CN105517791A - 由在金属层之间带有泡沫芯的夹层结构成形的三维结构构件 - Google Patents

由在金属层之间带有泡沫芯的夹层结构成形的三维结构构件 Download PDF

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Abstract

一种三维成形的结构构件(100)，其包括：第一覆盖层(102)，由金属材料制成；第二覆盖层(104)，由至少部分金属材料制成；核心层(106)，由泡沫材料制成，并被设置在第一覆盖层(102)和第二覆盖层之间(104)。

Description

由在金属层之间带有泡沫芯的夹层结构成形的三维结构构件
技术领域
本发明涉及一种三维成形的结构构件。此外，本发明涉及一种用于生产三维成形的结构构件的设备。
此外，本发明涉及一种生产三维成形的结构构件的方法。
背景技术
汽车结构使用钢，例如用于车身和其它三维成形的结构构件，因为它具有优良的机械性能。然而，钢相对较重。可用于替代钢的替代品为铝，铝更轻便，但更贵。已进一步提出使用合成材料例如金属-塑料-金属夹层结构。然而，这种传统的夹层结构也相对较重。
DE10257396公开了包括0.05-2mm的金属、具有60-350MPa在-20到80℃和/或至少1.7MPa在160到220℃的DINENISO6721储能模量的0.1-2mm聚亚安酯聚合产品以及0.05-2mm的金属的合成元件。DE10257396进一步公开了通过在压力机中形成这些层用于汽车、重型货车或飞机的本体部件的生产。
DE10340541公开了具有下列分层结构的合成组件：(i)0.05mm-2mm之间的金属；(ii)0.1mm-2mm之间的聚亚安酯聚合产品，其呈现在一个支撑体中；(iii)0.05mm-2mm之间的金属。
然而，提供一种强韧、重量轻和以期望形状自由成形的三维成形的结构构件仍是困难的。本发明的目标是提供一种强韧、重量轻和以期望形状自由成形的三维成形的结构构件。
发明内容
为了实现上述目标，提供一种三维成形的结构构件、用于生产三维成形的结构构件的设备和根据独立权利要求生产三维成形的结构构件的方法。
根据本发明的示例性实施例，提供一种三维成形的(特别是三维曲面，即，非平面)的结构构件，其包括由金属材料(可由一种或多种金属制成)制成的第一覆盖层、由金属材料(可由一种或多种金属制成)制成第二覆盖层和部分地或者全部地由泡沫材料(特别是固态泡沫材料)制成并被设置在第一覆盖层和第二覆盖层之间的核心层。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供一种用于生产三维成形的(成型的)结构构件的设备，其中，所述设备包括：第一层供应单元，其被配置为用于供应由金属材料制成的第一覆盖层；第二层供应单元，其被配置为用于供应由金属材料制成的第二覆盖层；泡沫供应单元，其被配置为在第一覆盖层和第二覆盖层之间供应材料(如泡沫材料或者泡沫前体材料(foamprecursormaterial))，其形成核心层，核心层由部分地或者全部地泡沫材料制成并且在第一覆盖层和第二覆盖层之间被连接(直接的，即物理连接，或间接的，即通过至少一个中间结构，如粘合层)以形成粘着的(例如完整的)层序列而配置；成形单元(特别是成型单元或塑性变形单元)，其被配置为用于三维成形(特别是成型或塑性变形)结果(特别是平面的)层序列(即通过将核心层在覆盖层中间插入并且直接或间接的将核心层和覆盖层连接而获得层序列)，从而成形结构构件(相对于平面层序列被转化或被重塑)而配置。
根据本发明的又一个示例性实施例，提供一种生产三维成形的结构构件的方法，其中，所述方法包括提供由金属材料制成的第一覆盖层、提供由金属材料制成的第二覆盖层、在第一覆盖层和第二覆盖层之间设置部分地或者全部地由泡沫材料制成的核心层从而形成粘着的(或连续的)层序列和三维成形结果(特别是先前平面的)层序列(其中所有层可以彼此平行设置)，从而成形结构构件。
在本申请的上下文中，术语“三维成形的结构构件”(相对于平面结构)可以特别表示在所有三维空间维度上被弯曲和/或在所有三维空间维度上具有结构特征的构件，从而形成实质上非平面空间的几何结构。这些结构构件被实现为由多种结合层或板组成的夹层组件。在这种三维成形的结构构件中，至少三层或板中的至少一部分可能具有共同的曲率，即，这些板仍可分段地彼此平行地延伸。更特别的是，这种三维成形的结构构件可沿其整个延伸具有恒定厚度，其中技术上不可避免的偏差当然是可能的。
在此申请的上下文中，术语“覆盖层”可以特别的表示覆盖核心层以遮蔽相对于环境遮蔽后者的层或板，但不必形成表面层。
在此申请的上下文中，术语“覆盖层”可以特别的表示在形成三维成型结构的结构构件的层序列中具有中心位置的嵌入层。因此，核心层将不是表面层(除了在层堆处核心层可延伸至表面的该层堆的侧边)但是将总是在其主表面上均被覆盖层的各自的一个覆盖。本领域技术人员将理解其在核心层和覆盖层之间存在一层或者多层附加层的一个实施例中不被排除。
然而，在其它实施例中，核心层可直接地接触覆盖层而在其间没有任何附加层。
在此申请的上下文中，术语“刚性”可以特别地表示各自的金属层可能是全固体，其能够承受机械力或负荷而不损失其结构形状。这种刚性可以通过成形由刚性材料的金属制成的覆盖层来实现。
在此申请的上下文中，术语“泡沫”可以特别地表示通过捕获在固体基质中的气囊而成形的物质。因此，泡沫层可能是固态的层，然而其中具有气体包含物。泡沫层从固定泡沫优先形成的该固定泡沫分割到闭孔泡沫与开孔泡沫中。在闭孔泡沫中，气体形成离散囊，每个离散囊被固体材料完全包围。在开孔泡沫中，气体囊彼此相连。泡沫层实现了三维成形的结构构件的重量轻的特性，同时还可关于机械稳定性做出贡献。固体泡沫可具有气体包含物，其可占整个核心层体积总量的至少30％，特别地至少70％，更特别地至少85％。
