CN106143158A - 使用注塑膨胀成型的混杂复合材料 - Google Patents

Abstract

车辆仪表板包括基底和连接到基底的膨胀加强件，基底具有在第一尼龙树脂内的多个第一短切碳纤维，膨胀加强件具有在第二尼龙树脂内的多个第二短切碳纤维。基底中的多个第一短切碳纤维和多个第一玻璃纤维是分离的，以便碳纤维和玻璃纤维的每个大体上分别集中在基底的驾驶员侧部和乘客侧部内。膨胀结构风道具有在第三尼龙树脂内的多个第二短切玻璃纤维。风道、加强件和基底连接以形成中空管。

Description

使用注塑膨胀成型的混杂复合材料

技术领域

本发明总体涉及复合材料部件设计，并且尤其涉及复合材料车辆仪表板设计及其制造方法。

背景技术

车辆使用重量轻的部件和设计——尤其是在例如仪表板这样的大型车辆内部部件中——变得越来越普遍，目的是降低车辆重量。重量降低可以增加车辆性能和燃油经济性。可以用较轻重量的材料替代车辆部件现有的材料实现重量的节省。然而，一些情况下车辆中使用的较轻重量的材料比它们较重重量的对应物具有更少的机械完整性。

在其它情况下，实际上某些较轻重量的材料(例如碳纤维复合材料)比常规材料具有改进的机械性能。不幸地，用这些材料制作车辆部件的生产成本是过高的或者至少不足够低到抵消潜在的车辆性能和燃油经济性的改进。进一步地，这些更坚固的复合材料通常在具有仅仅一个或一些实际上需要高机械性能的区域的大型车辆部件中使用。

因此，当与常规车辆部件相比时，较轻重量车辆部件需要具有较好或可比的机械性能。也需要使这些部件的特定区域的机械性能适应特定应用，因此尽量最小化昂贵的增强材料的使用和在部件需要的地方最大化机械性能的增强。

发明内容

根据本发明的一个方面，车辆仪表板包括基底和连接到基底的膨胀加强件，基底包括在第一尼龙树脂内的多个第一短切碳纤维，膨胀加强件具有在第二尼龙树脂内的多个第二短切碳纤维。基底的多个第一短切碳纤维和多个第一玻璃纤维是分离的，以便碳纤维和玻璃纤维的每个大体上分别集中在基底的驾驶员侧部和乘客侧部内。膨胀结构风道具有在第三尼龙树脂内的多个第二短切玻璃纤维。风道、加强件和基底连接以便形成中空管。

根据本发明的另一方面，具有第一膨胀元件的车辆仪表板包括第一纤维复合材料。第二膨胀元件包括第二纤维复合材料。连接到膨胀元件的基底包括在树脂内的第一纤维材料和第二纤维材料。第一和第二纤维材料分别被分离到基底的驾驶员侧部和乘客侧部。第一和第二膨胀元件被连接以便支撑基底。

根据本发明的另一方面，形成车辆部件的方法包括以下步骤：熔化具有第一纤维材料、第一树脂和第一膨胀剂的第一复合材料以及熔化具有第二纤维材料、第二树脂和第二膨胀剂的第二复合材料。然后将熔化的第一和第二复合材料注入到模具，以便第一和第二复合材料的每个大体上分别集中于模具的第一部和第二部。然后打开模具，使得熔化的复合材料膨胀。冷却并且膨胀的复合材料形成仪表板部件。

参照以下说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员将会进一步理解和领会本发明的这些和其它特征、优势以及目的。

附图说明

在图中：

图1是根据一个实施例的车辆内的车辆仪表板的主透视图；

图2A是图1中说明的仪表板的分解的俯视透视图；

图2B是沿IIA-IIA线的图2A的仪表板的增强的剖视图；

图2C是沿IIB-IIB线的图2A的仪表板的增强的剖视图；

图2D是沿IIC-IIC线的图2A的仪表板的增强的剖视图；

图2E是沿IID-IID线的图2A的仪表板的增强的剖视图；

图2F是沿IIE-IIE线的图2A的仪表板的增强的剖视图；

图3是根据附加实施例的注塑成型系统的俯视透视图；

图4A是沿X-X线的在将熔化的复合材料注入模具的步骤过程中的图3的注塑成型系统的剖视图；

图4B是沿X-X线的在混合熔化的复合材料的步骤过程中的图3的注塑成型系统的剖视图；

图5A是沿X-X线的在打开模具的步骤过程中的图3的注塑成型系统的剖视图；

图5B是沿X-X线的在使熔化的复合材料膨胀的步骤过程中的图3的注塑成型系统的剖视图；

图6根据另一个实施例的使用图4的注塑成型系统成形车辆部件的方法的原理图。

具体实施方式

这里为了说明的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”以及它们的衍生词应当按图1中的取向关联于本发明。然而，应当理解的是本发明可以采取不同的可替换的方向，除非明确指定为相反。还应当理解的是附图中图示的以及以下说明书中说明的具体装置和过程仅仅是由所附权利要求限定的本发明的构思的示例性实施例。因此，这里公开的涉及实施例的具体尺寸和其它物理特征并不考虑为限制，除非权利要求另外明确说明。

