CN110382214A - 用于制造纤维增强塑料构件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造纤维增强塑料构件的方法和设备，该方法包括下述步骤：将设置在填充有流体的中空芯(1)上的纤维半成品(2)放入具有至少两个模具部件(4、5)的模具(3)中；闭合模具(3)，将纤维半成品(2)和中空芯(1)容纳在由两个模具部件(4、5)形成的模腔(10)中；用塑料材料填充模腔并且使塑料材料在闭合的、加热的模具(3)中时效硬化。根据本发明，在塑料材料时效硬化期间测量模具(3)中的内部压力，并且在超过预定的上限值时增大模具部件(4、5)之间的距离。

Description

用于制造纤维增强塑料构件的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造尤其是具有空腔的纤维增强塑料构件的方法和设备。

背景技术

为了制造纤维增强塑料中空构件而使用所谓的RTM(树脂传递模塑)方法和真空注入方法。在此将至少一层优选单向或双向定向的增强纤维施加到支撑芯上，该支撑芯作为阴模仿形纤维增强塑料中空构件的内部轮廓。随后将由该支撑芯和增强纤维形成的单元放入模具中，该模具作为阴模而仿形纤维增强塑料构件的外部轮廓。通过注入可硬化的塑料、如环氧树脂和硬化剂体系来填充支撑芯与模具之间的中间空间(纤维层也处于其中)并且浸泡纤维层，使得在时效硬化之后，由具有嵌入的增强纤维的塑料基质产生塑料构件。在RTM方法中，塑料在压力下被注入支撑芯和模具之间的空腔中，而在真空注入方法中产生真空，通过该真空将塑料吸入空腔中。

出于重量原因，支撑芯通常构造为中空芯。为了改善这些中空芯的稳定性，已知它们可被填充流体、如压缩空气或水。为此参考文献DE 102007027755 A1。

在塑料材料时效硬化期间模具被加热，由此中空芯也一起被加热。中空芯中的流体膨胀。由此产生的模具内部压力增加导致成品纤维增强构件的良好表面质量。但内部压力可达到直至200巴范围内的非常高的值。芯和压制模具都必须设计用于这些高压，这使得设备昂贵并且工艺复杂。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种能够减少上述缺点的可能性。

所述任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求8的设备来解决。其它有利实施方式由从属权利要求和下述说明给出。

本发明涉及一种用于制造纤维复合构件的方法，其中，将设置在填充有流体的中空芯上的半成品纤维产品放入模具中。模具包括至少两个模具部件。闭合模具，中空芯连同纤维半成品容纳在由两个模具部件形成的模腔中。用塑料材料填充模腔并且使塑料材料在闭合的、加热的模具中时效硬化。

中空芯作为用于待制造塑料构件的阴模而仿形其内部轮廓。出于重量原因，中空芯具有相对薄的壁厚，其稳定性足以使中空芯在无负荷状态下足够形状稳定。中空芯例如可由热塑性塑料通过吹塑成型制成。为了实现所需的稳定性，中空芯填充有流体。流体可以是气体或液体、如水。

在时效硬化期间通过模具的调温，中空芯连同其中的流体填充物也被加热。这导致中空芯内部的压力增加和因此导致闭合的模具内部的压力增加。

根据本发明，在塑料材料时效硬化期间测量模具中的内部压力。在超过预定的上限值时增大模具部件之间的距离。

该解决方案基于下述认识：基于模腔和中空芯的不同表面条件，模具的轻微打开已足够减小压力峰值。所需的模具打开意想不到地小，以至于构件的最终轮廓仍在可接受的公差范围内。

通过避免不受控制的高内部压力，可使用传统的(RTM)设备。模具和用于闭合模具的闭合单元的尺寸只需被设计用于标准压力。

在本发明的一种优选扩展方案中规定，不仅防止产生过大的内部压力，而且在塑料材料时效硬化期间通过改变模具部件的距离来调节模具中的内部压力。尤其是通过调节使内部压力保持在预定压力范围内。更确切地说，增大或减小模具部件彼此间的距离，以便将内部压力保持在该压力范围内。由此可在减小模具负荷的同时实现成品构件的最佳表面质量。

由于通过模具的运动来补偿内部压力，因而不需要改变中空芯中的填充量来避免过大的压力负荷。因此在一种实施方式中可规定，填充有流体的中空芯至少在塑料材料时效硬化期间流体密封地封闭。这种中空芯可特别简单且低成本地制造。可省却复杂的填充系统，借助其可在时效硬化期间改变中空芯中的填充量和因此压力。

尤其是可使用永久流体密封封闭的中空芯，其填充口在填充之后例如被焊接。在塑料材料时效硬化后破坏永久封闭的中空芯，使得流体可流出。

为了补偿压力变化，只需略微改变模具部件彼此间的距离。在一种实施方式中，模具部件在时效硬化期间的距离仅在0至4mm的范围内变化，即在构件时效硬化期间模具部件相对于彼此定位的最大和最小距离之间的差异最大为4mm。

