多层结构部件、其制造方法及用图
【专利说明】多层结构部件、其制造方法及用途
[0001]本发明涉及多层结构部件，其特别是用作轻质部件。
[0002]在汽车建造中以及在其它工业领域中，更多地使用轻质部件已有一段时间，以由此实现例如与燃料消耗有关的优点。特别在汽车建造中，需要一方面具有低重量且另一方面满足在汽车建造时必需的安全要求和稳定性要求(例如就可荷载性而言)的结构部件。为了提高汽车中的行驶舒适度，也特别地进一步需要由于隔绝性质或固有频率谱而有助于实现机动车内室的低噪音水平的结构部件。汽车工业还特别对可见结构部件的光学性质和表面品质提出高要求，以使该结构部件例如能获得均匀漆层。
[0003]由现有技术已知轻质部件的各种变型。这些特别包括由完全或部分借助胶粘技术互相接合的金属片与例如由塑料材料制成的支承结构的组合制成的部件。此外，还已知具有金属支承结构的注塑部件、纯注塑部件和任选具有玻璃纤维增强材料或碳纤维增强材料的热固性FVK部件(RTM、SMC、BMC)。
[0004]“树脂传递模塑”(RTM)-通常也称作注射压缩模塑-被理解为是指制造纤维增强部件的方法，其中将纤维垫插入模具中，然后在压力下在其周围浇注液体树脂-固化剂混合物。该树脂在热输入下反应，由此产生固体产品(K6rper )。
[0005]“片状模塑料”(SMC)表示由现有技术中已知用于制造纤维-塑料复合体的由热固性反应树脂和玻璃纤维制成的片形面团状压制物料。在SMC中，所有必要组分以完全预混并准备好加工的形式存在。通常使用聚酯树脂或乙烯酯树脂。增强纤维以垫的形式或罕见地以织物的形式存在，其中其典型纤维长度为25至50毫米。
[0006]“块状模塑料”(BMC)是已知的纤维-基质半成品。其主要由短玻璃纤维和聚酯树脂或乙烯酯树脂构成，其中其它增强纤维或树脂体系也可行。天然纤维越来越广泛用作玻璃纤维的廉价替代物。BMC作为未成型物料在袋或其它容器中供应。
[0007]但是，尽管这些已知的轻质部件，还需要改进的轻质部件，因为已知体系具有不足的材料性质，特别是在稳定性、刚度等方面中，或尽可在非常复杂的方法中制造或使用，因为它们例如需要单独制造金属组件或塑料组件，其然后必须在机动车组装过程中在单独操作步骤中接合，例如通过将塑料片与由金属制成的支承结构胶粘。
[0008]现有技术中迄今已知的轻质部件的另一问题还在于与引入力(krafteinleitend)的功能元件(力引入元件)的组合。例如，迄今已将用于吸收出现的载荷的金属支承或框架结构与外部件如金属片或塑料片组合，以制造包层(Verkleidung)。这种结构在汽车领域中已知为所谓的空间框架建造方式。相反，在另一已知的自承结构概念中，外部车身部件吸收出现的载荷。在之前的解决方案中，基本将用于引开出现的载荷的力引入元件与承载框架结构接合，特别是通过焊接、拧紧或铆接，由此产生提高的操作费用。
[0009]因此也特别需要不必使用上述紧固方法就将力引入元件整合到其中的轻质部件，由此能够简化力引入元件的安装。
[0010]从所述现有技术出发，本发明的基本目的是提供用于轻质构造并一方面在低重量下具有良好的材料性质如刚度和可荷载性且另一反面可相对容易地制造和使用的结构部件，其特别作为直接用于机动车的成品部件。
[0011]根据本发明，至少部分地通过一种多层结构部件实现此目的，该多层结构包含第一和第二纤维复合层和设置在它们之间的由发泡塑料制成的泡沫层，其中第一和第二纤维复合层分别具有至少一个由纤维材料制成并嵌入基于热塑性塑料的基质中的纤维层片(Lage)。具有至少一个由纤维材料制成并嵌入基于热塑性塑料的基质中的纤维层片的此类纤维复合层也被称为“复合片”。所述基于塑料的基质优选包含至少一个第一和第二塑料层，在它们之间设置有纤维层片。该塑料层可以例如分别通过至少一个塑料箔层片制造。本发明的结构部件还具有锚固结构，其具有用于接合到力引入元件上的基座并具有分支结构，其中该分支结构包含至少三个以各种方向从基座延伸出的分支。
