CN104070689A

CN104070689A - 用于纤维复合构件局部增强的方法及相应的纤维复合构件

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Publication number: CN104070689A
Application number: CN201410091525.0A
Authority: CN
Inventors: F·霍尔曼
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN104070689B; DE102013205440A1

Abstract

本发明涉及用于纤维复合构件局部增强的方法及相应的纤维复合构件。此方法至少包括如下步骤：提供纤维复合构件的纤维层；翻折纤维层的第一边缘区域；将翻折的第一边缘区域面状叠置到纤维层的待增强的、与该边缘区域邻接设置的连接部段上，以提供一种局部的多层的层叠结构；将翻折的第一边缘区域与所述连接部段相连接，以使该连接部段得到增强。相应地，提供一种具有局部增强的连接部段的纤维复合构件，该纤维复合构件包括整合的纤维层，纤维层在连接部段的区域中通过该纤维层的至少一个翻折的边缘区域而构造成多层的。

Description

用于纤维复合构件局部增强的方法及相应的纤维复合构件

技术领域

本发明涉及一种具有局部增强的连接部段的纤维复合构件，以适于局部的作用力导入；还涉及一种用于制造该纤维复合构件的方法。

背景技术

纤维复合构件通常具有借助纤维增强的塑料基质。特别是在航空制造业中，而且也越来越多地在汽车制造业中采用这种构件，以提供特别轻便的但又很坚固的构件。

尤其是，该纤维复合构件与其他结构和构件的连接是一个特别的挑战，因为尤其在这些区域内出现复杂的负载状况，这种负载状况要求对纤维构建结构的特别设计。在此方面，特别是需要防止纤维复合构件内的孔壁效应以及尤其在连接区域内对由于纤维材料之故迄今特别容易发生的收缩性加以控制。

对此，紧凑的增强或连接构件具有特别的意义，诸如用于在机动车中各种不同应用场合的支撑条，它们构造成接合件、加强部件或连接结构并且得到特别大量的应用。

再者，为了满足对功能性以及操作强度方面的复杂要求，通常这样复杂的连接优选为金属结构形式。然而该材料选择却带来了重量大的缺点。或者，作为另选方案，可使用由纤维复合材料制成的连接，然而为了对所述的材料特定的状况进行补偿，这些由纤维复合材料制成的连接通常要求复杂的构造，因而须花费巨大地和特别昂贵地加工制造。另外复杂的构造还要求相应高花费的制造方法和设备，这些又带来了高昂成本。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种纤维复合构件以及用于制造该纤维复合构件的方法，该纤维复合构件具有尽可能简单的、可容易制造的以及工作特别稳固的连接部。

上述目的通过按照权利要求1的制造方法以及具有权利要求12特征的纤维复合构件得以实现。

据此提出一种用于纤维复合构件局部增强的方法，至少包括如下步骤：

-提供纤维复合构件的纤维层，

-翻折纤维层的第一边缘区域，以及

-将翻折的第一边缘区域面状叠置到纤维层的待增强的、与该边缘区域邻接设置的连接部段上，以提供一种局部的多层的层叠结构，

-将翻折的边缘区域与所述连接部段相连接，以使该连接部段得到增强。

也就是说，将纤维层在第一边缘区域内翻折并置于连接部段上面，从而产生了材料重叠，该材料重叠在此区域内、即连接部段内构成了局部增强。在本发明的范围内，作为纤维层，应该是指纤维半成品，诸如纺织物（Gewebe）或稀松布（Gelege），该纤维半成品包括一层或多层纤维层。正如在下文中详细阐述的那样，此纤维半成品根据半成品的类型可以构成为单向的或者多向的。在此，作为纤维，应该是指所有适合于构件增强的纤维，优选碳纤维，以及玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或者天然纤维。

所述的方法通过翻折实现了对折卷材料的一种特别简单的处理和定位，因为不必提供和安置单独的纤维半成品。取而代之地使用纤维层的已有的一部分。

此外，根据另一个实施方式，所述方法包括其他的步骤：

-翻折纤维层的至少一个第二边缘区域，以及

-将翻折的第二边缘区域面状叠置到连接部段的背向所述翻折的第一边缘区域的一侧上或者叠置到所述翻折的第一边缘区域上，

-将翻折的第二边缘区域与第一边缘区域和/或与连接部段相连接。

也就是说，为了附加地通过第三层的纤维层产生对连接部段的进一步增强，在第一边缘区域之后同样对第二边缘区域进行翻折。可以通过如下方式翻折第二边缘区域：要么翻折到与第一边缘区域相同的一侧上，从而使两个边缘区域面状地彼此叠置；要么作为另选方案向相对于第一边缘区域而言相反的方向翻折，以便将该第二边缘区域设置于纤维层的相反一侧上。

