CN106273554B - 用于制造复合增强构件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造复合增强构件的装置和方法，该方法包括：浸渍步骤，将树脂浸渍到从多个轴架上抽出的增强纤维中；不均匀分布步骤，使树脂浸渍的增强纤维穿过引导件，以便以这样的方式调节增强纤维中的空间，该方式使得根据复合增强构件的截面的区域而使增强纤维以单位面积的不同密度分布；形成步骤，引导增强纤维从引导件进入模子中；以及固化步骤，固化浸渍到从模子中暴露出来的增强纤维中的树脂。

Description

用于制造复合增强构件的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造复合增强构件的装置和方法，其中，纤维以构件的截面的单位面积上的不同密度分布，由此选择性地增强关注的区域。

背景技术

在用于形成具有限定的截面的连续纤维增强复合结构的常规技术中，是利用这样的浸渍方法，即将增强纤维浸入到液体树脂中或以高压喷射树脂。

鉴于其性能，增强构件在其整体上不需要均匀的强度。然而，因为在形成步骤内纤维的均匀分布，所以常规技术难以选择性地增强关注的区域。

充分考虑到常规技术的该问题，本发明提供了一种用于制造复合增强构件的方法和装置，该方法和装置通过调节纤维增强部之间的空间以便使纤维增强部根据构件的截面区域以单位面积的不同密度分布来满足给定的条件，由此增强关注的区域的强度。

如背景技术部分描述的内容仅旨在增加对本发明的背景的理解，而不应被认为是本领域技术人员已知的现有技术。

发明内容

为了完成以上目的，本发明提供了一种用于制造复合增强构件的方法，该方法包括：浸渍步骤，将树脂浸渍到从多个轴架抽出的增强纤维中；不均匀分布步骤，使树脂浸渍的增强纤维穿过引导件，以便以这样的方式调节增强纤维中的空间，该方式使得根据复合增强构件的截面的区域而使增强纤维以单位面积的不同密度分布；形成步骤，引导增强纤维从引导件进入模子中；以及固化步骤，固化浸渍到从模子中暴露出来的增强纤维中的树脂。

在本发明的一个实施方式中，该方法在不均匀分布步骤之后可进一步包括：半固化步骤，将纤维的树脂固化10％～20％；以及拉伸步骤，拉伸纤维。

在本发明的另一实施方式中，该方法在固化步骤之后可进一步包括增强步骤，在半固化构件上沉积由纤维组成的织物层。

在本发明的另一实施方式中，该方法在固化步骤之后可进一步包括加工步骤，根据用途将半固化构件切割为预定尺寸。

在本发明的另一实施方式中，从轴架上抽出的纤维在抗拉强度上彼此不同。

在本发明的另一实施方式中，从对应于纤维以高密度分布的区域的轴架上抽出的纤维在抗拉强度上比从对应于纤维以低密度定位的区域的轴架上抽出的纤维更高。

根据其另一方面，本发明提供了一种用于制造复合增强构件的装置，该装置包括：树脂浸渍机，用于将树脂浸渍到纤维中；引导件，用于调节穿过其的纤维中的空间，以便根据增强构件的截面的部分以单位面积的不同密度来分布纤维；模子，用于模制树脂浸渍的纤维；以及树脂固化机，用于固化增强纤维的树脂。

在本发明的一个实施方式中，该装置可进一步包括：半固化设备，用于固化纤维的树脂的10％～20％；以及拉伸模具，具有尺寸小于入口的出口。

在本发明的另一实施方式中，该装置可进一步包括层压机，用于在半固化构件上沉积由纤维组成的织物层。

在本发明的另一实施方式中，该装置可进一步包括切割刀片，用于根据用途将半成品切割为一尺寸。

附图说明

本发明的以上和其它目的、特征和优点将结合附图从下文的详细描述中更清楚地理解，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的用于制造复合增强构件的装置的顶视图；

图2示出了引导件的入口的截面以及引导件的截面，其中纤维供应至该入口，并且纤维通过该引导件行进；

图3是根据本发明的实施方式的模子；

图4是选择性增强的增强构件的视图；以及

图5是示出了A形柱中的选择性增强的增强构件的分布的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。在以下描述中，应注意的是，当常规元件的功能以及与本发明相关的元件的详细描述可能使得本发明的主旨不清晰时，将省略对那些元件的详细描述。

根据本发明的一方面，本发明提出了一种制造复合增强构件的方法，该方法包括：浸渍步骤，将树脂浸渍到从多个轴架(creel)100上抽出的增强纤维110中；不均匀分布步骤，使树脂浸渍的增强纤维110穿过引导件400，以便以这样的方式调节增强纤维110中的空间，即该方式使得根据复合增强构件的截面的区域而使增强纤维110以单位面积的不同密度分布；形成步骤，引导增强纤维110从引导件400进入模子700中；以及固化步骤，固化浸渍到从模子700中暴露出来的增强纤维110中的树脂。

