复合材料 + 金属：中空混合技术

注塑包覆成型最近在复合材料行业的新闻中很常见，但主要是在创建混合复合材料的领域。成形的连续纤维增强预浸料或预固化复合材料形状被放置在模腔内，然后封装在更大的短纤维增强注塑成型部件中，以便仅在需要的地方提供额外的增强，以避免过度设计的部件和控制生产成本。在这一系列宣传中，几乎没有人注意到塑料/金属混合 (PMH) 结构的新闻——这些结构将金属板子结构注塑包覆成型与热塑性复合材料相结合。

由于三月份在欧洲首次宣布的一项新发展，PMH 类别最近得到了扩展。该开发称为空心型材混合 (HPH) 技术，能够有效使用挤压或焊接管状金属子结构代替冲压或冲压加焊接金属板，从而为承受高负载的 PMH 部件实现更高的机械性能。 HPH 技术于 4 月 30 日至 5 月 1 日在由塑料工程师协会（美国康涅狄格州伯特利市 SPE）组织并在底特律郊区举行的第 13 届年度汽车工程塑料会议 (AutoEPCON) 上首次亮相。

“传统”塑料-金属混合结构

PMH 技术最初是由 Bayer AG（德国勒沃库森）于 1995 年左右开发的。复合材料团队和 PMH 技术于 2004 年作为拜耳化学品和聚合物业务的一部分剥离，成为朗盛公司（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）。

PMH 使用选择性穿孔的冲压钢或铝板金属子结构，将其放入注塑工具中，该工具通常使用玻璃纤维增​​强聚酰胺 6 (GR-PA 6).由此产生的混合结构具有零件设计师对功能零件的选择，包括支架、肋条、凸台和外部复合材料的其他几何形状。穿孔允许热塑性复合材料流过和围绕金属子结构，促进两种材料之间的牢固结合，并使所得结构能够提供两全其美的效果。也就是说，该零件受益于薄壁金属板的高刚度和强度，但它通过例如防止金属屈曲的复合肋来加强和稳定。此外，该复合材料有助于在一个步骤中实现耐腐蚀性、良好的表面光洁度、更轻的重量以及增加的零件整合和功能集成，从而消除硬件、支架和二次操作。并且由于基体是 PA 6，它还具有良好和广泛的耐化学性以及优异的韧性（冲击强度）。

与具有相同功能的类似金属板结构相比，PMH 结构更轻且零件少得多（生产步骤少得多），但与单独的不连续纤维增强热塑性复合材料相比，它们具有更高的机械性能。这在空间有限且不需要厚壁部分的情况下特别有用。大幅减少零件数量和生产步骤的能力不仅降低了成本和制造足迹，而且还降低了库存和保修成本。并且由于其基体是热塑性塑料，混合结构可以在车辆寿命结束时分离和回收。

由于其可回收性和性能优势，PMH 技术多年来一直用于生产各种汽车零部件，从前端模块和保险杠横梁等大型组件到发动机罩下部件。它还被用于非汽车应用，例如旱冰鞋以及踏板车和小型越野车的部件。

管状结构

与任何技术一样，PMH 也有一些缺点。首先，金属和塑料工具成本的摊销（这种技术需要两种类型）可能需要应用于中到大批量的车辆项目。除非工具成本可以与同一平台上的类似模型分摊，否则对于小众生产来说成本太高了。其次，作为常规应用，PMH 技术最适合用于简单的 2D 或 2.5D 钣金子结构，例如 L 形、C 形或更扁平的截面。然而，这些结构通常缺乏足够的抗扭强度来满足某些高性能要求。此外，不可能通过 PMH 制造封闭形式/管状结构（想想 O 型截面和其他管状或方形截面），因为封闭型材会在注塑成型的高压下坍塌。

