CN103085292B - 汽车混合构件的制造方法及用该方法制成的汽车混合构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车混合构件的制造方法及用该方法制成的汽车混合构件。在按照本发明的方法中，在基体（1）中使增强补片（10）形成同型结构，其中，增强补片（10）是由纤维复合材料构成的。按照本发明，只对增强补片（10）进行加热，从而在制造方法的过程中实施较少的能量供给。借此可以降低生产成本并同时提高生产质量。

Description

汽车混合构件的制造方法及用该方法制成的汽车混合构件
技术领域
本发明涉及一种用于制造汽车混合构件的方法。本发明还涉及一种用该方法制成的汽车混合构件。
背景技术
目前，汽车制造商力求制造出尽可能节省燃油的汽车，并且它具有微少的CO2排放。为实现燃油节省存在着不同的附加措施。一方面是研发新一代的发动机，其在消耗显著较少的情况下提供保持不变的功率。这一点例如可以通过内燃机的增压方法来实现。或者，作为该措施的另选方案，越来越多使用混合动力车，它除了内燃机之外还利用电力驱动装置。
此外也存在着其他可能性，例如在汽车的流线特性改进方面，从而，相应地在行驶运行中通过更好的CW值（风阻系数）同样节省燃油。
燃油节省的另一可能性在于降低汽车本身的自重。由此只须使明显更少的质量产生运动，这便导致显著的燃油节省潜力并因此也导致较少的CO2排放。对此也存在不同的可能性，其中是一方面引进轻金属合金，另一方面是在车身构造中使用高强度的和/或极高强度的钢。
同样，越来越多地将纤维复合构件或者也将混合构件（它包括金属成分和纤维复合成分）引进车身构造中。这样，例如将发动机罩、车门、行李室盖、挡泥板或者还有顶面元件或其他车身部件或甚至是车身结构部件制成为轻型构件。并且，由于不断开发出一些加工制造方法用于纤维复合构件的自动化制造，其制造变得更为经济，因而这些构件不仅备用于样车制造、超级运动车或也备用于汽车的高档产品。所以，目前也将用于纤维复合构件自动化制造的可能方案经济地应用到汽车的中档产品上。
例如由DE102008039869A1已知一种方法，用以制造轻型构件或者说用以制造纤维增强的结构构件，其中，将一个待增强的基本结构元件和一个增强元件相互联接。在此，首先是制备增强元件，并对基本结构元件进行加热。接着将两构件相互拼合、挤压和干燥。
但从生产工艺技术的观点来看，由于对基本结构元件进行加热之故，实施该制造方法要产生相当高的能量成本。
发明内容
因此本发明的目的是，改进由现有技术已知的用于制造汽车混合构件的方法，使其可以更加有效地（特别是在成本方面）实施。
按照本发明的用于制造汽车混合构件的方法，该汽车混合构件具有金属的基体和由纤维复合材料构成的增强垫（或者说增强补片），其特征在于包括以下方法步骤：
-将基体制成三维成型的汽车构件；
-提供至少一层纤维材料，优选提供两层、特别是三层或更多层纤维材料，将它们相互叠置地堆叠，其中，用树脂预浸渍各层和/或给各层加进树脂；
-将纤维材料裁剪成预成形件；
-将裁剪坯件置于预成形模上并且加热裁剪坯件，其中，为了加热裁剪坯件而加热预成形模，或者通过单独的热源加热裁剪坯件；
-在处于预成形模上的裁剪坯件上方定位基体；
-通过基体和/或预成形模的压紧而将裁剪坯件一体成形到基体上；
-使裁剪坯件硬化。
原则上首先是由金属板坯制造出一基体。例如可以由钢材制造基体，特别是通过热成形加工法和加压淬火法。但也可以由轻金属材料制造所述基体。对于所述基体，特别是涉及汽车结构构件，特别优选地涉及汽车支柱并且特别是涉及汽车的B柱。但在本发明的范围内也可以涉及顶盖横梁或其他的汽车构件，例如纵梁、横梁、底板、变速箱通道或者也可以涉及汽车盖件例如发动机罩、车门等等。
金属基体首先在按照本发明的用于混合构件的制造方法开始时具有其最终几何形状，也就是说，通过实际混合构件的制造方法并不使金属基体变形或者仅仅使其不显著地继续变形。
此外提供至少一层纤维材料，优选为两个相互叠置地堆叠的层，特别是三个或更多个相互叠置地堆叠的纤维材料层，在此，各层本身是用树脂预浸渍的和/或给各层加进树脂。随此之后，将如此提供的这个或这些纤维材料层裁剪成裁剪坯件。对于裁剪坯件本身，是涉及一种预成形件，在后继的方法步骤中将其置于预成形模上并在该预成形模上进行加热。
在此，裁剪坯件本身基本上符合于增强补片的外部几何尺寸。在预成形模上，裁剪坯件例如通过加热作用便已得到一种轻微的拱曲形，亦即一种三维的预成形形状。接着，在处于预成形模上的裁剪坯件上方定位基体。所说定位，在本发明的范围内应该被理解为套叠（）或者铺设或也为平放安置。对于汽车支柱的情况，其横截面优选具有一种帽形的构型，其中，该帽子形状被叠盖于处在预成形模上的裁剪坯件上方，从而裁剪坯件贴靠在所述帽子形状的内侧上。