[0012]在本发明范围中认识到，通过两个复合片与设置在它们之间的由发泡塑料制成的泡沫层的组合，可以提供具有特别在刚度和稳定性方面的极好机械性质和同时低重量并因此特别适合作为用于汽车建造的轻质部件的结构部件。还在可直接安装在预期使用位置，例如机动车内的整体部件中提供这些性质。特别地，该结构部件不需要附加框架结构，因为它们本身已具有高固有刚度并因此可吸收大的力而不过度变形。
[0013]借助所述结构部件，还可以实现良好的隔音性质并调节固有频率谱以适应各种需要。特别地，通过该结构部件的多层夹心状结构，可以实现声波的转向，且通过所述纤维复合层和泡沫层的各种密度，可以实现比例如铝片或钢片情况中更好的隔音。这种铝片或钢片必须例如通过额外用PU泡沫后注塑(Hinterspritzen)进行额外隔绝，而所述结构部件已实现所需隔绝，而可省去用于隔绝的附加材料和操作步骤。
[0014]第一和第二纤维复合层可具有相同或不同的结构，例如在纤维类型、纤维层片的数量和热塑性塑料类型方面。可以通过第一和第二纤维复合层的相同构造防止该结构部件的翘曲。另一方面，可以使用不同类型的第一和第二纤维复合层来制造具有与特定用途相匹配的性质的结构部件。
[0015]根据本发明，还至少部分地通过一种制造结构部件，特别是上述结构部件的方法实现上述目的，其中提供第一和第二纤维复合片，其中第一和第二纤维复合片分别具有至少一个由纤维材料制成并嵌入基于热塑性塑料的基质中的纤维层片，其中将第一纤维复合片热成形以产生第一纤维复合半成品并将第二纤维复合片热成形以产生第二纤维复合半成品，其中将第一和第二纤维复合半成品设置在发泡模具中以在第一和第二纤维复合半成品之间形成空腔，且其中通过注入发泡塑料对该空腔中发泡。将锚固结构设置在引入第一或第二纤维复合半成品中的容置空间(Aufnahme)中以使该锚固结构伸入所述空腔，并在此处在对所述空腔发泡时嵌入发泡塑料。
[0016]纤维复合片的热成形被理解为是指首先将该纤维复合片加热到高于该热塑性塑料软化温度的温度，然后特别通过使用成形模具进行成形。为此同样可将该成形模具进行调温，例如在该热塑性塑料软化温度的范围内，例如在软化温度的+/- 20°C的范围内的温度下。第一和第二纤维复合半成品可具有相同形状或不同形状。优选将该纤维复合片加热到至少80°C，优选至少90°C，特别是至少100°C的温度。由此防止在加热后该纤维复合片太快凝固并因此不再能正确热成形或任选甚至出现塑料基质的局部损坏。当聚碳酸酯用作该基质时，优选将该纤维复合片加热到大约100°C的温度。
[0017]该复合元件可以以各种方式制造，这些方式例如也从仪表板或车顶内衬的制造中获知。为此必需并优选调温的模具具有基本与第一纤维复合半成品形状对应的第一半模和基本与第二纤维复合半成品形状对应的第二半模;在其上固定有各自的纤维复合半成品。
[0018]在一种方法中，为纤维复合半成品完全或部分地配备胶粘剂，插入可热成形，优选热固性泡沫材料的层片，关闭模具并在合适的温度下压制。
[0019]在另一方法中，插入完全或部分地配备有胶粘剂的可热成形，优选热固性泡沫材料的层片，关闭模具并在合适的温度下压制。
[0020]在另一方法中，将可发泡塑料或可反应混合物施加到纤维复合半成品上，几乎关闭模具，且该可反应混合物在纤维复合半成品之间发泡，其中在发泡混合物接近模具关闭后留下的开口并有逸出模具的危险时优选进一步关闭模具。但是，也已知用于防止泡沫材料逸出的其它方法，例如曲径(Labyrinthe)和开孔泡沫材料箔。但是根据成品部件的设计，如果模具的完全关闭太复杂或造成成品部件的品质不足，泡沫材料的少许逸出也可接受。
