專利名稱：用于裝配包含蜂窩芯的結(jié)構(gòu)元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝配包含蜂窩芯的塑料基結(jié)構(gòu)的方法。
在許多工業(yè)中(汽車工業(yè)、市政工程、船舶建筑等)，目標(biāo)是使所用結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能/重量比最優(yōu)化。已經(jīng)開發(fā)了許多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的并且最常見(jiàn)方法中的一種方法在于利用夾在兩個(gè)所謂“面層”(skins)的片材之間的蜂窩多孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)將這種技術(shù)與輕質(zhì)材料(聚合物而不是金屬)的選擇相結(jié)合，可以得到特別輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
為了在經(jīng)濟(jì)上可行，必須用包括盡可能最少步驟的簡(jiǎn)單快速的方法來(lái)生產(chǎn)這些結(jié)構(gòu)，從這個(gè)角度出發(fā)，選擇聚合物(特別是熱塑性聚合物)作為組成材料也是明智的。這是因?yàn)橛捎谒鼈兊臒崴苄?，可以將這些材料在單一步驟或最多兩個(gè)步驟中制成為蜂窩結(jié)構(gòu)。
因此，在申請(qǐng)F(tuán)R 2 760 999中提出通過(guò)連續(xù)擠出制造多孔結(jié)構(gòu)的方法，而申請(qǐng)WO 00/32382描述了一種通過(guò)將預(yù)成型片熱成型和折疊來(lái)獲得這種結(jié)構(gòu)的方法。為了裝配這種結(jié)構(gòu)，實(shí)踐中通常使用粘合劑(在WO 00/32382中既用于粘合蜂窩單元也用于固定面層)或常規(guī)焊接方法(FR 2 760 999)。但是，這些方法的缺點(diǎn)在于慢并需要至少兩個(gè)步驟首先是用粘合劑涂覆或預(yù)熱待焊接元件的步驟，然后是裝配步驟。此外，由于在這兩種情況下裝配步驟均在相對(duì)高的壓力下實(shí)施，因此蜂窩單元經(jīng)常塌陷和/或變形。
因此本發(fā)明目的是提供裝配具有蜂窩芯的塑料基結(jié)構(gòu)的方法，該方法快速并且不會(huì)引起蜂窩單元(cell)變形或塌陷。
為此，本發(fā)明涉及利用電磁輻射焊接來(lái)裝配包含蜂窩芯的結(jié)構(gòu)元件的方法，其中該結(jié)構(gòu)基于對(duì)電磁輻射透明的塑料并且至少一個(gè)待裝配元件在其至少一部分表面附近包含至少部分吸收電磁輻射的層，并且利用電磁輻射使所述層在焊接區(qū)熔融而進(jìn)行焊接。
根據(jù)本發(fā)明的方法保證面層的精確和快速焊接而不引起蜂窩單元的塌陷，這是由于只有輻射吸收層被熔融。而且，與常規(guī)焊接方法相比(通常包括將所述結(jié)構(gòu)的大部分加熱到高溫)，它允許使用單軸或雙軸取向的面層。
術(shù)語(yǔ)“蜂窩”理解為指包含蜂窩單元的通常扁平的物體(片材)，所述蜂窩單元是敞開的或封閉的并且其壁(wall)具有任意但通常為圓形或六邊形的橫截面，各個(gè)蜂窩單元的壁相互基本平行。
術(shù)語(yǔ)“面層”理解為指置于蜂窩表面的任一側(cè)以將其封閉并因此產(chǎn)生夾心板的片材。當(dāng)將單軸或雙軸取向的面層焊接到蜂窩上時(shí)，觀察到輻射吸收層部分地包圍蜂窩的鄰接垂直壁末端并因此確保與常規(guī)裝配技術(shù)例如粘合劑粘合或熱焊接相比獲得更好的固定，并且這樣做并沒(méi)有損害由于取向而具有的優(yōu)良機(jī)械性能。術(shù)語(yǔ)“單軸或雙軸取向面層”理解為指·就非晶態(tài)聚合物(例如PVC、PET和PC)來(lái)說(shuō)，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度+2℃和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度+30℃之間的溫度下取向的面層；·就半結(jié)晶聚合物(例如PA和PO)來(lái)說(shuō)，在結(jié)晶溫度-2℃和結(jié)晶溫度-50℃之間的溫度下取向的面層。
根據(jù)本發(fā)明，待裝配的結(jié)構(gòu)是基于塑料的。這意味著所有待裝配元件主要是基于塑料的(也就是說(shuō)其大部分重量分?jǐn)?shù)由塑料構(gòu)成，但是這不排除存在任意類型的插入件、加固件等)。
優(yōu)選地，它們基于相同塑料或基于相似塑料(相同類型或能相容的)以促使它們焊接在一起。
