CN104853903A - 制造塑料复合制品 - Google Patents

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CN104853903A
CN104853903A CN201380058609.8A CN201380058609A CN104853903A CN 104853903 A CN104853903 A CN 104853903A CN 201380058609 A CN201380058609 A CN 201380058609A CN 104853903 A CN104853903 A CN 104853903A
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CN
China
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thermoplastic
product component
product
fiber
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CN201380058609.8A
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M·莱曼
J·迈耶
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Woodwelding AG
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Woodwelding AG
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Abstract

根据本发明的一个方面，提供了一种制造产品的方法，其具有以下方法步骤：-提供第一(1)和第二(2)产品部件，各自包含纤维结构；-相对于彼此并且贴着支撑物(15)布置所述第一(1)和第二(2)产品部件；-提供包含热塑性材料的连接元件(11)；-按压所述连接元件(11)贴住产品部件(1、2)，从而在连接元件(11)和支撑物(15)之间压紧半制成的部件，以及用能量冲击连接元件(11)，从而使连接元件(11)的热塑性材料变得可流动，以及使连接元件(11)被压入产品部件(1、2)中；以及-使热塑性材料重新固化，从而将所述第一(1)和第二(2)产品部件相互连接。

Description

制造塑料复合制品
发明领域
本发明属于纺织品领域以及纤维增强复合材料领域。本发明尤其涉及连接两个纤维产品部件而将它们制造成产品，以及涉及用于复合材料制品的成型工艺的纤维预型件。
发明背景
在具有纤维增强，特别是连续纤维的纤维增强的复合材料的制品成型时，经常制备纤维增强的预型件(半制成的纤维产品)，然后加入浸渍半成品的聚合物基体。半制成的纤维产品可以是纤维织物(织造的(woven)、针织的、编织的、缝纫的)、纤维缠结、纤维垫、单向取向纤维的层或纤维集合的其它结构的形式。对于某些应用，半制成的纤维产品可以是预浸渍的，而保留其纺织或纤维特性。
对于成型工艺，半制成的纤维产品通常是手动地放入模具中的。然后，关闭模具以及然后注入基体材料(例如，在传递模塑法中，特别是在树脂传递模塑法RTM中)，或者加入基体材料以及然后关闭模具(例如，在压缩模塑法中)，或者基体已被混合为具有增强纤维的基体纤维以及随后在模塑工艺中固结成固体材料。
如果更大的元件-特别是具有更大面积或更复杂形状(其具有显著的翘弯和/或特别不可展开的表面几何图形)的稍平元件需要成型(模塑)，经常不可能提供用于整体元件的单一的半制成的纤维产品，但是数个预型件需要沿模具排齐。为了将它们稳定地保持在其位置以及为了得到最终制品的均匀机械强度，它们彼此钉住。根据现有技术，这可以通过缝合(在模具中不可行的，对于大面积的部件是困难的)、装订(stapling)(金属钉可能遭受腐蚀，可能由于不同于复合材料的材料性质而产生内应力，并且可能扭曲纤维的取向)或经由小针注入树脂粘合剂(可能引起局部增厚/打结，具有降低的对剪切力的稳定性)来实现。
为了用于纤维增强的复合材料的模塑工艺，拥有用于连接半制成的纤维产品部件的改进的方法将是有利的。
