CN204196272U - 用于模制塑料部件的叠堆和用于机动车辆的结构部件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于模制塑料部件的叠堆(1)和用于机动车辆的结构部件。该叠堆包括一组层，每个所述层(2)都包括一种塑料材料(MP)和至少一个增强元件(ER)，所述增强元件具有至少一个主延伸方向(DP)，所述叠堆的特征在于，一个层的增强元件(ER)具有至少一个与至少一个其它层的增强元件不同的主延伸方向，所述不同的主延伸方向被选择为使得在所述叠堆(1)的尺度上限定有意的各向异性方向。

Description

用于模制塑料部件的叠堆和用于机动车辆的结构部件

技术领域

本实用新型涉及机动车辆的结构部件的制造领域，并特别地涉及由塑料制成的这种部件的制造领域。

背景技术

特别地，本实用新型涉及塑料片叠堆，或者说多层复合材料，其用于通过模制方法来制成塑料部件。

车辆的结构部件为功能在于维持车辆结构、尤其是在冲击的情况下维持车辆结构的部件。这些部件例如涉及车辆前后防撞梁、地板、车辆的前柱、中柱、后柱。

因此，机动车辆的结构部件必须具有高的机械强度。这就是为什么这种部件通常由钢制成而更少见地由铝制成的原因。

然而，汽车制造商越来越迫于减小车辆的重量。但是，由于使用的材料的关系，由钢制成的结构部件相对重。

为了限制这些部件的重量并同时保持它们的首要的机械强度特性，已知的做法是制造由多个被冲压过的和相互组装在一起的元件构成的结构部件。

该技术允许选择强度很大的钢来用于受到大机械应力的元件，并选择强度较小的钢来用于受到较小机械应力的元件。然后组装这些元件，以根据应力水平将其布置在结构部件中。还可以调节元件的厚度：对于同一型号的钢，可以减小某些元件的厚度以减小结构部件的重量，同时保持良好的机械特性。

然而即使是由多个部件构成的结构部件，这些结构部件所减轻的重量是有限的，并且迫使汽车制造商使用复杂的制造方法。

事实上，使用由不同型号(XES、THL、TTHLE)的钢制成的元件意味着对于每个元件都有不同的制造方法：冷轧或热轧钢、冷压或热压钢、部分淬火(用于增大局部机械特性)。这些多种方法迫使汽车制造商具有多种设备(冲压机、加热系统、淬火系统、机器人等)，并且管理大量的部件号(部件和子组件)，这些部件和子组件之后需要被组装在一起并被组装在车辆的车身上(大量的焊接点在制造中费时，成本昂贵，并且限制产品重量的减轻)。

一种替代方案在于附接不同厚度的多个钢板(通过焊接、对接)，以产生具有厚度不同的区域的部件。但是，该制造方法是复杂的，并且导致结构部件产生额外的费用。

还已知一种做法是使用铸造铝部件来制成结构部件。这些铸造部件能够产生具有局部合适厚度的结构。但是，由于需要管理额外的方法并且造成在传统车辆车身上的组装困难，该制造方法使得制造商制造车辆车身变得更复杂。

还已知由复合材料制成的结构部件。使用复合材料相对于由钢制成的部件带来重量的减轻。

实用新型内容

本实用新型的目的在于弥补由钢制成的结构部件的缺点，并且改善由复合材料制成的结构部件所获得的重量减轻。通过提供具有有意的各向异性构造的多层复合材料，本实用新型得以实现其目的。因此，符合本实用新型的叠堆包括在某些特殊方向上具有不同性质的材料层，以减轻基于该叠堆模制的结构部件的重量，同时简化制造过程。相对于由复合材料制成的传统部件——该传统部件产生自被设计为整体几乎各向同性的叠堆——重量减轻是通过减小层厚度和/或减小增强件的量和/或减小获得某种机械强度所需要的层数来实现的。事实上，通过根据所预计的受力方向来确定增强元件的特定取向，结构部件的机械强度在这些特定方向上被维持甚至被加大，同时减轻结构部件、尤其是结构部件在受力较小的区域或方向上的重量。

因此，本实用新型涉及用于模制塑料部件的叠堆，其包括一组层，每层都包括一种塑料材料和至少一个增强元件，该增强元件具有至少一个主延伸方向(direction principale d’élancement)，并在该组层中，一层的增强元件具有至少一个与至少一个其它层的增强元件不同的主延伸方向，所述不同的主延伸方向被选择为使得在叠堆的尺度上限定有意的各向异性方向。

