セラミックオーバーモールド法およびこの方法によって得られる複合要素

专利摘要:
流体およびペースト製品を供給するための、高い温度変化に耐えることができるシリンダーまたはスリーブの形態にある要素の部材は、互いに同心に配置された、前記流体と接触することが意されたセラミック材製のパーツ(6、16)と、前記セラミック材製のパーツ(6、16)の上にオーバーモールドされたポリマー材製の支持体(14、16)を含んでいる。セラミック材で作られたパーツ(6、16)は、その外側面上に、セラミックパーツのうちポリマー材製の支持体と接触した表面上に広がり、このパーツ(6、16)および支持体(14、22)のあらゆる相対移動を防ぎ、高い温度差動によって生じ得る張力を分配する少なくとも1つの右巻き螺旋溝および少なくとも1つの左巻き螺旋溝(24)とを含む少なくとも1つのレリーフ(24)を有している。
公开号:JP2011505518A
申请号:JP2010536456
申请日:2008-12-04
公开日:2011-02-24
发明作者:ギヨタン、フランソワ；ルファルディ、アルド
申请人:エヌ．シー．エー．テクノロジーズＮ．Ｃ．Ａ． Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；
IPC主号:F04B53-00

专利说明:

[0034] 図1aは、セラミックおよび金属要素を組立てるための、先行技術で使用される焼結方法の一工程の断面模式図である。
図1bは、セラミックおよび金属要素を組立てるための、先行技術で使用される焼結方法の異なる工程の断面模式図である。
図1cは、セラミックおよび金属要素を組立てるための、先行技術で使用される焼結方法の異なる工程の断面模式図である。
図1dは、セラミックおよび金属要素を組立てるための、先行技術で使用される焼結方法の異なる工程の断面模式図である。
図1eは、セラミックおよび金属要素を組立てるための、先行技術で使用される焼結方法の異なる工程の断面模式図である。
図1fは、セラミック要素とポリマー要素とを持続的に組合せることを可能にする、雌構造の場合の本発明によるオーバーモールド法の一工程の断面模式図である。
図２は、セラミック要素とポリマー要素とを持続的に組合せることを可能にする、雌構造の場合の本発明によるオーバーモールド法の異なる工程の断面模式図である。
図３は、セラミック要素とポリマー要素とを持続的に組合せることを可能にする、雌構造の場合の本発明によるオーバーモールド法の異なる工程の断面模式図である。
図４は、セラミック要素とポリマー要素とを持続的に組合せることを可能にする、雌構造の場合の本発明によるオーバーモールド法の異なる工程の断面模式図である。
図５は、セラミック要素とポリマー要素とを持続的に組合せることを可能にする、雌構造の場合の本発明によるオーバーモールド法の異なる工程の断面模式図である。
図６は、雄構造の場合の図１〜５と類似の図である。
図７は、雄構造の場合の図１〜５と類似の図である。
図８は、雄構造の場合の図１〜５と類似の図である。
図９は、雄構造の場合の図１〜５と類似の図である。
図１０は、雄構造の場合における、図１〜５と類似の図である。
図１１は、フープ成形(hooping)の場合における、セラミック要素上に与えられる応力を互いに比較する断面図である。
図１２は、オーバーモールドの場合における、セラミック要素上に与えられる応力を互いに比較する断面図である。
図１３は、図１１のより詳細な断面模式図である。
図１４は、図１２の詳細な断面模式図である。
図１５は、本発明によるオーバーモールド法に使用される雌型セラミック要素の正面図である。
図１６は、図１５の要素の平面XVI-XVIに沿った断面図である。
図１７は、溝の深さと、ポリマー-セラミック界面の引裂き抵抗との間の関係を示すグラフである。] 図１０ 図１１ 図１２ 図１３ 図１４ 図１５ 図１６ 図１７ 図２ 図３
[0035] 図は縮尺どおりに描かれていない。一般に、図中で同様の要素は類似の参照で示される。]
[0036] 特定の態様の詳細な記述
