用於製造纖維增強塑料構件的方法與流程

2023-06-02 00:24:56 1

本發明給出一種用於製造纖維增強塑料構件的方法、尤其是一種基於用基體材料浸漬的纖維帶製造由熱塑性纖維增強塑料構成的構件的方法。

背景技術：

纖維增強塑料構件具有由增強纖維構成的結構，其中，該由增強纖維構成的結構嵌入到塑料基體材料中。複雜且高質量的構件經常需要具有儘可能滿足負載要求布置的纖維方向的多層纖維結構。使用已浸漬的熱塑性纖維帶作為用於所述製造的原材料。這樣的纖維帶通常由單層帶狀的纖維基本結構構成，該纖維基本結構已經利用所需的基體材料浸漬。這樣的纖維帶可例如用作卷材材料。例如在文獻de4218434a1中說明一種用於製造這樣的已浸漬纖維帶的可能性。

已知的是，由這種已浸漬纖維帶製造多層矩形板，這些板作為半成品用於進一步的加工。在文獻us2011/0111168a1中說明可以如何由這樣的纖維帶製造多軸平板，這些板具有儘可能與方向無關的強度，並且這些板可以被倉儲並且後續進一步加工。

根據現有技術，在分批工藝中通過靜態擠壓進一步加工半成品，其中，用於加固的板分別單獨被放置到壓製機中。這具有如下缺點，即單位時間生產的板的生產率下降。此外，根據現有技術，僅手動地引入和引出各板。

技術實現要素：

因此，至少一些實施形式要解決的任務是，給出一種用於基於已浸漬纖維帶製造由熱塑性纖維增強塑料構成的構件的方法，藉助該方法可提高半成品在加固時的生產率並且因此藉助該方法可以節省時間和/或成本。

此任務是通過根據獨立權利要求所述的方法而解決的。此外，有利的實施形式和進一步改進方案由從屬權利要求、下面的說明書以及附圖得出。

根據一種實施形式，在一種用於製造由熱塑性纖維增強塑料構成的構件的方法中，製造多個半成品，這些半成品分別具有多層未加固的利用基體材料浸漬的纖維帶。優選地，這些半成品分別具有多層纖維帶，其中，在每個層中布置多個並排布置的纖維帶，並且纖維帶在層內可以相同或不同地定向。所述纖維帶優選具有單層帶狀的、由纖維構成的纖維基本結構，其中，該纖維基本結構利用基體材料浸漬。所述纖維帶也可以稱作ud帶。

在半成品內，相鄰層的纖維帶的纖維可以例如不同地定向。優選地，首先各纖維帶互相僅通過局部的連接、例如逐點的焊接點連接。因此，存在作為未加固半成品的半成品，也就是說半成品的各個層在加固過程之前沒有全表面地互相連接。所述半成品在此並且在下文中也可以被稱作疊層(layups)。此外，各個未加固的半成品優選以單獨的形式存在，也就是說各半成品不互相連接。

已浸漬纖維帶的纖維優選是單向的環形纖維。所述纖維可以例如是碳纖維、玻璃纖維、聚芳基醯胺纖維、玄武巖纖維或天然纖維。基體材料優選是熱塑性塑料，例如peek、pekk、pp、pe、pps、tpe或聚醯胺。

在製造多個半成品之後，將各半成品這樣布置在加固裝置中，使得各半成品彼此直接接觸。換句話說，各半成品在布置在加固裝置中之後至少部分地接觸。尤其是，每個半成品在布置在加固裝置中之後應該與至少一個另外的半成品直接接觸。優選地，除了第一個和最後一個布置在加固裝置中的半成品，所有其他半成品與另外兩個半成品直接接觸，其中，所述另外兩個半成品在相對置的兩側上接觸相應的半成品。通過所說明的在加固裝置內的布置可以有利地提高半成品在加固時的生產率。

在將半成品布置在加固裝置中之後，藉助該加固裝置加固各半成品，其中，各半成品在加固期間至少部分地互相連接。例如，各半成品能夠由於例如通過加固裝置的熱量輸入引起的融化而進行互相連接。

