製備輕質金屬板的方法

2023-10-10 11:46:09

專利名稱：製備輕質金屬板的方法
製備輕質金屬板的方法本發明涉及一種複合部件，該複合部件包括至少一個第一片狀金屬板以及至少一 個第二片狀金屬板，在第一片狀金屬板與第二片狀金屬板之間設置有至少一個聚合物層， 本發明還涉及製備相應的複合部件的方法，以及這種複合部件的使用。在汽車工業中，輕質部件的使用範圍很廣，輕質部件除了要有較輕的質量，而且還 必須具有高強度和高剛度。(例如)車身中的相應的輕質部件常常還會被用作外層面板，因 此其表面必須還要滿足相應的高標準。達到這一目的的一種手段是將不同種類的材料組合 在一起。因此，(例如)德國專利申請DE 102004022677A1披露了這樣複合部件，該複合部 件具有三明治結構，其由兩個外部片狀金屬板和一個內部聚合物層構成，該聚合物層設計 為泡沫材料。然而，為了將金屬件結合至聚合物層上，必須仔細地塗敷黏合劑或助黏劑。另 外，還披露了 一種雙層傳送裝置，其可用於限制反應性泡沫層的厚度，並且藉助可加熱部分 來輔助反應性發泡工藝。此外，已公開的歐洲專利申請EP 1504892A1披露了在兩個片狀金屬板之間設置 聚合物層，該聚合物層由聚醯胺或聚醯胺_聚乙烯共混物構成。然而，該複合部件的重量能 夠得以改進。在這一基礎上，本發明的目的在於提出這樣一種複合部件，該複合部件在重量方 面得以優化，同時可簡單地製備該複合部件。
本發明的第一方面教導中所述的一般性的複合部件達到了上述目標，在該複合部 件中，聚合物層具有至少一個由熱塑性聚合物製成的泡沫聚合物層，其中該泡沫聚合物層 含有氣泡，該氣泡體積為至80%、尤其為5%至70%。結果表明，泡沫聚合物層的使用非常有助於減輕複合部件的重量，同時複合部件 的強度和剛度保持不變。在製備泡沫層的過程中，通過在泡沫聚合物層中引入或者形成氣 泡，複合部件的重量以及聚合物的消耗量由於相應體積百分比的替代而減小，因此還使生 產成本降至最低。另外，通過使用熱塑性聚合物，則不需要使用黏合劑作為助黏劑，這是因 為可通過加熱而後冷卻熱塑性聚合物以達到與金屬部件的結合。在本發明複合部件的第一實施方案中，泡沫聚合物層由耐熱的熱塑性聚合物構 成。本發明中所說的耐熱的熱塑性聚合物為(例如)這樣的聚合物將該聚合物加熱至 210°C時，其在短時間內不會發生形狀的改變，並且當將該聚合物加熱至190°C時，其在至少 20分鐘內不會發生形狀的改變。因此，該複合部件尤其能夠安全地經受隨後的塗底漆階段 (priming stage)，確保底漆層的硬化。如果泡沫聚合物層含有聚醯胺或聚醯胺共混物，則可將泡沫聚合物層的材料成本 降至最低。另外，聚醯胺以及相應的聚醯胺共混物是耐熱材料。例如，優選的聚合物共混物 為聚醯胺-聚乙烯共混物，尤其是具有一定比例的接枝聚乙烯和反應性共聚物的PA6聚醯胺。在接下來的本發明複合部件的一個示例性實施方案中，聚合物層的層厚為50 ym 至5000 u m,優選為200 ii m至1000 u m。在具有這樣的層厚時，一方面，可確保該複合材料 具有所需的強度和剛度。另一方面，可充分降低固體材料的重量。
