CN104602897A - 功能优化的纤维复合构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维复合构件，特别是用于车辆结构的纤维复合构件，其具有纤维结构，该纤维结构包括至少一个纤维层，其中，所述至少一个纤维层中的至少一层由一定数量的预成形的纤维垫构成，并且所述至少一个纤维层的所述数量的预成形的纤维垫中的第一预成形的纤维垫与第二预成形的纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度。另外，还提出一种用于制造相应的纤维复合构件的方法。

Description

功能优化的纤维复合构件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的特别是用于车辆结构的纤维复合构件及其制造方法。
背景技术
为了降低机动车的重量，由纤维复合材料制成的构件得到越来越多的应用。用于制造这种纤维复合构件的常用方法为所谓的树脂传递模塑成型法(Resin Transfer Molding)(简称：RTM)。在此，将纤维垫(诸如玻璃纤维或者碳纤维制的稀松布、纺织物和编织物)在成形工序中压成一个确定的立体形状。通过这种方式制成的预成形的纤维垫被称为所谓的“预成形坯”或者“预成形品”，然后将其置入可加热的注射模中，向该注射模内注入用于浸渍纤维垫的母体。
为了在预成形工序中实现纤维垫的形状稳定性，首先按照所期望的轮廓剪裁这些纤维垫并且例如添加一种粘合剂(通常为塑料粉末)。在后续的挤压过程和加热过程中，将纤维垫在模具内挤压成所期望的形状并同时使粘合剂熔化。在粘合剂冷却和凝固之后，纤维垫的各个纤维便粘接在一起，从而，纤维垫即使在接下来从模具中取出的情况下也保持所呈现的形状。尽管粘接在一起，但是预成形的纤维垫的基本上柔韧的和多孔的形式仍保持不变，因而注入的母体能够渗入纤维垫内并将该纤维垫尽可能充分地浸渍。
所使用的纤维垫的厚度通常以要制造的构件的最大负荷区域为准进行确定并且贯穿整个构件连续延伸。因此，预计为最大负荷的元件决定了用于整个构件的纤维垫的壁厚。
以这种方式制成的纤维复合构件通常具有比同类的金属构件更轻的重量，然而在制造成本和材料成本方面却很昂贵。
发明内容
因此本发明的目的是，针对这样的纤维复合构件以及相应的制造方法特别是在构件重量和制造成本方面加以改进。
这个目的借助具有权利要求1特征的纤维复合构件以及具有权利要求9特征的制造方法得以实现。有益的设计形式可由各从属权利要求得出。
据此提供了一种特别是用于车辆结构的纤维复合构件，该纤维复合构件具有一种包括至少一个纤维层的纤维结构。所述至少一个纤维层中的至少一层由一定数量的预成形的纤维垫构成。
在此，所述至少一个纤维层的所述数量的预成形的纤维垫中的第一预成形的纤维垫与第二预成形的纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度。
在本说明书的范围内，所说纤维垫的厚度应该理解为基本上成面状的纤维垫的相应的高度。优选地，所使用的纤维垫尽管厚度不同，但是具有相同的纤维体积密度。这意味着：在此情况下，较厚的纤维垫沿高度方向比较薄的纤维垫具有更多数量的纤维或者说纤维纱(Faser-Rovings)。
例如，所述纤维复合构件包括一层单独的纤维层，在一种制造方法(诸如所述的RTM方法)的范围内将该纤维层浸渍一种母体。纤维层通常成面状地穿过整个构件或者至少穿过该构件的一个或者多个需增强的部段延伸。当然，在纤维复合构件的相同的区域内或不同的区域内代替一层单独的纤维层可以设置多个纤维层，这些纤维层根据本说明书分别包括多个要么相同厚度的、要么不同厚度的纤维垫。
根据一种实施方式，这些纤维层的每一层由一定数量的预成形的纤维垫构成，其中，所述纤维垫中的个别纤维垫具有与相应纤维层的其他纤维垫不同的纤维垫厚度。这样便能够在同一纤维层内在纤维复合构件的特殊位置上设置纤维垫厚度较大的纤维垫以及在其他位置上设置纤维垫厚度较小的纤维垫。因此，该纤维层沿其延伸方向不具有在构件上恒定的纤维垫厚度，而是具有一种局部变化的纤维垫厚度。
由此获得了下述优点：在符合需要地设置这些纤维垫时，可以放弃连续恒定不变的纤维垫厚度，该纤维垫厚度否则必须根据纤维复合构件的最大负荷值来确定并且不得不以相同厚度设置在负荷不那么大的区域内。
