由在金属层之间带有泡沫芯的夹层结构成形的三维结构构件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维成形的结构构件。此外，本发明涉及一种用于生产三维成形的结构构件的设备。
[0002]此外，本发明涉及一种生产三维成形的结构构件的方法。
【背景技术】
[0003]汽车结构使用钢，例如用于车身和其它三维成形的结构构件，因为它具有优良的机械性能。然而，钢相对较重。可用于替代钢的替代品为铝，铝更轻便，但更贵。已进一步提出使用合成材料例如金属-塑料-金属夹层结构。然而，这种传统的夹层结构也相对较重。
[0004]DE 10257396公开了包括0.05-2mm的金属、具有60-350MPa在-20到80°C和/或至少1.7MPa在160到220°C的DIN EN ISO 6721储能模量的0.l_2mm聚亚安酯聚合产品以及0.05-2mm的金属的合成元件。DE10257396进一步公开了通过在压力机中形成这些层用于汽车、重型货车或飞机的本体部件的生产。
[0005]DE 10340541公开了具有下列分层结构的合成组件:(i)0.05mm-2mm之间的金属；(ii)0.之间的聚亚安酯聚合产品，其呈现在一个支撑体中；(iii )0.05mm-2mm之间的金属。
[0006]然而，提供一种强韧、重量轻和以期望形状自由成形的三维成形的结构构件仍是困难的。本发明的目标是提供一种强韧、重量轻和以期望形状自由成形的三维成形的结构构件。
【发明内容】
[0007]为了实现上述目标，提供一种三维成形的结构构件、用于生产三维成形的结构构件的设备和根据独立权利要求生产三维成形的结构构件的方法。
[0008]根据本发明的示例性实施例，提供一种三维成形的(特别是三维曲面，S卩，非平面)的结构构件，其包括由金属材料(可由一种或多种金属制成)制成的第一覆盖层、由金属材料(可由一种或多种金属制成)制成第二覆盖层和部分地或者全部地由泡沫材料(特别是固态泡沫材料)制成并被设置在第一覆盖层和第二覆盖层之间的核心层。
[0009]根据本发明的另一个示例性实施例，提供一种用于生产三维成形的(成型的)结构构件的设备，其中，所述设备包括:第一层供应单元，其被配置为用于供应由金属材料制成的第一覆盖层;第二层供应单元，其被配置为用于供应由金属材料制成的第二覆盖层;泡沫供应单元，其被配置为在第一覆盖层和第二覆盖层之间供应材料(如泡沫材料或者泡沫前体材料(foam precursor material))，其形成核心层，核心层由部分地或者全部地泡沫材料制成并且在第一覆盖层和第二覆盖层之间被连接(直接的，即物理连接，或间接的，即通过至少一个中间结构，如粘合层)以形成粘着的(例如完整的)层序列而配置;成形单元(特别是成型单元或塑性变形单元)，其被配置为用于三维成形(特别是成型或塑性变形)结果(特别是平面的)层序列(即通过将核心层在覆盖层中间插入并且直接或间接的将核心层和覆盖层连接而获得层序列)，从而成形结构构件(相对于平面层序列被转化或被重塑)而配置。
[0010]根据本发明的又一个示例性实施例，提供一种生产三维成形的结构构件的方法，其中，所述方法包括提供由金属材料制成的第一覆盖层、提供由金属材料制成的第二覆盖层、在第一覆盖层和第二覆盖层之间设置部分地或者全部地由泡沫材料制成的核心层从而形成粘着的(或连续的)层序列和三维成形结果(特别是先前平面的)层序列(其中所有层可以彼此平行设置)，从而成形结构构件。
[0011]在本申请的上下文中，术语“三维成形的结构构件”(相对于平面结构)可以特别表示在所有三维空间维度上被弯曲和/或在所有三维空间维度上具有结构特征的构件，从而形成实质上非平面空间的几何结构。这些结构构件被实现为由多种结合层或板组成的夹层组件。在这种三维成形的结构构件中，至少三层或板中的至少一部分可能具有共同的曲率，即，这些板仍可分段地彼此平行地延伸。更特别的是，这种三维成形的结构构件可沿其整个延伸具有恒定厚度，其中技术上不可避免的偏差当然是可能的。
[0012]在此申请的上下文中，术语“覆盖层”可以特别的表示覆盖核心层以遮蔽相对于环境遮蔽后者的层或板，但不必形成表面层。
[0013]在此申请的上下文中，术语“覆盖层”可以特别的表示在形成三维成型结构的结构构件的层序列中具有中心位置的嵌入层。因此，核心层将不是表面层(除了在层堆处核心层可延伸至表面的该层堆的侧边)但是将总是在其主表面上均被覆盖层的各自的一个覆盖。本领域技术人员将理解其在核心层和覆盖层之间存在一层或者多层附加层的一个实施例中不被排除。
