结构材料及其制造方法

结构材料及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种适于构造诸如能安装于卡车的自卸机或翻斗机本体、油罐、船体、集装箱等的承载结构的结构材料，其包括：纤维增强热塑性或热固性材料的第一层；纤维增强热塑性或热固性材料的空间框架结构；纤维增强热塑性或热固性材料的第二层，其中空间框架结构布置在第一层与第二层之间并固定至所述第一层和第二层。本发明进一步涉及一种制造结构材料的方法。
【专利说明】结构材料及其制造方法
[0001]本发明涉及一种结构材料及其制造方法。
[0002]更具体地，本发明涉及一种适用于重型应用（例如能安装于卡车的自卸机或翻斗 机）的复合结构材料以及该复合结构材料的制造方法。
[0003]在本领域中，例如在国际申请W094/26576中提出了例如用于车体的这些类型的 复合材料。在该申请中，使用热塑性夹层材料，其中一层泡沫回收材料夹在两层未使用的热 塑性材料之间。在该申请中，例如通过线性低密度聚乙烯的回转成型来建造所述层。
[0004]然而，这些材料相对脆弱，并且具有低玻璃转化温度和低熔化温度。出于这些原 因，这些材料的应用不实际，在可燃性方面来说甚至是危险的。此外，纤维的具体局部强度 和方向很难监测和适应。
[0005]在欧洲专利申请EP1340669中，描述了自卸机或翻斗机，其包括利用泡沫成型桁 架来增强的树脂转移模塑纤维增强体。
[0006]然而该结构不适用于高温应用且具有较差的抗冲击性。而且，所提出的制造方法 很难在自动化或机械制造中转换。因此，该方法不太适合大批量生产，因此商业上不太可 行。
[0007]因此，本发明的目的在于减轻或解决本领域中的结构材料的上述和/或其他问 题，同时保持和/或提高其优势。
[0008]更具体地，本发明的目的在于提供一种坚固的结构材料，其能够承受高负荷、高应 力、高温差、高冲击，并且具有高化学耐受性，同时明显没有普通的结构材料(诸如钢）重，同 时不丧失结构完整性。
[0009]这些和/或其他目的通过适用于构造诸如能安装于卡车的自卸机或翻斗机本体、 油罐、船体、集装箱等承载结构的结构材料来实现，所述材料包括纤维增强热塑性或热固性 材料的第一层；纤维增强热塑性或热固性材料的空间框架结构；纤维增强热塑性或热固性 材料的第二层，其中空间框架结构布置在第一层和第二层之间并固定于所述层。
[0010]由此获得耐用、坚固的材料，该材料可以用于制造翻斗机或自卸机的翻斗机本体。 由于本发明的结构材料比钢轻，因此由该材料制造的翻斗机本体可以携带更高的有效载 荷。
[0011]第一层与第二层之间的结构材料的空间框架结构可以包括开放空间。由此可获得 轻质、坚固且刚性的构造。空间框架中的开放空间可以用泡沫材料填充。因此，该材料可以 被隔离且甚至可以具有增加的结构完整性。可在建造材料期间以固体泡沫的形式将泡沫插 入开放空间中或者可在第一和第二层之后完成注入泡沫。
[0012]在结构材料中，纤维增强的第一层、纤维增强的第二层和/或空间框架的部件可 以通过局部带或纤维铺放缠绕或布置在预制件或模具上作为包括细长热塑性或热固性材 料的纤维(例如带、单向带、丝、混合纤维、缆线、织造或非织造带状物）来制造。
[0013]大部分制造步骤可以自动执行，从而降低所涉及的劳动成本和劳动力。
[0014]在结构材料中，在包括细长热塑性或热固性材料的纤维缠绕在预制件或模具上期 间或之后，可以对所述纤维进行焊接、熔合、粘接或熔融。[0015]优选地，第一层、第二层和/或空间框架的纤维增强热塑性或热固性材料耐受高 达150°C，优选高达175°C，更优选高达200°C的温度。通过这种方式，翻斗机本体可以用于 运送相对高温的材料，例如热浙青。通过应用该技术，可以安排纤维的方向以及由此安排定 向组成的强度。如上所述，结构材料可以集成在可安装在例如卡车上的翻斗机本体或自卸 机本体中。
