生产机动车辆的混合结构部件的方法及相应混合结构部件与流程

本发明涉及用于生产机动车辆的混合结构部件的方法及相应的混合结构部件。

背景技术：

术语混合结构部件是指由几种不同材料形成的结构部件，尤其是由金属材料和一种或更多种聚合物材料形成的结构部件。

机动车辆的某些结构构件特别在冲击期间受到应力，并且必须能够吸收一部分冲击能量以保持车辆结构的完整性。这种结构构件还必须足够坚固以经得住各种结构功能。例如在机动车中央支柱的情况下，在侧面碰撞期间，机动车中央支柱受到较高程度的应力并且还必须通过铰链保持后门并通过前门的闭合系统保持对前门的抵抗力。

此外，制造商正在使机动车辆结构变轻，以减少机动车辆结构的能量消耗。

由不同材料形成的所谓的混合结构是已知的，这些已知的混合结构通常由金属材料和聚合物材料形成。

文献de3011336a1公开了一种通过粘合或压制来组装金属板和纤维增强聚合物材料而获得的轻质部件。所描述的方法生产出具有加强的外观的部件，但未提及所获得的部件的强度。

文献ep0370342a2描述了一种易于生产且具有良好的强度和刚度的轻质结构部件。该部件由下述中空件形成：该中空件在其腔内具有由注入的聚合物材料制成的一组肋。中空的该部件可以是金属的或者可以是通过热压制形成的纤维增强聚合物。所述一组肋通过交叉连接接合至中空部件。这种类型的连接具有使中空部件变弱的缺点。此外，通过不连续点的这种连接不允许中空部件和肋组以最佳方式组合工作并且阻碍重量的减小。

文献ep1550604b1描述了一种用于生产混合结构部件的方法，其中，预先形成涂覆有热活化表面涂层的金属材料板，随后将热塑性材料施用至金属材料板的具有表面涂层的面。尽管这种类型的混合部件的强度适用于半结构部件，但是会证明这种类型的混合部件的强度不足以经受冲击，特别是对于机动车底盘的结构部件比如中央支柱、支柱a或c、纵向外侧梁、车顶横梁、冲击梁或任何其他车辆结构构件。

文献de102009042272a1描述了一种结构部件，该结构部件具有放置在金属板上的由聚合物材料制成的加强层以及由施用至该加强层的热塑性材料制成的加强结构，并且该结构部件具有肋。金属板的边缘不被加强层或加强结构覆盖。

技术实现要素：

本发明旨在通过提出下述方法来克服这些缺陷：该方法为用于生产轻质且具有抵抗力、尤其是在冲击的情况下具有抵抗力的用于机动车辆的混合结构部件的方法。

关于此，本发明的目的涉及一种用于生产机动车辆的混合结构部件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)成形金属材料板，

(b)提供复合材料板，该复合材料板包含浸入或嵌入聚合物基质、尤其是热塑性或热固性聚合物基质中的至少一个纤维层，所述纤维层选自单向纤维层和织造纤维层，

(c)在成形之前或成形之后在所述金属材料板的一个面上施用粘合材料层，或者在成形之前或成形之后在所述复合材料板的一个面上施用粘合材料层，

(d)通过将所述复合材料板成形为所述金属材料板的形状并借助所述粘合材料层将复合材料板接合至金属材料板而形成混合构件，

(e)通过使用聚合物材料(例如热塑性或热固性聚合物)对因此形成的混合构件的至少一部分进行二次成型(overmolding)以形成混合结构部件来生产硬化构件。

这种方法允许获得特别具有抵抗力的、尤其是对冲击具有抵抗力且轻质的混合结构部件。金属材料板提供良好的抗伸长率，并且在显著变形的情况下，复合材料板与金属材料板的形状进行匹配并且在增大组合件的冲击吸收能力同时使组合件的刚性和机械强度增大。最后，二次成型的聚合物材料使混合结构部件硬化及固结。

根据本发明，混合构件的成形步骤(d)实施成使得复合材料板部分地覆盖所述金属材料板的面，生产硬化构件的步骤(e)实施成使得聚合物材料至少部分地覆盖金属材料板的面的未被所述复合材料板覆盖的部分。

应当指出的是，步骤(a)和(b)可以按任何顺序进行；这些步骤可以颠倒。

步骤(a)