根据本实用新型，叠堆可以包括多个有意而为的各向异性方向，这些方向彼此之间形成大于25°的角。

有利地，至少一个非外围层可以包括由碳纤维制成的增强元件，和/或至少一个外围层可以包括由玻璃纤维制成的增强元件。

根据本实用新型，至少一个层的增强元件与该层的质量比例可以超过50％。

叠堆可以在叠堆的厚度中包括至少一个对称基础叠堆。

在这种情况下，叠堆可以包括单个对称基础叠堆，在该对称基础叠堆中，外围层包括由玻璃纤维制成的增强元件，而中心层则包括由碳纤维制成的增强元件。

根据一个实施例，从外围层开始直到中心层，叠堆包括：

-第一层，其包括由玻璃纤维布制成的增强元件，这些增强元件的纤维的主方向定向在0°和90°，方向0°对应于所选择的参考方向；

-第二层，其包括由单向的碳纤维制成的增强元件，这些增强元件的纤维的主方向定向在0°；

-第三层，其包括由单向的碳纤维制成的增强元件，这些增强元件的纤维的主方向相对于所述参考方向定向在0°或者90°。

根据另一个实施例，叠堆在第一层和第二层之间还包括夹层，所述夹层包括由玻璃纤维布制成的增强元件，其纤维的主方向相对于所述参考方向定向在0°和90°，或者定向在+45°和-45°。

根据这些实施例，叠堆可以包括至少两个对称基础叠堆。

叠堆还可以包括第三个基础叠堆，其被包括在两个对称基础叠堆之间，该第三个基础叠堆包括至少四个包括由玻璃纤维布制成的增强元件的层，其纤维的主方向相对于所述参考方向定向在0°和90°。

本实用新型还涉及用于机动车辆的结构部件，该结构部件通过基于符合本实用新型的叠堆的模制方法来制成。

结构部件可以包括基于被切断的增强元件来制成的肋部，以提供惯性并使所述层稳定。

根据本实用新型，模制方法可以从下列方法中选择：

-压缩模制；

-压缩模制然后包覆注射(sur-injection)；

-带有包覆注射的压缩模制；

-注射模制；

-RTM(树脂转移成型)方法模制；

-挤压模制。

最后，根据本实用新型，结构部件可以是：

-车辆的前、中、后柱；

-前、后、侧防撞梁；

-车顶架(arceau de pavillon)；

-车顶横梁或门窗洞横梁(traverse de pavillon ou de baie)；

-门增强件；

-地板；

-发动机挡板(tablier)。

附图说明

通过阅读示例性地而绝非限制性地给出的附图1将会更好地理解本实用新型，该图示出了符合本实用新型的一个叠堆示例。

具体实施方式

现在参考图1。符合本实用新型的叠堆1构成多层复合材料。该用于模制塑料部件的叠堆1包括一组层，其中每个层2都包括一种塑料材料MP和至少一个增强元件ER。

在层2中的增强元件ER具有一个主延伸方向DP。

一个层的增强元件ER具有至少一个与至少一个其它层的增强元件不同的主延伸方向。该不同的主延伸方向不是任意的，而是被选择为使得在叠堆的尺度上该叠堆具有至少一个有意的各向异性方向。

根据由叠堆1模制的部件上所预计的应力的方向特别地来选择该不同的主延伸方向。

叠堆1在叠堆的尺度上具有各向异性，当从上方透视(partransparence)地观察时，存在至少一个方向，在该方向上增强元件的数量大于在其他方向上的增强元件的数量。

事实上，从具有性质相同但方向不同、但是得以覆盖所有可能方向的增强元件的一组层，可以得到几乎各向同性的叠堆——如果无论方向如何，增强元件的数量都大致是一样的话。例如该情况可以是180层的叠堆，其中主延伸方向DP相对于一个参考方向从1°变化至180°。

根据本实用新型，该各向异性是有意而为的，即增强元件的取向被选择为使得在叠堆1的尺度上，该叠堆具有至少一个故意选择的特殊各向异性方向。

优选地，叠堆包括多个有意的各向异性方向。在两个有意的各向异性方向之间形成的角度优选地大于25°。

一个层中的增强元件ER可以是相同性质的(即同一类型：碳或玻璃纤维或钢等)，不同层中的增强元件ER也可以是相同性质的，但是有利地，例如在以下所述的示例中所示出地，增强元件可以是不同性质的。

