多層結(jié)構(gòu)部件、其制造方法及用圖
【專利說明】多層結(jié)構(gòu)部件、其制造方法及用途
[0001]本發(fā)明涉及多層結(jié)構(gòu)部件，其特別是用作輕質(zhì)部件。
[0002]在汽車建造中以及在其它工業(yè)領(lǐng)域中，更多地使用輕質(zhì)部件已有一段時間，以由此實現(xiàn)例如與燃料消耗有關(guān)的優(yōu)點。特別在汽車建造中，需要一方面具有低重量且另一方面滿足在汽車建造時必需的安全要求和穩(wěn)定性要求(例如就可荷載性而言)的結(jié)構(gòu)部件。為了提高汽車中的行駛舒適度，也特別地進一步需要由于隔絕性質(zhì)或固有頻率譜而有助于實現(xiàn)機動車內(nèi)室的低噪音水平的結(jié)構(gòu)部件。汽車工業(yè)還特別對可見結(jié)構(gòu)部件的光學(xué)性質(zhì)和表面品質(zhì)提出高要求，以使該結(jié)構(gòu)部件例如能獲得均勻漆層。
[0003]由現(xiàn)有技術(shù)已知輕質(zhì)部件的各種變型。這些特別包括由完全或部分借助膠粘技術(shù)互相接合的金屬片與例如由塑料材料制成的支承結(jié)構(gòu)的組合制成的部件。此外，還已知具有金屬支承結(jié)構(gòu)的注塑部件、純注塑部件和任選具有玻璃纖維增強材料或碳纖維增強材料的熱固性FVK部件(RTM、SMC、BMC)。
[0004]“樹脂傳遞模塑”(RTM)-通常也稱作注射壓縮模塑-被理解為是指制造纖維增強部件的方法，其中將纖維墊插入模具中，然后在壓力下在其周圍澆注液體樹脂-固化劑混合物。該樹脂在熱輸入下反應(yīng)，由此產(chǎn)生固體產(chǎn)品(K6rper )。
[0005]“片狀模塑料”(SMC)表示由現(xiàn)有技術(shù)中已知用于制造纖維-塑料復(fù)合體的由熱固性反應(yīng)樹脂和玻璃纖維制成的片形面團狀壓制物料。在SMC中，所有必要組分以完全預(yù)混并準備好加工的形式存在。通常使用聚酯樹脂或乙烯酯樹脂。增強纖維以墊的形式或罕見地以織物的形式存在，其中其典型纖維長度為25至50毫米。
[0006]“塊狀模塑料”(BMC)是已知的纖維-基質(zhì)半成品。其主要由短玻璃纖維和聚酯樹脂或乙烯酯樹脂構(gòu)成，其中其它增強纖維或樹脂體系也可行。天然纖維越來越廣泛用作玻璃纖維的廉價替代物。BMC作為未成型物料在袋或其它容器中供應(yīng)。
[0007]但是，盡管這些已知的輕質(zhì)部件，還需要改進的輕質(zhì)部件，因為已知體系具有不足的材料性質(zhì)，特別是在穩(wěn)定性、剛度等方面中，或盡可在非常復(fù)雜的方法中制造或使用，因為它們例如需要單獨制造金屬組件或塑料組件，其然后必須在機動車組裝過程中在單獨操作步驟中接合，例如通過將塑料片與由金屬制成的支承結(jié)構(gòu)膠粘。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中迄今已知的輕質(zhì)部件的另一問題還在于與引入力(krafteinleitend)的功能元件(力引入元件)的組合。例如，迄今已將用于吸收出現(xiàn)的載荷的金屬支承或框架結(jié)構(gòu)與外部件如金屬片或塑料片組合，以制造包層(Verkleidung)。這種結(jié)構(gòu)在汽車領(lǐng)域中已知為所謂的空間框架建造方式。相反，在另一已知的自承結(jié)構(gòu)概念中，外部車身部件吸收出現(xiàn)的載荷。在之前的解決方案中，基本將用于引開出現(xiàn)的載荷的力引入元件與承載框架結(jié)構(gòu)接合，特別是通過焊接、擰緊或鉚接，由此產(chǎn)生提高的操作費用。
