用于模制塑料部件的疊堆和用于機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于模制塑料部件的疊堆(1)和用于機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件。該疊堆包括一組層，每個(gè)所述層(2)都包括一種塑料材料(MP)和至少一個(gè)增強(qiáng)元件(ER)，所述增強(qiáng)元件具有至少一個(gè)主延伸方向(DP)，所述疊堆的特征在于，一個(gè)層的增強(qiáng)元件(ER)具有至少一個(gè)與至少一個(gè)其它層的增強(qiáng)元件不同的主延伸方向，所述不同的主延伸方向被選擇為使得在所述疊堆(1)的尺度上限定有意的各向異性方向。
【專利說明】用于模制塑料部件的疊堆和用于機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件的制造領(lǐng)域，并特別地涉及由塑料制成的這 種部件的制造領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 特別地，本實(shí)用新型涉及塑料片疊堆，或者說多層復(fù)合材料，其用于通過模制方法 來制成塑料部件。
[0003]車輛的結(jié)構(gòu)部件為功能在于維持車輛結(jié)構(gòu)、尤其是在沖擊的情況下維持車輛結(jié)構(gòu) 的部件。這些部件例如涉及車輛前后防撞梁、地板、車輛的前柱、中柱、后柱。
[0004]因此，機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件必須具有高的機(jī)械強(qiáng)度。這就是為什么這種部件通常 由鋼制成而更少見地由鋁制成的原因。
[0005]然而，汽車制造商越來越迫于減小車輛的重量。但是，由于使用的材料的關(guān)系，由 鋼制成的結(jié)構(gòu)部件相對(duì)重。
[0006]為了限制這些部件的重量并同時(shí)保持它們的首要的機(jī)械強(qiáng)度特性，已知的做法是 制造由多個(gè)被沖壓過的和相互組裝在一起的元件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)部件。
[0007]該技術(shù)允許選擇強(qiáng)度很大的鋼來用于受到大機(jī)械應(yīng)力的元件，并選擇強(qiáng)度較小的 鋼來用于受到較小機(jī)械應(yīng)力的元件。然后組裝這些元件，以根據(jù)應(yīng)力水平將其布置在結(jié)構(gòu) 部件中。還可以調(diào)節(jié)元件的厚度：對(duì)于同一型號(hào)的鋼，可以減小某些元件的厚度以減小結(jié)構(gòu) 部件的重量，同時(shí)保持良好的機(jī)械特性。
[0008]然而即使是由多個(gè)部件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)部件，這些結(jié)構(gòu)部件所減輕的重量是有限的， 并且迫使汽車制造商使用復(fù)雜的制造方法。
[0009]事實(shí)上，使用由不同型號(hào)（XES、THL、TTHLE)的鋼制成的元件意味著對(duì)于每個(gè)元件 都有不同的制造方法：冷軋或熱軋鋼、冷壓或熱壓鋼、部分淬火（用于增大局部機(jī)械特性）。 這些多種方法迫使汽車制造商具有多種設(shè)備（沖壓機(jī)、加熱系統(tǒng)、淬火系統(tǒng)、機(jī)器人等），并 且管理大量的部件號(hào)（部件和子組件），這些部件和子組件之后需要被組裝在一起并被組 裝在車輛的車身上（大量的焊接點(diǎn)在制造中費(fèi)時(shí)，成本昂貴，并且限制產(chǎn)品重量的減輕）。
[0010] 一種替代方案在于附接不同厚度的多個(gè)鋼板（通過焊接、對(duì)接），以產(chǎn)生具有厚度 不同的區(qū)域的部件。但是，該制造方法是復(fù)雜的，并且導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生額外的費(fèi)用。
[0011] 還已知一種做法是使用鑄造鋁部件來制成結(jié)構(gòu)部件。這些鑄造部件能夠產(chǎn)生具有 局部合適厚度的結(jié)構(gòu)。但是，由于需要管理額外的方法并且造成在傳統(tǒng)車輛車身上的組裝 困難，該制造方法使得制造商制造車輛車身變得更復(fù)雜。