在接下來的本發明複合部件的另一較佳實施方案中，所使用的片狀金屬板的厚度為0. 15 μ m至3. 0 μ m。優選的是，所使用的片狀金屬板的厚度為0. 2 μ m至0. 5 μ m、尤其為 0.2μπι至0.4μπι，這是因為(例如)在本發明的複合部件用作車身的外層面板的情況下， 當其厚度位於該範圍內時，可確保其具有最佳的變形性能。為了使複合部件能夠最佳地適合具體的應用，第一片狀金屬板和第二片狀金屬板 可具有不同的厚度。類似地，隨著應用的不同，所述片狀金屬板可由鋼合金構成，也可由不鏽鋼、鋁、鎂 和/或鈦合金構成。可加工成片狀金屬板的其他金屬也可用於本發明的複合部件。尤其是， 還可使用不同金屬合金或金屬的組合。為了優化本發明複合部件的性能，可對至少一個片狀金屬板的一側或兩側進行塗 覆。塗覆層可以為(例如)金屬鍍層，也可以是有機塗層。針對這一目的，有多種施加金屬 鍍層的方法，例如電解沉積、熱浸鍍、軋制包覆，也可使用物理氣相沉積或化學氣相沉積。如果用黏合底漆對片狀金屬板進行預處理、或進行其他的預處理，則是有利的。借 助於黏合底漆，可使泡沫聚合物層的黏合性能得以改善。為此，可通過卷塗工藝將塗覆層施 加於片狀金屬板上。同樣，自然還有其他用以施加有機塗層的方法。通常將用以提高複合 材料黏合力的複合部件塗覆層施加在與泡沫聚合物層之間的界面處。該塗敷層也可實現其 他功能，如達到裝飾目的、防腐蝕目的、或這該塗敷層能夠允許無油成型。例如，可通過對片 狀金屬板進行塗油從而達到臨時性防腐蝕的目的。然而，通常會在製備複合部件之間將該 油完全除去。如果本發明的複合部件在下遊成形工藝中被成形為坯件或具有最終形狀，則可將 其直接用於汽車製造中。根據本發明的第二方面的教導，上述關於本發明的製備複合部件的方法的目的通 過如下方式而達到將第一金屬帶從第一卷盤上展開，將第二金屬帶從第二卷盤上展開，-將熱塑性泡沫聚合物層施加到至少一個金屬帶上；-通過物理手段向聚合物熔體中引入氣泡，從而使所述聚合物泡沫層所含氣泡的 體積百分比為至80%、優選為5%至70% ；-通過溫度的作用以及施加的壓力，從而將第一金屬帶、熱塑性泡沫聚合物層和第
二金屬帶相互結合在一起，並且-將所製得的條狀(linear)複合部件卷繞在卷盤上，或將其切割為片狀複合部 件。如上面所說過的那樣，結果表明使用所含氣泡的體積百分比為至80%、優選 為5%至70%的熱塑性泡沫聚合物層可大大減輕由兩個片狀金屬板和一個中間聚合物層 構成的複合部件的重量，同時不再需要使用作為助黏劑的黏合劑。這大大簡化了複合部件 的生產，並且能夠得到更輕的複合部件。另外，如果通過物理手段向聚合物熔體中引入氣泡 以製備泡沫聚合物層，且氣泡的體積百分比為至80%、尤其為5%至70%，則可直接影 響所製得的聚合物泡沫的密度。用於發泡的氣體可以是(例如)空氣、二氧化碳、氮氣、或 其他任意氣體，也可以是多種氣體的組合。在另一實施方案中，將泡沫聚合物層作為預擠壓薄膜施加於第一金屬帶上，或者 將泡沫聚合物層直接擠壓在第一金屬帶上，從而使本發明的製備複合部件的方法得以簡化。可藉助於另一卷盤，從而方便地為金屬帶的線性加工提供預擠壓薄膜，並通過施加壓力 和熱量，從而使預擠壓薄膜與金屬帶相應地結合在一起。如果將泡沫聚合物層直接擠壓於 第一金屬帶上，則可使該方法進一步簡化，其利用了如下優點在擠出泡沫聚合物層時，直 接獲得的泡沫聚合物層當時具有黏合性。在接下來的本發明方法的另一實施方案中，在施加泡沫聚合物層之前對第一金屬 帶進行加熱並且/或者在將第二金屬帶施加到泡沫聚合物層上之前對第二金屬帶進行加 熱。加熱會使熱塑性泡沫聚合物層在其與金屬間的界面處保持為柔軟的狀態，從而可提高 熱塑性泡沫聚合物層與片狀金屬板間的黏合力。由於氣泡具有隔熱效果，因此可維持為較 低的溫度，從而可使結合步驟在較寬的溫度範圍內進行。