TW202413058A

TW202413058A - 利用拼接件連接來製造多維硬質發泡體部件的方法

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Publication number: TW202413058A
Application number: TW112120292A
Authority: TW
Inventors: 菲利斯高登曼; 馬賽斯羅斯; 湯瑪斯理查特; 喬恩舒德曼; 海因茨科爾伯; 保羅梅爾尼克
Original assignee: 德商贏創運營有限公司
Priority date: 2022-06-03
Filing date: 2023-05-31
Publication date: 2024-04-01

Abstract

本發明關於一種用於製造多維硬質發泡體部件的方法。

Description

利用拼接件連接來製造多維硬質發泡體部件的方法

本發明關於一種用於製造多維硬質發泡體部件的方法。

硬質發泡體，諸如以產品名稱Rohacell ^®銷售的聚甲基丙烯醯亞胺，尤其用作具有由纖維複合材料組成的覆蓋層的夾層結構的核材料。其通常藉由研磨而製成所需的核幾何形狀。成品核的尺寸在此受到起始板(panel)尺寸的限制，其長度通常不超過2.50m。如果要製造較大的核結構，則將核段之間的連接表面配置為對接(butt joint)。這表示無法保證各個段相對於彼此的精確的定位能力(positionability)。此外，各個段相對於彼此以及相對於模具或已施加的覆蓋層的滑動是有可能的。段之間亦可形成氣隙。由於局部應力點(stress point)的出現，這可能構成成品組件的機械弱點。此外，在覆蓋層的固化過程中，間隙(gap)可能會被樹脂填充，這可能會導致組件的表面因過度收縮而產生縮痕、因放熱固化過程造成的局部熱損傷，以及組件(諸如在天線套中，此時其顯示出吸收增加)的介電性能受損。

如果具有複雜幾何形狀的核(諸如例如尖銳的曲率或厚度變化大)要作為整體機械立體連接部件(mechanically solid connected part)插入模具中，則必須將其由立體研磨或藉由熱壓成型方法而製造。立體的研磨非常浪費，且因此通常是不經濟的。如果在研磨之前將核藉由對接分成單獨的段，則經濟可行性會增加。然而，對接連接會出現上述缺點。

紙板和彈性發泡體結構中的拼接件連接係藉由模切而獲得的。該方法對硬質發泡體的適用性非常有限，因為可達成的連接公差(tolerance)不夠小。

不使用研磨作為彈性發泡體中拼接件連接的製造方法，因為在研磨時不能將發泡體足夠精確地加工。此外，許多普通彈性發泡體的耐溫性(temperature resistance)非常低，以至於在研磨過程中產生的摩擦熱會導致發泡體進一步軟化，從而增加研磨時的切削。由於發泡體的多孔結構，不建議使用冷卻劑和潤滑劑進行冷卻，因為其不能輕易地再次從槽(cell)中去除。

DE102012024167描述多面佈置的聯鎖板(interlocking panel)的可拆卸連接。DE102012024167揭示一種藉由研磨而製造複雜硬質發泡體部件的方法，其中將複雜組件分成單獨的部件並且將單獨的部件研磨成拼接件形狀。例如，為了達成圓頂，板在其整個邊長上以二維重疊，並在每個連接處至少形成兩次局部的聯鎖。在聯鎖中，板一方面直接線性對接，並防止彼此邊緣的滑動，另一方面藉由佈置在橫截面中相同位置的明顯固定或可移動的突出物進行對接，但在較大平面佈置(外側)的俯視時彼此偏移，因為邊緣部分(edge section)彼此鉤住，而不是用相對的突片(opposing tab)彼此穿透。由於板邊緣上的凸起，固定邊緣部分保留在可折疊旋轉的折板(flap)之間或旁邊，相鄰板可與其可移動折板緊靠在折板上。

所使用的板材料是堅韌的，因為對於每個突片，將「活動樞紐」形成為在另一覆蓋層以及大部分亦是輕質材料的輕質核被沿著折疊線經切削之後的剩餘覆蓋層中的線接頭(line joint)。

欲解決的問題

在所討論的先前技術的背景下，因此本發明的一目的是提供一種用於接合(joining)大體積多維硬質發泡體部件的方法，其防止組件段相對於彼此的滑動並且亦使得能夠接合硬質發泡體部件的處理方式與整體硬質發泡體部件相當。

本文沒有明確討論的其他問題可以從先前技術、說明書或請求項中推導。

方法

本目的係藉由一種用於製造基於玻璃化轉移溫度T _g為至少100℃的聚合物的多維硬質發泡體部件的方法達成，該玻璃化轉移溫度T _g係根據DIN EN ISO 11357-2(發布日期：2020-08)藉由研磨而測量，其特徵在於 - 藉由熱壓成型將平面組件段形成多維形狀， - 將多維形狀的組件段研磨成拼接件形狀， - 將多維組件段組裝以得到多維硬質發泡體部件。