当然也可以定义两个以上的边缘区域，特别是第三和/或第四边缘区域，它们以类似的方式叠置并且相互连接，以便利用相应附加的层以多层来增强连接部段。

此外，所述方法在翻折的步骤之前可以包括将纤维层的端部部段分开成至少第一边缘区域和第二边缘区域的步骤，特别是利用裁剪、冲裁或切割加以分开的步骤。

也就是说，纤维层的端部部段利用所述方法被分开成第一和第二边缘区域（或更多），从而各边缘区域能够彼此独立地被翻折。例如可以利用一种热工具来实施该分开的步骤。这一点特别是在纤维层已经由热缩性基质包裹并且该基质必须与纤维层一起共同切分开时是有利的。为此下文将针对详细的构造设计加以阐述。

另外，纤维层可以是单向的纤维层，此时，分开的步骤包括将端部部段沿着纤维取向分开。优选地，所述单向的纤维层的纤维可以是沿纤维层的纵向延伸定向的。

单向的纤维特别适合于这样的构件，该构件在其常规使用中遭受拉压负荷并且因此沿着承载路径（车架承重横梁）和负载方向最佳化。这样就可以放弃不必要的纤维取向，因而附加地降低了材料消耗和重量。

根据另一个实施方式，翻折的步骤包括将第一边缘区域绕着第一折边翻折和/或将第二边缘区域绕着第二折边翻折，其中，第一折边或第二折边是按下述方式定向的，即，使翻折的第一边缘区域或翻折的第二边缘区域的纤维取向与纤维层在连接部段内的纤维取向形成第一夹角或第二夹角。如果设置有两个以上的边缘区域的话，那么以类似方式实施相应的翻折。

这意味着：翻折的第一或者第二边缘区域的纤维取向相对纤维层的纤维取向被转过第一夹角或第二夹角定向。例如可以如下地实现这一点，即，使相应的折边与纤维层的纤维取向成一个夹角地定向。如果在单向纤维层的情况下该夹角优选选为相对于纤维层的纤维取向不等于0°或﹢/﹣90°，则相应边缘区域的纤维取向与纤维层的纤维取向不平行地定向，因而由于叠置的各层的不同角位之故便产生了一种特别有益的增强效果。优选地，为了提供彼此间尽可能优化的角位偏移，推荐大致为﹢/﹣45°的夹角。

当然，同样可以使用多向纤维取向的纤维层。然而在这种情况下，将端部部段分开成至少第一和第二边缘区域需要切断与分离线交叉的各个纤维。

根据一个优选的实施方式，纤维复合构件包括热塑性基质，纤维层整合在该基质中，包括其他的步骤：

-为了翻折第一边缘区域和/或第二边缘区域至少局部地对热塑性基质进行加热。

据此，也就是以具有热塑性基质和整合于其内的纤维层的纤维复合构件为出发点来实施本方法的步骤。为此，为了获得基质的足够柔韧性以便翻折纤维层，首先要对热塑性基质进行加热。这样，可以对预制的纤维复合构件进行相应加工并因此实现局部增强。

在这种情况下，连接的步骤此外可以包括材料接合的和/或力锁合的连接，特别是至少局部进行加热和压合。以此方式，翻折的第一或第二边缘区域与连接部段或者相应另外的那一边缘区域相连接，因此在最少的制造费用的情况下产生了连接部段区域内的一种准均质的（quasiisotrop）层结构。从而，特别是通过热塑性基质的加热和熔化可以实现相关边缘区域的热塑性基质与连接部段的热塑性基质或者相应另外的那一边缘区域的材料接合式连接。因此，为了保征相互连接，加热温度要相应地与所用基质的材料特性相匹配。同时的或者后置的压合工艺可以附加地支持相互连接。

例如，纤维复合构件可以通过挤出成型或者拉挤成型而制成具有整合的纤维层的挤压型材。在裁剪成所期望的长度之后，可以按照所述方法对至少一个连接部段进行增强。以此方式能够特别有益地和简单地制造相应的纤维复合构件并进行局部增强。

此外，作为具有热塑性基质和已经整合的纤维层的预制纤维复合构件以外的另选方案，可以首先只是通过所述方法相应地在干燥的-亦即未浸渍的-状态下预先准备纤维层。换言之，就是说在干燥状态下一个翻折边缘区域或者多个边缘区域。在纤维层的预先准备结束后，才通过对纤维层的浸渍将其整合到纤维复合构件内。

例如，连接的步骤在这种情况下可以包括将分别翻折的第一或第二边缘区域缝合以及利用基质对纤维层进行后续的浸渍，以制成纤维复合构件。在这种情况下，作为基质，既可以采用热塑性的基质也可以采用热固性的基质。当然，同样也可以采取其他已知的用于连接纺织的、而未经浸渍的纤维层的措施。