参照图1，说明了车辆14的客舱10。车辆14包括驾驶员侧区域18和乘客侧区域22。客舱10的内部除例如挡风玻璃36这样的其它车辆部件外是仪表板26。仪表板26位于客舱10的乘客座椅的车辆前方并且总体在挡风玻璃36的下方。仪表板26具有驾驶员侧部40、中控面板部44以及乘客侧部48。仪表板26的这些部以及它们内部的特定区域或位置通常具有不同的机械性能要求。

本发明使用的“外侧”指的是最靠近车辆14中的驾驶员侧车门52和乘客侧车门56的侧面或区域。本发明使用的术语“内侧”指的是与外侧侧面或区域横向相对的车辆14内侧的中心区域。

仪表板26的驾驶员侧部和乘客侧部40、48实质上靠近车辆14的各自的驾驶员侧和乘客侧区域18、22。仪表板26的驾驶员侧部40包括由组合仪表罩64覆盖的组合仪表60。位于组合仪表60下面的是转向柱68。转向柱68由仪表板26支撑并与仪表板26的车辆前方的转向系统(未示出)接合。转向柱68穿过仪表板26从转向系统向客舱10延伸。转向柱68具有设置在车辆14的客舱10中的驾驶员侧区域18中的方向盘72。方向盘72包括在经历足够的车辆碰撞事件时展开的驾驶员安全气囊76。就这一点而言，仪表板26的驾驶员侧部40会具有严格的机械要求，尤其是在必须支撑其它承受可变负荷和运动的车辆部件——例如转向柱68——的位置。

设置在仪表板26的每个外侧的是侧面通风装置80。仪表板26也包括一组位于仪表板26的中控面板部44的中心通风装置84。仪表板26的中控面板部44位于驾驶员侧部40和乘客侧部48之间。中控面板部44包括可由车辆14的驾驶员侧和乘客侧区域18、22二者的乘员操控的界面88。中控面板部44与仪表板26的驾驶员侧部40和乘客侧部48二者连接。

图1中也说明了仪表板26的乘客侧部48包括杂物箱总成110和位于总成110之上的乘客安全气囊总成114。杂物箱总成110包括允许进入杂物箱仓(未示出)的杂物箱门118。在一些实施例中，杂物箱总成110是与仪表板26分离的部件并且在车辆制造过程中被插入和附接。在其它实施例中，总成110的杂物箱仓由仪表板26的仪表板基底120(图2A)整体形成，并且杂物箱门118是在制造过程中附接的单独的部件。取决于乘客侧部48的结构，可以具有需要额外的机械增强的中心区域或位置，例如包含或附接于杂物箱总成110的地方。

乘客安全气囊总成114包括乘客安全气囊滑槽124(图2A)，以及其它部件，例如乘客安全气囊、安全气囊罐(airbag canister)和气体发生器。在车辆碰撞事件过程中，乘客安全气囊由气体发生器(未示出)充气，从而使得乘客安全气囊从罐中膨胀穿过乘客安全气囊滑槽124(图2A)并离开仪表板26。如果仪表板26没有适当加固，则安全气囊的充气和膨胀在周围的部件中产生会导致仪表板26的结构损坏的高应力。在一些实施例中，仪表板26的仪表板基底120(图2A)也可以包括用于驾驶员侧和乘客侧区域18、22二者的乘员的膝部安全气囊罐，这潜在地需要附加的加固。

现在参照图2A，仪表板26包括仪表板基底120和加强件150。加强件150位于基底120的车辆前方并在多个点处与基底120连接。基底120和加强件150可以通过粘合、振动焊接、热板焊接或其它接合形式来连接。加强件150包括驾驶员侧部154、中控面板部158以及乘客侧部162。加强件150在各自的驾驶员侧部和乘客侧部154、162上限定了转向柱孔166和杂物箱孔170。凸缘174位于加强件150的中控面板部158内，并向车辆后方延伸，以与基底120的中控面板部180接合和连接。