出乎意料地，已發現由拼接件形狀的組件段組裝而成的大體積硬質發泡體部件產生非常穩定的結構。將多維硬質發泡體部件分成多個拼接件形狀的組件段可以達成複雜的結構。

已發現，拼接件形狀的組件段的使用導致材料的顯著節省，並因此節省成本和資源。

多維硬質發泡體部件是包含兩個或多個維度的組件。特別是已發現，還可以製造二維或三維彎曲的硬質發泡體部件。與先前技術中已知的二維平面組件(諸如EP 2380747)相比，其在一個維度(例如高度)上總是恆定的，根據本發明的多維硬質發泡體部件在所有三個維度上具有可變的膨脹，特別是各個組件部分中以及組件段之間的高度。與已知的測地線(geodesic)或超測地線(meta-geodesic)結構相比，根據本發明的硬質發泡體部件係以簡單的方式組裝連續彎曲的結構。測地圓頂(geodesic dome)是凸出的不規則多面體。歐拉多面體定理(Euler's polyhedron theorem)適用於測地圓頂：角數(number of corners)+面數(number of faces)-邊數(number of edges)=2。

通常，十二面體或二十面體經幾何轉換為測地圓頂，分別由五邊形或三角形定義。然而，也可以藉由相應的細分為三角形，將所有柏拉圖立體(Platonic solid)或甚至任何多面體幾何形狀轉換為測地線結構。測地線半圓頂由連接在一起的三角形組成以形成五邊形和六邊形，導致三角形具有不同的角度或邊長。

此外，多維組件的特點是組件不形成連續的表面，而是具有顯著的開口。具體的應用領域是製造類似於桿裝置(rod arrangement)的支撐結構，該支撐結構迄今為止由單獨的桿組成，這些桿自由地定位在載體表面上，特別是載體膜上，並且僅經由黏合接收穩定的連接。在本文中，桿裝置是指由兩個或多個彼此連接的細長桿組成的空間支撐結構。桿的對接是藉由樹脂黏合而成，該樹脂也用於結合到載體表面或載體箔上。

首先，將桿黏在一起以防止滑動。其次，將桿固定至載體表面。

硬質發泡體較佳地用於根據本發明的方法。

根據本發明使用的硬質發泡體板是由玻璃化轉移溫度T _g為至少100℃的聚合物製造，較佳為至少140℃，該玻璃化轉移溫度T _g係根據DIN EN ISO 11357-2(發布日期：2020-08)測量。塑膠的標準DIN EN ISO 11357-2描述微差掃描熱量法(DSC)-第2部分：玻璃轉移溫度和玻璃轉移活化能的測定。

聚合物選自由聚醚碸、聚苯碸、聚醚醚酮(PEEK)、聚碸、聚胺甲酸酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)所組成的群組，較佳為聚(甲基)丙烯醯亞胺(P(M)I)、聚(甲基)丙烯酸甲酯、聚(醚)醯亞胺(P(E)I)、以及前述的混合物和共聚物。

術語聚(甲基)丙烯醯亞胺(P(M)I)在下文中應理解為表示聚甲基丙烯醯亞胺(PMI)、聚丙烯醯亞胺(PI)或其混合物。類似的情況適用於例如聚(甲基)丙烯酸甲酯。因此，術語聚(甲基)丙烯酸甲酯應理解為不僅表示聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)而且表示聚丙烯酸甲酯以及這兩者的混合物。

用於多維硬質發泡體部件的材料較佳為P(M)I，特別較佳為PMI。此種P(M)I發泡體也稱為硬質發泡體並且表現出特定的強度。

P(M)I發泡體的製造於例如EP 3221101中描述。P(M)I發泡體通常以兩階段方法製造：a) 鑄塑聚合物的製造和b) 該鑄塑聚合物的發泡。

鑄塑聚合物藉由首先製造包含較佳以莫耳比為2：3至3：2的(甲基)丙烯酸和(甲基)丙烯腈作為主要成分的單體混合物來製造。此外，可以使用其他的共聚單體，諸如丙烯酸或甲基丙烯酸、苯乙烯、順丁烯二酸或伊康酸或其酸酐的酯或乙烯吡咯啶酮。然而，共聚單體的比例不應超過30重量%。亦可以使用少量的交聯單體，例如丙烯酸烯丙酯(allyl acrylate)。然而，該量應較佳為至多0.05至2.0重量%。

