CN112020421A - 纤维复合体以及用于制造纤维复合体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维复合体(10)、尤其是结构加固元件，其具有多个支柱(12、12a、…、12g)，这些支柱由嵌入到塑料基质(16)中的、在各个支柱(12、12a、…、12g)的区域中基本上彼此平行延伸的增强纤维(18)构成，其中，这些支柱(12、12a、…、12g)设置在框架状的型材结构(14)中，该型材结构通过缠绕增强纤维(18)或通过对增强纤维针织而产生。此外本发明涉及一种用于制造纤维复合体(10)、尤其是结构加固元件的方法，所述纤维复合体具有多个设置在框架状的型材结构(14)中的支柱(12、12a、…、12g)。

Description

纤维复合体以及用于制造纤维复合体的方法
技术领域
本发明涉及一种纤维复合体、尤其是结构加固元件，以及一种用于制造纤维复合体、尤其是结构加固元件的方法。
背景技术
纤维增强塑料具有高的轻型结构潜力并且由于所添加的纤维而能够吸收高的拉力。在此，如果基质材料中的纤维沿载荷路径延伸，这以构件的符合载荷的结构为前提，纤维增强塑料的特定于重量的优点是最佳可用的。
由DE 10 2013 219 820 A1例如已知一种纤维复合构件，其被用作车身构件、例如车辆的导流槽。纤维复合构件具有多个嵌入到塑料基质中的、形成型材的长形纤维束，在这些纤维束之间设置有支撑器件，该支撑器件尤其是通过将塑料材料注射到型材上而产生。
此外已知结构构件，所述结构构件以壳结构方式由(增强的)塑料、以钢结构方式或通过铝挤压成型制造。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种纤维复合体，其特征在于轻的重量、成本低廉的制造以及高稳定性，以及提供一种用于制造该纤维复合体的方法。
所述任务通过一种纤维复合体、尤其是结构加固元件来解决，其具有多个支柱，这些支柱由嵌入到塑料基质中的、在各个支柱的区域中基本上彼此平行延伸的增强纤维构成，其中，这些支柱设置在框架状的型材结构中，该型材结构通过缠绕增强纤维或通过对增强纤维针织而产生。增强纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维，增强纤维在此在各个支柱的区域中形成纤维束，由此实现纤维复合体的符合载荷的结构。通过直接缠绕增强纤维实现了特别小的重量。缠绕技术(在所述缠绕技术中纤维仅沿各个支柱的载荷方向延伸并且仅使用与在具体位置上所需一样多的纤维)甚至特征在于所有纤维复合技术的最高的轻型结构潜力。对此代替地，框架状的型材结构可通过将增强纤维针织到载体材料(优选纺织品，例如玻璃纤维纺织品或碳纤维纺织品)上而产生。载体材料连同增强纤维能够实施成带状的，使得所述带然后如各个纤维那样被铺放或缠绕。对此代替地，载体材料是大面积的纺织品，增强纤维根据支柱的走向被针织到所述纺织品中。通过剪切大面积的纺织品已经预备好在各支柱之间的纤维复合体中的空隙。换句话说，首先借助具有增强纤维的载体材料形成纤维复合体的一种二维结构，并且随后将所述二维结构嵌入到塑料基质中。载体材料随后可选地也可以机械地至少部分地被切除。此外，按照本发明的纤维复合体由于模具以及类似物低的投资成本而可以成本低廉地制造。
优选地，所述型材结构通过直接缠绕利用基质材料预浸渍的增强纤维并且随后将增强纤维挤压而产生。在此，可以由热塑性或热固性材料制成的塑料基质在压制预浸渍的纤维时构成材料锁合的连接。这实现一种用于按照本发明的纤维复合体的简单且成本低廉的制造方法，该制造方法的特征尤其是在于低的模具成本。
有利地，整个型材结构由嵌入到塑料基质中的、缠绕的增强纤维构成。与已知的纤维复合体不同，在已知的纤维复合体中仅沿主载荷路径设置有具有长形增强纤维的所谓的纤维棒，而设置在其之间的支柱通过注塑塑料材料可能利用短纤维增强地产生，在按照本发明的纤维复合体中所有的支柱都由缠绕的增强纤维构成，即尤其是短的“支柱”也由缠绕的增强纤维构成，这些短的支柱在沿主载荷方向设置的较长的支柱之间延伸。由此得到特别轻的构件，其特征在于高的多轴载荷能力。