同样地，对于其它应用，需要连接纺织品结构的方法，所述其它应用例如，在纺织业中，例如，对于制造衣物或亚麻制品，但是也例如，对于将纺织品制造成建筑(building)或结构(construction)材料。根据现有技术，主要通过缝纫或缝合或可能地装订进行纺织品结构的连接。虽然建立了这些方法并且对于许多情况提供了好的结果，但是它们具有其缺点。例如，提供充分小心的接缝常常是困难的。
发明概述
因此，本发明的目的是提供克服现有技术方法的缺点的方法。尤其是，本发明的目的是提供一种用于连接半制成的纤维产品部件的方法，例如，为了用于纤维增强复合材料的模塑工艺或作为纺织品物体。本发明的另一目的是提供相应的模塑方法。
根据本发明的一方面，提供了制造产品的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一和第二产品部件，各自包含连续纤维或非连续纤维结构，所述纤维的平均长度为例如至少10mm或至少20mm和/或所述纤维属于短纤维(fiber staple)构造，当短于这些值时，稳定在纺纱中；
-相对于彼此并且贴着支撑物布置所述第一和第二部件；
-提供包含热塑性材料的连接元件；
-按压所述连接元件贴住产品部件，从而在所述连接元件和支撑物之间压紧产品部件，以及用能量冲击所述连接元件，从而使所述连接元件的热塑性材料变得可流动，并且使所述连接元件被压入产品部件中；以及
-使热塑性材料重新固化，从而将所述第一和第二产品部件相互连接。
产品可以为用于纤维增强复合材料的制品的模塑工艺的半成品。那么产品部件为半制成的纤维产品部件。
供选择地，产品可以为其它的纺织产品，例如，用于一片衣物或亚麻制品或作为建筑工业或建造工业(building or construction industry)中的构造材料。
产品部件的材料是软且柔韧的。它是非粘结性的(non-coherent)材料，即：它不遵守经典固体力学-因此单独的结构元件如线(threads)或纤维可以被取代(局部压缩、局部去除)，而对邻近的元件仅具有非常有限的或甚至没有影响。
在实施方案中，该非粘结性的结构可以受预聚合的材料约束，该预聚合的材料只在制造工艺结束以后(即：只在引入一个或多个连接元件将所述第一和第二产品部件相对于彼此连接之后)得到其最终性质。
产品部件尤其可以为纤维缠结或结构或规律地布置的纤维，例如，纺织品。尤其是，它们可以为/包括相对于彼此布置的纤维结构，使得具有多个纤维交叉的点，以及使得纤维相对于彼此是可移动的。在纤维结构内，在多个实施方案中具有可以填充热塑性材料的空的空间。产品部件本身将是柔韧的，例如，在室温下也是，即它们可以变形并且形状适合它们放置在其上的表面的形状。总计，一般存在多个纤维的层(不论所述层是否是有序的以及可识别的)，以及产品部件的厚度将比纤维结构的纤维的直径大至少一个数量级，通常大至少30因数。
产品部件可以包括稍平的部分或者可以是整体稍平的。在布置步骤中，第一和第二产品部件可以例如布置成在重叠区域重叠。然后，按压连接元件贴住产品部件的步骤可以包括在重叠区域如此实施。
供选择地，产品部件可以彼此邻近布置，使得它们的边缘邻接，以及连接元件可以包括多个部分，在按压步骤中，这些部分的至少一个被按压入一个产品部件而至少一个其它的部分被按压入其它的产品部件。所述部分通过尺寸稳定的或可变形的材料的近端桥连接。
按压和冲击步骤可以完全同时或部分同时实施，例如，首先按压，然后保持压力的同时开始冲击。
可以重复提供连接元件的步骤、按压和冲击步骤以及使热塑性材料重新固化的步骤，从而引入多个连接元件，每个连接元件限定了产品的连接点或连接面积。
连接元件可以被成形为甚至在没有冲击能的情况下在按压它时刺入该连续或非连续纤维结构的形状。尤其是所述连接元件可以包括一个或多个刺穿尖端。
在这方面，连接元件可以为针形的(pin-shaped)或包括至少一个针形部分。如果部件重叠，并且连接元件插入重叠区域，针或针形部分可以被选择为具有超过所述部件的单独一个的厚度的长度，例如，所述长度至少相当于所述两个部件的结合厚度。连接元件可以具有一个远端尖端-或者多个远端尖端-以及用于在能量中耦合的近端非耦合表面(incouplingsurface)，例如，由头部和平的近端表面部分形成的连接元件。
在供选择的实施方案中，连接元件可以包括多个由近端桥部分连接的针部分。每个针部分具有一个或多个远端尖端。
该供选择的实施方案可以对于产品部件彼此邻近的方法是尤其有利的。换言之，在具有这样的桥部分的实施方案中，产品部件不必须重叠。当然，它们可以相对于彼此放置，使得它们的末端表面/边彼此邻近，以及然后引入一个或多个连接元件，使得至少一个针部分刺入产品部件中的一个而至少一个其它的针部分刺入其它的产品部件。