图2A也描述了仪表板基底120包括驾驶员侧部184、中控面板部180以及乘客侧部188。基底120的驾驶员侧部184限定了当基底120与加强件150连接时与加强件150的转向柱孔166相对齐的转向柱开口192。如图2A所示，转向柱68(图1)穿过转向柱孔166和转向柱开口192二者，并通过转向柱安装区域196与基底120附接。转向柱安装区域196位于基底120上靠近转向柱开口192处。在一些实施例中，转向柱68的护套可以整体形成于靠近安装区域196的基底120中。在其它实施例中，安装支架或支撑支架可以整体形成于靠近转向柱开口192的基底120中用于支撑转向柱68。加强件150与基底120的连接给安装区域196提供足够的强度，并且最终为仪表板26提供足够的强度，从而无需使用横梁的情况下来支撑转向柱68的重量。就这一点而言，基底120的驾驶员侧部184中的某些区域或位置会需要附加的加强件和/或从附加的加强件中受益。

仪表板基底120的中控面板部180包括用于容纳和安装界面88(图1)以及其它电子部件的电子设备仓200。中控面板部180位于基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188之间并整体上与它们连接。取决于部署在中控面板部180中的电子部件和其它部件，在基底120中的这些区域中的带有混杂复合材料(hybrid composite)的额外的局部加强件可以提供机械性能和/或重量节省的效益。

仪表板基底120的乘客侧部188限定了用于容纳各自的杂物箱总成110(图1)和乘客安全气囊总成114(图1)的杂物箱开口204和乘客安全气囊总成开口208。在一些实施例中，基底120可以配置为进一步限定作为整体主体从各自的杂物箱和乘客安全气囊总成开口204、208延伸的杂物箱仓和/或安全气囊罐。在其它实施例中，加强件150可以配置为限定杂物箱仓和/或安全气囊罐。基底120和加强件150也可以配置为限定膝部安全气囊罐。

结构风道212位于仪表板基底120和加强件150之间。当结构风道212结合到加强件150和基底120时，结构风道212形成中空管，中空管通过仪表板26输送空气并且给仪表板提供结构刚性。空气经过结构风道212输送至一组基底通风口216，基底通风口216将空气引导至仪表板26(图1)的侧面和中心通风装置80、84。与加强件150附接的是与车辆14的防火墙(未示出)连接的集气室支架220。集气室支架220阻止仪表板26在车辆的向前和向后方向弯曲。集气室支架220也可以给与基底120连接的转向柱68(图1)提供额外的支撑。

现在参照图2A，仪表板基底120由根据本发明实施例的混杂复合材料形成。在一个示例性实施例中，驾驶员侧部184由具有设置在树脂中的短切碳纤维的尼龙树脂形成。乘客侧部188由具有设置在树脂中的短切玻璃纤维的尼龙树脂形成。通常，基底120中的具有较高百分比短切碳纤维的区域可以具有增强的机械性能(例如韧性、抗拉强度、抗疲劳性)。乘客侧部和驾驶员侧部184、188内的碳纤维体积分数和玻璃纤维的体积分数可以在大约1％到大约60％之间，优选在大约15％到大约40％之间，并且更优选在大约30％到大约40％之间。在一些实施例中，驾驶员侧部184中的纤维体积分数可以不同于基底120的乘客侧部188中的纤维体积分数。在附加的实施例中，基底120的预期承遇高应力的区域配置为比预期不会承受高应力的区域包含较高纤维体积分数的短切碳纤维。例如，安装区域196可以比基底120的驾驶员侧部184的剩余区域包含有较高的纤维体积分数的尤其是短切碳纤维，从而有助于支撑转向柱68。在另一个示例中，在安全气囊展开过程中承受高应力的仪表板基底120和加强件150的表面可以包含较高纤维体积分数。在进一步的实施例中，基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188可以包含两种以上复合材料。

在一些实施例中，仪表板基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188中使用的纤维可以由包括碳、芳纶、金属铝、氧化铝、钢、硼、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、超高分子量聚乙烯、高碱玻璃(A-glass)、无碱玻璃(E-glass)、无硼无碱玻璃(E-CR-glass)、中碱玻璃(C-glass)、低介电玻璃(D-glass)、R-玻璃(R-glass)以及S-玻璃(S-glass)的材料组成。驾驶员侧部和乘客侧部184、188也可以包含不只一种类型的纤维。在一些实施例中，短切纤维的长度可以在大约3mm-大约11mm之间，并且更优选在大约5mm-大约7mm之间。典型地，驾驶员侧部和乘客侧部184、188内的纤维在树脂中是无规定向的。然而，纤维也可以大体上在基底120承受高定向应力的区域定向对齐。进一步地，驾驶员侧部和乘客侧部184、188中使用的树脂可以包含尼龙、聚丙烯、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、硅树脂、聚酰亚胺、聚醚砜、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂和聚苯并咪唑，或它们的组合。在一些实施例中，驾驶员侧部184的树脂可以不同于基底120的乘客侧部188中使用的树脂。还应当理解的是，加强件150与它的驾驶员侧部、中控面板部以及乘客侧部154、158、162可以由与以上关于基底120所述的那些材料可比较的混杂复合材料制造，或者完全是单一复合材料。在另一示例中，加强件150的驾驶员侧部154可以由具有设置在树脂中的短切碳纤维的尼龙树脂形成。乘客侧部162可以由具有设置在树脂中的短切玻璃纤维的尼龙树脂形成。进一步地，在承受较高应力水平的区域的树脂中的纤维——优选短切碳纤维——的体积分数比加强件150的其它区域或剩余区域的大。