在又一按照本发明的方法步骤中，将裁剪坯件一体成形到基体上。这一点通过对基体和/或预成形模的压紧来实现。此时基体用作上部压紧模具，而预成形模用作下部压紧模具。使基体的内侧和裁剪坯件本身（只要尚未在套叠过程实现）通过压紧而相互接触，并将裁剪坯件匹配、成形到基体的表面拓扑形状上或者说往其上形成同型结构。紧接其后使裁剪坯件硬化，并因此了构成玻璃纤维材料的增强补片。
在本发明的范围内，决定性地通过在压紧时排出的、特别是来自裁剪坯件本身的多余树脂实现在裁剪坯件与基体内侧之间的材料接合式联接。树脂在基体与裁剪坯件之间造成一种胶接。但在本发明的范围内也可设想：在基体中和/或在裁剪坯件上涂覆附加的胶粘剂，以便造成胶接或者说进一步提高其强度。同样在本发明的范围内可以设想：用一种底剂对基体进行化学预处理。
在本发明的范围内，为了加热裁剪坯件而加热预成形模本身或者通过单独的热源加热裁剪坯件。正是因为这样，在此得到了本发明的一个重要优点，即不必加热整个基体，加热整个基体需要将非常多的能量供给到整个构件中，而通过相应的加热装置只加热预成形模本身或加热放置在预成形模上的裁剪坯件。
对于加热装置或热源，在本发明的范围内特别涉及例如热辐射器、特别是红外线辐射器或涉及加热板。在加热板的情况下，实现一种在加热板与裁剪坯件之间的接触，从而相应地构成了热传递。因此，通过仅仅对唯独裁剪坯件本身的一些区域的有针对性的加热，与由现有技术已知的方法相比，可以明显更为经济地实施按照本发明的用于制造汽车混合构件的方法，因为在实施该方法的过程中只进行较少的能量供给，以及，由于较小规格的加热工具之故，而明显更少地付出用于建造生产线的设备购置费用。
在本发明的范围内，还特别优选将裁剪坯件加热到在40℃与130℃之间、优选在50℃与120℃之间、特别是在70℃与90℃之间的加热温度。在这方面，在通用的由现有技术已知的纤维材料例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或者还有金属纤维与树脂相结合时达到一种最佳状态，用于实施压紧过程和紧接其后的硬化过程。
在本发明的范围内，还可设想：将预成形模本身加热到在150℃与180℃之间、优选在160℃与170℃之间的温度。由此确保在预成形模上安置的裁剪坯件在该裁剪坯件本身内部达到上述的温度。
此外优选的是，将预浸料坯（Prepreg）材料相互叠置地堆叠，接着由其制得裁剪坯件。预浸料坯特别是提供了这样的优点，即取消树脂涂覆本身。再次通过加热可实现对于已包含在预浸料坯中的树脂的激活。
在本发明的范围内，还可设想：将裁剪坯件在预成形模本身上加热以后保持在加热温度上或者重新加热裁剪坯件。借此以有利的方式实现了：确保将相应的热量供给加入已由裁剪坯件和基体构成的混合构件中，从而，在紧接着的进一步加工处理中，在构件本身中保持有余热。通过重新的或多次的加热，可以实现树脂在裁剪坯件中逐步成形或逐步激活和/或硬化。
在本发明的范围内，还有可能的是，在基体压紧到裁剪坯件上以后重新加热由此制成的混合构件或者将裁剪坯件一体成形所在的区域保持于一保持温度。相应地在这里类似可得到上述优点。
此外，在本发明的范围内，将混合构件转移到一单独的压制模具中并且补充挤压裁剪坯件和基体。对此，在裁剪坯件一体成形到基体上之后短时间内就可以实现向压制模具中的转移，其中，在成形之后的过渡时段实现处于裁剪坯件中的树脂的部分硬化。
在本发明的范围内，在压制模具中在120℃与200℃之间、优选在150℃与170℃之间的温度下挤压混合构件。通过在上述温度范围内的挤压，在进入基体中的裁剪坯件的可成形性与接着的硬化过程之间建立一种最佳状态。在挤压过程中还确保挤出在裁剪坯件与基体之间可能存在的气包，从而确保在裁剪坯件与基体之间实现均匀的连结或胶粘层。
此外优选的是，在少于10分钟、特别是少于6分钟以及特别优选少于5分钟的一段保持时间上、但至少在一秒钟时段上保持压制模具关闭，以便在生产上可靠地挤压裁剪坯件与基体。因此，按照各个纤维层和/或在裁剪坯件与基体之间可选涂覆的胶粘剂的硬化阶段，有可能实现特别短的周期时间（生产节拍）。例如，在压紧于预成形模上之后，裁剪坯件可以采取增强补片的最终轮廓，此时处在增强补片与基体之间的胶粘剂尚未硬化。通过挤压过程，然后紧接着便构成了一个均匀的胶粘层，并且通过热作用相应地将其硬化。
在本发明的范围内，还可设想：将整个混合构件在制造过程中加热到最高达180℃的温度。
在本发明的另一有利的实施方案变型中，在往压制模具中置入时，在裁剪坯件与压制模具本身之间放置一隔离薄膜和/或一密封薄膜。通过该隔离薄膜，首先防止：剩余排出的胶粘剂和/或剩余排出的树脂导致压制模具和混合构件和/或增强补片粘连。对于该隔离薄膜，可以涉及一次性薄膜或更换型薄膜或者也可涉及这样一种薄膜，它接着将保留在构件上，从而在从增强补片到基体的过渡区域内确保一种附加的防腐蚀效果。在本发明的范围内，还可选择加入一种密封薄膜，它不同于隔离薄膜，而主要是实现密封功能。对于所述密封功能，在本发明的范围内同时涉及到保持开放特定区域的可能性，在此不发生排出的树脂和/或胶粘剂导致待密封区域表面污染即可。在本发明的范围内，例如可以设想：在这些区域形状锁合和/或材料接合地联接其他的构件。例如，可以涉及这样一些区域，在其中建立焊接和/或在其中实现形状锁合的安装，例如车门限制带的形式。