根据图1的示例，叠堆1被构成为是各向异性的(根据该示例为正交各向异性)。形成正交各向异性以优化基于叠堆1模制的部件的机械强度，同时有利于该部件重量的减轻。正交各向异性是指相对于主方向在通常正交的不同方向上具有不同的特性。

因此，符合本实用新型的叠堆1的至少两个层2A、2B包括性质不同的增强元件ER，并且这些增强元件ER具有不同的主延伸方向DP。因此，根据在第一层2A的增强元件ER的主延伸方向DPA上还是在第二层2B的增强元件ER的主延伸方向DPB上的不同，叠堆1的性能、特别是其机械特性是不同的。

通常，用于设计结构部件的塑料层的叠堆被设计为限制各向异性，因此有利于各向同性。这使得在完整叠堆的尺度上和/或部件的尺度上接近钢和铝在所有方向上具有相同特性的均匀性能。

从结构部件的设计角度来看，该对各向同性的叠堆的追求是令人安心的。然而，在这样处理时没有利用到车辆的每个结构部件在某些方向上受到的力比在其他方向上受到的力更大的事实。

对于增强元件利用特别的方向能够限制增强元件的数量和叠堆的总厚度，并因此能够限制基于符合本实用新型的叠堆模制的结构部件的重量。

叠堆的一个层2包括塑料MP和至少一个增强元件ER。增强元件在每个层2中所占比例是不同的，可以超过层2的重量的50％，优选地包括在层2的重量的50％至85％之间。

塑料MP可以为热固性材料或热塑性材料。该塑料MP也称为基质，并可以被选择为下列材料中的一种或者是它们的组合：PA66、PA6、PC-PBT、PBT、PET、PMMA、乙烯基脂、聚酯纤维和环氧树脂。

优选地，具有主延伸方向DP的增强元件ER为碳纤维C和/或玻璃纤维V和/或金属纤维和/或植物纤维和/或有机纤维和/或矿物纤维。

因此，符合本实用新型的叠堆1包括至少一个带有玻璃纤维V的层，和至少一个带有碳纤维C的层。

优选地，至少一个非外围层包括由碳纤维C制成的增强元件，和/或至少一个外围层包括由玻璃纤维V制成的增强元件。

玻璃纤维V和碳纤维C可以是不同形式的，例如单向(UD)的、双轴或NCF的、或均衡布(tissu équilibré)、或非均衡布。优选地，使用单向碳纤维和玻璃纤维的均衡布。

所述层还可以包括由钢、铝或镁制成的增强件。

“布(tissu)”指的是由至少两组纤维通过织造(即交织)组装而构成的增强元件，同一组的纤维大致相互平行，而两个不同组的纤维则在它们的主方向之间具有至少25°的角度差，优选地大致垂直。当两组中每一组的纤维的数量大致相同时，该布被称为“均衡布”。

“NCF”(英文为“Non-Crimp Fabric”)指的是由至少两组纤维构成的增强元件，其中同一组的纤维大致相互平行，而两个不同组的纤维没有织造(即没有交织)地并置。存在缝合的NCF，即具有穿过增强件厚度的线，以连接纤维组。

“双轴”指的是由被布置在两个主方向上的纤维组构成的NCF。

“单向”指的是由唯一一个纤维组构成的增强元件，其中纤维大致相互平行。

根据第一实施例，在叠堆1的厚度中，叠堆1包括至少一个对称基础叠堆(EES)。“对称叠堆”指的是这样的叠堆：该叠堆在从该叠堆的厚度中间剖切该叠堆的平面的两侧包括性质和方向相同的层，从所述中间平面起到外围，这些层以相同的顺序被布置。由此，所述中间平面构成增强元件性质和方向的对称平面。

该对称基础叠堆(EES)从外围层起到中心层包括：

第一层，其包括由玻璃纤维布制成的增强元件ER，这些增强元件的纤维的主延伸方向定向在0°和90°，方向0°对应于参考方向DR，而方向90°则对应于与参考方向DR垂直的方向，优选地，参考方向DR为最终部件在其上具有最大尺寸的方向；