[0009]因此也特別需要不必使用上述緊固方法就將力引入元件整合到其中的輕質(zhì)部件，由此能夠簡化力引入元件的安裝。
[0010]從所述現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的基本目的是提供用于輕質(zhì)構(gòu)造并一方面在低重量下具有良好的材料性質(zhì)如剛度和可荷載性且另一反面可相對容易地制造和使用的結(jié)構(gòu)部件，其特別作為直接用于機動車的成品部件。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，至少部分地通過一種多層結(jié)構(gòu)部件實現(xiàn)此目的，該多層結(jié)構(gòu)包含第一和第二纖維復(fù)合層和設(shè)置在它們之間的由發(fā)泡塑料制成的泡沫層，其中第一和第二纖維復(fù)合層分別具有至少一個由纖維材料制成并嵌入基于熱塑性塑料的基質(zhì)中的纖維層片(Lage)。具有至少一個由纖維材料制成并嵌入基于熱塑性塑料的基質(zhì)中的纖維層片的此類纖維復(fù)合層也被稱為“復(fù)合片”。所述基于塑料的基質(zhì)優(yōu)選包含至少一個第一和第二塑料層，在它們之間設(shè)置有纖維層片。該塑料層可以例如分別通過至少一個塑料箔層片制造。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)部件還具有錨固結(jié)構(gòu)，其具有用于接合到力引入元件上的基座并具有分支結(jié)構(gòu)，其中該分支結(jié)構(gòu)包含至少三個以各種方向從基座延伸出的分支。
[0012]在本發(fā)明范圍中認識到，通過兩個復(fù)合片與設(shè)置在它們之間的由發(fā)泡塑料制成的泡沫層的組合，可以提供具有特別在剛度和穩(wěn)定性方面的極好機械性質(zhì)和同時低重量并因此特別適合作為用于汽車建造的輕質(zhì)部件的結(jié)構(gòu)部件。還在可直接安裝在預(yù)期使用位置，例如機動車內(nèi)的整體部件中提供這些性質(zhì)。特別地，該結(jié)構(gòu)部件不需要附加框架結(jié)構(gòu)，因為它們本身已具有高固有剛度并因此可吸收大的力而不過度變形。
[0013]借助所述結(jié)構(gòu)部件，還可以實現(xiàn)良好的隔音性質(zhì)并調(diào)節(jié)固有頻率譜以適應(yīng)各種需要。特別地，通過該結(jié)構(gòu)部件的多層夾心狀結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)聲波的轉(zhuǎn)向，且通過所述纖維復(fù)合層和泡沫層的各種密度，可以實現(xiàn)比例如鋁片或鋼片情況中更好的隔音。這種鋁片或鋼片必須例如通過額外用PU泡沫后注塑(Hinterspritzen)進行額外隔絕，而所述結(jié)構(gòu)部件已實現(xiàn)所需隔絕，而可省去用于隔絕的附加材料和操作步驟。
[0014]第一和第二纖維復(fù)合層可具有相同或不同的結(jié)構(gòu)，例如在纖維類型、纖維層片的數(shù)量和熱塑性塑料類型方面?？梢酝ㄟ^第一和第二纖維復(fù)合層的相同構(gòu)造防止該結(jié)構(gòu)部件的翹曲。另一方面，可以使用不同類型的第一和第二纖維復(fù)合層來制造具有與特定用途相匹配的性質(zhì)的結(jié)構(gòu)部件。