“空心混合结构的想法是从一系列高负载结构汽车应用发展而来的，在这些应用中非常需要减少质量并增加功能集成，但目前的 PMH 技术不足以满足性能要求，”朗盛结构应用开发工程师 Joseph Aiello 解释道。他认为横梁是理论上理想的 HPH 组件，因为它很重，并且包含大量支架和其他金属附件。每辆乘用车都使用横梁来为底盘提供扭转刚度。它们还为从发动机舱进入车辆内部的部件（例如方向盘）和从防火墙前面的点连接并伸入客舱的部件（例如仪表板和中控台）提供连接点.将 PMH 技术应用于横梁的先前工作缺乏足够的机械性能，因为工作集中在尝试通过将两个开放的 L 形 PMH 结构焊接在一起后，为横梁创建管状（封闭形式）金属子结构。包覆成型。 “由于工程中众所周知封闭式结构比开放式结构更坚固，因此开始提高塑料-金属混合材料的机械性能的合乎逻辑的地方是找到一种方法将该技术应用于具有圆形的空心梁或管或矩形横截面，”Aiello 补充道。

与往常一样，挑战是在金属子结构和包覆成型在其上的任何复合功能部件之间实现高强度粘合——这一特性对于像横梁这样的结构关键部件尤其重要。最初，该团队致力于开发一种无需特殊设备即可对标准管进行二次成型的技术。问题变成了如何在注塑机中选择性地使管变形——产生凹坑或凹陷，以确保金属管和基体之间的良好互锁，从而在金属子结构和包覆成型的复合材料之间实现高结合强度，而不会导致管在成型周期中常见的高压下坍塌。经过大量研究，最初开发PMH技术的朗盛团队也开发了HPH工艺。

基本上，HPH 使用高流动性、高度玻璃增强的 PA 6“结构元件”——注射成型的实心管，带有特殊设计的肋/翅片从外部突出——被放置在钢或铝管的中空中心，即，反过来，插入注塑机并用额外的 GR-PA 6 复合材料包覆成型，以形成外部支架和其他功能部件。结构元件——在管子被放入压力机进行包覆成型之前插入管子——防止管子在成型过程中坍塌，并在高压成型过程中通过称为卷边或凹坑的过程帮助管子成形/变形，从而确保金属和复合材料之间的牢固结合。该内部元件保留在管中以增加结构支撑。

朗盛报告称，内部带肋/翅片元件甚至可以设计为与穿孔钢管或铝管一起使用。这些功能类似于传统PMH技术中使用的穿孔。

为了消除对第二个模具的需要，该工具可以被设计成在侧腔中包括空间以在其对用结构元件增强的给定管进行包覆成型时模塑用于下一次注射的管的结构元件。据报道，如果需要，整个过程可以完全自动化。

与具有冲压或冲压加焊接子结构的传统 PMH 结构相比，据说 HPH 结构在可比的横截面、质量和厚度下提供更高的扭转刚度和强度以及更好的尺寸稳定性，但它们仍然提供所有经典优点朗盛独创的PMH工艺。

下一步是什么？

目标 HPH 应用包括具有高机械要求的混合复合材料/金属结构，不仅包括汽车横梁，还包括汽车座椅框架和前端模块、卡车后挡板和后视镜支架。在汽车领域之外，它还可用于生产家具、梯子甚至婴儿车。太新，尚未建立商业应用程序，据说 HPH 是许多正在进行的开发项目的一部分，朗盛表示将继续评估机会，并报告说它仍在开发一些技术发布以完成其专利申请，这将今年晚些时候提交。

HPH 的下一步可能是什么？朗盛还表示，它之前已经使用 PA 6/6 和聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 基体和碳纤维增强材料进行了 PMH 研究，甚至还评估了镁亚结构，尽管绝大多数商业应用仍然是具有玻璃负载水平的 GR-PA 6 30-60%。理论上，相同的材料组合可用于 HPH，尽管团队的重点仍然是 60% GR-PA 6。如果使用碳纤维增强材料，则需要隔离金属子结构（可能通过涂层）以防止电偶腐蚀。或者，对于较少结构的应用，应该可以使用由塑料或复合材料挤出或拉挤而成的管。