中空车辆零部件的成型方法及中空车辆零部件和汽车

摘要

本公开涉及一种中空车辆零部件的成型方法及中空车辆零部件和汽车，该方法包括如下步骤：a、制备充气芯模并向所述充气芯模的表面涂覆可固化的热塑性树脂并定型，得到定型芯模；b、在所述定型芯模的表面编织纤维以形成至少一层编织层，得到预成型件；c、将所述预成型件送入固化剂甬道中并依次通过所述固化剂甬道中的加热段和涂覆段，得到混合固化剂后的预成型件；d、将所述混合固化剂后的预成型件送入固化甬道中固化成型，然后将所述充气芯模放气后取出，得到中空车辆零部件。该方法的自动化程度高，可以满足车辆零部件的规模化生产，所生产的中空车辆零部件机械性能好，成本低，且轻量化效果显著，是钣金件、冲压件的良好替代品。

说明书

技术领域

本公开涉及复合材料技术领域，具体地，涉及一种中空车辆零部件的成型方法及中空车辆零部件和汽车。

背景技术

随着能源危机和环境危机的日益突出，汽车轻量化已经成为了汽车工业发展的必然选择。纤维增强复合材料具有比强度比模量高、耐高温、抗疲劳性好、可设计性强等优点，已经广泛应用于航天航空领域。然而由于落后的成型工艺和不成熟的结构设计技术使纤维增强复合材料在汽车工业中尚未获得大规模的应用。已有的纤维增强复合材料成型方法主要有手糊成型、缠绕成型、拉挤成型、模压成型、袋压成型、注射成型和树脂传递塑模成型(RTM)等。具有中空结构的纤维增强复合材料制品一般采用RTM方法生产。

中国专利CN105538737A将中空夹心织物裁剪成需要形状后与树脂进行复合，然后经过熟化、卷绕、切割等步骤，得到中空夹心织物预浸料，再将其置于模具中加热固化得到成品。该方法只能分段进行，每个零件需置于模具中单独固化，且应沿用了传统的模压工艺，无法实现连续生产。

发明内容

本公开的目的是提供一种中空车辆零部件的成型方法及中空车辆零部件和汽车，该方法的自动化程度高，可以满足车辆零部件的规模化生产，所生产的中空车辆零部件机械性能好，成本低，且轻量化效果显著，是钣金件、冲压件的良好替代品。

为了实现上述目的，本公开第一方面：提供一种中空车辆零部件的成型方法，该方法包括如下步骤：

a、制备充气状态下与目标车辆零部件在几何形状上相匹配的充气芯模并在所述充气状态下向所述充气芯模的表面涂覆可固化的热塑性树脂并定型，得到定型芯模；

b、在所述定型芯模的表面编织纤维以形成至少一层编织层，得到预成型件；

c、将所述预成型件送入固化剂甬道中并依次通过所述固化剂甬道中的加热段和涂覆段；在所述加热段中，所述预成型件被预加热至热塑性树脂熔融；在所述涂覆段中，熔融的热塑性树脂与固化剂混合，得到混合固化剂后的预成型件；

d、将所述混合固化剂后的预成型件送入固化甬道中固化成型，然后将所述充气芯模放气后取出，得到中空车辆零部件。

优选地，步骤a中的所述充气芯模的材料为选自乙烯-辛烯共聚物、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚氨酯、环氧树脂和硅橡胶中的至少一种，所述充气芯模具有充气阀门。

优选地，步骤a中的所述树脂为选自热塑性环氧树脂、热塑性聚氨酯树脂和热塑性丙烯酸树脂中的至少一种。

优选地，步骤b中的所述纤维包括增强纤维和树脂纤维，所述增强纤维和树脂纤维的体积比为1:(0.4-2.5)。

优选地，所述增强纤维为选自碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种；所述树脂纤维为选自热塑性环氧树脂纤维、热塑性聚氨酯树脂纤维和热塑性丙烯酸树脂纤维中的至少一种。

优选地，步骤b中的所述编织包括二维二向编织、二维三向编织、三维三向编织、三维四向编织和三维五向编织中的至少一种。

优选地，步骤b中的所述编织层的层数为1-30层。

优选地，该方法还包括：步骤c中，所述预成型件被预加热至热塑性树脂熔融的温度但不发生固化。

优选地，所述涂覆段包括固化剂槽，所述固化剂槽的内侧由外至内地设置有第一刚性网状支架、水性半透膜和第二刚性网状支架，所述固化剂置于所述固化剂槽内并通过所述水性半透膜以与所述树脂和/或所述纤维混合。