另外，通過使用雙帶壓機以將第一金屬帶、泡沫聚合物層和第二金屬帶相互結合 在一起是有利的，其中在雙帶壓機內部進行溫度和壓力的調控以及距離的調節。與通常所 使用的反向旋轉輥不同，藉助於雙帶壓機的溫度控制以及壓力控制，可對將泡沫聚合物層 黏合於金屬帶上這一過程產生特定的影響，由此，可製得得到改善的條形複合部件。特別 是，利用該方法可獲得更為均勻的泡沫聚合物層厚度，尤其可在整個寬度範圍內對該厚度 進行精確的調整，因此通過該方法製造的複合部件具有最佳的表面性質，極為適於用作外 層面板。在一個有利的實施方案中，雙帶壓機具有至少一個加熱區和冷卻區，任選地還可具有可施壓區。加熱區和冷卻區確保在雙壓區域內進行受控結合過程。對於加熱區和冷卻 區，優選的是，在每種情況中均設置有用以傳送條狀複合部件的獨立傳動帶，以進一步改善 溫度控制。任選設置的施壓區可用於校準，例如其可通過成對的輥得以實現。可藉助於成 對的輥來對較高的壓力進行極為精確的調節，從而獲得具有更高的厚度均勻性的條狀複合 部件。結果，該條狀複合部件的表面也得到改善。為了對溫度進行最優的控制，優選的是，在將第二金屬帶與泡沫聚合物層以及第 一金屬帶結合之前對第二金屬帶進行加熱，這樣便無需在下遊施加壓力的過程中對第二金 屬帶進行徹底加熱。在另一個實施方案中，將至少一種極性氣體或者含有至少一種極性氣體的氣體混 合物用於發泡操作中，這樣在泡沫聚合物層的發泡操作過程中可提高泡沫形成的穩定性。在本發明的另一有利的實施方案中，如果在雙帶壓機中使用層壓帶，並且該層壓 帶的與條狀複合部件接觸的外表面被塗覆(並且可經過任選的表面處理)，則可保護條狀 複合部件的外表面，使其不會受到負面生產因素以及生產瑕疵的影響。例如，經噴砂且塗覆 了有機矽的層壓帶可使條狀複合部件的表面獲得極為優良的質量。最後，可通過如下方式進一步將本發明方法設計的更為有利在條狀複合部件分 割為片狀複合部件之前和/之後，對條狀複合部件進行轉換(convert)。這樣便可得到一種 極為經濟的製備本發明複合部件的方法。在本發明的第三項教導中，可將本發明的複合部件有利地用在汽車、飛機、輪船、 潛艇、有軌車輛製造、航天工業或建築工業。只要當輕質結構設想(lightweight construction conc印t)需要減輕重量時，則 本發明的複合部件便會顯現出優勢。對於本發明的複合部件、其製備方法及應用，目前有多種可能的設計及改進方式。關於這一點，一方面可以參照權利要求1和10的從屬權利要求，另一方面可以參看結合附 圖對兩個示例性實施方案所作的詳細闡述。附圖為

圖1 本發明複合部件的第一示例性實施方案的示意性剖視圖；圖2 示意性地示出了執行本發明方法的第一示例性實施方案的裝置，其中該方 法用以製備複合部件，並且圖3 示意性地示出了執行第二示例性實施方案的裝置。圖1中示出的複合部件1由第一片狀金屬板2、第二片狀金屬板3、以及位於這兩 個片狀金屬板之間的泡沫聚合物層4構成。本發明複合部件1的這一示例性實施方案中的 泡沫聚合物層4由耐熱的聚合物泡沫構成，該聚合物泡沫由含有40體積％的氣泡的聚醯 胺-聚乙烯共混物形成。通過使用聚合物泡沫而不損害其物理性能，從而使這兩個片狀金 屬板之間的聚合物質量得以大幅降低。由於降低了重量，因此本發明複合部件1可特別令 人滿意地用於汽車、飛機、或有軌車輛製造工業中的輕質製造設想方面。然而，基於該複合 部件的性能，其也可用於本發明中所未描述的其他輕質結構製造領域中。圖2中示意性地示出了本發明複合部件1的一個示例性實施方案的製備裝置。