CN113905867A - 用于由纤维增强的塑料制造构件的方法和模具系统 - Google Patents

用于由纤维增强的塑料制造构件的方法和模具系统 Download PDF

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Abstract

提出了一种用于由纤维增强的塑料制造构件的方法，其中在第一温度下将具有环绕的轮廓的纤维半成品的至少一个层施加到模具上，使得轮廓位于环绕的边缘之内。沿环绕的边缘布置补偿体，该补偿体所具有的热膨胀系数大于模具的热膨胀系数，使得补偿体从边缘出发朝环绕的轮廓的方向延伸。在密封布置之后，引入树脂并且加热布置。由此，补偿体比模具更剧烈地膨胀并且齐平地包围纤维半成品，使得构件的形状能够对应于所设置的最终形状并且不再需要再加工。

Description

用于由纤维增强的塑料制造构件的方法和模具系统
技术领域
本发明涉及一种用于由纤维增强的塑料制造构件的方法以及一种用于制造这种构件的模具系统。
背景技术
对于由纤维复合材料制造大尺寸的构件，已知不同的方法。主要使用注压法或真空灌注法。原则上，在这两种方法中使用模具，这些模具预先给定构件的要制造的形状并且设有由纤维半成品构成的一个或多个层。在封闭模型之后，用树脂浸渍模型中的层并且随后硬化。根据所使用的方法，使用正压或负压。
仅在制造较大的构件时才需要大尺寸的模具。然而，在常见的树脂系统中，取决于应用情况，期望有一定的温度来使得树脂充分地浸透纤维半成品并且随后使树脂交联以实现所得到的构件的所要求的特性。由于一定的热膨胀系数，在常用的用于模具的材料中，模具在加热时不可避免地发生膨胀。由于模具预先给定了所制造的构件的随后的形状并且热膨胀行为可能与模具材料的热膨胀行为不同，因此由于热膨胀可能出现偏差。为了避免这些偏差以及在脱模时由此造成的损坏，构件通常以过量的尺寸制造，以便随后通过切削加工达到期望的尺寸。替代地，可能使用成本高的和/或难以加工的模具材料，这些模具材料具有明显更低的热膨胀行为。此外，可替代地可能使用复杂的、多件式的模具，这些模具部分地配备有昂贵的运动机构或脱模机构。恰好在由碳纤维增强的塑料制造构件时，这不仅增加了耗费而且增加了成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种方法，该方法允许尽可能精确地制造具有规定尺寸的构件，而不需要复杂的再加工。
该目的通过具有独立权利要求1所述特征的方法来实现。有利的实施方式和改进方案自从属权利要求和以下说明书中得出。
提出一种用于由纤维增强的塑料制造构件的方法，所述方法具有以下步骤：提供具有包括环绕的边缘的模具表面的模具；在第一温度下将具有环绕的轮廓的纤维半成品的至少一个层定位在所述模具表面上，所述环绕的轮廓位于所述环绕的边缘之内；沿所述环绕的边缘布置补偿体，所述补偿体所具有的热膨胀系数大于所述模具的热膨胀系数，使得所述补偿体从所述边缘出发朝所述环绕的轮廓的方向延伸；借助于封闭装置密封所述至少一个层和所述补偿体的布置，以形成闭合的模型；加热所述模型，使得所述补偿体比所述模型更剧烈地膨胀；将树脂引入到所述模具中；以及硬化、冷却和取出所述构件。
该方法尤其可以作为树脂注压法(Resin Transfer Molding，RTM)来实现。为此提供纤维半成品的该至少一个层，该至少一个层借助于封闭装置在模具上四周密封。虽然柔性的薄膜是可以考虑的，但是在该方法中尤其提出使用另一硬的模具区段，该模具区段被放到纤维半成品上。目的是，由此将至少一个层气密地且形状可靠地封装在模具上。
在实施RTM方法时，可以紧接着供应压力加载的树脂，以便渗透纤维半成品的该至少一个层。替代于此，模具的抽空也是可能的，通过该抽空，树脂由于负压而被吸入模型中。