优选地，步骤c中的所述固化剂为选自封闭性异氰酸酯固化剂、胺类固化剂和聚酰胺类固化剂中的至少一种。

优选地，步骤d中的所述固化成型包括：向所述充气芯模内充气以通过充气压力使所述混合固化剂后的预成型件固化成型，所述充气芯模的充气压力为2-160MPa。

优选地，步骤的d中的所述固化甬道的内径比所述混合固化剂后的预成型件的外径大0.1-5mm。

优选地，该方法还包括将固化成型后的中空车辆零部件进行表面修整的步骤。

本公开第二方面：提供一种由本公开第一方面所述的方法制备的中空车辆零部件。

本公开第三方面：提供一种车辆，该车辆包括本公开第二方面所述的中空车辆零部件。

通过上述技术方案，本公开提供的中空车辆零部件的成型方法加工自动化程度高、成型快，可以实现中空车辆零部件的自动化和规模化生产，通过改变编织工艺、芯模形态、固化甬道形态等调整零部件结构，可以满足不同车型及部位对零部件的装配补强要求。采用本公开提供的方法制备的中空车辆零部件的机械性能好，成本低，且轻量化效果显著，是钣金件、冲压件的良好替代品。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开提供的中空车辆零部件的成型方法的流程图；

图2是本公开提供的中空车辆零部件的成型方法中的固化剂甬道的侧视图；

图3是本公开提供的中空车辆零部件的成型方法中的固化剂甬道的涂覆段的结构示意图；

图4是本公开提供的中空车辆零部件的成型方法中的固化甬道的侧视图；

图5是本公开提供的中空车辆零部件的成型方法中的固化甬道的示意图；

图6是本公开提供的中空车辆零部件的结构示意图。

附图标记说明

1大锭纤维 2 导丝架

3小锭纤维 4 充气芯模

5编织 6 预成型件

7增强区域 8 固化剂甬道

9固化甬道 10带芯模的零部件

11 不带芯模的零部件 12表面修整

13 装配 14固化剂甬道截面

15 固化剂槽 16第一刚性网状支架

17 水性半透膜 18分段加热装置

19 充气加压管路 20第二刚性网状支架

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本公开第一方面，提供一种中空车辆零部件的成型方法，图1是本公开提供的中空车辆零部件的成型方法的流程图，该方法包括如下步骤：a、制备充气状态下与目标车辆零部件在几何形状上相匹配的充气芯模4并在所述充气状态下向所述充气芯模4的表面涂覆可固化的热塑性树脂并定型，得到定型芯模；b、在所述定型芯模的表面编织纤维以形成至少一层编织层，得到预成型件6；c、将所述预成型件6送入固化剂甬道8中并依次通过所述固化剂甬道8中的加热段和涂覆段；在所述加热段中，所述预成型件被加热至热塑性树脂熔融；在所述涂覆段中，熔融的热塑性树脂与固化剂混合，得到混合固化剂后的预成型件；d、将所述混合固化剂后的预成型件送入固化甬道9中固化成型，然后将所述充气芯模放气后取出，得到中空车辆零部件。

根据本公开的第一方面，步骤a中的所述充气芯模可以由耐高温的高韧弹性体制成，例如，所述充气芯模的材料可以为选自乙烯-辛烯共聚物(POE)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、聚氨酯、环氧树脂和硅橡胶中的至少一种。所述充气芯模可以自带充气装置，例如可以具有充气阀门。充气芯模可以根据目标车辆零部件的内表面结构制成同样的形状，并预留充气阀门以便随时调整充气压力，将充气芯模充气至所需形状的预充气压力可以为0.2-2MPa。

充气芯模充气获得所需结构后，为了避免在后续编织的步骤以及除去芯模的步骤出现变形的情况，可以在芯模表面涂覆可固化的热塑性树脂形成薄膜，以将结构进一步固定下来。步骤a中的所述树脂可以为选自热塑性环氧树脂、热塑性聚氨酯树脂和热塑性丙烯酸树脂中的至少一种，上述热塑性树脂可在常温下行成一层树脂薄膜以实现对充气芯模的定型作用。除了可以固定充气芯模形状外，此步骤采用热塑性树脂在后续的工序中还有改善零部件外观的作用。

