CN106891530A - 改进的机动车部件制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进的机动车部件(8)制造方法，该方法包括组装由经成型的金属材料片材构成的结构元件(6)与复合材料幅(11)的组装步骤，所述复合材料幅包括至少一个其中的纤维在聚合物基质中浸渍过或浸入过的纤维层，该复合材料幅覆盖所述结构元件的表面的一部分，并且在包括相互平行的上边缘和下边缘的矩形大尺寸片材中提取，该复合材料幅是通过沿着每条都从上边缘延伸至下边缘(3)的第一切割线和第二切割线来提取该大尺寸片材的一部分而获得的。对于每条切割线都存在被布置在与上边缘和下边缘等距处的对称中心，使得切割线的任一点都是属于所述切割线的另一点相对于所述对称中心的对称点。

Description

改进的机动车部件制造方法
技术领域
本发明的主题在于一种机动车部件制造方法，其中所述机动车部件通过组装多种不同材料(比如金属元件和聚合物材料)构成，以赋予该部件特别的机械特征。
背景技术
实际上，机动车的某些结构部件在冲击时尤其受到影响。这些部件必须能够提供承受冲击时的力所必需的刚性和强度，并且吸收一部分能量以保持车辆的完好性和确保乘客的安全。这例如是比如中柱、外纵梁、车顶横梁、保险杠等结构部件或者可能是车辆的任何其他结构部件的情况。
这些结构部件还必须具有足够的强度，以局部地支持多种机械功能。这例如是机动车中柱的情况，该中柱在侧向冲击时高度受到影响，并且还必须在借助于铰链确保对后门的支承的同时借助于前门的关闭系统确保前门的结实。
在同等机械强度下，混合结构部件还在改善了混合结构部件的冲击缓冲特性的同时允许减轻混合结构部件的重量。
公开EP1550604提出了一种混合结构部件制造方法，其中成型被预先覆有可热激活的表面覆层的金属结构元件。然后通过包覆成型在包括表面覆层的金属结构元件的表面上添加构成肋的热塑性材料。
还已知包括复合材料的混合结构的情况，该复合材料包括其中的纤维在聚合物基质中浸渍过的纤维层。该纤维层一般由单向纤维构成并可能包括一个或多个额外的纺织纤维层。优选地，在施加连接材料中间层之后直接在预成型的金属结构元件中通过热冲压来成型复合材料层。然后优选地在与冲压步骤所用的模具相同的模具中通过包覆成型热塑性或热固性的聚合物材料来实现呈现肋的形式的加强元件(éléments de rigidification)。复合材料覆盖金属结构元件的所述表面的全部或局部，于是聚合物材料可以覆盖全部或局部复合材料以及金属结构元件上被复合材料片材留出的空位的一部分。
为了制造复合结构部件，需要在一般是平的的片材或尺寸更大的板材中提取复合材料幅。
该大尺寸片材可以是呈现为具有给定宽度的卷绕片材的形式或呈现为具有给定的长度和宽度的板材的形式的连续片材；“大尺寸”在这里指的是能够在同一大尺寸片材中提取多幅复合材料这种现象。
该复合材料幅的轮廓的形状通过计算和/或经由实验来确定，以能够在冲压后匹配于金属结构元件的起伏形状，同时考虑了在该冲压操作时产生的施加于复合材料幅上的几何形状的改变。而且，为了以优化的方式覆盖金属结构的表面(所述表面一般由内表面构成)，应获得具有非常起伏不平的轮廓的材料幅的形状，这些形状需要精确的切割。
该操作方式的缺陷包括在大尺寸片材中提取材料幅时产生复合材料的边角料。
发明内容
本发明的目的在于将实施上述方法时产生的复合材料的边角料量减少到几近于零。
与普遍接受的理念相反，已经显示出：为了获得期望的机械效果，只要在金属结构元件的内表面的表面最受力的部分上存在纤维，复合材料幅就无需覆盖整个表面。该发现允许为复合材料幅的形状的简化铺路。
根据本发明的方法涉及机动车部件的制造，该方法包括组装预成型的金属结构元件与复合材料幅的组装步骤，其中所述复合材料幅包括至少一个其中的纤维在聚合物基质中浸渍过或浸入过的纤维层，该复合材料幅覆盖所述金属结构元件的至少一个表面的一部分。该复合材料幅在具有相互平行的上边缘和下边缘的矩形大尺寸片材中提取，该复合材料幅是通过沿着每条都从上边缘延伸至下边缘的第一切割线和第二切割线来提取大尺寸片材的一部分而获得的。
该方法的特征在于，对于每条切割线都存在被布置在与上边缘和下边缘等距处的对称中心，使得切割线的任一点都是属于所述切割线的另一点的相对于所述对称中心的对称点。
这些布置允许提取轮廓具有相同几何形状并因此能完美地重叠的复合材料幅，同时使边角料仅限于大尺寸片材的位于所述片材的两个纵向端部处的部分。如将在下文中可见，该操作方式可以被优化，以使得最后的这些边角料被减少到零。