在加固過程之後，藉助分離裝置分離互相連接的半成品。因此，各半成品在分離之後又以單獨的形式存在。所述分離裝置例如可以實施為刀具、圓盤刀、剪刀、雷射、超聲波刀片或振蕩刀片。

根據另一種實施形式，各半成品在加固期間在連續或近似連續的過程中移動通過加固裝置內的多個加熱區域。例如，所述加固裝置可以構造為組合的擠壓和加熱裝置、尤其是構造為雙帶式壓製機或間歇加熱壓製機。加固裝置具有優選兩個環形帶，在所述兩個環形帶之間，半成品在加固時被引導通過各個加熱區域。優選地，所述環形帶由鋼製成。替代地，環形帶也可以具有聚四氟乙烯或由聚四氟乙烯製成。優選地，加固裝置具有多個加熱區域。在此，各加熱區域優選具有不同的溫度。例如，加固裝置可以包括具有大約100℃溫度的第一加熱區域、具有大約380℃溫度的第二加熱區域以及具有大約60℃溫度的第三加熱區域。優選地，所述第一、第二和第三加熱區域直接相繼地布置，其中，第二加熱區域布置在第一加熱區域和第三加熱區域之間。

根據另一種實施形式，全自動地將半成品布置在加固裝置中。例如，一個或多個機械手可以抓持半成品並且將半成品布置在加固裝置中。加固裝置例如可以具有供給單元，該供給單元例如可以構造為輸送帶，並且該供給單元可以將半成品供給實際的擠壓和加熱裝置。所述機械手可以例如藉助真空抽吸裝置或針式抓具抓持半成品並且放置到加固裝置中或加固裝置的供給單元中。藉助自動化處理可以精確地且重複準確地布置半成品。

根據另一種實施形式，在加固之前分別將一個或多個外插入元件布置在兩個直接相鄰的半成品之間。優選地，外插入元件分別以其形狀適配於直接相鄰的半成品。例如，兩個彼此直接接觸布置的半成品形成一個空隙，在該空隙中可以布置一個或多個外插入元件。尤其是，彼此布置的半成品可以具有部分彎曲的側面，以致無法使半成品彼此直接接觸地布置，從而可以避免半成品之間的空隙。通過布置一個或多個外插入元件可以阻止在加固時出現的問題，例如由於半成品之間的空隙導致的壓力下降。外插入元件優選具有距半成品最大5mm的距離。替代地，外插入元件可以直接接觸半成品。優選地，外插入元件具有如下厚度，該厚度與半成品的厚度相差最大1.5mm，其中，「半成品的厚度」可以理解為垂直於纖維帶的各個層的布置方向的、半成品的延伸距離。

根據另一種實施形式，半成品具有帶有至少一個缺口的框架形狀。該缺口優選從半成品的一個表面朝半成品的相對置的表面延伸。在橫向上，該缺口優選在各側由半成品的未加固的纖維帶界定。根據一種優選的實施例，在加固半成品之前分別將內插入元件布置在各半成品的缺口中。由此可以實現：也可以加固設有缺口的半成品，因為在加固過程中不再存在如下危險，即由過程引起的在加固時產生的壓力下降。此外，通過製造加固的具有缺口的半成品可以實現材料節省，因為可以製造框架形的半成品，而在加固過程後不必將處於內部的區域從半成品中裁去。

根據另一種實施形式，全自動地將內插入元件布置在缺口中。例如，內插入元件可以藉助一個或多個機械手布置在缺口中。所述機械手可以例如具有真空抽吸裝置或針式抓具或其他抓持元件，內插入元件可以利用它們被抓持並且被定位到缺口中。有利地，通過藉助一個或多個機械手自動地處理可以實現精確且重複準確地放置內插入元件。

根據另一種實施形式，在加固半成品之後從缺口中移除內插入元件。移除內插入元件可以例如在將通過加固過程彼此連接的半成品分離之前或之後進行。優選地，藉助一個或多個機械手在全自動過程中將內插入元件從缺口中移除。