根据示例性实施例，夹层堆被设置为由两个机械性稳健的金属覆盖层和它们中间的重量轻的固体泡沫材料(如塑料硬泡沫)成形。这种夹层序列机械性稳定且重量轻，并且制造成本低廉。此外，至关重要的是，夹层序列已证明是通过塑性变形适当的重成形或重成型，甚至不需要加热，这归功于金属覆盖层的材料特性。因此，使这种平面夹层序列重成形为任何期望的空间构造的结构构件几乎不存在任何限制。三维成形的结构构件、用于生产三维成形的结构构件的设备和生产三维成形的结构构件的方法的进一步的示例性实施例将在下文中解释。
在实施例中，尤其有利的是当结构构件形成为在至少180℃的温度下耐热。这种材料选择允许结构构件抵挡特别是涂漆过程，其在现代应用中，经常在大约180℃的温度下被执行。此外，结构构件抵抗180℃温度的能力在当结构构件被配置成为机电组件时也是非常有利的，因为现代机电组件在越来越高的功率级下运行，在此功率级下可能消散大量的热量。而且，这种机电组件可被放置得靠近也产生热量的其它电子组件旁。因此，选择达到至少180℃耐热的结构构件的材料是有利的。
在实施例中，一个或者两个金属覆盖层由合金制成，特别是足够软的合金。例如，可使用适合冷成型的钢类型或者铝类型。被应用的金属材料不应具有明显的弹力极限或屈服强度。被应用的金属材料应该具有足够高的断裂延伸率，特别是大于20％，更特别是大于30％。
满足上述要求的钢材料为用于根据DINEN10130(DC01、DC03、DC04、DC05、DC06、DC07)的冷成型的软钢。这种钢材料可优选是镀锌的。使用通过根据DINEN10202(TS230、TS245、TS260、TS275、TS290)的冷轧制造的钢也是可能的，。适用于深拉的不锈钢也可被使用(如：1.4301)。
应用根据DINEN573(2000系列合金、5000系列合金、6000系列合金、AlMgSi0.5、AlMgSi1、Al99.5)的可锻造的铝合金也是可能的。
在实施例中，核心层仅仅由泡沫材料构成，特别是固体泡沫材料。因此，核心层仅由一种材料即泡沫构成是足够的。因此，除了覆盖层之外，不必需要载体结构(如固体块或整个主体)来运载或支撑泡沫材料。这关于重成形夹层堆的用于改变或调整其三维形状或外观的能力以及关于夹层堆的轻重量的属性具有明显优势。
在实施例中，第一金属覆盖层和第二金属覆盖层中的至少一层由铝或钢制成。钢的独特的优势在于具有高机械强度并且便宜。铝的明显的优势在于重量非常轻，使得通过选择铝整个夹层堆的重量轻的属性得到进一步提高。钢和铝都有高刚度并可被容易的重成形，这使得它们特别适合根据本发明的实施例的结构构件。
在一个实施例中，核心层由塑料泡沫制成，即，塑料材料的泡沫。本发明者的实验已表明广泛的各种各样的塑料泡沫材料适合结合在两层金属覆盖层之间。
特别地，塑料泡沫可以是聚苯乙烯泡沫。聚苯乙烯泡沫非常便宜，非常适合用于重成形并且密度低。特别地，EPS泡沫(发泡聚苯乙烯)或者发泡聚苯乙烯混合物提供了广泛地物理特性来满足核心层用于3D结构构件的要求。这些特性，与恰当的工程设计考虑结合，提供了要求创造真正的轻重量和两个覆盖层的成本有效的桥接的设计灵活性。在实施例中，聚苯乙烯泡沫可设置有一种或多种添加剂以调整期望的机械性能。发泡聚苯乙烯(EPS)是通用的、重量轻的、刚性的塑料泡沫绝缘材料，其可由聚苯乙烯固体微粒生产，其中，成品可由包括大量的空气如90％-98％体积的空气的细小的球型细胞构成。
特别地，塑料泡沫可由一种或多种热塑性聚酯构成，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫。PET具有独特的优势能够抵抗180℃和更高的高温，从而使得涂漆过程在完成三维结构构件的成形和重成形后被实施。这在成形汽车零部件方面特别有利，其中特定的结构构件的外表面涂漆是有利的。
特别地，塑料泡沫可以是聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫。PMI也高度耐热使得与3D结构构件的涂漆过程后制造兼容，如刚才描述的。
特别地，塑料泡沫可以是聚亚安酯基泡沫。聚氨酯也是高耐热性，此外还有非常好的耐化学性。在实施例中，核心层的密度范围在大约35kg/m3到750kg/m3之间，特别是在大约75kg/m3到200kg/m3之间。鉴于如下技术考虑给定的范围是特别合适的。如果密度变得太低，制造的夹层结构的质量恶化并且结构构件的稳定性受损害。然而如果密度变得太高，结构构件变得太重并且太贵。
在实施例中，结构构件包括将泡沫材料粘附到第一覆盖层和/或将泡沫材料粘附到第二覆盖层的粘附材料。相应的，制造设备可包括粘附材料供应单元，其被配置为供应泡沫材料和第一覆盖层之间的粘附材料和/或泡沫材料和第二覆盖层之间的粘附材料，从而使泡沫材料附着到第一覆盖层和/或将泡沫材料粘附到第二覆盖层。将泡沫材料粘附到至少一个覆盖层进一步加强结构构件的机械稳健性。
在实施例中，粘附材料是热熔粘合剂。热熔粘合剂或热粘合剂在热的时候发粘并且在冷却时迅速凝固的粘合剂的形式(例如热塑性的)。热熔粘合剂可通过浸渍或者喷涂的方式被应用作为连续层或诸如颗粒的粒子的形式。热熔粘合剂具有热耐久性和结构柔性的优势，这在重成形过程期间有明显的优势。
在实施例中，粘附材料包括在第一覆盖层和核心层之间的第一粘附层和/或包括在第二覆盖层和核心层之间的第二粘附层。因此，现成的粘附层可被夹在泡沫核心层和两个覆盖层之间。这样具有以下优势：可得到连续粘附性能并且这个过程还可被容易的应用在工业规模上。可选地，粘附材料可以如颗粒、粉状甚至液体形式被供应在泡沫层的材料与覆盖层的材料之间。