对于成形步骤(a)，该步骤可以是冷或热加工步骤。金属材料板可以是金属板，该金属板的厚度例如为0.1mm至1.5mm、有利地为0.1mm至1mm、优选地为0.2mm至0.8mm。该金属材料板可以是铝、镁、钛或基于这些金属中的一种或更多种的合金，或者可以是铁基合金，例如钢或不锈钢。金属材料可以是可冷加工的材料、尤其是钢。

金属板优选地形成最终的混合结构部件的外部部分。由于该板是金属的，因此可以通过通常的焊接技术将该板组装在车身上，而不需要更改工厂组装线上当前存在的方法。

步骤(b)

对于提供复合材料板的步骤(b)，该板包含浸入或嵌入热塑性或热固性聚合物基质中的至少一个纤维层，所述纤维层选自单向纤维层和织造纤维层。因此，纤维层形成连续的加强部分，该加强部分在部件的整个长度或部分长度上或在部件的整个表面或部分表面上延伸。因此，一个或更多个这种类型的层的存在提高了混合结构部件的强度。

当复合材料板具有多层单向纤维时，所述多层单向纤维优选地全部在相同的方向上对齐。一般而言，单向纤维的方向选择成与要生产的部件的最大尺寸的方向平行。

在存在若干层织造纤维的情况下，纤维的主方向可以彼此相同或不同。

有利地，织造纤维网的纤维或单向纤维可以沿着要生产的结构部件的最大尺寸的方向布置，以沿着部件的最大尺寸提高部件的强度。

根据实施方案，复合材料板可以包含至少一个单向纤维层和至少一个织造纤维层。单向纤维提高混合结构部件在纤维方向上的刚度和抗应力性，同时织造纤维提高混合结构部件的抗冲击性。由此获得特别能够抵抗并吸收冲击的混合结构部件。

有利地，步骤(b)中提供的复合材料板可以包含相同或不同的纤维的一个或更多个层，所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、金属纤维和芳族聚酰胺纤维。

优选地，复合材料板可以包含至少一个单向碳纤维层和至少一个织造玻璃纤维层。

本发明不受特定数目的单向纤维层和/或织造纤维层的限制。层数例如可以根据期望的强度、尤其是断裂强度来选择，以及/或者可以根据期望的最大厚度来选择。复合材料板的厚度例如可以为3mm至6mm、有利地为3mm至5mm、优选地为4mm至5mm。

有利地，复合材料板可以包含交替的单向纤维层的叠层和织造纤维层的叠层。这些叠层可以包括2层至6层叠置的纤维。叠层有利地可以对称分布。例如，可以预见多达7个叠层或更多个叠层。例如，由2层至6层纤维构成的5个叠层。

复合材料板的纤维含量可以是可变化的。例如，复合材料板的纤维含量为40重量％至85重量％、有利地为50％至85％、优选为55％至80％。

复合材料板中存在的热塑性聚合物材料可以选自以下各种：脂族聚酰胺(pa)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、甚至聚丙烯以及这些聚合物材料的混合物。例如，可以使用聚酰胺66(pa66)或聚酰胺6(pa6)。

复合材料板中存在的热固性聚合物材料可以选自聚酯树脂、酯类乙烯基、环氧树脂、聚氨酯或这些聚合物材料的混合物。因此可以形成smc(片状成型化合物)型产品。

复合材料板可以通过已知的方法生产，这些已知的方法比如为：在双带压机上可能在高压下通过压塑(例如通过压延)的rtm(树脂转印成型)方法、通过挤压成型或其他合适的方法例如聚合作用期间的单体浸渍方法。

这种复合材料板为最终的混合结构部件提供较高的能量吸收能力，从而提高最终的混合结构部件对冲击的抵抗力。复合材料板在经受严重变形时同时具有多种失效模式，其中，每种失效模式都吸收能量。这些失效模式尤其是：

-聚合物裂开，

-纤维裂开，

-复合材料层之间分层(存在多个层时)，

-纤维与聚合物之间的内聚性损失，

-纤维与聚合物之间的摩擦。

步骤(c)

