具有數個層的成型件的製作方法

2023-10-24 16:57:07 2

本發明涉及一種根據權利要求1所述的成型件。

背景技術：

由德國公開文獻de102011018422a1已知一種編織拉擠工藝，以該編織拉擠工藝藉助編織裝置在編織芯軸上製成多分層空心型材編織物，該空心型材編織物由多個包含增強纖維和熱塑性基質材料的混合粗紗或纖維帶構成。將空心型材編織物從編織芯軸上引出，並藉助布置在編織拉擠設備的加固工具下遊的引出裝置通過引入矩陣/引入陰模(einzugsmatrize)引入加固工具中。用熱塑性基質材料製成圍繞空心型材編織物的滑動護套，其中滑動護套的熱塑性基質材料以至少被加熱至該熱塑性基質材料的玻璃化轉變溫度的狀態存在。最後在加固工具中用基質材料浸漬並加固空心型材編織物，其中加固工具具有調溫裝置。以這種方法製造的空心型材編織物僅能有限地進行進一步加工。特別是存在空心型材編織物可能在隨後的內高壓成形中爆裂或斷裂的危險。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種不具有前述缺點的成型件。特別要提供一種成型件，其一方面可熱變形，另一方面，所述成型件在內高壓成形期間在加熱狀態下不會發生爆裂。

本發明用以達成上述目的的解決方案為，提供一種具有權利要求1的特徵的成型件。本發明的有利設計方案請參閱從屬權利要求。

所述成型件具有數個層，其中，這些層分別具有纖維增強塑料。所述成型件的特徵在於，至少兩個層在至少一個表徵所述層的參數方面有所區別。通過這種方式就能專門針對不同的用途和/或加工方法來對成型件進行調整和定製。其中，不同的層可承擔不同的功能。

優選地，在所述至少一個表徵所述層的參數方面有所區別的所述兩個層在其功能方面有所區別。這樣就能使得成型件與其用途和/或進一步的成形步驟理想地相協調。例如第一層可以為成型件提供剛度和/或強度，其中第二層被構造為不透氣的，使得第二層特別能耐受內高壓成形中作用的壓力和溫度。

在成型件的內高壓成形中，將流體或熱氣體例如空氣、氮氣、惰性氣體或其他合適的流體輸入成型件並在壓力下張緊，使得成型件膨脹直至貼靠在成形工具上。通常在成形後將成形介質移除。通常在內高壓成形中，壓力最高為大約600巴，溫度為大約150℃至大約210℃。

特別也提出一種優選成型件，其中針對所述層的不同功能選出所述至少一個表徵所述層的參數。以這種方式就能使得成型件與其進一步的處理或加工以及/或者使用時的條件理想地相協調。

成型件優選被構造為管狀半成品，特別是空心型材。管狀半成品特別用於製造用於車輛車身的、特別是汽車車身的、特別優選載重汽車車身的結構部件。特定而言，管狀半成品優選用於製造載重汽車的白車身蓋的支架。

所述成型件的一個優選實施例的特徵在於，所述層中的至少一個由纖維增強塑料構成。特別優選地，所述層中的每一個均由纖維增強塑料構成。

纖維增強塑料一般是指具有基質材料以及嵌入基質材料中的纖維的材料。特別優選地，所述層中的至少一個具有連續纖維或連續纖維束、即所謂的粗紗，作為增強纖維。在另一優選實施例中，所述層中的每一個均具有連續纖維或連續纖維束作為增強纖維。此外提出一種優選成型件，其中所述層中的至少一個具有熱塑性塑料作為基質材料。與熱固性塑料相比，熱塑性塑料的優點特別在於，其可以被回收為高品質的纖維增強塑料顆粒，隨後特別是可以在注塑法中再利用這些塑料顆粒。成型件的所有層優選均具有熱塑性塑料作為基質材料。其中，在將熱塑性塑料用作成型件的基質材料的情況下，可以在實現與使用鋁時相似的有利機械特性的同時，達到明顯更低的密度。

