CN111032325B - 用于制造用于车辆的纤维加强的塑料外壳构件的方法以及纤维加强的塑料外壳构件 - Google Patents

用于制造用于车辆的纤维加强的塑料外壳构件的方法以及纤维加强的塑料外壳构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造用于车辆的、尤其是在可视外观中的、纤维加强的塑料外壳构件的方法，其包括如下步骤：a)提供纤维半成品(10)，所述纤维半成品包含具有预先确定的纤维定向(11)的至少一个纤维层；b)将以环氧树脂基的或聚氨酯基的基质系统形式的未硬化的塑料基质(20)施加到所述纤维半成品(10)上；c)将设有塑料基质(20)的所述纤维半成品(10)放入到模具(50)中和d)在所述模具(50)中挤压所述纤维半成品(10)以用于成型并且硬化成纤维加强的塑料构件(60)。根据本发明，将以填料颗粒(31、32)形式的减小收缩的添加剂(30)附加给所述未硬化的塑料基质(20)，和将所述未硬化的塑料基质(20)涂敷到所述纤维半成品(10)的如下的表面上，所述表面在完成的构件中朝向所述构件(60)的可见侧(61)。此外，给出一种纤维加强的塑料外壳构件。

Description

用于制造用于车辆的纤维加强的塑料外壳构件的方法以及纤 维加强的塑料外壳构件
技术领域
本发明涉及一种用于制造用于车辆的纤维加强的塑料外壳构件的方法以及纤维加强的塑料外壳构件。
背景技术
纤维加强的塑料构件在轻质结构的范围中越来越多地使用在车辆结构中。纤维加强的塑料构件具有纤维加强部，所述纤维加强部嵌入塑料基质中。通过选择合适的纤维和基质系统能够制造可承受高负荷的并且同时重量很小的构件，例如通过使用由碳纤维制成的加强部，所述碳纤维嵌入由环氧树脂或聚氨酯制成的热固性的基质中。除了所述轻型结构优点之外，纤维加强的塑料构件此外开放特别的设计可能性。如果纤维加强的构件实施在可视外观中，即纤维加强部从构件的可见侧保持可见，则获得如下可能性：在车辆上实现特别的光学效果并且设置重点。
纤维加强部通常包括多个纤维层，这些纤维层彼此相叠分层。为了实现高的构件稳定性，通常所述纤维层中的至少一个纤维层具有预先确定的纤维定向。这样取向的加强纤维例如以织物、网格或编织物的形式提供。
纤维加强的塑料构件的制造可以例如在湿压方法或树脂传递模塑成型方法(RTM)中进行。在湿压方法中，纤维加强部作为干燥的半成品提供，其中，各个形成纤维半成品的纤维层已经彼此相叠分层。将未硬化的还可流动的塑料基质涂敷到纤维半成品上并且将纤维半成品放入模具中。所述模具通常包括两个模具部分，所述两个模具部分在关闭的状态中围成以要制造的构件的形式的型腔。所述模具例如通过压力机关闭，由此，利用塑料基质浸透的纤维半成品被压到型腔中。纤维堆垛被压缩并且塑料基质在型腔中分布。为了硬化塑料基质，对模具加热。在经过用于硬化所需要的关闭时间之后，模具打开并且可以取出纤维加强的构件。在RTM方法的制造中，将干燥的半成品引入RTM工具的型腔中。将基质材料注射到关闭的RTM工具中，其中，基质材料在型腔中分布并且渗入纤维半成品。构件保持在关闭的并且被加热的RTM工具中直到硬化并且然后可以取出。
对机动车的外壳构件的表面提出特别高的要求(所谓的Class-A表面)。尤其是外壳构件的表面应该具有均一的反射特性。然而不仅在湿压方法而且在RTM方法中，由于在基质系统硬化期间的化学反应出现材料损失。因此，下层的纤维加强部的结构可以在构件表面上塑造，从而所述构件表面例如具有波状或条状的走向。可涂漆的Class-A表面的制造则要求耗费的再加工、例如多次的填充涂敷和磨光，这使得纤维加强的外壳构件的制造劳力密集、昂贵并且相对慢。