根据本公开的第一方面，步骤b中的所述编织的步骤可以采用编织机进行，优选为采用多维多向编织机进行。编织机的操作方法为本领域技术人员所熟知，在进行编织前一般还包括将大锭纤维1通过导丝架2缠绕成与编织设备匹配的小锭纤维3，并安装到编织机的纱位上的步骤，如图1所示，本公开不再赘述。将定型芯模装配到编织机的芯模位置后在所述定型芯模表面进行编织5。所述编织优选为多维多向编织，例如可以包括二维二向编织、二维三向编织、三维三向编织、三维四向编织和三维五向编织中的至少一种。多维多向编织的方法属于纤维编织行业比较常见的方法，具体工艺本领域技术人员可以轻易获知，本公开不做更多介绍。所述编织层的层数可以为1-30层。本公开的提供的方法可以生产具有增强区域的中空车辆零部件，例如，如图1所示，当车辆零部件的构造为中部具有增强区域7的哑铃形时，可以在增强区域调整编织层的层数，以实现局部增强，满足不同部位对零部件性能的不同要求。对于汽车零部件，优选的编织层的层数为2-10层，增强区域的编织层的层数为20-30层，甚至更多，只要可以满足增强区域编织层的外表面与其他区域持平即可。本公开第一方面提供的方法采用多维多向编织法在充气芯模表面编织，可以在多个方向对汽车零部件进行补强；同时通过改变编织层数可以提高局部强度，以满足不同汽车零部件的装配和补强要求。将预成型通过编制方式实现，实现了从纤维到预成型件的一步成型，减少了传统方法中编织布、预浸渍、铺层、塑型等复杂工序，可有效提高加工效率及一致性。

根据本公开的第一方面，步骤b中的所述纤维可以包括增强纤维和树脂纤维，所述增强纤维和树脂纤维的体积比可以为1:(0.4-2.5)，优选为1:(0.6-1.5)。所述增强纤维的种类没有特别的要求，可以为复合材料领域常用的增强纤维种类，例如，所述增强纤维可以为选自碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种。上述种类的增强纤维强度高、可编织性好，且与树脂纤维的相容性较好。所述树脂纤维可以为复合材料领域常用的热塑性树脂纤维，例如，所述树脂纤维可以为选自热塑性环氧树脂纤维、热塑性聚氨酯树脂纤维和热塑性丙烯酸树脂纤维中的至少一种。所述树脂纤维为未添加固化剂的热塑性树脂通过熔融纺丝的方式纺成纤维形态，并与增强纤维一同置于编织机的纱线位上。树脂纤维与增强纤维可以交替地排布在编织机上，以保证织物中不同纱线分布均匀。树脂纤维与步骤a中的所述可固化的热塑性树脂可以为相同的热塑性树脂，也可采用性能接近的不同热塑性树脂，优选为采用相同的热塑性树脂。

