CN111601693B - 制造复合组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造复合组件的方法，所述复合组件包括嵌入物和由热塑性聚合物制成的塑料部件(17)，其中所述塑料部件(17)至少部分地包围所述嵌入物，所述方法包括：(a)将嵌入物的至少一个部件(1)或嵌入物放入注塑模具(11)中，(b)闭合注塑模具(11)，(c)将热塑性聚合物注入模具(11)中，从而至少部分地使嵌入物包覆成型，其中在将嵌入物放入注塑模具(11)之前对其进行修饰，或者在打开注塑模具以移出复合组件之前在注塑模具(11)中对嵌入物进行修饰。

Description

制造复合组件的方法

本发明涉及一种制造复合组件的方法，所述复合组件包括嵌入物和由热塑性聚合物制成的塑料部件，其中塑料部件至少部分地包围嵌入物，所述方法包括：

(a)将嵌入物置于注塑模具中，

(b)闭合注塑模具，

(c)将热塑性聚合物注入模具中，从而至少部分地使嵌入物包覆成型(overmolding)。

包括嵌入物和由热塑性聚合物制成的塑料部件的复合组件为例如能量吸收组件。当需要控制来自冲击中的大量动能的散发以最小化例如对乘客或重要的和有价值的相邻结构的不利影响时，这种能量吸收组件用于例如汽车工业中。例如在发生碰撞的情况下，通过组件的变形和受控失效来吸收能量。由于鉴于减少燃料消耗的需求，减轻重量是必不可少的，所以期望由更轻的材料例如塑料制造组件。特别是对于保险杠中所使用的能量吸收组件类型的另一要求是，所述组件表现出优化的失效行为。目的是吸收更多的能量同时最小化安装空间。

所述能量吸收组件及制造能量吸收组件的方法公开于例如WO-A 2017/137480中。能量吸收组件包括称为芯结构的嵌入物和称为辅助结构的塑料部件。芯结构由金属或用连续长丝纤维增强的聚合物制成，辅助结构由未用短纤维或长纤维增强的聚合物材料或使用短纤维或长纤维增强的聚合物材料制成。

其他能量吸收结构公开于例如WO-A 2012/140151、FR-A 2 936 469、EP-A 1 316409、EP-A 2 380 782、WO-A 2016/177440或WO-A 2016/176319中。这些能量吸收结构中的大多数由聚合物制成，并且能量吸收效果由能量吸收结构的复杂几何形状产生。

提供复合组件作为能量吸收结构的优点在于，由于用于复合组件的材料不同，可以实现更复合的效果。特别地，通过使用复合组件，更容易建立恒定或以恒定方式上升的力-位移曲线。

本发明的目的是提供一种制造复合组件的方法，所述方法可适于如本领域已知的方法以更简单的方式将预定特性施加至复合组件上，并且还允许制造具有相同外部几何形状但不同特性的复合组件。

该目的通过一种制造复合组件的方法来实现，所述复合组件包括嵌入物和由热塑性聚合物制成的塑料部件，其中塑料部件至少部分地包围嵌入物，所述方法包括：

(a)将嵌入物的至少一个部件或嵌入物置于注塑模具中，

(b)闭合注塑模具，

(c)将热塑性聚合物注入模具中，从而至少部分地使嵌入物包覆成型，

其中在将嵌入物放入注塑模具之前对其进行修饰，或者在打开注塑模具以移出复合组件之前在注塑模具中对嵌入物进行修饰。

通过使用包括嵌入物和塑料部件的复合组件，可以应用复合特性例如恒定或恒定上升的力-位移曲线。复合组件允许将部分特性施加至嵌入物上，以及将部分特性施加至塑料部件上。由于复合组件的特性由嵌入物的特性和塑料部件的特性组成，因此与能量吸收组件仅由增强塑料制成而无另外嵌入物的情况相比，其可使塑料部件的成型更简单。

在将嵌入物放入注塑模具之前或在打开注塑模具以移出复合组件之前对嵌入物进行修饰的本发明步骤允许制备较不复杂的嵌入物，并在用于塑料部件的聚合物材料的注入过程中将嵌入物引入至最终成型中。