纤维半成品的该至少一个层位于模具上并且具有环绕的轮廓，该轮廓从要制造的构件观察，包围与模具表面的环绕的边缘的间隙。该间隙用于容纳补偿体，该补偿体根据本发明具有如下特性：具有的热膨胀系数大于模具的热膨胀系数。膨胀系数应理解为纵向膨胀系数。这意味着，当模型连同包含在其中的纤维半成品的该至少一个层被加热时，模具和补偿体都膨胀。补偿体在此比模具更剧烈地膨胀，以便封闭在补偿体被放置之后仍被包围在环绕的轮廓中的间隙。补偿体优选如下确定尺寸，使得该补偿体在升高的温度下齐平地紧靠纤维半成品并且在轮廓侧完全密封该纤维半成品。特别优选地，补偿体如下确定尺寸，使得其形成与公差相对应的树脂边缘。
模具表面的环绕的边缘和纤维半成品的该至少一个层的环绕的轮廓在此可以如下选择，使得在有针对性地提高温度以改善树脂的流动性的情况下，在轮廓与边缘之间留有足够的间隙，树脂在闭合的模型中通过该间隙可以从一个或多个树脂引入部位运动到纤维半成品中。
在一种情况下，模具可能由铝合金构成。铝合金具有约22至24·10-6K-1的范围内的纵向膨胀系数。补偿体例如可能由塑料(例如PTFE等)或橡胶状材料构成。PTFE可能具有100至160·10-6K-1的纵向膨胀系数，即大约是该值的5到7倍。由此可以实现补偿体在闭合的模型内部的可靠的膨胀，用于在模型膨胀时封闭在环绕的边缘与环绕的轮廓之间的中间空间。
术语“树脂”在本发明的意义上是指任意的基质材料，其适合与纤维材料构成纤维复合部件。在此，基质材料也可以包含硬化剂(多组份树脂体系)。树脂在狭义上可以是指热固性塑料，例如环氧树脂体系。但也不应排除使用热塑性塑料。
此外，补偿体可理解为主要用于补偿模具的热膨胀的构件。至少在树脂交联的温度下，补偿体齐平地位于环绕的边缘与环绕的轮廓之间的中间空间中。可选地，补偿体也可以附加地用于密封模具。然而可以考虑的是，附加的环绕的密封件布置在模具的边缘的外部。补偿体可以带状地成形并且由此具有明显超过宽度的长度。于是，补偿体可能手动地或自动地以期望的方式放置。作为替代方案提出，将补偿体实施为一个或多个板，这些板提供补偿体的期望形状。
在一个特别有利的实施方式中，所述模型的加热包括从所述第一温度加热到处于70℃至150℃的范围内的第二温度。此外，其也可能处于下限较高的范围内，例如90℃。此外，上限可能稍高或稍低。通过在提及的温度范围内加热到第二温度，可以改善树脂的流动性。此外，树脂的第一次交联可以在第二温度下进行。在用于制造CFK构件的RTM方法中经常执行将模型加热到这样的温度。在加热到第二温度时，发生模具的第一纵向膨胀。然而，补偿体的纵向膨胀明显超过该模具的第一纵向膨胀。通过补偿体的更剧烈的膨胀，在纤维半成品的边缘和环绕的轮廓之间的中间空间至少部分地封闭。在此，树脂从该中间空间被挤出。
有利的是，该方法还包括加热到用于硬化的第三温度，所述第三温度处于150℃至200℃的范围内。加热到第三温度(该第三温度例如可能为大约180℃)使树脂完全硬化，使得构件获得其最终强度。
应指出的是，膨胀的补偿体与模具的配合应彼此精确地协调。模具在从第一温度加热至第三温度时连续膨胀。在加热阶段期间可以存在极限温度，在该极限温度下模具精确地与预先给定的形状一致。同时，纤维半成品与其中包含的树脂组合至少从一定温度起连续地提高其强度，直至达到最终强度。因此，补偿体可能大致被确定尺寸成使得在确定的极限温度下，通过补偿体的膨胀精确地封闭环绕的边缘与环绕的轮廓之间的中间空间，并且包含在纤维半成品中的部分交联的树脂实现这样的形状稳定性，使得在模具进一步加热和由此引起的进一步膨胀时纤维半成品不会进一步变形。这种极限温度可能介于第二温度与第三温度之间。在该极限温度上的保持阶段允许在进行更剧烈的加热之前交联进行直至轮廓稳定，以便提高最终强度。因此，根据材料通过实验或通过模拟检查和协调补偿体的需要的尺寸是有意义的。