根据本公开的第一方面，将所述预成型件送入固化剂甬道的目的是通过固化剂与步骤a中的可固化的热塑性树脂和/或步骤b中的树脂纤维混合发生固化交联而使热塑性树脂和/或树脂纤维成为成型后稳定性好、强度高的热固性树脂体系，有利于提高车辆零部件的整体强度，解决了使用热塑性树脂生产车辆零部件时产生的耐疲劳性能和老化性能较差的问题。为了使固化剂与步骤a中的可固化的热塑性树脂和/或步骤b中的树脂纤维混合地更为均匀，所述固化剂甬道可以包括加热段和涂覆段。所述加热段可以完成对预成型件的预加热，在所述加热段中，所述预成型件被预加热至热塑性树脂熔融。为了使树脂纤维和/或充气芯模表面的热塑性树脂与固化剂更好地混合而不会进一步发生固化，加热段的温度可以为比热塑性树脂的熔点低1-20℃，优选比热塑性树脂的熔点低2-10℃，当树脂纤维与充气芯模表面的热塑性树脂型号不同时，加热段的温度可以主要参考树脂纤维的熔点数据。步骤c中，所述预成型件被预加热至热塑性树脂熔融的温度但不发生固化。通过预加热，可以使树脂纤维和/或充气芯模表面的热塑性树脂处于软化至微熔的状态，以便于在涂覆段与固化剂更好地混合而不发生固化。在所述涂覆段中，熔融的热塑性树脂与固化剂混合，涂覆段的实施方式为任意可以实现固化剂的添加以满足固化剂与熔融的热塑性树脂混合的要求的方式，为了使固化剂与步骤a中的可固化的热塑性树脂和/或步骤b中的树脂纤维混合地更为均匀，在一种优选地实施方式中，所述涂覆段可以包括固化剂槽15，所述固化剂槽15的内侧由外至内地设置有第一刚性网状支架16、水性半透膜17和第二刚性网状支架20，如图3所示，所述的内和外是相对于固化剂甬道的结构而言的。所述固化剂置于所述固化剂槽内并通过所述水性半透膜以与所述可固化的热塑性树脂和/或所述树脂纤维混合。水性半透膜上下表面的刚性网状结构制成可以保护半透膜，避免半透膜破碎或脱离。所述固化剂可以选用常规的热塑性树脂的固化剂，在上述优选的实施方式下，所述固化剂可以为热塑性树脂的水性固化剂，例如，步骤c中的所述固化剂可以为选自封闭性异氰酸酯固化剂、胺类固化剂和聚酰胺类固化剂中的至少一种，上述水性固化剂可以自由通过水性半透膜，浸润到预成型件的表面，从而更为均匀地实现与热塑性树脂的初步混合。固化剂甬道的形状可以在很大范围内变化，例如，固化剂甬道截面14可以为圆形、椭圆形、方形等形状，且可根据零部件尺寸制成多个规格，以满足不同零部件形状、尺寸的要求，如图2所示。加热段和涂覆段的长度可以根据实际需要进行设计，预成型件通过加热段和涂覆段的时间也可以根据实际需要进行调整。

根据本发明的第一方面，混合固化剂后的预成型件将被送入固化甬道中固化成型。在固化过程中，步骤a中的热塑性树脂和步骤b中的树脂纤维熔融，并与固化剂充分混合，填充在增强纤维表面，在合适的固化温度下完成固化成型。所述固化甬道的内径可以比所述混合固化剂后的预成型件的外径大0.1-5mm，以保证固化后的树脂层不会太厚进而影响零部件的性能与重量。固化甬道内表面可以采用镀铬处理，以免树脂粘附在甬道内，影响零部件性能。固化甬道可以采用分段加热装置18进行分段加热，如图5所示，具体温度可根据树脂的固化工艺要求进行调整，形成适宜的温度场，不同树脂的固化温度场各不相同，本公开不做更多介绍。固化甬道的形状可以在很大范围内变化，例如可以为圆形、椭圆形、方形等形状，且可根据零部件尺寸制成多个规格，以满足不同零部件形状、尺寸的要求，如图4所示。固化甬道的长度可以为2-3米，以保证预成型件在甬道内部的行程不发生波动。为保证固化时间，如需要延长甬道的整体长度，确保固化充分完成，可自由增加固化甬道的数量。固化甬道的数量优选为1-7段，相邻甬道之间采用保温通道连接，以确保温度场的稳定。多段甬道的使用，也可提高固化工艺的灵活性，适应不同树脂的固化要求。

固化成型的过程中，可通过充气加压管路19对芯模进一步充气，如图5所示，通过内压的形式对纤维表面的树脂进一步压缩，以提高树脂与增强纤维的结合效果，降低树脂间的孔隙率，改善复合材料零部件的机械性能。因此，步骤d中的所述固化成型还可以包括：向所述充气芯模内充气以通过充气压力使所述混合固化剂后的预成型件固化成型，所述充气芯模的充气压力可以为2-160MPa，优选为10-80MPa。

固化成型后离开固化甬道得到带芯模的零部件10，然后将充气芯模放气后取出，即可得到不带芯模的零部件11。随后根据零部件装配要求，该方法还可以包括将固化成型后的中空车辆零部件进行表面修整12的步骤，所述表面修整可以包括裁切、打孔及表面处理等所需的本领域常规处理手段，最后可以通过装配13将制得的中空车辆零部件装配到车体上。取出的芯模重新充气后即可重复使用。不同尺寸的零部件可选用不同的芯模和甬道完成加工，并在加工成型后通过胶接、铆接、卡接等方式连接在一起，实现模块化生产。多段芯模连接使用，也可实现连续化在线生产要求。