有利的是，直接在朝向模腔的模具内壁上测量模具中的内部压力。压力测量可仅在一个部位或多个部位处进行，所确定的内部压力例如通过对所有测得的内部压力求平均值得到。

作为塑料材料优选使用可流动的树脂/硬化剂体系，其在模具部件中在压力和温度下时效硬化。

纤维半成品例如可以是一层或多层稀松布、钩织物、针织物或类似物。纤维半成品尤其可作为围绕中空芯编织的编织物。

借助该方法可有利地生产复杂成形的中空纤维增强塑料构件。在一种实施方式中，该方法用于制造车辆构件和尤其是车身构件。

根据本发明的另一方面，提出一种用于通过使用可流动的塑料材料和纤维半成品来制造纤维增强塑料构件的设备。该设备包括具有至少两个模具部件的模具。所述模具部件设置在闭合单元中。通过该闭合单元，所述模具部件可在打开位置和闭合位置之间相对于彼此运动。所述模具部件在闭合位置中包围模腔，在其中可设置围绕芯构造的纤维半成品。所述设备还包括至少一个调节装置，借助该调节装置可通过使至少一个模具部件运动来改变模具部件之间的距离。具有调节装置的闭合单元例如可通过压力机构成，模具设置在压力机中，在此模具可以通过压力机压头的运动而打开和闭合。

根据本发明，所述设备还包括至少一个压力测量装置以及控制装置，借助该压力测量装置可检测模腔中的内部压力。压力测量装置例如可以是压力传感器并且例如可构造为压电检测器或膜检测器等。当然，可设置多个压力测量装置，以便例如同时在多个部位处测量内部压力。控制装置构造用于在测量的内部压力超过预定的极限值时操作调节装置以增加模具部件之间的距离。控制装置也可构造为评估装置以用于评估检测到的内部压力。

在一种优选实施方式中，控制装置还构造用于这样控制调节装置，使得根据测量的内部压力通过改变模具部件之间的距离来调节模具中产生的内部压力。例如当测得的内部压力超过上限值时，控制装置通过增加模具部件的距离来引起模具的轻微打开，反过来，当测得的内部压力低于预定下限值时，通过减小模具部件的距离来引起模具的轻微闭合。

该设备可通过简单且低成本的措施集成到现有(RTM)设备中。尤其是现有设备的存储器可编程的控制器也可执行上述控制装置的功能。基于对内部压力的有针对性的限制或调节可使用传统的RTM压力机。

结合以下对实施例的描述，本发明的上述特点、特征和优点以及实现它们的方式将变得更清楚和更易于理解。当在本申请中使用术语“可”时，则这是指技术可能性和实际的技术实施。

附图说明

下面参考附图解释实施例。附图如下：

图1以示意图示出根据本发明方法的主要方法步骤；和

图2示出根据本发明的用于制造纤维复合构件的示例性设备。

具体实施方式

在本方法中首先提供优选热塑性的中空芯1。中空芯1作为负模而形成待制造构件的内部轮廓。中空芯1具有相对薄的壁厚，这样确定其尺寸，使得中空芯1在无负荷状态下足够形状稳定。中空芯1几乎完全充满流体，在当前情况下中空芯充水至少98％。在填充后将中空芯1流体密封地封闭。

围绕中空芯1设置纤维半成品2，优选为此围绕中空芯1编织纤维。基于填充，中空芯1足够形状稳定，从而以相对高的拉伸应力实施的编织不会导致中空芯1形状的显著变化。

将设有纤维半成品2的中空芯1放入RTM模具3中，该模具3的模腔形成待制造纤维增强塑料构件的外部轮廓。在闭合包括两个模具部件4、5的RTM模具3之后，借助注入系统6在直至80巴的压力下向中空芯1和模具3之间的空间中注入环氧树脂和硬化剂体系。

通过加热RTM模具3(为此通过加热管7导入相应调温的液体)，使塑料基质时效硬化。RTM模具3的加热也引起中空芯1和封闭在其中的流体的加热，由此RTM模具膨胀。这导致用于时效硬化的纤维增强构件和闭合模具的内部压力增加。

原则上在时效硬化阶段中增加的内部压力改善成品部件的表面质量。根据本发明防止该内部压力不受控制地增加并达到可能损坏构件或模具的值。

为此根据本发明检测模具中的内部压力。如果在时效硬化阶段期间内部压力超过预定的上限值，则上模4运动远离下模5。在此，最大4mm的轻微模具运动足以显著降低内部压力。通过轻微打开模具，模具内部的体积增加并且内部压力降低。如果内部压力降低到预定下限值以下，则再次进一步闭合模具(在极端情况下再次完全闭合)。轻微的模具运动在图1中通过箭头8表示。调节内部压力的模具调整运动优选在整个时效硬化过程中继续，由此控制内部压力。

