用于制造以金属/塑料复合形式的三维成型的混合部件的方法和半成品及这类半成品的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够深冲的、板状或带状的半成品以及这类半成品的应用，该半成品用于制造以金属/塑料复合形式的三维成型的混合部件。本发明另外还涉及用于制造以金属/塑料复合形式的三维成型的混合部件的方法。
【背景技术】
[0002]在结构工程中并特别是在汽车中以较高程度使用轻质部件，这些轻质部件除了较小的重量之外还必须额外地具有高强度和高刚性。相应的轻质部件通常在汽车车身中用作冲撞相关的结构部件，比如B柱、保险杆或者侧面防冲撞梁。用于实现这类轻质部件的方式是使不同的材料相互结合。
[0003]在塑料和纤维增强塑料的领域中，LANXESS AG公司与埃尔兰根塑料技术研究组(Lehrstuhl fiir Kunstofftechnik aus Erlangen)合作开发出了所谓的“埃尔兰根横梁”。这是一个用于标准研究的横梁模型，为了制造该横梁，将有机板(纤维增强塑料)加热至其熔融温度以上，放入成型工具中成型并随后通过整合的注塑装置而设置三维的肋状结构。该横梁模型的机械特征值显著地高于板材基体上的悬挂物的机械特征值。由此，该结构可以吸收明显更多的能量。在埃尔兰根横梁上的其他三点式弯曲的模拟得出，由成型后的钢板与肋状结构构成的复合相应使得埃尔兰根横梁与埃尔兰根横梁的初始变型(具有注塑的肋状结构的有机板)相比可以容纳大于两倍高的力。但是因为材料金属和塑料是异质的，必须设置适宜的连接措施。常规的制造过程包括以下操作步骤:
[0004]1.批量生产(裁切)钢板
[0005]2.使裁切后的板材成型
[0006]3.对已成型的板材进行脱油
[0007]4.涂覆粘合剂层
[0008]5.将成型的、涂覆有粘合剂层的板材运送到注塑成型工具并放入该工具中
[0009]6.该板材后注塑或注塑包封有塑料，从而产生肋状结构。
[0010]该过程成本较高。特别是目前用于汽车工业的粘合剂价格很高。这阻碍了许多汽车制造商或供应商使用以金属/塑料复合形式的混合部件，从而无法利用目前所存在的轻质潜力。
[0011]DE 199 34 545 Cl中已知一种混合部件，其具有由金属板成型的型体，该型体这样后注塑有塑料，即，塑料限定了具有交叉状突肋的结构体。为了实现金属与塑料的充分连接，根据DE 199 34 545 Cl形成塑料与金属的型体的部分形状配合。在此，通过型体的部分包绕以及通过型体的中断部的注塑包封实现形状配合。在中断处产生金属与塑料之间点状的固定。但是，在许多部件中，这样局部的形状配合连接点在构件的外部形貌方面并不是所期望的。另外，这类混合部件的负荷承受能力由于其局部的形状配合连接有时也是令人不满意的。
【发明内容】
[0012]由此出发，本发明的目的在于提供一种用于制造以金属/塑料复合形式的三维成型的混合部件的半成品，与上述包括6个操作步骤的过程的情况相比，其对于汽车制造商或其供应者而言实现了以明显更低的成本制造具有高负载性能的相应的混合部件。另外还说明了一种低成本的用于制造以金属/塑料复合形式的三维成型的混合部件的方法。
[0013]本发明关于半成品的目的通过具有权利要求1所述特征的半成品得以实现。上述关于方法的目的通过具有权利要求18所述特征的方法得以实现。按照本发明的半成品以及按照本发明的方法的有利设计方案是引用权利要求1的权利要求2至17的主题或引用权利要求18的权利要求19至26的主题。
[0014]本发明基于这样的基本构思，S卩，为了制造以金属/塑料复合形式的三维成型的混合部件而提供一种半成品，通过该半成品由至少一个板状或带状的金属板和至少一个材料配合地覆在金属板上的热塑性的塑料层组成，其中，金属板的覆有塑料层的侧面具有改善塑料层的粘合的表面，而且其中，塑料层形成为用于材料配合地、无需粘合剂地连接至少一个由塑料制成或待制的结构体的耦合层，该半成品实现了在金属和塑料之间基本上全面粘合的连接，而对汽车制造商或混合部件制造商而言无需进行粘合剂材料的涂覆。