在实施例中，粘附材料的熔点为高于大约80℃，特别是高于大约100℃。因此，粘附材料在结构构件的操作温度下是固态的(即，在结构构件正常使用的最高温度下是固态的)，其通常低于70℃。同时，粘附材料的已适度的加热使它粘附在泡沫材料和覆盖层之间。
在实施例中，粘附材料的熔点为高于大约180℃，特别是高于大约200℃，更特别是高于大约250℃。因此，粘附材料在甚至在通常涂覆涂漆的温度下是固态的。因此，涂漆过程兼容性和合成材料的机械稳健性可被结合。
可用的热熔粘合剂的例子有聚乙烯基(PE-)、聚丙烯基(PP-)、共聚酯-、共聚多酰胺-或聚氨酯基(PU-)的材料。
在实施例中，结构构件的厚度范围在大约0.2mm到大约10mm之间，特别是范围在大约0.5mm到大约8mm之间。例如，在结构构件的全部延伸上的整个厚度可为1mm到6mm之间。如果厚度变得更小，结构构件的机械稳健性对于汽车应用等可能会不足。如果厚度变得太大，其变得太难而不能使夹层堆重成形为三维成形的结构构件，因为相连层的内拉力变得太大。给定范围已证明作为在这些技术考虑之间的适当的折衷。
在实施例中，第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层的厚度范围在大约0.01mm到大约1.5mm之间，特别是范围在大约0.08mm到大约0.8mm之间。因此，通常由金属材料制成的覆盖层的相对较薄的厚度足以提供足够的机械稳定性。然而，金属层的厚度可被保持得非常小以至于夹层合成结构的整个密度足够低。结构构件因此可通过重量轻的结构成形。
在实施例中，固体泡沫的核心层的厚度范围在大约0.15mm到大约8mm之间。对于很多应用，核心层的厚度大于覆盖层是有利的。
在实施例中，结构构件包含在第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层的顶部上的涂漆层。涂漆表面层的选择对于在汽车应用等中用作覆盖面板的结构构件是重要的。然而，涂漆过程通常涉及加热到温度至大约180℃的温度，通常持续时间为30分钟。根据本发明的示例性实施例的可重成形的夹层序列满足这种涂漆过程的要求。
在实施例中，第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层为三维成形的结构构件的表面层。术语“表面层”可特别地表示为直接暴露到诸如大气的环境的层序列或结构构件的最高表面或最低表面。
在实施例中，第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层为刚性层。特别地，其可具有金属刚度，即，金属的刚度特性。相应的刚性层在正常使用中不能被弯曲或灵活地或弹性地被变形。
在实施例中，结构构件被配置为由汽车结构构件、飞机结构构件、轨道车辆结构构件和船结构构件组成的组中的一个。它因此可以是汽车、飞机或火车的覆盖面板或装箱或加固元件的一部分。然而，其它应用也是可能的。
在实施例中，成形通过冷成型来完成，特别是通过深拉。冷成型可特别表示使平面夹层序列重成形为三维成形的结构构件而无需额外的热量应用。适用的冷成型技术为冲压、压缩、弯曲、拉伸和剪切。拉伸可以特别表示为金属加工过程，其使用拉力拉伸金属。深拉可以为板重成形过程，在此过程中由上述夹层结构成形的板被拉伸为通过冲头的机械作用等的成形模。因此，这是具有材料保留的形状转换过程。深拉可特别地导致其中拉伸部件的深度超出了其直径的结构构件。
在实施例中，制造方法进一步包括通过可加热的(例如通过温度调节单元加热)冲压主体，特别是滚子或辊或滚筒(其可关于层纵向地移动和/或可被旋转)冲压第一覆盖层和第二覆盖层之间的核心层(和用于将核心层胶合到一层或两层覆盖层的可选的粘附材料)。在此上下文中，单独的层(或其前体，例如之后成形这种层的颗粒)被供应到相对于室温处于提高的温度下的滚子或类似的冲压主体。然后，机械压力和热能的粘结效果的结合将单独的每一层转换为不可分割的夹层序列。
在实施例中，泡沫材料被供应到冲压主体作为容易切割泡沫层。例如，泡沫可被提供作为三维块。通过使用切割工具如刀等，块可被切割成泡沫材料的单独的层或片(例如，厚度范围在1mm到8mm之间，此处与泡沫层的主表面区域可例如在1dm2到10dm2范围之间)。这种切割泡沫层可然后直接插入在覆盖层之间从而形成合成结构。这个过程可保证泡沫层具有连续的恒定的质量并且保持无孔洞等。
在可选的实施例中，泡沫材料被供应到冲压主体作为泡沫层前体，特别是由通过加热的冲压主体被转换成泡沫层颗粒前体、粉末前体和液体前体组成的组中的一个。在这种实施例中，泡沫或泡沫层仅在加热的冲压主体碰撞前体材料时被成形。该实施例在工业规模上特别适合结构构件的制造，因为前体材料(例如颗粒)可被连续不断地从大容器中或通过传送带而供应。
在实施例中，此方法进一步包括通过粘附材料将泡沫材料粘附到第一覆盖层和/或将泡沫材料粘附到第二覆盖层。虽然使用粘附材料是可选的，但其允许成形特别稳健的结构构件，因为粘结强度通过作为粘合剂的粘合材料的分别规定而提高。
在实施例中，粘附材料作为容易成形粘附层被供应至冲压主体。这种连续的粘附层允许提供具有连续的恒定的质量的粘附力并且无孔洞等。
在实施例中，粘附材料被供应至冲压主体作为粘附微粒，特别是作为粘附粉或颗粒，其通过加热的冲压主体转换为粘合层。在这种实施例中，粘附层仅在实际层连接过程期间被成形。该实施例特别适合用于工业规模上的结构构件的制造，因为粘附物质可被连续不断地从大容器或通过传送带被供应。
在实施例中，冲压主体被加热到温度范围在大约100℃到大约250℃之间，特别是范围在大约130℃到大约180℃之间。已证明这些温度值为适合有效促进粘合过程同时保持在夹层结构序列上的热冲击尽可能的小。
