CN107000332B - 用于制造纤维增强塑料构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明给出一种用于基于用基体材料浸渍的纤维带制造由热塑性纤维增强塑料制成的构件的方法。在此，制造多个半成品(1)，各半成品分别具有多个纤维带(2)的未加固层。各半成品(1)这样布置在加固装置(5)中，使得各半成品(1)彼此直接接触。接着，各半成品(1)借助所述加固装置(5)加固，其中，各半成品(1)在加固过程中至少部分地互相连接。接着，互相连接的各半成品(1)借助分离装置(7)切断。

Description

用于制造纤维增强塑料构件的方法
技术领域
本发明给出一种用于制造纤维增强塑料构件的方法、尤其是一种基于用基体材料浸渍的纤维带制造由热塑性纤维增强塑料构成的构件的方法。
背景技术
纤维增强塑料构件具有由增强纤维构成的结构，其中，该由增强纤维构成的结构嵌入到塑料基体材料中。复杂且高质量的构件经常需要具有尽可能满足负载要求布置的纤维方向的多层纤维结构。使用已浸渍的热塑性纤维带作为用于所述制造的原材料。这样的纤维带通常由单层带状的纤维基本结构构成，该纤维基本结构已经利用所需的基体材料浸渍。这样的纤维带可例如用作卷材材料。例如在文献DE 42 18434 A1中说明一种用于制造这样的已浸渍纤维带的可能性。
已知的是，由这种已浸渍纤维带制造多层矩形板，这些板作为半成品用于进一步的加工。在文献US 2011/0111168 A1中说明可以如何由这样的纤维带制造多轴平板，这些板具有尽可能与方向无关的强度，并且这些板可以被仓储并且后续进一步加工。
根据现有技术，在分批工艺中通过静态挤压进一步加工半成品，其中，用于加固的板分别单独被放置到压制机中。这具有如下缺点，即单位时间生产的板的生产率下降。此外，根据现有技术，仅手动地引入和引出各板。
发明内容
因此，至少一些实施形式要解决的任务是，给出一种用于基于已浸渍纤维带制造由热塑性纤维增强塑料构成的构件的方法，借助该方法可提高半成品在加固时的生产率并且因此借助该方法可以节省时间和/或成本。
根据一种实施形式，在一种用于制造由热塑性纤维增强塑料构成的构件的方法中，制造多个半成品，这些半成品分别具有多层未加固的利用基体材料浸渍的纤维带。优选地，这些半成品分别具有多层纤维带，其中，在每个层中布置多个并排布置的纤维带，并且纤维带在层内可以相同或不同地定向。所述纤维带优选具有单层带状的、由纤维构成的纤维基本结构，其中，该纤维基本结构利用基体材料浸渍。所述纤维带也可以称作UD带。
在半成品内，相邻层的纤维带的纤维可以例如不同地定向。优选地，首先各纤维带互相仅通过局部的连接、例如逐点的焊接点连接。因此，存在作为未加固半成品的半成品，也就是说半成品的各个层在加固过程之前没有全表面地互相连接。所述半成品在此并且在下文中也可以被称作叠层(Layups)。此外，各个未加固的半成品优选以单独的形式存在，也就是说各半成品不互相连接。
已浸渍纤维带的纤维优选是单向的环形纤维。所述纤维可以例如是碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、玄武岩纤维或天然纤维。基体材料优选是热塑性塑料，例如PEEK、PEKK、PP、PE、PPS、TPE或聚酰胺。
在制造多个半成品之后，将各半成品这样布置在加固装置中，使得各半成品彼此直接接触。换句话说，各半成品在布置在加固装置中之后至少部分地接触。尤其是，每个半成品在布置在加固装置中之后应该与至少一个另外的半成品直接接触。优选地，除了第一个和最后一个布置在加固装置中的半成品，所有其他半成品与另外两个半成品直接接触，其中，所述另外两个半成品在相对置的两侧上接触相应的半成品。通过所说明的在加固装置内的布置可以有利地提高半成品在加固时的生产率。
在将半成品布置在加固装置中之后，借助该加固装置加固各半成品，其中，各半成品在加固期间至少部分地互相连接。例如，各半成品能够由于例如通过加固装置的热量输入引起的融化而进行互相连接。
在加固过程之后，借助分离装置分离互相连接的半成品。因此，各半成品在分离之后又以单独的形式存在。所述分离装置例如可以实施为刀具、圆盘刀、剪刀、激光、超声波刀片或振荡刀片。
