コンポジット+メタル：中空プロファイルハイブリッドテクノロジー

射出オーバーモールディングは、最近の複合材料業界のニュースで多く取り上げられていますが、主にハイブリッド複合材料の作成の分野で使用されています。成形された連続繊維強化プリプレグまたは予備硬化複合成形品は、金型キャビティ内に配置され、過剰設計された部品を回避するために必要な場合にのみ追加の補強を提供するように、より大きな短繊維強化射出成形部品内にカプセル化されます。生産コストを管理します。この宣伝の急増でほとんど気づかれていなかったのは、プラスチック/金属ハイブリッド（PMH）構造に関するニュースです。これは、熱可塑性複合材料でオーバーモールドされた板金下部構造を組み合わせたものです。

PMHカテゴリは、3月にヨーロッパで最初に発表された新しい開発のおかげで最近拡大されました。中空プロファイルハイブリッド（HPH）テクノロジーと呼ばれるこの開発により、プレス加工またはスタンププラス溶接シートメタルの代わりに押し出しまたは溶接された管状金属下部構造を効率的に使用して、高負荷のPMHコンポーネントの機械的性能を向上させることができます。 HPHテクノロジーは、プラスチックエンジニア協会（SPE、ベセル、コネチカット、米国）が主催し、デトロイト郊外で開催された第13回自動車工学プラスチック会議（AutoEPCON）で、4月30日から5月1日に北米でデビューしました。

「従来の」プラスチック-金属ハイブリッド構造

PMHテクノロジーは、1995年頃にBayer AG（ドイツ、レバークーゼン）によって最初に開発されました。複合材料チームとPMHテクノロジーは、2004年にバイエルの化学薬品およびポリマー事業の一部としてスピンオフされ、ランクセスコーポレーション（米国、ピッツバーグ、米国）になりました。

PMHは、選択的に穴の開いたプレス加工された鋼またはアルミニウムの板金下部構造を使用します。射出成形ツールは、通常、ガラス繊維強化ポリアミド6（GR-PA）で選択的にオーバーモールドされます（つまり、金属基板は完全にカプセル化されていません）。 6）。結果として得られるハイブリッド構造は、ブラケット、リブ、ボス、および外側の複合材料の他の形状を含む、部品設計者が選択した機能部品を特徴としています。熱可塑性複合材料が金属下部構造の中および周囲を流れることを可能にするミシン目は、両方の材料間の強力な結合を促進し、結果として得られる構造が両方の長所を提供できるようにします。つまり、この部品は薄肉板金の高い剛性と強度の恩恵を受けていますが、たとえば、金属の座屈を防ぐ複合リブによって補強および安定化されています。さらに、この複合材料は、耐食性、良好な表面仕上げ、軽量化、部品の統合と機能統合の向上に貢献し、それによってハードウェア、ブラケット、および二次操作を排除します。また、マトリックスはPA 6であるため、優れた幅広い耐薬品性に​​加えて、優れた靭性（衝撃強度）も提供します。

PMH構造は、同じ機能を備えた同等の板金構造よりも軽量で部品数がはるかに少ない（製造工程がはるかに少ない）が、不連続な繊維強化熱可塑性複合材料のみよりも機械的特性が高い。これは、スペースが限られており、厚い壁のセクションが望ましくない場合に特に役立ちます。部品点数と製造ステップを大幅に削減できるため、コストと製造フットプリントが削減されるだけでなく、在庫と保証のコストも削減されます。また、そのマトリックスは熱可塑性であるため、ハイブリッド構造は車両寿命の終わりに分離してリサイクルすることができます。

PMHテクノロジーは、リサイクル性とパフォーマンス上の利点により、フロントエンドモジュールやバンパービームなどの大型アセンブリからアンダーフードコンポーネントまで、さまざまな自動車コンポーネントの製造に長年使用されてきました。また、ローラーブレードなどの自動車以外の用途や、スクーターや小型のオフロード車のコンポーネントにも使用されています。

管状構造

他のテクノロジーにも当てはまるように、PMHにはいくつかの欠点があります。第1に、金属およびプラスチックの工具費の償却（この手法では両方のタイプが必要）により、中量から大量の車両プログラムへの適用が必要になる可能性があります。工具費を同じプラットフォーム上の同様のモデルと共有できない限り、ニッチな生産にはコストがかかりすぎます。第2に、従来から適用されているように、PMHテクノロジは、単純な2Dまたは2.5Dの板金下部構造、たとえばL字型、C字型、またはより平坦なセクションで最適に使用されます。ただし、これらの構造には、特定の高性能要件を満たすのに十分なねじり強度が不足していることがよくあります。また、射出成形の高圧下で閉じたプロファイルが崩壊するため、PMHを介して閉じた形/管状の構造（O断面およびその他の管状または正方形の断面を考えてください）を作成することはできません。

