纖維複合材料構件以及用於製造纖維複合材料構件的方法與流程

2023-09-20 08:59:25 2

本發明涉及一種纖維複合材料構件以及一種用於製造纖維複合材料構件的方法。

背景技術：

由現有技術已知面式地設置藉助熱塑性材料預浸漬的纖維束和/或稀鬆布和/或織物，以便構造構件。也已知藉助包括或不包括纖維的熱塑性材料包封纖維增強塑料的一些部位。所述方法用於加強具有較高負荷的部位、尤其是力導入部位並且因此提高構件穩定性。

此外已知通過注塑成型來製造構件。在此，在注塑模具中放入紡織纖維材料(如稀鬆布、織物、針織物、束或類似物)並且隨後以包括或不包括纖維的熱塑性材料進行包封。由上述方法可製造殼板或具有封閉表面的空心構件或類似物。

DE 102006040784 A1例如公開了一種用於由纖維增強的熱塑性塑料通過注塑成型製造纖維增強的機動車部件的注塑成型方法。

但由現有技術公開的方法具有下述缺點：僅設置連續纖維的二維或者說面式纖維布置。同時，人們在輕質結構能力的極限範圍和可藉助滿足負荷要求的纖維層實現的極限範圍之間搖擺不定。此外需要使用較多材料並且可能產生不少角料。

因此，希望更輕質、更加滿足負荷要求的結構，同時減少材料使用和角料。此外應儘可能避免材料積聚。

技術實現要素：

因此，本發明的任務在於，以有利的方式改進開頭所提類型的纖維複合材料構件和用於製造纖維複合材料構件的方法，尤其是如下來改進，使得能更輕地構造，能實現更加滿足負荷要求的纖維層，可以減少材料使用以及減少角料。

根據本發明，該任務通過具有權利要求1的特徵的纖維複合材料構件來解決。據此，纖維複合材料構件包括纖維束和由熱塑性和/或熱固性材料製成的基質，其中，纖維束設置成，使得它們構成成型部，在纖維束之間設有支撐裝置，至少兩個纖維束彼此偏斜設置，至少兩個纖維束的走向彼此相交，並且在偏斜的纖維束的交叉區域中構造有至少一個空腔。

本發明基於下述基本思想：藉助兩個偏斜纖維束交叉區域中的至少一個空腔避免材料積聚。使用偏斜纖維束能實現具有交點或交叉的纖維複合材料構件結構。這些交點或交叉加固了纖維複合材料構件的成型部。由此可製造重量相對輕且極為剛性的纖維複合材料構件，其例如可用作車身構件。本發明纖維複合材料構件的優點尤其在於，總體上可比現有技術中已知的纖維複合材料構件構造輕並且可提供更加滿足負荷要求的纖維層。由此進一步實現：有利地減少材料使用並減少角料。

纖維複合材料構件可具有至少兩個或更多個成型部，每個成型部的至少兩個纖維束彼此偏斜且相交地設置並且在偏斜纖維束的交叉區域中構造有至少一個空腔。

偏斜且相交的纖維束可彼此垂直設置。由此可簡單地在成型部中提供穩定的框架狀結構。

原則上，偏斜且相交的纖維束也可構成銳角。

每個纖維束可與基質M一起在成型部中構成一個支杆，該支杆是成型部的組成部分。通過構造支杆，可有利地在成型部中引導負荷並且儘管是輕質結構但仍可實現較高的穩定性。支杆尤其是可吸收拉應力和/或彎曲應力。

至少所述兩個偏斜且相交的纖維束在它們的交叉區域中可這樣嵌入基質中，使得由這兩個偏斜纖維束構成的支杆在該區域中分別具有加寬部。通過加寬部可在該區域中固定結構元件，否則這些結構元件有可能影響或降低支杆穩定性。

空腔可構造或設置在加寬部中。

在加寬部區域中可設置至少一個開口或孔。但通過加寬部，使支杆和因此成型部的穩定性大致保持不變或者說不顯著減小或不減小。

開口可以與空腔連接。由此獲得如下優點：通過開口可進入空腔並且例如開口和空腔可用於容納固定元件、如螺栓或螺釘。也可想到，設置多個孔，它們與空腔連接。這些開口例如可用於在通過內壓注塑成型形成空腔時(亦參見下文)將熔體從空腔吹出。