根据另一种实施形式，各半成品在加固期间在连续或近似连续的过程中移动通过加固装置内的多个加热区域。例如，所述加固装置可以构造为组合的挤压和加热装置、尤其是构造为双带式压制机或间歇加热压制机。加固装置具有优选两个环形带，在所述两个环形带之间，半成品在加固时被引导通过各个加热区域。优选地，所述环形带由钢制成。替代地，环形带也可以具有聚四氟乙烯或由聚四氟乙烯制成。优选地，加固装置具有多个加热区域。在此，各加热区域优选具有不同的温度。例如，加固装置可以包括具有大约100℃温度的第一加热区域、具有大约380℃温度的第二加热区域以及具有大约60℃温度的第三加热区域。优选地，所述第一、第二和第三加热区域直接相继地布置，其中，第二加热区域布置在第一加热区域和第三加热区域之间。
根据另一种实施形式，全自动地将半成品布置在加固装置中。例如，一个或多个机械手可以抓持半成品并且将半成品布置在加固装置中。加固装置例如可以具有供给单元，该供给单元例如可以构造为输送带，并且该供给单元可以将半成品供给实际的挤压和加热装置。所述机械手可以例如借助真空抽吸装置或针式抓具抓持半成品并且放置到加固装置中或加固装置的供给单元中。借助自动化处理可以精确地且重复准确地布置半成品。
根据另一种实施形式，在加固之前分别将一个或多个外插入元件布置在两个直接相邻的半成品之间。优选地，外插入元件分别以其形状适配于直接相邻的半成品。例如，两个彼此直接接触布置的半成品形成一个空隙，在该空隙中可以布置一个或多个外插入元件。尤其是，彼此布置的半成品可以具有部分弯曲的侧面，以致无法使半成品彼此直接接触地布置，从而可以避免半成品之间的空隙。通过布置一个或多个外插入元件可以阻止在加固时出现的问题，例如由于半成品之间的空隙导致的压力下降。外插入元件优选具有距半成品最大5mm的距离。替代地，外插入元件可以直接接触半成品。优选地，外插入元件具有如下厚度，该厚度与半成品的厚度相差最大1.5mm，其中，“半成品的厚度”可以理解为垂直于纤维带的各个层的布置方向的、半成品的延伸距离。
根据另一种实施形式，半成品具有带有至少一个缺口的框架形状。该缺口优选从半成品的一个表面朝半成品的相对置的表面延伸。在横向上，该缺口优选在各侧由半成品的未加固的纤维带界定。根据一种优选的实施例，在加固半成品之前分别将内插入元件布置在各半成品的缺口中。由此可以实现：也可以加固设有缺口的半成品，因为在加固过程中不再存在如下危险，即由过程引起的在加固时产生的压力下降。此外，通过制造加固的具有缺口的半成品可以实现材料节省，因为可以制造框架形的半成品，而在加固过程后不必将处于内部的区域从半成品中裁去。
根据另一种实施形式，全自动地将内插入元件布置在缺口中。例如，内插入元件可以借助一个或多个机械手布置在缺口中。所述机械手可以例如具有真空抽吸装置或针式抓具或其他抓持元件，内插入元件可以利用它们被抓持并且被定位到缺口中。有利地，通过借助一个或多个机械手自动地处理可以实现精确且重复准确地放置内插入元件。
根据另一种实施形式，在加固半成品之后从缺口中移除内插入元件。移除内插入元件可以例如在将通过加固过程彼此连接的半成品分离之前或之后进行。优选地，借助一个或多个机械手在全自动过程中将内插入元件从缺口中移除。
根据另一种实施形式，内插入元件固定地与加固装置的带连接。例如，内插入元件可以与加固装置的环形带或与双带式压制机的环形带固定连接。内插入元件可以例如与加固装置的带焊接。在该实施形式中，半成品可以在加固过程之后这样从加固装置中取出，使得例如在全自动过程中借助一个或多个机械手从环形带中取出半成品，以致半成品的缺口没有内插入元件并且内插入元件固定地保持在加固装置的环形带上。
根据另一种实施形式，内插入元件以其形状和/或尺寸适配于相应的缺口。优选地，内插入元件在布置到缺口中之后在各侧具有距半成品最大5mm的距离。优选地，内插入元件具有如下厚度，该厚度与半成品的厚度相差最大1.5mm。
根据另一种实施形式，内插入元件和/或外插入元件构造为插入板或构造为插入金属板。例如，内插入元件和/或外插入元件可以具有聚四氟乙烯或其他耐高温的热塑性塑料或由它们制成。替代地，内插入元件和/或外插入元件可以具有铝、铝合金、橡胶或硅酮，或由铝、铝合金、橡胶或硅酮制成。
根据另一种实施形式，至少一个半成品具有多个处于内部的缺口，其中，在加固之前在每个缺口中分别布置至少一个内插入元件。
附图说明
在此说明的方法的其他优点和有利实施形式由下面结合附图1A至8所描述的实施形式得出。附图中：
图1A至图7示出在此所说明的根据不同实施例的用于基于纤维带制造由热塑性纤维增强塑料制成的构件的方法的选择出的方法步骤的示意图，以及