仍然参照图2A，短切碳纤维和玻璃纤维在仪表板26的基底120中是分离的，使得碳纤维大体上集中在基底120的驾驶员侧部184，并且玻璃纤维大体上集中在基底120的乘客侧部188。基底120的中控面板部180大体由短切碳纤维和玻璃纤维二者组成。在一些实施例中，中控面板部180可以主要包括碳纤维或主要包括玻璃纤维。在其它实施例中，主要包含在驾驶员侧部184中的碳纤维也可以部分地占据基底120的乘客侧部188。在进一步的实施例中，主要在驾驶员侧部184中的碳纤维也可以占据承受高应力的部分基底120，无论乘客侧或驾驶员侧方向。例如，位于基底120或加强件150里面或上面的安全气囊展开面可以包括用于附加的机械加强的较高百分比的碳纤维。基底120中的纤维——例如短切碳纤维和玻璃纤维——的分离允许基底120在有特别高强度需求的地方有选择地使用较高强度纤维，例如碳纤维，例如用于支撑转向柱68。基于相对于车辆14的驾驶员/乘客取向有选择地使用高百分比的碳纤维，使得通过仅仅在需要的地方有效地使用更昂贵的碳纤维来节约成本。

在一些实施例中，在仪表板基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188之间的界面处存在边界区域240。边界区域240包括在基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188中使用的纤维和树脂类型的混合物。边界区域240内的纤维的混合确保在由不同复合材料组成的基底120的部分之间存在整体的连接。在一个实施例中，边界区域240可以横跨或另外包含整个基底120的中控面板部180。在另一个实施例中，边界区域240可以仅在基底120的中控面板部和乘客侧部180、188之间，或在驾驶员侧部和中控面板部184、180之间出现。边界区域240也可以位于基底120中存在包含不同纤维分数、纤维类型和/或树脂的部分之间的界面的任何地方。在一个示例性实施例中，驾驶员侧部184可以具有树脂中大约30％-40％体积分数的短切碳纤维，乘客侧部188可以具有树脂中大约30％-40％体积分数的短切玻璃纤维，以及中控面板部180或边界区域240可以具有树脂中大约15％-20％体积分数的短切碳纤维和大约15％-20％体积分数的短切玻璃纤维。在该结构中，通过相对于基底120的其它部分具有高百分比的短切碳纤维，驾驶员侧部184尤其被增强。

现在参照图2B-F所示的实施例，基底120的驾驶员侧部被描述为具有设置在第一尼龙树脂185中的多个第一短切碳纤维186。基底120的乘客侧部188被描述为具有设置在第二尼龙树脂189中的多个第一玻璃纤维190。如上所述，基底120内的边界区域240包括多个第一短切碳纤维186、多个第一短切玻璃纤维190、第一尼龙树脂185以及第二尼龙树脂189的混合物。加强件150包括设置在第三尼龙树脂194中的多个第二短切碳纤维193。风道212包括设置在第四尼龙树脂197中的多个第二短切玻璃纤维195。

根据一些实施例，除了在树脂中包含短切纤维的部分之外，仪表板基底120和/或仪表板26的加强件150可以包含一个或多个预成型的纤维垫。预成型的纤维垫可以包括使用与在基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188中使用的树脂相同或不同的树脂固定在一起的纺织或非纺织纤维。该垫也可包括具有与基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188中使用的纤维不同尺寸的纤维。类似地，该垫的纤维可以是连续的或短切结构。该垫的纤维也可以由具有与基底120的驾驶员侧部和乘客侧部184、188中使用的纤维的组分相同或不同的组分的材料组成。该垫可以被包含在具有高或低纤维体积分数的基底120和/或加强件150的区域中。多个垫可以以不同取向被使用和分层以便进一步提高基底120和/或加强件150在特定位置的机械性能。基底120中用于放置垫的示例性位置包括但不限于：转向柱安装区域196、安全气囊总成开口208、杂物箱开口204、加强件150和基底120间的连接位置、以及与基底120的其它区域的应力相比预期经受更高应力水平的其它位置。