特别是，在制造汽车支柱的情况下，在本发明的范围内也可设想：基体并不在处于预成形模上的裁剪坯件上方套叠，而是使处在预成形模上的、被加热的裁剪坯件往基体本身中形成同型结构（即，使裁剪坯件往基体中成型）。在这种情况下，基体承担下部模具的功能，而预成形模承担上部模具的功能。先前的或后续的各步骤则类似地实施。
此外，本发明的构件是一种汽车混合构件，其包括金属的基体和由纤维复合材料构成的增强补片，其特征在于，该汽车混合构件是按照如上所述的至少一个特征的方法制造的。相对由现有技术已知的混合构件，该汽车混合构件能更加经济地制造，并且与用传统方法制成的汽车混合构件相比，具有更高的精度和与此结合的更好的加固性能或碰撞特性。
上述各项特征可以任意相互组合，随之带来相应的优点，而在这种情况下并不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明的其他的优点、特征、特性和方面是以下描述的组成部分。各示意图示出优选的实施方案。它们有助于本发明的简单的理解。
其中：
图1一基体和一在成形之前的裁剪坯件；
图2一基体包括成形的裁剪坯件和
图3按照本发明的制造方法的一示意的流程。
具体实施方式
各图中对于相同的或类似的构件采用了相同的附图标记，即使重复描述出于简洁性考虑而予以省去。
图1示出了以横截面表示的基体1，连同处在下面的裁剪坯件2。裁剪坯件2放置在一预成形模3上。在这里，用宽度4示例性表示的裁剪坯件2外部几何尺寸同时符合于待制造的增强补片10的几何尺寸。基体1的横截面具有一种基本上呈帽形的几何形状，它由一底部腹板5连同在其上加接的翼缘6和在翼缘6上又接续的法兰7构成。在此，预成形模3以成形面8基本上符合于基体1的内侧9。如果将裁剪坯件2（如在这里所示的那样）放置在预成形模3上，则通过基体1的继续下降而相应地将裁剪坯件2一体成形于基体1中或者说往基体1中形成同型结构。
在图2中，裁剪坯件已经在基体1中形成同型结构，从而它基本上符合于制成的增强补片10。
图3中示出了按照本发明的制造方法的示意性流程。首先，在位置a的区域内提供存储堆放纤维层或者已经从纤维层中切出的裁剪坯件2。将其通过一个在标记b的区域内的机械手转送到一加热装置11。对此例如可以涉及热辐射器12或者也可涉及加热板13，将裁剪坯件2放置在其上。紧接其后，在标记d的区域内通过另一机械手将加热的裁剪坯件2放置在预成形模3上。
但在本发明的范围内也有可能的是，直接在预成形模3上加热裁剪坯件2和/或加热预成形模3本身。接着在预成形模3的上方定位和使基体1下降，使得裁剪坯件2往基体1中形成同型结构。在紧接其后的机械手操作中，在标记e的区域内将这样由裁剪坯件2和基体1预制的混合构件通过另一机械手转移到一压力机14中，将其在压力机14中相应地进行挤压。在该制造方法的过程中或在挤压过程以后，裁剪坯件2便已得到硬化并因此构成了在基体1上或内设置的增强补片10。
在本发明的范围内同样有可能的是，按照图3e可旋转地构造预成形模3。因此可将预成形模3绕其自己的轴加以分离，以便例如也能压入一个在这里示出的作为基体1的B柱中。在本发明的范围内还有可能的是，在预成形模3本身中设置主动工作的（常备）元件。例如，对此可以涉及压出器，它在压开时从预成形模3的表面松脱被压紧的纤维裁剪坯件，然后通过机械手就可以取出基体1连同被压紧上去的纤维裁剪坯件，并且可以将其转移到压力机14中。但在本发明的范围内，所述主动工作的元件也可以涉及可激活移出的隔件（Spalten），其在基体1套装到预成形模3上面之后与安置上的裁剪坯件2一起能够压靠于基体1的内表面中或者说往基体1的内表面中形成同型结构或也成条带贴附于基体1的内表面中。
附图标记清单
1基体8成形面
2裁剪坯件9内侧
3预成形模10增强补片
4宽度11加热装置
5底部腹板12热辐射器
6翼缘13加热板
7法兰14压力机

Claims (24)

1.用于制造汽车混合构件的方法，该汽车混合构件具有金属的基体(1)和由纤维复合材料构成的增强补片(10)，其特征在于包括以下方法步骤：
-将基体(1)制成三维成型的汽车结构构件；
-提供至少一层纤维材料；
-将纤维材料裁剪成预成形件；
-将裁剪坯件(2)置于预成形模(3)上并加热该裁剪坯件(2)，其中，为了加热裁剪坯件(2)而加热预成形模(3)或者通过单独的热源对裁剪坯件(2)进行加热，裁剪坯件(2)通过加热作用得到一种三维的预成形形状；
-在处于预成形模(3)上的裁剪坯件(2)上方定位基体(1)；
-通过基体(1)和/或预成形模(3)的压紧而将裁剪坯件(2)一体成形到基体(1)上；
