制備層壓板的方法、吸能裝置、吸能裝置組合物及成形工具與流程

本公開涉及車輛的結構體及其重量減少，特別是在滿足高速前端和翻轉車輛碰撞對抗的同時。

背景技術：

機動車制造商正在繼續減少乘用車的重量，以滿足逐漸增加的對燃料效率和減少排放的政府規定。車輛的結構體(形成通常稱為白車身(BIW)的結構)是車輛的最大結構，而因此對于減少重量的考慮是理想的。白車身是指形成其它組件，即發動機、底盤、外部和內部裝飾、座椅等將結合至其上的車輛結構的焊接板金屬組件。然而，減少車身重量涉及與車身剛度的折衷，其是影響車輛動力學，耐久性和耐碰撞性的關鍵特性。

這產生了對具有減少的重量而不犧牲耐久性和耐碰撞性的BIW的需要。

技術實現要素：

在各個實施方式中公開了成形工具，層壓板，殼體和吸能裝置及其制備和使用的方法。

在一個實施方式中，吸能裝置可以包含：聚合物增強結構，其中聚合物增強結構包含聚合物基體和短切纖維；以及包括2個從背部延伸并形成殼體通道的壁的殼體，其中殼體包含連續纖維和樹脂基體；其中聚合物增強結構位于殼體通道中。

在一個實施方式中，車輛的結構體可以包含：包括限定腔體的壁的中空車輛組件，其中車輛組件具有組件長度；以及吸能裝置；其中吸能裝置位于腔體中。

在一個實施方式中，車輛可以包含：車輛結構組件；和位于車輛結構組件中的吸能裝置；發動機；和驅動機構。

在另一實施方式中，車輛可以包含：車輛結構組件，其中車輛結構組件是吸能裝置；發動機；和驅動機構。

以下更加具體地描述了這些和其它非限制性特性。

附圖說明

以下是附圖的簡要描述，其中相同的元件編號相同，并且將其示出是出于說明本文公開的示例性實施方式的目的而不是為了限制本發明的目的。

圖1是可以增強的BIW的示例性區域的部分透視圖。

圖2是增強的示例性位置的圖示。

圖3是聚合物增強結構的實施方式的透視圖。

圖4是殼體的實施方式的透視圖。

圖5是位于圖4的殼體中的圖3的聚合物增強結構的實施方式的透視圖。

圖6是UD材料和層壓板的可能的纖維取向角的圖示說明。

圖7是制備吸能裝置的一個實施方式的圖示說明。

圖8是制備吸能裝置的另一個實施方式的圖示說明。

圖9是用于制備吸能裝置，并且具體地制備殼體的裝置和方法的另一個實施方式的圖示說明。

圖10是示出澆口和因此的增強的聚合物流動方案的注射模制方案的實施方式的圖示說明。

圖11是具有與其將位于其中的車輛結構組件的形狀互補的不規則的變化的形狀的吸能裝置的實施例的圖示說明。

圖12是具有位于中空通道中，并且其中蜂窩結構的通道相交(例如垂直于)主軸取向的吸能裝置的車輛結構組件的實施例的部分切除的橫截面。

圖13是本文中公開的包含使得殼體和聚合物增強結構之間可以機械附接的開口的吸能裝置的實施例的圖示說明。

圖14是層壓器的實施方式的示意圖。

圖15是使用雙帶層壓器(twin belt laminator)的動態層壓過程的示意圖。

具體實施方式

已經進行了許多嘗試以提供更輕并且能夠在高速碰撞過程中吸收大部分沖擊能量的用于機動車的BIW組件。在BIW組件中高強度鋼的使用已經迅速增加。也已經探索了如鋁和鎂的輕金屬。這些各種BIW組件的壁厚度足以賦予該元件所需的結構完整性，以滿足其期望的功能和各種法規要求。

對于泡沫填充組件，將中空部分用泡沫填充至其全部體積，并且膨脹的泡沫材料提供了與壁的連接，并因此提供力的吸收和負載的分布。增強特性是基于泡沫的材料性能。然而，泡沫增強系統需要特別是在事件溫度(incident temperature)方面必須適應于車輛的生產過程的化學反應。因此增強功能取決于對過程參數的精確而恒定的遵守。另一個缺點是結構部件可能不再會容易地彼此分離，使得再循環更加困難。此外，用泡沫完全填充空間會導致或多或少的均勻的增強效果，而沒有考慮三維變化的設計要求的能力。

在包括通過熱固性粘合劑固定到金屬板的鋼沖壓件的擠壓對抗體系統中，在車身通過烘烤涂料的烘箱時，粘合劑將會活化并膨脹。因此，這種系統不是最優的。沖壓件較重，并且通常需要施加過量的粘合劑以確保從對抗件到本體的牢固結合。

一些擠壓對抗系統包括通過熱固性粘合劑固定到金屬板的鋼沖壓件。當車身通過烘烤涂料的烘箱時，粘合劑將活化并膨脹。這種系統并不是最佳的。沖壓件較重，而施加過量的粘合劑以確保從對抗件到本體的牢固結合。另一種系統包括通過包覆模制(over mold)注射模制設計而固定到金屬板的鋼沖壓件。鋼結構提供有牽拉(draft)和材料溢出的預防措施。一旦部件冷卻則在鋼和聚合物之間形成物理/機械結合。

提供包含比上述解決方案更輕并提供吸收更多沖擊能量和/或保護機動車乘客的能力的擠壓對抗件的輕量BIW組件將是有益的。擠壓對抗件，例如，吸能裝置，可以通過例如在車輛碰撞情況過程中減少過度變形和改善防撞性，來改善結構完整性。還將有益的是提供可以容易地制造并用于機動車輛而不使用額外的加工步驟的擠壓對抗件。

除了BIW組件之外，減少重量而同時保持其他車輛組件的結構完整性也是期望的。一些可以受益于本文公開的吸能裝置的其它車輛組件包括儀表板、車橫梁組件(cross-car member)、門支撐桿、座椅結構(例如、框架)、懸掛控制器(例如、控制臂)、發動機缸體、油泵蓋(oil pump cover)，以及其它可以受益于減少重量的高結構完整性元件的組件。與BIW組件一樣，這些車輛組件可以被吸能裝置替換，或吸能裝置可以位于該組件的中空部分中。