发明内容
因此，本发明的任务是，提出一种可能性：可以怎样制造纤维加强的塑料外壳构件，其中，减少或甚至避免所述缺点。本发明的任务尤其是，给出一种解决方案，可以怎样以简单的并且低成本的方式和方法改善纤维加强的塑料外壳构件的制造，其中，尤其是应该实现较小的制造时间。
所述任务通过根据本发明的方法和根据本发明的构件实现。
给出一种用于制造用于机动车的纤维加强的塑料外壳构件的方法。所述方法包括如下步骤：
a)提供纤维半成品，所述纤维半成品包含具有预先确定的纤维方向的至少一个纤维层，
b)将以环氧树脂基的或聚氨酯基的基质系统形式的未硬化的塑料基质施加到所述纤维半成品上，
c)将设有塑料基质的纤维半成品放入到模具中，
d)在该模具中挤压所述纤维半成品以用于成型和硬化成纤维加强的塑料构件。
根据本发明，将以填料颗粒形式的减小收缩的添加剂附加给未硬化的塑料基质并且将未硬化的塑料基质涂敷到纤维半成品的如下的表面上，所述表面在完成的构件中朝向构件的可见侧。
此外，给出一种用于机动车的纤维加强的塑料外壳构件，其包括：纤维加强部，所述纤维加强部包含具有预先确定的纤维方向的至少一个纤维层；和塑料基质，纤维加强部嵌入所述塑料基质中，其中，塑料基质是环氧树脂基质或聚氨酯基质并且至少在纤维加强部的朝向可见侧的侧上包含填充材料颗粒。
纤维加强的塑料外壳构件可以尤其是利用上述方法制造。因此，对于所述方法和所述外壳构件所说明的特征和措施相互对应地不仅适用于所述方法而且适用于所述构件。
所述方法作为湿压方法实施。为此需要的模具相比于例如RTM模具构造简单并且成本低。塑料基质在模具外涂敷，由此，在模具中的停留持续时间小。在构件的后来的可见侧上使用减小收缩的填料此外能够实现进一步减少生产周期。在这里，本发明从如下的考虑出发：材料损失在硬化期间由于在基质材料中的化学反应产生并且主要依赖于温度，在所述温度时发生硬化。简单地说，硬化温度越高收缩越大。如果现在基质材料的收缩倾向(通过加入填料颗粒)减少，则另一方面可以提高模具温度，而不会使构件的表面质量受损害。在这里，本发明利用了以下事实：模具温度轻微的提高已经导致显著加速的硬化。所需要的模具关闭时间显著缩短是可能的，所述缩短能够实现总体上减少的过程时间。
为了减少在构件的之后重要的可见侧上的收缩，将设有填料的塑料基质涂敷在纤维加强部的如下的侧上，所述侧朝向后来的可见侧。
在所述方法的步骤b)中可以设置，将包含减小收缩的添加剂的塑料基质直接涂敷到纤维半成品上。换句话说，将塑料基质直接施加到纤维半成品上，所述塑料基质已经包含减小收缩的填料颗粒。通过在模具中的压力，基质材料至少部分地流入纤维半成品的纤维之间。减小收缩的颗粒在此(类似在过滤器上的滤饼形成)部分地被拦住在纤维半成品的表面上。出人意料地已经表明，该积聚没有明显不利于纤维半成品以基质材料的渗透并且可以实现足够的纤维附着。可以假设，这归结于在纤维半成品中的短的流动路径，基质材料在湿压方法中(例如相比于RTM方法)必须经过所述流动路径。而在纤维半成品的上侧上的积聚可以是有利的，其方式为：通过拦住减小收缩的颗粒，减小收缩的颗粒在纤维半成品的上侧上的浓度升高并且因此减小收缩的作用尤其是在如下地方产生，在所述地方材料损失对构件的表面有特别负面的作用。