优选地，所述补偿体可能在布置到所述模具上之前被确定尺寸为在所述模具的纵向边缘处比在横向边缘处更窄。模具的膨胀取决于其延伸尺寸。例如，如果模具的长度明显大于宽度，那么在纵向方向上的纵向膨胀预期将比在横向方向上明显更大。因此提出，在纵向边缘处使用比在横向边缘处更窄的补偿体。可以设想的是，补偿体的宽度与模具的相应的延伸尺寸相匹配。补偿体因此与构件的几何要求相匹配地成形。如果构件的宽度例如变化，则补偿体的宽度也可能分别局部地匹配。
此外有利的是，所述补偿体被确定尺寸成使得在所述第一温度下，在所述补偿体与所述纤维半成品的所述至少一个层之间存在间隙，并且在加热之后并且在引入树脂之前，所述补偿体才与所述纤维半成品的所述至少一个层紧靠。紧靠可理解为，补偿体齐平地贴靠纤维半成品的环绕的轮廓。由此可以防止树脂通过纤维半成品的环绕的轮廓流出。可以提出，在补偿体中局部留有间隙，该间隙例如在加热超过第二温度时才封闭，以便在那里留有用于引入树脂的合适的部位。
优选地，所述模具具有最高30·10-6K-1的热膨胀系数并且所述补偿体具有至少100·10-6K-1的热膨胀系数。因此，在两个膨胀系数之间产生显著的差异。补偿体和模具的热膨胀系数的商可以明显大于3。
本发明还涉及一种用于由纤维增强的塑料制造构件的模具系统，该模具系统具有：模具，所述模具具有模具表面，所述模具表面具有环绕的边缘；补偿体，所述补偿体所具有的热膨胀系数大于所述模具的热膨胀系数；封闭装置，所述封闭装置与所述模具相对应地成形；以及加热装置，所述加热装置用于根据需要加热所述模具，其中所述模具表面被设计成，在第一温度下容纳具有环绕的轮廓的纤维半成品的至少一个层，所述环绕的轮廓位于所述环绕的边缘之内，并且沿着所述环绕的边缘位于所述补偿体之内，使得所述补偿体从所述边缘出发朝所述环绕的轮廓的方向延伸，其中所述封闭装置被设计成，将所述模具封闭成闭合的模型并且在此包围所述纤维半成品的所述至少一个层和所述补偿体，其中所述闭合的模型具有至少一个用于接纳树脂的树脂管道。
补偿体可以是弹性的。可以提出：补偿体通过手动或自动的方法沿着其期望的延伸方向相继地放置在模具上。补偿体于是可能相应地卷起。然而在此应注意的是，这样的放置特别优选地适用于宽度不发生剧烈变化的模具。
可能提出，补偿体带状地成形。这可能简化补偿体在模具上的放置。
在此模具可能具有最高30·10-6K-1的热膨胀系数并且该补偿体具有至少100·10-6K-1的热膨胀系数。
在材料和制造成本方面有意义的是，模具具有铝。由铝制成的模具尤其适用于制造较大的构件，因为模具表面易于加工，并且与具有相似的耐温性和明显更低的膨胀系数的金属材料相比成本明显更高。
此外可以考虑的是，模具具有含铁合金。其例如可以实施为钢、例如铸钢。此外，可以考虑使用铁镍合金，其也以名称INVAR已知并且可以具有特别低的热膨胀系数。
此外，模具也可以具有CFK。
此外优选的是，补偿体具有PTFE或橡胶。由此可以实现非常高的热膨胀系数。
附图说明
本发明的其他的特征、优点和应用可能性从对实施例的以下描述和附图中得出。在此，所有所描述的和/或图示的特征自身和以任意的组合形成本发明的主题，而与其在各个权利要求中或其所引用的权利要求中的关系无关。此外，在附图中相同的附图标记代表相同或相似的物体。
图1示出方法的基于框的示意性图示。
图2a至图2c以多个空间视图示出模具系统。
图3a至图3d示出模具中的补偿体的细节。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于由纤维增强的塑料制造构件的方法2的基于框的示意性图示。方法2具有以下步骤：提供4具有包括环绕边缘的模具表面的模具；在第一温度下将具有环绕的轮廓的纤维半成品的至少一个层定位6在模具表面上，该环绕的轮廓位于环绕的边缘内；沿环绕的边缘布置8补偿体，该补偿体所具有的热膨胀系数大于模具的热膨胀系数，使得补偿体从边缘出发朝环绕的轮廓的方向延伸。随后，借助于用于形成闭合的模型的封闭装置密封10该至少一个层和补偿体的布置，加热12模型使得补偿体比模型更剧烈地膨胀，将树脂引入14到模型中，硬化16，冷却18和取出20。加热可以包括加热到第二温度，该第二温度可以处于90℃至150℃的范围内。在引入14之后，为了硬化16可以设置加热22到处于150℃至200℃的范围内的第三温度。