如上所述，期望的是在不損害結構完整性和耐久性的情況下減少車輛重量。因此，減少車輛中采用的金屬的量而不犧牲強度是期望的。在整個車輛中采用的是中空金屬結構元件(例如，梁(例如，緩沖梁)，縱梁(例如，車頂縱梁)，支柱(例如，“A”柱，“B”柱，“D”柱)，門檻(rocker)(例如，底面門檻)，桿(例如，底板橫桿和底盤梯(chassis ladder)中的橫桿)等)。例如，參考圖1，其顯示了車頂縱梁58，“A”柱50，“B”柱52，“C”柱54，“D”柱56和底板門檻60的位置。本文中公開了，例如，用于BIW組件增強的吸能裝置。吸能裝置的可能位置的一些實例在圖2中的位置70示出，其進一步示出了驅動機構76和發動機74。期望地，吸能裝置比金屬-塑料混合增強件更輕，并提供比所有的塑料增強件、金屬-塑料混合增強或泡沫增強更好的耐碰撞性。

吸能裝置，例如BIW組件，是連續纖維增強的聚合物復合材料和較短/較長的短切纖維增強的復合材料解決方案的混合，其可以定位于BIW組件的中空通道中。這種混合結構包括連續纖維的殼體，用短切纖維(例如，較短的短切纖維(例如，具有小于1毫米(mm)的長度的纖維)和/或短切的長(例如具有1至10mm，具體地3至5mm的長度的纖維)纖維)增強的熱塑性塑料的結構包覆模制的增強聚合物。由短切纖維增強的材料形成的結構可以具有能夠實現期望的能量吸收特性的各種幾何形狀，例如肋條模式(例如，交叉肋條(cross-rib)模式，蜂窩幾何形狀等)。

吸能裝置可以通過，例如通過各種方法制成連續纖維增強的聚合物的殼體結構來形成。連續纖維增強的聚合物可以包含纖維織物和/或單向(UD)帶，統稱為纖維結構。UD帶可以具有大于或等于90％，具體地大于或等于99％的在相同方向上取向的纖維。織物具有在單個平面中并且在至少兩個方向上取向的纖維(例如，編織物)。纖維結構(例如，織物和帶)可以形成層壓板(也稱為片材)，其中層壓板可以形成為中間體，預成型體等。單個層包含60/40至40/60的重量比的樹脂基體與纖維的比率，具體地55/45至45/55，60/40至40/60的重量比，例如50/50的重量比。該比率可以通過使用70/30至30/70，優選65/35至35/65，例如60/40的樹脂與纖維的體積比形成層而獲得。例如，樹脂基體/纖維40/60的密度比可以產生50/50的重量比，具有3,000纖維或3,000斜紋。特定的比率可以取決于使用的材料和纖維(例如，織物)的體積密度。具體的量可以容易地由本文中的信息確定。

當層疊纖維結構時，可以使每個后續的層取向為使得纖維以與第一層相同的方向延伸(即，相對于第一層以0度取向)，或以不同于先前層的纖維的角度，例如，相對于前層45度或90度延伸。因此，疊層(和/或層狀體)可以相對于彼此以各種取向排列而獲得期望的結構完整性，例如，0度和90度(也稱為“0/90”)、(0/90/0)、(0/45/-45)、(0/60/-60)，(0/45/90/0)等，其中交替的0度和90度是期望的。還期望的是，疊層是包含具有從一層(即，織物結構)到下一層交替的纖維方向直到疊層的中心，隨后交替停止并自身反轉(例如，0/90/0/90/90/0/90/0)、(0/90/45/0/0/45/90/0)、(0/90/0/0/90/0)或(0/60/90/90/90/60/0))的多個層的“平衡”疊層。圖6示出了層壓/層疊纖維取向，其中第一層被認為取向為0(即零度)。使每個后續纖維結構取向為使得纖維方向相對于第一纖維結構的纖維方向成一定角度。期望的纖維角度的組合取決于殼體的期望的剛度。

采用的層數量基于殼體的期望的厚度和結構完整性。殼體可以具有0.2至10mm，具體地0.3至3mm，更具體地0.5mm至2mm，并且更加具體地0.5mm至1.5mm的總厚度。每個層可以具有0.1至0.4，例如0.1至0.2mm的厚度。

可選地，疊層的所有纖維結構可以具有相同類型的纖維(例如，組成和/或直徑)，或一些纖維結構可以具有不同類型的纖維(例如，組成和/或直徑)。

可以形成疊層以產生殼體。殼體隨后可以用短切纖維增強的聚合物材料包覆模制以在殼體中形成增強元件(例如，肋狀或蜂窩狀結構)。

隨后吸能裝置可以用于BIW組件中而提供結構完整性(例如，在B柱中)。

對于高速前部碰撞(例如，大于或等于29公里/小時(kmph)的速度)，車輛底盤的前部(例如，緩沖梁，吸能件和縱梁)吸收最大量的沖擊能量。對于高速側面碰撞，B柱、底板門檻和底板橫梁在能量吸收中起關鍵作用。對于翻轉或車頂擠壓，A柱、B柱和車頂縱梁在沖擊能量吸收中起關鍵作用。通常，上述組件是中空金屬部件。取決于具體元件的必要結構完整性，吸能裝置可以替代該元件，或可以插入到元件的中空腔體中。如果吸能裝置位于元件中，則可以減小元件的厚度，由此減小車輛重量。與完全由金屬組成的現有系統相比，公開的擠壓對抗件提供了在更輕重量結構中的抗沖擊性和/或增強特性。擠壓對抗件提供了具有與當前所有的金屬系統相當的保護性的輕量擠壓系統。因此，車輛的總重量減少，而對乘客的安全考慮沒有任何受損。

公開了吸能裝置，包括在聚合物基體中包含連續纖維的殼體，以及與殼體不可分離的聚合物增強結構，其中該裝置可以位于車輛結構組件(例如，BIW組件)中。如本文所使用的，“不可分離的”是指不能在不損壞組件之一或二者的情況下分開組件。該裝置可以位于整個車輛結構組件中，位于車輛結構組件內的策略性位置(“局部化”)，或可以替代車輛結構組件。可以增強的BIW組件包括梁，縱梁，支柱，底盤，底板門檻和橫桿，以及包括上述中的至少一種的組合，例如，A柱和底板門檻的接合。可選地，該裝置可以用于強化除了BIW組件之外的其它車輛結構組件，如儀表板、車橫梁組件、門支撐桿、座椅結構(例如，框架)、懸掛控制器(例如，控制臂)、發動機缸體、油泵蓋以及其他組件，以及包括上述中的至少一種的組合。