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，還至少部分地通過一種制造結(jié)構(gòu)部件，特別是上述結(jié)構(gòu)部件的方法實現(xiàn)上述目的，其中提供第一和第二纖維復(fù)合片，其中第一和第二纖維復(fù)合片分別具有至少一個由纖維材料制成并嵌入基于熱塑性塑料的基質(zhì)中的纖維層片，其中將第一纖維復(fù)合片熱成形以產(chǎn)生第一纖維復(fù)合半成品并將第二纖維復(fù)合片熱成形以產(chǎn)生第二纖維復(fù)合半成品，其中將第一和第二纖維復(fù)合半成品設(shè)置在發(fā)泡模具中以在第一和第二纖維復(fù)合半成品之間形成空腔，且其中通過注入發(fā)泡塑料對該空腔中發(fā)泡。將錨固結(jié)構(gòu)設(shè)置在引入第一或第二纖維復(fù)合半成品中的容置空間(Aufnahme)中以使該錨固結(jié)構(gòu)伸入所述空腔，并在此處在對所述空腔發(fā)泡時嵌入發(fā)泡塑料。
[0016]纖維復(fù)合片的熱成形被理解為是指首先將該纖維復(fù)合片加熱到高于該熱塑性塑料軟化溫度的溫度，然后特別通過使用成形模具進行成形。為此同樣可將該成形模具進行調(diào)溫，例如在該熱塑性塑料軟化溫度的范圍內(nèi)，例如在軟化溫度的+/- 20°C的范圍內(nèi)的溫度下。第一和第二纖維復(fù)合半成品可具有相同形狀或不同形狀。優(yōu)選將該纖維復(fù)合片加熱到至少80°C，優(yōu)選至少90°C，特別是至少100°C的溫度。由此防止在加熱后該纖維復(fù)合片太快凝固并因此不再能正確熱成形或任選甚至出現(xiàn)塑料基質(zhì)的局部損壞。當聚碳酸酯用作該基質(zhì)時，優(yōu)選將該纖維復(fù)合片加熱到大約100°C的溫度。
[0017]該復(fù)合元件可以以各種方式制造，這些方式例如也從儀表板或車頂內(nèi)襯的制造中獲知。為此必需并優(yōu)選調(diào)溫的模具具有基本與第一纖維復(fù)合半成品形狀對應(yīng)的第一半模和基本與第二纖維復(fù)合半成品形狀對應(yīng)的第二半模;在其上固定有各自的纖維復(fù)合半成品。
[0018]在一種方法中，為纖維復(fù)合半成品完全或部分地配備膠粘劑，插入可熱成形，優(yōu)選熱固性泡沫材料的層片，關(guān)閉模具并在合適的溫度下壓制。
[0019]在另一方法中，插入完全或部分地配備有膠粘劑的可熱成形，優(yōu)選熱固性泡沫材料的層片，關(guān)閉模具并在合適的溫度下壓制。
[0020]在另一方法中，將可發(fā)泡塑料或可反應(yīng)混合物施加到纖維復(fù)合半成品上，幾乎關(guān)閉模具，且該可反應(yīng)混合物在纖維復(fù)合半成品之間發(fā)泡，其中在發(fā)泡混合物接近模具關(guān)閉后留下的開口并有逸出模具的危險時優(yōu)選進一步關(guān)閉模具。但是，也已知用于防止泡沫材料逸出的其它方法，例如曲徑(Labyrinthe)和開孔泡沫材料箔。但是根據(jù)成品部件的設(shè)計，如果模具的完全關(guān)閉太復(fù)雜或造成成品部件的品質(zhì)不足，泡沫材料的少許逸出也可接受。
[0021]在另一方法中，首先基本關(guān)閉具有兩個纖維復(fù)合半成品的模具，然后將可反應(yīng)混合物引入由此產(chǎn)生的空腔中，該可發(fā)泡塑料或可反應(yīng)混合物在纖維復(fù)合半成品之間發(fā)泡，其中在發(fā)泡混合物接近模具關(guān)閉后留下的開口并有逸出模具的危險時優(yōu)選進一步關(guān)閉模具。但是，也已知用于防止泡沫材料逸出的其它方法，例如曲徑和開孔泡沫材料箔。