并且，尽管有以上所述的限制，通过实施根据本发明的方法所能够实现的几何形状的多样性足以涵盖制造机动车部件的大部分实际情况。
在提取步骤之后，由此获得的复合材料幅优选地通过热冲压来与金属结构元件进行组装。
根据本发明的方法还可以单独或组合地包括以下特征：
-相邻幅的提取通过相继地进行沿着第一切割线的切割、然后沿着第二切割线的切割来实现。
-切割线的对称中心被布置在相互等距处。
-切割中的至少一个是直线的并与上下边缘形成直角。
-由第一切割和第二切割形成的线在位于上边缘或下边缘上的点处相交。
-第一切割线和第二切割线部分地重合。
-复合材料幅能够相互重叠。
-复合材料幅包括其中的单向纤维在聚合物材料基质中浸渍过或浸入过的单向纤维层。
-复合材料幅通过叠置在大尺寸片材中提取的多个相同的复合材料幅而构成。
-通过在允许将复合材料幅成型为金属结构元件的表面的形状的温度和压强条件下进行的对复合材料幅的热冲压来对该复合材料幅与金属结构元件进行组装。
-在金属结构元件与复合材料幅的组装步骤完成之后，优选地通过模制来使用具有加强肋的聚合物材料覆盖金属结构元件的表面的复合材料幅的全部或局部。
-该聚合物材料在介于复合材料幅的总面积的10％至50％之间、优选地15％至40％之间的面积上覆盖该复合材料幅。
附图说明
通过阅读仅作为示例提供而绝无任何限制性的附图将更好地理解本发明，在这些附图中：
-图1示出了由复合材料构成的大尺寸片材，在该片材中提取根据本发明的复合材料幅。
-图2示出了相邻的两个复合材料幅。
-图3示出了由复合材料构成的大尺寸片材，在该片材中提取梯形的复合材料幅。
-图4示出了本发明的第一实施变型。
-图5示出了本发明的第二实施变型。
-图6示出了通过叠置两个具有相同形状和面积的幅获得的复合材料幅。
-图7示出了组装之前的金属结构中柱和复合材料幅。
-图8示出了在金属结构中冲压复合材料幅之后的中柱。
-图9示出了注射由聚合物材料制成的加强肋之后的中柱。
具体实施方式
图1示出了具有长度L和宽度I的大尺寸片材1，在该片材中提取多个构成复合材料幅10的片材部分10a、10b。大尺寸片材1包括相互平行的下边缘3和上边缘4。
构成片材的复合材料一般包括其中的纤维在热塑性或热固性聚合物材料基质中浸渍过或浸入过的纤维层。该纤维层可以由单向纤维层或纺织纤维层或组合单向纤维与纺织纤维构成。单向纤维被按照确定的间距相互平行地布置。这些纤维可以沿大尺寸片材的长度的方向来定向和更一般而言沿大尺寸片材的宽度方向来定向。
单向纤维片材的工业制造通常通过实现依次卷绕的带材来进行，在所述带材中纤维沿带材解卷的方向布置。而且，当期望获得包括沿金属结构元件的长方向(élancement)定向的纤维的复合材料幅时，在其中的纤维沿宽度方向定向的大尺寸片材中提取这些幅是合适的。
为了获得所述大尺寸片材，可解卷带材，并沿着垂直于带材的加强纤维的方向的切割线来切割长度等于所述大尺寸片材的宽度的带材部分。
为了裁下带材部分10a并获得复合材料幅，可进行沿着第一切割线101的切割，然后进行沿着第二切割线102的切割。这些切割中的每个都在大尺寸片材的宽度中从下边缘3一直延伸到上边缘4。
第一切割线包括布置在与边缘3和4等距处的对称中心Ω1，第二切割线102包括同样位于与边缘3和4等距处的对称中心Ω2。这些对称中心因此位于平行于这些边缘并与这些边缘等距的虚线xx’上。
第一切割线101被限定为使得该切割线的任一点都是属于该同一切割线101的另一点相对于中心Ω1的对称点。并且，第二切割线102的任一点都是所述第二切割线102的另一点相对于中心Ω2的对称点。
随后的幅的切割通过交替地实施沿着第一切割线101的切割然后沿着第二切割线102的切割来进行。还应注意到两个相邻对称中心(Ω1、Ω2、Ω3、Ω4)的间隔距离是恒定的。
通过使幅10a的下边缘103a与幅10b的上边缘104b对接并使幅10a的上边缘104a与幅10b的下边缘103b对接，来获得可叠置的复合材料幅10，如图2中所示。
然而，要指出的是，大尺寸片材1的布置在该片材的两个纵向端部处的部分9对应于边角料。因此，为了减少这些边角料，可进行布置以使得大尺寸片材的长度L对应于整数个幅10，如图1中所示。
为了进一步减少由该工业操作产生的边角料量，提出通过实现至少一个垂直于上下边缘3和4的直线切割111来提取片材部分，如图3中所示。
第二切割线112的形状可以是任意的，只要其遵守上文所述的对称准则。要指出的是，两个连续幅的组合具有矩形的形状。