[0014]然而，在其它实施例中，核心层可直接地接触覆盖层而在其间没有任何附加层。
[0015]在此申请的上下文中，术语“刚性”可以特别地表示各自的金属层可能是全固体，其能够承受机械力或负荷而不损失其结构形状。这种刚性可以通过成形由刚性材料的金属制成的覆盖层来实现。
[0016]在此申请的上下文中，术语“泡沫”可以特别地表示通过捕获在固体基质中的气囊而成形的物质。因此，泡沫层可能是固态的层，然而其中具有气体包含物。泡沫层从固定泡沫优先形成的该固定泡沫分割到闭孔泡沫与开孔泡沫中。在闭孔泡沫中，气体形成离散囊，每个离散囊被固体材料完全包围。在开孔泡沫中，气体囊彼此相连。泡沫层实现了三维成形的结构构件的重量轻的特性，同时还可关于机械稳定性做出贡献。固体泡沫可具有气体包含物，其可占整个核心层体积总量的至少30%，特别地至少70%，更特别地至少85%。
[0017]根据示例性实施例，夹层堆被设置为由两个机械性稳健的金属覆盖层和它们中间的重量轻的固体泡沫材料(如塑料硬泡沫)成形。这种夹层序列机械性稳定且重量轻，并且制造成本低廉。此外，至关重要的是，夹层序列已证明是通过塑性变形适当的重成形或重成型，甚至不需要加热，这归功于金属覆盖层的材料特性。因此，使这种平面夹层序列重成形为任何期望的空间构造的结构构件几乎不存在任何限制。三维成形的结构构件、用于生产三维成形的结构构件的设备和生产三维成形的结构构件的方法的进一步的示例性实施例将在下文中解释。
[0018]在实施例中，尤其有利的是当结构构件形成为在至少180°C的温度下耐热。这种材料选择允许结构构件抵挡特别是涂漆过程，其在现代应用中，经常在大约180°C的温度下被执行。此外，结构构件抵抗180°C温度的能力在当结构构件被配置成为机电组件时也是非常有利的，因为现代机电组件在越来越高的功率级下运行，在此功率级下可能消散大量的热量。而且，这种机电组件可被放置得靠近也产生热量的其它电子组件旁。因此，选择达到至少180°C耐热的结构构件的材料是有利的。
[0019]在实施例中，一个或者两个金属覆盖层由合金制成，特别是足够软的合金。例如，可使用适合冷成型的钢类型或者铝类型。被应用的金属材料不应具有明显的弹力极限或屈服强度。被应用的金属材料应该具有足够高的断裂延伸率，特别是大于20%，更特别是大于30%。
[0020]满足上述要求的钢材料为用于根据DIN EN 10130(DC01、DC03、DC04、DC05、DC06、DC07)的冷成型的软钢。这种钢材料可优选是镀锌的。使用通过根据DIN EN 10202(TS230、TS245、TS260、TS275、TS290)的冷乳制造的钢也是可能的，。适用于深拉的不锈钢也可被使用(如:1.4301)。
[0021]应用根据DIN EN 573(2000系列合金、5000系列合金、6000系列合金、AlMgSi 0.5、AlMgSi UAl 99.5)的可锻造的铝合金也是可能的。
[0022]在实施例中，核心层仅仅由泡沫材料构成，特别是固体泡沫材料。因此，核心层仅由一种材料即泡沫构成是足够的。因此，除了覆盖层之外，不必需要载体结构(如固体块或整个主体)来运载或支撑泡沫材料。这关于重成形夹层堆的用于改变或调整其三维形状或外观的能力以及关于夹层堆的轻重量的属性具有明显优势。
[0023]在实施例中，第一金属覆盖层和第二金属覆盖层中的至少一层由铝或钢制成。钢的独特的优势在于具有高机械强度并且便宜。铝的明显的优势在于重量非常轻，使得通过选择铝整个夹层堆的重量轻的属性得到进一步提高。钢和铝都有高刚度并可被容易的重成形，这使得它们特别适合根据本发明的实施例的结构构件。
[0024]在一个实施例中，核心层由塑料泡沫制成，S卩，塑料材料的泡沫。本发明者的实验已表明广泛的各种各样的塑料泡沫材料适合结合在两层金属覆盖层之间。
[0025]特别地，塑料泡沫可以是聚苯乙烯泡沫。聚苯乙烯泡沫非常便宜，非常适合用于重成形并且密度低。特别地，EPS泡沫(发泡聚苯乙烯)或者发泡聚苯乙烯混合物提供了广泛地物理特性来满足核心层用于3D结构构件的要求。这些特性，与恰当的工程设计考虑结合，提供了要求创造真正的轻重量和两个覆盖层的成本有效的桥接的设计灵活性。在实施例中，聚苯乙烯泡沫可设置有一种或多种添加剂以调整期望的机械性能。发泡聚苯乙烯(EPS)是通用的、重量轻的、刚性的塑料泡沫绝缘材料，其可由聚苯乙烯固体微粒生产，其中，成品可由包括大量的空气如90 % -98 %体积的空气的细小的球型细胞构成。
[0026]特别地，塑料泡沫可由一种或多种热塑性聚酯构成，特别