在实施例中，第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层通过从供应滚子或源滚子将其卷起(即，通过将其展开)而设置。优选的由薄金属板制成的覆盖层可被提供具有薄的厚度使得其可被卷在滚子上。因此，允许迅速地制造夹层序列并且价格低廉的连续的过程可被执行。
在实施例中，方法包括将涂漆层涂覆在第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层的顶部上。通过覆盖层和核心层的材料(和之间可选择的粘附材料)的合适的选择，可达到符合三维成形的结构构件的外表面涂漆的高温度要求。
在实施例中，涂漆层在范围在大约120℃到大约250℃之间、特别是范围在大约170℃到大约200℃的之间的度下被涂覆到容易重成型的夹层序列的暴露的表面。这样的涂漆过程的典型温度包含180℃长达30分钟的应用。
在此申请的上下文内，三维成形的结构构件被公开。然而，应该说此申请的整个公开在本发明的其它实施例中，还可被应用于任何结构构件，不管它们是三维成形的或是平面的。因此，本发明的下列方面也被公开：
1.方面：一种结构构件(其可以是平面的)，包括：
由金属材料制成的第一覆盖层；
由金属材料制成的第二覆盖层；
由泡沫材料制成并且设置在第一覆盖层和第二覆盖层之间的核心层。
2.方面：根据方面1所述的结构构件，其中核心层仅由泡沫材料制成。
3.方面：根据方面1或2所述的结构构件，其中第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层由铝或钢制成。
4.方面：根据方面1到3中任何一个所述的结构构件，其中核心层由塑料泡沫制成。
5.方面：根据方面4所述的结构构件，其中塑料泡沫包括聚苯乙烯或聚苯乙烯混合物。
6.方面：根据方面4所述的结构构件，其中塑料泡沫为热塑性聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫。
7.方面：根据方面4所述的结构构件，在其中塑料泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
8.方面：根据方面4所述的结构构件，其中塑料泡沫为聚亚安酯基泡沫，特别是聚氨酯。
9.方面：根据方面1到8中任何一个所述的结构构件，其中核心层的密度范围在35kg/m3到750kg/m3之间，特别是在75kg/m3到200kg/m3之间。
10.方面：根据方面1到9中任何一个所述的结构构件，包括将泡沫材料粘附到第一覆盖层和/或将泡沫材料粘附到第二覆盖层的粘附材料。11.方面：根据方面10所述的结构构件，其中粘附材料为热熔粘合剂。
12.方面：根据方面10或11所述的结构构件，其中粘附材料包括在第一覆盖层和核心层之间的第一粘附层和/或包括在第二覆盖层和核心层之间的第二粘附层。
13.方面：根据方面10到12中任何一个所述的结构构件，其中粘附材料的熔点高于80℃，特别是高于100℃。
14.方面：根据方面1到13中任何一个所述的结构构件，其中结构构件的厚度范围在0.2mm到10mm之间，特别是在0.5mm到8mm范围之间，更特别是在1mm到6mm范围之间。
15.方面：根据方面1到14中任何一个所述的结构构件，其中第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层的厚度范围在0.01mm到1.5mm之间，特别是在0.08mm到0.8mm之间。
16.方面：根据方面1到15中任何一个所述的结构构件，包括涂漆层，特别是成形表面层，位于第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层的顶部上。
17.方面：根据方面1到16中任何一个所述的结构构件，其中第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层为表面层。
18.方面：根据方面1到17中任何一个所述的结构构件，其中第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一个为刚性层。
19.方面：根据方面1到18中任何一个所述的结构构件，被配置为由汽车结构构件、飞机结构构件、轨道车辆结构构件和船结构构件组成的组中的一个。
20.方面：一种生产结构构件的设备，包括：
第一层供应单元，其被配置为供应由金属材料支撑的第一覆盖层；
第二层供应单元，其被配置为供应由金属材料制成的第二覆盖层；
泡沫供应单元，其被配置为供应第一覆盖层和第二覆盖层之间的材料，其形成核心层，核心层由至少部分泡沫材料制成并且在第一覆盖层和第二覆盖层之间被连接以形成粘着的层序列。
21.方面：根据方面20所述的设备，包括粘附材料供应单元，所述粘附材料供应单元被配置为供应泡沫材料和第一覆盖层之间的以及泡沫材料和第二覆盖层之间的粘附材料，从而将泡沫材料粘附到第一覆盖层并将泡沫材料粘附到第二覆盖层。
22.方面：一种生产结构构件的方法，包括：
提供由金属材料制成的第一覆盖层；
提供由金属材料制成的第二覆盖层；
在第一覆盖层和第二覆盖层之间设置由至少部分泡沫材料制成的核心层，从而形成粘着的层序列。
23.方面：根据方面22所述的方法，其中所述方法进一步包括通过加热的冲压主体特别是滚子在第一覆盖层和第二覆盖层之间冲压核心层和可选择的粘附材料。
24.方面：根据方面23所述的方法，其中泡沫材料被供应至冲压主体作为容易切割固体泡沫层。
25.方面：根据方面23所述的方法，其中泡沫材料被供应至冲压主体作为泡沫前体材料，特别是颗粒状的或粉状的，其通过加热的冲压主体被转变为泡沫材料。
26.方面：根据方面22到25中任何一个所述的方法，进一步包括通过粘附材料将泡沫材料粘附到第一覆盖层并将泡沫材料粘附到第二覆盖层。