殼體可以形成由大于或等于1個壁限定的通道，例如3面U型通道。通道可以具有，例如，3個側面或4個側面，其中通道由其通過，使得通道在每個端部是開口的。可選地，側壁可以包括穿過壁的開口，使得在加強件形成時，熔融的聚合物可以從腔體內穿過，通過開口，并固化而進一步將聚合物增加結構固定在殼體內。可選地，圍繞通道的自由邊緣的開口(例如，小開口)使得熔融的塑料可以流過邊緣并固化，以進一步固定通道和加強件。

孔的數量可以大于或等于1，具體地大于或等于2，例如，2至4個孔，以便于聚合物由內向外流動。孔的直徑(沿著主軸)可以高達20mm(例如，0.5mm至20mm)，具體地1mm至10mm，更具體地2mm至7mm(例如，5mm)。

聚合物增強結構可以具有蜂窩結構，例如，柱和通道的陣列。該結構的蜂窩可以是具有大于或等于5個邊的形狀，如五邊形，六邊形，七邊形和八邊形等等的幾何形狀，以及包括上述幾何形狀中的至少一種的組合，并且特別是六邊形幾何形狀。可選地，蜂窩結構的通道從該結構的一端延伸到結構的另一端，使得該結構在兩端開口，并且其中一端(例如，通道的第二端)可以可選地布置為與殼體的一側物理接觸，從而有效地阻隔第二端。聚合物蜂窩可以通過將擠出的聚合物管粘合在一起，注射模制聚合物蜂窩，擠出蜂窩結構制成或另外地形成。例如，該元件可以是具有相同或不同材料的蜂窩結構的共擠出組件，例如，鄰接的蜂窩可以包含不同的材料組成。可選地，一些或所有的蜂窩在其中具有泡沫。換言之，蜂窩可以各自是中空的或填充的，使得可以通過填充特定的蜂窩，通過對特定蜂窩使用不同聚合物，或包括上述中的至少一種的組合來改變結構完整性。一種可能的填充材料是泡沫。期望地，蜂窩結構是通過使用注射模制方法包覆模制殼體而形成的。

聚合物增強結構可以進一步或可選地包括肋狀結構。例如，肋條可以在側壁和/或后壁之間，橫穿殼體的通道延伸。各種肋狀設計是可能的，包括三角形，波形，對角線，交叉等。例如，肋條可以形成三角形，矩形，“X”或其他結構。

殼體和聚合物增強結構可以獨立地包含各種聚合材料，例如，熱塑性塑料、熱固性塑料和包括上述中的至少一種的組合。可以基于其性能、車輛中期望的位置以及該位置的特性選擇具體的材料。例如，在一些實施方式中，該材料可以具有適中的剛度(例如，0.8吉帕斯卡(GPa)至30GPa，具體地3Gpa至15GPa，例如7.0GPa的楊氏模量)，良好的伸長率(例如，大于1％的伸長率)，在車輛制造條件下(例如，在400°F的溫度下30分鐘的焊接，涂漆等，其使聚合物增強結構在部件與汽車車身一起通過油漆烘烤時可以保持完整性)的耐化學性和/或耐熱性。聚合物的實例包括熱塑性材料以及包括熱塑性材料的組合。可能的熱塑性材料包括聚碳酸酯；聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；聚碳酸酯；聚碳酸酯/PBT共混物；聚碳酸酯/ABS共混物；共聚碳酸酯-聚酯；丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)；丙烯腈-(乙烯-聚丙二胺改性的)-苯乙烯(AES)；亞苯基醚樹脂；聚亞苯基醚/聚酰胺的共混物；聚酰胺；亞苯基硫醚樹脂；聚氯乙烯(PVC)；高沖擊聚苯乙烯(HIPS)；聚乙烯(例如，低/高密度聚乙烯(L/HDPE))；聚丙烯(PP)(例如，發泡聚丙烯(expanded polypropylene)(EPP))；聚醚酰亞胺；和熱塑性烯烴(TPO)；以及包括上述中的至少一種的組合。例如，聚合物增強結構可以包含可商購自SABIC的Noryl^TM GTX樹脂，LEXAN^TM樹脂，ULTEM^TM樹脂，VALOX^TM樹脂，CYCOLAC^TM樹脂，和/或STAMAX^TM樹脂。期望地，聚合物增強結構包含聚丙烯，和/或聚亞苯基醚/聚酰胺的共混物。聚合物增強結構可以可選地用例如纖維、顆粒、薄片以及包括上述中的至少一種的組合強化。這些纖維可以包括玻璃，碳，竹，芳綸(aramid)，凱夫拉(kevelar)等，以及包括上述中的至少一種的組合。例如，聚合物增強結構可以由STAMAX^TM材料，可商購自SABIC的長玻璃纖維增強的聚丙烯形成。聚合物增強結構和/或殼體也可以由包括任何上述材料和/或增強物中的至少一種的組合，例如，與熱固性材料的組合制成。期望地，該殼體在聚醚酰亞胺，聚酰胺(尼龍)，聚苯醚，聚碳酸酯，聚丙烯以及包括上述中的至少一種組合的聚合物基體中含有連續纖維(例如，玻璃，碳，芳綸，凱夫拉，以及包括上述中的至少一種的組合)。

殼體與聚合物增強結構之間的良好粘附性可以用殼體的聚合物基體與聚合物增強結構的聚合物之間的相容性實現。例如，殼體可以由具有尼龍的基礎樹脂的連續碳纖維增強的復合材料制成，并且聚合物增強結構的聚合物也可以包括尼龍樹脂或與尼龍共混的任何其它樹脂，如SABIC的Noryl^TMGTX。另一個實例，外部殼體由具有聚丙烯作為樹脂基體的連續玻璃纖維增強的復合材料制成，而聚合物增強結構可以包含基于聚丙烯的材料或短/長纖維增強的聚丙烯復合材料，如SABIC的STAMAX^TM樹脂。