図1a〜1eは、パッケージング産業で課される制約を満足し得る複合ピースを製造するためにセラミック要素と金属要素とを組立てるための、以前に開発された(先行技術)フープ成形法の種々の工程を与える。]
[0037] 図1bは、「雌」要素として定義される、セラミック製のスリーブ2の形態の要素を示している。セラミックの特性は、このような要素を、流体、ペーストまたは粉体製品をパッケージングするためのポンプチャンバーの内側スリーブを形成するのに理想的なものにする。しかしながら、それを損傷するリスク無しに他の回路のピースと接合することは極めて難しいので、このスリーブは事実上使用できない。1つの解決策は、図1dに表したように、それをステンレス鋼製のシリンダー4の中に配置することである。このシリンダー4は、異なる既知の方法(溶接、ロウ付け、鋳造)によって、種々の追加の付属物を具備し得る(明確性のために図示せず)。このシリンダー4は内側を機械加工され、スリーブ2の径に概ね一致させる。それを加熱して径を広げ(図1c)、スリーブをその中に挿入する(図1d)。冷却後、シリンダー4の径が収縮し、セラミック製のスリーブ2をしっかりと適切な位置に保持する(図1e)。加熱条件、金属の組成、温度などが、2つの構成部品の最適な接合を得るために明確に計算される。]
[0038] 本発明のオーバーモールド法は、図1f〜5を参照して示される。先に記載された方法による製造の後、本発明によるセラミック製のスリーブ6 (図1f)は、まず、選択されたポリマー材の注入に適合する温度に到達するまで予熱される。ポリマーの温度と鋳造要素の温度を含む異なる要素の間の温度差異は、材料内に張力の発生をもたらし得るので、この予備工程は重要である。スリーブはその後、金属コア12上にねじ込まれた後に(図３)、同じく予め予熱されている2つのパーツ8、10である鋼製の射出成形用鋳型の中に配置される(図２)。] 図２ 図３
[0039] ポリマー材は、2つのパーツである鋳型8、10と、コア12およびスリーブ6との間の間隙中に注入される(図４)。図５は、最終的な状態のスリーブ6を示している。ポリマー材は冷却されて収縮し、2つの要素を緊密に接合する圧力をセラミックスリーブ6に与えるジャケット14を形成する。鋳型の中に発生したいくらかの張力を逃がすために、ポリマーに対してはそれ自体珍しい操作である複合ピースのアニールが、通常、この段階で実行される。こうして、変形することなく高い熱応力に耐えることができ、例えば供給ポンプのためのチャンバーとして、継手部材(挿入物)として、飲料分配器の胴部などとして使用され得る複合要素が出来上がる。] 図４ 図５
[0040] 図６〜１０は、シリンダー状の雄要素に同じように適用される方法を示している。ここでは、セラミック製の中実シリンダー16が使用される。予熱された後のこのシリンダー16は(図６)、この場合、2つのパーツ18、20 (図８)で構成された鋳型の中に配置され、シリンダー16の1つの端の周囲に空隙を残す(図７)。ポリマー材が鋳型に注入される(図９)。冷却および鋳型からの取出しの後、シリンダー16の端部にはシース22が嵌め合わされており(図１０)、先述したようにアニールされた後、特に図１f〜５に示すように製造されるポンプの胴部のためのピストンとして使用することが可能になる。ピストンの2つの要素は、接着およびシリンダー16の周りのシース22の収縮に起因する圧力の双方によって接合されている。] 図１０ 図６ 図７ 図８ 図９
[0041] もちろん、ここで2つのパーツで表現された鋳型は、実際は、製造されるピース(ジャケット14、シース22)の複雑さ次第で、不定数の嵌め合い又は可動パーツを含み得る。]
[0042] 図１１および１２は、フープ成形をベースとした接合方法からオーバーモールドをベースとした接合方法への変更に際して、当業者が直面する重大な問題の一つを明らかにする。フープ成形の場合は(図１１)、図1cに示す予熱工程において、スリーブ2とそのジャケット6とが分離するあらゆる危険性を排除するためには、複合ピースの最高使用温度よりも遥かに高い温度を選択することで「足りる」。当然、スリーブ2およびジャケット4は、界面に与えられる圧力に恒常的に耐えるように設計されていることを前提としている。さらに、ジャケットの金属は、一般に、セラミックの特性にできるだけ近くなるように、できるだけ低い膨張係数を呈するように選択される。] 図１１
