專利名稱：具有不同材料性能的制品及其制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及由包括提供特殊材料性能的填充材料在內的至少兩種不同的材料制成的制品，更具體地說，本發明涉及由三維吹塑法制成的，包含至少兩種具有各自材料特性的不同材料，整體或部分中空的構件。
為了減少安裝在汽車或其它制品上的零件數量，理想的做法是制造和加工由多種材料構成的單個制品，而不是由單獨的所希望的材料制成的多個零件組裝而成。比如，在汽車中所用的氣管一般包括硬塑部分，其邊緣為軟橡膠波紋管部分以保持柔性，還通過軟管夾連接到其它的汽車部件上。
汽車制造商希望購買已經一體地包含所有這些材料組件，能夠更加簡單地安裝到汽車上的氣管。另外，汽車制造商也發現這樣對于大量零件，庫存、盤點、編目，和核準供應商的費用要更低。汽車制造商能更容易地庫存、盤點，和編目單個零件，而不是處理多個零件。而且，他們只需核準一個供應商，而不是多個供應商。
因此，三維吹塑為汽車制造商所關注，因為它能制成復雜的形狀而不浪費材料，盡管方便地制造基礎塑料零件的周期可能很長。但是，正在開發縮短周期的新技術，而且，與制造多個零件然后將它們組裝相比，使用多功能材料可以縮短總的加工時間。
在該技術領域中，標準的三維或三軸定向吹塑工藝是公知的。將可塑材料環繞中空的心軸注入而制成型坯或管。在材料仍處于熔化狀態并仍在心軸上時，將其轉移到吹塑模中，在吹塑模中用空氣使其膨脹。在三維吹塑中，在型坯硬化為堅硬的零件之前將其放入或導入三維模具中。
雖然結合軟硬材料的三維吹塑多段中空零件的制造技術是公知的，但在將新的不同材料加入到中空零件的長度、壁和局部時，還有許多未研究的方面。本發明的目的正是在于使用多種具有不同特性的材料這一方面。
發明簡述因此，需要提供能達到上述目的的吹塑工藝和由此制成的制件。本發明所稱的特性包括導電和絕緣特性、磁力導向材料、散熱或導熱特性、收縮率差異、色彩和著色差異、不同的壓應力和張應力、水汽滲透性、化學惰性和反應系數、結構、催化表面效應，以及其它的新特性。
用本發明的工藝制造的制品例子有汽車部件，包括氣管、面板蓋、膝墊、儀表板部件、裝有HVAC管的隔火墻、高溫樹脂制成并含有陶瓷填料的散熱墊、HVAC閥、發動機罩下的許多部件如歧管裝置、注油系統，以及吹塑成型并集成有防巖石損傷護板的油箱。非汽車零件包括計算機外殼，其使用導電材料、散熱材料和磁屏蔽材料；以及收音機、有線電視盒等電子元件。非電子應用場合包括水過濾器盒，其運用材料中抗菌成分的特性防止與水接觸的表面產生細菌。還有很多的其它應用場合。
在上述吹塑制品例子的制造中，本發明設法提供在要制造的型坯整個長度上，沿長度方向、垂直地、局部地排布多種材料，并在硬化之前將其導入三維吹塑模中的工藝。本發明還可以在注塑成型中得到應用，只需將不同的材料加到要注入的材料當中即可。
這些不同的材料可以包括1.所有適合注塑成型、三維吹塑成型、二軸吹塑成型和真空模塑的樹脂，包括，但不限于，聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸酯、丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰胺、乙烯-乙烯醇共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene napthaphthalate)、熱塑性和熱固性樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯撐、聚苯硫醚、聚苯醚、有機玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基戊烯-1、尼龍6、尼龍66，以及其它材料；2.所有自然存在或人造的陶瓷，包括，但不限于，氮化硅、碳化硅、氧化鋁、碳化硼、碳化鎢，以及其它根據它們不同特性選擇的各種金屬的碳化物、氮化物和氧化物，它們可以是粉狀、須晶、低長徑比滑石狀，以及其它能夠合入型坯的形態，其單獨地，如果其能夠粉漿澆注、注塑或擠壓，或者與樹脂一起，加入到型坯材料中。
3.各種其它的粒狀材料，包括諸如高嶺土、堇青石、富鋁紅柱石等的陶土；金屬碎片諸如鐵屑、鋼屑、磁性碎屑、磁性顆粒以及其它各種表面強化金屬微粒；粉碎的筑路細粒，包括石片、碾碎的礦渣、碾碎的混凝土、破碎和碾碎的筑路焦油等等；粉碎的橡膠輪胎、壓實的泡沫塑料屑、用作填充物或改善特性的回收材料，諸如由紙板或其它紙制品制成的纖維、粉碎的汽水瓶；以及用以廉價增加材料體積或增加強度的填充材料，如用以強化的玻璃纖維、提高強度和阻熱性的碳化硅須晶。