这种措施一方面可以节省昂贵的和制造成本高的纤维材料，另一方面可以降低制成的纤维复合构件的重量。那就是说，可以通过局部较小的壁厚提供纤维复合构件的优化的重量，所述壁厚能够通过这种方式实现较小的材料成本。
根据另一种实施方式，所述至少一个纤维层包括纺织物层、稀松布层、编织物层和/或单向的或者多向的纤维层。对此同样可以理解为纤维无纺布(纤维网)。在此，纤维材料(单纤维或者所谓的纤维纱)在结构上相互连接的排列，特别是还有具有多个相互连接的纤维平面的所谓的堆叠，始终均应该理解为相应的层。作为纤维材料，可以采用任何适宜于构件增强的纤维，特别是碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或天然纤维以及它们的混合物。
优选地，为了构成所述至少一个纤维层，成面状并排地设置预成形的纤维垫。形象地说这意味着：“马赛克状”并排地敷设或者说拼合预成形的纤维垫，使得纤维垫构成尽可能连贯的纤维层。特别是应该如下地理解纤维垫的面状排列设置，即，使各个纤维垫的表面构成通过这种方式组成的、依循着例如构件立体形状的纤维层的共同的表面。例如，各个纤维垫能够以它们的端面借助对接而相互连接。
根据另一个实施方式，为了构成所述至少一个纤维层，将预成形的和成面状并排地设置的纤维垫在彼此相对的边缘区域内相互搭接设置。据此，纤维垫不只马赛克状并排地设置，而且在它们的边缘区域内相互搭接。尽管有这些搭接，由纤维垫构成的这种排列设置依然应该理解为共同的纤维层。在此，带有可能存在的材料双重重叠的搭接区域并不用来计入对原本的纤维层及其厚度的考察。
由于搭接之故，可以实现各个纤维垫的尽可能持久牢固的连接，这种连接再次提高了纤维垫的连接强度。
另外，纤维复合构件可以包括第一数量的力导入部段，其中，在至少一个力导入部段的区域内的第一预成形的纤维垫与所述至少一个纤维层的第二纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度。
力导入部段是纤维复合构件的下述那些部段，力至少在该纤维复合构件的组装状态中导入这些部段中。这尤其可以是用于将该构件紧固在其他构件上的紧固点。特别是在这些力导入部段内，为了局部增强，目前可以设置比在构件的其他部段内更厚的纤维垫。
如已经说明的那样，所构成的纤维层可以具有在构件上变化的纤维垫厚度，该纤维垫厚度特别是在力导入部段内增大。必要时设置在纤维层内部的搭接区域对于在整个说明书范围内所说的纤维层厚度考察来说是不重要的。
另外，纤维复合构件可以包括第二数量的将力导入部段相互连接的承载梁，其中，在至少一个力导入部段的区域内的第一预成形的纤维垫与设置在至少一个承载梁的区域内的第二纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度。
作为承载梁，应该理解为纤维复合构件的那些将多个力导入部段传递力地相互连接的区域。这样，例如能够借助一个或者多个承载梁将一个第一力导入部段和一个远离其设置的第二力导入部段连接。如果有一个力导入了所述力导入部段之一，那么通过这一个承载梁或者多个承载梁将所述导入的力引向其他的力导入部段并通过该力导入部段从构件中将其导出。当然，也可以相应地设置其他的力导入部段。
根据另一种实施方式，邻近承载梁和/或邻近力导入部段设置填充面，其中，设置在填充面的区域内的预成形的纤维垫与力导入部段的区域内的纤维垫相比和/或与承载梁的区域内的预成形的纤维垫相比具有更小的纤维垫厚度。
据此，所述填充面对力流起到第二位的(次要的)作用并且优选用于实现构件的面状构造，而无自承载或传递力的功能。因此可以认为这个或者这些部段的负载通常很小，所以设置在那里的纤维垫可以具有比在力导入部段和承载梁的承受载荷的部段内更小的纤维垫厚度。
这种构造设计通过特别的方式能够节省下述那些位置上的材料和重量，在这些位置，在迄今为止众所周知的纤维复合构件中在无附加用途的情况下也大量设置了纤维材料。
另外，设置在所述至少一个承载梁的区域内的预成形的纤维垫可以具有沿着承载梁定向的延伸(长度)。优选按照承载梁形状来构造有关的预成形的纤维垫。
换言之，由此可以在考虑到负荷元件的情况下实现预成形的纤维垫分离。可以按这样的方式负荷优化地下料剪裁预成形的纤维垫，即，使它们基本上沿着承载梁的方向延伸并且同时邻接的无负荷/小负荷区域不配置该相应的纤维垫。不同于已知的、为实现尽可能小的纤维垫边脚料而剪裁优化地设计的下料方式，在本实施方式中如下地设置下料，即，使得纤维垫尽可能最佳地依循着承载梁并且因此重量优化地和强度优化地铺设。