所述能量可以包括机械能或辐射能或热。
根据一个实施方案的能量可以以机械振动，特别是超声波振动的形式施加。振动从近端侧面(远离尖端的侧面-如果有)耦合到连接元件。为此，连接元件的近端侧面可以包括非耦合表面，例如，平面。如果连接元件具有头部分，非耦合表面可以由头部分的近端表面形成。振动由具有例如相应地适合的远端表面的工具(超声波发生器)耦合到连接元件。
适合用于根据本发明的方面的装置和方法的机械振动或振荡优选地具有2至200kHz(更优选地10至100kHz，或20至40kHz)的频率和0.2至20W每平方毫米活性表面的振动能量。例如，振动元件(工具，例如超声波发生器)被如此设计，使得其接触面主要在元件的轴线的方向振荡(纵向振动)以及具有1至100μm，优选地约10至30μm的振幅。旋转的或径向振荡也是可行的。
对于装置的具体实施方案，使用产生锚定材料液化所需要的必要摩擦热的转动代替机械振动是可行的。这样的转动优选地具有10’000至100’000rpm的速度。用于产生所期望的液化的热能的另一方式包括将电磁辐射耦合入连接元件，以及将其设计成能够吸收电磁辐射，其中，这样的吸收优选地发生在材料内，从而变成可流动的或在其紧邻处变成可流动的。优选地使用可见或红外频率范围内的电磁辐射，其中，优选的辐射源为相应的激光。装置部件中的一个的电加热也可以是可行的。
在本文中的用语“能够例如通过机械振动变得可流动的热塑性材料”或简短用语“可液化的热塑性材料”或“可液化材料”或“热塑性的”被用于描述包含至少一种热塑性成分的材料，在受热时、尤其是摩擦受热时，即当布置成与彼此接触并相对于彼此振动或转动的一对表面(接触面)之一时，该材料变成液体(可流动的)，其中振动频率为2kHz至200kHz，优选地20至40kHz，以及振幅为1μm至100μm，优选地大约10至30μm。这样的振动例如通过超声装置如超声波焊接已知的装置产生。通常，如果材料具有大于0.5GPa的弹性系数，则是有利的。
材料的具体实例为：聚醚酮(PEEK)；聚醚酰亚胺、聚酰胺，例如聚酰胺12、聚酰胺11、聚酰胺6或聚酰胺66；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚甲醛；或聚碳酸酯聚氨酯(polycarbonateurethane)；聚碳酸酯或聚酯碳酸酯(polyester carbonate)；或还有丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、苯乙烯-丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯；或者这些的共聚物或混合物。
除了热塑性聚合物之外，连接元件的材料也可以包含合适的填充剂，例如，诸如玻璃纤维和/或碳纤维的增强纤维。所述纤维可以是短纤维、长纤维或连续纤维。
尤其是，连接材料的纤维填充剂可以是取向的，例如，在z-方向上(相当于连接元件的近远方向，垂直于由平的半成品部件限定的平面)取向的。在这方面，连接元件不仅起到连接部件的作用，也起到增强作用，特别是对抗最终制品上的剪切力。
根据一组实施方案，连接元件可以由热塑性材料、纯的聚合物或具有填充剂的聚合物组成。
根据另一组实施方案，连接元件可以包括材料的芯，所述材料的芯是不能被足以液化热塑性材料的能量液化的(以及，例如，尤其是在低于350℃或低于250℃的温度下不可液化的)；这样的芯可以包括例如金属、陶瓷或诸如热固性塑料的不可液化的塑料的薄销。尤其是，这样的芯可以具有在后续步骤中将被用于模塑所述制品的材料，即基体材料，所述芯处于硬化状态。
根据又一组实施方案，连接元件可以包括至少两种不同热塑性材料的多相(heterogeneous)组合物，其中，在另一种热塑性材料的熔融温度下，所述热塑性材料之一远远高于其玻璃转化温度(例如，它在其玻璃转化温度之上至少50℃)。例如，热塑性材料的熔融温度可以相近。热塑性材料的第一热塑性材料可以被溶剂，例如，水溶解。则所述方法可以包括在使所述材料重新固化的步骤之后的、使多相组合物与溶剂接触来溶解第一热塑性材料的附加步骤。这将产生密度较低的，以及由此可更好地压缩的且可能更柔软的连接。这可能有利于纺织工业中的应用。
第二热塑性材料可以以由该第二热塑性材料熔化成的多个基本平行的细丝的形式存在。
