中空車輛零部件的成型方法及中空車輛零部件和汽車與流程

本公開涉及復合材料技術領域，具體地，涉及一種中空車輛零部件的成型方法及中空車輛零部件和汽車。

背景技術：

隨著能源危機和環境危機的日益突出，汽車輕量化已經成為了汽車工業發展的必然選擇。纖維增強復合材料具有比強度比模量高、耐高溫、抗疲勞性好、可設計性強等優點，已經廣泛應用于航天航空領域。然而由于落后的成型工藝和不成熟的結構設計技術使纖維增強復合材料在汽車工業中尚未獲得大規模的應用。已有的纖維增強復合材料成型方法主要有手糊成型、纏繞成型、拉擠成型、模壓成型、袋壓成型、注射成型和樹脂傳遞塑模成型(RTM)等。具有中空結構的纖維增強復合材料制品一般采用RTM方法生產。

中國專利CN105538737A將中空夾心織物裁剪成需要形狀后與樹脂進行復合，然后經過熟化、卷繞、切割等步驟，得到中空夾心織物預浸料，再將其置于模具中加熱固化得到成品。該方法只能分段進行，每個零件需置于模具中單獨固化，且應沿用了傳統的模壓工藝，無法實現連續生產。

技術實現要素：

本公開的目的是提供一種中空車輛零部件的成型方法及中空車輛零部件和汽車，該方法的自動化程度高，可以滿足車輛零部件的規模化生產，所生產的中空車輛零部件機械性能好，成本低，且輕量化效果顯著，是鈑金件、沖壓件的良好替代品。

為了實現上述目的，本公開第一方面：提供一種中空車輛零部件的成型方法，該方法包括如下步驟：

a、制備充氣狀態下與目標車輛零部件在幾何形狀上相匹配的充氣芯模并在所述充氣狀態下向所述充氣芯模的表面涂覆可固化的熱塑性樹脂并定型，得到定型芯模；

b、在所述定型芯模的表面編織纖維以形成至少一層編織層，得到預成型件；

c、將所述預成型件送入固化劑甬道中并依次通過所述固化劑甬道中的加熱段和涂覆段；在所述加熱段中，所述預成型件被預加熱至熱塑性樹脂熔融；在所述涂覆段中，熔融的熱塑性樹脂與固化劑混合，得到混合固化劑后的預成型件；

d、將所述混合固化劑后的預成型件送入固化甬道中固化成型，然后將所述充氣芯模放氣后取出，得到中空車輛零部件。

優選地，步驟a中的所述充氣芯模的材料為選自乙烯-辛烯共聚物、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、聚氨酯、環氧樹脂和硅橡膠中的至少一種，所述充氣芯模具有充氣閥門。

優選地，步驟a中的所述樹脂為選自熱塑性環氧樹脂、熱塑性聚氨酯樹脂和熱塑性丙烯酸樹脂中的至少一種。

優選地，步驟b中的所述纖維包括增強纖維和樹脂纖維，所述增強纖維和樹脂纖維的體積比為1:(0.4-2.5)。

優選地，所述增強纖維為選自碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維中的至少一種；所述樹脂纖維為選自熱塑性環氧樹脂纖維、熱塑性聚氨酯樹脂纖維和熱塑性丙烯酸樹脂纖維中的至少一種。

優選地，步驟b中的所述編織包括二維二向編織、二維三向編織、三維三向編織、三維四向編織和三維五向編織中的至少一種。

優選地，步驟b中的所述編織層的層數為1-30層。

優選地，該方法還包括：步驟c中，所述預成型件被預加熱至熱塑性樹脂熔融的溫度但不發生固化。

優選地，所述涂覆段包括固化劑槽，所述固化劑槽的內側由外至內地設置有第一剛性網狀支架、水性半透膜和第二剛性網狀支架，所述固化劑置于所述固化劑槽內并通過所述水性半透膜以與所述樹脂和/或所述纖維混合。