優選將所謂的混合纖維粗紗用於所述層中的至少一個，優選用於每個層。混合纖維粗紗是纖維束，該纖維束由增強纖維和由基質材料構成的纖維、特別是熱塑性纖維構成，和/或由用基質材料塗布的增強纖維、特別是經熱塑性塗布的增強纖維構成，或者由用基質材料塗布的增強纖維和額外的由基質材料構成的纖維、特別是熱塑性纖維構成。其中，所使用的混合纖維粗紗所具有的熱塑性材料優選與成型件的所製成的層的基質材料相同，或者可以僅通過混合纖維粗紗來引入該層的全部基質材料。也可以特別在加固成型件期間加入額外的基質材料。無論如何，熱塑性的纖維組分會在拉擠工藝中熔化並直接作為基質材料而進入。由此，在需要的情況下視情況減少還要額外加入的基質材料的量。此外，縮短基質材料的流徑，以便產生品質更好的基質。也可以將纖維帶用於至少一個層。

所述成型件的一個優選實施例的特徵在於，所述至少一個表徵所述層的參數選自包含所述纖維增強塑料所具有的增強纖維的類型、所述纖維增強塑料的基質材料、所述增強纖維的布置方式和所述增強纖維的布置圖案的群組。其中，增強纖維的類型特別是指增強纖維的材料、增強纖維的厚度，以及增強纖維作為單纖維或纖維束或特別是混合粗紗的特性。成型件可以具有玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、金屬纖維、天然纖維、芳族聚醯胺纖維、玄武巖纖維或其他合適的纖維作為增強纖維。這些纖維也可以毫無困難地彼此組合在一起。

纖維增強塑料的基質材料是指其中嵌入有增強纖維的塑料。如前文所述，塑料在此優選是熱塑性塑料。特定而言，所述基質材料可以選自包含聚醯胺6(pa6)、聚醯胺6.6(pa6.6)、聚鄰苯二甲醯胺(ppa)、聚醚醚酮(peek)、聚醯胺12(pa12)、聚醯亞胺、液晶聚合物(lcp)、聚醚醯亞胺(pei)、聚苯硫醚(pps)、聚碸(psu)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(ppt)、聚碳酸酯(pc)、聚甲醛(pom)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚苯醚(ppe)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)或者由abs、ppe或另一種合適的材料組成的共混物的群組。

增強纖維的布置方式在此特別是指製造成型件時布置增強纖維的方式，其中可以通過編織、成網、織造、針織、編結、卷繞或其他合適的方式來布置。在一個特別優選的實施例中，成型件的增強纖維為經編織或卷繞的。

增強纖維的布置圖案特別是指纖維以選出的布置方式布置時所用的圖案/花樣，例如編織圖案、成網圖案、織造圖案、針織圖案、編結圖案、卷繞圖案或另一個相應的圖案。特定而言，增強纖維在一個層中的布置圖案與在另一個層中的布置圖案相比可以更緊或更密。其中「更緊」和「更密」的概念具體是指圖案中的每個單位面積設有更多數目的增強纖維或更大份額的增強纖維材料。

成型件優選被構造為空心部件，特別是管狀的空心部件。沿周向觀察，成型件優選具有閉合的橫截面。成型件可以採用不同的橫截面，例如圓形橫截面、矩形橫截面、方形橫截面、橢圓形橫截面、多邊形橫截面或其他合適的且特別是與成型件的進一步用途相協調的橫截面輪廓。

成型件的周向在此是指同心包圍在製造優選為連續型材的成型件時指向進給方向的縱向的方向。徑向是垂直於縱向的方向。

所述成型件的一個優選實施例的特徵在於，所述成型件的沿徑向觀察的最內層、即朝向所述成型件的空心的內部空間的層所具有的基質材料與所述成型件的外部的層、特別是最外層的基質材料在化學上和/或物理上相似。由此，在這兩個層彼此緊鄰的情況下，這兩個層特別形成對成型件的穩定性特別有利的材料結合的連接。另一優點在於，成型件沿徑向具有相對均勻的材料特性。化學上和物理上非常相似的基質材料的一個實例是pa6和pa6.6。

作為替代或補充方案，所述最內層的基質材料與所述外部的層的基質材料相比優選具有更高的熔點、更高的玻璃化轉變溫度、更強的耐熱變形能力、更強的耐介質性、特別是更強的化學品耐受性和/或更強的氣密性。這些特性中的每一項本身均有助於，使得最內層的基質材料特別適於以特別有利的方式適應在成型件內高壓成形時的條件並保持無損，或者無論如何使得材料特性不發生重大改變。