[0016]本发明还涉及一种制造根据权利要求I的结构材料的方法，其中所述方法包括按 任意合适顺序执行的以下步骤：a)提供第一预制件或模具；b)通过局部带或纤维铺放将包 括第一细长热塑性或热固性材料的纤维材料缠绕或布置在第一预制件或模具上；c)在步骤
b)期间或之后对第一细长热塑性或热固性材料进行熔合、粘接、焊接或熔融以产生第一层；
d)通过将纤维增强横梁和桁架焊接或粘接在一起来提供空间框架结构；e)将空间框架布置 在第一层上、第一层中或第一层周围并将空间框架焊接或粘接到第一层上；f)将第二层布 置在空间框架上、空间框架中或空间框架周围，使得空间框架布置在第一层与第二层之间。
[0017]采用该方法，可以执行大多数部件的自动建造，同时可以设计并制造每个单独部 件的较强且定向布置的强度。在该方法中，步骤f)可以包括按任意合适顺序执行的以下步 骤：g)提供第二预制件或模具；h)通过局部带或纤维铺放将包括第二细长热塑性或热固性 材料的纤维材料缠绕或布置在第二预制件或模具上；i)在步骤h)期间或之后对第二细长 热塑性或热固性材料进行熔合、粘接、焊接或熔融以产生第二层；j)从第二预制件或模具上 移除第二层并将第二层布置在空间框架中、空间框架上或空间框架周围。
[0018]在一个卷绕物或带或纤维铺设步骤b)和/或h)中，第一和/或第二预制件或模 具能提供至少两个部位来制造第一和/或第二层中的至少两个，之后在后继切割步骤中， 至少两个第一和/或第二层可以从彼此切割开以及从最终残余材料切割下来。通过组合用 于第一层和第二层的模具，实现有效的卷绕物或带铺设处理。
[0019]因此，能够执行不同单层的相对灵活的制造。可以在一个步骤中形成多个层，例如 两个第一层和两个第二层，从而允许在一个处理周期内制造两个单独产品的部分。同样，可 以制造一个产品的不同部分，例如用于形成翻斗机本体的一组第一和第二层以及用于形成 舱口的另一组层。
[0020]上述方法可以进一步包括：在将第二层布置并固定至空间框架之前通过将固体泡 沫部分插入开放空间中或在将第二层布置并固定至空间框架之后通过将能固化的泡沫材 料注入开放空间中，而在步骤e)、f)或g)期间或之后将泡沫材料设置在空间框架的开放空 间中。泡沫提供额外的强度和刚性，并进一步提供隔离。当结构材料用于填充的内容物的 温度高于或低于环境温度的容器或翻斗机本体时，后一个特征是有利的。
[0021]可以将额外层固定至第一和/或第二层，所述额外层选自隔离或结构未增强或增 强材料比如气凝胶、PEEK、聚四氟乙烯、尼龙、聚酰胺、聚酰亚胺和/或其他合适材料，其中 额外层可以涂敷或形成在第一和/或第二层上或者可以事先形成在第三模具或预制件上， 之后通过粘接、焊接或熔融固定在第一或第二层上以便获得多层。
[0022]步骤e)中的空间框架可以由横梁和桁架构成，其中横梁和桁架的至少一部分由包 含第三细长热固性或热塑性纤维的材料缠绕而成，其中在缠绕期间或之后将第三细长材料 熔合、焊接、粘接或熔融在一起并且其中将横梁和桁架一起焊接或粘接成所述空间框架。
[0023]第一层、第二层和/或空间框架的纤维增强热塑性或热固性材料可耐受高达150°C，优选高达175°C，更优选高达200°C的温度，以便提供耐高温产品。
[0024]第一层和/或第二层可以被形成为具有底部和从所述底部延伸的多个壁的开口 箱体。
[0025]制造方法可以被执行为全自动化生产。通过这种方式，可以建立经济可行的制造。
[0026]本发明还涉及一种翻斗机本体，其包括底部、两个侧壁以及至少一个端壁。根据本 发明，翻斗机本体的每个部分都由如上所述的结构材料制成。
[0027]为了进一步阐明本发明，将参照附图描述示例性实施例。在附图中：
[0028]图I示出了根据本发明的结构材料的第一实施例的示意性透视图；
[0029]图2示出了根据本发明实施例的模具或预制件的示意性透视图；
[0030]图3示出了结构材料的示意性截面图；
[0031]图4示出了根据可替代实施例的结构材料的示意性截面图。