本发明涉及一种复合结构构件的制造，其特征在于这样的过程：将树脂浸渍到从多个轴架100中抽出的纤维110中；将纤维形成为复合结构构件的形状；以及固化树脂。这种制造方法有利于形成和制造具有某种截面形状的结构构件。

浸渍到纤维110中的树脂的实例包括，环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、以及聚酰胺。

引导件400适于分布纤维。在不均匀分布步骤中，树脂浸渍的纤维110是不均匀定位的，以便使得垂直于纤维穿过引导件400的方向的截面上的单位面积的纤维密度根据截面上的区域而不同，由此实现复合结构构件的制造，其中纤维110以不同的密度局部分布。图2示出了引导件的入口410的截面和引导件的出口420的截面，纤维被供给至该入口，并且纤维行进穿过该出口。

对于提高结构的稳定性起作用，增强构件通常应用在由于其上集中有外部冲击而使得需要强度和刚度的结构位置。因此，增强构件还接收从构件的一个区域到另一区域程度不同的外部冲击。

由常规拉伸过程制成的增强构件具有在其截面上均匀分布的纤维110，并且因此不会根据其区域选择性地增强。然而，在本发明中，可根据区域来调节单位面积的纤维密度以增强关注的区域，由此产生稳定性提高的增强构件。

此外，可将较少纤维定位在需要相对低的强度和刚度的区域中。因此，可有效利用给定资源，并且因此降低制造成本。

使用具有预定截面的模子700，多个增强纤维110形成为具有对应的、期望的截面。例如，当模子700具有弯曲的截面时，浸渍的纤维110形成为具有对应的截面的构件。如果冲击集中于增强构件的弯曲区域上，则增强构件应被制造为在弯曲区域处具有高密度的纤维。

在形成步骤之后，应用至纤维110的树脂被固化，以完成复合结构构件的制造。固化可在室温下或使用高温高压压制来实现。就产率而言，高温、高压压制的使用是有利的。

本发明的技术核心精神是提供一种用于制造复合增强构件的方法，该复合增强构件通过在需要更高强度和刚度的区域处分布更高密度的纤维110而局部增强。

在不均匀分布步骤之后，该方法可进一步包括：半固化步骤，将纤维110的树脂固化10％～20％；以及拉伸(drawing)步骤，拉伸纤维110。半固化步骤和拉伸步骤可依次或同时进行。在本发明的实例部分中，给出纤维在被拉伸和压缩的同时被半固化的情况的描述。

为了使用拉伸模具600来拉伸树脂浸渍的纤维110并且压缩拉伸的纤维，应提高树脂的浸渍与体积比。该提高的前提是树脂的半固化步骤。这是因为当浸渍到多个纤维110中的树脂未固化至某一程度时，在拉伸步骤中，树脂很有可能在穿过拉伸模具600的过程中由于其低粘度而流动。

在半固化步骤中，优选地将固化进行到10％～20％的程度。例如，当固化程度在10％以下时，在拉伸处理的过程中树脂有可能移动。另一方面，当固化程度超过20％时，可成形性变差，使得截面难以形成为期望形状。此外，在固化程度在20％或以下时，树脂可通过预加热重新模制并形成在由增强纤维组成的织物层上。

在半固化步骤的过程中控制树脂的温度，使得浸渍到多个增强纤维中的树脂在形成步骤之前保持低粘度。对于具有180℃以上的固化温度的环氧树脂，例如，进行半固化步骤时的温度调节为约80℃～85℃，以便将树脂的粘度保持在低水平，因此保证树脂的可成形性。根据树脂的种类改变待控制的温度。

在拉伸模具中，提高并控制温度。在提高的温度下，树脂粘度变低，并且当树脂移向拉伸模具的出口时，因为模具在出口变窄，所以树脂被压缩。在这个过程中，纤维分布引导件的去除可避免在产品中形成空隙和间隙。在拉伸步骤之后，即，正好在形成步骤之前，控制温度以便将浸渍到多个增强纤维中的树脂的粘度保持在低水平，由此最大化多个增强纤维的可成形性。

为了实现10％～20％的固化程度，首先，应测量在某一条件下每小时的固化速度。根据测量，在拉伸步骤中评估多个增强纤维110的固化速率，并且进而优选设置10％～20％的固化程度所需要的固化范围。

在本发明的一些实施方式中，可在拉伸步骤与形成步骤之间获得梁，在该梁中，由补充(supplement)纤维组成的织物(fabric)层全部沉积在增强纤维的表面上或局部沉积在待增强的一部分的表面上。该梁可应用于各种汽车部件，诸如，FEM(前端模块)载体、保险杠、车门防撞梁等。