备选地可以在步骤b)中设置，首先将未硬化的塑料基质的没有减小收缩的添加剂的第一部分直接施加到纤维半成品上并且随后将塑料基质的设有减小收缩的添加剂的第二部分施加到纤维半成品上。换句话说，进行基质材料的分开的涂敷：将基质材料的没有减小收缩的填料的部分直接施加到纤维半成品上并且然后将基质材料的掺有减小收缩的颗粒的第二部分施加到基质材料的之前已经施加的所述第一部分上。优选塑料基质分别、即不仅包括减小收缩的颗粒的部分而且没有减小收缩的颗粒的部分面状地施加到纤维半成品上。在第一部分涂敷中，不存在可能减慢渗入纤维的填料颗粒。尤其是在非常高的纤维体积含量和具有高密度的紧凑的纤维半成品中，可以实现纤维以塑料基质的改善的渗透。在随后的第二部分涂敷中，减小收缩的颗粒正是在需要其的地方、即在纤维半成品的上侧上施加，所述上侧在完成的构件中形成可见侧。因为纤维半成品通过第一部分涂敷已经渗入有基质材料，所以第二部分涂敷的塑料基质在后面的挤压过程中无须再经过大的流动路程。在第二部分中的减小收缩的颗粒的份额可以因此在减小收缩的作用方面优化。
未硬化的基质材料是环氧树脂基的基质系统或聚氨酯基的基质系统。环氧树脂基的基质系统包含作为反应树脂的环氧树脂以及一个或多个合适的硬化剂组分，所述硬化剂组分与环氧树脂可以交联成热固性的成形材料。在硬化的状态中，环氧化物基的基质系统在该申请中称为环氧化物基质。聚氨酯基的基质系统包含多元醇和多异氰酸酯，所述多元醇和多异氰酸酯反应成聚氨酯。在硬化的状态中，聚氨酯基的基质系统在该申请中称为聚氨酯基质。其他的组成部分、例如促进剂可以添加给所述基质系统。使用环氧树脂基的基质系统或聚氨酯基的基质系统对于承受高负荷的构件是有利的选择，因为这些树脂系统具有需要的机械特性和相对于化学试剂的足够的耐久性以及小的吸水性，不同于例如聚酯树脂。尤其是环氧树脂具有明显的胶粘特性并且特征在于强烈的纤维附着。
原则上如下所有填料颗粒适合作为减小收缩的添加剂，利用所述填料颗粒，塑料基质的收缩倾向可以明显减少。应该尤其是颗粒状或粉末状的精细的物质适用作为填料，所述物质在塑料基质系统中不可溶。
如果使用导电的填料、例如碳黑颗粒作为填料，则可以取得其他的优点。常规的碳纤维加强的构件在后续的KTL工艺中只示出不均匀的漆接收。通过在塑料基质中使用导电的填料，改善构件的导电性并且改善在阴极的浸漆中的涂漆。可以省去至今需要的耗费的附加过程、例如使用附加的塑料层或纺织层或模具的模内涂层。
现在出人意料地表明，通过使用来自滑石、锂辉石和/或热解法二氧化硅(或气相二氧化硅)的组的颗粒作为减小收缩的添加剂，可以实现良好的收缩减小，而不会明显减少基质材料的透明度。热解法二氧化硅例如以商标名称
Figure GDA0003185564990000051
公开。通过使用该填料颗粒可能的是，也且正是快速并且低成本地制造在可视外观中的纤维加强的塑料构件。纤维加强的塑料构件因此可以在一种设计方案中是在可视外观中的构件，在所述构件中纤维加强部在构件的可见侧上穿过塑料材料是可见的，其中，在塑料材料中包含来自滑石、锂辉石和/或热解法二氧化硅的组的颗粒。
在一种设计方案中有利的是，减小收缩的添加剂的颗粒具有0.1mm(毫米)的最大尺寸。尺寸明显不超过0.1mm的颗粒引起良好的收缩减小，而不会本身在构件的表面上留下不规则性。尤其是在使用这样的颗粒时还可确定纤维半成品以塑料基质的良好渗入。特别适合的是纳米微粒、例如二氧化硅。
减小收缩的添加剂附加给塑料基质的量份额可以例如根据颗粒的类型、尺寸或尺寸分布和纤维半成品的存在的构造而变化。原则上量份额这样选择，使得保持给出足够的纤维基质连接。良好的收缩减小和模具温度的由此可能的提高能够例如在如下设计方案中实现，在所述设计方案中以填料颗粒的形式的减小收缩的添加剂关于未硬化的塑料基质占有最大40重量％(重量百分比)。在硬化之后，模具在后续的步骤e)中打开并且取出纤维加强的塑料构件。可以附加有其他的加工步骤。