[0032]附图示出了本发明的具体示例性实施例且不应为视为以任何方式或形式限制本 发明。在整个说明书和图中，相同或相应的参考编号用于相同或相应的元件。
[0033]本文所使用的表达“纤维”被理解为，尽管未被视为局限于具有增强抗拉强度的任 何材料，但可以嵌入热塑性或热固性材料中。这些材料的实例是碳纤维、玻璃纤维、其他矿 物纤维、金属纤维、粗纤维或这些纤维的任意组合的丝。
[0034]本文所使用的表达“翻斗机或自卸机本体”被理解为，尽管未被视为局限于开口盒 状结构，但可以安装在卡车上，并且可以翻倒，以便倒空。
[0035]本文所使用的表达“空间框架结构”被理解为，尽管未被视为局限于开放的结构， 但主要为三维框架。
[0036]在图I中，示出了用于自卸机或翻斗机本体的结构材料I的示意性透视图。自卸 机或翻斗机本体包括底部12、第一和第二侧壁10、11以及前端壁9。翻斗机本体具有开放 顶部和与前端壁9相对的开放后端。开放后端可以由舱口（未示出）封闭，该舱口可以铰接 地布置在侧壁10、11之间。该舱口可以由相似的结构材料制成。
[0037]该结构材料I包括内部第一层2、空间框架4以及外部第二层3。空间框架布置或 夹在第一层与第二层之间。空间框架4由横梁5、6、7和8以及桁架4A、4B、4C和4D构成。 桁架4A-4D为U型中空或泡沫填充纤维增强管。桁架4A-4D可以从第一侧壁11经由底部 12延伸至第二侧壁10。在底部12处，桁架4A-4D可以分别设有加宽部12A-12D，以便进一 步加强，如图4中详细所见。桁架4A-4C可通过提供具有类似形状的泡沫材料来制造，包括 细长热塑性或热固性材料的纤维缠绕在其周围。
[0038]包括细长材料的纤维例如可以是带、单向带、丝、混合纤维材料、缆线或者织造或 非织造带状物。在缠绕期间或之后，该材料可以固定在自身上。在缠绕期间，例如可以通过 利用激光或其他光、热或红外线源等来局部加热而进行附接。由此，纤维材料可以沿某些方 向缠绕，以便可以布置桁架内的最佳强度分布。
[0039]包括细长材料的纤维可以是热固性材料(例如环氧树脂、酚醛树脂或乙烯基醚树 脂)。
[0040]包括细长材料的纤维也可以是热塑性材料(例如工程塑料)，选自PETP、PET、PA、 PBTP、PEEK、POM、PPS、ABS、PES、PEKK和/或其他合适聚合物中的一种或多种。
[0041]热固性或热塑性材料优选是具有大于300°C的玻璃转化温度Tg的材料。通过此方式，结构材料可以耐受大约150-200°C的高温，因此所获得的产品能使用在高温环境下。例 如，由该材料制成的翻斗机本体可以用于将热浙青运输至道路施工部位。
[0042]所应用的纤维可以是玻璃纤维、石英玻璃纤维、碳纤维、任何其他矿物纤维或其他 适用纤维。
[0043]内部第一层和外部第二层可以通过类似方式并由类似材料缠绕而成，尽管所述材 料围绕其缠绕的预制件和模具不同。在图2中，描述了此模具或预制件。
[0044]模具或预制件13为盒状结构，设置有轴24，模具13可围绕该轴旋转。设置两个空 间14和15，第一层2和/或第二层3可以在所述空间中生产。空间14包括底部16、两个 侧壁部17和18以及前壁部19。类似地，空间15设有前壁部21、两个侧壁部22和23以及 底壁部23。在该实施例中，空间14、15的形状类似，但尺寸不同以便形成将安装在第一层或 内层2和空间框架4周围的第二层或外层3。
[0045]为了制造第一层2和/或第二层3，模具13围绕轴24旋转并且纤维增强材料的带 状物缠绕在模具13周围。用于铺放和/或缠绕细长材料的缠绕器件或者带或纤维铺放器 件可以包括：具有缠绕材料(例如带状物或带）的卷筒、送料导向件及加热枪。所述器件或 至少其送料导向件是能够平行于轴24在模具13的前壁部19、21之间移动的。加热枪可以 是热风枪、激光或红外线源。在带或带状物接触模具或先前的层之前、在带或带状物接触模 具或先前的层期间、或在带或带状物刚刚接触模具或先前的层之后，带或带状物可以通过 加热带直接焊接或熔合在模具或先前的层上。