優選地，步驟c中的所述固化劑為選自封閉性異氰酸酯固化劑、胺類固化劑和聚酰胺類固化劑中的至少一種。

優選地，步驟d中的所述固化成型包括：向所述充氣芯模內充氣以通過充氣壓力使所述混合固化劑后的預成型件固化成型，所述充氣芯模的充氣壓力為2-160MPa。

優選地，步驟的d中的所述固化甬道的內徑比所述混合固化劑后的預成型件的外徑大0.1-5mm。

優選地，該方法還包括將固化成型后的中空車輛零部件進行表面修整的步驟。

本公開第二方面：提供一種由本公開第一方面所述的方法制備的中空車輛零部件。

本公開第三方面：提供一種車輛，該車輛包括本公開第二方面所述的中空車輛零部件。

通過上述技術方案，本公開提供的中空車輛零部件的成型方法加工自動化程度高、成型快，可以實現中空車輛零部件的自動化和規模化生產，通過改變編織工藝、芯模形態、固化甬道形態等調整零部件結構，可以滿足不同車型及部位對零部件的裝配補強要求。采用本公開提供的方法制備的中空車輛零部件的機械性能好，成本低，且輕量化效果顯著，是鈑金件、沖壓件的良好替代品。

本公開的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本公開的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本公開，但并不構成對本公開的限制。在附圖中：

圖1是本公開提供的中空車輛零部件的成型方法的流程圖；

圖2是本公開提供的中空車輛零部件的成型方法中的固化劑甬道的側視圖；

圖3是本公開提供的中空車輛零部件的成型方法中的固化劑甬道的涂覆段的結構示意圖；

圖4是本公開提供的中空車輛零部件的成型方法中的固化甬道的側視圖；

圖5是本公開提供的中空車輛零部件的成型方法中的固化甬道的示意圖；

圖6是本公開提供的中空車輛零部件的結構示意圖。

附圖標記說明

1 大錠纖維 2 導絲架

3 小錠纖維 4 充氣芯模

5 編織 6 預成型件

7 增強區域 8 固化劑甬道

9 固化甬道 10 帶芯模的零部件

11 不帶芯模的零部件 12 表面修整

13 裝配 14 固化劑甬道截面

15 固化劑槽 16 第一剛性網狀支架

17 水性半透膜 18 分段加熱裝置

19 充氣加壓管路 20 第二剛性網狀支架

具體實施方式

以下結合附圖對本公開的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本公開，并不用于限制本公開。

本公開第一方面，提供一種中空車輛零部件的成型方法，圖1是本公開提供的中空車輛零部件的成型方法的流程圖，該方法包括如下步驟：a、制備充氣狀態下與目標車輛零部件在幾何形狀上相匹配的充氣芯模4并在所述充氣狀態下向所述充氣芯模4的表面涂覆可固化的熱塑性樹脂并定型，得到定型芯模；b、在所述定型芯模的表面編織纖維以形成至少一層編織層，得到預成型件6；c、將所述預成型件6送入固化劑甬道8中并依次通過所述固化劑甬道8中的加熱段和涂覆段；在所述加熱段中，所述預成型件被加熱至熱塑性樹脂熔融；在所述涂覆段中，熔融的熱塑性樹脂與固化劑混合，得到混合固化劑后的預成型件；d、將所述混合固化劑后的預成型件送入固化甬道9中固化成型，然后將所述充氣芯模放氣后取出，得到中空車輛零部件。

根據本公開的第一方面，步驟a中的所述充氣芯模可以由耐高溫的高韌彈性體制成，例如，所述充氣芯模的材料可以為選自乙烯-辛烯共聚物(POE)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、聚氨酯、環氧樹脂和硅橡膠中的至少一種。所述充氣芯模可以自帶充氣裝置，例如可以具有充氣閥門。充氣芯模可以根據目標車輛零部件的內表面結構制成同樣的形狀，并預留充氣閥門以便隨時調整充氣壓力，將充氣芯模充氣至所需形狀的預充氣壓力可以為0.2-2MPa。

充氣芯模充氣獲得所需結構后，為了避免在后續編織的步驟以及除去芯模的步驟出現變形的情況，可以在芯模表面涂覆可固化的熱塑性樹脂形成薄膜，以將結構進一步固定下來。步驟a中的所述樹脂可以為選自熱塑性環氧樹脂、熱塑性聚氨酯樹脂和熱塑性丙烯酸樹脂中的至少一種，上述熱塑性樹脂可在常溫下行成一層樹脂薄膜以實現對充氣芯模的定型作用。除了可以固定充氣芯模形狀外，此步驟采用熱塑性樹脂在后續的工序中還有改善零部件外觀的作用。