在固化步骤之后，该方法可进一步包括增强步骤，在半固化构件上沉积由纤维组成的织物层。

当使用织物层沉积时，由树脂及纤维110组成的增强构件将具有进一步提高的强度和刚度。织物可全部沉积在半固化构件的表面上或局部沉积在待增强的一部分的表面上。

在固化步骤之后，该方法可进一步包括加工步骤，根据用途将半固化构件切割为预定尺寸。

由于获得的所有半成品都是通过相同的模子700形成的，因此它们具有相同的截面。当半成品比最终的复合增强构件更长时，可使用刀片900将它们切割为具有相同截面的多个复合增强构件。

在本发明的另一实施方式中，从轴架100上抽出的纤维110可在抗拉强度上彼此不同。

从对应于增强纤维以高密度分布的区域的轴架100上抽出的增强纤维在抗拉强度上比从对应于增强纤维110以低密度定位的区域的轴架100上抽出的增强纤维更高。

碳纤维的抗拉强度更高，但却比玻璃纤维更昂贵。为了用有限成本制造功能良好的复合增强构件，在需要相对低的抗拉强度的区域中使用便宜但强度低的增强纤维110，并且在需要相对高的抗拉强度的区域中使用相对昂贵但强度高的增强纤维，这是有效的。

当根据本发明的实施方式的增强构件制造得如图4所示时，该增强构件可以以下方式选择性地增强：碳纤维负责需要高机械性能的中央和相对端(黑色)区域的60％～70％的体积，以及弯曲区域(斜线)的40％～50％的体积，同时需要相对低性能的其它区域(点的)由玻璃纤维制成。

如图5所示，增强构件可分布在A形柱内部。

根据本发明，复合增强构件选择性地增强，其中，在需要高物理性能的区域中，增强纤维以高密度分布；并且在需要相对低的物理性能的区域中，增强纤维以低密度分布。

此外，如果与从对应于需要纤维以单位面积的低密度分布的区域的轴架100中抽出的增强纤维110相比，从对应于需要纤维以单位面积的高密度分布的区域的轴架100中抽出的增强纤维设置为具有更高的抗拉强度，则可根据区域进一步形成选择性的增强。

如果采用玻璃纤维作为与钢构件接触的部分中的增强纤维110，则根据本发明的实施方式的复合增强构件可防止电偶腐蚀。

根据其另一方面，本发明提出一种制造复合增强构件的装置，该装置包括：树脂浸渍机300，用于将树脂浸渍到纤维110中；引导件400，用于调节穿过其的纤维110中的空间，以便根据增强构件的截面的部分使纤维110以单位面积的不同密度来分布；模子700，用于模制树脂浸渍的纤维110；以及树脂固化机800，用于固化增强纤维110的树脂。

为了用作增强构件，从多个轴架100抽出的纤维使用随后固化的树脂涂覆。在这个过程中获得的复合增强构件具有高强度以及轻重量。此外，复合增强构件易于制造。

树脂浸渍机300负责使用树脂来浸渍纤维110。在本发明的一个实施方式中，可将纤维110浸入含有树脂的浴器中并且从其中取回，或可将树脂喷射在纤维110上。

可安装用于均匀分布从多个轴架100上抽出的纤维110的纤维分布板200，使得允许纤维穿过树脂浸渍机300之前的纤维分布板200。纤维分布板200具有尺寸相同并且间隔开规则间隔的多个通孔，以便随着纤维110穿过纤维分布板200时，纤维以与通孔相同的方式分布。

引导件400用于通过调节穿过其的纤维110中的空间来根据增强构件的截面的部分而使纤维110以单位面积的不同密度分布，该引导件是用于实现本发明的技术核心精神的必要元件。

纤维110在其截面上均匀分布的增强构件可仅通过使用树脂浸渍从多个轴架100抽出的纤维并且固化该树脂来制造。然而，在穿过用于将纤维以不均匀方式分布的引导件之后，浸渍的纤维被划分为纤维密度彼此不同的许多束。

允许不均匀分布的纤维110进入模子700，在该模子中，构件可设置有限定的截面。模子负责该功能。

当纤维110在模子700中被模制为期望形状之后，纤维110存在于树脂中。然后，树脂通过树脂固化机800被完全固化。

在本发明的另一实施方式中，该装置可进一步包括辊子，通过该辊子，纤维110可从多个轴架100被连续抽出，并且运行穿过树脂浸渍机300、引导件以及树脂固化机800。

在本发明的另一实施方式中，该装置可进一步包括：半固化设备500，用于固化纤维110的树脂的10％～20％；以及拉伸模具600，具有尺寸小于入口的出口。半固化设备500以及拉伸模具600可设置为单独的部件，或者通过将加热设备合并入拉伸模具600中而设置为单个部件。