[0043] オーバーモールドの場合においては(図１２)、より複雑な問題が存在する。優れた粘着係数がスリーブ6とジャケット14との間で観察されるが、スリーブ上のポリマー材に与えられる圧力は非常に小さく、とりわけ、ポリマー材の引裂き抵抗は、金属のものとは比べ物にならない。] 図１２
[0044] 図１１および１２のセラミック-金属界面およびセラミック-ポリマー界面の巨視的スケールの図を図１３および１４に表す。フープ成形の場合(図１３)、接触している表面は、2つのピースの間の接合の向上を明らかに助ける粗さおよび凹凸を有するが、同時に残渣および不純物がその中に滑り込み得る隙間の境界を定めている。特に製薬または食品産業の場合、これらの隙間は真正の微生物繁殖床を構成し、それは、しばしば心許ないかまたは信頼性を欠くため敬遠される解決法である、シール材または充填材の添加によってのみ防ぎ得る。オーバーモールドの場合(図１４)は、ポリマー材自体が目地塗り手段を構成し、2つのピースの接合が保たれている限りは完璧な衛生状態が保証される。] 図１１ 図１３ 図１４
[0045] 解決策は、対向する材料の賢い選択と、自明でない特定のセラミック-ポリマー界面の形成との両方にあり、その一つの典型的な態様は図１５および１６に示されている。] 図１５
[0046] 材料を単純に並置することは不可避的に複合ピース内に張力および相対移動をもたらすので、一方ではあらゆる相対移動を防ぎ、他方では発生した張力を十分に均一に分配してピースの分離および亀裂の出現を避けるレリーフを、界面に与える選択がなされている。]
[0047] 本発明によれば、図１５および１６に示すように、予備ベーキングを受けた後に、セラミック製のピース6は、その外壁沿いに一連のレリーフを与えるために機械加工されている。これらのレリーフは、縦方向および径方向の両方に広がり、このようにして螺旋溝24を形成する。本発明によれば、これらの溝24のいくらかは右巻きで、他は左巻きであり、オーバーモールドされたジャケットと接触することを意図した壁の殆ど全ての部分に沿った織り交ぜ（interlacing）を形成する。] 図１５
[0048] これらの溝の役割は、明らかに、要素6と14との互いの接合を保証することであるが、とりわけ、先に説明したように、セラミックの膨張係数とポリマー材の膨張係数との差異によっておよび観察される温度勾配によって生じた張力によりポリマー材中に与えられた力を分配することである。]
[0049] 本発明の文脈において、驚くべきことに、出願人は、少なくとも1つの右巻き螺旋溝および少なくとも1つの左巻き螺旋溝を含むこの少なくとも1つのレリーフが、セラミックおよびポリマー材間の膨張係数の差異によって生じる張力を、特に効率良く分配できることを発見している。]
[0050] 図１５に示される本発明の好ましい態様によれば、セラミック製のピース6は、スリーブの端部近くに与えられた周囲溝26の存在も含む。] 図１５
[0051] セラミック-ポリマー複合要素の熱ショックに対する抵抗および引裂き抵抗の両方は、溝の幾何が異なる試験片(24および26)、溝の深さが異なる試験片、溝の密度(cmあたりの溝の数)が異なる試験片、およびポリマーの種類が異なる試験片、ならびに溝のネットワークが全く無い状態の試験片についても測定されている。]
[0052] 図１７からわかるように、引裂き抵抗試験の結果は、溝が無いか、または0.10 mmを超えない溝(曲線A)については、2つの構成部品の速やかな分離、および/または、ポリマー中における亀裂の発生、すなわち、極めて局在化した張力の存在の証拠が観察されるのを証明することを可能にしている。より重要なことには、図１７の結果は、溝が本発明による螺旋タイプのもの(曲線C)、すなわち少なくとも1つの右巻き螺旋溝および少なくとも1つの左巻き螺旋溝を含むものである場合、2つの構成部品の間の分断に対する抵抗が高い一方で(ミリメートル、力がニュートンで測定された相対移動が低い)、環状の溝の場合は(曲線AおよびB)、2つの構成部品の速やかな分離が観察されることを示している。] 図１７