在一些实施例中，可以通过以下详细所述的注塑膨胀成型过程使仪表板26的部件(例如，基底120、加强件150、结构风道212)膨胀、起泡沫或做成多孔的。在这样的实施例中，在部件中使用的树脂可以包含一种或多种膨胀剂，在将树脂注入模具之后膨胀剂导致成核并且形成大量气泡。在其它实施例中，其中将被注入树脂和纤维的模具充满了与树脂混合的气体膨胀剂。膨胀剂用于在仪表板26的每个部件内形成多个气泡。由一种或多种膨胀剂形成的气泡可以具有平均尺寸分布或大体上可以是均匀的。气泡可以形成封闭小室结构、敞开小室结构或遍布整个部件变化的封闭和敞开结构的混合。此外，可以对仪表板26部件的整个部件或仅对有选择的部分(例如，驾驶员侧部、乘客侧部或中控面板部)进行通过形成气泡造成的膨胀。另外地或可供选择地，可以控制基底120或加强件150的膨胀或孔隙百分数的梯度。

仪表板26的部件(例如基底120、加强件150、风道212)的膨胀可以增加大约10％和大约300％之间，以及尤其大约50％到约100％的部件尺寸。通过形成较大和/或较厚的部件，部件的尺寸的膨胀增加了部件的结构刚性。通过增加易受弯曲的部件的尺寸，获得了刚度的相应的增加。通过减少所用材料的数量，膨胀部件的使用允许成本和重量节省，同时保持了高水平的结构刚性。此外，由于膨胀，由较厚部件形成的增加的刚度可以允许使用较少的纤维并且实现成本节省。

包含碳纤维的混杂复合材料在基底120和加强件150中的使用使得车辆14被设计为和制造为没有横梁。常规横梁是传统上用于支撑车辆14的仪表板26和转向柱68的厚金属部件。除了给车辆14增加显著的重量之外，横梁占用了仪表板26背后的潜在的存储空间，并妨碍乘客安全气囊总成和杂物箱总成110的布置。在没有横梁的情况下，车辆14可以实现更高的燃油效率，以及对仪表板26及其子总成的增强的设计自由度。

此外，使用注塑膨胀成型以便形成膨胀的结构部件(例如基底120、加强件150和结构风道212)允许车辆的还没有使用注塑膨胀成型的部分的成本和重量节省。典型地，注塑膨胀成型用于形成装饰部件和用于车辆内部部分的不易遭受结构负荷的护板。通过注塑膨胀形成的零件中的气泡或多孔结构通常阻止零件以任何结构方式的使用，这是由于气泡造成的强度降低。然而，通过使用注塑膨胀成型形成混杂复合材料部件，该部件可以被用作车辆的结构元件，同时仍然发挥通过注塑膨胀成型提供的成本和重量减少的优势。

现在参照图3，说明了根据一个实施例的注塑成型系统300的示意性代表，其包括加热器302、泵304、控制器308、模具312和一对注塑管线316。加热器302熔化第一复合材料230和第二复合材料234，并且泵304对熔化的第一和第二复合材料230、234增压并迫使熔化的第一和第二复合材料230、234穿过注塑管线316并通过连接口320进入模具312。泵304能够产生允许第一和第二复合材料230、234在高压力和速度下被注入模具312的高流体压力。每个注塑管线316与模具312上的其中一个连接口320接合使得第一和第二复合材料230、234可以在不同位置进入模具312。在系统300的一些实施例中，多于两种的复合材料可以被注入模具312。在这些结构中，注塑成型系统300可以包括用于每种材料的独立的注塑管线316，并且模具312可以包含用于每种额外的注塑管线316的独立的连接口320。在使用注塑膨胀成型的实施例中，系统300可以包括气体系统(未示出)，气体系统用于使气体膨胀剂混合并且溶解到第一和第二复合材料230、234。

当固化时，图3中的第一和第二复合材料230、234适于形成最终部件，例如仪表板基底120、加强件150和结构风道212。第一复合材料230包括在第一树脂内的第一纤维材料。类似地，第二复合材料234包括在第二树脂内的第二纤维材料。因此，第一和第二纤维材料和第一和第二树脂可以由任何结合仪表板基底120、加强件150或结构风道212公开的各自的纤维和树脂组成。