[0046]或者，细长材料可以通过带或纤维铺放而添加在模具或下层上。因此，细长材料被 切割，以使得多余材料的量降到最少并且不再需要单独结构部分的割断。
[0047]或者，之后还可以例如通过将具有缠绕材料的完整模具插入烤炉中来固化带状物 或带。
[0048]在图2中，模具13设置有用于两个第一层和/或第二层的两个空间。该图中的模 具进一步设置有用于翻斗机或自卸机本体的背面舱口的两个空间25和26。或者，模具可以 包括用于在一个步骤中被缠绕和生产的四个第一层2和/或第二层3的四个位置。此模具 显然大于图2中示意性地描述的模具。
[0049]在制造第一层2和/或第二层3之后，将它们彼此割断并切除最终剩余的材料。每 个层2、3的形状与相关模具空间14、15的形状相对应，所述相关模具空间包括底部、两个侧 壁以及一前壁。层2、3定位在空间框架4处、上或中并通过焊接、粘接、熔合、胶合等固定在 其上，由此形成顶部开放的盒状结构。
[0050]通过类似方式，空间25、26中形成的层被割断并固定至相应的空间框架以形成可 以安装在盒状结构的开放后侧中的舱口。
[0051]如图I中示出的空间框架4包括空的空间28、29、30、31和32。在第一层2和第二 层3附接至空间框架4之前这些空的空间可以用泡沫34填充作为安放在空的空间28-32 中的固体块状件，或在附接之后这些空的空间可用泡沫填充作为泡沫固化流体。
[0052]横梁5、6、7和8与由纤维增强材料制成的桁架4A-4C类似。横梁5_8通过桁架 4A-4D中的预定孔移位，如图3中可以更详细的看出。在该图中，将横梁6A、6B、7A、7B、8A和 8B插入桁架4A中。或者，桁架4A-4D可以通过弯头接合和/或角衬而中断并附接至横梁 6A-8B。在进一步的替代方案中，桁架4A-4D和横梁6A-8B可以相交，其中在交叉点处可以设置凹部以便顺利相交。
[0053]横梁6A-8B可以被制成中空管、填芯管或开放的T、L、I、U型轮廓或其他合适轮廓。 通过类似方式，桁架4A-4D可以具有这些轮廓形状中的任意一种。
[0054]在图3中，外层3覆盖在横梁6A-8B和桁架4A-4D周围。在外层3下方，可以设 置额外的加强轮廓27A、27B、27C和27D。在如图4中所示的替代实施例中，省去了加强轮 廓27A-27D，并且下部横梁5A、5B、6A和6B具有增大的高度。桁架4A-4D分别设置有更坚 固的底部12A-12D。同样在12A-12D中，设置有孔以便插入横梁5A-8B。外层3固定至底部 12A-12D的外侧，并且因此能提供更刚性的构造。
[0055]在横梁6A与6B之间，可以安装框架，翻斗机臂或翻斗机圆筒可以安装至该框架。 由于该框架能够与翻斗机本体结合在一起，因此可以提供坚固、耐用的附接点。翻斗机本体 的铰链的附接可以类似地与翻斗机本体，例如空间框架结合在一起。
[0056]在图3和图4中，在翻斗机本体的上部边缘处设置有横梁7A和8A，这些横梁可以 为L型的，水平地从中间前端部9沿侧部10或11朝翻斗机本体的开放后端延伸。类似地， 横梁5和6可以为L型，从前端部9的上部边缘向下经由底部12朝翻斗机本体的后边缘延 伸。
[0057]在前端部9的外边缘的顶部上以及在侧壁部10和11的顶部上，可设置保护轴环
33。轴环可以封闭并密封外边缘，其中第一层2和第二层3在所述外边缘处相遇，使得防止 水等到达结构材料I的内部结构。
[0058]在图3和图4中，内层3由两个或更多的层构建而成。这些层的最内层可以是化 学阻挡层、耐热材料或震动和/或冲击吸收材料，例如尼龙、聚四氟乙烯、PEEK或任意其他 相对惰性材料。作为内层的另一种材料可包括PUR，这是由于其震动和/或冲击吸收性能决 定的。该内衬还可以选择为具有低表面摩擦，使得可以更迅速地和/或顺利地卸载掉翻斗 机本体的负载。所采用的作为额外层的材料可以是未增强或增强材料。