当增强纤维是连续纤维，其中至少一部分增强纤维在多个支柱上延伸时，可以实现一种轻的并且同时可承受很高载荷的结构。理论上甚至可考虑由唯一的连续纤维束来缠绕整个型材结构。
为了实现制造技术上简单且同时稳定的型材结构，在两个支柱之间的过渡区域中增强纤维的至少一部分可以离开其中一个支柱的束走向并且过渡到另一个支柱的纤维增强部中。
在一种优选的实施方式中，在相交的支柱之间设有连接部位，增强纤维在所述连接部位处相交，尤其是其中，每个支柱的增强纤维形成一个增强纤维束并且增强纤维束在所述连接部位处相互穿过。例如，一个束可以居中地被引导穿过另一个束，或者两个束被分成交替地相交的多个层。因为相交的束也在连接部位处被彼此压制，所以(预浸渍的)纤维束的塑料基质在此同样构成材料锁合的连接。
在本发明的一种进一步改进方案中，设有一个或多个连接区域用于将纤维复合体固定在相邻部件上，所述连接区域分别具有固定元件，增强纤维围绕所述固定元件延伸。由此实现纤维复合体与其它构件的可载荷的、有利的且可简单制造的连接，其中，可以省略纤维复合体结构的影响稳定性的变化，如其在事后钻孔时的情况那样。
所述固定元件优选包括固定开口，该固定开口尤其是由优选以套筒的形式的嵌件包围，增强纤维围绕所述嵌件被引导。尤其是可以由金属制成的嵌件在缠绕型材结构时已经一起被置入或缠绕并且在此使尤其是环形包围嵌件的增强纤维的纤维引导变得容易。替代套筒，当然也可以是螺纹套筒、螺栓、栓钉、孔眼或类似物。
此外可以规定，所述嵌件具有尤其是以成形的板的形式的锚定器件。通过这种优选扁平构造的锚定器件可以将逐点通过固定元件或者嵌件引入的力分配到纤维复合体中的一个面上。
在一种进一步改进方案中，在位于支柱与连接区域之间的过渡区域中增强纤维的一部分与增强纤维的另一部分相交。以这种方式，恰好在按照本发明的纤维复合体的连接区域中实现了提高的稳定性，因此纤维复合体不仅能够承受拉力，而且能够非常好地承受压力。
之前提出的任务同样通过一种用于制造纤维复合体的方法来解决，该纤维复合体具有多个设置在框架状的型材结构中的支柱，其中，该方法具有以下步骤：
a)提供预浸渍的连续增强纤维；
b)由预浸渍的增强纤维缠绕框架状的型材结构或将增强纤维针织到载体材料中，其中，每个支柱由多个彼此平行延伸的增强纤维构成；
c)将已缠绕的增强纤维置入到挤压模具中；并且
d)将已缠绕的增强纤维压制成完成的纤维复合体。
利用按照本发明的方法可以以简单且成本低廉的方式制造特别轻的并且同时稳定的带有框架状的型材结构的纤维复合体，所述型材结构尤其是可以作为结构加固元件在机动车车身构造中被使用。
此外，所有关于按照本发明的纤维复合体所述的进一步改进方案和优点也适用于按照本发明的方法，反之亦然。
附图说明
其它特征和优点由以下借助附图对多个优选实施方式的描述得出。其中示出：
图1示出根据本发明第一种实施方式的纤维复合体的型材结构的示意图；
图2示出在图1的纤维复合体的部分区域中的增强纤维的走向的示图；
图3示出在根据本发明的第二种实施方式的纤维复合体中的增强纤维走向的侧视图；
图4示出根据本发明第三种实施方式的纤维复合体的侧视图；
图5示出根据本发明第四种实施方式的纤维复合体的侧视图；
图6示出具有针织的增强衬里的本发明的另一种实施方式的侧视图。
具体实施方式
图1和图2示出按照本发明的、以结构加固元件的形式的纤维复合体10，该结构加固元件尤其是用于加固机动车的车身。
纤维复合体10(其在此扁平地构造并且基本上在两个维度上、即图平面上延伸)具有多个支柱12，这些支柱设置在框架状的型材结构14中。如由图2可见，支柱12由嵌入到塑料基质16中的、在相应的支柱12的区域中绝大部分地彼此平行延伸的增强纤维18构成。
要指出，在所述申请的过程中，支柱可以理解为型材结构14的每个单个的直地延伸的区段，即除了较长的、沿主载荷方向设置的区段之外，还可以理解为设置在它们之间的较短的“支柱”，这些支柱也被称为横向支柱，因为这些支柱横向于主载荷方向延伸。
