JP2018519201A - 非可展形状を有するサンドイッチ金属部品を製造するための改良された方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属ハニカムコア（２）と、上記コアの両側に配置された２つの金属スキン（４）とを備える、非可展形状を有するサンドイッチ金属部品（１）を製造する方法であって、上記２つの金属スキン（４）を得るために金属板（４’）を塑性変形させる工程と、上記２つのスキン（４）を上記コア（２）に固定的に連結する工程と、を含む方法に関する。

Description

本発明は、複雑な非可展形状を有するサンドイッチ型部品の製造に関する。

本発明は、複雑な形状の部品を必要とする全ての技術分野、特に道路、航空、鉄道および海上輸送の分野に適用可能である。

サンドイッチ型部品は一般に、ハニカムコアと、このコアの両側に配置されそのコアに接着された２つのスキンを有する。この構造型により、軽い総重量を有しながらも、大きな剛性が得られる。尚、この構造型に関しては、周知の形によると、中立軸の両側にスキンを引き離していることから、慣性モーメントが非常に大きくなりうる。これは、この慣性モーメントが中立軸までの距離の３乗に比例するからである。

従来技術によると、いわゆる「金属」という解決策がある。この解決策は、どちらも金属材料、例えばアルミニウムまたはその合金のうちの１つなどからなるコアとスキンを製造することからなる。こういった解決策では通常、コアの両面に接着されたスキンを含んだ、形状がほぼ平面のパネルが得られる。任意選択で、このようにして得られたパネルがその後、折り曲げ加工、曲げ加工などにより成形される。ただし、こういった追加の再加工工程で得られるのは、複雑な形状の最終部品ではなく、単純な可展形状の部品にすぎない。

複雑な非可展形状を有する金属部品を製造するために、その部品を単一部品として製造する、いわゆる「単体」の解決策を提供することが可能である。それによって絞り加工などの適当な技術により、その部品について複雑な形状が得られる。しかしながら、機械的耐性に対する要求により、通常は、大きな厚みを有する部品がもたらされ、その総重量が犠牲になる。したがってこの技術は、いくつかの用途、特に輸送分野に見られる運用要件に適合しないことが分かりうる。

炭素繊維および／またはガラス繊維と樹脂との混合物などの複合材料からなるスキンを用いても、複雑な形状のサンドイッチ部品を得ることは可能である。しかしながら、この技術は、上述の金属サンドイッチの解決策に比して多くの欠点を有する。こういった欠点のうちの一部を挙げると、剛性と衝撃耐性が低いこと、工具によるひだ付けの労力が特に必要であることから製造コストが高くなること、複合サンドイッチ部品にインターフェース部材を埋め込むことが困難であること、複合要素のリサイクル性がないこと、火災煙に対する耐性の基準が低いことなどがある。

本発明の一目的は、従来技術の実施形態に関する上述の欠点を、少なくとも部分的に解決することである。

この目的のため、本発明の一目的は、金属ハニカムコアと、上記コアの両側に配置された２つの金属スキンとを備える、非可展形状を有するサンドイッチ型金属部品を製造する方法であって、
両金属スキンを得るために金属板を塑性変形させる工程と、
両スキンを上記コアに固定する工程と、を含む方法である。

したがって、本発明は、複雑な形状を有する金属スキンを得るために、金属板をコアに接着する前に塑性変形させることを考慮に入れている点で、現況技術とは完全に区別される。本発明に特有のこの技術により、平坦な金属サンドイッチパネルの再加工作業から得られる可能性よりはるかに拡張された最終的形状の可能性が、上記部品にもたらされる。さらに、上記部品は、その「サンドイッチ」という側面をもつため、従来技術の単体の解決策で得られるものよりもかなり満足のいく剛性対重量比を有する。輸送分野の特定の事例では、これにより、上記部品を組み込んだ輸送車両を推進させるためのエネルギーの節約になる。