本發明還需要選用粘結氣體，如含硫的磺化氣體，以在吹塑過程中，在“吹”的階段通過使用粘結氣體使材料在分子水平上互相粘結在一起，形成牢固的結合。然后用中和劑處理零件對其進行修整。
由上述工藝制成的制件包含多種材料，并可以包括多個整體或部分中空的部件，如氣管這樣的汽車零件。在后面的實施例部分會說明所制成的制品。
因此，在實踐本發明的工藝和由此得到的制品時，能全面認識到本發明的優點。
發明詳述下面說明根據本發明制造多材料模塑零件的工藝和由此得到的制件。本發明的優點是，單個整體的零件能在所處部位具有這些部位所需要的不同的特性。換言之，單個零件能具有不同的特性，而無須制造多個零件然后將它們互相連接起來。這極大地簡化了裝配，極好地無縫密封了結合部位，在制造過程中將不同的材料結合在一起，從而大大減少了總的勞力成本。
首先，參照圖l，這是一個典型的用于吹塑的型坯切下部分的立體圖，在型坯的整個長度和橫截面上，不同材料有多種可能的布置組合。如前面所述，本發明還可以在注塑和真空模塑領域中得以應用，雖然這里的例子和附圖是關于二軸或三維吹塑。
圖1所示是一個假設的型坯切下部分，以說明本發明中可能的配置。在真正的型坯中不一定會包含那么多不同的層、段和區域。記住這些，圖1中的型坯總體由數字10指代，包括第一材料段12，段12上有不同材料的區域14，區域14是從注有不同的材料的模具頭的裂隙中擠壓出來的。截面16和18也是從長度方向上的多層截面22和24同時擠壓進型坯并位于型坯的對邊的不同的材料，截面22和24也是不同的材料。所有這些區域可以是從單一的點源處擠壓出來的，其管嘴接到模具頭上，模具頭以一定的方式定向以使精確量的材料在從模具頭出來后處于適當的方向。14、28和32這些區域可以由裂隙擠壓機形成，根據材料流出體積、型坯落下前所需時間，以及上面兩個因素的相互關系，適當地控制材料的注入時間，形成圓14、橢圓28，和直線32。
多個段12、26、30、34每個都可以為不同的材料，每種材料使用連接到模具頭的不同噴嘴，噴嘴環繞型坯的周圍釋放不同的材料，就像是從心軸中滴下的一樣，從而將不同的材料加進型坯中。此工藝也可以用來將這里詳述的不同材料環繞周圍置于特定的區域。
本發明的工藝包括擠壓不同的材料，這些材料是根據最終的應用場合，按它們各自的特性加以選擇的。
所述的不同材料包括1.所有適合注塑成型、三維吹塑成型、二軸吹塑成型和真空模塑的樹脂，包括，但不限于，聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸酯、丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰胺、乙烯-乙烯醇共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene napthaphthalate)、熱塑性以及熱固性樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯撐、聚苯硫醚、聚苯醚、有機玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基戊烯-1、尼龍6、尼龍66，等等；2.所有自然存在或人造的陶瓷，包括，但不限于，選自包括氮化硅、碳化硅、氧化鋁、碳化硼、碳化鎢，以及其它根據它們不同特性選擇的各種金屬的碳化物、氮化物和氧化物的組中的陶瓷，它們可以是粉狀、須晶、低長徑比滑石狀，以及其它能夠合入型坯的形態，其單獨地，如果其能夠粉漿澆注、注塑或擠壓，或者與樹脂一起，加入到型坯材料中。
3.各種其它的粒狀材料，包括諸如高嶺土、堇青石、富鋁紅柱石等的粘土；金屬碎片諸如鐵屑、鋼屑、磁性碎屑、磁性顆粒以及其它各種表面強化金屬微粒；粉碎的筑路細粒，包括石片、碾碎的礦渣、碾碎的混凝土、破碎和碾碎的筑路焦油等等；粉碎的橡膠輪胎、壓實的泡沫塑料屑、用作填充物或改善特性的回收材料，諸如由紙板或其它紙制品制成的纖維、粉碎的汽水瓶；以及用以廉價增加材料體積或增加強度的填充材料，如用以強化的玻璃纖維、提高強度和阻熱性的碳化硅須晶。
