专利名称：能量吸收单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及由热塑性泡沫制成的制品，具体而言适用于在两个主体之间冲击时吸收转移的能量的能量吸收单元和特别是汽车能量吸收单元，例如车辆保险杠。
背景技术：
能量吸收单元(EAU)典型地形成制品的部件或连接到制品上，以提供降低在主体的冲击期间对制品的损害的措施并且也通常用以降低对主体的损害。当用作车辆保险杠时，EAU合适地用于降低对车辆和对产生冲击的主体两者的损害。
近年来，塑料汽车EAU已经与常规金属汽车保险杠结合使用以吸收低能量(较低速度)冲击。用作车辆保险杠的能量吸收单元典型地在一侧上具有保险杠带模塑件，该模塑件通常包括塑料泡沫的芯材料和合成树脂的表面材料，该表面材料包覆泡沫芯并且通常安装在刚性横梁之前。泡沫芯材料是影响汽车EAU性能的重要组分部件，一般要求该芯材料具有优异的能量吸收性能和会需要尺寸恢复。此外，为降低汽车的重量，EAU芯材料应当具有低密度。
已经提出用于泡沫芯材料的塑料材料包括聚氨酯、聚乙烯珠粒、聚苯乙烯和聚丙烯珠粒泡沫。典型地通过如下方式制备发泡烯烃聚合物的常规汽车EAU芯在模具中加入聚丙烯类型树脂的可膨胀珠粒，该模具能够包围粒子但允许气体从中逸出，在一定温度下加热可膨胀珠粒，在该温度下珠粒膨胀和软化并彼此熔融-粘合成团，由此形成膨胀到与模具模腔相同形状和尺寸的发泡模塑制品。从聚丙烯类型树脂泡沫的珠粒制备的汽车EAU芯合适地具有16kg/m3-160kg/m3的泡沫密度，以在25％压缩下达到约50kPa-1000kPa的平均压缩应力。
具有许多不同吸收特性的区段的车辆保险杠许多年来是已知的。例如1983年发表的DE3224979A公开了含有三个弹性不同的区段的保险框。EP947727A公开了含有两个能量吸收特性不同的平行层的能量吸收泡沫。该系统可用于保险杠，并参考了聚丙烯、聚苯乙烯和聚氨酯泡沫。
然而，目前的车辆保险框系统不是结合考虑车辆可涉及的其它冲击类型和行人冲击而专门设计。例如，可以从珠粒状形式的蒸汽箱(steamchest)模塑膨胀聚丙烯泡沫生产车辆保险杠，该保险杠在某些类型的冲击中表现适当，但该保险杠相对于其它类型的冲击可能太刚硬或太软，故在不同类型冲击的完全范围不提供最优性能。
持续需要通过降低由于与汽车碰撞的死亡和严重损伤的发生，而提高行人和其它道路使用者的安全。尽管目的在于提高行人安全，也需要提供汽车抗低速冲击的改进保护，以及也通过保护汽车底盘或其它结构部件而降低和所需地最小化对汽车结构的损害，所谓的保险冲击保护。
我们现在发现可以由从热塑性泡沫材料形成的单元提供能量吸收单元，该泡沫材料含有以特定方式排列的能量吸收特性不同的多个区，该能量吸收单元具有能量吸收特性的结合，其提供与低速冲击保护和“保险”冲击保护结合的，对于行人，特别是膝盖和腿的下部冲击的优异冲击保护。
发明内容
因此，本发明第一方面提供一种包括热塑性材料的用作车辆保险杠的能量吸收单元，该单元至少包括上部区和下部区，其中上部区包括内部相对高密度泡沫材料和外部相对低密度泡沫材料，该内部相对高密度泡沫材料用于一般在车辆的纵向上，通过在冲击时吸收能量而保护车辆的结构部件，比如底盘，该外部相对低密度泡沫材料通过在冲击时吸收能量而提供对人体或动物体冲击的保护，其中下部区包括密度在该上部区的所述内部和外部区域中泡沫材料密度中间的泡沫材料。
下部区由泡沫材料制成，它也提供对于行人或其它道路使用者膝盖和腿的下部的保护。它的中间密度能够向前推腿的下部分，与上部区的较低密度部分结合工作以最小化由膝关节经受的弯曲量，故在冲击期间提供对于行人的增强保护。
因此，EAU具有由位于特定区中不同密度材料提供的吸收特性的结合，它提供对于不同类型冲击的冲击保护性能的最优结合。
根据本发明的EAU的特性使得能够生产一种车辆，该车辆提供行人抗车辆冲击的优异保护和低速冲击下对车辆的保护和另外提供“保险”冲击保护。本发明的进一步方面提供包括本发明能量吸收单元的车辆。
在优选的实施方案中，在上部区的内部区域或外部区域或下部区中采用的至少一种泡沫材料包括各向异性热塑性泡沫。更优选，在内部区域和外部区域和下部区中采用的泡沫材料都包括各向异性热塑性泡沫，该泡沫一般在车辆的纵向上排列。合适地构造EAU，例如车辆保险杠使得优选平行于或基本平行于冲击的预期方向，典型地是车辆的纵向轴布置各向异性泡沫，由此提供有利的冲击保护。
