成物とすることができる。例えば、具体的には、着陸フラップ等の航空機のフラップとすることができる。好ましい実施形態では、構成物は熱可塑性物質からなり、ともに繊維強化されている。以下に説明するように、本発明の利点は、プラスチック部品１０，１２の少なくとも一方が繊維強化されていれば達成される。
【００１９】
図２は、図１の構成物１の側断面図である。２つのプラスチック部品１０，１２内に、例えば炭素繊維又はガラス繊維から構成することできる繊維強化４０，４２が存在する。実際の構成物では、通常、繊維を含まないプラスチック層で両側が囲まれる内部繊維層（図中に見られるようなもの）は存在しないため、図は概略的なものである。むしろ、プラスチック部品１０，１２は高い繊維含有率を有することが好ましく、該繊維含有量は、例えば、５０％又は最大で８０％まで可能であり、大部分はプラスチック部品１０，１２内部に均一に分布する。これを念頭に置くと、以下の実施形態の概略が理解できるであろう。
【００２０】
図２は、溶接された構成物１において、２つのプラスチック部品１０，１２の重複領域内で第１プラスチック部品１０の強化繊維４０がどのようにプラスチック部品１４内に配置されるかを示している。溶接作業において、溶接ヘッド５０が上から、即ち、ｚ軸負方向に材料内に押し込まれることで、繊維が下方に圧縮され、その結果、下方に変位した第１プラスチック部品の繊維４０により、下側のプラスチック部品１２の繊維含有量が上昇している。これにより、母材部分、即ち、プラスチック部分の方は、接続領域１５上方において垂直に、即ち、ｚ軸の正方向に隆起している。
【００２１】
溶接部について、図３及び図４を用いてより詳細に説明する。移動方向ｖの方向にプラスチック部品１０，１２の重複領域に沿って移動する溶接ヘッド５０により、溶接継目が作られる。溶接ヘッド５０の周囲に、２つのプラスチック部品１０，１２の充填材に対して上から、即ち、ｚ軸負方向に所定の圧力で押さえつける圧力パッド５４が配置されている。これにより、まず、確実にプラスチック部品１０，１２が隙間なく重なる。さらに、この溶接処理により、融解したプラスチック材料の液体流が生じるが、圧力パッド５４が、このプラスチック材料が溶接領域から絶対に出られないようにしている。
【００２２】
好ましい実施形態では、溶接ヘッドは丸く、回転するように駆動される。その結果、まず、溶接領域に運動エネルギーが導入され、該エネルギーは、その後、摩擦溶接の原理に従って熱に変換される。以下にさらに説明するように、追加の熱を導入することができる。或いは、溶接ヘッドを、往復運動するように厚さ方向（即ち、図２のｚ方向）に移動させることができる。これにはピエゾ駆動が適している。０．１ｍｍ未満のストローク長さが有利である。ｘ方向やｙ方向等の他の往復運動方向も可能である。また、溶接ヘッド断面の幾何学形状は長方形や正方形等の他のものでもよい。
【００２３】
図３は、第１プラスチック材料１０の繊維４０が接続領域に対して直交していることを示しており、これは、２つのプラスチック部品１０，１２の重複方向に対応する。接続領域の広がりは、溶接ヘッド５０の移動方向である矢印ｖにより示している。強化繊維の角度方向は他の方向も可能である。様々な好ましい方向の繊維４０、例えば、互いに直交し、それぞれｘ方向に対して４５°の角度である複数の繊維等を用いることも可能である。
【００２４】
記述の通り、溶接ヘッド５０は、溶接中にプラスチック材料内に押し付けられる。溶接ヘッド５０を用いて運動エネルギーの形態で導入することができる加熱に加えて、付加的な熱源を用いることも可能である。該熱源は、例えば、赤外線放射装置、又はプラスチック繊維の伝導性を利用する誘導的方法とすることができる。溶接ヘッドは、例えば、電気的に加熱することも可能である。溶接ヘッド５０を、その端部が下方のプラスチック部品、即ち、第２プラスチック部品１２に少なくとも少し浸る程度まで降下させることができる。このようにして、溶接接続が作られる。以下、溶接部が一体的に接合された領域を接続領域１５と呼ぶ。従来の溶接部では、特別に、また、好ましくは、この接続領域１５のみが加熱される。本方法では、プラスチック材料も加熱される。
【００２５】
一方では、図３の第１軟化領域６０として示した領域を加熱することができる。第１軟化領域６０は、工具５０を囲むエリア内の接続領域１５から隣接するプラスチック材料縁部又は端部まで広がっている。構成物１の使用中、この領域は、接続領域１５、即ち溶接された接続領域を用いることにより第１プラスチック部品１０にかかる荷重が放散されるため、いかなる機械的荷重にもさらされることがない。第１軟化領域６０は軟化点まで加熱されることが好ましい。事実上、すべての熱可塑性物質が軟化点を有している。この温度では、強度、特に引張強度又は押し込み抵抗が著しく低下するが、融点には達していないため、形状は維持される。マトリクス材としてＰＥＥＫを用いる場合、軟化点は３０５°Ｃであり、融点は３４０°Ｃである。したがって、溶接用材料は、溶接ヘッドの運動エネルギー及び／又は供給される熱エネルギーにより３４０°Ｃまで昇温される。第１軟化領域６０は３０５°Ｃから３３０°Ｃの間の温度まで昇温される。