作為替代或補充方案，所述最內層的基質材料與所述外部的層的基質材料相比優選具有更弱的吸溼性、更大的強度和/或更強的阻尼特性。這些特性中的每一項也特別使得內部的層特別能耐受在內高壓成形時被加入成型件中的介質。

所述成型件的另一優選實施例的特徵在於，所述最內層的基質材料的玻璃化轉變溫度為至少115℃。作為替代或補充方案，所述最內層的基質材料的熔點優選為至少260℃。這些特性中的每一項也使得內部的層的基質材料特別適用於成型件的內高壓成形。

所述成型件的另一優選實施例的特徵在於，所述成型件具有三個層，特別優選僅具有剛好三個層，即內層、中間層和外層。這些層優選特別通過相應地選擇至少一個表徵這些層的參數而專門與成型件的不同功能相協調。

內層所具有的基質材料的熔點優選高於外層所具有的基質材料的熔點。內層的基質材料的熔點優選也高於中間層的基質材料的熔點。在一個優選實施例中，外層與中間層具有相同的基質材料。因此，剛好可以將內層特別設計為用於成型件的內高壓成形的材料結合的阻隔件，其中兩個外部的層，即中間層和外層則不必具有相應的特性。確切地說，這些外部的層可以在成型件中承擔其他功能，例如為成型件提供特殊的強度或剛度。此外，可以為外層或中間層特別選擇成本低於內層的基質材料的基質材料，因為通常僅內層的基質材料暴露在成型件的內高壓成形條件下，其中其他層則不需要承受相應條件。

所述成型件的一個優選實施例的特徵在於，所述中間層具有玻璃纖維作為增強纖維。這樣就能製成穩定性特別高的中間層，並為成型件提供大的強度和剛度。作為替代或補充方案，所述內層和/或所述外層優選具有增強纖維，所述增強纖維選自包含碳纖維、玄武巖纖維和芳族聚醯胺纖維的群組。

其中，可以在中間層的玻璃纖維之間或者中間層的玻璃纖維分層之間額外地加入由碳纖維、芳族聚醯胺纖維或玄武巖纖維構成的纖維束、纖維分層或單纖維。優選將這些纖維作為混合纖維粗紗加入。這樣就能製成可高度變化且最佳滿足要求的成型件。

成型件可以具有三個以上的層。特別優選地，成型件具有三個在功能方面且優選也在材料設計方面不同的層，其中，這些彼此不同的層中的至少一個、特別是這些層中的每一個又可以具有數個在相應的功能和/或材料設計方面相同的層。也就是說，成型件可以採用多分層結構，其中特定而言，該成型件可以具有各包含數個分層的三個功能層。

在一個優選實施例中，外層和/或中間層所具有的基質材料選自包含pa6、pe、pp、pvc、ps、pa和pet的群組。內層的基質材料優選選自包含pa6.6、ppa、peek、pa12、聚醯亞胺、lcp、pei、pps、psu、pbt、pc、pom、ptfe、pmma、abs、ppe和由abs、ppe組成的共混物的群組。在特別優選的實施例中，外層和/或中間層具有基質材料，該基質材料為pa或pa6。此外，一個優選實施例的特徵在於，內層具有基質材料，該基質材料選自包含pa6.6、pa12、ppa、peek、聚醯亞胺、lcp、pei、pps和psu的群組。

所述成型件的另一優選實施例的特徵在於，所述外層和所述中間層具有pa6作為基質材料，其中，所述內層具有pa6.6或ppa作為基質材料。這樣就以特別合適的方式確保，與外層和中間層的基質材料相比，內層具有更好的機械特性、更弱的吸溼性、更強的耐介質性，更高的熔點和更高的玻璃化轉變溫度。這樣就能以特別合適的方式使得內層特別是在成型件的內高壓成形時與其作為支撐層的用途相協調。