27.方面：根据方面23到26中的任何一个所述的方法，其中粘附材料被供应至冲压主体作为容易成形的粘附层。
28.方面：根据方面26或27所述的方法，其中粘附材料被作为粘附微粒，特别是作为粘附粉或粘附颗粒，其通过加热的冲压主体被转变为粘附层。
29.方面：根据方面23到28中的任何一个所述的方法，其中冲压主体被加热到范围是100℃到250℃之间，特别是范围是130℃到180℃之间的温度。
30.方面：根据方面22到29中任何一个所述的方法，其中第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层通过将其从滚子卷起而提供。
31.方面：根据方面22到30中任何一个所述的方法，包括将涂漆层涂覆到第一覆盖层和第二覆盖层中的至少一层的顶部上，特别是在三维成形之后。
32.方面：根据方面31所述的方法，其中涂漆层在范围是120℃到250℃之间，特别是范围是170℃到200℃之间的温度下涂覆。
根据方面1到32的任何方面，结构构件在180℃的温度下可耐热。
附图说明
本发明的上面限定的方面和进一步的方面从下文将描述的实施例的示例而明显并且参照实施例的这些示例被解释。
下文参照实施例的示例，本发明将更详细地描述，但本发明不受限于此。
图1显示了根据本发明的示例性实施例的三维成形的结构构件的截面视图实施例。
图2显示了制造根据本发明的示例性实施例的三维成形的结构构件的设备的第一部件，其中完整的平面夹层堆被形成。
图3显示了制造根据本发明的示例性实施例的三维成形的结构构件的设备的第二部件，其中，容易成形的完整的平面夹层堆通过深拉被重成形或重成型。
图4示出了根据本发明的示例性实施例夹层堆的构成作为用于三维成形的结构构件的半成品。
图5显示了根据本发明的示例性实施例用于将平面二维夹层堆重成形为三维成形的结构构件的深拉模具。
图6显示了由图5中的深拉模具形成根据本发明的示例性实施例的结构构件。
图7和图8图示意性地示出用于制造根据本发明的示例性实施例的结构构件的设备的部件。
图9示出了汽车与根据本发明的示例性实施例的制造的其两个三维成形的结构构件。
图10示出了根据本发明的示例性实施例可被生产的不同的三维成形的结构构件。
图11示出了汽车的后面板作为根据本发明的示例性实施例的三维成形的结构构件的示例。
图12示出了显示与传统技术相比根据示例性实施例的结构构件在重量和制造成就上的优势的图表。
具体实施方式
附图中的显示是示意性的。在不同的附图中，类似的或相同的元件被提供有同样的参考标记。
图1显示了根据本发明的示例性实施例的三维成形的结构构件100的截面视图。
三维成形的结构构件100包括由0.1mm厚的钢板作为刚性材料制成的第一覆盖层102、由0.1mm厚的钢板作为刚性材料制成并形成底表面层的第二覆盖层104、和由6mm厚的密度为150kg/m3的固体聚苯乙烯泡沫材料制成并被设置在第一覆盖层102和第二覆盖层104之间的核心层106。此外，热熔粘合剂的第一粘附层108被夹在第一覆盖层102和核心层106之间从而将第一覆盖层102粘附到核心层106。相应地，热熔粘合剂的第二粘附层110被夹在第二覆盖层104和核心层106之间从而将第二覆盖层104粘附到核心层106。在第一覆盖层102的顶部上，涂漆层112被涂覆以形成完整的三维重成形的层序列112、102、108、106、110、104的第二表面层。
为了达到三维成形的结构构件100，原始的平面层序列102、108、106、110、104已通过深拉工具等被在空间上重成型从而形成立体的或三维成形的结构构件100。有利的是，在重成形过程之后涂漆层112被直接涂覆在第一覆盖层102上以保证涂漆层112不负面地被重成形过程所影响。
金属覆盖层102、104基本上不变形(在正常情况下)并且是刚性的，并且为结构构件100提供机械稳定性。另一方面，由低密度固态的聚苯乙烯泡沫(例如150kg/m3)制成的核心层106为结构构件100提供需要的厚度及体积，且同时保持结构构件100重量轻。此外核心层106的材料便宜，且与覆盖层102、104结合具有适当的特性，以允许半成品的基本上所有种类的期望的结构重成形呈之前的平面层序列102、108、106、110、104的形式。同时，通过结构构件100高坚硬度程度和显著的阻尼特性可被得到。结构构件100的三维形状可被自由地调整，以对应于其技术功能，例如其使用作为用于汽车应用的面板。正如可从图1得到的，重成形过程基本上使结构构件100的整体厚度d和其单独的每一层102、108、106、110、104的相对厚度相对保持恒定。此外，结构构件100满足安全要求，例如对于关于航空航天技术及铁路运输的应用。而且，结构构件100也在很大的温度范围内耐热。
图2显示了制造根据本发明的示例性实施例如图1所示的三维成形的结构构件100的设备的第一部件200，其中，完整的平面夹层堆102、108、106、110、104被形成。
正可从图2得到的，在制造设备的第一部件200的输入阶段260中包含结构构件100的多种组件被以不同的形式被供应。
第一层供应单元202只示意性地示出在图2中，并被配置为用于供应作为第一覆盖层102的第一金属板。虽然没有在图2中示出，但是第一覆盖层102可从供应滚子展开，从而允许结构构件的连续生产。鉴于如0.1mm金属板材料的第一覆盖层102的薄的厚度可以紧凑的方式存储在滚子上。第二层供应单元204也示意性地示出在图2中并被配置为用于供应第二金属板作为第二覆盖层104。相应的，第二覆盖层104可从另一个供应滚子展开，从而允许结构构件的连续生产。鉴于也如0.1mm的该金属板材料的第二覆盖层104的薄的厚度可以紧凑的方式存储在其它供应滚子上。