還可以選擇蜂窩相對于支撐件中的通道(以及相對于通過結構元件的開口)的取向以獲得增強組件(例如，BIW組件)的能量吸收特性。例如，蜂窩可以形成可以與殼體的主軸成0度(例如，平行)到90度(垂直)的通道。主軸是沿通道向下延伸的軸線(例如，參見圖3的軸線Ax)。換言之，在一些實施方式中，蜂窩可以具有與通道共同的主軸線并與其平行延伸。在其他實施方式中，蜂窩可以垂直于通道的主軸延伸。因此，當加強件布置于結構組件(在本文中也稱為車輛結構組件和車輛組件)中時，在一些實施方式中，蜂窩可以具有與通過結構組件的開口共同的主軸，而在其它實施方式中，蜂窩可以垂直于通過結構組件的開口延伸。

吸能裝置的總體尺寸將取決于其在BIW內的位置和結構組件中的相關開口的尺寸。此外，增強件的特性將取決于特定區域中期望的能量吸收特性，例如每單位面積的蜂窩或肋條的數量，蜂窩壁或肋條的厚度以及塑料增強件的具體材料。蜂窩的密度(每單位面積的蜂窩的數目)取決于期望的剛度，擠壓特性和采用的材料。在一些實施方式中，該密度可以為1至20蜂窩/100mm²，具體地1至10蜂窩/100mm²，更具體地1至5蜂窩/100mm²。在各個實施方式中，塑料加強件的壁的厚度可以為0.5mm至10mm，具體地2mm至5mm，并且更加具體地為2.5mm至4mm。通常，加強件將包括大于或等于10個蜂窩，具體地大于或等于20個蜂窩，吧更加具體地大于或等于30個蜂窩。

殼體的長度取決于BIW的具體區域，而聚合物增強結構的長度取決于殼體中增強的結構完整性的量和位置。聚合物增強結構可以具有與殼體的長度相當的長度或小于殼體的長度(例如，可以局部化；即僅布置于特定位置以獲得該位置的增強的結構完整性)。期望地，為了最大化重量減少，聚合物增強結構局部化為使得為獲得期望的結構完整性增加最小的所需重量(例如，大于或等于標準金屬組件的結構完整性而沒有較薄的壁)。吸能裝置可以具有小于或等于1000mm的長度，具體地小于或等于800mm，并且更具體地小于或等于300mm。增強件的長度可以小于或等于結構組件長度的80％，具體地，小于或等于60％，更具體地，小于或等于50％，更加具體地結構組件(即，由吸能裝置增強的結構組件)的長度的10％至35％。例如，吸能裝置可以具有150至350mm的長度，具體地，200mm至250mm，如用于支柱或縱梁。在其他實施方式中，吸能裝置具有500mm至800mm的長度，具體地600mm至700mm，如用于底板門檻。結構組件是中空的金屬元件。增強件步驟于中空空間中。當增強件不是位于結構元件中的整個中空空間中時，其可以附接至結構元件以防止增強件在車輛使用過程中或在沖擊過程中錯位。

一些可能的結構組件材料包括聚合物(例如，熱塑性塑料和/或熱固性塑料)，復合材料，金屬，以及包括上述中的至少一種的組合。一些金屬包括鋁，鈦，鉻，鎂，鋅和鋼，以及包括上述中的至少一種材料的組合。結構組件的壁的厚度可以全部相同或可能不同以增強期望的方向上的剛度。例如，一組相對的壁可以具有比另一組相對的壁更厚/更薄的厚度。在一些實施方式中，結構組件具有小于或等于1.6mm的壁厚度，具體地1.0mm至1.5mm，并且更具體地1.3mm至1.4mm。通常，金屬壁(例如，底板門檻，縱梁，支柱，緩沖梁等)具有大于1.8mm的壁厚。因此，吸能裝置的使用使得(結構組件的)壁厚度可以降低大于或等于10％，具體地大于或等于20％，甚至大于或等于25％。

如上所述，增強件可以位于車輛的各個區域中，例如，緩沖梁和/或BIW組件(例如，縱梁，支柱，底盤，底板門檻和橫桿)，以及包括上述中的至少一種的組合上。結構組件中的增強件的期望的特定位置可以使用碰撞結果確定。

將吸能裝置附接于結構組件中的固定措施可以是機械和/或化學的。機械固定措施的實例包括卡扣，鉤，螺釘，螺栓(例如，螺紋栓，鉚釘，焊接，卷邊(例如，卷邊的金屬壁))。摩擦配合也可以用于將增強件維持到位。化學固定措施可以包括粘合劑，例如，膠水，粘結劑等。

通過參考附圖可以獲得對本文中公開的組件，方法和設備的更完整的理解。這些附圖(在本文中也被稱為“圖”)僅僅是基于方便和容易展示本公開的示意圖，而因此并非旨在指示裝置或其組件的相對大小和尺寸和/或限定或限制示例性實施方式的范圍。盡管為了清楚起見在下面的描述中使用了特定術語，但是這些術語僅僅旨在指代選擇用于附圖中圖示說明的實施方式的具體結構，而并非旨在限定或限制本公開的范圍。在附圖和下面的描述中，應當理解的是，相同的數字標號指代相同功能的組件。

圖1是車輛中可能的增強位置的圖示。此處，吸能裝置可以位于所指出的位置之一或任意組合中。例如，A柱50(例如，A柱長度的中心附近)，B柱52(例如，B柱長度的中心附近)，C柱54(例如，C柱長度的中心附近)，D柱56(例如，D柱的中心附近)，車頂縱梁58(例如，在沿車頂縱梁長度的多個獨立的位置中；如車窗上方的中心)和/或底板門檻60(例如，在B柱與底板門檻會和的區域中)，以及A支柱和底板門檻的接合處。例如，占據金屬組件長度約10％至30％的插入件可以位于A柱50、B柱52、車頂縱梁58和底板門檻60中。這些增強件的正確位置取決于不同的高速沖擊要求的防撞性能。如由圖示說明(例如，圖4至圖5)清晰可見地，蜂窩形成通道18。通道可以平行于白車身組件中形成的中空開口的主軸取向，使通道垂直于白車身組件中形成的中空開口的主軸(圖12中的Mx)取向，會提供進一步的結構完整性。