さらに、複合材料からなるスキンを組み込んだ製品に比して、本発明は多くの利点を提供する。こういった利点のうちの一部を挙げると、剛性と衝撃耐性が高くなること、主にひだ付けに関連する労力がなくなることにより製造コストが低減すること、金属サンドイッチ部品へのインターフェース部材の埋め込みが容易になること、金属要素のリサイクル性があること、あるいは、火災煙に対する耐性の基準が十分であること（これによって受動的安全性が向上する）などがある。また、上記部品を塗装する必要がある場合、塗装の手直しが、複合部品の多孔性に起因する塗装欠陥を有しうる複合解決策で認められるものよりも、はるかに少ない。

本発明は、好ましくは、以下の任意選択の特徴のうちの少なくとも１つを、単独で、または組み合わせて含む。

上記方法は、上記金属ハニカムコアを塑性変形させる工程をさらに含み、この工程は、両スキンを上記コアに固定する上記工程の前に実施される。ただし、サンドイッチ部品の所望の最終形状に応じて、この塑性変形工程は必ずしも必要ではない。実際、ハニカムコアが、所望の最終部品と同一または類似の輪郭をとるために、その弾性変形だけで十分であることが判明することがある。コアの弾性変形が所望の輪郭を得るのに十分でない場合は、塑性変形以外の技術が企図されうる。それは例えば、応力を緩和するためのコア内の１つまたは複数の切り欠きであり、あるいはそのコアに適当な機械加工を施すことである。いずれの場合も、ハニカムコアの弾性変形能力が増す。

好ましくは、コアの塑性変形が実施される場合、その塑性変形中にこのコアに弾性伸展が適用される。この伸展により、ハニカムセルがその初期形状に対応する六角形よりも矩形に近い形状をとるように、それらのハニカムセルをある程度平坦化できる。さらに、応力のない中立状態で矩形のセルを有するハニカムコアを企図することも可能である。

このセルのほぼ矩形の伸展形状のおかげで、コアはより大きな、複数の方向に変形する能力を有し、このことにより、複雑な非可展形状の輪郭を得ることが容易になる。

好ましくは、２つの金属スキンを得るために上記金属板を塑性変形させる上記工程が、板金加工、車体製作、インクリメンタルフォーミング、絞り加工、ラバーフォーミング、熱成形の少なくとも１つの技術を用いて行われる。尚、この点に関して、小型の部品系列の製造には、インクリメンタルフォーミング技術が好ましく、中または大型の部品系列の製造には、絞り加工技術が好ましい。

好ましくは、両スキンはそれぞれ０．５〜３ｍｍの厚さを有し、かつ／または上記コアは３〜５０ｍｍの厚さを有する。

好ましくは、両スキンを上記コアに固定する上記工程が、真空バッグを備えた金型に上記スキンと上記コアを配置し、重合性接着剤を使用することによって行われる。このとき好ましくは、両スキンは、上記金型内に配置される前に接着される。

最後に、上記スキンおよびコアがそれぞれ、アルミニウムまたはその合金の１つでできているが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の金属材料も企図されうる。

本発明の他の目的は、上述の方法を実施することによって得られる少なくとも１つの金属部品を備える輸送車両を提供することである。

好ましくは、上記車両は鉄道輸送車両であるが、道路、航空または海上輸送車両のように、他の用途も企図されうる。

本発明の他の利点および特徴は、以下の非限定的な詳細説明に示す。

この説明は添付の図面に関して行う。

本発明による方法によって得るよう意図された鉄道車両用の座席の斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 本発明の好ましい実施形態による製造方法の実施中において、金属板を塑性変形させる工程を示す図である。 図５ａ〜図５ｆは、ハニカムコアを塑性変形させる各工程を示す図である。 図６ａ〜図６ｄは、両方のスキンをハニカムコアに固定する各工程を示す図である。