根據本公開的第一方面，步驟b中的所述編織的步驟可以采用編織機進行，優選為采用多維多向編織機進行。編織機的操作方法為本領域技術人員所熟知，在進行編織前一般還包括將大錠纖維1通過導絲架2纏繞成與編織設備匹配的小錠纖維3，并安裝到編織機的紗位上的步驟，如圖1所示，本公開不再贅述。將定型芯模裝配到編織機的芯模位置后在所述定型芯模表面進行編織5。所述編織優選為多維多向編織，例如可以包括二維二向編織、二維三向編織、三維三向編織、三維四向編織和三維五向編織中的至少一種。多維多向編織的方法屬于纖維編織行業比較常見的方法，具體工藝本領域技術人員可以輕易獲知，本公開不做更多介紹。所述編織層的層數可以為1-30層。本公開的提供的方法可以生產具有增強區域的中空車輛零部件，例如，如圖1所示，當車輛零部件的構造為中部具有增強區域7的啞鈴形時，可以在增強區域調整編織層的層數，以實現局部增強，滿足不同部位對零部件性能的不同要求。對于汽車零部件，優選的編織層的層數為2-10層，增強區域的編織層的層數為20-30層，甚至更多，只要可以滿足增強區域編織層的外表面與其他區域持平即可。本公開第一方面提供的方法采用多維多向編織法在充氣芯模表面編織，可以在多個方向對汽車零部件進行補強；同時通過改變編織層數可以提高局部強度，以滿足不同汽車零部件的裝配和補強要求。將預成型通過編制方式實現，實現了從纖維到預成型件的一步成型，減少了傳統方法中編織布、預浸漬、鋪層、塑型等復雜工序，可有效提高加工效率及一致性。

根據本公開的第一方面，步驟b中的所述纖維可以包括增強纖維和樹脂纖維，所述增強纖維和樹脂纖維的體積比可以為1:(0.4-2.5)，優選為1:(0.6-1.5)。所述增強纖維的種類沒有特別的要求，可以為復合材料領域常用的增強纖維種類，例如，所述增強纖維可以為選自碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維中的至少一種。上述種類的增強纖維強度高、可編織性好，且與樹脂纖維的相容性較好。所述樹脂纖維可以為復合材料領域常用的熱塑性樹脂纖維，例如，所述樹脂纖維可以為選自熱塑性環氧樹脂纖維、熱塑性聚氨酯樹脂纖維和熱塑性丙烯酸樹脂纖維中的至少一種。所述樹脂纖維為未添加固化劑的熱塑性樹脂通過熔融紡絲的方式紡成纖維形態，并與增強纖維一同置于編織機的紗線位上。樹脂纖維與增強纖維可以交替地排布在編織機上，以保證織物中不同紗線分布均勻。樹脂纖維與步驟a中的所述可固化的熱塑性樹脂可以為相同的熱塑性樹脂，也可采用性能接近的不同熱塑性樹脂，優選為采用相同的熱塑性樹脂。

根據本公開的第一方面，將所述預成型件送入固化劑甬道的目的是通過固化劑與步驟a中的可固化的熱塑性樹脂和/或步驟b中的樹脂纖維混合發生固化交聯而使熱塑性樹脂和/或樹脂纖維成為成型后穩定性好、強度高的熱固性樹脂體系，有利于提高車輛零部件的整體強度，解決了使用熱塑性樹脂生產車輛零部件時產生的耐疲勞性能和老化性能較差的問題。為了使固化劑與步驟a中的可固化的熱塑性樹脂和/或步驟b中的樹脂纖維混合地更為均勻，所述固化劑甬道可以包括加熱段和涂覆段。所述加熱段可以完成對預成型件的預加熱，在所述加熱段中，所述預成型件被預加熱至熱塑性樹脂熔融。為了使樹脂纖維和/或充氣芯模表面的熱塑性樹脂與固化劑更好地混合而不會進一步發生固化，加熱段的溫度可以為比熱塑性樹脂的熔點低1-20℃，優選比熱塑性樹脂的熔點低2-10℃，當樹脂纖維與充氣芯模表面的熱塑性樹脂型號不同時，加熱段的溫度可以主要參考樹脂纖維的熔點數據。步驟c中，所述預成型件被預加熱至熱塑性樹脂熔融的溫度但不發生固化。通過預加熱，可以使樹脂纖維和/或充氣芯模表面的熱塑性樹脂處于軟化至微熔的狀態，以便于在涂覆段與固化劑更好地混合而不發生固化。在所述涂覆段中，熔融的熱塑性樹脂與固化劑混合，涂覆段的實施方式為任意可以實現固化劑的添加以滿足固化劑與熔融的熱塑性樹脂混合的要求的方式，為了使固化劑與步驟a中的可固化的熱塑性樹脂和/或步驟b中的樹脂纖維混合地更為均勻，在一種優選地實施方式中，所述涂覆段可以包括固化劑槽15，所述固化劑槽15的內側由外至內地設置有第一剛性網狀支架16、水性半透膜17和第二剛性網狀支架20，如圖3所示，所述的內和外是相對于固化劑甬道的結構而言的。所述固化劑置于所述固化劑槽內并通過所述水性半透膜以與所述可固化的熱塑性樹脂和/或所述樹脂纖維混合。水性半透膜上下表面的剛性網狀結構制成可以保護半透膜，避免半透膜破碎或脫離。所述固化劑可以選用常規的熱塑性樹脂的固化劑，在上述優選的實施方式下，所述固化劑可以為熱塑性樹脂的水性固化劑，例如，步驟c中的所述固化劑可以為選自封閉性異氰酸酯固化劑、胺類固化劑和聚酰胺類固化劑中的至少一種，上述水性固化劑可以自由通過水性半透膜，浸潤到預成型件的表面，從而更為均勻地實現與熱塑性樹脂的初步混合。固化劑甬道的形狀可以在很大范圍內變化，例如，固化劑甬道截面14可以為圓形、橢圓形、方形等形狀，且可根據零部件尺寸制成多個規格，以滿足不同零部件形狀、尺寸的要求，如圖2所示。加熱段和涂覆段的長度可以根據實際需要進行設計，預成型件通過加熱段和涂覆段的時間也可以根據實際需要進行調整。