该步骤可以在成形步骤(a)之前或之后执行、优选地在成形步骤(a)之后进行，或者在步骤(b)之后执行。

粘合材料层可以是聚合物材料层、优选地与复合材料板的聚合物化学上相容，但这不是强制性的。

有利地，粘合材料在预定温度条件下能够将复合材料板接合至金属材料板。粘合材料被称为“可热活化的”，也称为“热熔”粘合剂。

例如，粘合材料是可热活化的的条件是复合材料板的热压印条件或二次成型材料的二次成型条件。

粘合材料可以是可交联材料。对于这种类型的材料，随后的软化是不可能的、尤其是在暴露于预定温度下给定持续时间(有利的是暴露于复合材料板的热压印条件中的预定温度下给定持续时间或者暴露于生产线上的电泳循环和涂装中的预定温度下给定持续时间)时。这具有能够将复合材料板以足够的保持力至少部分地接合至金属材料板上的优点，以在限制或甚至阻止两个板相对于彼此移动的同时允许复合材料板经过机动车制造商的生产线上的所有加热步骤，这使得即使交联反应在制造商的加热过程期间结束，两个板也能够保持处于正确的几何位置。

粘合材料也可以是非交联热熔材料。非交联热熔粘合材料可以选自共聚酯类或共聚酰胺类材料、或者聚烯烃类弹性体热塑性塑料。

可交联热熔粘合材料可以选自共聚酰胺类材料，可交联热熔粘合材料可能包含异氰酸酯、环氧化物或甚至聚烯烃。粘合剂型粘合材料在wo2010-136241a1和ep2435246a1中进行了描述。

也可以想到提供其他类型的材料，只要这些材料能够进行热粘合，比如hcm(可热熔固化的)聚氨酯粘合剂或例如在ca2321884c中描述的基于硅酮的材料，该列举不是限制性的。

例如，可以使用以下材料：

-可交联热熔粘合材料：x1333-p1、hcm555、lohmann和

-非交联热熔粘合材料：emsce20、emsct100和391。

步骤(d)

在混合构件的成形步骤(d)中，复合材料板可以在被施用至金属材料板之前成形，并且使用粘合材料层将复合材料板附接至金属材料板。然而，这种成形步骤有利地与接合步骤同时执行，以使得便于零件的生产并缩短制造时间。

执行该步骤(d)，使得复合材料板将所述金属材料板的面部分地覆盖。

成形尤其可以通过热压印执行、优选地直接对金属材料板执行。

复合材料板借助粘合材料层在预定条件下接合至金属材料板，该预定条件尤其包括温度、压力和可能的持续时间。

有利地，这些预定的温度条件与复合材料板的热压印条件相对应，复合材料板的热压印条件可以根据复合材料板的组成而变化。

有利地，混合构件的成型步骤(d)可以是在有效的温度和压力条件下将所述复合材料板热压印(也称为热压)在所述金属材料板上以使所述复合材料板成形的步骤，粘合材料层定位在复合材料板与金属材料板之间，所述粘合材料在热压印条件下能够将复合材料板接合至金属材料板。

这尤其允许对于步骤(d)和(e)使用相同的工具，随后例如通过注塑成型或压塑成型来执行步骤(e)。在通过压塑执行步骤(e)的情况下，该步骤可以与步骤(d)同时进行。

例如，可以按照以下方式执行热压印。将复合材料板在热压印操作之前加热到足够的温度以使其软化，例如加热到等于或大于复合材料板的聚合物的熔化温度的温度。随后将软化的复合材料板放置在压印模具中、金属材料板上。一旦模具闭合，就在有效压力下对复合材料板执行压印操作，以使复合材料板成形。例如，施加的压力可以为80巴至170巴、优选地为100巴至150巴。在施加压力时，模具可以可选地保持在70℃至160℃，优选地80℃至140℃的温度。

在提供复合材料板的步骤中或在压印步骤结束时，有利地可以考虑给出从复合材料板回收磨碎料并通过对所述板进行切割来实现的步骤，或者给出从复合材料板回收磨碎料并在模具闭合时和/或压印操作期间通过对所述网或失效部件(不合格品)进行切割来实现的步骤。这些磨碎料可以在步骤(e)中被研磨并被有利地重新使用。

步骤(e)

对于步骤(e)，涉及硬化构件的生产，该步骤使用热塑性或热固性聚合物材料对在步骤(d)中形成的混合构件的至少一部分实施二次成型。该步骤尤其通过增大混合部件的惯性来加强混合部件。