在这方面，可以适合用作第一热塑性材料的材料为聚乙烯醇(PVA)。这样的组合物中的第二热塑性材料可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。第一热塑性材料的替代物为多糖。两者在纺织工业中典型地使用的用来除去次级结构的溶剂例如醇、THF、丙酮等中是可溶的。
在不同组的实施方案中，连接元件可以，例如在表面区域，包括具有与其它区域的热塑性材料相比降低的强度(降低的弹性系数)和/或降低的玻璃转化温度的材料。例如，这样的降低强度的区域可以包含复合基体材料的单体或低聚物，该单体或低聚物被局部地吸收到热塑性材料中(例如，通过在插入连接元件之前浸渍入单体溶液中)，并且在随后的复合材料制品的渗透和固化工艺中的冲击能量过程中或之后聚合，由此与基体材料形成聚合键。适合用于此的针材料的实例为聚酯或基于丙烯酸酯的聚合物。
当振动能耦合入连接元件中时，这样的降低强度/降低的玻璃转化温度的区域可以经受加强的内摩擦，从而在这些区域具有附加的能量吸收，使得这些区域的加热，至少在初时与其它区域相比是加强的。
产品部件可以是用于复合材料制品的成型(例如，模塑)工艺的半成品部件。半成品部件可以特别地包含纤维织物、纤维缠结、纤维垫或单向取向纤维的层。纤维材料可以是用于纤维增强的已知的任何材料，尤其是碳，玻璃，Kevlar，陶瓷，例如，多铝红柱石，碳化硅或氮化硅，高强度聚乙烯(Dyneema)等。
供选择地，产品部件可以是其它的纺织品结构，例如用于纺织工业的应用，如用于制造衣物或亚麻制品的纺织品，但是还例如用作功能性纺织品应用的纺织品结构(底纹、通讯、屏蔽、土工织物)和/或在建造和建筑中使用的纺织品。还在这方面，产品部件可以包含织物或缠结；例如，经编针织物、刺绣、非织造织物，例如毡。所述纤维可以是用于衣物的已知的纤维和/或被称为高强度和/或保护纤维的纤维。
产品部件的形状一般为平的，具有恒定的或非恒定的厚度，以及具有相配地适合于要制备的制品的目的的任意的外轮廓。这包括具有纤维束(fiber strands)形状的(即伸长的)产品部件。
产品部件可以由纤维组成，或者它们可以，除了(连续)纤维结构之外，还包括临时固定物-例如不同于纤维材料的材料的线状物(thread)。另外，或者作为供替代的选择，在作为用于模塑工艺的半成品的应用中，它们可以预浸渍有不具有空间稳定性的基体材料或其它材料，并且保持它们的纺织品/纤维特征。
在WO 98/42988和WO 00/79137中，在多孔材料中锚定热塑性紧固件的方法，该方法包括：按压包括热塑性材料的锚贴住多孔材料，同时使用振动能冲击锚直至热塑性材料至少部分液化，刺入气孔中，以及在重新固化后构成声音锚定(sound anchoring)。
本发明，相比之下，建议将连接元件插入不粘结的纤维结构中，所述纤维结构不(或不必然地)彼此粘着。本发明已经令人惊讶地洞悉：虽然由以上描述的方法步骤缺乏纤维结构的粘结性，但是满足了产生液化的条件，该液化使得部件相互紧固。
在实施方案中，如果对于将要发生的穿刺，满足了以下条件之一或组合，则其结果是有利的：
-纤维结构的密度在某一值以上；例如，(纤维结构的)纤维体积为围绕该纤维体积的体积的至少20％；通常地，如果纤维体积为周围/封闭体积的30％-65％，这是有利的；
-在某些情况下，例如，如果使用软化的表面层和/或如果实现了铆钉效果(见下文)，则密度可能稍微降低，具有例如10％纤维体积的最小密度，尤其是20％-65％。
-在高纤维密度的情况下，机械振动(尤其是超声)与一个缓慢融化的尖端/多个缓慢融化的尖端联合使用和/或与单独的预刺入步骤联合使用是尤其有利的。这是由于通过振动的尖端的穿刺，纤维可以在仅具有极小的纤维取向变化的情况下被代替，从而为连接元件的插入创造空间。这是因为，通过由振动引起的微运动，纤维被局部地移动(类似于大量粉末中的粉末颗粒)，并且纤维可以在具有极小摩擦的情况下被局部地代替，并且非常局部地、更密实地充满-类似于在浇注工艺过程中可以被声音液化的粉末。
进一步地，根据连接元件相对于部件厚度的尺寸，除了通过热塑性材料的纤维结构的穿刺之外，也可以通过在使材料变得可流动的过程中，按压连接元件的远端贴住支撑物来实现铆钉效果。从而，可以产生远端扩展或足部，其与头部(在实现铆钉效果的实施方案中，头部可以是有利的)和在头部和足部之间的轴部一起使得连接元件充当铆钉。如果纤维结构的密度相对低，该铆钉效果可以是尤其有利的，例如，对于低于20％周围体积的纤维体积；但是任选地对于高于该值的密度也是有利的。