在将嵌入物放入注塑模具之前对嵌入物的修饰包括例如通过接合或连接嵌入物的至少两个部件以通过该连接形成嵌入物。然而，如果嵌入物由至少两个部件形成，则不必将它们在注塑模具外部连接。替代地并且优选地，还可将用于嵌入物的部件置于注塑模具中并在闭合镶嵌模时将其接合。此外，还可在已闭合注塑模具后例如通过模具来接合嵌入物的部件，所述模具冲击嵌入物的部件并在注入聚合物之前将嵌入物部件推至最终位置。

为了接合嵌入物的部件，当各部件包括沿一个边缘的凹槽和沿另一边缘的榫舌(tongue)时是特别优选的。为了接合部件，将一个部件的榫舌插入另一部件的凹槽中，反之亦然。这允许在没有额外固定装置(例如螺钉或螺栓)或没有焊接或胶合的额外固定的情况下仅通过插接来连接部件以形成嵌入物。最终，插入的嵌入物由注入注塑模具中的塑料部件的聚合物固定。

对于沿主轴线对称的嵌入物，当嵌入物的部件全部具有相同的形状且各部件包括在主轴线方向上具有一个榫舌的边缘和在主轴线方向上具有一个凹槽的第二边缘时是优选的。为了接合部件，将一个部件的榫舌插入相邻部件的凹槽中。

如果复合组件为能量吸收组件，则主轴表示冲击组件的主作用方向上的轴线。该方向还通常与能量吸收组件的长度最大的方向相同。

除了使用全部具有相同形状的部件之外，还可使用具有不同形状的部件进行接合形成嵌入物。如果嵌入物由两部分制成，则在这种情况下，第一部件的榫舌和凹槽之间的距离对应于第二部件的榫舌和凹槽的距离，使得待连接的两个部件装配在一起。如果嵌入物包括两个以上部件，则各个部件必须以这样的方式形成，使得在连接部件时待连接的最后一个部件装配至已接合部件之间剩余的空间。

除了由至少两个被接合的部件形成嵌入物之外，还可制造嵌入物作为剖分式嵌入物(split insert)，并通过接合所述剖分式嵌入物来修饰嵌入物。如果使用剖分式嵌入物，则当嵌入物在一侧连接时是优选的，并且当连接件包括铰链时是特别优选的。在这种情况下，将嵌入物折叠于铰链上并在与铰链相对的边缘上进行接合。

替代地或另外，通过将凹痕、波纹、褶皱或开口引入嵌入物中来修饰嵌入物。通过将凹痕、波纹、褶皱或开口引入嵌入物中，可改变嵌入物的特性，特别是刚度和硬度。通过这种修饰，可特别使嵌入物适应复合组件的预期用途的所需要求。

特别地，当通过引入凹痕、波纹、褶皱或开口将复合组件用作能量吸收组件时，可调节能量吸收特性，即，特别是力-位移特性。

在本发明的上下文中，表述力-位移特性是指使能量吸收组件变形或破坏所需的力随由该组件的逐步破坏所导致的组件尺寸的函数。

另外或作为替代，还可通过增加螺栓、螺钉或销钉来修饰嵌入物。添加螺栓、螺钉或销钉可将其他组件在复合组件通过注塑成型制备后固定于复合组件上。此外，还可将复合组件固定于另一组件上，例如如果复合组件作为车身的一部分上的能量吸收组件。

如果复合组件用作能量吸收结构，则嵌入物例如具有管或平截头圆锥体的形状。特别是当嵌入物为管的形状时，该嵌入物由至少两个相同的半圆形部件制成，所述半圆形部件的一个边缘形成为榫舌并且一个边缘形成为舌槽式接头(tongue-and-groove joint)(通过将一个部件的榫舌插入另一部件的凹槽中来连接部件以得到管状嵌入物)的凹槽。然而，如上所述，还可以任何其他形式提供嵌入物的部件，使得在连接部件时形成具有不同于圆形截面的横截面的管。所述横截面还允许将嵌入物的力-位移特性调整为预设曲线。