還可想到，至少一個纖維束是包括多個單向設置的纖維的UD纖維束。

UD纖維束是包括多個單向設置的纖維的束、即不具有纖維扭轉的纖維束。纖維例如可以是碳纖維。也可想到纖維是玻璃纖維。但原則上也可選擇由其它適合的材料製成的纖維。

此外可規定，至少一個纖維束僅包括單向設置的沿纖維束走向的方向的纖維。這可實現纖維複合材料構件的簡單結構。

還可想到，至少一個纖維束包括單向設置的沿纖維束走向的方向的第一纖維和單向設置的圍繞第一纖維編織的第二纖維。由此可改善纖維束的穩定性。

至少一個纖維束可設置在纖維複合材料構件的成型部的邊緣上和/或纖維束和支撐裝置構成空間成型部。

可想到，設置至少三個纖維束，和/或纖維束空間設置。

纖維複合材料構件可以是車身構件或類似物。例如可想到，纖維複合材料構件是車輛的車頂橫向連接元件、如導流板(即在兩個機動車A柱之間的區域中的車頂橫向連接元件)。

可藉助包括連續纖維的纖維束提供空間布置結構。通過具有支撐裝置的相應布置結構，可提供剛性且穩定的成型部，從而可實現顯著更輕的結構。因此，提供並能實現極高的輕質結構潛力。此外，可形成任何成型部幾何形狀，這在自由曲面比例較高的構件中尤為有利。

此外，可這樣設置纖維，使得所述纖維吸收或可吸收彎曲應力和/或拉應力和/或壓應力。由此產生以下優點：可滿足負荷要求地進行構造，尤其是可提供這樣的纖維複合材料構件，其這樣設計，使得其根據設計滿足負荷要求地設計用於施加在其上的彎曲應力和/或拉應力和/或壓應力。

此外可想到，支撐裝置設置成，使得它們傳遞和/或吸收或者能吸收扭力和/或剪切力。由此產生以下優點：在彎曲應力、拉應力或壓應力之外出現的扭力或剪切力不通過纖維束、而是通過為此設置的支撐裝置來吸收。由此，總體上提高了纖維複合材料構件的穩定性，因為針對具體出現的負荷設置專門的元件、即例如為彎曲應力和/或拉應力和/或壓應力設置纖維束並且為扭力和/或剪切力設置支撐裝置。由此可實現極為穩定的結構，但同時無須顯著增加重量。

此外，至少一個纖維束可具有至少一個空出區段，在其上未設置支撐裝置，優選規定，纖維束具有規則或不規則間隔開距離的空出區段和/或所述空出區段是至少部分彎曲的或是直線的。空出區段允許纖維束在製造時直接夾緊在模具中。由此防止纖維束在注入熱塑性和/或熱固性材料時移動，這是不希望的。由此提高了纖維複合材料構件的製造精度。同時也節省了重量，因為使用較少的熱塑性和/或熱固性材料或者說僅使用必要的材料量。纖維束具有規則或不規則間隔開距離的空出區段這一情況之所以是有利的，是因為由此在這些點上纖維束可被良好地固定於模具中。

此外可規定，支撐裝置包括剪切面和/或支撐裝置通過注射熱塑性和/或熱固性材料構成或由纖維束構成。由此獲得如下優點，可將輕質結構的且可簡單製造的元件用作支撐裝置。這是低成本的並且同時能實現輕質結構。熱塑性和/或熱固性材料也可纖維增強。

還可想到，纖維束沿脫模方向這樣錯開地設置，使得它們無須滑塊即可被取出注塑模具。這簡化了製造並縮短了製造時間，因為從注塑模具的脫模得以簡化。通過省卻滑塊可顯著節省成本，因為所需模具的複雜度降低並且可更為低成本地製造。

此外，纖維束可設有直線區域和/或彎曲區域。由此產生以下優點：纖維束因此可近似依循任何曲線。可想到這樣設計束，使得它們包括直線區域和例如短的彎曲區域。在短的彎曲區域中，纖維束例如無須被包封，以便可在該部位上被固定在模具中。這允許特別簡單地製造成型部。還簡化了製造，因為在彎曲區域中無須包封。此外有利的是，通過這種包括直線和曲線區域的束設計方案可近似依循任何曲線，因為由此可產生幾乎任何自由曲面。

此外，本發明涉及一種用於製造纖維複合材料構件的方法。據此規定，在用於製造包括纖維束和由熱塑性和/或熱固性材料製成的基質的纖維複合材料構件的方法中進行如下操作：纖維束設置成，使得它們構成成型部，在纖維束之間設有支撐裝置，至少兩個纖維束彼此偏斜設置並且在偏斜的纖維束的交叉區域中構造有至少一個空腔。

根據本發明由此產生以下優點：總體上可構造比現有技術中已知的纖維複合材料構件輕，還可實現連續纖維的三維布置結構並且可提供滿足負荷要求的纖維層。此外，由此還可有利地減少材料使用並減少角料。通過構造空腔可避免材料積聚。