まず図１を参照すると、本発明による製造方法によって得られるサンドイッチ型金属部品が示されている。この例では、鉄道車両用の座席であるが、本発明はこの分野に限定されない。本発明は、複雑な３Ｄ形状と呼ばれる複雑な非可展形状を有するサンドイッチ部品の製造に実際に適用可能である。この形状は、例えば、平坦な可展形状などのより単純な形状とは対照的に、歪んだ二重曲率の形状などでありうる。尚、本発明の文脈内では、可展形状／可展面の概念は、通常の定義、つまり接平面が母線に沿って同一であるような形状／面セットに対応する。これにより、円筒または円錐のように、かかる可展形状／可展面を平面上で「滑らせずに転がす」ことが可能となり、その接触は直線に沿って行われる。

本発明は特に、輸送車両の構造または外装用の超軽量かつ超剛性の部品を製造することを対象に、道路、航空、鉄道および海上輸送の分野に適用可能である。例示的な用途を以下に記載する。
−座席（単一のサンドイッチ部品内にシェルと構造体が含まれる）、
−開口マスク（窓縁用のカバー部品）
−端部品：列車、路面電車またはバスの「ノーズ」
−バスの上に位置するエアコンのカウル
−自動車両のホイールリムの全部または一部。

図１〜３を参照すると、鉄道車両の座席の形をした金属部品１が示されている。この部品１は本発明に特有の製造方法によって得られたものであり、これについて以下に詳細に説明する。部品１は、例えば５〜２０ｍｍ程度の、ほぼ一定の厚さを有する。ただし、この厚さは、本発明の範囲から逸脱することなく、部品１の範囲内で変化しうる。部品１は、その部品１の任意の２点間の最大離間距離に対応する主寸法を有し、この主寸法はたとえば１ｍ〜２ｍの範囲に及びうる。

部品１は、シート部１ａと背もたれ１ｂとを有する。例えばアームレスト、ねじ、ブレースなどを取り付けるためのインサートのように、図示されていない他の要素は、この部品１に後で組み付けられるよう意図されている。

金属部品１はサンドイッチ型であり、すなわち、ハニカムコア２と、このコアの両側に配置され、それに接着された２つの金属スキン４とを有している。これらの３つの構成要素２、４は、アルミニウムまたはその合金の１つでできている。各スキン４は０．５ｍｍ〜３ｍｍの厚さを有し、コア２は例えば３ｍｍ〜５０ｍｍの厚さを有する。これらの３つの要素２、４はそれぞれ、より薄い厚さを有しながらも、最終部品１の全体形状と同一または類似の全体形状をとることによって、その最終部品１の表面全体に広がる。したがって、これら３つの要素２、４の重ね合わせによって、金属サンドイッチ部品１を得ることが可能になる。

図４および以下の図は、部品１の製造方法の好ましい実施形態を示している。ただし、図を理解しやすくするために、図１に示している座席よりも単純な形状で部品１を表現している。しかしながら、上述したように、本発明による方法によって得るよう意図された部品は、実際には、歪んだ形状や二重曲率の形状のように、複雑な３Ｄ非可展面であることを理解されたい。

上記方法の第１の工程が図４に示されている。この工程は、両スキン４のそれぞれについて、平面の金属板４’から、その金属板４’を、最終部品の形状とほぼ同一の形状をとるように塑性変形するものである。ただし金属板４’は、必然的に最終部品より薄い厚さを有する。この塑性変形を行うために、いくつかの技術が企図されうる。好ましい技法の１つはインクリメンタルフォーミングであり、これは小型の部品系列を製造するために選択される。このラピッドプロトタイピング技術は、周知の形で、金属板を徐々に成形するように局所的に塑性変形していく原理に基づいている。中または大型の部品系列を製造するには、より一般的な絞り加工の解決策が優先的に選択される。