再次参照图3，模具312具有A板324和B板328，每个板限定了大约二分之一个模具312的型腔332。A板324包括连接口320，第一和第二复合材料230、234通过该连接口320进入模具312。A和B板324、328的每个包含大约二分之一个最终车辆部件(例如结构风道212、基底120、加强件150等)的压痕，使得当关闭模具312时，负压痕限定具有接近最终部件的尺寸的模具型腔332。在一些实施例中，模具312可以包括镶块和/或子组件以帮助最终部件的形成。在使用注塑膨胀成型的实施例中，模具312被设计为当型腔332保持加压时可以分离A板324和B板328。

如图4A所示，当模具312配置为形成基底120时，其具有适于形成基底120的各部184、180、188(图2A)的驾驶员侧部336、中控面板部340和乘客侧部344。在注入熔化的第一和第二复合材料230、234的过程中，合模压力施加于模具312上使得A板324和B板328压靠在一起。作用于模具312上的力阻止基底120上发生模具分离和飞边。当处于图5A中说明的关闭状态时，模具312可以通过分离A板324和B板328打开。当模具312处于打开状态时，基底120可以被排出，然后可以清洗模具312和型腔332。使用模具312的注塑成型系统300可以以上述的同样的方式用于形成加强件150、集气室支架220、风道212或各种其它适合由混杂复合材料制造的车辆部件。

现在参照图6，提供了配置为形成最终部件——例如仪表板26的基底120——的方法360的原理图。方法360包括六个主要步骤，编号步骤364、368、372、374、376和380。方法360开始于准备第一和第二复合材料230、234的步骤364，紧跟着是准备注塑成型系统300的步骤368。然后进行将第一和第二熔化的复合材料230、234注入模具312的型腔332的步骤372。进行打开模具和使复合材料230、234膨胀的步骤374。然后进行冷却熔化的第一和第二复合材料230、234形成最终部件——例如仪表板26的基底120——的步骤376。最后进行将最终部件从模具312移除的步骤380。

参照图4A-6，步骤364涉及在加热器302中将第一和第二复合材料230、234加热至足以熔化树脂组分的温度。随着树脂的熔化，泵304能够推动熔化的第一和第二复合材料230、234穿过注塑管线316并通过连接口320进入模具312的型腔332。第一和第二复合材料230、234——尤其当包含尼龙树脂时——可以在100℃-400℃之间的温度被注入，更优选在210℃-275℃之间的温度被注入。典型地使熔化的第一和第二复合材料230、234过热至足够高的温度，以阻止它们在到达型腔332之前在注塑管线316中过早固化。这里使用的术语“过热”指的是第一和第二复合材料230、234的熔化温度和注入温度之间的温度差。过热也是必需的，以确保第一和第二复合材料230、234具有足够低的粘度进入型腔332的狭窄的区域。对于复合材料230、234，过热可以在10℃-50℃之间。根据选择用于复合材料230、234的组分、模具312的几何结构以及其它条件，其它注入温度和过热条件可以是合适的。

在使用注塑膨胀成型的方法360的实施例中，步骤364还可以包含通过加入膨胀剂来准备第一和第二复合材料230、234。可以以各种方式将膨胀剂加入到第一和第二复合材料230、234。在一个实施例中，可以提供具有已经混合在第一和第二复合材料230、234中的化学膨胀剂的固体的第一和第二复合材料230、234。可以使用的示例性化学制剂包括肼、碳酸氢钠和氮基材料。在其它实施例中，系统300可以包括配置为在压力下将液化气体混合到熔化的第一和第二复合材料230、234以便用作膨胀剂的气体系统。气体可以在加热器302的下游被混合到第一和第二复合材料230、234以便气体可以溶解到熔化的复合材料230、234。用于膨胀剂的示例性气体可以包括氮、二氧化碳以及与第一和第二复合材料230、234不起反应的其它气体。

准备注塑成型系统300的步骤368可以包括例如预加热模具312、引导注入管线316，启动气体系统和/或将预装配的一个或多个纤维垫放置到模具312的型腔332中。注入第一和第二复合材料230、234的步骤372可以具有5秒至30秒之间——更优选10秒至20秒之间——的持续时间。其它持续时间可以适合于更复杂的模具型腔332的几何结构和/或复合材料230、234的较低熔化粘度的组分。在一些实施例中，可以同时发生熔化的第一和第二复合材料230、234的注入，而在其它实施例中，分别注入每种复合材料。在注入步骤372过程中，熔化的第一和第二复合材料230、234被注入到各自的模具312的驾驶员侧部和乘客侧部336、344(参见图5A)，从而使得纤维在最终部件——例如基底120——里面的实质上分离。复合材料230、234也可以在型腔332的其它点被注入，来建立需要的分离或其它性能。在一些实施例中，可以在第一和第二复合材料230、234之前将气体注入到模具312以用作膨胀剂。