-使裁剪坯件(2)硬化。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所提供的至少一层纤维材料为两层或三层或更多层纤维材料，将它们相互叠置地堆叠，其中，用树脂预浸渍各层和/或给各层加进树脂。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用热辐射器(12)或者使用加热板(13)作为单独的热源，其中，将加热板(13)安置到裁剪坯件(2)上或将裁剪坯件(2)放置到加热板(13)上。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热辐射器(12)为红外线辐射器。
5.按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，将裁剪坯件(2)加热到在40℃与130℃之间的加热温度。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，将裁剪坯件(2)加热到50℃至120℃的加热温度。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，将裁剪坯件(2)加热到70℃至90℃的加热温度。
8.按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，将预成形模(3)加热到在150℃与180℃之间的温度。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，将预成形模(3)加热到在160℃与170℃之间的温度。
10.按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，使用堆叠的预浸料坯料幅作为裁剪坯件(2)。
11.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，将裁剪坯件(2)在预成形模(3)上加热以后保持在加热温度上或者对裁剪坯件(2)重新加热。
12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，将裁剪坯件(2)在预成形模(3)上加热以后保持在加热温度上或者对裁剪坯件(2)重新加热。
13.按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，在基体(1)压紧到裁剪坯件(2)上以后重新加热由此制成的混合构件或者将裁剪坯件(2)一体成形所在的区域保持于一保持温度。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，将混合构件转到单独的压制模具中并且挤压裁剪坯件(2)和基体(1)。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在120℃与200℃之间的温度下挤压混合构件。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，在150℃与170℃之间的温度下挤压混合构件。
17.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在少于10分钟的一段保持时间上、但至少在一秒钟时段上保持压制模具关闭。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述保持时间少于6分钟。
19.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述保持时间少于5分钟。
20.按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，混合构件在制造过程中被加热到最高达180℃的温度。
21.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在往压制模具中置入时，在裁剪坯件(2)与压制模具之间放置一隔离薄膜和/或一密封薄膜。
22.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在压制模具中执行一种随时间可变的温度曲线过程。
23.按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，裁剪坯件(2)往基体(1)中形成同型结构。
24.汽车混合构件，其具有金属的基体(1)和由纤维复合材料构成的增强补片(10)，其特征在于，汽车混合构件是按照如权利要求1至23之一项所述的方法制造的。
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