根據本發明的第一方面，混合固化劑后的預成型件將被送入固化甬道中固化成型。在固化過程中，步驟a中的熱塑性樹脂和步驟b中的樹脂纖維熔融，并與固化劑充分混合，填充在增強纖維表面，在合適的固化溫度下完成固化成型。所述固化甬道的內徑可以比所述混合固化劑后的預成型件的外徑大0.1-5mm，以保證固化后的樹脂層不會太厚進而影響零部件的性能與重量。固化甬道內表面可以采用鍍鉻處理，以免樹脂粘附在甬道內，影響零部件性能。固化甬道可以采用分段加熱裝置18進行分段加熱，如圖5所示，具體溫度可根據樹脂的固化工藝要求進行調整，形成適宜的溫度場，不同樹脂的固化溫度場各不相同，本公開不做更多介紹。固化甬道的形狀可以在很大范圍內變化，例如可以為圓形、橢圓形、方形等形狀，且可根據零部件尺寸制成多個規格，以滿足不同零部件形狀、尺寸的要求，如圖4所示。固化甬道的長度可以為2-3米，以保證預成型件在甬道內部的行程不發生波動。為保證固化時間，如需要延長甬道的整體長度，確保固化充分完成，可自由增加固化甬道的數量。固化甬道的數量優選為1-7段，相鄰甬道之間采用保溫通道連接，以確保溫度場的穩定。多段甬道的使用，也可提高固化工藝的靈活性，適應不同樹脂的固化要求。

固化成型的過程中，可通過充氣加壓管路19對芯模進一步充氣，如圖5所示，通過內壓的形式對纖維表面的樹脂進一步壓縮，以提高樹脂與增強纖維的結合效果，降低樹脂間的孔隙率，改善復合材料零部件的機械性能。因此，步驟d中的所述固化成型還可以包括：向所述充氣芯模內充氣以通過充氣壓力使所述混合固化劑后的預成型件固化成型，所述充氣芯模的充氣壓力可以為2-160MPa，優選為10-80MPa。

固化成型后離開固化甬道得到帶芯模的零部件10，然后將充氣芯模放氣后取出，即可得到不帶芯模的零部件11。隨后根據零部件裝配要求，該方法還可以包括將固化成型后的中空車輛零部件進行表面修整12的步驟，所述表面修整可以包括裁切、打孔及表面處理等所需的本領域常規處理手段，最后可以通過裝配13將制得的中空車輛零部件裝配到車體上。取出的芯模重新充氣后即可重復使用。不同尺寸的零部件可選用不同的芯模和甬道完成加工，并在加工成型后通過膠接、鉚接、卡接等方式連接在一起，實現模塊化生產。多段芯模連接使用，也可實現連續化在線生產要求。

本公開第一方面提供的方法實現了固化成型工藝的在線完成，在運動狀態下完成了固化成型，節省了開模、合膜及等待時間，且可實現超長零部件的一次性加工，減少了后續的粘接數量，提高了零部件的整體強度和一致性。該方法加工自動化程度高，成型快，可以實現中空車輛零部件的自動化和規模化生產，通過改變編織工藝、芯模形態、固化甬道形態等調整零部件結構，可以滿足不同車型及部位對零部件的裝配補強要求。同時，通過本公開第一方面提供的方法可以生產定規格的車輛零部件，有助于多種車型的模塊化集成，提高車輛零部件的通用性，有助于降低開發周期和成本。