特别参照图4A，其说明了在将第一和第二复合材料230、234注入模具312的型腔332的步骤372过程中的配置为生产基底120的模具312的横截面。通过一系列浇口(未示出)注入第一和第二复合材料230、234。通过将第一和第二复合材料230、234注入到各自的型腔332的驾驶员侧部和乘客侧部336、344来填充型腔332。一旦进入模具312，熔化的第一和第二复合材料230、234流畅地朝向彼此流过型腔332。一个或多个通风装置可以在邻近中控面板部340或其中第一和第二复合材料230、234相汇的其它区域处被合并到模具312，以便可以从模具312排出空气。

现在参照图4B，在型腔332的预定位置，熔化的第一和第二复合材料230、234继续朝向彼此流动并结合形成边界区域240。边界区域240包括来自第一和第二复合材料230、234的纤维和树脂的混合物，并可以具有1mm到50mm之间的宽度。通过设计模具312、注塑成型系统300的工艺参数以及选择用于第一和第二复合材料230、234的特定组分来控制边界区域240的位置和宽度。工艺参数可以由控制器308(图4)控制。在一个示例性实施例中，在注入步骤372过程中可以将多于两种的具有不同组分的复合材料注入到型腔332。在该结构中，在每个复合材料之间有边界区域240，使得每个边界区域240具有与其它的边界区域不同的组分。一旦冷却和固化第一和第二复合材料230、234，边界区域240内的树脂和纤维的混合物在第一复合材料230和第二复合材料234之间建立了整体连接，从而将基底120或其它最终部件保持在一起。

特别参照图5A和5B，通过将A板324和B板328分开一预定距离来完成打开模具312的步骤374，以便使型腔332膨胀到仪表板26部件的最终所需的尺寸。典型地，打开距离在大约0.1mm到大约10.0mm的范围，以及尤其在大约1.0mm到大约4.0mm之间。当打开模具312时，由于施加于模具312的压力的变化和型腔332的体积的变化，第一和第二复合材料230、234中存在的膨胀剂迅速产生气泡。当气泡在第一和第二复合材料230、234的树脂内产生时，所形成的仪表板26部件(例如基底120、加强件150、结构风道212)的体积增加并且导致部件尺寸相应的增加。存在的足够数量的膨胀剂使得第一和第二复合材料230、234膨胀并且充满增大的型腔332。应当注意的是在其它实施例中，可以从模具312释放合模压力，以允许通过第一和第二复合材料230、234的膨胀来分离A板324和B板328。

再次参照图4-6，当模具312冷却时，发生冷却熔化的第一和第二复合材料230、234以便形成最终部件(例如基底120)的步骤376。模具312可以被水冷却或可以被空气冷却以便促进最终部件的固化。在固化基底120之后，打开模具并且通过致动一系列顶杆(ejection pin)(未示出)来进行移除最终部件的步骤380，以便从模具312的B板328排出最终部件的。

应当理解的是在没有脱离本发明的构思的情况下可以对上述结构作出改变和变化。例如，本发明的混杂复合材料及其制造方法可以同样适用于机动车辆的格栅。例如，混杂复合材料格栅的附着点需要以短切碳纤维形式的额外加强。进一步应当理解的是这样的构思旨在被以下权利要求覆盖，除非这些权利要求通过它们的文字明确另外说明。

Claims (20)

1.一种车辆仪表板，包含：

基底，所述基底包含在第一尼龙树脂内的多个第一短切碳纤维和多个第一短切玻璃纤维；

连接到所述基底的膨胀加强件，所述膨胀加强件包含在第二尼龙树脂内的多个第二短切碳纤维；

其中所述基底中的所述多个第一短切碳纤维和所述多个第一玻璃纤维是分离的，以便所述碳纤维和所述玻璃纤维的每个大体上分别集中在所述基底的驾驶员侧部和乘客侧部内；以及

膨胀结构风道，所述膨胀结构风道包含在第三尼龙树脂内的多个第二短切玻璃纤维，其中所述风道、所述加强件和所述基底连接以形成中空管。

2.根据权利要求1所述的车辆仪表板，其中所述基底中的所述多个第一短切碳纤维具有所述尼龙树脂中的大约15％到大约40％的纤维体积分数。

3.根据权利要求1所述的车辆仪表板，其中多个第一气泡和多个第二气泡分别被设置在所述膨胀加强件和所述膨胀结构风道内。

4.根据权利要求1所述的车辆仪表板，其中所述基底中的所述多个第一短切碳纤维具有大约5mm到大约7mm的平均纤维长度。

5.根据权利要求1所述的车辆仪表板，其中所述基底进一步包含边界区域，以及进一步地，其中所述基底中的所述多个第一短切碳纤维和所述多个第一玻璃纤维在所述边界区域大体混合。