在第一层供应单元202和第二层供应单元204之间，泡沫前体供应单元被设置为在沿着图2的生产线供应泡沫前体的颗粒262。更确切地说，示意性示出的传送单元206朝向锥形漏斗208传送颗粒206。颗粒262被配置为使得当在高温下如120℃和高压下如数巴在第一覆盖层102和第二覆盖层104之间被插入时被转化为连续泡沫层，即，泡沫核心层106。并且颗粒262的描述的供应和其向连续泡沫层的转化是连续的过程，其允许高收益和高效率的结构构件的连续生产。
为了额外促进核心层106和金属覆盖层102、104之间的粘附，两个粘附层108、110通过相应的粘附材料供应单元210、212供应。由于在本实施例中粘附层108、110由热熔粘合剂制成(其它粘附材料也可被使用)，它们可在滚子上被卷起。粘附层108、110可选择性的提供有非粘附箔，以防止各个粘附层108、110的不同部分之间的粘附，同时仍在滚子上被卷起(未示出)。第一粘附层108被供应在第一覆盖层102和泡沫材料之间，而第二黏着层110被供应在泡沫材料和第二覆盖层104之间。粘附材料的供应是可选择的，而进一步提高了成形的三维结构构件100的机械强度。
热熔粘合剂在被加热到高温T＞在工序流程中的第一阶段260的下游中间阶段270时变为粘性的。这里，层102、108、106、110、104在中间阶段270的加热的滚子220、222之间被压缩并被粘附到彼此。加热的滚子220、222同时完成多个任务。第一，它们将颗粒262转化为连续泡沫核心层106。第二，它们将热熔粘合剂加热到使其变为粘性的并粘附到相邻层的温度。第三，它压缩层102、108、106、110、104从而生产具有彼此基本不可分的单独层的均匀的完整的成形的层序列。
在工序流程中的中间阶段270的下游的第一部件200的输出阶段280处，平面层序列102、108、106、110、104被冷却且可在将它供应到制造设备的第二部件300之前被进一步处理，例如切割为期望的形状和尺寸的片状，在图3所示。第一部件200处理结束时，得到完整的五层夹层堆150。
图3显示了制造根据本发明的示例性实施例的三维成形结构构件的设备的第二部件300，其中形成的平面夹层堆102、108、106、110、104通过深拉重成形。
图3因此示出了作为第二部件300的深拉设备。如根据图2制造的，平面层序列102、108、106、110、104的切割零件320被插入到深拉设备的壳体302中。第一深拉工具304被设置在零件320下第二部件300中。第一深拉工具304具有第一压制夹306并具有第一模具308。第二深拉工具310被设置在零件320上第二部件300中。第二深拉工具310具有第一压制夹312并具有第二模具314。
为使零件320重成形为结构构件100，深拉工具304、310相对彼此移动直到压制夹306、312一起接合零件320的侧部。因此，在实际的重成形过程被执行之前，零件320的侧部在空间上通过夹持而固定。在没有加热的情况下，夹持的零件320然后通过深拉被重成形，因此模具308、314的共同移动进一步接近彼此使得平面零件320根据模具308、314的协作表面形状重成形。这个过程可在室温下被执行，即，为冷成型或重成形过程。
在完成这个过程之后，重成形的零件320从制造设备的第二部件300移除并可然后被制成涂漆应用程序的主题(未示出)。这包含如180℃的高温持续30分钟的应用并在第一覆盖层102的顶部上形成涂漆层112。然后，结构构件100的制造完成。
图4示出了根据本发明的示例性实施例夹层堆150的合成作为用于三维成形的结构构件100的前体。
根据图4和更普遍的本发明的任何期望的实施例中，泡沫核心层106的厚度d1可大于覆盖层102、104的厚度d2、d3。覆盖层102、104的厚度d2、d3可例如大于可选择的粘附层108、110的厚度d4、d5。
关于用于单层的材料的选择存在很大自由度。覆盖层102、104由金属材料如钢或铝制成。核心层106可由EPS、聚苯醚(PPE)、PET、PMI和/或聚氨酯(PU)的塑料泡沫或基于它们的塑料泡沫制成，只要这些泡沫的密度足够低，优选低于750kg/m3，以满足结构构件100的轻量的要求。优选地，粘附层108、110由热熔粘合剂制成，其可以箔、粉、颗粒等形式被提供。
图5显示了根据本发明的示例性实施例在将夹层堆150重成形为三维成形的结构构件100期间的深拉模具500。图6显示了通过图5深拉模具500形成的根据本发明的示例性实施例的结构构件100。从图5和图6可以看出结构构件600的形状由模具500的形状限定。
使用冷成型技术(如深拉或拉伸牵引)拉伸大的百分比如高至40％或更大是可能的。而且也可能形成具有较小半径的结构。另外厚度分布可被精确地调整。
图7示意性地示出根据本发明的示例性实施例用于制造结构构件100的设备的部件200。
同样关于图2，图7中所示的部件200具有第一源滚子700作为第一层供应单元202，在其上用于第一覆盖层102作为底部的金属板材料被卷上并可被展开用于制造结构构件。相应的，部件200具有第二源滚子702作为第二层供应单元204，在其上用于第二覆盖层104作为底部的金属板材料被卷上并可被展开用于制造结构构件。此外，部件200具有第三源滚子704作为第一粘附层供应单元210，在其上用于第一粘附层108(其可被涂覆或可不被涂覆在支撑膜上防止热熔粘合剂的自粘附)作为底部的一层热熔粘合剂被卷上并可被展开用于制造结构构件。而且，部件200具有第四源滚子706作为第二粘附层供应单元212，在其上用于第二粘附层110(其可被涂覆或可不被涂覆在支撑膜上防止热熔粘合剂的自粘附)作为底部的另一层热熔粘合剂被卷上并可被展开用于制造结构构件。
除此之外，图7的实施例提供容易成形的塑料泡沫层的连续层，其充当核心层106，被卷上并可从第五源滚子712展开用于制造结构构件。在可加热的滚子220、222之间完成平面层序列102、108、106、110、104的制造之后，这样成形的夹层序列150可在可被表示为终点滚子磨辊的第六滚子708上卷上。