根據另一種實施形式，內插入元件固定地與加固裝置的帶連接。例如，內插入元件可以與加固裝置的環形帶或與雙帶式壓製機的環形帶固定連接。內插入元件可以例如與加固裝置的帶焊接。在該實施形式中，半成品可以在加固過程之後這樣從加固裝置中取出，使得例如在全自動過程中藉助一個或多個機械手從環形帶中取出半成品，以致半成品的缺口沒有內插入元件並且內插入元件固定地保持在加固裝置的環形帶上。

根據另一種實施形式，內插入元件以其形狀和/或尺寸適配於相應的缺口。優選地，內插入元件在布置到缺口中之後在各側具有距半成品最大5mm的距離。優選地，內插入元件具有如下厚度，該厚度與半成品的厚度相差最大1.5mm。

根據另一種實施形式，內插入元件和/或外插入元件構造為插入板或構造為插入金屬板。例如，內插入元件和/或外插入元件可以具有聚四氟乙烯或其他耐高溫的熱塑性塑料或由它們製成。替代地，內插入元件和/或外插入元件可以具有鋁、鋁合金、橡膠或矽酮，或由鋁、鋁合金、橡膠或矽酮製成。

根據另一種實施形式，至少一個半成品具有多個處於內部的缺口，其中，在加固之前在每個缺口中分別布置至少一個內插入元件。

附圖說明

在此說明的方法的其他優點和有利實施形式由下面結合附圖1a至8所描述的實施形式得出。附圖中：

圖1a至圖7示出在此所說明的根據不同實施例的用於基於纖維帶製造由熱塑性纖維增強塑料製成的構件的方法的選擇出的方法步驟的示意圖，以及

圖8示出根據另一種實施例的以雙帶式壓製機形式的加固裝置。

具體實施方式

在所述實施例和附圖中，相同或相同作用的組成部分分別設有相同的附圖標記。示出的元件以及其彼此的尺寸關係原則上不看成是按正確比例的。而是，各個元件為了更好的描述和/或為了更好的理解可以過厚或過大地確定尺寸地示出。

圖1a至1d示出在此所說明的用於製造纖維增強塑料構件的方法的不同方法步驟。在步驟1a中製造兩個半成品1，這些半成品分別具有多層未加固的纖維帶2。每個半成品包括多層纖維帶2，其中，在每個層中多個纖維帶2並排地、相同或不同定向地布置。半成品1在垂直於纖維帶2的各個層的俯視圖中示出。半成品1在其製造之後不互相連接，而是以單獨的形式存在。

在方法步驟1b中，半成品1這樣布置在例如在圖8中示出的加固裝置5中，使得各半成品1彼此直接接觸。例如，半成品1可以藉助一個或多個機械手布置在加固裝置5中或加固裝置5的供給單元上，使得各半成品1互相接觸。為了抓持半成品1，機械手例如可以裝備有一個或多個抓持元件，例如真空抽吸裝置或針式抓具。

在方法步驟1b之後的方法步驟1c中，半成品1藉助加固裝置5加固，其中，半成品1在加固過程中至少部分地互相連接。加固裝置可以例如構造為組合的擠壓和加熱裝置。在加固過程中，例如由於熱量輸入導致半成品1至少部分地融化，在彼此並排布置的半成品之間產生連接。

隨後，互相連接的半成品1藉助分離裝置7分離，該分離裝置可以連接到加固裝置5上。在分離半成品1後，半成品1又以單獨的形式存在，也就是說半成品1在藉助分離裝置7的分離過程之後不再互相連接。分離裝置7可以例如實施為刀具、圓盤刀、剪刀、雷射、超聲波刀片或振蕩刀片。

圖2示出根據另一種實施例的在此說明的方法。不同於在圖1a至1d中示出的實施例，未加固的半成品1在其製造後具有框架形狀。半成品1具有缺口4，該缺口從相應半成品1的一個表面延伸到相對置的表面。在藉助加固裝置5加固半成品1之前，在各缺口4中分別布置一個內插入元件6。可以例如藉助一個或多個機械手實施將內插入元件6布置到缺口4中。藉助內插入元件6可以有利地實現：也可以加固框架形的半成品，而在加固過程中由過程引起的在加固時產生的壓力並不下降。