本公開第二方面：提供一種由本公開第一方面的方法制備的中空車輛零部件。

本公開第二方面提供的中空車輛零部件的機械性能好，成本低，且輕量化效果顯著，是鈑金件、沖壓件的良好替代品。

本公開第三方面：提供一種車輛，該車輛包括本公開第二方面的中空車輛零部件。

下面通過實施例對本公開做進一步說明，但并不因此而限制本發明的內容。

實施例1

本實施例用于說明本公開的中空車輛零部件的成型方法。中空車輛零部件的形狀如圖6所示，充氣芯模的形狀如圖1標記4所示(充氣閥門未示出)。本實施例中，充氣芯模由聚苯硫醚(PPS，購自GE公司)制成，預充氣壓力為0.2MPa。在充氣芯模表面涂覆環氧樹脂(購自亨斯曼公司，牌號為LY1564)定型，將碳纖維(購自東麗公司，牌號為T300)和環氧樹脂纖維(購自亨斯曼公司，牌號為LY 1564)交替排布在編織機上，碳纖維和環氧樹脂纖維的體積比為1：1.5，通過三維五向編織方法在SPIRALTEX公司的3D表面編織機上將纖維編織到芯模表面，得到預成型件。預成型件普通區域的編織層數為3層，增強區域7的編織層數為12層。

預成型件進入固化劑甬道，加熱段的溫度設為95℃，預成型件通過加熱段的時間為3分鐘。固化劑為自封閉性異氰酸酯水性固化劑(購自合肥阿迪亞化工有限公司公司，牌號為Y-2016)。

混合固化劑后的的預成型件連續通過5段固化甬道，每段固化甬道的長度均為3m，內徑比所述混合固化劑后的預成型件的外徑大5mm，固化溫度分別為115℃、125℃、135℃、140℃、130℃，并向充氣芯模內充氣，充氣壓力為60MPa，混合固化劑后的預成型件通過5段固化甬道的時間為5min。

當溫度降至室溫后，放氣并取出芯模，對成型件進行裁切、打孔及表面處理后，得到本實施例的中空車輛零部件。

實施例2

本實施例用于說明本公開的中空車輛零部件的成型方法，采用與實施例1相同的成型方法，所不同的是，普通區域的編織層數為5層，增強區域的編織層數為10層。

實施例3

本實施例用于說明本公開的中空車輛零部件的成型方法，采用與實施例1相同的成型方法，所不同的是，碳纖維和環氧樹脂纖維的體積比為1：0.6。

實施例4

本實施例用于說明本公開的中空車輛零部件的成型方法，采用與實施例1相同的成型方法，所不同的是，碳纖維和環氧樹脂纖維的體積比為1：2.5。

實施例5

本實施例用于說明本公開的中空車輛零部件的成型方法，采用與實施例1相同的成型方法，所不同的是，碳纖維和環氧樹脂纖維的體積比為1：0.4。

對比例1

本對比例用于說明與本公開不同的中空車輛零部件的成型方法，中空車輛零部件的形狀如圖6所示。

采用高強鋼沖壓、焊接的方法到本對比例的中空車輛零部件。

測試實施例1

分別對實施例1-5和對比例1中得到的中空車輛零部件的重量和屈服強度進行測試，屈服強度的測試方法參照GB/T228-2002，比強度定義為屈服強度與重量的比值，測試結果列于表1。

表1

從實施例1與對比例1的數據對比可以看出，與金屬材質的零部件相比，采用本公開的成型方法得到的中空車輛零部件比強度得到了顯著提升；從實施例1與實施例2的數據對比可以看出，不同的編織層數得到的零部件強度相當，但局部增強(實施例1)的零部件的比強度明顯優于整體增強(實施例2)的零部件；從實施例1與實施例3的數據對比可以看出，在一定比例范圍內，提高增強纖維的比例可顯著提升零部件比強度；從實施例1-3與實施例4-5的數據對比可以看出，當增強纖維和樹脂纖維的體積比在1:(0.6-1.5)時所制備的零部件可以獲得更高的比強度。

以上結合附圖詳細描述了本公開的優選實施方式，但是，本公開并不限于上述實施方式中的具體細節，在本公開的技術構思范圍內，可以對本公開的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本公開的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本公開對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本公開的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應當視為本公開所公開的內容。