制造过程可由中心控制单元710控制，其可为微处理器或中央处理单元(CPU)。控制单元710可协调部分260、270、280的合作。
图8示意性地示出用于制造根据本发明的示例性实施例的结构构件100的设备的另一个第一部件200。
图8的实施例与图7的实施例不同在于，用于成形夹层序列150的前体或半成品为各自容易切割层，如从图8的左侧得到。覆盖层102、104被设置为容易切割的矩形金属板。核心泡沫层106为容易切割的矩形层，其可在从源滚子展开之后并且在供应到加热的处理滚子220、222之前被切割。可选的却非常有利的粘附层108、110可为从源滚子被切割的热熔粘合剂的连续层或不连续层。这样生产的夹层序列150的零件可被存储在彼此的顶部上，例如诸如托盘的支撑体800上。
图9示出汽车900及根据本发明的示例性实施例制造的其两个三维成形的结构构件920、940。结构构件920为防火墙或最前部，其在本实施例中厚为3mm并且重为1.6kg。结构构件940是后座靠背，其厚为8mm并且重为1.8kg。图10示出了根据本发明的示例性实施例可生产的不同的三维成形的结构构件。在这些结构构件中，还可看见防火墙(firewall)920和后座靠背940。
图11示出了汽车的后面板940的图像作为根据本发明的示例性实施例的三维成形的结构构件的示例。后面板940基于1.2mm厚的铝覆盖层。对比传统结构，后面板940具有同样的刚度、同样的整体厚度，但重量轻，并且可以低成本生产。重量可减少大约30％，成本可减少大约25％。后面板940也满足电荷保护要求并实现长期使用的要求。
图12示出了显示了与传统技术相比根据示例性实施例的结构构件在重量(沿着横坐标1220绘制)和制造成本(沿着纵坐标1240绘制)方面的优势的图表1200。如可从图表1200得到的，根据本发明的示例性实施例的多层合成架构产生高刚度、低重量、适当的阻尼性质与经济可制造性。
应该注意的是，术语“包含”不排除其他元件或步骤且“一”或“一个”不排除复数。被描述与不同的实施例相联的元件还可被结合。
还应该注意的是，权利要求中的参考标记不应解释为限制权利要求的范围。
本发明的实施方式不限于在图中和在上文被描述的优选的实施例。相反，使用示出的方案及根据本发明的原则甚至在根本不同的实施例的情况下的多种变型是可能的。

Claims (33)

1.一种三维成形的结构构件(100)，其包括：
第一覆盖层(102)，其由金属材料制成；
第二覆盖层(104)，其由金属材料制成；
核心层(106)，其由泡沫材料制成并且被布置在第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)之间；
其中，结构构件(100)在180℃的温度下耐热。
2.根据权利要求1所述的结构构件(100)，其中核心层(106)由泡沫材料唯一地组成。
3.根据权利要求1或2所述的结构构件(100)，其中第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个由铝或钢制成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的结构构件(100)，其中核心层(106)由塑料泡沫制成。
5.根据权利要求4所述的结构构件(100)，其中塑料泡沫包括聚苯乙烯或聚苯乙烯共混物。
6.根据权利要求4所述的结构构件(100)，其中塑料泡沫为热塑性聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫。
7.根据权利要求4所述的结构构件(100)，其中塑料泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
8.根据权利要求4所述的结构构件(100)，其中塑料泡沫为聚亚安酯基泡沫，特别是聚氨酯。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的结构构件(100)，其中核心层(106)的密度在35kg/m3到750kg/m3之间的范围内，特别是在75kg/m3到200kg/m3之间的范围内。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的结构构件(100)，其包括将泡沫材料粘附到第一覆盖层(102)和/或将泡沫材料粘附到第二覆盖层(104)的粘附材料(108、110)。
11.根据权利要求10所述的结构构件(100)，其中粘附材料(108、110)为热熔粘合剂。
12.根据权利要求10或11所述的结构构件(100)，其中粘附材料(108、110)包括在第一覆盖层(102)和核心层(106)之间的第一粘附层(108)和/或包括在第二覆盖层(104)和核心层(106)之间的第二粘附层(110)。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的结构构件(100)，其中粘附材料(108、110)的熔点高于80℃，特别是高于100℃。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的结构构件(100)，其中结构构件(100)的厚度在0.2mm到10mm之间的范围内，特别是在0.5mm到8mm之间的范围内，更特别是在1mm到6mm之间的范围内。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的结构构件(100)，其中第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个的厚度在0.01mm到1.5mm之间的范围内，特别是在0.08mm到0.8mm之间的范围内。