次に、金属ハニカムコアを塑性変形させる工程が実施され、図５ａ〜図５ｆに示されている。

この工程は、平坦なハニカム要素から、その平坦なハニカム要素を、最終部品の形状とほぼ同一の形状をとるように塑性変形するものである。このハニカム要素もやはり、必然的に最終部品より薄い厚さを有する。この変形を行うために、平坦なハニカム要素２’が、図５ａ〜５ｄに示されているように、この要素の平面内で伸展される。つまり、要素２’の伸展は、図５ｃに示されている六角形のセルを得た後、これらのセルが図５ｄに示されているほぼ矩形の形状になるまで継続される。この伸展された形状のおかげで、要素２’は、破断することなく複数の方向に変形する能力がより大きくなり、それによって複雑な非可展形状の輪郭を実現することが容易になる。この工程では続いて、図５ｅに示されているように、伸展された要素２’を、例えば適当な工具１１を使用した絞り加工などによって塑性変形させる。この絞り加工の結果、ハニカム要素２’のいくつかの壁が折り曲げ加工され、それによって図５ｆに示されている、所望の最終部品の全体形状と同一または類似の全体形状を有するコア２が得られる。折り曲げ加工の大きさは、所望の曲率に応じて増減する。

サンドイッチ部品１を構成するための３つの要素２、４が得られると、最後の固定工程が実施される。この工程は、変形されたコア２に変形されたスキン４を取り付けることを目的とする。この工程は図６ａ〜６ｄに示されている。

この目的のために、両スキン４がまず、例えばエポキシ接着剤などの重合性接着剤を用いて接着させられる。図６ａに示されているように、次に、両スキン４とハニカムコア２が、金型６に重ねて配置される。金型６の金型キャビティ８は、この積層物の下に位置するスキン４の外側表面の形状に対応する形状を有する。図６ｂに示すように、この工程では続いて、上記金型の上部に真空バッグ１０を、上記積層物の上に位置するスキン４の外側表面とぴったり合うように配置する。

次に、図６ｃに、バッグ１０が要素２、４の積層物に均一な圧力を加えるように、金型の本体とそのバッグ１０との間に位置する空間に減圧が適用されることが示されている。適用される減圧は約０．９ｂａｒであり、これにより約９ｔ／ｍ^２の圧力が得られる。

接着剤が重合したら、図６ｄに示されているように、完成した部品１が金型から取り出されうる。

当然のことながら、当業者によって本発明に対し様々な変更が行われうる。本発明の説明は、非限定的な例として行った。

Claims (10)

1. 金属ハニカムコア（２）と、前記コアの両側に配置された２つの金属スキン（４）とを備える、非可展形状を有するサンドイッチ型金属部品（１）を製造する方法であって、
   両金属スキン（４）を得るために金属板（４’）を塑性変形させる工程と、
   両スキン（４）を前記コア（２）に固定する工程と、を含む方法。
2. 前記金属ハニカムコア（２）を塑性変形させる工程をさらに含み、この工程が、両スキンを前記コアに固定する前記工程の前に実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属ハニカムコア（２）を塑性変形させる前記工程の間に、前記コアに弾性伸展が適用されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 両金属スキン（４）を得るために前記金属板（４’）を塑性変形させる前記工程が、板金加工、車体製作、インクリメンタルフォーミング、絞り加工、ラバーフォーミング、熱成形の少なくとも１つの技術を用いて行われることを特徴とする、前記請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 両スキン（４）がそれぞれ０．５〜３ｍｍの厚さを有し、かつ／または前記コア（２）が３〜５０ｍｍの厚さを有することを特徴とする、前記請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 両スキン（４）を前記コア（２）に固定する前記工程が、真空バッグ（１０）を備えた金型（６）に前記スキンと前記コアを配置し、重合性接着剤を使用することによって行われることを特徴とする、前記請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 両スキン（４）が、前記金型（６）内に配置される前に接着されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記スキン（４）および前記コア（２）がそれぞれ、アルミニウムまたはその合金の１つでできていることを特徴とする、前記請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実施することによって得られる少なくとも１つの金属部品（１）を備えることを特徴とする、輸送車両。
10. 鉄道輸送車両であることを特徴とする、請求項９に記載の車両。

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