实施步骤(e)，由此聚合物材料至少部分地覆盖金属材料板的面的未被所述复合材料板覆盖的部分。

热塑性或热固性聚合物材料可以与形成步骤(b)中提供的复合材料板的一部分的聚合物材料相同或不同。

该步骤可以以与步骤(d)的工具不同的工具来执行。

优选地，步骤(e)以与步骤(d)中使用的工具相同的工具来执行、尤其是当步骤(d)通过热压印执行时，这降低了制造成本。步骤(e)可以是注塑成型或压塑成型步骤。

有利地，所形成的硬化构件是加强肋，这些加强肋可选地基本垂直于复合材料板延伸，即在该板的表面上延伸。

尤其，当金属材料板具有凹部时，这些硬化构件有利地布置在凹部内以加强组合件。特别地，在冲击的情况下，硬化构件的存在限制凹部在冲击下的较大程度的张开或闭合。尤其在支柱的情况下，硬化构件在保持凹部部段的边缘间隔的同时，对凹部的较大程度的张开或闭合以及支柱的高度上的曲率或横向上的曲率进行限制。

有利地，在二次成型之前聚合物材料可以被添加有任意放置的纤维以获得更坚固的硬化构件。这些纤维可以与步骤(b)的复合材料板中存在的纤维相同或不同。这些纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、金属纤维或聚合物纤维，尤其是芳族聚酰胺纤维。

有利地，所添加的纤维与复合材料板中存在的一种或更多种纤维是相同的类型。

特别地，聚合物材料可以包含：来自复合材料板的、以及来自步骤(d)或步骤(b)的磨碎料；可能补充的聚合物、尤其是复合材料板的复合材料中存在的聚合物或化学上相容的其他聚合物。

这降低了混合部件的总生产成本。

本发明还涉及可以通过实施根据本发明的方法而获得的用于机动车辆的混合结构部件，该混合结构部件包括：

-金属材料板、尤其是成形的金属材料板，

-复合材料板、尤其是成形的复合材料板，该复合材料板至少部分地覆盖所述金属材料板的面，复合材料板包含浸入或嵌入聚合物基质中的至少一个纤维层，所述纤维层选自单向纤维层和织造纤维层，

-聚合物材料，该聚合物材料尤其是模制的，该聚合物材料至少部分地覆盖所述金属材料板的至少部分地覆盖有复合材料板的面，该聚合物材料可选地形成肋。

这种混合结构部件特别地对冲击具有抵抗力、尤其是在基本垂直于金属板和复合材料板的冲击的情况下。

金属材料板、复合材料板和聚合物材料的组成可以如参照根据本发明的方法所描述的那样。

该混合结构部件可以形成结构支柱。该结构支柱尤其可以是位于车辆的两个门之间的中央结构支柱、或者是前或后结构支柱。该结构支柱也可以是纵向外侧梁、甚至车顶横梁、冲击梁或车辆的任何其他结构构件。

根据本发明，复合材料板部分地覆盖所述金属材料板的一个面，随后聚合物材料至少部分地覆盖该面的未被所述复合材料板覆盖的部分。这在不会影响部件的抗冲击性的情况下限制了复合材料板的磨碎料的生产并且覆盖了金属材料板的留空的表面。

有利地，金属材料板的留下未被覆盖的部分或这些部分中的一些可以是用于将混合部件紧固至另一结构部件的部分，其中，特别是通过焊接将混合部件紧固至另一结构部件。这些部分例如是混合结构部件的边缘部分。如此实现的两个件之间的附接可以用于硬化混合部件，例如通过形成封闭的横截面来硬化混合部件；如此实现的两个件之间的附接也可以用于将混合部件接合至机动车辆的车体的另外已经预组装的金属部件：例如，在中央混合支柱的情况下，金属材料板的留下未被覆盖的一部分可以在上部部分焊接至车顶横梁或车顶侧梁并且在下部部分焊接至外侧梁或金属门槛板。

有利地，金属材料板的至少一个边缘可以具有既不被复合材料板覆盖也不被聚合物材料覆盖的预定的紧固区域，所述预定的紧固区域尤其是被焊接，所述预定的紧固区域被覆盖有聚合物材料的区域隔开。该布置限制了金属材料板的边缘上的惯性裂开，并且因此防止了金属材料板在这些区域中大范围地断裂或变形。