6.根据权利要求5所述的车辆仪表板，其中所述基底的所述驾驶员侧部的所述多个第一短切碳纤维具有所述第一尼龙树脂中的大约30％到40％的纤维体积分数，所述乘客侧部的所述多个第一短切玻璃纤维具有所述第一尼龙树脂中的大约30％到40％的纤维体积分数，以及所述边界区域中的所述多个第一短切碳纤维和所述多个第一短切玻璃纤维的每个具有所述第一尼龙树脂中的大约15％到20％的纤维体积分数。

7.根据权利要求1所述的车辆仪表板，其中所述结构风道被设置在所述加强件和所述基底之间。

8.根据权利要求7所述的车辆仪表板，其中由所述加强件和所述风道限定的所述中空管配置为通过所述仪表板分配空气。

9.根据权利要求7所述的车辆仪表板，其中所述中空管大体上延伸所述仪表板的长度。

10.根据权利要求7所述的车辆仪表板，其中所述基底的所述第一尼龙树脂是经膨胀的。

11.一种车辆仪表板，包含：

第一膨胀元件，所述第一膨胀元件包含第一纤维复合材料；

第二膨胀元件，所述第二膨胀元件包含第二纤维复合材料；

连接到所述膨胀元件的基底，所述基底包含在树脂内的第一纤维材料和第二纤维材料，所述第一纤维材料和所述第二纤维材料分别被分离到所述基底的驾驶员侧部和乘客侧部，其中所述第一膨胀元件和所述第二膨胀元件连接以支撑所述基底。

12.根据权利要求11所述的车辆仪表板，其中所述第一膨胀元件和所述第二膨胀元件的每个包含设置为遍及整体的多个气泡。

13.根据权利要求11所述的车辆仪表板，其中所述第一纤维材料和所述第二纤维材料的每个选自由以下物质组成的材料群组：碳、芳纶、金属铝、氧化铝、钢、硼、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、超高分子量聚乙烯、高碱玻璃、无碱玻璃、无硼无碱玻璃、中碱玻璃、低介电玻璃、R-玻璃以及S-玻璃。

14.根据权利要求11所述的车辆仪表板，其中所述树脂选自由以下物质组成的材料群组：尼龙、聚丙烯、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、硅树脂、聚酰亚胺、聚醚砜、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂和聚苯并咪唑。

15.一种形成车辆部件的方法，包含步骤：

熔化包含第一纤维材料、第一树脂和第一膨胀剂的第一复合材料；

熔化包含第二纤维材料、第二树脂和第二膨胀剂的第二复合材料；

将所述熔化的复合材料注入到模具，以使所述第一复合材料和所述第二复合材料的每个大体上分别集中于所述模具的第一部和第二部；

打开所述模具并且使所述熔化的复合材料膨胀；以及

使所述熔化并且膨胀的复合材料冷却以形成仪表板部件。

16.根据权利要求15所述的车辆部件，其中所述第一纤维材料和所述第二纤维材料的每个选自由以下物质组成的材料群组：碳、芳纶、金属铝、氧化铝、钢、硼、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、超高分子量聚乙烯、高碱玻璃、无碱玻璃、无硼无碱玻璃、中碱玻璃、低介电玻璃、R-玻璃以及S-玻璃。

17.根据权利要求15所述的车辆部件，其中所述第一树脂和所述第二树脂的每个选自由以下物质组成的材料群组：尼龙、聚丙烯、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、硅树脂、聚酰亚胺、聚醚砜、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂和聚苯并咪唑。

18.根据权利要求15所述的车辆部件，其中所述第一部和所述第二部的每个分别具有所述第一树脂和所述第二树脂中的大约15％到大约40％各自的所述第一纤维材料和所述第二纤维材料的纤维体积分数。

19.根据权利要求18所述的车辆部件，其中所述第一部中的所述第一纤维材料具有所述第一树脂中的大约30％到40％的纤维体积分数，所述第二部中的所述第二纤维材料具有所述第二树脂中的大约30％到40％的纤维体积分数，以及边界区域中的所述第一纤维材料和所述第二纤维材料的每个具有所述第一树脂和所述第二树脂的混合物中的大约15％到20％的纤维体积分数。

20.根据权利要求15所述的车辆部件，其中所述第一膨胀剂和所述第二膨胀剂选自由以下物质组成的群组：氮、二氧化碳、肼以及碳酸氢钠。