[0053] さらに、溝を0.25 mm (曲線B)までまたは0.40 mm (曲線C)まで深くして、それらの密度を高めることは、2つの材料は完璧な接合を保つという好ましい効果を持つことが観察されている。しかしながら、溝を深くし、それらの密度を高めることは有益な効果に限度が無い訳ではない。臨界閾値を超えると(ドメインD)、溝の寸法の増大が、擬似現象(spurious phenomena)の出現をもたらし(過剰な厚さのポリマーフィルムは不均一性、不完全な溝の充填を生じさせる)、成果を損なう。]
[0054] 張力の分析は、逆説的な効果を示すが、この分析を裏付けている。構成部品の相対不動化(relative imobilization)を助ける尖った角がセラミック-ポリマー界面に存在すること(US-4 309 937に示される)は、決して、合理的に予期されているような好ましい効果の要因にはならない。それどころか、それは、これらの尖った角の周りのポリマーに応力の集中をもたらすので、観察される性能特性を損なう好ましくない効果を持つ。それ故に、溝と界面の全ての部分とを鋳造する場合には、2つの表面の間の各変化（transition）に、フィレット、丸いエッジまたは面取り28をできる限り与えるよう注意が払われている。]
[0055] セラミック製のピース(すなわち特に硬く、脆くそして壊れやすい材料)の機械加工は、当業者が自然に想到しない解決策であり、それ故に、採用される解決策は自明であるはずがないと考えられるであろう。]
[0056] さらに、本発明が説明された例および先述された例に限定されないことは、当業者に自明であろう。本発明は、純粋に説明的な価値を有し、限定的に解釈されるべきでない特定の態様に関して記載されている。]
[0057] 特に、ここでは、あら旋削の段階での機械加工によって作られる界面のレリーフの形状は、ことによると、鋳造段階で作られ得る、および/または、最終ベーキングの後の機械加工によって少なくとも補完され得ることが注目される。しかしながら、実際は、多数の可動ピースを含む複雑な鋳型を使用する必要があるので、鋳造によってセラミック製のパーツを成形することは、比較的高額な投資を意味する。さらに、予備ベーキングされたプルーフピースを研磨するための中間加工を考慮することが必須になる。このような投資は、極めて多数の同質のピースが作られる場合にのみ費用対効果があるが、それは、当該分野において一般的でない。研磨の後にレリーフを作ることは、長い機械加工時間を要し、明らかに非常にコストがかさむ極めて硬い材料の加工を回避することができるが、ダイヤモンドチップのツールを使用できるとしても、プルーフピースはこのときに非常に壊れやすく、破損するピースの数が相対的に多くなるという事実を考慮に入れなければならない。]

权利要求:

請求項1
流体、ペーストまたは粉体製品を供給するための、実質的にシリンダー状の外側表面を持ち、温度勾配および/または機械的応力に耐えられる複合要素の部材であって、互いに同心に配置された、-実質的にシリンダー状の外側表面を持つ、前記流体と接触するように設計されたセラミック材製のパーツ(6、16)と、-前記セラミック材製のパーツ(6、16)の上にオーバーモールドされたポリマー材製の支持体(14、22)とを含み、前記セラミック材製のパーツ(6、16)は、その外側面上に、このパーツと前記支持体とのあらゆる相対移動を防ぎ、前記セラミック及びポリマー材間の膨張係数の差異により生じた張力を分配する少なくとも1つのレリーフ(24)を有し、この少なくとも1つのレリーフ(24)は、前記セラミックパーツのうち前記ポリマー材製の支持体と接触した表面上に広がった、少なくとも1つの右巻き螺旋溝(24)および少なくとも1つの左巻き螺旋溝(24)を含んだことを特徴とする部材。
請求項2