第二层，其包括由单向的碳纤维制成的增强元件，这些增强元件的纤维的主方向定向在0°；

第三层，其包括由单向的碳纤维制成的增强元件，这些增强元件的纤维的主方向定向在0°或者90°。

因此，在该实施例中，完整的对称基础叠堆(EES)由五个层构成：

这类型的叠堆1是创新的，特别是由于其中心(即中心层)是基于碳纤维的，而外围层则是基于玻璃纤维的。通常，已知的叠堆具有相反的构成，以使得碳纤维增强外围结构。事实上，在机械(惯性现象)上已知对于弯曲或压屈性能，最好的结果是通过将性能最好的材料布置在部件外围(外侧)来获得的。该机械特性例如被利用在所谓的“夹层”结构中，其中所述“夹层”结构由夹在两个刚性外皮之间的泡沫芯构成。

然而，机动车辆的结构部件被用于固定在车辆通常由钢或铝制成的车身上。因此，由于电池(电化学电偶)效应，会在碳纤维和钢或铝的交界处出现腐蚀问题。通过将碳纤维布置在基础叠堆的中心，保持了最终部件的强度，同时避免这些腐蚀问题。

堆叠的顺序可以根据材料层的厚度来重复。例如，可以使用具有0.5mm厚度的玻璃纤维层，和具有0.15mm厚度的碳纤维层。但是，这些厚度可以根据每层所使用的材料的确切性质(基质MP、增强件ER、面密度、要达到的最终部件的厚度等)来变化。

根据第二实施例，叠堆1还包括在第一层和第二层之间的夹层。该夹层包括由玻璃纤维布制成的增强元件，其纤维的主方向相对于所述参考方向DR定向在0°和90°或者定向在+45°和-45°。

因此，完整的对称基础叠堆(EES)由七个层构成：

符合本实用新型的叠堆1可以包括多个基础叠堆(EES1、EES2)。例如，叠堆可以包括以下层：

这种的叠堆1能够在最终部件上实现以下特性：

-沿着方向0°施加拉力时：

·在50至65GPa之间的刚性模量(杨氏模量)；

·在550至1100MPa之间的最大应力；

-沿着方向90°施加拉力时：

·在7至14GPa之间的刚性模量(杨氏模量)；

·在50至250MPa之间的最大应力。

要重申的是，在每个层中的增强元件的比例可以是不同的，该比例可以包括在层的重量的50％至85％之间。

对于吸收湿度的热塑性材料(尤其是聚酰胺)，这些特性在空气中相对湿度为40％-60％的情况下能达到。

根据第三实施例，叠堆1在两个对称基础叠堆(EES1、EES2)之间包括第三基础叠堆(EE)，该第三基础叠堆(EE)包括至少四个包括由玻璃纤维布制成的增强元件的层，其纤维的主方向相对于参考方向DR定向在0°和90°。

例如，叠堆1可以包括以下层：

这种叠堆能够在最终部件上达到以下特性：

-沿着方向0°施加拉力时：

·在50至65GPa之间的刚性模量(杨氏模量)；

·在550至1100MPa之间的最大应力；

-沿着方向90°施加拉力时：

·在7至14GPa之间的刚性模量(杨氏模量)；

·在50至250MPa之间的最大应力。

要重申的是，在每个层中的增强元件的比例可以是不同的，该比例可以包括在层的重量的50％至85％之间。

本实用新型还涉及一种机动车辆用的结构部件，该结构部件通过基于符合本实用新型的叠堆的模制方法来制成。

该机动车辆用的结构部件可以为：

-车辆的前柱、中柱、后柱；

-前、后、侧防撞梁(车架纵梁)；

-车顶架(车拱架)(arceau(arche)de pavillon)；

-车顶横梁或门窗洞横梁；

-门增强件；

-地板；

-发动机挡板；

-开合件的衬(doublure)或框。

根据一个实施例，所述部件包括基于切断的增强元件制成的肋部，以能够提供惯性并使叠堆的所述层稳定。

根据本实用新型，模制方法可以在以下方法中选择：

-压缩模制；

-在第一工具中压缩模制然后在第二模具中(包覆)注塑；

-在单一模具中压缩和注射模制；

-注射模制；

-RTM(树脂转移成型，英文为“Resin Transfer Molding”)方法模制；

-挤压模制。

要注意的是，结构部件内部的增强纤维的方向可以相对于叠堆内部的方向以+/-25°变化。

本实用新型还涉及一种用于机动车辆的结构部件的制造方法，其中，将符合本实用新型的叠堆布置在模具中，然后借助于模具通过模制方法成形部件。

模制方法可以从以下方法中选择：

-压缩模制；

-在第一工具中压缩模制然后在第二模具中(包覆)注塑；

-在单一模具中压缩和注射模制；

-注射模制；

-RTM(树脂转移成型，英文为“Resin Transfer Molding”)方法模制；

-挤压模制。

Claims (15)