在该实施方案以及在其它实施方案中，可以制备头部，使得最初的连接元件具有这样的头。另外，或者作为供替代的选择，也可以在按压和例如通过超声波发生器的冲击过程中，在连接元件的近端至少部分液化之后形成头部。
支撑物可以为非振动支撑物，例如工作台等或模具的部分，在随后的步骤中制品在所述模具中被铸造。供选择地，支撑物可以为振动支撑物。例如，如果适当，冲击和按压步骤可以包括压缩在两个超声波发生器之间的、部分地具有所引入的连接元件的部件的重叠区域。在这方面-以及在具有非振动支撑物的实施方案中，在耦合-处于能量中之前，数个连接元件可以部分地被插入，使得数个连接元件可以同时被固定。
尤其是，对于包括随后的制品铸造的应用中，如果支撑物的形状(尤其是非振动支撑物)至少部分地与模具的形状一致，在随后的步骤中制品在所述模具中被铸造，这可能是有利的。因此，半成品可以以适当的方式被制造，而仅在铸造步骤所需要的最小的时间内使用模具。根据本发明的实施方案的方法由此带来了预型件制造工艺和铸造步骤的暂时的且立体的去耦合，同时以适用于模塑的方式保持了预型件制造的益处。
与通过针将树脂或类似物注入将要连接的部件之间的区域的现有技术方法相比，本发明在重叠区域压缩半成品，而不是使其膨胀。这减小了厚度畸变以及纤维顺序/方向的畸变。
另外，根据该方法，可以无论在模具内还是在模具外侧组合任意数量的半成品部件。这在降低每个制造周期模塑所需要的时间并由此最终降低制造周期时间方面可能是有利的。另外，该方法在方法自动化方面具有潜力。
尤其是，可能改善了生产率，其在于：预型件(半成品)在单独的模具中被制造，可以被运输和/或储存，并且当需要时，被转移到模具，在模具中进行模塑工艺。
所述方法提供了部件之间稳定的连接，即使是对于相对低量的热塑性材料(即，即使使用相对小的连接元件)。由此，即使产品部件的纤维是高度有序的，通过该方法仅引入了少数且小的局部缺陷。
更进一步地，与诸如注入粘合剂(其随后必须硬化)的其它方法相比，本文描述的方法对于操作人员基本上可以作为一步法实施，操作人员只需将连接元件按压入部件中，例如，通过振动产生装置，随后通过冷却将热塑性材料相当快速地重新固化。
在稠密纤维结构的情况下以及如果机械振动用作能量源，机械振动可以具有双重作用：除了是用于液化的能量源之外，它们也轻轻地略微移开纤维，从而为连接元件清除并制造空间-与可能破坏纤维和结构的仅将钉按压入材料的方法相比。在一个实施方案中，因此，在不迟于连接元件的一个尖端/多个尖端开始被引入到纤维结构时，开始振动。在这方面，可选择地，可以分两步实施机械振动的施加，例如，在第一清除步骤中具有比在第二液化步骤中更低的功率。
模塑纤维增强复合材料制品的方法可以包括以下步骤：提供模具，通过以上和/或以下所描述的方法制造半成品，将基体材料添加到模具中，同时将半成品置于模具中，以及硬化基体材料。其后，可以将模具(如果模具不是要制造的制品的部分)移走。
基体材料可以为聚合物基体材料。供选择地，也可以使用其它的基体材料，例如金属或陶瓷，使用用于形成陶瓷基复合材料(CMC)、金属基复合材料(MMC)或碳纤维增强碳复合材料(carbon reinforced carboncomposites)(CFC)建立的基体渗透或产生方法。
可以在模具中实施制造半成品的步骤(例如，如果模具具有两部分，部件置于一个模具半(mold half)中)，或者可以在模具外部实施制造半成品的步骤，随后将产品转移到模具。
添加(聚合物)基体材料的步骤可以包括将基体材料注入到关闭的模具中，例如，在传递模塑法，尤其是树脂传递模塑法中。作为替代注入基体材料的选择，也可以将基体材料倒入模具半中，随后关闭模具(压缩模塑法)。作为替代(热固性)树脂的选择，也可以添加热塑性材料(注入、倒入；如果使用热塑性混合纤维，通过提供部件和将它们放入模具中来实施添加的步骤)，在该情况下，硬化的步骤包括让模具冷却。
在该方面的优点为，与已知方法相比，基体渗透法和固化技术和基体材料均不必然地需要被修改。当然，关于铸造步骤，可以使用已建立的构思。
基体材料本身也可以包括填充剂，例如短纤维或长纤维增强。
一般地，在包括模塑的应用中，相对于由模具限定的制品体积，纤维结构的体积可以是这样的，使得最终由该方法制得的制品包括大量体积的(纤维结构的)长或连续纤维，例如，至少10％、至少20％、至少30％或至少40％，以及例如至多65％或70％。