除了使用具有不同于半圆形形状(例如锯齿形、角形、椭圆形或任意其他形状)的嵌入物的部件之外，还可在将部件置于注塑模具中并将部件组合成管之后，通过例如将凹痕、波纹、褶皱或开口插入到嵌入物中和/或添加销钉、螺栓或螺钉而在注塑模具中修饰嵌入物的形状。

通过具有嵌入物的复合组件的设计，对于作为能量吸收组件的用途而言，还可防止在由非正面冲击引起的横向力的情况下嵌入物的屈曲。特别地，修饰的嵌入物防止了用作能量吸收组件的复合组件的横向断裂。因此，嵌入物以可吸收大部分的所需能量的方式进行修饰。通过嵌入物的破坏而吸收的能量可大于没有具体修饰的嵌入物的能量吸收组件的情况。即使在冲击为非精确地正面的而且还包括横向分量或侧向分量的情况下，通过在打开注塑模具之前对嵌入物的修饰，可以施加几何状形由此实现预期的力-位移特性。

作为具有管或平截头圆锥体形状的嵌入物的替代，还可使用波浪形、锯齿形或Ω形或由直线和/或弯曲截面组成的嵌入物。

在垂直于轴向方向的平面截面中，嵌入物优选包括具有曲率半径的曲率的边缘，所述曲率半径为通过使嵌入物的材料经受成型过程而可达到的最小曲率半径的数量级或大小。这些边缘为嵌入物提供了极大的稳定性，并且在发生碰撞的情况下作为起始点，在该起始点处，能量通过嵌入物的受控破坏而被吸收。除了具有曲率的边缘之外，还可提供在垂直于轴向方向具有任意合适形状(例如波浪形或锯齿形)的嵌入物边缘。嵌入物的边缘形状可在注塑模具中形成，并且为打开注塑模具之前修饰嵌入物的另一选择。

除了在垂直于轴向方向的边缘上切割轮廓之外，还可在嵌入物的任何其他边缘上切割轮廓。另外，该轮廓定义了嵌入物的力-位移特性，并被成型至预定图案。

在打开注塑模具之前对嵌入物的修饰可通过模拟计算，例如通过有限差分法、有限元法或有限体积法来确定。用于确定合适形状的这种模拟计算对于技术人员而言是众所周知的，并且可以由可商购获得的计算机程序执行。

对于其特定的预期目的而言，能量吸收组件必须具有一定的力-位移特性，并且必须适合于吸收规定量的能量。在组件的设计中需要考虑的另一因素是，当作用于能量吸收组件上的能量被吸收时，有必要避免超过规定的最大力，以避免在力的作用方向上损坏布置于能量吸收组件后面的元件。此外，由于需要在其指定的使用位置与其他组件进行交互，因此仅在极少数情况下才可以考虑单独地能量吸收组件。本文在能量吸收组件的设计中需要考虑的因素特别是在于外观尺寸和连接区域的布置。将用作能量吸收组件的复合组件分为嵌入物和由热塑性聚合物制成的塑料部件，使得将各种要求分别分配至嵌入物和塑料部件。这允许例如改变嵌入物的几何形状，以通过保持复合组件的外形而使复合组件适应不同的要求，例如不同的预定力-位移特性。如果复合组件例如在具有不同质量的需要引入不同量的能量的车辆中用作具有相同外部几何设计的能量吸收组件，则力-位移特性可通过简单改变至少一个芯结构来定标(scale)。例如，在不改变复合组件的外观设计的情况下，可改变壁厚、嵌入物和/或塑料部件的材料或通过修饰嵌入物而引入的几何形状。

特别地，如果复合组件用作机动车辆中的能量吸收组件，则可使用在各种类型的车辆上标准化的形状和尺寸以及固定点，同时力-位移特性和可吸收的能量分别通过至少一个嵌入物的不同选择进行调节。同样地，因此可在车辆的设计中改变复合组件的设计，而不会对车辆的其他组件(例如固定于能量吸收组件上的其他组件)产生任何影响。