[0012] 還已知由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)部件。使用復(fù)合材料相對(duì)于由鋼制成的部件帶來重 量的減輕。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0013]本實(shí)用新型的目的在于彌補(bǔ)由鋼制成的結(jié)構(gòu)部件的缺點(diǎn)，并且改善由復(fù)合材料制 成的結(jié)構(gòu)部件所獲得的重量減輕。通過提供具有有意的各向異性構(gòu)造的多層復(fù)合材料，本 實(shí)用新型得以實(shí)現(xiàn)其目的。因此，符合本實(shí)用新型的疊堆包括在某些特殊方向上具有不同 性質(zhì)的材料層，以減輕基于該疊堆模制的結(jié)構(gòu)部件的重量，同時(shí)簡(jiǎn)化制造過程。相對(duì)于由復(fù) 合材料制成的傳統(tǒng)部件一該傳統(tǒng)部件產(chǎn)生自被設(shè)計(jì)為整體幾乎各向同性的疊堆一重 量減輕是通過減小層厚度和/或減小增強(qiáng)件的量和/或減小獲得某種機(jī)械強(qiáng)度所需要的層 數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，通過根據(jù)所預(yù)計(jì)的受力方向來確定增強(qiáng)元件的特定取向，結(jié)構(gòu)部件的 機(jī)械強(qiáng)度在這些特定方向上被維持甚至被加大，同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)部件、尤其是結(jié)構(gòu)部件在受 力較小的區(qū)域或方向上的重量。
[0014] 因此，本實(shí)用新型涉及用于模制塑料部件的疊堆，其包括一組層，每層都包括 一種塑料材料和至少一個(gè)增強(qiáng)元件，該增強(qiáng)元件具有至少一個(gè)主延伸方向（direction principaled' 6lancement)，并在該組層中，一層的增強(qiáng)元件具有至少一個(gè)與至少一個(gè)其 它層的增強(qiáng)元件不同的主延伸方向，所述不同的主延伸方向被選擇為使得在疊堆的尺度上 限定有意的各向異性方向。
[0015] 根據(jù)本實(shí)用新型，疊堆可以包括多個(gè)有意而為的各向異性方向，這些方向彼此之 間形成大于25°的角。
[0016] 有利地，至少一個(gè)非外圍層可以包括由碳纖維制成的增強(qiáng)元件，和/或至少一個(gè) 外圍層可以包括由玻璃纖維制成的增強(qiáng)元件。
[0017] 根據(jù)本實(shí)用新型，至少一個(gè)層的增強(qiáng)元件與該層的質(zhì)量比例可以超過50%。
[0018] 疊堆可以在疊堆的厚度中包括至少一個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆。
[0019] 在這種情況下，疊堆可以包括單個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆，在該對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆中，外圍層包 括由玻璃纖維制成的增強(qiáng)元件，而中心層則包括由碳纖維制成的增強(qiáng)元件。
[0020] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，從外圍層開始直到中心層，疊堆包括：
[0021] -第一層，其包括由玻璃纖維布制成的增強(qiáng)元件，這些增強(qiáng)元件的纖維的主方向定 向在0°和90°，方向0°對(duì)應(yīng)于所選擇的參考方向；
[0022] _第二層，其包括由單向的碳纖維制成的增強(qiáng)元件，這些增強(qiáng)元件的纖維的主方向 定向在0° ;
[0023] _第三層，其包括由單向的碳纖維制成的增強(qiáng)元件，這些增強(qiáng)元件的纖維的主方向 相對(duì)于所述參考方向定向在〇°或者90°。
[0024] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，疊堆在第一層和第二層之間還包括夾層，所述夾層包括由玻 璃纖維布制成的增強(qiáng)元件，其纖維的主方向相對(duì)于所述參考方向定向在0°和90°，或者 定向在+45°和-45°。
[0025] 根據(jù)這些實(shí)施例，疊堆可以包括至少兩個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆。
[0026] 疊堆還可以包括第三個(gè)基礎(chǔ)疊堆，其被包括在兩個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆之間，該第三個(gè) 基礎(chǔ)疊堆包括至少四個(gè)包括由玻璃纖維布制成的增強(qiáng)元件的層，其纖維的主方向相對(duì)于所 述參考方向定向在〇°和90°。
[0027] 本實(shí)用新型還涉及用于機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件，該結(jié)構(gòu)部件通過基于符合本實(shí)用新 型的疊堆的模制方法來制成。
[0028] 結(jié)構(gòu)部件可以包括基于被切斷的增強(qiáng)元件來制成的肋部，以提供慣性并使所述層 穩(wěn)定。