在产品部件包括重叠区域的实施方案中，可以引入额外的质量控制和/或质量监控特征。该质量控制特征可以包括耦合来自近端或远端侧面的、通过连接元件的信号并通过各自的另一面检测信号。例如，这样的信号可以为光信号，即：可以在一个侧面将电磁辐射耦合入连接元件以及在另一侧面检测。在这些实施方案中，连接元件的材料组合物的信号传输能力需要不同于围绕它的复合材料的相应的传输能力。例如，在这方面连接元件可以是透明的，而产品部件(和可能地基体材料)不是。例如，当在使用过程中大量的剪切力作用在连接，从而引起连接元件的断裂时，则传输将改变。当检测这样的变化时，可以产生适当的警告。这样的应用在连接失败不是立即可见的和具有致命性的可能性的工业诸如航空工业中是尤其有用的。
附图的简要说明
以下，参照附图来描述实施本发明和实施方案的方法。附图是示意性的。在附图中，相同的标记表示相同或相似的元件。附图显示了：
-图1为将被连接成半成品的两个半成品部件；
-图2为具有连接元件和超声波发生器的重叠的部件；
-图3为插入重叠的部件的连接元件；
-图4为图3装置的变体；
-图5至8为连接元件的不同实施方案；
-图9为具有半成品的模具；
-图10和11为不具有重叠区域的连接产品部件；
-图12为其中连接元件包含两种不同热塑性材料的多相组合物的变体；和
-图13为连接质量监控的应用。
优选实施方案的描述
图1描绘了第一和第二平的产品部件1、2。产品部件在这里被假设为用于在模塑工艺中制造制品的半成品部件。然而，图1和随后的附图的教导也适用于连接用于不同目的纤维产品部件。产品部件包括连续纤维3，并且可以是纤维织物，尤其是织造的、针织的、编织的或缝纫的或以其它方式连接到纺织品样的结构、纤维缠结、单向取向纤维垫，例如，具有在各自层内均匀取向的不同层，等等。产品部件1、2在重叠区域5重叠。产品部件1、2可以任选地由连续纤维组成，或者它们可以包括其它的元件/材料。
图2显示了关于产品部件1、2放置的连接元件11以及超声波发生器14。描述的实施方案中的连接元件11一般是针状的，具有头部11.1和远端尖端11.7。其长度l(相当于在所描绘的构造中，在z向上的延伸)大于部件1的厚度tu，部件1形成了重叠区域中的上部部件。它可以与重叠部件的总厚度t是同一数量级，或者甚至超过该厚度。在一个实施方案中，不计尖端的针的长度-即头部以及头部和尖端之间的轴部的长度-大约相当于总厚度t。
这里连接元件由热塑性材料组成。
重叠的部件被置于非振动的支撑物15上。
为了在重叠区域中连接部件1、2，超声波发生器14将连接元件11按压入产品部件1、2，而机械能由超声波发生器14耦合入连接元件11。这样做直至连接元件的热塑性材料，在由吸收机械能产生的摩擦热的影响下，开始融化并按压入纤维结构。该方法例如是连续的直至连接元件在结构中基本完全沉孔(countersunk)，例如，与上部部件1的上面齐平。
图3中描绘了一种可能的结果。连接元件的材料穿刺上部的产品部件1的结构和下部的产品部件2的结构，并由此连接产品部件。
使用另外的连接元件重复该方法直至产生足够的连接点来提供所期望的机械稳定性。
支撑物15-这里为非振动支撑物-可以由工作台或其它合适的表面构成。它也可以供选择地由模具的部分构成，所述模具随后将用于模塑制品。
图4显示了图3中所显示的变体。与图3的实施方案相比，选择连接元件的尺寸和超声波发生器的操作参数，使得在按压和使用振动能冲击的过程中，连接元件的远端部分到达支撑物，部分的连接元件11液化与支撑物接触。结果可以是以上描述的连接效果的铆钉样增强。本文中，在该工艺之后，连接元件除了保留的头部11.1之外，也具有液化的且重新固化的热塑性材料的足部11.2。
图5描绘了连接元件21的另一实施方案。该连接元件具有两个针部分21.2、21.3，该连接元件同时具有远端尖端和连接针部分的近端的桥部分21.1。将该连接元件引入到纤维结构的方法与用于以上单个针的所描述的方法相似。
作为近端的桥部分，作为代替所显示的尺寸上的硬的桥部分的选择，可以使用诸如纺织品桥部分的弹性的桥部分。尤其是，所述连接元件可以为，例如，具有多个热塑性针的带或箔或平板(slab)(构成近端的桥部分)。
图6和7也显示了连接元件31、41的变体，具有分别有近端桥部分31.1、41.1连接的三个针部分31.2、31.3、31.4；41.2、41.3、41.4。每个针部分具有远端尖端。
图5-7的构思当然也可以被延伸到其它数量的针部分和任意形状的桥部分。
图8显示了连接元件51的变体，连接元件51为单一的针(具有一个轴)，但是具有多个尖端51.7、51.7。在引入到纤维结构的过程中，纤维可以陷入尖端51.7、51.8之间的凹陷51.9中，并且这可以导致纤维从其初始状态的降低的变形。这可能在井然有序的纤维结构例如纤维编织或单向取向纤维的层/束(bundles)的情况下是尤其有利的。