可以由已知技术例如，通过挤出可发泡热塑性材料而产生用于生产各向异性热塑性材料的取向。选择从其理想地形成上部区的内部区域和外部区域和下部区的材料和形成它们的工艺参数，例如温度和挤出速率，使得热塑性泡沫的密度小于320kg/m3，优选16kg/m3-192kg/m3，更优选16kg/m3-160kg/m3，和最优选16kg/m3-128kg/m3。获得的挤出物显示各向异性压缩性能，根据ASTM D3575-93(Suffix D)测量，其在约25％压缩下在挤出方向上通常观察到至少约170kPa的最高压缩应力。
从其形成上部区的内部区域和外部区域和下部区的材料的密度依赖于EAU的设计，这本身依赖于其中要采用EAU的车辆类型，条件是下部区热塑性泡沫的密度高于上部区的外部区域热塑性泡沫的密度并且低于上部区的内部区域热塑性泡沫的密度。在优选的实施方案中，上部区的外部区域合适地包括密度为16kg/m3-40kg/m3的热塑性泡沫，上部区的内部区域合适地包括密度为40kg/m3-128kg/m3的热塑性泡沫，和下部区合适地包括密度为16kg/m3-128kg/m3的热塑性泡沫，条件是下部区热塑性泡沫的密度高于上部区的外部区域热塑性泡沫的密度和低于上部区的内部区域热塑性泡沫的密度。
用于本发明EAU构造的特别优选材料是在WO99/00236中描述的各向异性热塑性泡沫，该文献的公开内容在此引入作为参考。
用于本发明的合适可发泡热塑性材料包括聚乙烯，该聚乙烯包括低密度聚乙烯和高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、和乙烯或丙烯和可与其共聚的单烯键不饱和单体的共聚物。用于下部区，上部区的内部区域和上部区的外部区域的热塑性材料可以是相同或不同类型的材料并且合适地独立选择。例子包括乙烯和丙烯酸或甲基丙烯酸和C1-4烷基酯或其含离子键聚合物的衍生物的共聚物、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、乙烯/一氧化碳共聚物、二烯的含酸酐烯烃共聚物、乙烯和具有超低分子量的α-烯烃共聚物(即密度小于0.92g/cc)、和这些材料的共混物。在本发明的优选实施方案中，在内部区域、外部区域或下部区至少一个中采用的各向异性泡沫包括聚丙烯。更优选在内部区域、外部区域和下部区中采用的泡沫包括聚丙烯。
如所需，可以将用于任何一个或多个区域的各向异性材料与各向同性材料，例如膨胀聚丙烯珠粒泡沫和聚氨酯泡沫结合。
各向异性热塑性材料提供优异的能量吸收特性，特别是当在预期冲击力的方向或接近该方向中排列时。合适地，热塑性材料，优选各向异性热塑性材料，通过破碎、弯曲和/或剪切而吸收冲击的能量。特别地由于低、中间和高密度热塑性材料的结合和它们在EAU中的相对位置，在相似的密度下，与已知EAU相比，各向异性泡沫的结构和在EAU中的排列提供高水平的能量吸收。
可以将适用于本发明的挤出的各向异性热塑性材料切割或热成形或另外机器加入成其中使用它的EAU的所需形状。或者，能量吸收制品可以包括多个组件，如由热空气焊接、蒸汽焊接、射频焊接、粘合剂、机械紧固件等结合该组件以形成复合能量吸收制品。同样，可以制备包含热塑性泡沫以外的材料的复合制品。
制备本发明EAU的优选方法中，将构成上部区的内部区域和外部区域和下部区的热塑性泡沫合适地热成形或切割成所需形状。特别优选由如下方式形成EAU通过将不同密度的材料以所需排列一起热成形以产生本发明的EAU。
优选，制备EAU的方法包括形成相对低密度，相对高密度和密度在低和高密度预成型坯中间的热塑性预成型坯，切割或成形预成型坯到预定形状，加热预成型坯，在热成形工具中以相应于能量吸收单元所需形状的构型组装预成型坯和压缩该预成型坯，由此它们结合在一起以形成能量吸收单元。用于本发明的热塑性泡沫所需地由WO99/00236所述的方法制备。
在特别优选的实施方案中，生产具有所需密度的挤出的各向异性泡沫板条。然后根据EAU的设计和相应于要生产的EAU的水平截面，将板条合适地切割到所需形状和尺寸。优选然后将热塑性材料的切割的板条堆叠和热成形以将成形板条结合在一起，以形成用作车辆保险杠中EAU的制品。
例如使用WO99/00236的教导，参照特定因素，该因素包括预成型坯或成形板条的设计和厚度和要使用的热塑性材料的类型，选择用于热成形方法的具体条件。用以说明，例如在辐射烘箱中将包括聚丙烯的预成型坯或成形板条加热到130-160C的温度直到它软化和然后在约环境温度下放入热成形工具和在低压下，例如1-4巴下压缩以生产EAU。
附图简述通过参考附图描述本发明，其中
图1说明根据本发明的EAU的截面。