制造嵌入物的材料例如为金属、聚合物或陶瓷。

如果嵌入物由金属制成，则优选嵌入物由铝制成。然而，可用于制造嵌入物的其他金属为例如钢、钛、镁。

如果嵌入物由聚合物制成，则特别优选使用增强的聚合物。合适的增强聚合物特别为使用连续长丝纤维增强的那些聚合物。在这种情况下，复合组件的性能还可通过适当选择使用连续长丝纤维增强的聚合物材料来影响。特别地，性能可受到所使用的聚合物、纤维、纤维的比例和/或纤维的取向的影响。

如果将用连续长丝纤维增强的聚合物材料用于制造嵌入物，则纤维的比例优选为1至70体积％、特别是10至60体积％且非常特别优选20至50体积％。可将第一材料的连续长丝纤维以一层或多层引入第一材料中。本文中第一材料例如可包括机织物、针织物、非纺织物形式的纤维或平行取向的连续长丝纤维形式的纤维。特别优选纤维为平行取向的连续长丝纤维。

如果纤维为平行取向的连续长丝纤维的形式，则例如可使用所谓的带材(tape)。存在于其中的连续长丝纤维具有平行取向并且已用聚合物材料饱和。纤维可以仅在一层中或在多层中。如果将纤维引入多层中，则各个层的取向可以这样的方式相对于彼此变化，使得各个纤维方向已相对于彼此旋转。如果例如使用两层带材，则在两个不同的纤维方向之间所围成的角度可为90°。如果两层机织物相互叠置，则优选使两层机织物相对于彼此旋转45°，从而使四个纤维方向中的每一个之间角度为45°。优选对称布置穿过材料厚度的层。

本发明的实施方案示于附图中并在以下描述中进一步说明。

在附图中：

图1示出了嵌入物的一个部件。

图2示出了由图1所示部件形成的嵌入物。

图3a至3c示意性示出了制造复合部件的过程。

图4a至4d示出了嵌入物部件的不同横截面。

在图1中，以剖视图示出了嵌入物的部件。

如图1所示，嵌入物的部件1具有半圆形的形状。该形状允许通过挤压以简单的方式制造嵌入物的部件1。特别地，与制造空心体不同，可在不使用挤压模中的芯的情况下形成嵌入物的部件1。嵌入物的部件1包括两个边缘3，所述边缘沿嵌入物的部件1在轴向方向上延伸。一个边缘3形成为榫舌5，而另一边缘3形成为凹槽7。

为了形成嵌入物，可将如图1所示的两个部件连接，从而形成管状空心体9。所述空心体例如示于图2中。为了形成空心体，将一个嵌入物部件1的榫舌5插入到第二个嵌入物部件1的凹槽7中，并将所述第二个嵌入物部件1的榫舌5插入到所述第一个嵌入物部件1的凹槽7中，由此形成管状空心体。

两个嵌入物部件1的连接可在将嵌入物置于向其中注入热塑性聚合物以形成塑料部件的注塑模具之前进行或在模具中进行。

制造复合部件的方法示例性地示于例如图3a至3c中。

在一个优选的实施方案中，形成嵌入物的部件1在注塑模具11中连接，如图3a所示。为了在模具中连接嵌入物部件1，将一个嵌入物部件1放入模具11的一个部件13中，并将第二个嵌入物部件1放入模具11的第二个部件15中。在将嵌入物部件1放入模具11的部件13、15中后，如图3b所示闭合模具11。通过闭合模具11，将放入模具11的部件13、15中的部件1连接，从而形成空心体9作为嵌入物。在下一步骤中，如图3c所示，将热塑性聚合物注入模具中，从而至少部分地包围嵌入物并形成塑料部件17。为了包围嵌入物(图3c中的空心体9)，模具优选包括收缩式模具(retractable die)19。然后，将嵌入物部件1置于收缩式模具19上以形成嵌入物，并在通过连接嵌入物部件1已形成嵌入物后，使收缩式模具19回缩，从而在嵌入物和模具(可向其中注入热塑性聚合物)的表面之间开放空间。如果收缩式模具的形状与塑料部件的形状不对应，则例如可进一步使收缩式模具19回缩，并将本文中未示出的另外的部件移入模具中。模具的这种构造对于技术人员而言是众所周知的，并且已特别用于制造由不同的相继被注入模具中的聚合物制成的组件。