在此，整个框架状型材结构14由嵌入到塑料基质16中的增强纤维18来制造，其方式为直接缠绕用基质材料预浸渍的增强纤维18并且随后将增强纤维压制。所述增强纤维18是连续纤维，其中至少一部分在多个支柱12例如12a和12b、12a和12c、12e和12g、12e和12f、12b和12f上延伸。甚至可设想，由唯一的连续纤维束缠绕整个结构。
在每两个(或更多个)支柱12(例如图2中的12a、12b和12c、12e、12f、12g和12b等)之间设有也称作结节的过渡区域20，其中，在过渡区域20中增强纤维18的至少一部分离开一个支柱(例如图12a)的束走向并且过渡到另一个支柱(例如图12b)的纤维增强部中。尤其是，在主载荷方向上延伸的支柱束(外部延伸的支柱)在横向支柱中延伸。
此外，纤维复合体10具有多个连接区域22用于将纤维复合体10固定在(未示出的)相邻部件上，其中，所述连接区域22分别具有一个固定元件24，增强纤维18围绕所述固定元件延伸。每个固定元件24包括由套筒28包围的固定开口26，该套筒形成嵌件30的一部分，增强纤维18围绕该嵌件30被引导。在所示的示例中，嵌件30由金属制成；替代地，嵌件30也可以由塑料制成。
为了将嵌件30可靠地锚固在纤维复合体10中，每个嵌件30具有以成形的板的形式的锚固器件，该锚固器件在图2中基本上平行于图平面地在多层增强纤维18之间延伸，然而在图中未示出。
此外，每个嵌件30具有一个或多个销状的突起32，所述突起与套筒28间隔开地与板连接，其中，在相应的突起32与套筒28之间属于相应的支柱12的增强纤维18的一部分与增强纤维18的另一部分相交。由此，纤维复合体10的特别高的稳定性恰好在支柱12与连接区域22之间的过渡区域33中实现。尤其是，支柱12或整个型材结构14不仅可以承受拉力，而且可以非常好地承受压力。
为了制造纤维复合体10，首先提供预浸渍的连续增强纤维，随后将增强纤维根据确定的缠绕图样例如在缠绕工具中缠绕成框架状的型材结构14。在此，型材结构14的每个单独的支柱12由多个(一束)彼此平行延伸的增强纤维18构成。嵌件30在此可以用作缠绕辅助装置并且直接在缠绕型材结构14时被一同缠绕。最后，将已缠绕的增强纤维18(连同嵌件30)置入到挤压模具中并且压制成完成的纤维复合体10，其中，嵌件30形锁合地和/或材料锁合地(在塑料嵌件的情况下为后者材料锁合)与其余的纤维复合体10连接。增强纤维18的注塑包封在按照本发明的方法中不发生。
图3以略微改变的设计方案示出纤维复合体10中的增强纤维18的走向的详细视图。在此可特别好地看出过渡区域20，在这些过渡区域中增强纤维18的一部分分别离开其中一个支柱12的束走向并且过渡到另一个支柱12的纤维增强部中。
在图4中示出另一个纤维复合体10，其与图1和2中的纤维复合体仅稍微不同。在此，框架状的型材结构14具有更多短的支柱12，这些短的支柱在沿主载荷方向设置的长支柱12之间延伸，这对纤维复合体10的稳定性产生积极的影响。
图5示出按照本发明的纤维复合体10的另一种实施方式，其中，相同的构件在此也具有相同的附图标记并且仅详细说明与迄今为止所描述的设计方案的不同之处。
在根据图5的纤维复合体10中，多个支柱(例如12a和12b、12c和12d等)直接相交，其中，在相交的支柱12之间设置有连接部位34，增强纤维18在所述连接部位处相交。尤其是，每个支柱12的增强纤维18形成一个增强纤维束，并且两个支柱12的增强纤维束在连接部位34处相互穿过。在此，一个束可以居中地被引导穿过另一个束，或者两个束被分成交替地相交的多个层。
在连接部位34(或“结节”)处，预浸渍的增强纤维18可以比在支柱12的中间区域内略微更强烈地彼此压制，由此可以实现扁平的连接部位34和特别高的稳定性。当然，根据图5的纤维复合体10也可以具有多个带有固定开口的连接区域，然而这些固定开口在此未示出。