「中空プロファイルハイブリッド構造のアイデアは、質量を減らして機能統合を追加することが非常に望ましいが、現在のPMHテクノロジーがパフォーマンス要件を満たすほど強力ではなかった、高負荷構造の自動車アプリケーションのリストから発展しました。」 LANXESS構造アプリケーション開発エンジニアのJosephAielloは説明します。彼は、クロスカービームを理論的に理想的なHPHコンポーネントとして挙げています。これは、クロスカービームが重く、金属製のブラケットやその他のアタッチメントが多数含まれているためです。クロスカービームは、シャーシにねじり剛性を提供するためにすべての乗用車に使用されています。また、エンジンコンパートメントから車内に貫通するコンポーネント（ステアリングホイールなど）や、ファイアウォールの前のポイントから客室に突き出るコンポーネント（インストルメントパネルやセンターコンソールなど）の取り付けポイントも提供します。 。クロスカービームにPMHテクノロジーを適用する以前の作業では、2つの開いたL字型のPMH構造を溶接してビーム用の管状（閉じた形）の金属下部構造を作成する試みが中心であったため、十分な機械的性能が不足していました。オーバーモールド。 「閉じた形の構造は開いた構造よりも強力であることがエンジニアリングでよく知られているため、プラスチックと金属のハイブリッドの機械的性能を向上させるための論理的な場所は、丸い中空の梁またはチューブに技術を適用する方法を見つけることでした。または長方形の断面」とAiello氏は付け加えます。

いつものように、課題は、金属下部構造とその上にオーバーモールドされた複合機能コンポーネントとの間に高強度の結合を実現することでした。これは、クロスカービームなどの構造が重要なコンポーネントにとって特に重要な機能です。当初、チームは特別な機器を必要とせずに標準チューブをオーバーモールドするのに適した技術に取り組みました。問題は、射出成形機でチューブを選択的に変形する方法（ディンプルまたはくぼみを作成する方法）で、金属チューブとマトリックス間の良好なインターロックを確保し、金属下部構造とオーバーモールドされた複合材料の間に高い接着強度を実現します。成形サイクル中に通常見られる高圧でチューブが崩壊します。多くの研究の結果、最初にPMHテクノロジーを開発したのと同じランクセスチームがHPHプロセスも開発しました。

基本的に、HPHは、高流量で高ガラス強化のPA 6「構造要素」（外側から突き出た特別に設計されたリブ/フィンを備えた射出成形ソリッドチューブ）を使用します。これらは、鋼またはアルミニウムのチューブの中空の中心に配置されます。次に、射出成形機に挿入し、追加のGR-PA 6複合材料でオーバーモールドして、外部ブラケットおよびその他の機能コンポーネントを形成します。オーバーモールドのためにチューブがプレスに配置される前にチューブに挿入される構造要素は、成形中のチューブの崩壊を防ぎ、高圧成形プロセス中にビーディングまたはディンプルと呼ばれるプロセスを介してチューブを成形/変形するのに役立ちます。金属材料と複合材料の間の強力な結合を保証します。この内部要素は、構造的サポートを追加するためにチューブ内に残ります。

ランクセスは、内部のリブ付き/フィン付き要素は、穴あき鋼またはアルミニウム管で使用するように設計することもできると報告しています。これらは、従来のPMHテクノロジーで使用されているミシン目のように機能します。

2番目の金型の必要性を排除するために、そのツールは、構造要素で補強された特定のチューブをオーバーモールドしながら、次のショットで使用されるチューブの構造要素を成形するためのスペースをサイドキャビティに含めるように設計できます。また、必要に応じて、プロセス全体を完全に自動化できると報告されています。

HPH構造は、型押しまたは型押しと溶接の下部構造を備えた従来のPMH構造と比較して、同等の断面、質量、厚さでより高いねじり剛性と強度、およびより優れた寸法安定性を提供すると言われていますが、それでもランクセス独自のPMHプロセス。

次は？

対象となるHPHアプリケーションには、クロスカービームだけでなく、カーシートフレームとフロントエンドモジュール、トラックのテールゲート、ミラーブラケットなど、機械的要求の高いハイブリッド複合材/金属構造が含まれます。自動車の分野以外では、家具、はしご、さらにはベビーカーの製造にも使用できます。 HPHはまだ商用アプリケーションを確立するには新しすぎるため、作業中の多くの開発プロジェクトの一部であると言われ、LANXESSは機会を評価し続け、特許出願を完了するためにいくつかの技術リリースに取り組んでいると報告しています。今年後半に提出してください。

HPHの次は何でしょうか？ランクセスはまた、PA 6/6とポリブチレンテレフタレート（PBT）マトリックスと炭素繊維強化材を使用して、PMHの研究を以前に行っており、マグネシウムの下部構造も評価していると述べています。 30〜60％の。チームの焦点は60％GR-PA 6のままですが、理論的には同じ材料の組み合わせをHPHに使用できます。炭素繊維強化材を使用した場合、ガルバニック腐食を防ぐために金属下部構造を（おそらくコーティングを介して）分離する必要があります。または、構造の少ない用途では、プラスチックまたは複合材料から押し出された、または押し出されたチューブを使用できるはずです。