圖5是概念的圖示；其中在A柱、B柱、車頂縱梁和底板門檻等的指出的位置處建議局部化的增強件。圖5中所示的細節示出了由具有置于中空組件中的增強件(圖3)的中空組件(圖4)形成的成形結構組件(例如，來自焊接在一起的兩個金屬結構)。這些增強件的具體位置取決于不同的高速碰撞要求的防撞性能。

圖3-5示出了增強件的元件。圖5示出了待置于殼體6的通道20內的聚合物增強結構4。如圖13可以看出的，殼體6可以包括開口14，使得聚合物增強結構4的塑料可以通過開口14，從而形成機械粘合并將殼體6和聚合物增加結構4鎖定在一起。開口14可以預成型為使得連續纖維圍繞開口取向。可替代地，開口14可以通過切割穿過側面以及纖維而成形到殼體中。

如圖11中所示，吸能裝置1可以具有與穿過結構組件72的開口的形狀互補的形狀。蜂窩的深度(例如，蜂窩通道18的長度)可以在整個聚合物增強結構中是恒定的，或可以沿著增強件的長度變化，例如以遵照車輛的結構組件72的形狀。例如，聚合物增強結構4的蜂窩的深度可以從聚合物增強結構的一端至聚合物增強結構的相對端減少。

使用局部化的增強件(例如，具有通過其中的中空通道的吸能裝置，位于結構組件中)可以使結構組件(例如，BIW組件)的壁厚度降低大于或等于15％，同時保持結構完整性。

圖6和圖7示出了制備吸能裝置1的一些實施例。圖7示出了通過在注射模制工具中層疊連續纖維增強的塑料材料的單向(UD)帶22來制備吸能裝置1。帶的疊層可以是自動或手動的。可以預熱注射模制工具，而使UD帶的聚合物基體達到其玻璃化轉變溫度。然后，可以將加熱的疊層壓縮而合并，隨后固化壓縮的疊層而形成殼體6。然后通過將纖維增強的聚合物注入注射模制工具中來完成殼體6中聚合物增強結構4的包覆模制26。可以設計層的不同取向和數量以實現殼體的不同幾何形狀和厚度以及殼體的定制的性能。

圖8示出了用于形成吸能裝置的方法。可以將含有連續纖維增強的聚合物的預成形層壓板28放置于成形工具30中。將工具30加熱以使得層壓板28可成形，之后將其在工具腔體內壓縮而獲取殼體6的所需形狀。成形的殼體6可以隨后放入注射模制工具中，可以在其中注入纖維增強的塑料材料以包覆模制期望的聚合物增強結構4。

現在參考圖9，殼體6是通過層疊UD層或通過使用具有特定疊層(例如，在熱塑性塑料基體中具有連續碳纖維和/或玻璃纖維的層)的層壓板制成的。然后殼體可以，例如，使用特定的成形工具由疊層/層壓板成形成“U”形通道。圖9中所示的成型工具，具有中心部80和腔體82，其中腔體位于第一壓板84和鉸合的壓板86之間，并且中心部80從第一壓板84(例如，固定地附接至第一壓板84)延伸進入腔體82中，其中中心部80和鉸合的壓板86之間保留有間隔。鉸合的壓板86包括三個部分86A、86B和86C。可移動部分86A和86B可以分別繞鉸鏈88A和88B朝向中間部分86C移動，以改變具有與中心部80的尺寸互補的尺寸的U形腔體。換言之，兩個外側的壓板部分(86A，86B)可以從平面旋轉(例如，90度)至鄰接中心部80的成形方向(例如，垂直方向)，以成形成用于形成殼體的U形腔體。可以使用各種方法，如手動，使用液壓，使用氣缸90(例如，兩個氣體(例如，空氣)操作的氣缸)將可移動部分86A和86B從靜止位置移動到成形位置以形成U形殼體。

該方法可以包括以期望的層取向層疊的UD層并合并以形成層壓板。合并的層壓板92可以位于鉸合的壓板86上使得層壓板的旨在為側面的區域位于鉸合的部分86A或86B上方。將合并的層壓板92加熱至樹脂基體的玻璃化轉變溫度。然后通過將中心部80降低到成形位置中并旋轉可移動部分86A和86B，例如，通過氣缸90驅動鉸合的壓板部分以旋轉(例如，90度)至成形位置，從而將加熱的、合并的層壓板彎曲成U形，來形成殼體6。可移動部分86A和86B的旋轉角度取決于殼體6的側面期望的角度(例如，平行側面，或以不同角度取向的側面)。一旦中心部80和可移動部分86A和86B處于成形位置時，將加熱的合并的層壓板冷卻以固化層壓板并形成殼體6。

例如，層壓板中使用的層可以通過形成樹脂基體的膜(例如，具有小于或等于300微米(μm)的厚度)來形成。可以將預合并的層壓板加熱超過樹脂基體的Tg(玻璃化轉變溫度)，使得樹脂在其纖維束中的纖維之間流動而形成樹脂-纖維結構。例如，將Noryl^TMGTX樹脂膜(例如，具有76.2微米(0.003英寸)和127微米(0.005英寸)的厚度)加熱至纖維或織物以形成層。膜厚度由期望的層壓板的體積比決定。例如，60/40的體積比通常將產生50/50重量比的3K纖維編織物或3K斜紋編織物。這還取決于織物的體積密度。在合并的層壓板中使用GTX樹脂將有助于促進成形的層壓板殼體和塑料包覆模制的結構之間更好的粘附。可選地，層壓板的層可以使用粉末法形成。在這種方法中，將粉末(例如，研磨粉末)施加至纖維結構以形成涂粉的纖維。將涂粉的織物加熱以將粉末半熔融到織物中，從而將粉末浸透(例如，半浸透)到纖維帶或織物中以形成層。例如，將粉末橫跨織物分布(例如，均勻分布)，然后借助超聲波，在纖維束之間強制空氣沖擊，然后加熱至高于Tg，從而使樹脂可以涂覆纖維束，此后輥軋纖維結構并預涂覆或半浸透纖維以形成樹脂-纖維結構。可能的粉末可以由任何上述熱塑性材料，例如Noryl^TMGTX樹脂，LEXAN^TM樹脂，ULTEM^TM樹脂，VALOX^TM樹脂，CYCOLAC^TM樹脂，STAMAX^TM樹脂，以及包括上述中的至少一種的組合，如一些這些樹脂的合金形成。