術(shù)語(yǔ)“塑料”理解為指任意的熱塑性聚合物，包括熱塑性彈性體及其共混物。術(shù)語(yǔ)“聚合物”表示均聚物和共聚物(特別是二元或三元共聚物)。這種共聚物的例子是但并不限于無(wú)規(guī)共聚物、線型或其它嵌段共聚物和接枝共聚物。
熔點(diǎn)在分解溫度之下的任何類型熱塑性聚合物或共聚物均適用。熔程覆蓋至少10℃的合成熱塑性材料特別合適。這種材料的例子包括那些分子量表現(xiàn)出多分散性的材料。
具體地，可以使用聚烯烴、聚鹵乙烯(PVC)、熱塑性聚酯、聚酮、聚酰胺及其共聚物。聚烯烴(特別是聚丙烯(PP))和PVC產(chǎn)生良好的效果。也可以使用聚合物或共聚物的共混物，以及聚合物材料與各種添加劑(穩(wěn)定劑、增塑劑、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和/或天然或聚合物填料)的共混物。塑料也可以經(jīng)過(guò)各種處理，例如發(fā)泡、取向等。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，重要的是塑料對(duì)電磁輻射透明從而使輻射能夠通過(guò)待裝配元件的芯層而傳送至輻射吸收層，并且防止除輻射吸收層中的塑料之外的過(guò)多塑料熔融。根據(jù)本發(fā)明，至少部分吸收電磁輻射的層位于至少一個(gè)待裝配元件的至少一部分表面附近并包圍焊接區(qū)。
措辭“在至少一部分表面附近”理解為指層直接位于表面至少是部分表面上，或者直接位于表面下，也就是說(shuō)它位于材料層下面，所述材料層的特性可以與待裝配元件芯層的特性一樣，或者具有不同的特性(例如保護(hù)層)。優(yōu)選第一替代方案，其中層直接位于表面上，在這種情況下采取措施來(lái)保證熔融的目標(biāo)在該層。在第二種情況下，通常采取措施來(lái)保證位于吸收層項(xiàng)上的表面層不是太厚，因?yàn)檫@也必須被熔融以便能夠形成焊接。
將吸收層結(jié)合到待焊接元件可以通過(guò)任意適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行共擠出、粘合、涂覆等。共擠出法是經(jīng)濟(jì)的方法，該方法通常產(chǎn)生良好的效果。應(yīng)該注意的是，該層可以是連續(xù)的或不連續(xù)的(例如由僅存在于待焊接區(qū)域中的帶組成)。通常，為了簡(jiǎn)化制造工藝，優(yōu)選該層是連續(xù)的。
通常，該層基于與待裝配元件相同的塑料，或者基于相似的塑料(具有相同類型的單體和/或是相容的)，但是它含有吸收電磁輻射的添加劑。
術(shù)語(yǔ)“透明”(用于上文定義的塑料)理解為指吸收的能量至多為100J/g塑料的塑料，而術(shù)語(yǔ)“吸收”理解為指吸收的能量至少為300J/g材料。這種水平的吸收可以利用某些顏料例如碳黑來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中碳黑通常產(chǎn)生良好的效果。
根據(jù)實(shí)施根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選方式，使用的電磁輻射具有至少700nm的波長(zhǎng)。同樣，優(yōu)選使用波長(zhǎng)至多為1200nm的電磁輻射。
電磁輻射特別優(yōu)選為紅外輻射。光譜在整個(gè)發(fā)射頻率范圍內(nèi)連續(xù)的IR源可以適用，尤其是主要在塑料不吸收的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的源。這種IR源例如是那些具有非常短波長(zhǎng)的源，例如在大約1000nm處發(fā)射的源。
利用激光型相干紅外輻射已經(jīng)獲得了最好效果。這種輻射源的例子是二極管激光器和Nd:YAG(釹摻雜釔鋁石榴石)激光器?？紤]到可以相對(duì)低成本地從市場(chǎng)上得到高功率的二極管激光器，優(yōu)選二極管激光器。
根據(jù)本發(fā)明，所述結(jié)構(gòu)包含幾個(gè)待裝配元件，其可以是蜂窩芯的部件(例如其蜂窩單元)、位于芯層任一側(cè)的面層(垂直于芯層的壁)以及其它元件如一個(gè)或多個(gè)連接件(attachment)、把柄(handle)、加固件等。
如果通過(guò)產(chǎn)生未焊接的蜂窩單元的方法來(lái)獲得蜂窩芯(例如在申請(qǐng)WO00/32382所述方法的某些變化方案中，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入本申請(qǐng))，就可以利用根據(jù)本發(fā)明的方法來(lái)焊接這些蜂窩單元。因此，在根據(jù)本發(fā)明方法的變化方案中，所要利用電磁輻射焊接的元件部分地由芯層的蜂窩單元組成，所述芯層通過(guò)塑料片材的熱成型和折疊獲得并且在其兩面均包含輻射吸收層。