以此方式，在一定程度上将所述这些部段的功能分开，以实现对具有各局部所需的纤维垫厚度的纤维垫的尽可能最佳的分配，以及避免在负载不那么大的区域内的“尺寸过大的”纤维垫，并且通过如下方式只增强负载较大的区域，即，将纤维垫这样地预成形，使得这些纤维垫基本上只构成增强纤维复合构件所需的区域。
例如，所述纤维复合构件可以构造为机动车的车门结构和/或车辆框架件。这样的车门结构可以包括门框或门肋和/或面状的门元件。当然，同样可以通过这种方式提供其他的构件，特别是车辆结构件。
另外还介绍了一种用于制造具有纤维结构的纤维复合构件的方法，所述纤维结构包括至少一个纤维层，该方法包括如下步骤：
-为了构成所述至少一个纤维层，制备一定数量的预成形的纤维垫，
-将预成形的纤维垫置入注射模中，
-关闭注射模，将预成形的纤维垫浸渍并硬化成纤维复合构件，
其中，所述至少一个纤维层的所述数量的预成形的纤维垫中的第一预成形的纤维垫与第二预成形的纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度。
优选地，为了构成所述至少一个纤维层，将预成形的纤维垫成面状并排地和在彼此相对的边缘区域内相互搭接地设置。
优选地，所述方法设定为树脂传递模塑成型法(RTM)。
附图说明
下文将参照附图借助实施例进一步详细地阐述本发明。附图中：
图1为作为纤维复合构件的机动车的车门结构，和
图2为纤维复合构件的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出了机动车的一个车门结构，该车门结构为车辆结构的组成部分并且设计为纤维复合构件。在图2中示意性地示出了在图1中所示的车门结构的、在下文进一步详细阐述的搭接部分12a的剖视图。
据此，纤维复合构件10具有一种纤维结构，该纤维结构在示出的实施方式中包括纤维层11，其中，该纤维层11由一定数量的预成形的纤维垫11a-f构成。在此，纤维层11的所述数量的预成形的纤维垫11a-f中，其中一个(第一)预成形的纤维垫11a、11c与第二预成形的纤维垫11b或者11d-f相比具有更大的纤维垫厚度d1。
在此，纤维层11或者说每一个纤维垫11a-f可以包括纺织物层、稀松布层、编织物层和/或单向的或者多向的纤维层。
另外，为了构成纤维复合构件10的纤维层11，成面状并排地设置预成形的纤维垫11a-f。在此，为了构成所述至少一个纤维层11，将预成形的和成面状并排地设置的纤维垫11a-f在彼此相对的边缘区域内在构成各一个搭接区域12a-f的情况下相互搭接设置。
纤维复合构件10作为车门结构包括两个力导入部段13a、13c，其中，在力导入部段13a、13c的区域内的预成形的纤维垫11a、11c与纤维层11的其他纤维垫11b、11d-f相比具有更大的纤维垫厚度d1。所述力导入部段13a、13c特别是设置在构造成车门结构的纤维复合构件10的铰链区域内以及其锁闭区域内，因为在这些区域内由于需传递的力矩以及拉力和压力之故，预计具有高的机械负荷。
纤维复合构件10附加地包括两个将两个力导入部段13a、13c相互连接的承载梁13b、13d，这些承载梁目前由纤维垫11b、11d-f构成。在力导入部段13a、13c的区域内的预成形的纤维垫11a或11c特别是与设置在承载梁13b、13d的区域内的纤维垫11b、11d-f相比具有更大的纤维垫厚度d1。在这个纤维复合构件10内，应该将两个力导入部段13a、13c之间的一个下部连接梁以及一个上部窗框理解为承载梁13b、13d。
作为可选方案，设置在承载梁13b、13d的区域内的预成形的纤维垫11b、11d-f相互间同样可以具有不同的纤维垫厚度d2、d2′。因此可以对各个承载梁的不同负荷在总体上和在承载梁的部分区域内相应最佳地加以考虑。例如，由纤维垫11b构成的下部连接梁比上部窗框承受明显更大的负荷，故而除了一个相应的外部造型之外通过不同的纤维垫厚度来实现一种有针对性的和最佳的增强。
相同方式适用于力导入部段13a、13c的纤维垫11a、11c，这些纤维垫同样可以具有并不是相同的、而是不同的厚度d1和d1′。
正如在图2中通过虚线示出的可选的壁走向仅仅示意性地表明的那样，较薄的纤维垫诸如纤维垫11b、11d-f的区域内的壁厚d4同样也可以相对于较厚纤维垫11a、11c的、具有壁厚d3的区域是被减小了的。