在所述情况中的每一情况下，所述方法可以包括精整加工步骤，特别是在连接部段中制作出隙口或孔。根据与其他构件的预期连接类型和方式，所述精整加工步骤可以包括偏差的精整加工或者附加连接件的加装。

此外可能的是：所述方法包括至少在连接部段的区域内对局部增强的纤维层进行包缠（Umwickeln）的附加步骤。以此方式，继连接部段通过翻折至少一个边缘区域而得到增强之后，可以通过一次或多次包缠再提供一种附加的增强。或者，这种包缠可以在后续的浸渍之前在纤维层干燥的状态中实施。或者，作为另选方案，也可以在纤维层已经利用热塑性基质加以浸渍的情况下在精整加工的范围内进行包缠。对此必须保证：为了例如通过熔化能实现基质的材料接合式连接，热塑性基质得到相应的加热。

所述的方法在机械花费低的同时实现了很小的材料投入和特别高的成本效率。另外，它有助于提高生产节拍，因而每单位时间内可实现的件数数量很大。

另外，还提供一种具有局部增强的连接部段的纤维复合构件，其中，该纤维复合构件包括整合的纤维层，以及，纤维层在连接部段的区域内通过该纤维层的至少一个翻折的边缘区域而构造成多层的。

根据另一个实施方式，纤维复合构件为一种沿纵向延伸的构件，特别是挤出的扁平型材、支撑条、接合件、加强件，其中，连接部段是设置在所述纤维复合构件的端头处。作为接合件，例如是指联杆。

另外，纤维层可以具有单向的纤维取向，并且所述至少一个边缘部段可以按下述方式被翻折：使其纤维取向与纤维层的纤维取向形成一个夹角。例如，所述单向的纤维取向基本上是沿纤维复合构件的纵向定向。

附图说明

下文将参照附图所示的实施例对本发明加以阐述。

图1至5示出的是用于纤维复合构件局部增强的方法的各中间步骤的示意图。

具体实施方式

图1示出的是作为初始元件的用于纤维复合构件的纤维层11。纤维层11可以或构造成“干燥的”、即非浸渍的纤维层，或者可以整合在一个制备好的纤维复合构件10中（用虚线示出的实施方式），该纤维复合构件包括用热塑性基质浸渍的纤维层。例如可以借助挤出成型法制造这个制备好的纤维复合构件10。

在本发明的范围内，纤维层应该是指纤维半成品，诸如纺织物或者稀松布，该纤维半成品包括一层或者多层纤维层。这些纤维层如在下文中详细阐述的那样根据半成品的类型构成为单向的或者多向的。在此，纤维应该是指所有适合于构件增强的纤维，特别是碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或者天然纤维。

在所示出的实施方式中，纤维层构造成单向的纤维层，其纤维F沿着纤维层的纵向延伸L定向。

图2示出的是将纤维层11的第一端部部段21从中间分开成第一边缘区域22和第二边缘区域23的一个后续步骤。例如可以通过裁剪、冲裁或者切割来实施这个步骤，但也可以采用其他合适的方式方法。在此，构造成单向的纤维层11通过切口S沿着纤维取向（在此情况下纤维取向与纵向延伸L相同）被分开。

接下来，绕着第一折边27翻折纤维层11的第一边缘区域22以及绕着第二折边28翻折第二边缘区域23。在此，第一折边27或第二折边28是按下述方式定向的：使翻折的第一边缘区域22或者翻折的第二边缘区域23的纤维取向与纤维层11在连接部段31内的纤维取向形成第一夹角α1或者第二夹角α2（参照图3），正如在下文中详细阐述的那样。

对于具有连接部段32、边缘区域25和26以及折边29和30的第二端部部段24，可以采取类似的操作措施。然而为简单起见，后续的图3至5仅仅涉及对第一连接部段31的增强。当然，阐述内容必要时相似地适用于第二连接部段32。

图3示出的是在第一边缘区域22被翻折以及面状叠置到纤维层11的待增强的、与该第一边缘区域22邻接布置的连接部段31上之后的第一连接部段31，以提供一种在这个部段中局部的多层的层叠结构。该层叠结构包括连接部段31中的纤维层11以及面状叠置的边缘区域22，该边缘区域同样为所述纤维层11的一部分并因而实现一种局部加倍的层叠结构。

另外，将纤维层11的第二边缘区域23翻折并且将该翻折的第二边缘区域23按照翻折方向平面地或是叠置到连接部段31的背向所述翻折的第一边缘区域22的一侧上或是叠置到此前已经翻折的所述第一边缘区域22上。

此外，将翻折的第一边缘区域22和第二边缘区域23与连接部段31相互连接。各边缘区域的连接的步骤可以彼此分开地在相应的边缘区域每次翻折后单独进行或者在两个边缘区域都翻折后共同进行。