本公开第一方面提供的方法实现了固化成型工艺的在线完成，在运动状态下完成了固化成型，节省了开模、合膜及等待时间，且可实现超长零部件的一次性加工，减少了后续的粘接数量，提高了零部件的整体强度和一致性。该方法加工自动化程度高，成型快，可以实现中空车辆零部件的自动化和规模化生产，通过改变编织工艺、芯模形态、固化甬道形态等调整零部件结构，可以满足不同车型及部位对零部件的装配补强要求。同时，通过本公开第一方面提供的方法可以生产定规格的车辆零部件，有助于多种车型的模块化集成，提高车辆零部件的通用性，有助于降低开发周期和成本。

本公开第二方面：提供一种由本公开第一方面的方法制备的中空车辆零部件。

本公开第二方面提供的中空车辆零部件的机械性能好，成本低，且轻量化效果显著，是钣金件、冲压件的良好替代品。

本公开第三方面：提供一种车辆，该车辆包括本公开第二方面的中空车辆零部件。

下面通过实施例对本公开做进一步说明，但并不因此而限制本发明的内容。

实施例1

本实施例用于说明本公开的中空车辆零部件的成型方法。中空车辆零部件的形状如图6所示，充气芯模的形状如图1标记4所示(充气阀门未示出)。本实施例中，充气芯模由聚苯硫醚(PPS，购自GE公司)制成，预充气压力为0.2MPa。在充气芯模表面涂覆环氧树脂(购自亨斯曼公司，牌号为LY1564)定型，将碳纤维(购自东丽公司，牌号为T300)和环氧树脂纤维(购自亨斯曼公司，牌号为LY 1564)交替排布在编织机上，碳纤维和环氧树脂纤维的体积比为1：1.5，通过三维五向编织方法在SPIRALTEX公司的3D表面编织机上将纤维编织到芯模表面，得到预成型件。预成型件普通区域的编织层数为3层，增强区域7的编织层数为12层。

预成型件进入固化剂甬道，加热段的温度设为95℃，预成型件通过加热段的时间为3分钟。固化剂为自封闭性异氰酸酯水性固化剂(购自合肥阿迪亚化工有限公司公司，牌号为Y-2016)。

混合固化剂后的的预成型件连续通过5段固化甬道，每段固化甬道的长度均为3m，内径比所述混合固化剂后的预成型件的外径大5mm，固化温度分别为115℃、125℃、135℃、140℃、130℃，并向充气芯模内充气，充气压力为60MPa，混合固化剂后的预成型件通过5段固化甬道的时间为5min。

当温度降至室温后，放气并取出芯模，对成型件进行裁切、打孔及表面处理后，得到本实施例的中空车辆零部件。

实施例2

本实施例用于说明本公开的中空车辆零部件的成型方法，采用与实施例1相同的成型方法，所不同的是，普通区域的编织层数为5层，增强区域的编织层数为10层。

实施例3

本实施例用于说明本公开的中空车辆零部件的成型方法，采用与实施例1相同的成型方法，所不同的是，碳纤维和环氧树脂纤维的体积比为1：0.6。

实施例4

本实施例用于说明本公开的中空车辆零部件的成型方法，采用与实施例1相同的成型方法，所不同的是，碳纤维和环氧树脂纤维的体积比为1：2.5。

实施例5

本实施例用于说明本公开的中空车辆零部件的成型方法，采用与实施例1相同的成型方法，所不同的是，碳纤维和环氧树脂纤维的体积比为1：0.4。

对比例1

本对比例用于说明与本公开不同的中空车辆零部件的成型方法，中空车辆零部件的形状如图6所示。

采用高强钢冲压、焊接的方法到本对比例的中空车辆零部件。

测试实施例1

分别对实施例1-5和对比例1中得到的中空车辆零部件的重量和屈服强度进行测试，屈服强度的测试方法参照GB/T228-2002，比强度定义为屈服强度与重量的比值，测试结果列于表1。

表1

从实施例1与对比例1的数据对比可以看出，与金属材质的零部件相比，采用本公开的成型方法得到的中空车辆零部件比强度得到了显著提升；从实施例1与实施例2的数据对比可以看出，不同的编织层数得到的零部件强度相当，但局部增强(实施例1)的零部件的比强度明显优于整体增强(实施例2)的零部件；从实施例1与实施例3的数据对比可以看出，在一定比例范围内，提高增强纤维的比例可显著提升零部件比强度；从实施例1-3与实施例4-5的数据对比可以看出，当增强纤维和树脂纤维的体积比在1:(0.6-1.5)时所制备的零部件可以获得更高的比强度。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。