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的结构构件(100)，其包括涂漆层(112)，特别是成形表面层，位于第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个的顶部上。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的结构构件(100)，其中第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个为表面层。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的结构构件(100)，其中第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个为刚性层。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的结构构件(100)，被配置为由汽车结构构件、飞机结构构件、轨道车辆结构构件和船结构构件组成的组中的一个。
20.一种用于生产三维成形的结构构件(100)的设备(200、300)，所述设备(200、300)包括：
第一层供应单元(202)，其被配置为供应由金属材料制成的第一覆盖层(102)；
第二层供应单元(204)，其被配置为供应由金属材料制成的第二覆盖层(104)；
泡沫供应单元(206、208)，其被配置为供应第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)之间的材料，其形成核心层(106)，核心层(106)由至少部分泡沫材料制成并且在第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)之间被连接以形成粘着的层序列(102、104、106)。
成形单元(300)，其被配置为三维成形结果层序列(102、104、106)，从而形成由在180℃的温度下耐热的材料构成的结构构件(100)。
21.根据权利要求20所述的设备(200、300)，其包括粘附材料供应单元(210、212)，所述粘附材料供应单元(210、212)被配置为供应泡沫材料和第一覆盖层(102)之间以及泡沫材料和第二覆盖层(104)之间的粘附材料(108、110)，从而将泡沫材料粘附到第一覆盖层(102)并将泡沫材料粘附到第二覆盖层(104)。
22.一种生产三维成形的结构构件(100)的方法，所述方法包括：
提供由金属材料制成的第一覆盖层(102)；
提供由金属材料制成的第二覆盖层(104)；
在第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)之间设置由至少部分泡沫材料制成的核心层(106)，从而形成粘着的层序列(102、104、106)；
三维成形结果层序列(102、104、106)，从而形成结构构件(100)；
其中，结构构件(100)被形成为在180℃的温度下耐热。
23.根据权利要求22所述的方法，其中成形通过冷成型执行，特别是通过深拉层序列(102、104、106)执行。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中所述方法进一步包括通过加热的冲压主体(220、222)特别是滚子在第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)之间冲压核心层(106)和可选择的粘附材料(108、110)。
25.根据权利要求24所述的方法，其中泡沫材料被供应至冲压主体(220、222)作为容易切割固体泡沫层。
26.根据权利要求24所述的方法，其中泡沫材料被供应至冲压主体(220、222)作为泡沫前体材料，特别是颗粒状的或粉状的，其通过加热的冲压主体(220、222)被转变为泡沫材料。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的方法，其进一步包括通过粘附材料(108、110)将泡沫材料粘附到第一覆盖层(102)并将泡沫材料粘附到第二覆盖层(104)。
28.根据权利要求24和27所述的方法，其中粘附材料(108、110)被供应至冲压主体(220、222)作为容易成形的粘附层。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其中粘附材料(108、110)被供应至冲压主体(220、222)作为粘附微粒，特别是作为粘附粉或粘附颗粒，其通过加热的冲压主体(220、222)被转变为粘附层。
30.根据权利要求24-29中任一项所述的方法，其中冲压主体(220、222)被加热到范围是100℃到250℃之间，特别是范围是130℃到180℃之间的温度(T＞)。
31.根据权利要求22-30中任一项所述的方法，其中第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个通过将其从滚子(700、702)卷起而提供。
32.根据权利要求22-31中任一项所述的方法，其包括将涂漆层(112)涂覆到第一覆盖层(102)和第二覆盖层(104)中的至少一个的顶部上，特别是在三维成形之后。
33.根据权利要求32所述的方法，其中涂漆层(112)在范围是120℃到250℃之间，特别是范围是170℃到200℃之间的温度下涂覆。
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