如上所述，有利的是，為蜂窩的兩面提供面層以提高結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度(特別是在彎曲方面和壓縮方面)。因而可以通過(guò)上述方法固定面層。因此，在根據(jù)本發(fā)明方法的另一有利變化方案中，所要利用電磁輻射焊接的元件包括焊接在芯層任一側(cè)并垂直于蜂窩單元壁的兩個(gè)面層。優(yōu)選地，這些面層是取向的，并且尤其最優(yōu)選它們是雙軸取向的。
當(dāng)制造所述芯的方法是產(chǎn)生不定長(zhǎng)度的蜂窩的連續(xù)方法時(shí)，根據(jù)芯的制造工藝有利地實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的裝配方法。
因此，例如當(dāng)利用附有冷卻裝置的擠出機(jī)通過(guò)連續(xù)擠出方法來(lái)獲得芯時(shí)(例如申請(qǐng)F(tuán)R 2 760 999中所述，該申請(qǐng)的內(nèi)容也通過(guò)引用并入本申請(qǐng))，根據(jù)本發(fā)明的方法可用于在面層離開冷卻裝置后立即將它焊接到芯層的任一側(cè)。在這種情況下，僅在所述面層的一個(gè)面上(靠近它們的表面)提供輻射吸收層，芯層和面層本身優(yōu)選對(duì)這種輻射透明。
同樣，通過(guò)包括片材的熱成型和折疊以及所形成的蜂窩單元可能進(jìn)行的裝配(通過(guò)焊接、粘合或任意其它合適技術(shù))的方法(如申請(qǐng)WO 00/32382中所述)來(lái)獲得所述芯，根據(jù)本發(fā)明的方法可用于在所述片材離開用于裝配蜂窩單元的設(shè)備之后立即將它焊接到芯層的任一側(cè)。
當(dāng)也利用電磁輻射焊接進(jìn)行這種裝配操作時(shí)，并因此當(dāng)芯具有輻射吸收層時(shí)，甚至不需要為面層提供輻射吸收層。因此，在本發(fā)明的變化方案中，制造芯的連續(xù)方法是包括將片材熱成型和折疊的方法，在所述片材任一側(cè)包含輻射吸收層以形成所要利用電磁輻射來(lái)焊接裝配的未焊接蜂窩單元，并且，按照這種焊接操作將兩個(gè)不含輻射吸收層的面層固定在這種芯的任一側(cè)。根據(jù)芯的厚度選擇一定角度來(lái)安裝激光器。使芯層/面層組合件經(jīng)受電磁輻射。因此在單次連續(xù)操作中進(jìn)行所有焊接，根據(jù)待焊接的寬度，可以任選地同時(shí)使用一個(gè)以上的激光器。
作為替代實(shí)施方案，所述蜂窩單元可以通過(guò)粘合劑粘合來(lái)裝配，或者它們可以保持為未焊接。因此，在本發(fā)明的該變化方案中，連續(xù)的芯層制造方法是包括片材熱成型和折疊以形成蜂窩單元的方法，所述蜂窩單元或者保持為未焊接或者通過(guò)利用無(wú)溶劑粘合劑粘合來(lái)裝配，所述粘合劑通過(guò)涂覆待粘合區(qū)中的所述片材表面來(lái)應(yīng)用，并且，按照該粘合操作，將兩個(gè)僅在其一面具有輻射吸收層的面層固定在芯層的任一側(cè)。優(yōu)選的是選擇一旦與待焊接壁接觸便具有高粘合強(qiáng)度的觸變粘合劑，以保證芯層的總體完整性。
通過(guò)下列實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但并不限于此實(shí)施例1利用來(lái)自Coherent Inc.的帶準(zhǔn)直物鏡的40A(35W)CW FAPCOHERENT激光器裝配下列元件，該激光器具有810nm波長(zhǎng)和約3nm的光譜帶·基于MOPLEN640P PP樹脂的蜂窩狀物，具有8mm×13mm的蜂窩單元和20mm的高度，通過(guò)根據(jù)申請(qǐng)F(tuán)R 2 760 999的連續(xù)擠出方法獲得；和·基于ELTEXRF110 PP樹脂的厚度為3mm的兩個(gè)面層，在所述面層表面上具有厚度為50μm、基于含有5phr REMAFIN SCHWARZPAP碳黑的RF110ELTEX樹脂的共擠出層。
可以毫無(wú)問(wèn)題地實(shí)現(xiàn)0.3m/min的線性焊接速度(以5mm為一級(jí))(準(zhǔn)確焊接、通過(guò)檢驗(yàn)切片來(lái)檢查)。
對(duì)取自焊接結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，支撐物之間距離為210mm。橫梁速度為20mm/min，并且在各種位移下測(cè)量的載荷為