借 助於第一卷盤5提供第一金屬帶6，並且第一金屬帶6在加熱區7內被預加熱。金屬帶6可 由多種不同的金屬或合金構成，例如由鋼、鋁、鈦等製成。當金屬帶6為鋼合金時，該金屬帶 的厚度優選為0. 15mm至0. 8mm,這樣其可特別令人滿意地在車身製造中用作車身的外殼。 當使用其他金屬來製備複合部件時，也可使用具有其他厚度的片狀金屬板。在該用於說明本發明方法的示例性實施方案中，泡沫聚合物層由擠出機8直接擠 壓至第一金屬帶6上，其中擠出機8由(例如)三個單元構成。第一單元9將聚合物顆粒 熔化，第二單元10優選通過物理手段向聚合物熔體內引入氣泡(例如空氣氣泡)，從而制 得聚合物泡沫。最終藉助於擠出口 11將已引入了氣泡的聚合物熔體擠壓於金屬帶6上，從 而形成泡沫聚合物層4。通過展開卷盤13以提供第二金屬帶12，在第二金屬帶12與泡沫 聚合物層4接觸之前，在加熱部分14內對第二金屬帶12進行加熱。與加熱區7類似，加熱 部分14與待加熱的金屬相匹配。例如，當使用鋼合金時，對金屬帶進行感應加熱是適合的。 然而，也可使用其他方法來加熱金屬帶。優選的是，首先在雙帶壓機15內進行第二金屬帶12與泡沫聚合物層4之間的接 觸，這樣在(例如)分段加熱區域15a內，於210°C至270°C內進行規定的加熱，使得已引入 了氣泡的泡沫聚合物層4與金屬帶6和金屬帶12結合在一起。雙帶壓機可在加熱區域15a 的範圍內施加高達30巴的正壓。所施加的壓力足以抵消熱傳遞，並在泡沫聚合物層4上發 生令人滿意的熔化。在下一個階段，在施壓區15b內，(例如)可藉助於壓力輥(未示出)向條狀複合 部件1上施加高達20巴的高線壓，從而可提高片狀金屬板6、11以及泡沫聚合物層之間的 黏合力。在第三階段中，隨後在分段冷卻區域15b內對條狀複合部件1進行特定的冷卻，從 而對複合體的總厚度進行校準。需要時，可在兩階段雙帶壓機的出口側設置額外的冷卻單 元16，從而通過(例如)噴淋使條狀複合部件1的溫度進行一步降低。隨後，可對條狀複合部件1進行分割或成型，以製備複合部件成品或者半成品。相 應的裝置未在圖2中示出。最終，圖3示意性地示出了執行本發明方法的第二示例性實施方案的裝置，其中第一金屬帶6通過加熱輥17a進行加熱。加熱輥17a的溫度可達(例如)240°C。擠出機 18將泡沫聚合物層4直接擠壓至第一金屬帶6上，其中在擠出機內，以物理手段將氣體在壓 力下引入塑性熔體內，當在擠出機18的出口處將壓力釋放時，被引入塑性熔體內的氣體會 發生膨脹並形成微小的氣泡。氣泡所佔的體積百分比可為至80%、優選為5%至70%。 當氣泡所佔的體積百分比為40%時，可獲得極為出色的結果。然而，另一種可替代的方式 為如圖3中所示，可藉助於卷盤18a將泡沫聚合物層作為薄膜4'進行施加。通過使用聚醯胺-聚乙烯共混物，並結合使用極性氣體(例如氧氣)與非極性氣體(例如氮氣)的混合物，因此在氣泡形成過程中獲得了較高的工藝穩定性。因此，通過使 用空氣來形成氣泡也獲得了良好的結果。在將泡沫聚合物層送入雙帶壓機20之前，使用裝置19將條帶邊緣進行再次造粒， 其中裝置19將泡沫聚合物層的殘餘料除去並對其進行再加工，並且(例如)將其再次粉碎 從而將其返回至製備工藝中。隨後通過卷盤13將第二金屬帶展開，並藉助於加熱輥17b將其施加在泡沫聚合物 層4上。由於第二金屬帶的溫度較高，因此使泡沫聚合物層4熔化，從而使第二金屬帶與泡 沫聚合物層4之間發生結合。為了這一目的，將其上設置有泡沫聚合物層4的第一金屬帶 6與第二金屬帶12 —同供入雙帶壓機20內。