对于模塑工艺，产品部件1、2的半成品和连接元件11被置于模具中。图9显示了置于树脂传递模塑法(RTM)模具的下部的半模具61中的半成品。然后，通过将第二半模具62贴着第一半模具61(当然，也可以使用具有多于两个磨具部件的更复杂的模具)放置来关闭模具，以及通过至少一个注入通道62.1、62.2注入液体树脂。除了注入通道之外，所述模具还可以包括用于溢出空气的排气通道。硬化过程之后，打开模具，然后从模具移走成型的制品。
图10显示了相对于彼此放置在支撑物15上的两个产品部件1、2，例如，纺织品，其中，所述产品部件彼此邻近，没有重叠区域。借由至少一个(优选地多个)同一类的连接元件21将产品部件1、2彼此连接，连接元件21具有多个针部分和一个近端桥部分。在一个实施例中，产品部件1、2的边缘彼此邻近放置，多个连接元件21沿着所述边缘锚定以将它们缝合。虚线显示了超声波发生器14可以如何放置；在该方法过程中，超声波发生器从一个连接元件21向下一个移动。供选择地，可以使用同时覆盖多个连接元件的超声波发生器。如果使用不同于机械振动的其它能量源，应用相似的考虑。
在与具有非重叠的产品部件的图10和11中之一类似的应用中，如果产品部件的纤维相对于沿支撑物的平面的运动被束缚，它可能是有利的。例如，这适用于针织品(例如，经编针织布)、刺绣或非织造布，然而，取决于应用和预期施加在连接的水平力，常规编织的纺织品可能是不合适的。
图12还显示了用于与图10和11之一类似的结构的可选择的连接元件71。该连接元件包括嵌入第二热塑性材料的材料71.2中的多个第一热塑性材料的细丝71.1。所述第一热塑性材料在这方面可以是溶剂可溶解的，例如，水溶性的。尤其是，第一热塑性材料可以为PVA，而第二热塑性材料为PET。
也可以在不同于图12中显示的结构的其它结构例如，具有重叠区域的结构中任选地应用与参照图12所描述的连接元件相似的组合物连接元件。
图13显示了具有产品部件1、2的模塑制品，所述产品部件1、2是嵌入热塑性塑料的基体81中的半成品部件。连接元件11是透明的。光源91(例如，LED；在对于连接元件是透明的波长下发射)和传感器92的组合起质量监控的作用。以箭头93、94说明的、由水平力引起的连接元件11的断裂将导致降低的传输。
在这方面，根据第一可能性，基体材料81对于辐射具有某些透明度。基体甚至对于辐射可以是完全透明的，如果构成产品部件的纤维结构不是(完全)透明的。根据第二可能性，与所显示的结构相比，选择相应参数，使得连接元件11的近端和远端没有被任何基体材料覆盖。

Claims (25)

1.一种制造产品的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一和第二产品部件，各自包含纤维结构；
-相对于彼此并且贴着支撑物布置所述第一和第二部件；
-提供包含热塑性材料的连接元件；
-按压所述连接元件贴住产品部件，从而在所述连接元件和所述支撑物之间压紧所述产品部件，以及用能量冲击所述连接元件，
从而使所述连接元件的热塑性材料变得可流动，并且使所述连接元件被压入所述产品部件中；以及
-使热塑性材料重新固化，从而将所述第一和第二产品部件相互连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产品是用于纤维增强复合材料的制品的模塑工艺的半成品，以及其中所述产品部件为半制成的纤维产品部件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少在一定程度上同时实施所述按压和冲击步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，可以重复提供连接元件的步骤、按压和冲击步骤以及使热塑性材料重新固化的步骤，从而将多个连接元件引入到所述产品部件中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述连接元件包括至少一个刺穿尖端。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述连接元件为针形的，其具有至少一个远端尖端。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述连接元件具有近端的头部。