專利名稱：能量吸收單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及由熱塑性泡沫制成的制品，具體而言適用于在兩個主體之間沖擊時吸收轉移的能量的能量吸收單元和特別是汽車能量吸收單元，例如車輛保險杠。
背景技術：
能量吸收單元(EAU)典型地形成制品的部件或連接到制品上，以提供降低在主體的沖擊期間對制品的損害的措施并且也通常用以降低對主體的損害。當用作車輛保險杠時，EAU合適地用于降低對車輛和對產生沖擊的主體兩者的損害。
近年來，塑料汽車EAU已經與常規金屬汽車保險杠結合使用以吸收低能量(較低速度)沖擊。用作車輛保險杠的能量吸收單元典型地在一側上具有保險杠帶模塑件，該模塑件通常包括塑料泡沫的芯材料和合成樹脂的表面材料，該表面材料包覆泡沫芯并且通常安裝在剛性橫梁之前。泡沫芯材料是影響汽車EAU性能的重要組分部件，一般要求該芯材料具有優異的能量吸收性能和會需要尺寸恢復。此外，為降低汽車的重量，EAU芯材料應當具有低密度。
已經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。典型地通過如下方式制備發泡烯烴聚合物的常規汽車EAU芯在模具中加入聚丙烯類型樹脂的可膨脹珠粒，該模具能夠包圍粒子但允許氣體從中逸出，在一定溫度下加熱可膨脹珠粒，在該溫度下珠粒膨脹和軟化并彼此熔融-粘合成團，由此形成膨脹到與模具模腔相同形狀和尺寸的發泡模塑制品。從聚丙烯類型樹脂泡沫的珠粒制備的汽車EAU芯合適地具有16kg/m3-160kg/m3的泡沫密度，以在25％壓縮下達到約50kPa-1000kPa的平均壓縮應力。
具有許多不同吸收特性的區段的車輛保險杠許多年來是已知的。例如1983年發表的DE3224979A公開了含有三個彈性不同的區段的保險框。EP947727A公開了含有兩個能量吸收特性不同的平行層的能量吸收泡沫。該系統可用于保險杠，并參考了聚丙烯、聚苯乙烯和聚氨酯泡沫。
然而，目前的車輛保險框系統不是結合考慮車輛可涉及的其它沖擊類型和行人沖擊而專門設計。例如，可以從珠粒狀形式的蒸汽箱(steamchest)模塑膨脹聚丙烯泡沫生產車輛保險杠，該保險杠在某些類型的沖擊中表現適當，但該保險杠相對于其它類型的沖擊可能太剛硬或太軟，故在不同類型沖擊的完全范圍不提供最優性能。
持續需要通過降低由于與汽車碰撞的死亡和嚴重損傷的發生，而提高行人和其它道路使用者的安全。盡管目的在于提高行人安全，也需要提供汽車抗低速沖擊的改進保護，以及也通過保護汽車底盤或其它結構部件而降低和所需地最小化對汽車結構的損害，所謂的保險沖擊保護。
我們現在發現可以由從熱塑性泡沫材料形成的單元提供能量吸收單元，該泡沫材料含有以特定方式排列的能量吸收特性不同的多個區，該能量吸收單元具有能量吸收特性的結合，其提供與低速沖擊保護和“保險”沖擊保護結合的，對于行人，特別是膝蓋和腿的下部沖擊的優異沖擊保護。
發明內容
因此，本發明第一方面提供一種包括熱塑性材料的用作車輛保險杠的能量吸收單元，該單元至少包括上部區和下部區，其中上部區包括內部相對高密度泡沫材料和外部相對低密度泡沫材料，該內部相對高密度泡沫材料用于一般在車輛的縱向上，通過在沖擊時吸收能量而保護車輛的結構部件，比如底盤，該外部相對低密度泡沫材料通過在沖擊時吸收能量而提供對人體或動物體沖擊的保護，其中下部區包括密度在該上部區的所述內部和外部區域中泡沫材料密度中間的泡沫材料。