具体实施例方式
根据本发明的EAU(1)包括上部区(2)和下部区(3)。上部区(2)包括两个部分，内部区域(4)和外部区域(5)。内部区域(4)包括具有相对高密度的热塑性泡沫以提供对结构部件，例如车辆底盘(6)的保护。外部区域(5)包括具有相对低密度的热塑性泡沫以提供低速冲击保护。下部区(3)也合适地包括密度在内部区域(4)和外部区域(5)密度中间的热塑性泡沫。
通过常规措施将上部区(2)和下部区(3)合适地分别连接到车辆(9)的保险杠梁(7)和下梁(8)。
优选上部区(2)和下部区(3)由如下方式生产通过挤出热塑性材料，希望是聚丙烯，以提供各向异性性能和然后将挤出片切割成表示EAU(1)水平截面的形状，使得在将EAU(1)安装于汽车上时挤出方向平行于车辆(9)的纵轴方向。
在本发明进一步优选的实施方案中，外部区域(5)的热塑性泡沫一般具有“C”形垂直截面和限定内部区域(4)的热塑性泡沫一般具有正方形或矩形截面。将限定EAU(1)的下部区(3)的热塑性泡沫成形，使得它的面邻接下梁(8)的前部和优选也邻接其底面或顶面。将下部区(3)和上部区(2)成形为具有辅助表面和优选沿通常水平的平面结合。
权利要求
1.一种用作车辆保险杠的能量吸收单元，其包括热塑性材料，所述单元至少包括上部区和下部区，其中所述上部区包括内部相对高密度泡沫材料和外部相对低密度泡沫材料，该内部相对高密度泡沫材料用于一般在车辆的纵向上，通过在冲击时吸收能量而保护车辆的结构部件，该外部相对低密度泡沫材料通过在冲击时吸收能量而提供对人体或动物体冲击的保护，和其中下部区包括密度在所述上部区的内部和外部区域中泡沫材料的密度中间的泡沫材料。
2.根据权利要求1所述的能量吸收单元，其中在所述上部区的内部区域或外部区域或下部区中采用的至少一种泡沫材料包括各向异性热塑性泡沫。
3.根据权利要求1和2任意一项所述的能量吸收单元，其中在所述上部区的内部区域和外部区域和下部区中采用的泡沫材料全包括各向异性热塑性泡沫，该泡沫一般在车辆的纵向上排列。
4.根据前述权利要求任意一项所述的能量吸收单元，其中在所述上部区的内部区域和外部区域和下部区中的热塑性泡沫的密度小于320kg/m3。
5.根据权利要求4所述的能量吸收单元，其中所述热塑性泡沫的密度为16kg/m3-192kg/m3。
6.根据前述权利要求任意一项所述的能量吸收单元，其中根据ASTM D3575-93(Suffix D)测量，在25％压缩下，在所述上部区的内部区域中的相对高密度热塑性泡沫材料的压缩应力至少为170kPa。
7.根据前述权利要求任意一项所述的能量吸收单元，其中对于下部区、上部区的内部区域和上部区的外部区域，所述热塑性泡沫材料独立地选自低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯和乙烯或丙烯和可与其共聚的单烯键不饱和单体的共聚物。
8.根据权利要求7所述的能量吸收单元，其中在内部区域、外部区域或下部区的至少一个中采用的热塑性泡沫材料包括聚丙烯。
9.根据权利要求8所述的能量吸收单元，其中在内部区域、外部区域和下部区中采用的热塑性泡沫包括聚丙烯。
10.一种车辆，其包括根据权利要求1-9任意一项所述的能量吸收单元。
11.一种制备能量吸收单元的方法，其包括形成相对低密度，相对高密度和密度在低和高密度预成型坯中间的热塑性预成型坯，切割或成形该预成型坯到预定形状，加热该预成型坯，在热成形工具中以相应于能量吸收单元所需形状的构型组装该预成型坯和压缩该预成型坯，由此它们结合在一起以形成能量吸收单元。
12.根据权利要求11所述的制备能量吸收单元的方法，其中所述预成型坯包括挤出的各向异性泡沫的板条，成形该板条以相应于要生产的能量吸收单元的水平截面，和其中将成形的板条堆叠和热成形以将板条结合在一起以形成能量吸收单元。
全文摘要
一种具有上部区(2)和下部区(3)的用作车辆保险杠的能量吸收单元，其中上部区(2)包括内部相对高密度泡沫材料(4)和外部相对低密度泡沫材料(5)，该内部相对高密度泡沫材料用于一般在车辆的纵向上，通过吸收能量而保护车辆(9)的结构部件(7)，该外部相对低密度泡沫材料通过在冲击时吸收能量而提供对身体冲击的保护。下部区(3)包括的泡沫材料其密度在上部区的内部和外部区域中的泡沫材料的密度的中间。
文档编号B60R19/18GK1564763SQ02819707
公开日2005年1月12日 申请日期2002年8月8日 优先权日2001年8月8日
发明者P·J·凯特, P·J·诺顿 申请人:陶氏环球技术公司