空腔可通過內壓注塑成型形成。內壓注塑成型、也稱為流體注射技術(FIT)是一種專門用於製造空心工件的注塑成型法。在常規注塑成型的一個加工步驟之後或在定義地部分填充注塑模具之後，將臨時填料(水或惰性氣體、通常為氮氣)這樣注射到部分填充的注塑模具中，使得作為內模件(芯件)起作用。通過從中心擠出熔體，一方面形成空腔並且另一方面熔體被壓到外部的注塑模具上或中。在熔體凝固之後再次排出流體。該操作方式的優點在於，可省卻內模件。此外，可構造這樣的結構，該結構構造成使得內模件或者說芯件必要時可以很難脫模。

內壓注塑成型可以是氣體內壓注塑成型。在氣體內壓注塑成型中，氣體將位於注塑模具中的熔體擠出並且以最大300巴的壓力進行剩餘填充。例如可通過機器噴嘴和因此通過澆口系統或通過單獨的注射針直接向型腔內的成形件中注射。另一種方案在於，以熔體完全填充型腔並且隨後將熔體吹入副腔中或吹回注塑機的螺杆筒中。當應補償收縮並避免質量積聚時，使用氣體內壓注射成型尤為有利。還可實現極小的通道橫截面。當水不能從構件被去除或注射器的尺寸起決定作用時，也優選使用氣體內壓注射成型。

內壓注射成型可以是藉助流體注射技術的內壓注射成型。在此尤其可以是水內壓注射成型。在此，與上述氣體內壓注射成型類似，通過流體將位於注塑模具中的熔體擠出並且流體進行剩餘填充。

通過使用流體、如水產生的優點在於，大大縮短了周期時間。這還與流體或液體(如水)相比於氣體更大的熱容量有關。此外也可改善表面結構。當橫截面和通道長度根據材料對於氣體注射技術而言過大並且在沒有纖維增強的區域中要求光滑、封閉的表面時，液體、如水自動流動。但一般來說除了翹曲較小外，同樣也可實現的較小剩餘壁厚具有核心意義。從經濟角度看，在選擇水時重點在於顯著減少的周期時間且不發生氣體成本。在大批量生產中，這可減少高達50％的投資成本(基於每條單獨的線的效率提高而使生產線減半)。

此外可規定，製造方法所用的纖維束是包括多個單向設置的纖維的UD纖維束。

本方法中可用的UD纖維束是包括多個單向設置的纖維的束、例如不具有纖維扭轉的纖維束。纖維例如可以是碳纖維。也可想到纖維是玻璃纖維。但原則上也可選擇由其它適合的材料製成的纖維。

此外可規定，至少一個纖維束僅包括單向設置的沿纖維束走向的方向的纖維。這能實現纖維複合材料構件的簡單構造。

還可想到，至少一個纖維束包括單向設置的沿纖維束走向的方向的第一纖維和單向設置的圍繞第一纖維編織的第二纖維。由此可改善纖維束的穩定性。

可想到，設置至少三個纖維束，和/或纖維束空間設置。

纖維複合材料構件可以是車身構件或類似物。

可藉助包括連續纖維的纖維束提供空間布置結構。通過具有支撐裝置的相應布置結構可提供剛性且穩定的成型部，從而可實現顯著更輕的結構。因此，提供並能實現極高的輕質結構潛力。此外，可形成任何成型部幾何形狀，這特別是在自由曲面比例較高的構件中尤為有利。

上面結合本發明纖維複合材料構件或可能的實施例說明的特徵和優點也可單獨或組合地設置在根據本發明的用於製造纖維複合材料構件的方法或該方法的下述可能的實施例中。

此外可規定，至少一個纖維束設置在纖維複合材料構件成型部的邊緣上和/或纖維束和支撐裝置構成空間成型部。

此外可規定，纖維束設置成，使得它們吸收或可吸收彎曲應力和/或拉應力和/或壓應力。還可規定，支撐裝置設置成，使得它們傳遞和/或吸收或可傳遞和/或可吸收扭力和/或剪切力。如上所述這簡化了纖維複合材料構件滿足負荷要求的設計並且有助於最大程度的輕質構造。

此外，至少一個纖維束可具有至少一個空出區段，在其上未設置支撐裝置，優選規定，纖維束具有規則或不規則間隔開距離的空出區段和/或所述空出區段是至少部分彎曲的或是直線的。如前面已經詳細說明的那樣，其優點在於可產生幾乎任何自由曲面。此外可改善成形精度，因為纖維束可直接通過模具中的相應缺口被固定在模具中，從而能夠可靠避免纖維束滑動。