下部區由泡沫材料制成，它也提供對于行人或其它道路使用者膝蓋和腿的下部的保護。它的中間密度能夠向前推腿的下部分，與上部區的較低密度部分結合工作以最小化由膝關節經受的彎曲量，故在沖擊期間提供對于行人的增強保護。
因此，EAU具有由位于特定區中不同密度材料提供的吸收特性的結合，它提供對于不同類型沖擊的沖擊保護性能的最優結合。
根據本發明的EAU的特性使得能夠生產一種車輛，該車輛提供行人抗車輛沖擊的優異保護和低速沖擊下對車輛的保護和另外提供“保險”沖擊保護。本發明的進一步方面提供包括本發明能量吸收單元的車輛。
在優選的實施方案中，在上部區的內部區域或外部區域或下部區中采用的至少一種泡沫材料包括各向異性熱塑性泡沫。更優選，在內部區域和外部區域和下部區中采用的泡沫材料都包括各向異性熱塑性泡沫，該泡沫一般在車輛的縱向上排列。合適地構造EAU，例如車輛保險杠使得優選平行于或基本平行于沖擊的預期方向，典型地是車輛的縱向軸布置各向異性泡沫，由此提供有利的沖擊保護。
可以由已知技術例如，通過擠出可發泡熱塑性材料而產生用于生產各向異性熱塑性材料的取向。選擇從其理想地形成上部區的內部區域和外部區域和下部區的材料和形成它們的工藝參數，例如溫度和擠出速率，使得熱塑性泡沫的密度小于320kg/m3，優選16kg/m3-192kg/m3，更優選16kg/m3-160kg/m3，和最優選16kg/m3-128kg/m3。獲得的擠出物顯示各向異性壓縮性能，根據ASTM D3575-93(Suffix D)測量，其在約25％壓縮下在擠出方向上通常觀察到至少約170kPa的最高壓縮應力。
從其形成上部區的內部區域和外部區域和下部區的材料的密度依賴于EAU的設計，這本身依賴于其中要采用EAU的車輛類型，條件是下部區熱塑性泡沫的密度高于上部區的外部區域熱塑性泡沫的密度并且低于上部區的內部區域熱塑性泡沫的密度。在優選的實施方案中，上部區的外部區域合適地包括密度為16kg/m3-40kg/m3的熱塑性泡沫，上部區的內部區域合適地包括密度為40kg/m3-128kg/m3的熱塑性泡沫，和下部區合適地包括密度為16kg/m3-128kg/m3的熱塑性泡沫，條件是下部區熱塑性泡沫的密度高于上部區的外部區域熱塑性泡沫的密度和低于上部區的內部區域熱塑性泡沫的密度。
用于本發明EAU構造的特別優選材料是在WO99/00236中描述的各向異性熱塑性泡沫，該文獻的公開內容在此引入作為參考。
用于本發明的合適可發泡熱塑性材料包括聚乙烯，該聚乙烯包括低密度聚乙烯和高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯、和乙烯或丙烯和可與其共聚的單烯鍵不飽和單體的共聚物。用于下部區，上部區的內部區域和上部區的外部區域的熱塑性材料可以是相同或不同類型的材料并且合適地獨立選擇。例子包括乙烯和丙烯酸或甲基丙烯酸和C1-4烷基酯或其含離子鍵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、二烯的含酸酐烯烴共聚物、乙烯和具有超低分子量的α-烯烴共聚物(即密度小于0.92g/cc)、和這些材料的共混物。在本發明的優選實施方案中，在內部區域、外部區域或下部區至少一個中采用的各向異性泡沫包括聚丙烯。更優選在內部區域、外部區域和下部區中采用的泡沫包括聚丙烯。