图8示出根据另一种实施例的以双带式压制机形式的加固装置。
具体实施方式
在所述实施例和附图中，相同或相同作用的组成部分分别设有相同的附图标记。示出的元件以及其彼此的尺寸关系原则上不看成是按正确比例的。而是，各个元件为了更好的描述和/或为了更好的理解可以过厚或过大地确定尺寸地示出。
图1A至1D示出在此所说明的用于制造纤维增强塑料构件的方法的不同方法步骤。在步骤1A中制造两个半成品1，这些半成品分别具有多层未加固的纤维带2。每个半成品包括多层纤维带2，其中，在每个层中多个纤维带2并排地、相同或不同定向地布置。半成品1在垂直于纤维带2的各个层的俯视图中示出。半成品1在其制造之后不互相连接，而是以单独的形式存在。
在方法步骤1B中，半成品1这样布置在例如在图8中示出的加固装置5中，使得各半成品1彼此直接接触。例如，半成品1可以借助一个或多个机械手布置在加固装置5中或加固装置5的供给单元上，使得各半成品1互相接触。为了抓持半成品1，机械手例如可以装备有一个或多个抓持元件，例如真空抽吸装置或针式抓具。
在方法步骤1B之后的方法步骤1C中，半成品1借助加固装置5加固，其中，半成品1在加固过程中至少部分地互相连接。加固装置可以例如构造为组合的挤压和加热装置。在加固过程中，例如由于热量输入导致半成品1至少部分地融化，在彼此并排布置的半成品之间产生连接。
随后，互相连接的半成品1借助分离装置7分离，该分离装置可以连接到加固装置5上。在分离半成品1后，半成品1又以单独的形式存在，也就是说半成品1在借助分离装置7的分离过程之后不再互相连接。分离装置7可以例如实施为刀具、圆盘刀、剪刀、激光、超声波刀片或振荡刀片。
图2示出根据另一种实施例的在此说明的方法。不同于在图1A至1D中示出的实施例，未加固的半成品1在其制造后具有框架形状。半成品1具有缺口4，该缺口从相应半成品1的一个表面延伸到相对置的表面。在借助加固装置5加固半成品1之前，在各缺口4中分别布置一个内插入元件6。可以例如借助一个或多个机械手实施将内插入元件6布置到缺口4中。借助内插入元件6可以有利地实现：也可以加固框架形的半成品，而在加固过程中由过程引起的在加固时产生的压力并不下降。
在示出的实施例中，内插入元件6由聚四氟乙烯构成。替代地，内插入元件6例如也可以由铝制成。优选地，内插入元件6适配于相应的缺口4。尤其优选的是，内插入元件6在其形状、尺寸和/或数量方面适配于半成品1的缺口4。例如，内插入元件6沿横向方向具有距半成品1最大5mm的距离。
图3示出根据另一种实施例的在此说明的方法的方法步骤。不同于在图1A至1D中示出的实施例，未加固的半成品1在其制造后具有如下外部形状，该外部形状不允许半成品1如下并排地布置，即在两个并排布置的半成品之间不产生空隙。在示出的实施例中，半成品1具有一次或多次弯曲的侧面。
在借助加固装置5加固半成品1之前，半成品1彼此直接接触地布置，并且外插入元件8布置在两个直接相邻的半成品1之间。外插入元件8优选以其形式和尺寸适配于直接相邻的半成品。有利的是，借助外插入元件8，具有任意外部轮廓的半成品可以在连续的加固过程中加固。
与图4相关示出的方法步骤与在图3中示出的实施例的区别在于，两个提供的未加固的半成品1这样彼此布置，使得它们的不规则外部轮廓彼此对置。半成品1又这样彼此布置，使得各半成品彼此直接地接触。在各半成品1之间布置有外插入元件8。在图4中示出的方法具有如下优点：在连续的加固过程中不必在所有相邻的半成品1之间布置外插入元件8，因为半成品1定位为使得一方面其不规则外部轮廓分别彼此对置并且另一方面其规则外部轮廓分别同样相互对置。
图5示出根据另一种实施例的在此说明的方法的方法步骤。不同于在图3中示出的实施例，未加固的半成品1在其制造后分别具有一个缺口4，在该缺口中在加固前分别布置一个内插入元件6。内插入元件6可以例如与图2相关实施地构造。
图6示出在此说明的用于基于已浸渍纤维带制造由热塑性纤维增强塑料制成的构件的方法的另一种实施例。不同于在图4中示出的实施例，未加固的半成品1在其制造后分别具有一个缺口4。在加固前，在所述缺口4中分别布置一个内插入元件6。该内插入元件6可以又如上面与图2相关说明地构造。
图7示出根据另一种实施例的在此说明的方法的方法步骤，其中，未加固的半成品1在其制造后不同于在图2中说明的方法具有多个缺口4，这些缺口分别从半成品的一个表面朝相对置的表面延伸。在加固半成品前，在缺口中分别布置至少一个内插入元件6。借助在此说明的方法，半成品可以有利地利用多个缺口加固。