[0022]在另一方法中，首先在固定或松散地接合兩個纖維復(fù)合半成品，然后插入模具，基本關(guān)閉模具，然后將可反應(yīng)混合物引入空腔，且該可發(fā)泡塑料或可反應(yīng)混合物在纖維復(fù)合半成品之間發(fā)泡，其中在發(fā)泡混合物接近模具關(guān)閉后留下的開口并有逸出模具的危險時優(yōu)選進一步關(guān)閉模具。但是，也已知用于防止泡沫材料逸出的其它方法，例如曲徑和開孔泡沫材料箔。
[0023]但是根據(jù)成品部件的設(shè)計，如果模具的完全關(guān)閉太復(fù)雜或造成成品部件的品質(zhì)不足，泡沫材料的少許逸出也可接受。
[0024]還通過上述結(jié)構(gòu)部件用于制造機動車車身部件，特別是后蓋板、發(fā)動機罩或車頂元件的用途實現(xiàn)上述目的。
[0025]由于它們的結(jié)構(gòu)機械性質(zhì)和低重量，該結(jié)構(gòu)部件特別適用于機動車車身部件。特別地，高表面質(zhì)量還允許這些結(jié)構(gòu)部件用于水平安置的部件，如后蓋板、發(fā)動機罩或車頂元件，其由于大表面積和暴露位置而必須具有特別高的表面質(zhì)量。
[0026]所述結(jié)構(gòu)部件還特別適合作為機動車車身部件，因為其將機械性質(zhì)與可獨立調(diào)節(jié)的表面特性相組合，從而不需要如例如在傳統(tǒng)空間框架建造方式時那樣與增強元件或表面元件后續(xù)組合。
[0027]下面描述該結(jié)構(gòu)部件、制造該結(jié)構(gòu)部件的方法和該結(jié)構(gòu)部件的用途的各種實施例。即使這些實施例部分地特別僅針對結(jié)構(gòu)部件、方法或用途進行描述，它們也分別相應(yīng)地既適用于結(jié)構(gòu)部件也適用于方法和用途。
[0028]松散纖維復(fù)合層的基質(zhì)優(yōu)選是熱塑性塑料。合適的熱塑性塑料是聚碳酸酯、聚苯乙烯、苯乙烯共聚物、芳族聚酯如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PET_環(huán)己烷二甲醇共聚物(PETG)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、環(huán)狀聚烯烴、聚-或共聚丙烯酸酯和聚-或共聚甲基丙烯酸酯例如聚-或共聚甲基丙烯酸甲酯(如PMMA)、聚酰胺(優(yōu)選聚酰胺6(?46)和聚酰胺6，6(?六6，6))，以及與苯乙烯的共聚物例如透明聚苯乙烯-丙烯腈(PSAN)、熱塑性聚氨酯、基于環(huán)烯烴的聚合物(例如TOPAS ?，Ticona公司的產(chǎn)品)或所述聚合物的混合物，以及與烯烴共聚物或接枝聚合物例如苯乙烯/丙烯腈共聚物和任選其它上述聚合物的聚碳酸酯共混物。
[0029]優(yōu)選的熱塑性塑料選自聚碳酸酯、聚酰胺(優(yōu)選PA6和PA6，6)和聚丙烯酸烷基酯(優(yōu)選聚甲基丙烯酸甲酯)以及這些熱塑性塑料與例如聚對苯二甲酸亞烷基酯(優(yōu)選聚對苯二甲酸丁二醇酯)、抗沖改性劑如丙烯酸酯橡膠、ABS橡膠或苯乙烯/丙烯腈共聚物的混合物中的至少一種。制造熱塑性塑料通常包含常規(guī)添加劑，如脫模劑、熱穩(wěn)定劑、UV吸收劑。
[0030]優(yōu)選的熱塑性塑料是聚碳酸酯(均聚或共聚碳酸酯)以及聚碳酸酯與聚對苯二甲酸亞烷基酯(特別是與聚對苯二甲酸丁二醇酯)的混合物。聚對苯二甲酸亞烷基酯的含量通常為基于整個組合物計的5至95重量％，優(yōu)選10至70重量％，特別是30至60重量％，還優(yōu)選的是聚碳酸酯或聚碳酸酯/聚對苯二甲酸亞烷基酯共混物與ABS共聚物和/或SAN共聚物的混合物。優(yōu)選的熱塑性塑料是由聚碳酸酯和聚碳