而且，为了将边角料减少到零，可选择长度等于由并置两个相同的幅构成的矩形的宽度(在本示例中为下边缘114的长度a与上边缘113的长度b的和)的整数倍的这样的大尺寸片材。
图4示出了第一替代实施例，其中第一切割线和第二切割线在点A处相交，该点A被布置在两条边缘之一上。这些切割线可以具有多种形状。
由此，部分13的第一切割线与边缘垂直。如上文所述，该布置允许将边角料减少到零。第二切割线132的形状在本发明所限定的限制范围内可以是任意的。当第二切割线132是直线的时候，所获得的幅具有直角三角形的形状。
形成其中第一切割和第二切割均不垂直于边缘的幅14和15的片材部分在片材的起始和结束处产生边角料9。
图5示出了另一替代实施例，其中第一切割和第二切割在其长度的一部分上重合。考虑到所要求的对称性，该重合被实现于切割的与每条边缘均垂直的两部分上。
幅16通过第一切割161和第二切割162来获得。该第二切割162是直线的，并垂直于边缘。
幅17通过沿着线171和172切割来获得。
一般性地，单向纤维的方向被选择为平行于要制造的复合材料部件的最大尺寸并用作主要方向XX’(还可参照图7)。在这些条件下，单向纤维将沿大尺寸片材的宽度方向定向，如图1所示。
当复合材料片材1具有多个单向纤维层时，这些单向纤维优选地全部沿同一主要方向XX’排列。
如图6所示地，有用地可以叠置在不同的大尺寸片材中或在同一大尺寸片材中提取的两个幅，以构成单个复合材料幅。于是两个幅中的每个的聚合物基质(被选择为能够相互兼容)在热冲压步骤时的压强和温度作用下被紧密地焊接在一起。
纤维可以具有相同或不同的性质，并从比如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、金属纤维、芳纶纤维等纤维中选择。
包裹纤维的聚合物基质可以是热塑性类型的，并有用地可以从脂肪族聚酰胺(PA)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、甚至聚丙烯以及它们的混合物中选择。示例性地，可以使用聚酰胺66(PA66)、聚酰胺6(PA6)。聚合物基质还可以是热固性类型的。由此优选地可以选择聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂或者它们的混合物。
复合材料幅的厚度可以为3至6mm，有利地3至5mm，优选地4至5mm。
图7示出了用于构成机动车中柱8的经成型的金属结构元件6、以及与该元件关联并具有直角梯形形状的复合材料幅11。一般通过冲制金属片材获得的该金属结构元件具有整体呈凹形的内表面61和与内表面61相对的外表面62。
复合材料幅的单向纤维5沿着对应于金属结构元件的最长的方向的主要方向XX’定向。
在热冲压操作之前先在金属结构与复合材料幅之间夹置连接材料层。
图8示出了在热冲压操作之后获得的结构，在该冲压操作期间复合材料幅被模制在金属结构元件的内表面61上。
可观察到纤维5已经被横向地移动，并且在冲压之前在幅上观察到的纤维之间的规则间距(见图7)受到了强烈的局部扰乱。这些运动允许尽量地贴合金属结构元件的表面。
而且，在寻求确保对金属结构元件的内表面61的大致规则的覆盖的同时，通过计算和/或连续实验的方式来确定复合材料幅的尺寸。因此，在调整该方法时，要特别注意冲压步骤，在该步骤期间复合材料幅可能会具有超出要覆盖的表面的边界的超出部分。这些多余材料部分如果产生就会需要操作人员介入以去除多余材料，并且会导致增加不期望的边角料。因此，可调整幅的尺寸以消除这些多余材料部分。
在实现热冲压操作之后，进行同时实现加强肋7的通过注射聚合物材料的模制，其中所述加强肋7覆盖复合材料幅11的全部或局部，从而覆盖金属结构元件6的全部或局部。应确保聚合物材料在介于混合结构部件的表面的总面积的10％至50％之间、优选地15％至40％之间的面积上覆盖复合材料幅。
由此获得如图9所示的机动车部件8，该部件具有所有期望的机械性质和抗冲击强度。
术语表
1 大尺寸矩形片材
10、10a、10b、11、12、13、14、15、16、17 复合材料幅
101、111、121、131、141、151、161、171 第一切割线
102、112、122、132、142、152、162、172 第二切割线
3 大尺寸片材的下边缘
4 大尺寸片材的上边缘
103a、103b、113 复合材料幅的下边缘
104a、104b、114 复合材料幅的上边缘