雙帶壓機20具有三個部分，加熱區域21、施壓區域22以及冷卻區域23，冷卻區域 23和加熱區域21各自包括獨立的層壓帶24a、24b、24c、24d。優選的是，層壓帶的表面經過 塗覆和處理。對於該示例性實施方案，當壓力較低、為約0. 2巴至0. 5巴時，可通過流經板 25a和25c的溫度調節介質從而將加熱區域21內的溫度調節至約230°C。此外，溫度調節 介質也可具有(例如)260°C的較高溫度。層壓輥22a和22b構成了該示例性實施方案的施壓區域，其向經過加熱區域21後 的條狀複合部件1施加壓力，所加壓力範圍(例如)為約12巴。這樣便可將不規整性缺陷 除去，例如將條狀複合部件的厚度上的不規整性缺陷除去。然而，也可設想到通過層壓輥向 複合部件施加更高的壓力。例如，該壓力可達50kN或100kN。優選的是，由加熱區域21中的層壓帶24a和24c形成的間隙以楔形的形狀向前延 伸，從而可對泡沫聚合物層4進行擠壓。為了提高均勻度，將板25a與25c以及25b與25d 以相互間偏移半個板的距離進行放置。在冷卻區域23內，將條狀複合部件1冷卻至低於180°C。藉助於板25b和25d，持 續向複合部件1上施加約0. 2巴至0. 5巴的壓力。由於壓力較低，因此不再需要進行封邊 (在使用高壓時，則目前通常需要進行封邊)，從而大大簡化了該製備方法。為了這一目的，使冷卻劑流經板25b和25d。例如，可使溫度為20°C的冷卻劑流過 板25b和25d，以使複合部件得到大幅冷卻。然後使條狀複合部件1通過至少一個冷卻裝置 26。通過水噴淋裝置26a進行冷卻，隨後經由擠壓輥26b以除去水。
權利要求
一種複合部件(1)，包括至少一個第一片狀金屬板和至少一個第二片狀金屬板(2、3)，並且在所述第一片狀金屬板與所述第二片狀金屬板之間設置有至少一個聚合物層(4)，其特徵在於所述聚合物層具有至少一個由熱塑性聚合物形成的泡沫聚合物層(4)，其中所述泡沫聚合物層(4)所含氣泡的體積百分比為1％至80％、尤其為5％至70％。
2.根據權利要求1所述的複合部件，其特徵在於所述泡沫聚合物層(4)由耐熱的熱塑 性聚合物構成。
3.根據權利要求1或2所述的複合部件，其特徵在於所述泡沫聚合物層(4)含有聚醯 胺或聚醯胺共混物。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的複合部件，其特徵在於所述泡沫聚合物層 (4)的層厚為50 μ m至5000 μ m,優選為200 μ m至1000 μ m。
5.根據權利要求1至4中任意一項所述的複合部件，其特徵在於所用片狀金屬板(2、 3)的厚度為0. 15mm至3. 0mm。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的複合部件，其特徵在於所述第一片狀金屬板 與第二片狀金屬板(2、3)的厚度不同。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的複合部件，其特徵在於所述片狀金屬板由鋼、 鋁、鎂和/或鈦合金構成。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的複合部件，其特徵在於至少一個所述片狀金 屬板(2、3)的一側或兩側被塗覆。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的複合部件，特徵在於至少一個所述片狀金屬 板(2、3)經過黏合底漆的預處理或其他的預處理。