如所需，可以將用于任何一個或多個區域的各向異性材料與各向同性材料，例如膨脹聚丙烯珠粒泡沫和聚氨酯泡沫結合。
各向異性熱塑性材料提供優異的能量吸收特性，特別是當在預期沖擊力的方向或接近該方向中排列時。合適地，熱塑性材料，優選各向異性熱塑性材料，通過破碎、彎曲和/或剪切而吸收沖擊的能量。特別地由于低、中間和高密度熱塑性材料的結合和它們在EAU中的相對位置，在相似的密度下，與已知EAU相比，各向異性泡沫的結構和在EAU中的排列提供高水平的能量吸收。
可以將適用于本發明的擠出的各向異性熱塑性材料切割或熱成形或另外機器加入成其中使用它的EAU的所需形狀。或者，能量吸收制品可以包括多個組件，如由熱空氣焊接、蒸汽焊接、射頻焊接、粘合劑、機械緊固件等結合該組件以形成復合能量吸收制品。同樣，可以制備包含熱塑性泡沫以外的材料的復合制品。
制備本發明EAU的優選方法中，將構成上部區的內部區域和外部區域和下部區的熱塑性泡沫合適地熱成形或切割成所需形狀。特別優選由如下方式形成EAU通過將不同密度的材料以所需排列一起熱成形以產生本發明的EAU。
優選，制備EAU的方法包括形成相對低密度，相對高密度和密度在低和高密度預成型坯中間的熱塑性預成型坯，切割或成形預成型坯到預定形狀，加熱預成型坯，在熱成形工具中以相應于能量吸收單元所需形狀的構型組裝預成型坯和壓縮該預成型坯，由此它們結合在一起以形成能量吸收單元。用于本發明的熱塑性泡沫所需地由WO99/00236所述的方法制備。
在特別優選的實施方案中，生產具有所需密度的擠出的各向異性泡沫板條。然后根據EAU的設計和相應于要生產的EAU的水平截面，將板條合適地切割到所需形狀和尺寸。優選然后將熱塑性材料的切割的板條堆疊和熱成形以將成形板條結合在一起，以形成用作車輛保險杠中EAU的制品。
例如使用WO99/00236的教導，參照特定因素，該因素包括預成型坯或成形板條的設計和厚度和要使用的熱塑性材料的類型，選擇用于熱成形方法的具體條件。用以說明，例如在輻射烘箱中將包括聚丙烯的預成型坯或成形板條加熱到130-160C的溫度直到它軟化和然后在約環境溫度下放入熱成形工具和在低壓下，例如1-4巴下壓縮以生產EAU。
附圖簡述通過參考附圖描述本發明，其中
圖1說明根據本發明的EAU的截面。
具體實施例方式
根據本發明的EAU(1)包括上部區(2)和下部區(3)。上部區(2)包括兩個部分，內部區域(4)和外部區域(5)。內部區域(4)包括具有相對高密度的熱塑性泡沫以提供對結構部件，例如車輛底盤(6)的保護。外部區域(5)包括具有相對低密度的熱塑性泡沫以提供低速沖擊保護。下部區(3)也合適地包括密度在內部區域(4)和外部區域(5)密度中間的熱塑性泡沫。
通過常規措施將上部區(2)和下部區(3)合適地分別連接到車輛(9)的保險杠梁(7)和下梁(8)。
優選上部區(2)和下部區(3)由如下方式生產通過擠出熱塑性材料，希望是聚丙烯，以提供各向異性性能和然后將擠出片切割成表示EAU(1)水平截面的形狀，使得在將EAU(1)安裝于汽車上時擠出方向平行于車輛(9)的縱軸方向。
在本發明進一步優選的實施方案中，外部區域(5)的熱塑性泡沫一般具有“C”形垂直截面和限定內部區域(4)的熱塑性泡沫一般具有正方形或矩形截面。將限定EAU(1)的下部區(3)的熱塑性泡沫成形，使得它的面鄰接下梁(8)的前部和優選也鄰接其底面或頂面。將下部區(3)和上部區(2)成形為具有輔助表面和優選沿通常水平的平面結合。