所述成型件的另一優選實施例的特徵在於，所述層中的至少一個層的增強纖維為經編織的。特定而言，成型件的所有層的增強纖維優選均為經編織的。其中，在所述成型件的一個特別優選的設計方案中，所述內層的編織圖案與所述外層的編織圖案相比更密或更緊。內層的編織圖案與中間層的編織圖案相比優選也更密或更緊。這樣就能為內層選擇儘可能密的特殊編織圖案，使得該內層特別適於成型件的內高壓成形。

所述成型件的另一優選實施例的特徵在於，所述成型件以編織拉擠法製成。其中，特別優選用下述方法來製造成型件，即：將作為連續纖維的增強纖維編織在靜止的編織芯軸上，該編織芯軸並非用作消失型編織芯軸，而是保留在編織單元中。也就是說，將增強纖維編織在固定不動的編織芯軸或編織芯部上，其中成型件在隨後的加固步驟中製成為空心型材。可以在編織拉擠過程中實施浸漬和加固。

特別優選採用如德國公開文獻de102011018422a1中所描述的方法來製造成型件。

特定而言，優選在編織拉擠法(編織、ud編織、卷繞)的範圍內，在編織拉擠設備中以以下步驟連續製造熱塑性的fvk空心型材作為成型件：用多個混合粗紗或纖維帶製成多分層的空心型材編織物，其中混合粗紗或纖維帶包括增強纖維和熱塑性基質材料。藉助具有至少兩個編織輪的編織裝置在編織芯軸上製成多分層的空心型材編織物。將空心型材編織物從編織芯軸上引出，並藉助布置在編織拉擠設備的加固工具下遊的引出裝置通過引入矩陣/引入陰模引入加固工具中。用熱塑性基質材料圍繞空心型材編織物製成滑動護套，其中滑動護套的熱塑性基質材料以至少被加熱至該熱塑性基質材料的玻璃化轉變溫度的狀態存在。在加固工具中用基質材料浸漬並加固空心型材編織物，其中加固工具具有調溫裝置。

本發明也包括一種製造所述成型件的相應製造方法，特別是編織拉擠法。

可以將為製成滑動護套而在加固工具的入口處熔化的基質材料，特別是緊接在引入矩陣後直接輸送到空心型材編織物。

所述成型件的另一優選實施例的特徵在於，用塑料、特別是熱塑性塑料對成型件至少部分地進行擠壓包封和/或後注射。其中，優選至少一個連接元件通過擠壓包封或後注射與成型件連接。特別優選用纖維增強塑料、特別是短纖維增強塑料、尤其是短纖維增強的熱塑性塑料至少部分地對成型件進行擠壓包封或後注射。如此製成的連接元件用於在組裝時、例如組裝汽車車身時將成型件與相鄰的部件連接在一起。其中，優選通過塑料後注射將成型件與相鄰的、優選由有機板和/或注塑件形成的覆板部件以材料結合的方式連接在一起，其中，成型件承受該結構所產生的負荷。

最後，一種優選成型件的特徵在於，所述成型件被構造為用於車輛的、特別是用於汽車的、特別優選用於載重汽車的支撐管或組裝支架。成型件特別優選被構造為用於車輛車身的覆板部件的、特別是載重汽車的車身前蓋的支撐管或組裝支架。

附圖說明

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。其中：

圖1為成型件的一種實施例的縱截面的示意圖；

圖2為根據圖1的成型件的橫截面示意圖，及

圖3為根據圖1和圖2的成型件的製造方法的一種實施方式的示意圖。

具體實施方式

圖1為成型件1的一種實施例的縱截面的示意圖。成型件1優選製造為連續型材並被定尺剪切為特定的長度。成型件1的縱軸線l優選與製造連續型材時成型件1的進給方向或引出方向對應。

如圖2所示，成型件1在此為具有圓形橫截面的空心的管狀型材，該型材具有數個層，在此剛好為三個層，即內層3、中間層5和外層7。這些層中的至少一個、視情況這些層中的一個以上、特別是這些層中的每一個可以具有數個分層，這些分層在其功能和/或材料設計方面在相應的層中相同。而不同的層，即內層3、中間層5和外層7在其對於成型件1的功能方面，特別在表徵不同的層的至少一個參數方面有所區別。特定而言，這個參數是在考慮到所述層的不同功能的情況下選出的。