10.一種製備複合部件的方法，所述複合部件包括至少一個第一片狀金屬板和至少一 個第二片狀金屬板，並且在所述第一片狀金屬板與所述第二片狀金屬板之間設置有至少一 個聚合物層，所述複合部件尤其為權利要求1至9中任意一項所述的複合部件，該方法的特 徵在於將第一金屬帶從第一卷盤上展開，將第二金屬帶從第二卷盤上展開，將熱塑性泡沫聚合物層施加於至少一個所述金屬帶上；通過物理手段向所述聚合物熔體中引入氣泡以製備所述泡沫聚合物層，從而使所述泡 沫聚合物層所含氣泡的體積百分比為至80%、優選為5%至70% ；通過溫度的作用以及施加壓力，從而將所述第一金屬帶、所述熱塑性泡沫聚合物層和 所述第二金屬帶相互結合在一起，並且將所製得的條狀複合部件卷繞在卷盤上，或將其切割為片狀複合部件。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於將所述泡沫聚合物層作為預擠壓薄膜 施加於所述第一金屬帶上，或者將所述泡沫聚合物層直接擠壓在所述第一金屬帶上。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其特徵在於在施加所述泡沫聚合物層之前對 所述第一金屬帶進行加熱並且/或者在將所述第二金屬帶施加於所述泡沫聚合物層之前 對所述第二金屬帶進行加熱。
13.根據權利要求10至12中任意一項所述的方法，其特徵在於使用雙帶壓機以將所 述第一金屬帶、所述泡沫聚合物層和所述第二金屬帶相互結合在一起，其中在所述雙帶壓 機內部對溫度壓力進行調控以及對距離進行調節。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於所述雙帶壓機具有至少一個加熱區和冷卻區，還具有任選的施壓區。
15.根據權利要求10至14中任意一項所述的方法，其特徵在於至少一種極性氣體或 者含有至少一種極性氣體的氣體混合物被用於發泡操作中。
16.根據權利要求10至15中任意一項所述的方法，其特徵在於所述雙帶壓機使用了 層壓帶，該層壓帶的與所述條狀複合部件接觸的外表面被鍍覆且經過任選的表面處理。
17.根據權利要求10至16中任意一項所述的方法，其特徵在於在將所述條狀複合部 件分割為片狀複合部件之前和/或之後，對所述條狀複合部件進行成型。
18.根據權利要求1至10中任意一項所述的複合部件的應用，尤其是通過權利要求11 至17中所述的方法製得的複合部件的應用，將所述複合部件用於汽車、飛機、輪船、潛艇、 有軌車輛製造、航天或建築工業。
全文摘要
本發明涉及一種複合部件，其包括至少一個第一片狀金屬板和至少一個第二片狀金屬板，並且在所述第一片狀金屬板與所述第二片狀金屬板之間設置有至少一個聚合物層，本發明還涉及製備相應的複合部件的方法及其應用。使複合部件的重量得以優化、並同時使製造簡化這一技術問題通過本發明得以解決聚合物層包括至少一個由熱塑性聚合物形成的泡沫聚合物層(4)，其中所述泡沫聚合物層(4)所含氣泡的體積百分比為1％至80％、尤其為5％至70％。
文檔編號B29C44/32GK101815612SQ200880108836
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月24日 優先權日2007年9月26日
發明者克裡斯託夫·菲爾特豪特, 奧利弗·克萊因施密特, 奧利弗·託勒, 彼得·克勞克, 託爾斯滕·伯格爾, 英戈·羅格納 申請人:蒂森克虜伯鋼鐵歐洲股份公司