或いは、強度は軟化点未満でもすでに低下しているため、上記温度は２９０°Ｃちょうど（又はそれ以上）にすることもできる。第１軟化領域６０を軟化する目的は、プラスチック部品１０の強化繊維４０のマトリクス材への接続の強度を局所的に低下させることである。その結果、溶接ヘッド５０により力が加えられる際、強化繊維４０が破断又は破壊されるのではなく、下方に反る。その結果、図４に示すように、強化繊維４０を、下方に、即ち、第２プラスチック部品１２に向けて押し込むことができる。これより、プラスチック部品１０，１２の接続領域１５における繊維含有量が増える。余剰マトリクス材は上方に追い出すことができる。これにより、圧力パッド５４直下の繊維含有量が著しく低下する。強化繊維４０を図４に示すように反らすために、軟化領域において、いくつかの繊維が接続領域１５に向けてずれる。このずれは、とりわけ、図３に見られ、溶接ヘッド５０の右横において、繊維はもはや（ｘ方向において）プラスチック部品端部に接していない。まだ溶接されていない部分、即ち、ｖ方向の正側では、強化繊維４０の端部は、依然として第１プラスチック部品１０の端部１４まで続いている。
【００２６】
第１軟化領域６０においてプラスチック材料を加熱する代わりに、及び／又はこれに加えて、第２軟化領域６２においてプラスチック材料を加熱することができる。第２軟化領域６２は、接続領域から、強化繊維の長手伸長方向であって、第１プラスチック部品１０の端部１４から離反する方向に離れた位置にある。この加熱は、上述した第１軟化領域６０の加熱と同じ温度範囲で行うことができる。この加熱が行われないと、激しい温度差が生じる可能性がある。言い換えると、その場合、強化繊維４０は、接続領域１５から比較的近くでプラスチック材料に強固に埋め込まれていることになる。溶接ヘッド５０が材料に食い込むことにより、強化繊維４０に高い曲げ力又はせん断力が生じ、例えば炭素繊維の曲げ強度はかなり低いため、破壊が生じ得る。上記温度上昇により、繊維が第１プラスチック部品内部で向きを変えることができ、そうすると、結果として曲げ荷重及び／又はせん断荷重が低下し、繊維破壊が生じない。第１及び第２軟化領域は溶接ヘッド５０の縁部のすぐそばから始まる必要はない。むしろ、目標温度制御をしようとする領域、即ち、第１及び第２軟化領域６０，６２は、第１軟化領域６０について図４に示すように、溶接ヘッド５０から該溶接ヘッド５０の直径ｄの２分の１より大きい距離だけ離すことができる。
【００２７】
上述した方法によって、第１プラスチック部品１０の強化繊維４０と、第２プラスチック部品１２の強化繊維４２とが直接隣り合うことになり、したがって、構成物１の使用時に生じ得る力が最適に伝達されるという結果になる。
【００２８】
以上、重複接続について説明したが、図５に突合せ接合の配置を示す。第１及び第２構成物１０，１２間に、その接続領域１５を点線で示している。溶接ヘッド５０は、好ましくは、この接続領域１５に正確に沿って案内される。対応する温度制御を用いることにより、強化繊維４０，４２は、プラスチック部品１０，１２内で向きを変えることができ、したがって、溶接後、対応する繊維方向を有した図示の接続が作られる。
【００２９】
溶接ヘッド５０のケーシングの幾何学形状は平坦であることが好ましい。形状は、好ましくは、筒状とすることができる。（筒状）幾何学形状の端面を尖状にすることもできる。これにより、ｚ方向、即ち、厚さ方向のみでなく、横方向に、即ち、ｚ方向に直交する平面においても繊維の配置変えを補助することができる。代替実施形態では、溶接ヘッド５０の形状を凸状、即ち、側面の中央領域において突出した領域とすることができる。この領域は、繊維への損傷を最小限にするために、鋭利な縁部ではなく、丸みのある部分を備える。溶接ヘッドの直径ｄは、例えば、３ｍｍとすることができる。或いは、上記直径は、第１プラスチック部品１０の厚さと合わせることもでき、＋／−３０％の許容誤差範囲とすることもできる。溶接ヘッドの中心長手軸から隣接する第１プラスチック部品の端部１４までの距離は、上記直径ｄの２倍から１０倍の範囲であることが好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１    構成物
１０，１２    プラスチック部品
１４    第１プラスチック部品端部
１５    接続領域
４０，４２    強化繊維
５０    溶接ヘッド
５４    圧力パッド
５５    駆動装置
６０    第１軟化領域
６２    第２軟化領域
【図１】
2016117282.tif 000003
【図２】
2016117282.tif 000004
【図３】
2016117282.tif 000005
【図４】
2016117282.tif 000006
【図５】
2016117282.tif 000007
【外国語明細書】
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2016117282000002.pdf
2016117282000003.pdf
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