在图6中设置有本发明的另一种实施方式。在此，由玻璃纤维纺织品或碳纤维纺织品制成的载体材料50通过增强纤维18针织，如其之前已经提及的那样。所述载体材料50例如可以是非织造织物。在针织之后，将载体材料50(例如通过冲压、切割，包括激光切割)这样切割，使得产生空隙部52和支柱12。在此，在支柱12之间也可以存在连接部位34，在该连接部位中增强纤维18的密度更高。提高的密度可以通过多次针织或针织图案或诸如此类产生。增强纤维18可以被预浸渍亦或不被预浸渍。如果它们未被预浸渍，则将如图6中所示的扁平的基本形状在模具中嵌入到塑料基质中并且将其进行压制。多余的载体材料50可以通过切削方法或通过激光切割被去除。替代地，载体材料可以是带状的，然后被针织。然后带被缠绕，例如这在图1至图5中所示的那样。

Claims (11)

1.纤维复合体、尤其是结构加固元件，其具有多个支柱(12、12a、…、12g)，这些支柱由嵌入到塑料基质(16)中的、在各个支柱(12、12a、…、12g)的区域中基本上彼此平行延伸的增强纤维(18)构成，其中，这些支柱(12、12a、…、12g)设置在框架状的型材结构(14)中，该型材结构通过缠绕增强纤维(18)或通过对增强纤维针织而产生。
2.根据权利要求1所述的纤维复合体，其特征在于，所述型材结构(14)通过直接缠绕利用基质材料预浸渍的增强纤维(18)并且随后将增强纤维挤压而产生。
3.根据权利要求1或2所述的纤维复合体，其特征在于，整个型材结构(14)由嵌入到塑料基质(16)中的、缠绕的增强纤维(18)构成。
4.根据上述权利要求中任一项所述的纤维复合体，其特征在于，所述增强纤维(18)是连续纤维，其中至少一部分在多个支柱(12、12a、…、12g)上延伸。
5.根据上述权利要求中任一项所述的纤维复合体，其特征在于，在两个支柱(12、12a、…、12g)之间的过渡区域(20)中，增强纤维(18)的至少一部分离开其中一个支柱(12、12a、…、12g)的束走向并且过渡到另一个支柱(12、12a、…、12g)的纤维增强部中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的纤维复合体，其特征在于，在相交的支柱(12、12a、…、12g)之间设有连接部位(34)，增强纤维(18)在所述连接部位处相交，尤其是其中，每个支柱(12、12a、…、12g)的增强纤维(18)形成一个增强纤维束并且各增强纤维束在所述连接部位(34)处相互穿过。
7.根据上述权利要求中任一项所述的纤维复合体，其特征在于，设置一个或多个连接区域(22)用于将纤维复合体(10)固定在相邻部件上，所述连接区域分别具有一个固定元件(24)，增强纤维(18)围绕所述固定元件延伸。
8.根据权利要求7所述的纤维复合体，其特征在于，所述固定元件(24)包括固定开口(26)，该固定开口尤其是由优选以套筒(28)形式的嵌件(30)包围，增强纤维(18)围绕所述嵌件被引导。
9.根据权利要求8所述的纤维复合体，其特征在于，所述嵌件(30)具有尤其是以成形的板的形式的锚定器件。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的纤维复合体，其特征在于，在支柱(12、12a、…、12g)与连接区域(22)之间的过渡区域(33)中，增强纤维(18)的一部分与增强纤维(18)的另一部分相交。
11.用于制造纤维复合体(10)、尤其是结构加固元件的方法，所述纤维复合体具有多个设置在框架状型材结构(14)中的支柱(12、12a、…、12g)，其中，所述方法具有以下步骤：
a)提供尤其是预浸渍的连续的增强纤维(18)；
b)由增强纤维(18)缠绕框架状的型材结构(14)或将增强纤维针织到载体材料(50)中，其中，每个支柱(12、12a、…、12g)由多个彼此平行延伸的增强纤维(18)构成；
c)将已缠绕或针织的增强纤维(18)置入到挤压模具中；并且
d)将已缠绕的增强纤维(18)压制成完成的纤维复合体(10)。
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