1.一种用于模制塑料部件的叠堆(1)，该叠堆包括一组层，每个所述层(2)都包括一种塑料材料(MP)和至少一个增强元件(ER)，所述增强元件具有至少一个主延伸方向(DP)，所述叠堆的特征在于，一个所述层的增强元件(ER)具有至少一个与至少一个其它所述层的增强元件不同的主延伸方向，所述不同的主延伸方向被选择为使得在所述叠堆(1)的尺度上限定有意的各向异性方向。 

2.如权利要求1所述的叠堆(1)，其特征在于，所述叠堆(1)包括多个有意的各向异性方向，所述多个有意的各向异性方向彼此之间形成大于25°的角。 

3.如上述权利要求中任一项所述的叠堆(1)，其特征在于，至少一个非外围层包括由碳纤维(C)制成的增强元件。 

4.如权利要求1或2所述的叠堆(1)，其特征在于，至少一个外围层包括由玻璃纤维(V)制成的增强元件。 

5.如权利要求1或2所述的叠堆(1)，其特征在于，至少一个层(2)的增强元件(ER)与所述层(2)在质量上的比例超过50％。 

6.如权利要求1所述的叠堆(1)，其特征在于，所述叠堆在所述叠堆(1)的厚度中包括至少一个对称基础叠堆(EES)。 

7.如权利要求6所述的叠堆(1)，其特征在于，所述叠堆包括单个对称基础叠堆(EES)，在所述单个对称基础叠堆中，外围层包括由玻璃纤维(V)制成的增强元件，而中心层则包括由碳纤维(C)制成的增强元件。 

8.如权利要求6所述的叠堆(1)，其特征在于，从外围层开始直到所述中心层，所述叠堆包括： 

第一层，其包括由玻璃纤维布制成的增强元件，所述增强元件的玻璃纤维的主方向定向在0°和90°，所述方向0°对应于所选择的参考方向(DR)； 

第二层，其包括由单向的碳纤维制成的增强元件，所述增强元件的碳纤维的主方向定向在0°； 

第三层，其包括由单向的碳纤维制成的增强元件，所述增强元件的碳纤维的主方向相对于所述参考方向(DR)定向在0°或者90°。 

9.如权利要求8所述的叠堆(1)，其特征在于，所述叠堆在所述第一层和所述第二层之间还包括夹层，所述夹层包括由玻璃纤维布制成的增强元件，所述增强元件的玻璃纤维的主方向相对于所述参考方向(DR)定向在0°和90°，或者定向在+45°和-45°。 

10.如权利要求6至9中任一项所述的叠堆，其特征在于，所述叠堆包括至少两个对称基础叠堆(EES1、EES2)。 

11.如权利要求10所述的叠堆，其特征在于，所述叠堆包括第三个基础叠堆(EE)，所述第三个基础叠堆被包括在所述两个对称基础叠堆(EES1、EES2)之间，所述第三个基础叠堆(EE)包括至少四个包括由玻璃纤维布制成的增强元件的层，所述增强元件的玻璃纤维的主方向相对于所述参考方向(DR)定向在0°和90°。 

12.一种用于机动车辆的结构部件，其特征在于，所述结构部件通过基于如上述权利要求中任一项所述的叠堆(1)的模制方法来制成。 

13.如权利要求12所述的结构部件，其特征在于，该结构部件包括基于切断的增强元件来制成的肋部，以提供惯性并使所述层(2)稳定。 

14.如权利要求12和13中任一项所述的结构部件，其特征在 于，所述模制方法从下列方法中选择： 

压缩模制； 

压缩模制然后包覆注射； 

带有包覆注射的压缩模制； 

注射模制； 

树脂转移成型方法模制；以及 

挤压模制。 

15.如权利要求12至13中任一项所述的结构部件，其特征在于，该结构部件构成下列结构部件中的一个： 

车辆的前、中、后柱； 

前、后、侧防撞梁； 

车顶架； 

车顶横梁或门窗洞横梁； 

门增强件； 

地板；以及 

发动机挡板。