5 复合材料幅的加强纤维
6 中柱的金属结构元件
61 金属结构元件的内表面
62 金属结构元件的外表面
7 由聚合物材料制成的加强肋
8 构成机动车中柱的具有混合结构的机动车部件
9 边角料
L 大尺寸片材的长度
I 大尺寸片材的宽度
a 梯形的下底的长度
b 梯形的上底的长度
c 直角三角形复合材料幅的下边缘的长度
Ω1、Ω2、Ω3、Ω4 切割线的对称中心

Claims (12)

1.一种用于制造机动车部件(8)的方法，所述方法包括组装预成型的金属结构元件(6)与复合材料幅(10、11、12、13、14、15、16、17)的组装步骤，所述复合材料幅包括至少一个其中的纤维(5)在聚合物基质中浸渍过或浸入过的纤维层，所述复合材料幅覆盖所述金属结构元件(6)的至少一个表面(61)的一部分，并且在包括相互平行的上边缘(4)和下边缘(3)的矩形大尺寸片材(1)中提取，所述复合材料幅是通过沿着每条都从所述上边缘(4)延伸至所述下边缘(3)的第一切割线(101、111、121、131、141、151、161、171)和第二切割线(102、112、122、132、142、152、162、172)来提取所述大尺寸片材的一部分而获得的，其特征在于，对于每条所述切割线都存在被布置在与所述上边缘和所述下边缘等距处的对称中心(Ω)，使得所述切割线的任一点都是属于该切割线的另一点相对于所述对称中心(Ω)的对称点。
2.如权利要求1所述的方法，其中，相邻幅的提取通过相继地进行沿着所述第一切割线(101、111、121、131、141、151、161、171)的切割、然后沿着所述第二切割线(102、112、122、132、142、152、162、172)的切割来实现。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述幅的切割线的对称中心(Ω)被布置在相互等距处。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述切割中至少一个(111、131、162)是直线的，并与所述上边缘(4)和所述下边缘(3)形成直角。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中由所述第一切割(131)和所述第二切割(132)形成的线在位于所述上边缘(4)或所述下边缘(3)上的点(A)处相交。
6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述第一切割线(161、171)和所述第二切割线(162、172)部分地重合。
7.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述复合材料幅能够相互重叠。
8.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述复合材料幅(10、11、12、13、14、15、16、17)包括其中的单向纤维(5)在聚合物材料基质中浸渍过或浸入过的单向纤维层。
9.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述复合材料幅(10、11、12、13、14、15、16、17)通过叠置在所述大尺寸片材(1)中提取的多个相同的复合材料幅而构成。
10.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中通过在允许将所述复合材料幅(10、11、12、13、14、15、16、17)成型为所述金属结构元件(6)的表面(61)的形状的温度和压强条件下进行的对所述复合材料幅的热冲压来对所述复合材料幅与所述金属结构元件进行组装。
11.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在所述金属结构元件与所述复合材料幅的组装步骤完成之后，优选地通过模制来使用具有加强肋(7)的聚合物材料覆盖所述复合材料幅的全部或局部和所述金属结构元件的至少一个表面(61)。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述聚合物材料在介于所述机动车部件(8)的表面的总面积的10％至50％之间、优选地15％至40％之间的面积上覆盖所述复合材料幅。
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