图8示出加固装置5，该加固装置构造为具有集成的加热和挤压功能的双带式压制机。该双带式压制机具有两个带54、55，所述两个带实施为环形带，并且半成品1借助这些带在连续过程中可以被挤压并且可以移动通过多个加热区域51、52、53。优选地，所述加热区域51、52、53分别具有不同的温度。例如，第一加热区域51可以具有大约100℃的温度、第二加热区域可以具有大约380℃的温度以及第三加热区域53可以具有大约60℃的温度。在借助加固装置5加固后，已加固且互相连接的半成品1借助分离装置7分开。
在示出的实施例中所说明的特征也可以根据其他实施例互相组合。替代地或附加地，在附图中示出的实施例具有根据一般说明的实施形式的其他特征。
附图标记列表
1 半成品
2 纤维带
3 框架形状
4 缺口
5 加固装置
51、52、53 加热区域
54、55 带
6 内插入元件
7 分离装置
8 外插入元件

Claims (15)

1.用于基于用基体材料浸渍的纤维带制造由热塑性纤维增强塑料构成的构件的方法，具有以下步骤：
——制造多个半成品(1)，所述半成品分别具有多层未加固的纤维带(2)，
——将所述半成品(1)布置在加固装置(5)中，使得所述半成品彼此直接接触，
——借助所述加固装置(5)加固所述半成品(1)，其中，所述半成品(1)在加固过程中至少部分地互相连接，
——随后借助分离装置(7)切断互相连接的半成品(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半成品在加固期间在连续过程中移动通过在所述加固装置(5)内的多个加热区域(51、52、53)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，全自动地将所述半成品(1)布置在加固装置(5)中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在加固前分别将一个或多个外插入元件(8)布置在两个直接相邻的半成品(1)之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述外插入元件(8)以其形状和/或尺寸适配于所述直接相邻的半成品(1)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述半成品(1)分别具有带有至少一个缺口(4)的框架形状(3)，并且在加固所述半成品(1)之前在所述缺口(4)中分别布置内插入元件(6)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，全自动地将所述内插入元件(6)布置在所述缺口(4)中。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内插入元件(6)固定地与所述加固装置(5)的带连接。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内插入元件(6)固定地与所述加固装置(5)的环形带连接。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内插入元件(6)以其形状和/或尺寸适配于相应的缺口(4)。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内插入元件(6)在布置在缺口(4)中之后在各侧具有距半成品(1)最大5mm的距离。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述内插入元件(6)具有聚四氟乙烯或由聚四氟乙烯制成。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少一个半成品(1)具有多个处于内部的缺口(4)，在各缺口中在加固前分别布置内插入元件(6)。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述加固装置(5)构造为组合的挤压和加热装置。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述加固装置(5)构造为双带式压制机。
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