[0015]根据表面处理的情况可以使用不同的热塑性塑料作为耦合层，特别是聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、热塑性弹性体以及这些塑料的复合物，其中，聚酰胺、聚乙烯或其混合物由于其相对较高的耐温性是特别优选的。
[0016]按照本发明的半成品的金属板优选由钢材制成、特别优选由双相钢或其他轻质钢制成。钢材的特征在于良好的可变形性和高强度。双相钢的组织结构尤其是由软质铁素体基体组成，硬质的马氏体为主导的第二相以岛状形式嵌入该基体中。铁素体比重不高于90%。除了马氏体之外还可能存在残余奥氏体和贝氏体的部分。由双相钢制成的板材特别适合于用于制造强度相关的结构部件和车身部件的、具有高拉伸比的冷成型。热乳的双相钢在制造重量减轻的构件(比如型材、车身加强件和汽车部件)中具有特别的优势。在相应的热处理之后，比如烘烤硬化处理(Bake-Hardening-Behandlung)，实现了30MPa以上的额外的强度提高。
[0017]按照本发明的半成品的至少一个金属板具有例如在0.1至2.5mm范围内、优选在
0.1至1.0mm范围内、特别优选在0.1至0.5mm范围内的厚度。
[0018]按照本发明的半成品的至少一个塑料层(耦合层)对应地以更薄的形式形成。该塑料层具有例如在0.01至1.2mm范围内、优选在0.05至1.0mm范围内、特别优选在0.3至0.8mm范围内的厚度。
[0019]由申请人进行的试验已显示，其金属板和耦合层具有上述范围内厚度的按照本发明的半成品在室温和100°c的工具温度下在杯突之后的深冲试验中能够很好地进行深冲。在按照本发明的半成品的深冲过程中，作为耦合层的热塑性塑料层与金属板一同流动并且在此不会失去其粘合。
[0020]代替由钢材制成的金属板，按照本发明的半成品也可以具有由镁或铝制成的金属板。
[0021]按照本发明的半成品的热塑性塑料层(耦合层)的功能在于，该塑料层能够与多种其他的塑料可靠地、无需涂覆粘合剂地、材料配合地连接。为此，为了活化耦合层的表面并形成材料配合，在注塑成型过程中可以利用塑料熔体的能量。在熔体冷却之后，在耦合层和喷注的塑料之间存在完美的连接。喷注的塑料既可以是热塑性塑料也可以是热固性塑料和/或弹性体范围内的塑料。另外还可能的是，在注塑成型之前通过等离子处理或电晕处理额外地活化耦合层表面，从而拓宽了所能够使用的塑料的范围。
[0022]通过按照本发明的半成品可以显著地减少在汽车制造商或构件供应商的驻地实施的、用于至少三维成型的混合部件的操作步骤。汽车制造商或构件供应商可以以按照本发明的半成品通过以下操作步骤制造三维成型的混合部件:
[0023]1.批量生产(裁切)板状或带状的半成品
[0024]2.将裁切后的半成品运送到并放入具有整合的注塑成型装置的成型工具
[0025]3.在一个步骤中进行半成品坯料的成型和后注塑。
[0026]按照本发明的半成品的一个有利设计方案的特征在于，塑料层(耦合层)非全面地、而是局部地覆盖其所覆的金属板的侧面。当待制的混合部件例如仅局部地具有使强度和/或刚性提高的、塑料构成的肋状结构时，该设计方案是特别适宜的。因此，在完成制造混合部件之后一个或多个不具有肋状结构的、更大面积范围的金属板可以在金属板的覆层过程中保持不覆盖至少一个热塑性塑料层(耦合层)。这样节省了材料损耗并且在足够的强度特性或刚性特性的同时有助于理想的重量减轻。
[0027]按照本发明的半成品的另一个有利设计方案在于，热塑性塑料层以双层的形式实施，其中，在两个塑料层之间设置有热塑性的泡沫材料层。已显示，热塑性的泡沫材料层在中间的设置明显有助于在强度和刚度保持不变的情况下混合构件的重量减轻。
[0028]根据另一个有利设计方案，按照本发明的半成品的塑料层(耦合层)局部地覆有至少一个有机板。由此可以在总重量保持不变或甚至总重量减轻的情况下明显地改善待制混合部件的强度和钢性。
[0029]根据按照本发明的半成品的另一个设计方案，该半成品的(至少一个)金属板可以额外地或替代性地在其远离塑料层(耦合层)的侧面上覆有至少一个有机板。通过该设计方案也可以在总重量保持不变或设置总重量减轻的情况下明显地提高待制混合部件的强度和钢性。在此根据其他设计方案，该有机板在其远