纤维半成品优选具有至少一个连续纤维的纤维层。在本文中具有大于50mm长度的纤维称作为连续纤维并且尤其是如下纤维，所述纤维在构件的整个横向尺寸、例如构件长度或构件宽度上延伸。通过使用连续纤维，能够实现构件中的高的刚度值和强度值。
纤维半成品优选通过多个纤维层(所谓的堆)的层布置结构形成。各个纤维层可以构成为包括预先确定的纤维层的层并且例如构成为网格(单向或双向)、织物或编织物。同样地，纤维加强部也可以附加地包含不具方向性的纤维的一个或多个层，例如以无纺布层的形式。
为了实现用于用作车辆构件所需要的构件特性，有利的是，纤维半成品包含由连续纤维制成的多个彼此相叠分层的纤维层。
原则上已知的加强纤维、例如碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维适合作为加强纤维。然而关于在机动车中的要求有利的是，纤维半成品包含碳纤维和包含例如至少一个纤维层、优选多个纤维层，所述纤维层包括由碳制成的加强纤维。
在所述方法中使用的纤维半成品在完成的构件中形成纤维加强部，就这方面来说用于纤维半成品的实施方式也适用于纤维加强部。
纤维加强的塑料构件在机动车的外壳区域中使用并且可以例如是盖、门或结构构件、例如车辆顶部。尤其是所述方法适合用于，制造具有例如大于30体积％(体积百分数)并且直至50体积％的纤维体积份额的可承受高负荷的构件。这样的构件可以例如是在车辆车身中的结构构件，从而所述方法能够实现，也在可视外观中制造包括纤维加强部的结构构件。然而所述方法同样适合于制造在车辆的车内区域中使用的纤维加强的塑料构件，例如用作车辆内部空间中的可见CFK构件。
本发明的其他的优点、特征和细节由下面的说明得出，其中参考附图详细说明本发明的实施例。在此，在权利要求书和说明书中提到的特征分别本身单独地或任意组合地都对本发明而言是重要的。如果在本申请中使用术语“可以”，则不仅是技术的可能性而且是实际的技术实施。
附图说明
下面借助附图解释实施例。其中示出：
图1根据本发明的方法的重要方法步骤的示意视图；
图2A在根据第一方法实施方案的步骤B之后以基质材料加载的纤维半成品的剖面图；
图2B在根据第二方法实施方案的步骤B之后以基质材料加载的纤维半成品的剖面图；以及
图3纤维加强的塑料外壳构件的剖面图。
具体实施方式
图1示出用于制造可视外观中的纤维加强的塑料构件例如CFK顶部的根据本发明的方法的重要方法步骤的示意图，其中，步骤a)以A，步骤b)以B，步骤c)以C，步骤d)以D并且步骤e)以E表示。
在步骤a)中提供纤维半成品10。纤维半成品10由至少一个加强纤维的纤维层形成。优选纤维半成品10通过多个纤维层的彼此相叠分层的层构成为堆，在图1中示例性地示出作为4个纤维层11至14的堆。所述纤维层中的至少一个纤维层具有预先确定的纤维定向，如其例如在网格、织物或编织物中的情况那样。在该堆中，不同的纤维层可以相互组合。各个纤维层同样可以构成为无纺布。纤维的类型原则上不限制。然而优选纤维半成品具有一个或多个纤维层，所述纤维层包含碳连续纤维。
纤维半成品10可以例如作为下料存在，所述下料的轮廓已经塑造要制造的构件的粗的形状。
在步骤b)中，将未硬化的塑料基质20施加到纤维半成品10上。作为塑料基质使用环氧树脂基的基质系统或聚氨酯基的基质系统。
根据本发明，为了减小在硬化期间出现的收缩，将以填料颗粒形式的添加剂30添加给塑料基质20。如果要制造的构件是在可视外观中的构件，则选择来自滑石、锂辉石和热解法二氧化硅的组的填料颗粒。所述颗粒优选以最大0.1mm的尺寸存在并且以最大40重量％的浓度在未硬化的塑料基质中存在。