在两个附图中并未示出遭受小的或者仅仅微弱的力的作用的填充面。然而作为可选方案，可以邻近承载梁13b、13d和/或邻近力导入部段13a、13c设置这些填充面，其中，设置在填充面的区域内的预成形的纤维垫与力导入部段13a、13c的区域内的纤维垫11a、11c相比和/或与承载梁13b、13d的区域内的预成形的纤维垫11b、11d-f相比具有更小的纤维垫厚度。
正如从图1中可以看出的那样，设置在承载梁13b、13d的区域内的预成形的纤维垫11b、11d-f具有沿着承载梁13b、13d定向的延伸。如借助搭接部分12a-f可以看出的那样，优选地，替代根据几何特征和边角料优化的准则，而在负荷优化的观点下实施对各个预成形的纤维垫的下料。
通过这种方式，可以利用所示的纤维复合构件10达到一种负荷优化的纤维结构，该纤维结构能够实现：保持重量尽可能地小并且同时节省成本很高的纤维材料，或者说将纤维材料设置于存在着相应的依据负荷条件的需要的那些位置上。

Claims (11)

1.纤维复合构件，特别是用于车辆结构的纤维复合构件，其具有纤维结构，该纤维结构包括至少一个纤维层(11)，其中，所述至少一个纤维层(11)中的至少一层由一定数量的预成形的纤维垫(11a-f)构成，其特征在于：所述至少一个纤维层(11)的所述数量的预成形的纤维垫(11a-f)中的第一预成形的纤维垫(11a，11e)与第二预成形的纤维垫(11b，11d-f)相比具有更大的纤维垫厚度(d1)。
2.如权利要求1所述的纤维复合构件，其特征在于：所述至少一个纤维层(11)包括纺织物层、稀松布层、编织物层和/或单向的或者多向的纤维层。
3.如权利要求1或2所述的纤维复合构件，其特征在于：预成形的纤维垫(11a-f)成面状并排地设置，以构成所述至少一个纤维层(11)。
4.如权利要求3所述的纤维复合构件，其特征在于：预成形的和成面状并排地设置的纤维垫(11a-f)在彼此相对的边缘区域内相互搭接设置，以构成所述至少一个纤维层(11)。
5.纤维复合构件，其特征在于：该纤维复合构件包括第一数量的力导入部段(13a，13c)，其中，在至少一个力导入部段(13a)的区域内的第一预成形的纤维垫(11a)与所述至少一个纤维层(11)的第二纤维垫(11b)相比具有更大的纤维垫厚度(d1，d1′)。
6.如权利要求5所述的纤维复合构件，其特征在于：该纤维复合构件(10)包括第二数量的将各力导入部段(13a，13c)相互连接的承载梁(13b，13d)，其中，在至少一个力导入部段(13a，13c)的区域内的所述第一预成形的纤维垫(11a，11c)与设置在该至少一个承载梁(13b，13d)的区域内的第二纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度(d1，d1′)。
7.如权利要求6所述的纤维复合构件，其特征在于：邻近所述承载梁(13b，13d)和/或邻近所述力导入部段(13a，13c)设置有填充面，其中，设置在填充面的区域内的预成形的纤维垫与力导入部段(13a，13c)的区域内的纤维垫(11a，11c)相比和/或与承载梁(13b，13d)的区域内的预成形的纤维件(11b，11d-f)相比具有更小的纤维垫厚度。
8.如权利要求6或7所述的纤维复合构件，其特征在于：设置在所述至少一个承载梁(13b，13d)的区域内的预成形的纤维件(11b，11d-f)具有沿着承载梁(13b，13d)定向的延伸。
9.用于制造具有纤维结构的纤维复合构件的方法，所述纤维结构包括至少一个纤维层，该方法包括如下步骤：
-为了构成所述至少一个纤维层，制备一定数量的预成形的纤维垫，
-将预成形的纤维垫置入注射模中，
-关闭注射模，将预成形的纤维垫浸渍并硬化成纤维复合构件，
其中，所述至少一个纤维层的所述数量的预成形的纤维垫中的第一预成形的纤维垫与第二预成形的纤维垫相比具有更大的纤维垫厚度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：将预成形的纤维垫成面状并排地和在彼此相对的边缘区域内相互搭接地设置，以构成所述至少一个纤维层。
11.如权利要求1至8之任一项所述的纤维复合构件，其特征在于：该纤维复合构件构造为机动车的车门结构和/或车辆框架件。
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