CN102029719A - 半成品与半成品复合体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半成品与半成品复合体，半成品拥有塑料和增强纤维。目的是提供金属板材的替代品。为此规定，增强纤维(3)布置在由热塑性塑料制成的两个层(10、11)之间。

Description

半成品与半成品复合体
技术领域
本发明涉及一种具有塑料和增强纤维的半成品。
此外本发明还涉及一种半成品复合体。
背景技术
在许多技术领域都使用由纤维增强的塑料制成的构件。相对金属制的构件，由纤维增强的塑料制成的构件具有的优点是，有更高的特定的机械特性。此外塑料也可以使用在金属会受腐蚀的领域。
为制造由纤维增强的塑料制成的构件，通常将增强纤维放入一个模具，然后引入塑料。塑料接着形成基体，基体通过增强纤维得到增强。因此虽然制造了很多构件，但这类构件之后通常很难改形。
出于这个原因，人们一如既往地使用金属板材作为半成品，以便制造特定的构件。这类金属板材例如通过深拉变形。只有以巨大的费用才能通过由塑料制成的对应构件仿制一种由金属板材制成的深拉的构件，例如汽车车身的组成部分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种尽可能通用的纤维增强的塑料半成品。
在本文开头所述类型的半成品中，该技术问题由此解决，即，在由热塑性塑料制成的两个层之间设置增强纤维。
这类半成品和金属板材类似地变形，因此在特定情况下成了金属板材的一种替代品。热塑性塑料可能时在加热情况下例如通过深拉变形。增强纤维在这类变形中保持在由热塑性塑料制成的两个层之间。它们不受损伤，因为它们不受外界环境的影响。塑料层再度将增强纤维保持在它们的位置中。不会出现或至少很少出现纤维断裂，因此在增强纤维延伸的主方向上更确切地说在变形之后保持了抗拉强度。一旦热塑性塑料冷却，已改形的半成品再次形状稳定。
所述层优选设计成薄膜。这些塑料层因此可以相对较薄。薄膜可以具有0.01至2mm范围内的厚度。通常有利的是，不选择太厚的薄膜，因而增强纤维的份额相对较大。由此达到质量和抗拉强度间的良好的比例。
所述层优选通过纤维间的间隙相互连接。因此还获得一种更好的接合。不过原则上来说，上层与增强纤维的连接以及下层与增强纤维的连接就足以制造半成品了。但当人们可以通过纤维间的间隙将两个层相互连接起来时，获得一种附加的接合。此外，增强纤维还更好地防止了侧滑。
优选在两个由塑料制成的层之间以唯一的取向布置增强纤维。于是在该取向的方向上产生特别良好的抗拉强度。半成品在该方向上特别能经得起负荷。
增强纤维优选设计成玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、陶瓷纤维、塑料纤维或天然纤维或选自这些纤维的混合物。这类增强纤维可以根据所期望的用途使得用半成品制成的构件有足够的抗拉强度和不变形性。
增强纤维优选由同一种材料如热塑性塑料形成，其中增强纤维比所述层的塑料具有更高的熔点和/或更高的抗拉强度。这简化了半成品的重复利用性或回收。然后可以例如将半成品重新熔化，其中增强纤维不会有进一步干扰，因为它们全都销毁在了熔液中。
塑料优选从含有聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚乙烯的组群中选取。这类塑料成本低廉。它们满足若干先决条件，以便在很多领域中应用于构件。
本发明还涉及一种半成品复合体，其拥有至少两个彼此叠放且相互连接的这样的半成品。各半成品具有相对较小的厚度，例如为0.2mm或更小。在一些情况下，这类半成品不足以负荷。在这种情况下，可以将两个或更多的半成品上下堆叠起来并相互连接，例如在输入热量的情况下相互压紧。由此将各个半成品的强度特性累加起来。
在此优选的是，不同半成品的增强纤维具有不同的方向。于是可以在多个方向提高半成品复合体的抗拉强度。
该技术问题还通过一种用于制造由塑料和增强纤维制成的半成品的方法解决，其中将增强纤维布置在由热塑性塑料制成的两个层之间。