[0059]额外层进一步可以是保护层或隔离层，例如气凝胶或类似材料。然后可以制造任 何额外的层，如图2中所描述的且如上所述，并且在完成之后可以置于并粘接或胶合在下 层2、3或任何其他层中、上或周围。这些额外层在材料的使用寿命器件可以更换，同时结构 保持完整。
[0060]应理解的是，本发明不限于图中所示且说明书中所描述的示例性实施例。例如，结 构材料可以用作房屋建设、工业建筑和/或其他土木结构中的混凝土模具材料。
[0061]在一些应用中，可以使用第二空间框架，以便进一步加固。
[0062]这些和其他修改被视为是对权利要求中所概括的本发明的构架、精神和范围的一 部分的变更。
[0063]附图标记列表
[0064]I.结构材料
[0065]2.第一层
[0066]3.第二层
[0067]4.空间框架
[0068]5.横梁
[0069]6.横梁[0070]7.横梁
[0071]8.横梁
[0072]9.前端部
[0073]10.侧端部
[0074]11.侧端部
[0075]12.底部
[0076]13.模具
[0077]14.第一模具位置
[0078]15.第二模具位置
[0079]16.底模具部
[0080]17.侧模具部
[0081]18.侧模具部
[0082]19.前端模具部
[0083]20.侧模具部
[0084]21.前端模具部
[0085]22.侧端模具部
[0086]23.底模具部
[0087]24.轴
[0088]25.尾舱口模具部
[0089]26.尾舱口模具部
[0090]27A-D.加强轮廓
[0091]28.开放空间
[0092]29.开放空间
[0093]30.开放空间
[0094]31.开放空间
[0095]32.开放空间
[0096]33.保护轴环
[0097]34.泡沫
【权利要求】
1.一种适于构造承载结构的结构材料，所述承载结构诸如为能安装于卡车的自卸机本体或翻斗机本体、油罐、船体、集装箱等，所述结构材料包括：-纤维增强热塑性或热固性材料的第一层；-纤维增强热塑性或热固性材料的空间框架结构；-纤维增强热塑性或热固性材料的第二层；其中，所述空间框架结构布置在所述第一层与所述第二层之间且固定于所述第一层和所述第二层。
2.根据权利要求1所述的结构材料，其中，所述第一层与所述第二层之间的所述空间框架结构包括开放空间。
3.根据权利要求2所述的结构材料，其中，所述空间框架中的所述开放空间用泡沫材料填充。
4.根据权利要求3所述的结构材料，其中，所述泡沫在所述材料的建造期间以固体泡沫的形式插入在所述开放空间中或者所述泡沫在所述第一层和所述第二层完成之后被注入。
5.根据前述权利要求中任一项所述的结构材料，其中，纤维增强的所述第一层、纤维增强的所述第二层和/或所述空间框架的部件通过局部的带或纤维铺放而缠绕或布置在预制件或模具上，作为包括细长热塑性或热固性材料的纤维，例如带、单向带、丝、混合纤维、 缆线、织造或非织造带状物。
6.根据权利要求5所述的结构材料，其中，在所述包括细长热塑性或热固性材料的纤维缠绕在所述预制件或模具上的期间或之后，所述包括细长热塑性或热固性材料的纤维被焊接、熔接、粘接或熔融。
7.根据前述权利要求中任一项所述的结构材料，其中，所述第一层、所述第二层和/或所述空间框架的纤维增强热塑性或热固性材料耐受高达150°C、优选高达175°C、更优选高达200°C的温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的结构材料，其中，所述结构材料结合在能够安装在例如卡车上的翻斗机本体或自卸机本体中。