一旦制備了該層(即，樹脂-纖維結構)，可以形成層壓板。可以將該層(即，樹脂-纖維結構)層疊并且可以隨后將疊層置于層壓器中。然后將疊層干燥，例如，使得殘余的水分至表面并被除去。干燥后，在真空下將疊層加熱(例如，至樹脂熔融溫度)以使纖維浸濕。然后向疊層施加壓力。隨后降低溫度(例如，快速降至室溫)，釋放壓力并隨后移出層壓板。例如，參考圖14，將疊層38置于第一壓板32和層壓板壓板34之間。將層壓器40中的溫度升高至足以去除殘余水分的溫度(例如，取決于樹脂基體，100至200℃，具體地，125至165℃，例如，150℃)。該溫度可以保持足夠的時間用于殘留水分至疊層的表面(例如，保持時間高達30分鐘，具體地2至20分鐘，更具體地5至10分鐘)。實際時間將取決于樹脂的水分含量和疊層的厚度。在干燥保持時間完成之后，在真空室36中抽真空。可以將真空抽至例如小于30英寸汞柱(Hg)，具體地小于28.8Hg，更具體地10Hg的壓力，并且可以增加加工溫度。可以將溫度升高至大于或等于疊層中的樹脂的熔融溫度(例如，至大于或等于205℃，具體地218℃，更具體地232至400℃，其中具體的溫度取決于特定的樹脂)。一旦達到加工溫度，通過在第一壓板32和層壓板壓板34之間產生相對運動來對疊層38施加壓力。該壓力可以大于或等于1兆帕斯卡(MPa)，具體地大于或等于1.5MPa，更具體地1.75MPa至2.5MPa，例如2.0MPa(例如，約300磅/平方英寸(psi))。

應該注意的是，基于疊層調節壓力，其中太大的壓力將抑制樹脂浸濕纖維，例如，由于將纖維束緊實地壓在一起而限制了樹脂流入束中，而同時太小的壓力將抑制層壓板獲得期望的厚度。

在施加壓力之后，將溫度降低而使層壓板固化并可以從層壓器中移出。例如，溫度可以降低到小于或等于38℃，具體地小于或等于33℃，并且更具體地小于或等于27℃。溫度降低可以通過快速冷卻(例如，以大于或等于25°F/min降低溫度)。一旦冷卻，可以釋放真空和壓力，并且可以移出層壓板。

可替代地，可以在動態層壓過程中，例如，使用加熱的雙帶層壓器形成層壓板。在該方法中，將膜和織物(或帶)的交替進料進料到層壓器中，其中膜和織物的數量取決于層壓板期望的厚度。在第一階段，干燥階段中，施加壓力以使得水分釋出。在下一階段，增加熔體區域、溫度和壓力致使樹脂流入織物中。在冷卻區中，將疊層在壓力下冷卻以完全固化層壓板。例如，參考圖15，將膜102和織物104進料至雙帶層壓器100中。例如，在第一階段過程中，將壓力(例如，大于或等于10磅/平方英寸(psi)，例如10至25psi的壓力)施加于干燥區106，使得水分逸出。在下一階段，增加熔融區108、壓力和溫度以使樹脂流入織物中。取決于具體樹脂的溫度，可以處于這種樹脂的熔融加工溫度之內。壓力也取決于具體的樹脂，并且特別是其熔體粘度，可以大于或等于50psi，例如，壓力可以在50至500psi之間變化。疊層從熔融區108進入冷卻區110，其在其中在壓力下固化而形成層壓板114。然后可以可選地將層壓板114切割成期望的長度。連續層壓過程可以產生四英尺寬的片材產品并切成任何長度，之后可以且為更小的片用于期望的應用。

如圖10中所示，可以并入注射模制工具中的順序澆口開口系統以獲得纖維(短和/或長纖維)的有利排列并最小化聚合物增強結構4(例如，蜂窩或肋條幾何形狀)中的焊縫。因此，可以從一端到另一端填充注射模制腔，增強最終產品的質量。

通過將結構組件(例如，車輛中的任何中空金屬承載組件)和本文中描述的混合增強件結合，實現以下幾個優點：(i)與所有金屬組件相比，該設計更輕，而仍然滿足相同的結構要求，(ii)與其它增強件相比(例如，與泡沫的、可膨脹的環氧樹脂和鋼增強件相比)，塑料增強件具有高剛度重量比，(iii)與泡沫或環氧樹脂增強件解決方案相比，在涂漆循環過程中存在更好的熱性能，和/或(iv)不需要現有的裝配線的改變；例如，可以不使用額外的加工步驟制造擠壓對抗件并用于機動車輛中。此外，由于可以在減少的重量下維持相同的結構完整性，或可以在與標準，全鋼結構組件(例如，BIW)相同的重量下保持更好的結構完整性，該設計可以更好地適于滿足將于2016年執行的二氧化碳排放規定，并且滿足國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration)(NHTSA)的安全要求。

下面闡述的是本文描述的工具、層壓板、殼體、能量吸收裝置、車輛和結構組件的一些實施方式。

實施方式1：一種吸能裝置，包括：聚合物增強結構，其中聚合物增強結構包含聚合物基體和短切纖維；以及包括2個從背部延伸并形成殼體通道的壁的殼體，其中殼體包含連續纖維和樹脂基體；其中聚合物增強結構位于殼體通道之內。

實施方式2：實施方式1的裝置，其中一些聚合物基體位于殼體邊緣的開口中，形成殼體和聚合物增強結構之間的機械結合。

實施方式3：實施方式1-2中任一項的裝置，其中聚合物增強結構包含蜂窩和/或肋條，例如，交叉肋條模式或蜂窩。

實施方式4：實施方式1-3中任一項的裝置，其中聚合物增強結構包含以與壁相同的方向向背部延伸的蜂窩。

實施方式5：實施方式1-4中任一項的裝置，其中殼體通道具有主軸，并且其中蜂窩結構含有蜂窩通道，并且其中蜂窩通道垂直于主軸取向。

實施方式6：實施方式1-5中任一項的裝置，其中聚合物增強結構不可分離地附連至殼體。

實施方式7：實施方式1-6中任一項的裝置，其中塑料元件具有帶有六角蜂巢幾何形狀的中空蜂窩結構，并具有150mm至350mm的長度。

實施方式8：實施方式1-7中任一項的裝置，其中殼體包含多個貫穿壁的孔。

實施方式9：實施方式1-8中任一項的裝置，其中該裝置形成車輛組件，包括緩沖梁、縱梁、支柱、底盤、底板門檻、橫桿、儀表板、車橫梁部件、門支撐桿、座椅結構、懸掛控制器、發動機缸體、油泵蓋、以及包括上述中的至少一種的組合。