用於共聚的混合物進一步包含發泡劑，其在約150℃至250℃的溫度下經歷分解或蒸發以形成氣相。聚合發生在低於該溫度的情況下，致使鑄塑聚合物包含潛在的發泡劑。聚合有利地以塊形式在兩個玻璃板之間進行。為了製造發泡片材，接著根據先前技術在第二步驟中在適當的溫度下使鑄塑聚合物發泡。這些P(M)I發泡體的製造原則上是所屬技術領域具通常知識者已知的並且可以在EP 1444293、EP 1 678 244或WO 2011/138060中藉由實施例的方式找到。PMI發泡體的實施例特別包含來自德國，Evonik Industries AG的ROHACELL ^®系列。丙烯醯亞胺發泡體在製造和加工方面可被視為與PMI發泡體類似。然而，出於毒理學原因，與其他發泡體材料相比，這些材料實質上不太優選(less preferred)。

硬質發泡體材料的密度可以相對自由地選擇。P(M)I發泡體可以以例如20至320kg/m ³、較佳地25至250kg/m ³的密度範圍使用。特佳為使用具有密度在30至200kg/m ³之間的PMI發泡體。根據DIN EN ISO 845(發布日期：2009-10)測量。

本文描述的硬質發泡體以發泡體塊的形式製造。根據所使用的聚合物和達成的密度，這些發泡體塊具有不同的厚度。發泡體塊的厚度較佳在50mm至200mm的範圍內，特佳在55mm至165mm之間。較佳地，首先從發泡體塊切削成發泡體板。這些發泡體板具有的厚度在5 mm和150mm之間，特佳在10mm和90mm之間。

用於切削硬質發泡體塊和板的各種方法是已知的。較佳為使用雷射、帶刀(band knife)或帶鋸(band saw)進行切削。

由此獲得的平面組件段在被研磨成拼接件形狀之前進行熱壓成型。原則上，有2個方法可用於此目的。

平面組件段的第一熱壓成型方法包含以下步驟： - 將平面組件段插入成型模具中， - 將成型模具在空氣循環烘箱中加熱至180至230℃之間的溫度， - 從成型模具中取出多維形狀的組件段。

平面組件段的第二熱壓成型方法包含以下步驟： - 在烤箱、熱壓機或紅外線輻射下將平面組件段加熱至180至230℃， - 將經加熱的平面組件段插入成型模具中， - 閉合成型模具並用壓力或真空使組件段成型， - 從成型模具中取出多維組件段。

在這些熱壓成型的方法中，必須防止或最小化加熱步驟和插入成型模具之間的平面組件段的冷卻。為此目的，平面組件段可以在熱壓成型之前用選自非織物、織物或薄膜的群組的材料包封。

作為成型模具，一體式和兩件式成型模具對於所屬技術領域具通常知識者而言是已知的。根據模具的類型，在成型步驟中施加壓力或真空。

冷卻多維形式的組件段後，可以將其以拼接件形式送入研磨程序。

當將硬質發泡體塊加工成拼接件形式的組件段時，特佳為使用CNC機進行研磨。

當研磨拼接件連接時，可以提供壓力配件(press fitting)，其能夠使各個組件段牢固連接。此外，這防止氣隙，並因此防止在隨後藉由接合而進行加工的情況下樹脂滲透到其中。

替代的實施方式是間隙配件(clearance fit)。在這種情況下，研磨拼接件連接之間的定義的最小間隙。作為黏合劑的樹脂滲透到接頭的間隙中，導致組件段彼此穩定結合，並且同時與載體表面或覆蓋層穩定結合。

拼接件的形狀變化很大。較佳地，拼接件石(jigsaw puzzle-piece stone)的聯鎖部件被實現為榫頭榫孔接合。較佳使用圓榫頭和榫孔形狀。為了實現無位移的形式配件，將榫頭研磨成帶有半圓形頭部(棒棒糖形狀)的桿(stem)的形式，並且相應的對應體(counterpart)則作為榫孔。

這種榫頭榫孔接合導致多維形狀和平面組件特別地無位移的連接。所獲得的形式配件對於大體積組件是特佳的。

已發現，本方法可以防止組件段之間的凹口(notch)和厚度變化。可以達成具有光滑表面的各種幾何形狀。

已發現，與直線切削接合在一起相比，將硬質發泡體部件切削成拼接件形狀具有多個優點。拼接件連接是一種更穩定的連接，因為它非常抗扭轉(torsion resistant)，並且由於存在聯鎖連接，因此不一定需要黏合點(adhesion point)。

另一個目的在於提供大體積硬質發泡體部件。

該目的藉由以下方法而達成：在插入模具之前，藉由拼接件連接將組件段接合。

大體積表示硬質發泡體部件的尺寸在至少一個方向上超過起始材料的最大可用尺寸。

普通的製造方法只能提供尺寸有限的硬質發泡體塊作為起始材料。一般而言，硬質發泡體塊的最大尺寸為250 x 125 x 15cm。例如，如果要由其製造飛機機翼(例如，長度為5000cm)或轉子葉片，則這些大體積硬質發泡體部件必須藉由並列的兩個或多個硬質發泡體塊來製造。