设有减小收缩的添加剂30的塑料基质20面状地涂敷到纤维半成品10上，例如通过机器人引导的施加装置40。涂敷可以直接进行到纤维半成品10上，为了解释参阅图2A。备选地，塑料基质20可以在两阶段的方法中涂敷。这参考图2B解释。
在步骤b)之后，设有塑料基质20和减小收缩的添加剂30的纤维半成品10在步骤c)中放入模具50中。所述模具具有两个模半部51和52，所述两个模半部在关闭的状态中围成一个型腔，所述型腔基本上具有要制造的纤维加强的塑料构件的形状。模具50能够通过未示出的调整机构关闭。所述调整机构可以例如构成为压力机。如果模具50关闭(步骤d)，则纤维半成品10被挤压成型腔的形状并且在那里被压缩。塑料基质20通过关闭压力在型腔中分布，其中，它也进一步挤压到纤维之间的空隙中。
为了硬化塑料基质20，对模具50加热，为此例如设置加热蛇管53。在完成硬化之后，纤维加强的塑料构件60可以从模具50取出，在步骤e)中示出并且必要时还继续加工。
图2A和2B用于解释步骤b)中的两个备选的方法实施方案。图2A和2B分别示出纤维半成品10的示意的剖面图，其中，仅示出所述堆的两个纤维层11和12。这些纤维层分别由多个碳纤维束构成为织物(示例性地仅示出纤维束100、101、102)。纤维层11应该在完成的构件中(从构件的可见侧看)构成第一纤维层并且通过塑料基质可见。
根据图2A，将如先前所述减小收缩的添加剂30添加给塑料基质20并且将具有添加剂30的塑料基质20直接涂敷到纤维半成品10的最上面的纤维层11上。在模具中的随后的按压中，塑料基质20挤压到纤维或纤维束之间并且渗入空隙。减小收缩的添加剂30的固体的颗粒31、32(为了清楚起见只有两个颗粒设有附图标记)只部分地在纤维或纤维束100、101、102之间游动，其被部分地拦住在纤维半成品10的上侧上并且支承在所述纤维半成品上。由此以有利的方式实现，减小收缩的颗粒的份额正是在纤维半成品10的如下表面上提高，在那里在硬化期间应该避免收缩。
图2B示出纤维半成品10的纤维层11和12的剖面图，这在塑料基质20在备选的方法实施方案中在两阶段的方法步骤b)中施加之后。首先将塑料基质20的没有减小收缩的添加剂30的第一部分施加到纤维半成品10的上侧上，即直接施加到最上面的或第一纤维层11上。随后在第二涂敷中，将塑料基质20的包括附加的减小收缩的添加剂30的第二部分施加到塑料基质20的在之前已经施加的所述第一部分上。该双层的涂敷在模具中的随后的挤压中引起存在的纤维空隙被塑料基质20较好地渗入。
在两个方法实施方案中，减小收缩的颗粒31、32剩余在纤维半成品10的上侧上或最上面的纤维层11上，所述减小收缩的颗粒减少在硬化期间的收缩，由此，表面特征原则上改善并且此外可能的是，将模具温度提高到如下温度，在所述温度时可能实现至今不可接受的表面质量。由此，可以强烈减少在模具50中的停留时间并且构件60的总制造时间以简单的并且低成本的方式减少。
图3示出在完成硬化之后纤维加强的塑料外壳构件60的示意的剖面图。纤维加强部10嵌入硬化的塑料基质20A中。在硬化的塑料基质20A中包含减小收缩的添加剂30，其中，填料颗粒31、32至少设置在纤维加强部10的朝向可见侧61的侧上、即最上面的纤维层11上。
这些实施例不是严格按照比例的并且不是限制性的。在本领域技术人员的处理的范围中的变型是可能的。
附图标记列表
A、B、C、D、E 方法步骤
10 纤维半成品
11至14 纤维层
100、101、102 纤维束
20 未硬化的塑料基质
20A 硬化的塑料基质
30 减小收缩的添加剂
31、32 填料颗粒
40 施加装置
50 模具