为了进一步增加纤维密度的区别，不均匀分布纤维可被朝向拉伸过程引导。然而，当树脂保持未固化时，树脂在穿过拉伸设备600的过程中可能脱落。因此，应将树脂固化至某一程度。

在该情况下，使用半固化设备500将树脂固化10％～20％。当固化程度在10％以下时，树脂在拉伸处理的过程中有可能移动。另一方面，当固化程度超过20％时，可成形性变差，使得截面难以形成为期望形状。

在本发明的另一实施方式中，该装置可进一步包括层压机850，用于在半固化构件上沉积由纤维组成的织物层。

当沉积有织物层时，由树脂以及纤维110组成的增强构件将具有进一步提高的强度和刚度。层压机850负责这个角色，并且织物沉积于其上的区域可根据设置而改变。

在本发明的另一实施方式中，该装置可进一步包括切割刀片，用于将半成品切割为合适尺寸。

当半成品比最终的复合增强构件更长时，可使用刀片900将半成品切割为具有相同截面的多个复合增强构件。

可使用刀片900将半成品切割为具有相同截面的多个复合增强构件。

如迄今所描述的那样，根据本发明的用于制造复合增强构件的装置和方法可使增强纤维根据复合增强构件的截面的区域以单位面积的不同密度分布，以便可选择性地增强复合增强构件。此外，可有效利用给定资源，并且因此制造成本降低。

此外，可根据区域来调节单位面积的纤维密度，以便增强关注的区域，由此形成相比于常规构件在功能上得到改善的增强构件。

尽管为了说明目的，已公开了本发明的优选实施方式，但是，本领域技术人员应当理解，在不偏离所附权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加、以及替代都是可能的。

Claims (8)

1.一种用于制造复合增强构件的方法，所述方法包括：

浸渍步骤，将树脂浸渍到从多个轴架上抽出的增强纤维中；

不均匀分布步骤，使树脂浸渍的所述增强纤维穿过引导件，以便以这样的方式调节所述增强纤维中的空间，该方式使得根据所述复合增强构件的截面的区域而使所述增强纤维以单位面积的不同密度分布；

半固化步骤，将所述增强纤维的树脂固化10％～20％；

拉伸步骤，在所述半固化步骤之后，拉伸所述增强纤维以便进一步增加纤维密度的区别，通过拉伸模具执行所述拉伸步骤，所述拉伸模具具有尺寸小于入口的出口；

形成步骤，引导所述增强纤维从所述引导件进入模子中；以及

固化步骤，固化浸渍到从所述模子中暴露出来的所述增强纤维中的树脂，

其中，所述增强纤维的树脂的10％～20％的固化程度通过以下步骤来实现：

测量所述增强纤维在某一条件下每小时的固化速度；

评估所述增强纤维的固化速率；以及

设置所述增强纤维的树脂的10％～20％的固化程度所需要的固化范围。

2.根据权利要求1所述的方法，在所述固化步骤之后，所述方法进一步包括增强步骤，在半固化构件上沉积由补充纤维组成的织物层。

3.根据权利要求1所述的方法，在所述固化步骤之后，所述方法进一步包括加工步骤，根据用途将半固化构件切割为预定尺寸。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述轴架上抽出的所述增强纤维在抗拉强度上彼此不同。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，从对应于所述增强纤维以高密度分布的区域的所述轴架上抽出的所述增强纤维在抗拉强度上比从对应于所述增强纤维以低密度定位的区域的所述轴架上抽出的所述增强纤维更高。

6.一种用于制造复合增强构件的装置，所述装置包括：

树脂浸渍机，用于将树脂浸渍到增强纤维中；

引导件，用于调节穿过所述引导件的所述增强纤维中的空间，以便根据所述复合增强构件的截面的部分使所述增强纤维以单位面积的不同密度分布；

半固化设备，用于固化所述增强纤维的树脂的10％～20％；

拉伸模具，具有尺寸小于入口的出口，通过所述拉伸模具执行拉伸步骤，以便拉伸所述增强纤维从而进一步增加纤维密度的区别；

模子，用于模制树脂浸渍的所述增强纤维；以及

树脂固化机，用于固化所述增强纤维的树脂，

其中，所述半固化设备布置在所述引导件与所述拉伸模具之间，并且

其中，所述增强纤维的树脂的10％～20％的固化程度通过以下步骤来实现：

测量所述增强纤维在某一条件下每小时的固化速度；

评估所述增强纤维的固化速率；以及

设置所述增强纤维的树脂的10％～20％的固化程度所需要的固化范围。

7.根据权利要求6所述的装置，所述装置进一步包括层压机，用于在半固化构件上沉积由补充纤维组成的织物层。

8.根据权利要求6所述的装置，所述装置进一步包括切割刀片，用于根据用途将半成品切割为一尺寸。

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