實施方式10：實施方式9的裝置，其中，除可選的金屬纖維之外，該裝置不含金屬。

實施方式11：實施方式9的裝置，其中該裝置不包括金屬的殼體、涂層，或外殼。

實施方式12：實施方式1-11中任一項的吸能裝置，其中該吸能裝置不含金屬。

實施方式13：實施方式1-12中任一項的吸能裝置，其中連續纖維是單向的。

實施方式14：一種車輛的結構體，包含：中空車輛結構組件，包括限定腔體的壁，其中車輛組件具有組件長度；以及實施方式1-13中任一項的吸能裝置；其中吸能裝置位于腔體中。

實施方式15：實施方式14的結構體，其中車輛結構組件選自由緩沖梁、縱梁、支柱、底盤、底板門檻、橫桿、儀表板、車橫梁部件、門支撐桿、座椅結構、懸掛控制器、發動機缸體、油泵蓋、以及其他組件、以及包括上述中的至少一種的組合組成的組中。

實施方式16：實施方式15的結構體，其中車輛結構組件是底板門檻。

實施方式17：一種車輛，包括：車輛結構組件；和可選地位于車輛結構組件中的實施方式1-13中任一項的吸能裝置；發動機；和驅動機構。

實施方式18：一種車輛，包括：車輛結構組件，其中車輛結構組件是實施方式1-13中任一項的吸能裝置；發動機；和驅動機構。

實施方式19：一種用于形成層壓板殼體的成形工具，包括：包含中心部的第一壓板；鉸合的壓板，包括第一可移動部分，第二可移動部分，和位于第一可移動部分和第二可移動部分之間的中間部分；連接第一可移動部分和中間部分，使得第一可移動部分可以從平面位置移動至鄰接中心部的成形位置的第一鉸鏈；以及連接第二可移動部分和中間部分，使得第二可移動部分可以從平面位置移動至鄰接中心部的成形位置的第二鉸鏈；其中中心部在第一壓板和鉸合的壓板之間由第一壓板延伸；并且其中第一壓板和鉸合的壓板配置為在間產生相對運動以減小中心部和中間部分之間的距離。

實施方式20：實施方式19的成形工具，進一步包括取向為使第一可移動部分，或第二可移動部分，或第一可移動部分和第二可移動部分移動的氣缸。

實施方式21：一種形成層壓板的方法，包括：將纖維結構和樹脂膜進料至加熱的帶以形成疊層；可選地施加干燥壓力以使得水分釋出以形成干燥的疊層；增加溫度和壓力以使樹脂流入纖維結構以形成層壓板；以及冷卻層壓板以固化層壓板。

實施方式22：實施方式21的方法，其中在壓力之下冷卻層壓板。

實施方式23：實施方式22的方法，其中在大于或等于30psi的壓力，或大于或等于50psi的壓力，或50psi至500psi的壓力下冷卻層壓板。

實施方式24：實施方式21-23中任一項的方法，其中干燥壓力大于或等于10psi。

實施方式25：實施方式21-24中任一項的方法，其中增加溫度和壓力以使樹脂流動包括增加溫度至大于或等于樹脂的熔融溫度，和增加壓力至大于或等于50psi。

實施方式26：實施方式21-25中任一項的方法，其中疊層包含纖維結構和樹脂的交替的層。

實施方式27：實施方式21-26中任一項的方法，其中疊層包含大于或等于4個纖維結構。

實施方式28：實施方式21-27中任一項的方法，其中疊層包含大于或等于6個纖維結構。

實施方式29：一種形成層壓板的方法，包括：在層壓器中層疊樹脂-纖維結構以形成疊層；可選地干燥疊層；在層壓器中抽真空；增加溫度至加工溫度；在層壓器的壓板之間產生相對運動以在加工溫度下對疊層施加壓力以形成層壓板；冷卻層壓板。

實施方式30：實施方式29的方法，其中樹脂-纖維結構通過以下形成：將粉末施加至纖維結構；驅使粉末進入纖維結構中；加熱至高于樹脂的Tg以形成加熱的纖維結構；以及輥軋加熱的纖維結構以形成樹脂纖維結構。

實施方式31：實施方式30的方法，其中用超聲波空氣沖擊驅使粉末進入纖維結構中。

實施方式32：實施方式21-31中任一項的方法，進一步包括層疊纖維結構使得疊層具有交替的0度和90度，(0/45/-45)、(0/60/-60)、(0/45/90/0)、(0/90/0/90/90/0/90/0)、(0/90/0/0/90/0)、(0/90/45/0/0/45/90/0)、或(0/60/90/90/90/60/0)的纖維取向。

實施方式33：實施方式21-32中任一項的方法，進一步包括層疊纖維結構使得疊層具有形成平衡疊層的纖維取向。

實施方式34：一種形成層壓板殼體的方法，包括：將實施方式21-33中任一項的層壓板置于成形工具中的鉸合的壓板上；加熱層壓板；將第一可移動部分和第二可移動部分向中心部移動，并減小中心部和中間部分之間的距離，使得層壓板彎曲以形成殼體；冷卻殼體；以及從成形工具中移出殼體。

實施方式35：實施方式34的方法，其中殼體具有0.2至10mm、或0.3至3mm、或0.5mm至2mm、或0.5mm至1.5mm的總厚度。

實施方式36：一種形成吸能裝置的方法，包括：用聚合物增強結構包覆模制實施方式34-35中任一項的殼體以形成吸能裝置。

實施方式37：實施方式36的方法，其中聚合物增強結構包含蜂窩和/或肋條。

實施方式38：實施方式36-37中任一項的方法，其中聚合物增強結構具有平行于殼體的側面且垂直于殼體的中間部分延伸的通道。

實施方式39：一種吸能裝置，包括：聚合物增強結構，其中聚合物增強結構包含聚合物基體和短切纖維；以及包括2個從背部延伸并形成殼體通道的壁的殼體，其中殼體包含連續纖維和樹脂基體，并且其中樹脂基體是聚合樹脂基體；其中聚合物增強結構位于殼體通道中；其中殼體包含由纖維結構的疊層形成的層壓板，使得疊層具有包括至少兩個不同角度的纖維取向的角度。