在塑料基质完全时效硬化后，打开RTM模具3，从而可取出包括中空芯的纤维增强塑料构件9。中空芯的排空例如可同时进行，方式为，在构件9中引入开口并将空气在高压下吹入中空芯中，由此排挤中空芯内的水。

图2示出一种用于制造纤维增强塑料构件的示例性设备，其也可用于图1所描述的方法中。该设备包括具有两个模具部件4、5的模具3。模具3构造为具有上模4和下模5的RTM模具。在闭合状态中，在上模和下模之间留有模腔10，该模腔形成待制造构件的外部轮廓。这样设计模腔10，使得中空芯1连同设置其上的纤维半成品2可设置在该模腔中。

模具部件4、5设置在压力机形式的闭合单元11中，通过该闭合单元，模具部件可在打开位置和闭合位置之间相对于彼此运动。除了压力机工作台12和压力机压头13之外，闭合单元还具有调节装置14，借助该调节装置，压力机压头13可在压力机工作台12的方向上移动，由此可改变模具部件4、5之间的距离。如果例如涉及液压压力机，则调节装置14例如构造为液压泵。

为了测量模腔10中的内部压力，所述设备还包括以压力传感器形式的压力测量装置15。压力传感器设置在上模4的内壁上并且通过信号线16与控制和评估装置17连接。

控制和评估装置17构造用于评估测量的内部压力并将其与预定的极限值进行比较。如果超过预定的上限值，则控制装置17这样控制调节装置14，使得模具部件4、5之间的距离略微增大。

优选在控制装置17中设置控制回路，使得控制装置这样控制调节装置14，从而根据测量的内部压力通过改变模具部件4、5彼此间的距离来调节模具3中的内部压力。作为控制装置17优选可使用存储器可编程控制器(SPS)，借助其也可控制或调节模具的闭合和打开以及塑料材料向模具中的压制。控制装置处于相应的作用连接中。

为了测量压力，也可以使用多个测量部位。

借助根据本发明的解决方案可靠避免了模具的过度负荷和塑料基质从模具的不受控压出。根据本发明的解决方案可简单且低成本地集成在现有设备、如RTM设备中并且因此可低成本地实现。此外，在塑料材料的时效硬化过程期间实现改进的过程控制。

实施例不是按比例的并且也不是限制性的。专业技术人员能力范围中的改动是可能的。

附图标记列表

1 中空芯

2 纤维半成品

3 模具

4、5 模具部件

6 注入系统

7 加热管

8 上模运动

9 纤维增强塑料构件

10 模腔

11 闭合单元

12 压力机工作台

13 压力机压头

14 调节装置

15 压力测量装置

16 信号线

17 控制和评估装置

Claims (9)

1.用于制造纤维增强塑料构件的方法，包括下述步骤：

将设置在填充有流体的中空芯(1)上的纤维半成品(2)放入具有至少两个模具部件(4、5)的模具(3)中，

闭合模具(3)，将纤维半成品(2)和中空芯(1)容纳在由两个模具部件(4、5)形成的模腔(10)中，

用塑料材料填充模腔，并且

使塑料材料在闭合的、加热的模具(3)中时效硬化，

其特征在于，

在塑料材料时效硬化期间测量模具(3)中的内部压力，并且在超过预定的上限值时增大模具部件(4、5)之间的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在塑料材料时效硬化期间，通过改变模具部件(4、5)的距离来调节模具(3)中的内部压力。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述中空芯(1)至少在塑料材料时效硬化期间流体密封地封闭。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述中空芯(1)永久地流体密封地封闭。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在塑料材料时效硬化期间，模具部件(4、5)的距离在0至4mm范围内变化。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在朝向模腔(10)的模具内壁的一个或多个部位处测量内部压力。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，借助所述方法制造车辆构件。

8.用于通过使用可流动的树脂和纤维半成品来制造纤维增强塑料构件(9)的设备，包括：

具有至少两个模具部件(4、5)的模具(3)，所述模具部件(4、5)设置在闭合单元(11)中，所述模具部件通过该闭合单元能在打开位置和闭合位置之间相对于彼此运动，

所述模具部件(4、5)在闭合位置中包围模腔(10)，在该模腔中能设置围绕芯(1)构成的纤维半成品(2)，和

调节装置(14)，借助该调节装置能通过至少一个模具部件(4)的运动来改变模具部件(4、5)之间的距离，其特征在于，

所述设备还包括至少一个压力测量装置(15)，借助该压力测量装置能检测模腔(10)中的内部压力，以及

控制装置(17)，该控制装置构造用于，在测量的内部压力超过预定的极限值时，操作调节装置(14)以增大模具部件(4、5)之间的距离。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述控制装置(17)构造用于控制调节装置(14)，使得能根据测量的内部压力通过改变模具部件(4、5)彼此间的距离来调节模具(3)中产生的内部压力。