[0029] 根據(jù)本實(shí)用新型，模制方法可以從下列方法中選擇：
[0030]-壓縮模制；
[0031]-壓縮模制然后包覆注射（sur-injection);
[0032]-帶有包覆注射的壓縮模制；
[0033]-注射模制；
[0034]-RTM(樹脂轉(zhuǎn)移成型）方法模制；
[0035]-擠壓模制。
[0036] 最后，根據(jù)本實(shí)用新型，結(jié)構(gòu)部件可以是：
[0037]-車輛的前、中、后柱；
[0038]-前、后、側(cè)防撞梁；
[0039] -車頂架（arceaudepavilion);
[0040]-車頂橫梁或門窗洞橫梁（traversedepavilionoudebaie);
[0041]-門增強(qiáng)件；
[0042] -地板；
[0043]-發(fā)動(dòng)機(jī)擋板（tablier)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 通過閱讀示例性地而絕非限制性地給出的附圖1將會(huì)更好地理解本實(shí)用新型，該 圖示出了符合本實(shí)用新型的一個(gè)疊堆示例。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 現(xiàn)在參考圖1。符合本實(shí)用新型的疊堆1構(gòu)成多層復(fù)合材料。該用于模制塑料部 件的疊堆1包括一組層，其中每個(gè)層2都包括一種塑料材料MP和至少一個(gè)增強(qiáng)元件ER。
[0046] 在層2中的增強(qiáng)元件ER具有一個(gè)主延伸方向DP。
[0047] -個(gè)層的增強(qiáng)元件ER具有至少一個(gè)與至少一個(gè)其它層的增強(qiáng)元件不同的主延伸 方向。該不同的主延伸方向不是任意的，而是被選擇為使得在疊堆的尺度上該疊堆具有至 少一個(gè)有意的各向異性方向。
[0048]根據(jù)由疊堆1模制的部件上所預(yù)計(jì)的應(yīng)力的方向特別地來選擇該不同的主延伸 方向。
[0049] 疊堆1在疊堆的尺度上具有各向異性，當(dāng)從上方透視（partransparence)地觀察 時(shí)，存在至少一個(gè)方向，在該方向上增強(qiáng)元件的數(shù)量大于在其他方向上的增強(qiáng)元件的數(shù)量。
[0050] 事實(shí)上，從具有性質(zhì)相同但方向不同、但是得以覆蓋所有可能方向的增強(qiáng)元件的 一組層，可以得到幾乎各向同性的疊堆--如果無論方向如何，增強(qiáng)元件的數(shù)量都大致是 一樣的話。例如該情況可以是180層的疊堆，其中主延伸方向DP相對(duì)于一個(gè)參考方向從 r變化至180°。
[0051] 根據(jù)本實(shí)用新型，該各向異性是有意而為的，即增強(qiáng)元件的取向被選擇為使得在 疊堆1的尺度上，該疊堆具有至少一個(gè)故意選擇的特殊各向異性方向。
[0052] 優(yōu)選地，疊堆包括多個(gè)有意的各向異性方向。在兩個(gè)有意的各向異性方向之間形 成的角度優(yōu)選地大于25°。
[0053] -個(gè)層中的增強(qiáng)元件ER可以是相同性質(zhì)的（即同一類型：碳或玻璃纖維或鋼 等），不同層中的增強(qiáng)元件ER也可以是相同性質(zhì)的，但是有利地，例如在以下所述的示例中 所示出地，增強(qiáng)元件可以是不同性質(zhì)的。
[0054] 根據(jù)圖1的示例，疊堆1被構(gòu)成為是各向異性的（根據(jù)該示例為正交各向異性）。 形成正交各向異性以優(yōu)化基于疊堆1模制的部件的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)有利于該部件重量的減 輕。正交各向異性是指相對(duì)于主方向在通常正交的不同方向上具有不同的特性。
[0055] 因此，符合本實(shí)用新型的疊堆1的至少兩個(gè)層2A、2B包括性質(zhì)不同的增強(qiáng)元件ER， 并且這些增強(qiáng)元件ER具有不同的主延伸方向DP。因此，根據(jù)在第一層2A的增強(qiáng)元件ER的 主延伸方向DPA上還是在第二層2B的增強(qiáng)元件ER的主延伸方向DPB上的不同，疊堆1的 性能、特別是其機(jī)械特性是不同的。
[0056] 通常，用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部件的塑料層的疊堆被設(shè)計(jì)為限制各向異性，因此有利于各 向同性。這使得在完整疊堆的尺度上和/或部件的尺度上接近鋼和鋁在所有方向上具有相 同特性的均勻性能。
[0057] 從結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)角度來看，該對(duì)各向同性的疊堆的追求是令人安心的。然而，在 這樣處理時(shí)沒有利用到車輛的每個(gè)結(jié)構(gòu)部件在某些方向上受到的力比在其他方向上受到 的力更大的事實(shí)。