在示出的實施例中，內插入元件6由聚四氟乙烯構成。替代地，內插入元件6例如也可以由鋁製成。優選地，內插入元件6適配於相應的缺口4。尤其優選的是，內插入元件6在其形狀、尺寸和/或數量方面適配於半成品1的缺口4。例如，內插入元件6沿橫向方向具有距半成品1最大5mm的距離。

圖3示出根據另一種實施例的在此說明的方法的方法步驟。不同於在圖1a至1d中示出的實施例，未加固的半成品1在其製造後具有如下外部形狀，該外部形狀不允許半成品1如下並排地布置，即在兩個並排布置的半成品之間不產生空隙。在示出的實施例中，半成品1具有一次或多次彎曲的側面。

在藉助加固裝置5加固半成品1之前，半成品1彼此直接接觸地布置，並且外插入元件8布置在兩個直接相鄰的半成品1之間。外插入元件8優選以其形式和尺寸適配於直接相鄰的半成品。有利的是，藉助外插入元件8，具有任意外部輪廓的半成品可以在連續的加固過程中加固。

與圖4相關示出的方法步驟與在圖3中示出的實施例的區別在於，兩個提供的未加固的半成品1這樣彼此布置，使得它們的不規則外部輪廓彼此對置。半成品1又這樣彼此布置，使得各半成品彼此直接地接觸。在各半成品1之間布置有外插入元件8。在圖4中示出的方法具有如下優點：在連續的加固過程中不必在所有相鄰的半成品1之間布置外插入元件8，因為半成品1定位為使得一方面其不規則外部輪廓分別彼此對置並且另一方面其規則外部輪廓分別同樣相互對置。

圖5示出根據另一種實施例的在此說明的方法的方法步驟。不同於在圖3中示出的實施例，未加固的半成品1在其製造後分別具有一個缺口4，在該缺口中在加固前分別布置一個內插入元件6。內插入元件6可以例如與圖2相關實施地構造。

圖6示出在此說明的用於基於已浸漬纖維帶製造由熱塑性纖維增強塑料製成的構件的方法的另一種實施例。不同於在圖4中示出的實施例，未加固的半成品1在其製造後分別具有一個缺口4。在加固前，在所述缺口4中分別布置一個內插入元件6。該內插入元件6可以又如上面與圖2相關說明地構造。

圖7示出根據另一種實施例的在此說明的方法的方法步驟，其中，未加固的半成品1在其製造後不同於在圖2中說明的方法具有多個缺口4，這些缺口分別從半成品的一個表面朝相對置的表面延伸。在加固半成品前，在缺口中分別布置至少一個內插入元件6。藉助在此說明的方法，半成品可以有利地利用多個缺口加固。

圖8示出加固裝置5，該加固裝置構造為具有集成的加熱和擠壓功能的雙帶式壓製機。該雙帶式壓製機具有兩個帶54、55，所述兩個帶實施為環形帶，並且半成品1藉助這些帶在連續過程中可以被擠壓並且可以移動通過多個加熱區域51、52、53。優選地，所述加熱區域51、52、53分別具有不同的溫度。例如，第一加熱區域51可以具有大約100℃的溫度、第二加熱區域可以具有大約380℃的溫度以及第三加熱區域53可以具有大約60℃的溫度。在藉助加固裝置5加固後，已加固且互相連接的半成品1藉助分離裝置7分開。

在示出的實施例中所說明的特徵也可以根據其他實施例互相組合。替代地或附加地，在附圖中示出的實施例具有根據一般說明的實施形式的其他特徵。

附圖標記列表

1半成品

2纖維帶

3框架形狀

4缺口

5加固裝置

51、52、53加熱區域

54、55帶

6內插入元件

7分離裝置

8外插入元件