9.一种制造根据权利要求1的结构材料的方法，其中，所述方法包括按任意合适顺序执行的以下步骤：a)提供第一预制件或模具；b)通过带或纤维铺放而将包括第一细长热塑性或热固性材料的纤维材料缠绕或布置在所述第一预制件或模具周围；c)在步骤b)期间或之后，熔接、粘接、焊接或熔融所述第一细长热塑性或热固性材料以制造第一层；d)通过将纤维增强横梁和桁架焊接或粘接在一起来提供空间框架结构；e)将所述空间框架布置在所述第一层上、中或周围并将所述空间框架焊接或粘接至所述第一层；f)将第二层布置在所述空间框架上、中或周围，使得所述空间框架布置在所述第一层与所述第二层之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤f)包括按任意合适顺序执行的以下步骤：g)提供第二预制件或模具；h)通过带或纤维铺放将包括第二细长热塑性或热固性材料的纤维材料缠绕或布置在所述第二预制件或模具周围；i)在步骤h)期间或之后，熔接、粘接、焊接或熔融所述第二细长热塑性材料以制造第二层；j)从所述第二预制件或模具移除所述第二层并将所述第二层布置在所述空间框架中、 上或周围。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在一个卷绕物或带或纤维铺设步骤b)和/或 h)中，所述第一预制件或模具和/或所述第二预制件或模具提供至少两个部位来制造至少两个所述第一层和/或所述第二层，之后在后继切割步骤中，至少两个所述第一层和/或所述第二层能从彼此切割开且能从最终残余材料切割开。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，进一步包括：通过在将所述第二层布置并固定至所述空间框架之前将固体泡沫部分插入在所述开放空间中或通过在将所述第二层布置并固定至所述空间框架之后将能固化的泡沫材料注入到所述开放空间中，而在步骤e)、f)或g)期间或之后将泡沫材料设置在所述空间框架的所述开放空间中。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，能够将额外层固定至所述第一层和/或所述第二层，所述额外层选自例如气凝胶的隔离和结构材料，或其他隔离和/或非织造材料、PEEK、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、PETP, FBTP, POM、PU或PU类材料；其中，所述额外层能够涂敷或形成在所述第一层和/或所述第二层上或者能够事先形成在第三模具或预制件上，并且之后通过粘接、焊接或熔融而固定至所述第一层或所述第二层，从而形成多层。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中步骤e)中的所述空间框架由横梁和桁架构成，其中，所述横梁和桁架的至少一部分由包含第三细长热固性或热塑性纤维的材料缠绕而成，其中，所述第三细长材料在缠绕期间或之后被熔接、焊接、粘接或熔融在一起并且其中，所述横梁和祐1架被一起焊接或粘接成所述空间框架。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中，所述第一层、所述第二层和/或所述空间框架的纤维增强热塑性或热固性材料耐受高达150°C、优选高达175°C、更优选高达200°C的温度。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其中，所述第一层和/或所述第二层被形成为具有底部和从所述底部延伸的多个壁的开口箱体。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的方法，其中，基本上所有步骤都在自动化过程中执行。
18.翻斗机本体，包括底部、两个侧壁以及至少一个端壁，所述底部、两个侧壁以及至少一个端壁全部都由根据权利要求1-8中任一项所述的结构材料或由通过权利要求9-17中任一项所述的方法制造的结构材料制成。
19.根据权利要求18所述的翻斗机本体，进一步包括用于附接翻斗机臂或翻斗机缸体的框架，所述框架与翻斗机本体整体形成。
【文档编号】B32B3/20GK103459147SQ201180067301
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年12月9日 优先权日:2010年12月9日
【发明者】莫滕·鲁因斯特拉, 彼得·费许特 申请人:鲁因斯特拉控股有限公司