拼接件連接確保各個組件段的聯鎖連接，從而在模具中定位期間能夠輕鬆處理。防止組件段相對於彼此的滑動。此外，在成品夾層結構中的使用期間，確保核內的均勻力傳遞。

可以使用不同厚度的硬質發泡體塊作為成品核中具有顯著不同厚度的組件段的起始材料。因此可以優化材料利用。

在一種變型中，將不同密度的硬質發泡體塊結合，以考慮硬質發泡體部件中局部變化的應力。

根據本發明的方法亦適合用於製造硬質發泡體部件，該硬質發泡體部件適合用於製造夾層組件。

為此目的，硬質發泡體部件可以覆蓋至少一個外層。覆蓋材料可包含木材、金屬、裝飾薄膜、複合材料、預浸料(prepreg)、梭織物或其他已知材料。

這使得實現例如輕質結構中使用的夾層材料變成可能。替代地，外層可以僅僅是可再次去除的保護膜或裝飾層。

例如，可以存在具有熱塑性或交聯覆蓋層的硬質發泡體部件。先前技術揭示用於製造複合部件的各種方法。

將硬質發泡體部件特佳地膠合、縫合或焊接至覆蓋材料。「焊接」在本文表示加熱組件在硬質發泡體部件和覆蓋材料之間產生黏結連接(黏合)。

藉由根據本發明的方法製造的多維硬質發泡體部件用於太空船或飛機的構造、造船、軌道車輛構造或車輛構造，尤其是其內部或外部。這可以包含藉由根據本發明的方法製造的多維硬質發泡體部件，以及同樣由其實現的夾層組件。更具體地，由於其低可燃性，根據本發明的硬質發泡體部件亦可以安裝在該車輛的內部。此外，該材料還用於風能技術，例如風力機，尤其是轉子葉片。

其他可能的應用是在體育和休閒產業，諸如大尺寸的運動器材，例如滑雪板或衝浪板，以及用於醫療技術組件的醫療技術，諸如X射線或CT床(CT couch)。

此外，具有根據本發明製造的多維硬質發泡體部件的夾層組件也特別適合併入飛機外部中。「外部」不僅指飛機外殼的填充物，還尤其指機頭、尾部區域、機翼、外門、操縱面或轉子葉片中的填充物。

Claims

一種用於製造基於玻璃化轉移溫度T _g為至少100℃的聚合物的多維硬質發泡體部件的方法，該玻璃化轉移溫度T _g係根據DIN EN ISO 11357-2(發布日期：2020-08)藉由研磨而測量，其特徵在於 - 藉由熱壓成型將平面組件段形成多維形狀， - 將多維形狀的組件段研磨成拼接件形狀， - 將多維組件段組裝以得到多維硬質發泡體部件。
如請求項1之用於製造多維硬質發泡體部件的方法，其中該平面組件段的該熱壓成型包含以下步驟： - 將該平面組件段插入成型模具中， - 將該成型模具在空氣循環烘箱中加熱至180至230℃之間的溫度， - 從該成型模具中取出該多維形狀的組件段。
如請求項1之用於製造多維硬質發泡體部件的方法，其中該平面組件段的該熱壓成型包含以下步驟： - 在烤箱、熱壓機或紅外線輻射下將該平面組件段加熱至180至230℃， - 將經加熱的該平面組件段插入成型模具中， - 閉合該成型模具並用壓力或真空使該組件段成型， - 從該成型模具中取出該多維組件段。
如請求項3之用於製造多維硬質發泡體部件的方法，其中該平面組件段在該熱壓成型之前用選自非織物、織物或薄膜的群組的材料包封。
如請求項1之用於製造多維硬質發泡體部件的方法，其中將該拼接件的榫頭榫孔接合(mortice and tenon joints)研磨成棒棒糖形狀。
如請求項1之方法，其中該聚合物選自聚甲基丙烯醯亞胺(PMI)、聚醚醯亞胺(PEI)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的群組。
如請求項1之方法，其中經由拼接件連接製造特別大體積的硬質發泡體部件。
如請求項1之方法，其中製造二維或三維彎曲的硬質發泡體部件。
如請求項1之方法，其中該硬質發泡體部件是為夾層組件製造的。
一種如請求項1製造的硬質發泡體部件在製造用於航太工業、造船、風能、體育和休閒產業的產品中的用途，較佳為大尺寸的運動器材，諸如滑雪板或衝浪板、車輛構造，尤其是電動車和醫療技術。