所述層中的每一個，即內層3、中間層5和外層7具有纖維增強塑料或優選由纖維增強塑料構成。該塑料特別是指連續纖維增強塑料，其中增強纖維被編織，特別被編織成混合纖維粗紗。

在此處具體描述的實施例中，外層7具有被構造為碳纖維、玄武巖纖維和/或芳族聚醯胺纖維的增強纖維。前述纖維類型的組合也是可行的。外層優選具有pa6作為基質材料。

中間層6優選被構造為玻璃纖維增強層，即具有玻璃纖維作為增強纖維。也可以額外地在玻璃纖維層中加入碳纖維、芳族聚醯胺纖維和/或玄武巖纖維，以便靈活地調整玻璃纖維層的特性。中間層5優選具有pa6作為基質材料。

因此，在此處所示的實施例中，中間層5和外層7優選具有相同的基質材料，特別是pa6。

在此處所描述的實施例中，內層3具有熔點高於中間層5和外層7的基質材料的基質材料。內層3特別優選具有pa6.6或ppa作為基質材料。內層的增強纖維可以為碳纖維、玄武巖纖維、芳族聚醯胺纖維和/或玻璃纖維。內層3優選還具有與中間層5和外層7的編織圖案不同的編織圖案，其中特定而言，內層的編織圖案與中間層5和外層7的編織/卷繞圖案相比更密或更緊。

其中，內層3特別適合耐受成型件1內高壓成形時的條件。

圖2為根據圖1的成型件1的上述實施例的橫截面示意圖。相同和功能相同的元件用相同的附圖標記表示，以便參閱前文的描述。其中，成型件1被構造為具有圓形橫截面的管狀成型件。在被成型件1的層包圍的內部空間9中用徑向朝外的箭頭p表示成型件1內高壓成形時作用於內層3的壓力，為清楚起見，僅其中一個箭頭配有附圖標記p。其中，這個內層用作支撐層和保護層以對抗內高壓成形時施加於成型件1的內壓和熱量，特定而言，具體方式是：與中間層5和外層7相比，內層在基質材料方面具有更高的熔點和優選更高的玻璃化轉變溫度。

圖3為根據圖1和圖2的成型件1的製造方法的一種實施方式的示意圖。其中，使用編織拉擠裝置11製造成型件1，該編織拉擠裝置具有包含數個編織輪15的編織單元13，其中將混合纖維粗紗編織在固定不動且靜止的編織芯軸19上，為清楚起見，僅其中一個混合纖維粗紗用附圖標記17標出。在此過程中製成多分層的空心型材編織物，藉助配設給拉擠單元21的引出單元23將空心型材編織物從編織芯軸19引出並引入到加固工具25中。在加固工具25中用熱塑性基質材料圍繞空心型材編織物製成滑動護套。優選通過檢查裝置27來檢查由引出單元23進一步輸送的連續型材，視情況在再成型裝置29中對連續型材實施再成型。特定而言，特別是可以通過彎曲來改變連續型材的橫截面和/或其走向。

優選還設有未繪示的分離裝置，通過分離裝置將以上述方式製成的連續型材定尺剪切成單個成型件。

整體而言，藉助所述方法可以製造出一種適於指定的再加工和/或用途的高度專業的成型件1。其中重量特別可以得到減輕，且可以降低與成型件1相關的成本。特定而言，這樣就能降低載重汽車的車身前蓋的成本並減輕其重量。

可以用成型件1提供可在適合批量生產且高度整合的製造工藝中製造的、具有理想的抗扭剛度和彎曲剛度的閉式空心型材。其中可以實現適於回收利用的材料方案，其中可以在回收利用中製成具有技術可用性的增強塑料顆粒。通過將所有製造工藝整合成所謂的一步法，大幅地節省了成本和能源。就成型件1而言，通過針對所要求的特性將各種材料整合在一起可提高性能，特別提高強度和剛度。

特別通過專門調整成型件1的內部的層，可以將成型件設計為不透氣的，由此可對成型件1實施內高壓成形，但也可以用塑料擠壓包封成型件。成型件1具有耐介質性和耐溫性。成型件1的nvh特性(噪聲、振動、聲振粗糙度)也得到減小及改善。