[0058] 對(duì)于增強(qiáng)元件利用特別的方向能夠限制增強(qiáng)元件的數(shù)量和疊堆的總厚度，并因此 能夠限制基于符合本實(shí)用新型的疊堆模制的結(jié)構(gòu)部件的重量。
[0059] 疊堆的一個(gè)層2包括塑料MP和至少一個(gè)增強(qiáng)元件ER。增強(qiáng)元件在每個(gè)層2中所 占比例是不同的，可以超過層2的重量的50%，優(yōu)選地包括在層2的重量的50%至85%之 間。
[0060] 塑料MP可以為熱固性材料或熱塑性材料。該塑料MP也稱為基質(zhì)，并可以被選擇 為下列材料中的一種或者是它們的組合：?466、？46、？(^^1\?81\?￡1\?_、乙烯基脂、聚酯 纖維和環(huán)氧樹脂。
[0061]優(yōu)選地，具有主延伸方向DP的增強(qiáng)元件ER為碳纖維C和/或玻璃纖維V和/或 金屬纖維和/或植物纖維和/或有機(jī)纖維和/或礦物纖維。
[0062] 因此，符合本實(shí)用新型的疊堆1包括至少一個(gè)帶有玻璃纖維V的層，和至少一個(gè)帶 有碳纖維C的層。
[0063]優(yōu)選地，至少一個(gè)非外圍層包括由碳纖維C制成的增強(qiáng)元件，和/或至少一個(gè)外圍 層包括由玻璃纖維V制成的增強(qiáng)元件。
[0064] 玻璃纖維V和碳纖維C可以是不同形式的，例如單向（UD)的、雙軸或NCF的、或均 衡布（tissu6quilibr6)、或非均衡布。優(yōu)選地，使用單向碳纖維和玻璃纖維的均衡布。 [0065]所述層還可以包括由鋼、鋁或鎂制成的增強(qiáng)件。
[0066] "布（tissu) "指的是由至少兩組纖維通過織造（即交織）組裝而構(gòu)成的增強(qiáng)元件， 同一組的纖維大致相互平行，而兩個(gè)不同組的纖維則在它們的主方向之間具有至少25° 的角度差，優(yōu)選地大致垂直。當(dāng)兩組中每一組的纖維的數(shù)量大致相同時(shí)，該布被稱為"均衡 布"。
[0067] "NCF"（英文為"Non-CrimpFabric"）指的是由至少兩組纖維構(gòu)成的增強(qiáng)元件，其 中同一組的纖維大致相互平行，而兩個(gè)不同組的纖維沒有織造（即沒有交織）地并置。存 在縫合的NCF，即具有穿過增強(qiáng)件厚度的線，以連接纖維組。
[0068] "雙軸"指的是由被布置在兩個(gè)主方向上的纖維組構(gòu)成的NCF。
[0069] "單向"指的是由唯一一個(gè)纖維組構(gòu)成的增強(qiáng)元件，其中纖維大致相互平行。
[0070] 根據(jù)第一實(shí)施例，在疊堆1的厚度中，疊堆1包括至少一個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆（EES)。 "對(duì)稱疊堆"指的是這樣的疊堆：該疊堆在從該疊堆的厚度中間剖切該疊堆的平面的兩側(cè)包 括性質(zhì)和方向相同的層，從所述中間平面起到外圍，這些層以相同的順序被布置。由此，所 述中間平面構(gòu)成增強(qiáng)元件性質(zhì)和方向的對(duì)稱平面。
[0071] 該對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆（EES)從外圍層起到中心層包括：
[0072] 第一層，其包括由玻璃纖維布制成的增強(qiáng)元件ER，這些增強(qiáng)元件的纖維的主延伸 方向定向在0°和90°，方向0°對(duì)應(yīng)于參考方向DR，而方向90°則對(duì)應(yīng)于與參考方向DR 垂直的方向，優(yōu)選地，參考方向DR為最終部件在其上具有最大尺寸的方向；
[0073] 第二層，其包括由單向的碳纖維制成的增強(qiáng)元件，這些增強(qiáng)元件的纖維的主方向 定向在0° ;
[0074] 第三層，其包括由單向的碳纖維制成的增強(qiáng)元件，這些增強(qiáng)元件的纖維的主方向 定向在0°或者90°。
[0075] 因此，在該實(shí)施例中，完整的對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆（EES)由五個(gè)層構(gòu)成：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于模制塑料部件的疊堆（1)，該疊堆包括一組層，每個(gè)所述層（2)都包括一種 塑料材料（MP)和至少一個(gè)增強(qiáng)元件（ER)，所述增強(qiáng)元件具有至少一個(gè)主延伸方向（DP)，所 述疊堆的特征在于，一個(gè)所述層的增強(qiáng)元件（ER)具有至少一個(gè)與至少一個(gè)其它所述層的 增強(qiáng)元件不同的主延伸方向，所述不同的主延伸方向被選擇為使得在所述疊堆（1)的尺度 上限定有意的各向異性方向。
2. 如權(quán)利要求1所述的疊堆（1)，其特征在于，所述疊堆（1)包括多個(gè)有意的各向異性 方向，所述多個(gè)有意的各向異性方向彼此之間形成大于25°的角。
3. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的疊堆（1)，其特征在于，至少一個(gè)非外圍層包括由 碳纖維（C)制成的增強(qiáng)元件。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的疊堆（1)，其特征在于，至少一個(gè)外圍層包括由玻璃纖維 (V)制成的增強(qiáng)元件。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的疊堆（1)，其特征在于，至少一個(gè)層（2)的增強(qiáng)元件（ER) 與所述層（2)在質(zhì)量上的比例超過50%。
6. 如權(quán)利要求1所述的疊堆（1)，其特征在于，所述疊堆在所述疊堆（1)的厚度中包括 至少一個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆（EES)。
7. 如權(quán)利要求6所述的疊堆（1)，其特征在于，所述疊堆包括單個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆（EES)， 在所述單個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆中，外圍層包括由玻璃纖維（V)制成的增強(qiáng)元件，而中心層則包 括由碳纖維（C)制成的增強(qiáng)元件。
8. 如權(quán)利要求6所述的疊堆（1)，其特征在于，從外圍層開始直到所述中心層，所述疊 堆包括： 第一層，其包括由玻璃纖維布制成的增強(qiáng)元件，所述增強(qiáng)元件的玻璃纖維的主方向定 向在0°和90°，所述方向0°對(duì)應(yīng)于所選擇的參考方向（DR); 第二層，其包括由單向的碳纖維制成的增強(qiáng)元件，所述增強(qiáng)元件的碳纖維的主方向定 向在〇° ; 第三層，其包括由單向的碳纖維制成的增強(qiáng)元件，所述增強(qiáng)元件的碳纖維的主方向相 對(duì)于所述參考方向（DR)定向在0°或者90°。
9. 如權(quán)利要求8所述的疊堆（1)，其特征在于，所述疊堆在所述第一層和所述第二層之 間還包括夾層，所述夾層包括由玻璃纖維布制成的增強(qiáng)元件，所述增強(qiáng)元件的玻璃纖維的 主方向相對(duì)于所述參考方向（DR)定向在0°和90°，或者定向在+45°和-45°。
10. 如權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的疊堆，其特征在于，所述疊堆包括至少兩個(gè)對(duì)稱 基礎(chǔ)疊堆（EES1、EES2)。
11. 如權(quán)利要求10所述的疊堆，其特征在于，所述疊堆包括第三個(gè)基礎(chǔ)疊堆（EE)，所述 第三個(gè)基礎(chǔ)疊堆被包括在所述兩個(gè)對(duì)稱基礎(chǔ)疊堆（EESUEES2)之間，所述第三個(gè)基礎(chǔ)疊堆 (EE)包括至少四個(gè)包括由玻璃纖維布制成的增強(qiáng)元件的層，所述增強(qiáng)元件的玻璃纖維的主 方向相對(duì)于所述參考方向（DR)定向在0°和90°。
12. -種用于機(jī)動(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件通過基于如上述權(quán)利要 求中任一項(xiàng)所述的疊堆（1)的模制方法來制成。
13. 如權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件包括基于切斷的增強(qiáng)元 件來制成的肋部，以提供慣性并使所述層（2)穩(wěn)定。
14. 如權(quán)利要求12和13中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述模制方法從下列 方法中選擇： 壓縮模制； 壓縮模制然后包覆注射； 帶有包覆注射的壓縮模制； 注射模制； 樹脂轉(zhuǎn)移成型方法模制；以及 擠壓模制。
15. 如權(quán)利要求12至13中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，該結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成下列 結(jié)構(gòu)部件中的一個(gè)： 車輛的如、中、后柱； 前、后、側(cè)防撞梁； 車頂架； 車頂橫梁或門窗洞橫梁； 門增強(qiáng)件； 地板；以及 發(fā)動(dòng)機(jī)擋板。
【文檔編號(hào)】B29C70/38GK204196272SQ201420337504
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】L·羅什布拉伍 申請(qǐng)人:全耐塑料公司