这种做法能够相对简单地被自动化，因此也可以成本低廉地制造半成品。
在此优选的是，将纤维束横向于其纵向延伸部分伸展并且置入热塑性塑料的层中。许多纤维，例如碳纤维，被提供为纤维束，数千条单纤维集束在该纤维束中。一条纤维束例如可以包含12000、24000、48000或甚至240000条单纤维。纤维束包含的纤维越多，通常它的成本越为低廉。纤维束通常具有圆形或椭圆形的横截面。在将纤维置入塑料层之间前，纤维束横向于其纵向伸展，以便形成所谓的纤维带。然后相互并列地布置这些纤维带，以便形成UD纤维层(单向纤维层)。这些UD纤维层然后被放置到塑料层之间。UD纤维层的制造在一定程度上连续地进行。
生产UD纤维层时，将单纤维束优选对应于UD纤维幅的所要求的幅面特性根据层厚和单位面积重量伸展。UD纤维幅的单位面积重量的调整在此优选与塑料层的尤其薄膜厚度的面积特性协调，使得在之后的纤维增强的塑料半成品中达到定义的纤维重量含量或纤维体积含量。为此，将单纤维粗纱或单纤维束尤其对应于所含有的单纤维的数量伸展成预定的宽度并集合成拥有同样定义的宽度的平面的UD纤维幅。沿生产方向运行的UD纤维幅以通过伸展单纤维束预定的面积特性嵌入到从UD纤维幅的两侧而来的塑料层之间。
为此，优选将塑料层从辊子上退绕。因此该方法在一定程度上是连续进行的。由伸展的纤维束构成的UD纤维层可以不断供应。塑料层也可以不断供应。
优选用压力和/或提高的温度加载平放在UD纤维层上的塑料层。这例如可以借助压辊副完成，用一定的力相互按压该压辊副的辊。在这类压辊副的辊隙内可以在预定的限度内调整半成品的厚度。塑料层通过提高温度而软化，因此增强纤维能大致挤入塑料内，并且塑料可以通过增强纤维之间的间隙或开口与其它层的塑料连接。
优选将已制成的半成品，亦即复合的塑料层和处于其间的增强纤维卷绕成一个卷轴。由此获得形式为辊子的半成品，从辊子上实际上能断下任意的长度以用来制造构件。
附图说明
下面借助优选的实施例并结合附图对本发明加以说明。附图中：
图1是用于制造半成品的装置的示意图，以及
图2是用于说明半成品结构的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了一种用于制造半成品1的装置，半成品设计成纤维增强的塑料。
将单纤维束从存储装置5中抽出并在伸展装置6中伸展和集束成具有限定的宽度和平面尺寸的UD纤维层，从而制造出一种由增强纤维制成的UD纤维层2。在单向层或UD层中，所有的增强纤维3(见图2)具有相同的取向。这一取向沿半成品的纵向延伸。从存储装置5中抽出多个单纤维束4以便制造这种UD层2。存储装置5例如由筒子架构成，筒子架包含多个线圈，若干单纤维束4卷绕在这些线圈上。
纤维束4被供应装置7抽出，并经由伸展装置6导引，它们在伸展装置中在一定的拉应力下经由装置8被若干根杆9拉伸。在通过伸展装置6时，在单纤维束4中远离各根杆9的纤维尝试进一步接近杆9。此时，它们侧向向外排挤布置在对应的杆9附近的纤维，由此将单纤维束4扩展成条带。并靠放置的条带就形成了UD纤维层2。
总共拥有两层薄膜10、11的UD纤维层2导引穿过辊13、14之间形成的辊隙或者夹缝12。在夹缝12中产生提高的温。为此可以例如加热两根辊13、14中的其中一根或两根。两根辊13、14以预定的压力彼此挤压，因此两层薄膜10、11在UD纤维层2的中间连接下连接成为玻璃纤维增强的半成品。
薄膜10、11从存储辊子15、16退绕。半成品1在通过夹缝12后卷绕到辊子17上。
薄膜10、11由热塑性塑料制成。例如考虑聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮或聚乙烯作为热塑性塑料。这些塑料在更高的温度下软化，并且在温度下降时再次变硬。因此必要时，可以将半成品1从辊子17上退绕并以所需的长度裁剪。之后可以将其置入模具并在输入热量和压力的情况下使其发生变形。这种变形等同于金属板材的深拉，因而人们可以类似于金属板材那样对半成品1进行改形。
UD纤维层2也能直接从存储辊子上退绕。