位移(mm) 載荷(N)199.422013300對(duì)966N載荷所測(cè)得的最大位移是17mm，這等于5％的應(yīng)變。
實(shí)施例2利用來(lái)自Coherent Inc.的帶準(zhǔn)直物鏡的40A(35W)CW FAPCOHERENT激光器裝配下列元件，該激光器具有810nm波長(zhǎng)和約3nm的光譜帶·基于剛性PVC樹脂的蜂窩，具有3mm邊長(zhǎng)和8mm高度的規(guī)則六邊形單元，通過(guò)根據(jù)申請(qǐng)WO 00/32382包括將150μm厚的片材熱成型和折疊的方法獲得和·基于單軸取向剛性PVC(來(lái)自Solvin的267RB樹脂)的厚度為2mm的兩個(gè)面層，在該面層表面上具有厚度為50μm的基于含有4phr碳黑的相同配方的共擠出層。
可以毫無(wú)問(wèn)題地實(shí)現(xiàn)1.5m/min的線性焊接速度(以5mm為一級(jí))。
對(duì)取自焊接結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，支撐物之間距離為150mm。橫梁速度為2mm/min，并且在各種位移下測(cè)量的載荷為位移(mm) 載荷(N)113622673386對(duì)511N負(fù)載所測(cè)得的最大位移是5.2mm，這等于1.7％的應(yīng)變。
權(quán)利要求
1.裝配結(jié)構(gòu)元件的方法，所述結(jié)構(gòu)元件基于對(duì)激光輻射透明的塑料，所述結(jié)構(gòu)元件包含多孔蜂窩芯和在所述芯的任一側(cè)并垂直于蜂窩單元壁的兩個(gè)面層，其中利用激光輻射通過(guò)焊接來(lái)裝配至少一個(gè)所述面層和所述芯，并且所要裝配的至少一個(gè)所述元件在其至少一部分表面附近包含至少部分吸收所述激光輻射的層，通過(guò)利用激光輻射使該層在焊接區(qū)熔融而進(jìn)行焊接。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于所述塑料是PP或PVC。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于所要利用激光輻射焊接的元件還包括所述芯的蜂窩單元，并且所述芯的蜂窩單元通過(guò)塑料片材的熱成型和折疊獲得，其激光輻射吸收層位于所述片材的任一側(cè)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述芯通過(guò)連續(xù)制造方法獲得，并且根據(jù)所述制造方法利用激光輻射進(jìn)行所述面層的焊接。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于制造所述芯的連續(xù)方法是擠出法，并且激光輻射吸收層僅位于所述兩個(gè)面層的每一個(gè)的一個(gè)表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于制造所述芯的連續(xù)方法是包括片材熱成型和折疊的方法，在所述片材的任一側(cè)包含激光輻射吸收層以形成未焊接的蜂窩單元，并且所述未焊接蜂窩單元通過(guò)利用激光輻射焊接來(lái)裝配，并且所述兩個(gè)面層不含輻射吸收層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于制造所述芯的連續(xù)方法是包括片材熱成型和折疊以形成未焊接蜂窩單元的方法，其中所述蜂窩單元保持未焊接但是任選地通過(guò)利用無(wú)溶劑粘合劑粘合來(lái)裝配，所述粘合劑通過(guò)涂覆所要粘合區(qū)中的片材表面來(lái)應(yīng)用，并且所述激光輻射吸收層僅位于所述兩個(gè)面層的每一個(gè)的一個(gè)表面上。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述面層是單軸或雙軸取向的。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助于電磁輻射通過(guò)焊接來(lái)裝配包含多孔蜂窩芯的結(jié)構(gòu)元件的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，所述結(jié)構(gòu)基于對(duì)電磁輻射透明的塑料材料，并且至少一個(gè)待裝配元件在其至少一部分表面附近包含吸收至少部分所述電磁輻射的層，并通過(guò)利用電磁輻射使所述層在焊接區(qū)熔融而進(jìn)行焊接。
文檔編號(hào)B32B27/00GK1822943SQ200480020620
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者克洛德·德埃諾, 多米尼克·格朗讓 申請(qǐng)人:索爾維公司