前記セラミック材製のパーツ(6、16)がシースの形態にある雌ピース(6)であり、前記ポリマー材製の支持体は、このセラミック製のシース(6)の外側面上にオーバーモールドされたジャケット(14)を構成していることを特徴とする請求項１による部材。
請求項3
この部材がポンプの胴部または挿入物であることを特徴とする請求項２による部材。
請求項4
前記セラミック材製のパーツ(6、16)がシリンダー状の雄ピース(16)であり、前記ポリマー材製の支持体が、このシリンダー状のピース(16)の外側面の1つの端を被覆するジャケット(22)を構成していることを特徴とする請求項１による部材。
請求項5
この部材がピストンであることを特徴とする請求項４による部材。
請求項6
前記セラミック製のパーツのうち前記ポリマー材製の支持体と接触した表面の少なくとも1つの端部近くに配置された少なくとも1つの周囲溝(26)をさらに含んだことを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項による部材。
請求項7
前記少なくとも1つのレリーフ(24)が、材料の除去を伴う機械加工によって形成されたことを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項による部材。
請求項8
前記少なくとも1つのレリーフ(24)が、0.25〜0.40 mmの深さを有していることを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項による部材。
請求項9
前記セラミック材が、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、およびそれらの配合物を含む群より選択されることを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項による部材。
請求項10
前記支持体のポリマーが、PPS、PPSU、PSU、PEEK、PEI、PES、PVDFを含む群より選択されることを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項による部材。
請求項11
前記セラミック製の部品(6、16)のうち前記ポリマー材製の支持体と接触した少なくとも１つの端が面取りされていることを特徴とする先行する請求項のうちのいずれか１項による部材。
請求項12
流体、ペーストまたは粉体製品を供給するための、実質的にシリンダー状の外側表面を持ち、温度勾配および/または機械的応力に耐えられる複合要素の部材の製造方法であって、以下の、-適切な組成の混合物を調製し、ベーキングの後に、機械加工に適切なセラミック材を得ることと、-この混合物を鋳造するかまたは押出すことによって、実質的にシリンダー状の外側表面を持つプルーフピースを調製することと、-このプルーフピースを低温で予備ベーキングすることと、-このプルーフピースをあら旋削することと、-このプルーフピースの外側表面上に広がる少なくとも1つの右巻き螺旋溝および少なくとも1つの左巻き螺旋溝を含む少なくとも1つのレリーフ(24)を作ることと、-このプルーフピースを高温で焼結させ、適切な寸法のセラミック要素(6、16)を得ることと、-このセラミック要素を、ポリマー材との接触に適合する温度まで予熱することと、-このセラミック要素を、予熱されたオーバーモールド型中に配置することと、-ポリマー材を前記オーバーモールド型の中に注入することと、-得られた複合ピースを冷却し、前記オーバーモールド型から取出すこととを含んだことを特徴とする製造方法。
請求項13
前記セラミック要素の外側表面上へのレリーフの形成が、前記プルーフピースがあら旋削されるときであって、低温での予備ベーキングの後に、機械加工によって作られることを特徴とする請求項１２による製造方法。
請求項14
オーバーモールドによって得られた複合ピースをアニールするための操作をさらに含んだことを特徴とする請求項１２または１３のうちの１項による製造方法。
請求項15
前記レリーフが、前記鋳造の段階で予備成形される、および/または、高温での焼結の後に機械加工されることを特徴とする請求項１２〜１４のうちの１項による製造方法。