作为增强纤维可以考虑玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、陶瓷纤维、尼龙纤维或天然纤维。也可使用由与薄膜10、11相似但具有更高的熔点和/或更高的抗拉强度的材料形成的塑料纤维。这类设计方案简化了回收。
结果得到半成品1，在半成品中，增强纤维3嵌入两个由热塑性塑料制成的薄膜10、11之间。在纤维3之间有一个很小的间隙18，两个薄膜10、11能够通过这一间隙彼此连接。因此实际上无法解除薄膜10、11和增强纤维3之间的连接。
当拥有一个层的半成品1的强度不够时，则可以毫无困难地上下叠放半成品1的多个层，并且它们在高压和高温的作用下相互连接，从而形成一种半成品复合体。为此例如可使用压力装置。
当上下叠放半成品1的多个层时，有利的是，使用半成品1的有不同纤维取向的不同的层。在这种情况下产生了一种在多个方向拥有提高了的抗拉强度的半成品复合体。
所示制造方法在一定程度上是连续进行的。只有当辊子15、16空转或其上卷绕有单纤维束的线圈必须更换时才被中断。
可以事先估计好薄膜10、11和纤维束4的所需长度，并且这样来相互协调辊子15、16的大小和拥有纤维束4的辊子的大小，即，使它们大致同时空转。在这种情况下仅需中断一次就能替换所有的存储辊子。
通过半成品1的层状结构，获得了一种对增强纤维3的突出的保护，在这种层状结构中，增强纤维3布置在由热塑性塑料制成的两个层之间。特别是纤维断裂的风险相对较小。由此即使在一些改形操作之后，也可以沿增强纤维的方向保持预定的抗拉强度。
用于使半成品改形的改形温度处于之后用半成品1制成的构件的使用温度之上，例如在200℃至400℃范围内。因此不存在由半成品1制成的构件在使用温度下因温度作用而出现构件故障的危险。

Claims (14)

1.一种半成品，其具有塑料和增强纤维，其特征为，增强纤维(3)布置在两个由热塑性塑料制成的层(10、11)之间。
2.按权利要求1所述的半成品，其特征为，所述层(10、11)设计成薄膜。
3.按权利要求1或2所述的半成品，其特征为，所述层(10、11)通过增强纤维(3)之间的间隙(18)相互连接。
4.按权利要求1至3之一所述的半成品，其特征为，增强纤维(3)以唯一的取向布置在两个由塑料制成的层(10、11)之间。
5.按权利要求1至4之一所述的半成品，其特征为，增强纤维(3)作为玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、陶瓷纤维、尼龙纤维、塑料纤维或天然纤维构成。
6.按权利要求1至5之一所述的半成品，其特征为，增强纤维(3)由与热塑性塑料相似的材料构成，其中增强纤维(3)比所述层(10、11)的塑料具有更高的熔点和/或更高的抗拉强度。
7.按权利要求1至6之一所述的半成品，其特征为，塑料是从含有聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚乙烯的组群中选取的。
8.一种半成品复合体，拥有至少两个按权利要求1至7之一所述的半成品，它们彼此重叠且相互连接。
9.按权利要求8所述的半成品复合体，其特征为，不同半成品的增强纤维(3)具有不同的方向。
10.一种用于制造由塑料和增强纤维制成的半成品的方法，其特征为，将增强纤维(3)布置在由热塑性塑料制成的两个层(10、11)之间。
11.按权利要求10所述的方法，其特征为，将纤维束(4)横向于其纵向延伸部分伸展并置入层(10、11)之间。
12.按权利要求11所述的方法，其特征为，将塑料层(10、11)从辊子(15、16)上退绕。
13.按权利要求10至12之一所述的方法，其特征为，用压力和/或提高的温度加载带有平放的层(10、11)的UD纤维层(2)。
14.按权利要求10至13之一所述的方法，其特征为，利用位于塑料层(10、11)之间的增强纤维(3)卷绕塑料层(10、11)。
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