另外或作为替代，还可在模具中以不同的方式修饰嵌入物，所述不同的方式为例如通过将凹痕、波纹、褶皱或开口引入嵌入物中和/或通过添加螺栓、螺钉或销钉。

将凹痕、波纹、褶皱或开口例如通过按压模具的成型模引入嵌入物中，然后将成型模回缩至模具中，以使热塑性聚合物注入模具中形成塑料部件。

如果想要在嵌入物中形成轮廓边缘，则可为模具提供可以将轮廓切割成嵌入物边缘的刀具。在这种情况下，优选在注入热塑性聚合物之前从模具上移除从嵌入物上切下的部件。然而，根据复合组件的几何形状，还可将从嵌入物上切下的部件保留在模具中，并在将复合组件从模具中移出后将其移除。

除了嵌入物部件1的半圆形横截面形状之外，嵌入物部件1可具有任何其他形状。嵌入物部件的形状因此取决于复合组件应满足的特征，并且可通过模拟计算进行设计。嵌入物部件1的合适形状示于例如图3a至3d中。

嵌入物部件1的横截面形状例如可为如图3a所示的矩形或如图3b所示的具有圆边缘的矩形。其他可能的形状为如图3c所示的锯齿形或如图3d所示的波浪形。然而，除了所示形状之外，嵌入物部件的任何其他形状也是可能的。

为了由至少两个嵌入物部件1形成嵌入物，可连接至少两个相同的部件，或在替代方案中连接具有不同形状的嵌入物部件1。如果待连接的部件具有不同的形状，则仅重要的是嵌入物部件1的几何形状应使得在两个待连接的部件上榫舌和凹槽之间的距离相等。榫舌和凹槽之间的相等距离允许将两个部件通过部件的榫舌插入相应的另一部件的凹槽中进行连接。连接具有不同形状的部件的这种可能性能够实现复合组件的不同特征。除了不同的形状之外，还可连接具有相似形状但不同横截面积的部件1。这还允许调整复合组件的特征以满足预设要求。

Claims (7)

1.一种制造能量吸收组件的方法，所述能量吸收组件包括嵌入物和由热塑性聚合物制成的塑料部件(17)，其中所述塑料部件(17)至少部分地包围所述嵌入物，并且构建能量吸收组件以控制动能散发，所述方法包括：

(a)将嵌入物的至少两个部件(1)或嵌入物置于注塑模具(11)中，

(b)闭合注塑模具(11)，

(c)将热塑性聚合物注入模具(11)中，从而至少部分地使嵌入物包覆成型，

其中在将嵌入物放入注塑模具(11)之前对其进行修饰，或者在打开注塑模具以移出复合组件之前在注塑模具(11)中对嵌入物进行修饰，其中所述嵌入物通过将凹痕、波纹、褶皱或开口引入所述嵌入物中来修饰，以调节能量吸收特性，并且其中所述嵌入物通过在闭合注塑模具时接合或连接所述嵌入物的至少两个部件(1)来形成，或在已闭合注塑模具后通过模子接合或连接所述嵌入物的至少两个部件来形成，其中所述模子冲击所述嵌入物的至少两个部件并在注入聚合物之前将所述嵌入物的部件(1)推至最终位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述嵌入物为剖分式并且通过将剖分式嵌入物接合来修饰。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述嵌入物通过添加螺栓、螺钉或销钉来修饰。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述嵌入物的至少一个边缘切割轮廓。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述嵌入物由金属、聚合物或陶瓷制成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中制成塑料部件(17)的热塑性聚合物是增强的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中该嵌入物的每个部件包括两个边缘，一个边缘形成为榫舌，另一边缘形成为凹槽，这两个部件通过将第一部件的榫舌插入到第二部件的凹槽中且将第二部件的榫舌插入到第一部件的凹槽中而相连接。

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