本發明還需要選用粘結氣體，如含硫的磺化氣體，使用二磺酸和三磺酸，包括發煙氣體硫酸和三氧化硫，它們單獨或與惰性載氣如氮氣、二氧化碳、干燥空氣、氬氣、SO2一起使用；含氮的氮化氣體，如純氮氣、氨氣、氮氣和氫氣和/或氦氣的混合氣體；蒸汽狀態的水蒸汽。將粘結氣體注入選定的材料結合體中，使不同的材料中的樹脂的碳原子與氧原子、氮原子或作為附加成分混合進去的金屬原子之間在原位產生交聯。
多次將不同的材料注入模具頭，形成型坯后，在吹塑過程中，在“吹”的階段通過使用粘結氣體使材料在分子水平上互相粘結在一起，形成牢固的鍵合。必須要有瞬間接觸使粘結氣體滲入型坯上相對較薄的材料層。“吹”的氣源可以接到磺化氣體或其它合適的氣源，而不是接到干燥的車間氣源。另外，根據所選擇的材料組合決定氣體的組合會最有利。請注意粘結氣體的回收很簡單，因為粘結氣體盛放在容器中，應該可以全部回收。
其后，根據使用的粘結氣體或溶液，將新形成的零件置于中和劑里以中和粘結介質的酸性效應，這是有好處的，中和劑是如氨氣(如果使用了磺化劑)、氫氧化物的水溶液、碳酸鹽、金屬鹽、醋酸鹽，或其它已知的中和劑。所得到的三維吹塑零件是由所有的適當材料構成，可以在分子水平上選擇性鍵合從而使不同材料之間更好地結合，還可以選擇性中和以得到完全處理的零件。該零件是一個完全的集成部件，在單獨的零件中包含了所有必要的材料。
工業適用性本發明在汽車零件、計算機部件、電子元件、消費品以及任何在制品表面的不同部位使用不同材料特性的應用場合具有工業適用性。
權利要求
1.一種用不同的材料制造制件不同部位的工藝，該工藝包括將至少一個傳送第一種材料的擠壓管嘴連接到模具頭；將至少一個傳送第二種材料的擠壓管嘴連接到同一模具頭；將至少兩種材料擠壓進模具頭，材料從所有適合注塑成型、三維吹塑成型、二軸吹塑成型和真空模塑的樹脂中選擇，包括聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚對苯二甲酸酯、丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰胺、乙烯-乙烯醇共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene napthaphthalate)、熱塑性以及熱固性樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯撐、聚苯硫醚、聚苯醚、有機玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基戊烯-1、尼龍6、尼龍66，以及它們的混合物；所有自然存在和人造的陶瓷，包括氮化硅、碳化硅、氧化鋁、碳化硼、碳化鎢，以及其它根據其不同特性選擇的各種金屬的碳化物、氮化物和氧化物，所述陶瓷是粉狀、須晶、低長徑比滑石狀，以及其它能夠合入型坯的形態，其單獨地或者與樹脂一起，加入到型坯材料主體中；以及顆粒狀材料，包括諸如高嶺土、堇青石、富鋁紅柱石等的粘土；金屬碎片諸如鐵屑、鋼屑、磁性碎屑、磁性顆粒以及其它各種表面強化金屬微粒；粉碎的筑路細粒，包括石屑、碾碎的礦渣、碾碎的混凝土、破碎和碾碎的筑路焦油等；粉碎的橡膠輪胎、壓實的泡沫塑料屑、用作填充物或改善特性的回收材料，諸如由紙板或其它紙制品制成的纖維、粉碎的汽水瓶；以及用以降低材料費用或增加強度的填充材料，如用以強化的玻璃纖維、提高強度和阻熱性的碳化硅纖維；由所述工藝制成完全集成的制品。
2.如權利要求1所述的工藝，還包括對制品使用粘結氣體。
3.由權利要求1所述的工藝制成的制品。
全文摘要
一種用不同的材料制造制件(10)不同部位的工藝,包括在形成制品之前在模塑樹脂中加入填充材料。選擇樹脂和填充材料以在制品上這些材料所在的部位帶來不同的特性。填充材料可以包括根據其材料特性選擇的陶瓷粉末、粘土、聚合樹脂,以及回收材料、須狀材料等等。成型之后,制品可以置于粘結流體中,如氣體或液體,使填充粒粘結到周圍的樹脂上。如果粘接處理是酸性的,用氫氧化物、碳酸鹽等中和制品,這個選擇性步驟是有益處的。由本工藝制造的制品(10)上不同部位(12,26,30,34)有多種材料,這特別有用,使制品具有電、熱、磁傳導或隔絕特性的不同部位,或者具有所需的表面結構、具有催化性表面,或粘附特性。
文檔編號B29C47/20GK1344201SQ00805413
公開日2002年4月10日 申請日期2000年3月24日 優先權日1999年3月24日
發明者林恩·E·卡吉爾, 羅賓·L·普恩特 申請人:3Dm國際公司