51、52 模具半部
53 加热蛇管
60 纤维加强的塑料构件
61 可见侧。

Claims (11)

1.用于制造用于车辆的纤维加强的塑料外壳构件的方法，该方法包括如下步骤：
a)提供纤维半成品，所述纤维半成品包含具有预先确定的纤维定向的至少一个纤维层(11)，
b)将以环氧树脂基的或聚氨酯基的基质系统形式的未硬化的塑料基质(20)施加到所述纤维半成品上，
c)将设有塑料基质(20)的所述纤维半成品放入到模具(50)中，和
d)在所述模具(50)中挤压所述纤维半成品以用于成型并且硬化成纤维加强的塑料外壳构件(60)，所述纤维半成品在完成的塑料外壳构件中形成纤维加强部(10)，
其特征在于，
将以填料颗粒(31、32)形式的减小收缩的添加剂(30)附加给所述未硬化的塑料基质(20)，和
将所述未硬化的塑料基质(20)涂敷到所述纤维半成品的如下的表面上，所述表面在完成的塑料外壳构件中朝向所述塑料外壳构件(60)的可见侧(61)，所述纤维加强部(10)在所述塑料外壳构件(60)的可见侧(61)上穿过所述塑料基质(20)是可见的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
将包含所述减小收缩的添加剂(30)的所述塑料基质(20)直接涂敷到所述纤维半成品上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
首先将所述塑料基质(20)的没有所述减小收缩的添加剂(30)的第一部分直接施加到所述纤维半成品上，和
随后将所述塑料基质(20)的设有所述减小收缩的添加剂(30)的第二部分施加到所述塑料基质(20)的之前已经施加的所述第一部分上。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述减小收缩的添加剂(30)通过来自滑石、锂辉石或热解法二氧化硅的组的颗粒构成。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述减小收缩的添加剂的填料颗粒(31、32)具有0.1mm的最大尺寸。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，关于所述未硬化的塑料基质，所述减小收缩的添加剂(30)占有最大40重量％。
7.用于车辆的纤维加强的塑料外壳构件，该纤维加强的塑料外壳构件包括：
纤维加强部(10)，所述纤维加强部包含具有预先确定的纤维方向的至少一个纤维层(11)，以及
塑料基质(20)，所述纤维加强部(10)嵌入到所述塑料基质中，
其中，所述塑料基质(20)是环氧树脂基质或聚氨酯基质，和
至少在所述纤维加强部(10)的朝向所述塑料外壳构件(60)的可见侧(61)的侧上包含填料颗粒(31、32)，所述纤维加强部(10)在所述塑料外壳构件(60)的可见侧(61)上穿过所述塑料基质(20)是可见的。
8.根据权利要求7所述的纤维加强的塑料外壳构件，其中，
所述填料颗粒(31、32)是来自滑石、锂辉石或热解法二氧化硅的组的颗粒。
9.根据权利要求7或8所述的纤维加强的塑料外壳构件，其中，
所述至少一个纤维层(11)由连续纤维构成。
10.根据权利要求7或8所述的纤维加强的塑料外壳构件，
其中，所述纤维加强部(10)包含碳纤维。
11.根据权利要求7或8所述的纤维加强的塑料外壳构件，其中，
所述纤维加强的塑料外壳构件用根据权利要求1至6之一所述的方法制造。
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