實施方式40：實施方式39的裝置，其中角度選自0度和90度、(0/45/-45)、(0/60/-60)、(0/45/90/0)、(0/90/0/90/90/0/90/0)、(0/90/0/0/90/0)、(0/90/45/0/0/45/90/0)、或(0/60/90/90/90/60/0)。

實施方式41：實施方式39-40中任一項的裝置，其中該角度包括形成平衡疊層的纖維取向。

實施方式42：實施方式39-41中任一項的裝置，其中聚合物增強結構包括蜂窩和/或肋條。

實施方式43：實施方式39-42中任一項的裝置，其中聚合物增強結構包括以與壁相同的方向向背部延伸的蜂窩。

實施方式44：實施方式39-43中任一項的裝置，其中殼體通道具有主軸，并且其中蜂窩結構包括蜂窩通道，并且其中蜂窩通道垂直于主軸取向。

實施方式45：實施方式39-44中任一項的裝置，其中聚合物增強結構不可分離地附連至殼體。

實施方式46：實施方式39-45中任一項的裝置，其中塑料元件具有帶有六角蜂巢幾何形狀的中空蜂窩結構。

實施方式47：實施方式39-46中任一項的裝置，其中殼體包括多個貫穿壁的孔。

實施方式48：實施方式39-47中任一項的裝置，其中，除可選的金屬纖維之外，該裝置不含金屬。

實施方式49：實施方式39-48中任一項的裝置，其中該裝置不包括金屬的殼體、涂層、或外殼。

實施方式50：實施方式39-49中任一項的裝置，其中聚合樹脂基體和聚合物基體獨立地選自聚碳酸酯；聚對苯二甲酸丁二醇酯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；聚碳酸酯；丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈；丙烯腈-(乙烯-聚丙二胺改性的)-苯乙烯；亞苯基醚樹脂；聚酰胺；亞苯基硫醚樹脂；聚氯乙烯；聚苯乙烯；聚乙烯；聚丙烯；聚醚酰亞胺；以及包括上述中的至少一種的組合。

實施方式51：實施方式39-50中任一項的裝置，其中聚合樹脂基體和聚合物基體獨立地選自聚碳酸酯共混物；聚碳酸酯/PBT共混物；聚碳酸酯/ABS共混物；共聚聚碳酸酯-聚酯；聚亞苯基醚/聚酰胺的共混物；聚酰胺；和包括上述中的至少一種。

實施方式52：實施方式39-51中任一項的裝置，其中聚合樹脂基體和聚合物基體獨立地選自Noryl^TM GTX樹脂、LEXAN^TM樹脂、ULTEM^TM樹脂、VALOX^TM樹脂、CYCOLAC^TM樹脂、和/或STAMAX^TM樹脂。

實施方式53：實施方式39-52中任一項的裝置，其中連續纖維選自玻璃纖維、碳纖維、竹纖維、芳綸纖維、凱夫拉纖維、以及包括上述中的至少一種的組合。

實施方式54：實施方式39-53中任一項的裝置，其中短切纖維選自玻璃纖維、碳纖維、竹纖維、芳綸纖維、凱夫拉纖維、以及包括上述中的至少一種的組合。

實施方式55：實施方式39-54中任一項的裝置，其中連續纖維和短切纖維獨立地選自玻璃纖維，碳纖維，以及包括上述中的至少一種的組合。

實施方式56：實施方式39-55中任一項的裝置，其中該裝置不含金屬。

實施方式57：實施方式39-56中任一項的裝置，其中連續纖維是單向的。

實施方式58：一種車輛的結構體，包括：中空車輛結構組件，包括限定腔體的壁，其中車輛結構組件具有組件長度；以及實施方式39-57中任一項的吸能裝置；其中吸能裝置可選地位于腔體中。

實施方式59：實施方式58的結構體，其中車輛結構組件選自由緩沖梁、縱梁、支柱、底盤、底板門檻、橫桿、儀表板、車橫梁部件、門支撐桿、座椅結構、懸掛控制器、發動機缸體、油泵蓋、以及其它組件、以及包括上述中的至少一種的組合組成的組。

實施方式60：實施方式59的結構體，其中車輛結構組件是底板門檻。

實施方式61：一種車輛，包括：車輛結構組件；以及位于車輛結構組件中的實施方式39至57中任一項的吸能裝置；發動機；和驅動機構。

本文公開的所有范圍包括端點，并且端點可以彼此獨立地組合(例如，“高達25wt.％，或更具體地，5wt.％至20wt.％”的范圍包括端點和“5wt.％至25wt.％”范圍內的所有中間值等)。“組合”包括共混物，混合物，合金，反應產物等。此外，術語“第一”，“第二”等在本文中不表示任何順序，數量或重要性，而是用于將一個元件區別于另一個元件。除非在本文中另有說明或與上下文明顯矛盾，本文中的術語“一個”和“一種”和“該”不表示數量限制，而應該解釋為涵蓋單數和復數。本文使用的后綴“(s)”旨在包括其修飾的術語的單數和復數，從而包括一個或多個該術語(例如，膜(s)包括一層或多層膜)。貫穿整個說明書提及的“一個實施方式”，“另一個實施方式”，“實施方式”等是指結合實施方式描述的具體要素(例如，特征，結構，和/或特性)包括在本文描述的至少一個實施方式中，并可以或可以不存在于其他實施方式中。另外，應當理解的是，所描述的要素可以在各個實施方式中以任何合適的方式進行組合。如本文所用的“不含”旨在僅包括雜質而不是有意增添要素。

雖然已經描述了具體實施方式，但申請人或本領域的其他技術人員可以想到是或可能是目前未預見的替換、修改、變化、改進和實質等同物。因此，所提交的以及可能被修改的所附權利要求旨在涵蓋所有這樣的替代、修改、變化、改進和實質等價物。