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述连接元件具有多个针部分和连接所述针部分的远端桥部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述连接元件由热塑性材料组成。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述连接元件包括非热塑性材料的芯。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述冲击步骤包括将机械振动耦合入所述连接元件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述产品部件的纤维结构为纤维织物、纤维缠结、纤维垫或单向取向纤维的层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，作为变得可流动的结果，所述连接元件的热塑性材料浸透纤维的部分并填充纤维间的空隙，从而连接纤维。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，持续进行所述按压和冲击步骤直至所述连接元件的远端到达所述支撑物以及通过贴着所述支撑物被按压而被液化并由此形成远端的足部，借此所述连接元件也充当铆钉。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述产品部件是平的，以及在布置步骤中，所述第一和第二产品部件被布置成在重叠区域重叠，以及其中，在按压和冲击步骤中，在所述重叠区域内贴着所述产品部件按压所述连接元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述连接元件的长度超过重叠区域内的产品部件的总厚度。
17.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述产品部件是平的，其中在布置步骤中，所述第一和第二部件被布置成小的侧面相互邻近，其中所述连接元件包括至少两个由近端的桥部分连接的针部分，以及其中在按压步骤中，所述针部分中的至少一个被按压入所述第一产品部件以及所述针部分中的至少另一个被按压入所述第二产品部件。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述连接元件包含至少两种不同的热塑性材料的多相组合物，其中，所述热塑性材料的第一热塑性材料是溶剂可溶的，以及其中所述方法包括将在使所述材料重新固化的步骤之后的、使所述多相组合物与溶剂接触来溶解所述第一热塑性材料的附加步骤。
19.一种模塑纤维增强复合材料制品的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供模具；
-由根据前述权利要求中任一项所述的方法制造半成品；
-将基体材料添加到所述模具，同时将所述半成品置于磨具中；以及
-硬化所述基体材料，同时所述模具处于关闭状态。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述基体材料包含热固性聚合物。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述基体材料为热塑性塑料。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基体材料具有与所述连接元件的热塑性材料相同的成分。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中，在制造所述半成品的步骤之后且在添加聚合物基体材料的步骤之前，关闭所述模具，以及其中，所述添加聚合物基体材料的步骤包括通过注入通道向模具中注入聚合物基体材料，由此所述方法为传递模塑法。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法，其中，在添加聚合物基体材料的步骤之后，关闭所述模具。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中，所述纤维的总体积相当于所述制品体积的至少20％。
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