在这种情况下，有利的是预见到结构部件的被金属材料板的边缘附接的边缘具有凹部。凹部之间的区域意在与金属材料板的紧固区域接触，凹部意在与金属材料板的涂覆有聚合物材料的区域接触。这加强了所组装的边缘。

当然，结构部件的意在被紧固至混合部件的若干边缘均可以具有凹部。

有利地，这些凹部成形为补偿金属材料板的边缘的与覆盖有聚合物材料的区域的存在相关联的额外厚度。

本发明还涉及组装至尤其是金属结构部件的根据本发明的混合结构部件的组合件。

附图说明

现在将参照以下非限制性的图来描述本发明：

-图1是根据本发明的混合结构部件的实施方案的分解立体图，

-图2是根据另一实施方案的混合结构部件的局部立体图、是该部件的凹形侧部的视图，

-图3a是组装至结构部件的在图2中示出的部件的横向横截面；图3b是组装至结构部件的在图2中示出的部件的边缘的纵向横截面。

具体实施方式

图1示出了机动车辆的中央结构支柱10，中央结构支柱10包括：

-成形的金属材料板12，

-成形的复合材料板14，

-模制的聚合物材料16，模制的聚合物材料16至少部分地覆盖覆盖有复合材料板14的覆盖金属材料板1进，聚合物材料16可选地形成肋18。

金属材料板12呈中空部件的形式并且具有凹形的内表面12a和凸形的外表面12b。

复合材料板14覆盖金属材料板12的面12a。该复合材料板14含有浸入或嵌入聚合物基质中的若干层纤维。

应当指出的是，本发明不限于金属材料板12的其上施用有复合材料板14的面12a的特定形状，该面12a可以是凸形的面或其他面。

聚合物材料16在此处形成一组肋18，所述一组肋18有利地在板12和14的凹部内延伸并且部分地覆盖两个板12、14的边缘。

例如，混合中央支柱10包括：

-厚度为0.67mm的钢板10，

-含有55％至80％重量的单向碳纤维和织造玻璃纤维的厚度为4.35mm的聚酰胺66基复合材料板，以及

-含有50％重量的切碎玻璃纤维的由聚酰胺66制成的厚度可在2mm至4.5mm变化的热塑性材料，

混合中央支柱10相对于全钢支柱轻了30％，但具有相同的冲击性能(例如通过模拟进行检测)。

图2和图3a、图3b部分地示出了根据另一实施方案的混合结构部件110。在该实施方案中，混合结构部件110同样包括成形的金属材料板112、成形的复合材料板114和部分地覆盖金属材料板112的模制的聚合物材料116。从图2和图3b中可以看出，聚合物材料116形成肋118。

如在前述实施方案中的那样，金属材料板112呈中空部件的形式并且具有凹形的内表面112a和凸形的外表面112b。

在该实施方案中，应当指出的是，金属材料板112未被复合材料板114完全覆盖、尤其是在金属材料板112的纵向边缘113a和113b处。这些纵向边缘113a、113b具有与以聚合物材料116覆盖的区域122交替的紧固区域120。紧固区域120既不被复合材料板114覆盖也不被聚合物材料116覆盖，从而允许紧固区域120被紧固至结构部件，尤其是通过焊接至金属结构部件来紧固紧固区域120。

此外，应当指出的是，金属材料板112的不是紧固区域120且不被复合材料板114覆盖的部分覆盖有聚合物材料116，如可以在图3a(图的左侧部分)中更具体地看出的。换句话说，在该实施方案中，在横向横截面中，金属材料板112的不附接至结构部件的每个部分均被复合材料板114或聚合物材料116覆盖。在未示出的另一实施方案中，可以存在金属材料板112的不附接至结构部件且不被任何其他材料覆盖的部分。

横截面3a和横截面3b中部分地示出了金属结构部件124。为了与混合结构部件110更好地组装，该部件124的边缘具有中空区域或凹部125，中空区域或凹部125定位成与覆盖有聚合物材料116的区域122相对，并且中空区域或凹部125设计成补偿由于这些区域122的存在而导致的边缘113a的过大厚度。