此外可規定，使用幹纖維束。由此例如實現：簡化向模具中的插入。也可想到不希望使用預浸纖維束的應用情況。

但也可使用預浸的纖維束。由此例如可實現預交聯和更好的保持以及與周圍材料的連接，如果這是必要的。

還可想到，纖維束沿脫模方向這樣錯開地設置，使得它們無須滑塊即可被取出注塑模具。由此簡化了注塑模具的模具製造並可顯著降低成本。

此外，支撐裝置由支杆和/或剪切面構成和/或支撐裝置通過注射熱塑性和/或熱固性材料構成或由纖維束構成。由此獲得如下優點，可將輕質結構的且可簡單製造的元件用作支撐裝置。這是低成本的並且同時能實現輕質結構。

此外，纖維束可設有直線區域和/或彎曲區域。由此產生以下優點：纖維束因此可近似依循任何曲線。可想到這樣設計束，使得它們包括直線區域和例如短的彎曲區域。在短的彎曲區域中，纖維束例如無須被包封，以便可在那裡被固定在模具中。這允許特別簡單地製造成型部。還簡化了製造，因為在彎曲區域中無須包封。此外有利的是，通過這種包括直線和曲線區域的束設計方案可近似依循任何曲線，因為由此可產生幾乎任何自由曲面。

附圖說明

本發明的其它特徵和優點由下述說明和下述被參照的附圖給出。附圖如下：

圖1為通過本發明方法製造的本發明纖維複合材料構件的基本框架的透視圖；

圖2為本發明纖維複合材料構件的透視圖；

圖3為根據圖2的纖維複合材料構件的俯視圖；

圖4為根據圖2和3的纖維複合材料構件的沿圖3中剖面A-A的剖視圖；

圖5為用於根據本發明製造本發明纖維複合材料構件的模具的俯視圖；

圖6為圖5的剖面A-A的視圖；

圖7為圖5的剖面B-B的視圖；

圖8為本發明纖維複合材料構件的透視圖；

圖9為本發明纖維複合材料構件的另一透視圖；以及

圖10為本發明纖維複合材料構件的另一透視圖。

具體實施方式

圖1示出本發明纖維複合材料構件10的基本框架且無周圍材料，該纖維複合材料構件通過根據本發明的用於製造纖維複合材料構件10的方法獲得。

在用於製造圖1所示纖維複合材料構件10的製造方法中，在此首先將纖維束20空間布置為成型部P。

成型部P在此包括四個大致平行設置的具有纖維25的纖維束20。在纖維束20之間設有多個支撐裝置30。

藉助由熱塑性和/或熱固性材料製成的基質M，將纖維束20與支撐裝置30彼此連接。支撐裝置30在此可以是基質M的組成部分。

完成的纖維複合材料構件10因此包括纖維束20和基質M。在此，纖維束20設置成，使得它們構成成型部P，在纖維束20之間設有支撐裝置30。

纖維束20在此是UD纖維束，它們包括多個單向設置的纖維25。

可行的是，纖維束20僅包括單向設置的沿纖維束走向的方向的纖維。

備選地也可想到，纖維束20包括單向設置的沿纖維束20走向的方向的第一纖維以及單向設置的編織在第一纖維周圍的第二纖維。

就此而言也可規定，至少一個纖維束20僅包括單向設置的沿纖維束走向的方向的纖維25，並且至少另一纖維束20包括單向設置的沿纖維束20走向的方向的第一纖維以及單向設置的編織在第一纖維周圍的第二纖維。