在所示出的实施方式中，第一折边27和第二折边28与纤维层在连接部段内的纤维取向形成各自约为β1=﹣45°或β2=﹢45°的夹角。因此由于单向的纤维取向之故，产生了第一或者第二边缘区域相对于连接部段的纤维取向转过夹角α1和α2的纤维取向。以此方式便产生一种多层的层叠结构，这些层中的每一层都具有自己的角位，因而以特别简单的方式实现了对连接部段31的特别有效的局部增强。

图4示出的是对增强的连接部段31进行包缠的一个可选的附加步骤。为此，在所示出的实施方式中，基本上横向于（例如α3=90°）纤维层的纤维取向地敷设单向的纤维材料41，通过这种方式使连接部段31得到附加的增强。该附加的纤维材料可以是已经经过浸渍的，并与纤维复合构件的基质材料接合地和/或力锁合地连接。或者，作为可选方案，也可以使用未经浸渍的纤维材料，该纤维材料随后才被浸渍。

图5示出的是同样可选的精整加工步骤，用于将隙口51或孔制作到经增强的连接部段31中。当然，也可以代替孔采取其他形状的隙口或者实施其他的精整加工步骤。

Claims

1.用于纤维复合构件局部增强的方法，至少包括如下步骤：

-提供纤维复合构件（10）的纤维层（11），

-翻折纤维层（11）的第一边缘区域（22），以及

-将翻折的第一边缘区域（22）面状叠置到纤维层（11）的待增强的、与该边缘区域（22）邻接设置的连接部段（31）上，以提供一种局部的多层的层叠结构，

-将翻折的第一边缘区域（22）与所述连接部段（31）相连接，以使该连接部段得到增强。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法此外还包括其他的步骤：

-翻折纤维层（11）的至少一个第二边缘区域（23），以及

-将翻折的第二边缘区域（23）面状叠置到所述连接部段（31）的背向所述翻折的第一边缘区域（22）的一侧上或者叠置到所述翻折的第一边缘区域（22）上，

-将翻折的第二边缘区域（23）与第一边缘区域（22）和/或与连接部段（31）相连接。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法在翻折的步骤之前包括将纤维层（11）的端部部段（21）分开成第一边缘区域（22）和第二边缘区域（23）的步骤，特别是利用裁剪、冲裁或切割加以分开的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纤维层（11）为单向的纤维层，并且分开的步骤包括将端部部段（21）沿着纤维取向分开。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述单向的纤维层的纤维（F）是沿着纤维层（11）的纵向延伸（L）定向的。

6.如权利要求1至5之任一项所述的方法，其特征在于，翻折的步骤包括将第一边缘区域（22）绕着第一折边（27）翻折和/或将第二边缘区域（23）绕着第二折边（28）翻折，其中，所述第一折边（27）或第二折边（28）按下述方式定向，使翻折的第一边缘区域（22）或翻折的第二边缘区域（23）的纤维取向与纤维层（11）在连接部段（31）内的纤维取向形成第一夹角（α1）或第二夹角（α2）。

7.如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维复合构件（10）包括热塑性基质，纤维层（11）整合于该基质中，该方法包括其他的步骤：

-为了翻折第一边缘区域（22）和/或第二边缘区域（23）而至少局部地对所述热塑性基质进行加热。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，连接的步骤包括材料接合的和/或力锁合的连接，特别是至少局部加热和压合。

9.如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，连接的步骤包括对分别翻折的第一边缘区域（22）或第二边缘区域（23）进行缝合以及随后利用基质对纤维层（11）进行浸渍，以制成纤维复合构件（10）。

10.如权利要求1至9之任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括精整加工步骤，特别是在连接部段（31）中制作出隙口（51）或孔。

11.如权利要求1至10之任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括至少在连接部段（31）的区域内对局部增强的纤维层（10）进行包缠的附加步骤。

12.具有局部增强的连接部段的纤维复合构件，该纤维复合构件（10）包括整合的纤维层（11），其特征在于：纤维层（11）在连接部段（31）的区域中通过纤维层（11）的至少一个翻折的边缘区域（22，23）而构造成多层的。

13.如权利要求12所述的纤维复合构件，其特征在于：该纤维复合构件（10）为沿纵向（L）延伸的构件，特别是挤出的扁平型材、支撑条、接合件、加强件，其中，所述连接部段（31）设置在所述纤维复合构件（10）的端头处。

14.如权利要求12或13所述的纤维复合构件，其特征在于：纤维层（11）具有单向的纤维取向，特别是基本上沿该纤维复合构件（10）的纵向（L）定向的纤维取向；至少一个边缘部段（22，23）按下述方式被翻折，使其纤维取向与纤维层（11）的纤维取向形成夹角（α1，α2）。