權利要求
1.一種用作車輛保險杠的能量吸收單元，其包括熱塑性材料，所述單元至少包括上部區和下部區，其中所述上部區包括內部相對高密度泡沫材料和外部相對低密度泡沫材料，該內部相對高密度泡沫材料用于一般在車輛的縱向上，通過在沖擊時吸收能量而保護車輛的結構部件，該外部相對低密度泡沫材料通過在沖擊時吸收能量而提供對人體或動物體沖擊的保護，和其中下部區包括密度在所述上部區的內部和外部區域中泡沫材料的密度中間的泡沫材料。
2.根據權利要求1所述的能量吸收單元，其中在所述上部區的內部區域或外部區域或下部區中采用的至少一種泡沫材料包括各向異性熱塑性泡沫。
3.根據權利要求1和2任意一項所述的能量吸收單元，其中在所述上部區的內部區域和外部區域和下部區中采用的泡沫材料全包括各向異性熱塑性泡沫，該泡沫一般在車輛的縱向上排列。
4.根據前述權利要求任意一項所述的能量吸收單元，其中在所述上部區的內部區域和外部區域和下部區中的熱塑性泡沫的密度小于320kg/m3。
5.根據權利要求4所述的能量吸收單元，其中所述熱塑性泡沫的密度為16kg/m3-192kg/m3。
6.根據前述權利要求任意一項所述的能量吸收單元，其中根據ASTM D3575-93(Suffix D)測量，在25％壓縮下，在所述上部區的內部區域中的相對高密度熱塑性泡沫材料的壓縮應力至少為170kPa。
7.根據前述權利要求任意一項所述的能量吸收單元，其中對于下部區、上部區的內部區域和上部區的外部區域，所述熱塑性泡沫材料獨立地選自低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯和乙烯或丙烯和可與其共聚的單烯鍵不飽和單體的共聚物。
8.根據權利要求7所述的能量吸收單元，其中在內部區域、外部區域或下部區的至少一個中采用的熱塑性泡沫材料包括聚丙烯。
9.根據權利要求8所述的能量吸收單元，其中在內部區域、外部區域和下部區中采用的熱塑性泡沫包括聚丙烯。
10.一種車輛，其包括根據權利要求1-9任意一項所述的能量吸收單元。
11.一種制備能量吸收單元的方法，其包括形成相對低密度，相對高密度和密度在低和高密度預成型坯中間的熱塑性預成型坯，切割或成形該預成型坯到預定形狀，加熱該預成型坯，在熱成形工具中以相應于能量吸收單元所需形狀的構型組裝該預成型坯和壓縮該預成型坯，由此它們結合在一起以形成能量吸收單元。
12.根據權利要求11所述的制備能量吸收單元的方法，其中所述預成型坯包括擠出的各向異性泡沫的板條，成形該板條以相應于要生產的能量吸收單元的水平截面，和其中將成形的板條堆疊和熱成形以將板條結合在一起以形成能量吸收單元。
全文摘要
一種具有上部區(2)和下部區(3)的用作車輛保險杠的能量吸收單元，其中上部區(2)包括內部相對高密度泡沫材料(4)和外部相對低密度泡沫材料(5)，該內部相對高密度泡沫材料用于一般在車輛的縱向上，通過吸收能量而保護車輛(9)的結構部件(7)，該外部相對低密度泡沫材料通過在沖擊時吸收能量而提供對身體沖擊的保護。下部區(3)包括的泡沫材料其密度在上部區的內部和外部區域中的泡沫材料的密度的中間。
文檔編號B60R19/18GK1564763SQ02819707
公開日2005年1月12日 申請日期2002年8月8日 優先權日2001年8月8日
發明者P·J·凱特, P·J·諾頓 申請人:陶氏環球技術公司