[0021]在另一方法中，首先基本关闭具有两个纤维复合半成品的模具，然后将可反应混合物引入由此产生的空腔中，该可发泡塑料或可反应混合物在纤维复合半成品之间发泡，其中在发泡混合物接近模具关闭后留下的开口并有逸出模具的危险时优选进一步关闭模具。但是，也已知用于防止泡沫材料逸出的其它方法，例如曲径和开孔泡沫材料箔。
[0022]在另一方法中，首先在固定或松散地接合两个纤维复合半成品，然后插入模具，基本关闭模具，然后将可反应混合物引入空腔，且该可发泡塑料或可反应混合物在纤维复合半成品之间发泡，其中在发泡混合物接近模具关闭后留下的开口并有逸出模具的危险时优选进一步关闭模具。但是，也已知用于防止泡沫材料逸出的其它方法，例如曲径和开孔泡沫材料箔。
[0023]但是根据成品部件的设计，如果模具的完全关闭太复杂或造成成品部件的品质不足，泡沫材料的少许逸出也可接受。
[0024]还通过上述结构部件用于制造机动车车身部件，特别是后盖板、发动机罩或车顶元件的用途实现上述目的。
[0025]由于它们的结构机械性质和低重量，该结构部件特别适用于机动车车身部件。特别地，高表面质量还允许这些结构部件用于水平安置的部件，如后盖板、发动机罩或车顶元件，其由于大表面积和暴露位置而必须具有特别高的表面质量。
[0026]所述结构部件还特别适合作为机动车车身部件，因为其将机械性质与可独立调节的表面特性相组合，从而不需要如例如在传统空间框架建造方式时那样与增强元件或表面元件后续组合。
[0027]下面描述该结构部件、制造该结构部件的方法和该结构部件的用途的各种实施例。即使这些实施例部分地特别仅针对结构部件、方法或用途进行描述，它们也分别相应地既适用于结构部件也适用于方法和用途。
[0028]松散纤维复合层的基质优选是热塑性塑料。合适的热塑性塑料是聚碳酸酯、聚苯乙烯、苯乙烯共聚物、芳族聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PET_环己烷二甲醇共聚物(PETG)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、环状聚烯烃、聚-或共聚丙烯酸酯和聚-或共聚甲基丙烯酸酯例如聚-或共聚甲基丙烯酸甲酯(如PMMA)、聚酰胺(优选聚酰胺6(?46)和聚酰胺6，6(?六6，6))，以及与苯乙烯的共聚物例如透明聚苯乙烯-丙烯腈(PSAN)、热塑性聚氨酯、基于环烯烃的聚合物(例如TOPAS ?，Ticona公司的产品)或所述聚合物的混合物，以及与烯烃共聚物或接枝聚合物例如苯乙烯/丙烯腈共聚物和任选其它上述聚合物的聚碳酸酯共混物。
[0029]优选的热塑性塑料选自聚碳酸酯、聚酰胺(优选PA6和PA6，6)和聚丙烯酸烷基酯(优选聚甲基丙烯酸甲酯)以及这些热塑性塑料与例如聚对苯二甲酸亚烷基酯(优选聚对苯二甲酸丁二醇酯)、抗冲改性剂如丙烯酸酯橡胶、ABS橡胶或苯乙烯/丙烯腈共聚物的混合物中的至少一种。制造热塑性塑料通常包含常规添加剂，如脱模剂、热稳定剂、UV吸收剂。
[0030]优选的热塑性塑料是聚碳酸酯(均聚或共聚碳酸酯)以及聚碳酸酯与聚对苯二甲酸亚烷基酯(特别是与聚对苯二甲酸丁二醇酯)的混合物。聚对苯二甲酸亚烷基酯的含量通常为基于整个组合物计的5至95重量％，优选10至70重量％，特别是30至60重量％，还优选的是聚碳酸酯或聚碳酸酯/聚对苯二甲酸亚烷基酯共混物与ABS共聚物和/或SAN共聚物的混合物。优选的热塑性塑料是由聚碳酸酯和聚碳