圖2示出本發明纖維複合材料構件10的俯視圖，該纖維複合材料構件通過根據本發明的用於製造纖維複合材料構件10的方法獲得並且具有上述結構和功能性特徵。

圖3示出根據圖2的纖維複合材料構件10的俯視圖。

圖4示出圖2和圖3所示纖維複合材料構件10的剖視圖。

在成型部P中，多個纖維束20彼此偏斜設置。

偏斜的纖維束20在此彼此垂直設置。

每個所述纖維束20與基質M一起在成型部P中構成一個支杆32，該支杆是成型部P的組成部分。

在每兩個偏斜的纖維束20的交叉區域K中或者說在相應相配的支杆32的交叉區域K中構造有至少一個空腔H。

支杆32在它們的交叉區域K中分別具有加寬部34。

在加寬部34的區域中設有至少一個開口36。開口36如圖4所示與空腔H連接。

在此，在空腔H的兩個縱向端部上設有開口36。

圖2中所示成型部P可以是更大成型部的組成部分或已經是單獨的構件。

成型部P具有兩個框架狀柵格38，它們分別包括四個偏斜的支杆32。

柵格38在此大致相同地構造，所述柵格位於成型部P的兩個相反側面上並且張緊成型部P或者說用作用於成型部P的骨架。

在此，在每個柵格38中在第一平面中設有兩個平行的支杆32並且在一個與該平面間隔開距離的平面中設有另外兩個相互平行的支杆32。

第一平面的平行支杆32與第二平面的平行支杆32彼此相交並且偏斜且垂直地設置。在每個交叉區域K中分別形成一個空腔H。

兩個柵格38藉助多個支撐裝置30彼此連接。

圖1、2和3所示纖維複合材料構件10的功能和製造可如下說明：

如圖1、2和3所示，纖維束20在此至少設置在纖維複合材料構件10的成型部P的外邊緣上並且在纖維束20之間設置和布置有支撐裝置30、如肋條和剪切面，使得可以產生框架狀的成型部結構。隨後藉助熱塑性或熱固性材料包封注塑纖維束20和支撐裝置30或者通過注射到纖維束20上製造支撐裝置。

通過纖維25傳遞力，其中，熱塑性或熱固性材料建立纖維束20之間的連接。通過空間的布置結構，可製造具有高強度和高穩定性的成型部P且重量最輕。通過在空間中自由布置纖維束20，可實現任何成型部形狀，這些成型部形狀例如可用於B柱、支承結構、窗框等。

纖維25可設置成，使得它們吸收彎曲應力和/或拉應力和/或壓應力。

支撐裝置30設置成，使得所述支撐裝置可傳遞和/或吸收扭力和/或剪切力。

可想到使用幹纖維束20。但也可想到使用預浸纖維束。

支撐裝置30可由支杆或剪切面構成，並且還可想到支撐裝置通過注射熱塑性或熱固性材料形成或由纖維束20形成。

可想到：纖維束20沿脫模方向這樣錯開地設置，使得所述纖維束無須滑塊即可從注塑模具中取出。

此外可規定，這樣設計纖維束20，使得所述纖維束具有直線區域和短的彎曲區域並且因此可近似依循任何曲線。

在製造本發明纖維複合材料構件10時，空腔H通過內壓注塑成型形成。

內壓注塑成型可以是氣體內壓注塑成型或藉助流體注射技術的內壓注塑成型、尤其是水內壓注塑成型。

本發明方法或本發明纖維複合材料構件10允許具有連續纖維25的UD纖維束20的空間布置結構，其能實現幾乎任何造型。可實現剛性且穩定的成型部P，所述成型部還可比類似的已知成型部P要輕得多。因此可實現非常高的輕質結構潛力。此外，還可實現任何的成型部幾何形狀或任何構件造型並且材料需求較少。尤其是減少了角料或沒有角料。

空腔H用於防止材料積聚。通過內壓注塑成型，無須使用滑塊或芯件並且簡化了製造。

成型部P的骨架狀結構能有利地實現纖維複合材料構件10的高抗扭剛度。

圖5示出用於根據本發明製造本發明纖維複合材料構件10的模具W的俯視圖，在此，纖維複合材料構件是機動車的車頂橫向構件、即導流板。圖6示出圖5的剖面A-A的視圖，並且圖7示出圖5的剖面B-B的視圖。

根據圖5的纖維複合材料構件10具有所有上述結合圖1所示和說明的特徵。在此，纖維束20空間布置為成型部P並且在纖維束20之間設有支撐裝置30，它們將纖維束20彼此連接。纖維束20可以是結合圖1所描述的UD纖維束。

如圖5、6和7清晰可見，設有規則地間隔開距離的空出區段22，在所述空出區段上未設置支撐裝置30。在這些空出區段22中，纖維束20在此直接置入模具中，這尤其是由圖6和7示出。因此，纖維束20在注入熱塑性或熱固性材料時在這些部位上固定在模具中並且不從模具移出。因此可實現高的成形精度。

纖維束20可具有規則或不規則地間隔開距離的空出區段22。原則上，空出區段22可以是至少部分彎曲的或是直線的。

圖8示出根據圖5至7的本發明纖維複合材料構件10的透視圖。圖9和10斷開地示出圖8中所示的纖維複合材料構件10。

纖維束20在此分別設置在纖維複合材料構件10的邊緣區域中。由此實現：纖維束20的纖維可吸收彎曲應力和拉應力以及壓應力。

與此相對，支撐裝置30設置成，使得它們傳遞和/或吸收或者能夠吸收扭力和/或剪切力。