图2a以非常示意性的图示示出根据本发明的模具系统24，该模具系统可以实现上面示出的方法2。模具系统24具有模具26，该模具具有模具表面28，该模具表面具有环绕的边缘30。此外，设置有多个例如带状成形的补偿体32。模具26例如可能由铝制成，而补偿体32优选具有塑料材料(例如PTFE)或橡胶材料。补偿体32的材料可能是刚性的或弹性的。如果需要，使用弹性材料可能促进自动涂覆。根据本发明，补偿体32的热膨胀系数明显高于模具26的热膨胀系数。
此外，设置有封闭装置34，该封闭装置与模具26互补地设计。封闭装置34可以通过螺纹连接或外部的运动或保持装置被按压到模具26上。加热装置36仅作为附图标记在模具26下方示出。加热装置36既可能设置在模具26中，也可能设置在封闭装置34中，设置在这些元件中的两个中或者设置在外部，并且用于根据需要加热模具26。
模具表面28被设计成用于在第一温度(例如室温(约20℃))下容纳纤维半成品38的层。纤维半成品具有环绕的轮廓40。如果纤维半成品38位于模具表面28上，则环绕的轮廓40位于环绕的边缘30之内，从而因此存在间隙。补偿体32于是在模具上放置在模具表面28上并且优选齐平地连接至边缘30。
封闭装置34还被设计成用于将模具26封闭成闭合的模型42(参见图2c)，在此不仅包围纤维半成品38而且包围补偿体32并且吸收过程力。过程力是树脂压力和热膨胀压力的结果。此后，树脂可以经由确定的树脂入口44被引入到模型42中，从而将纤维半成品38渗透。
如上所述，特别注意模具26以及补偿体32的热膨胀系数。这在进一步的展示中变得特别清楚。
图3a例如示出了模具26，其具有位于其上的纤维半成品38以及补偿体32，该补偿体布置于环绕的边缘30并且朝纤维半成品38的环绕的轮廓40的方向延伸。在此例如可能是具有长形形状的翼壳。
在图3b中，在局部视图I中示出第一温度下的模具26，在该第一温度下，将纤维半成品38放置在模具表面28上。补偿体32在此处于低膨胀状态。在局部图II中，模具26达到第二温度或第三温度，其中补偿体32已经显著地膨胀。
图3c示出了模具26、补偿体32、纤维半成品38和模具表面28的局部。该模具表面在第一温度下通过间隙46可见。在冷却之后也会出现间隙46，并且在此使得成品构件从模具26脱模变得容易。至少在第三温度期间，然而可选地也在第二温度期间，补偿体32可能强烈地膨胀而使得间隙46被封闭并且因此利于保持纤维半成品38的形状。
补充性地可以指出，“具有”并不排除其他的元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多数。此外还可以指出，已经参照上述实施例之一描述的特征也可以与上文描述的其他实施例的其他特征组合使用。权利要求书中的附图标记不应被视为限制。
附图标记清单
2 方法
4 提供
6 定位
8 布置
10 密封
12 加热(到第二温度)
14 引入
16 硬化
18 冷却
20 取出
22 加热(到第三温度)
24 模具系统
26 模具
28 模具表面
30 环绕的边缘
32 补偿体
34 封闭装置
36 加热装置
38 纤维半成品
40 环绕的轮廓
42 模型
44 树脂入口
46 间隙

Claims (12)

1.一种用于由纤维增强的塑料制造构件的方法(2)，所述方法具有以下步骤：
-提供(4)具有包括环绕的边缘(30)的模具表面(28)的模具(26)；
-在第一温度下将具有环绕的轮廓(40)的纤维半成品(38)的至少一个层定位(6)在所述模具表面(28)上，所述环绕的轮廓位于所述环绕的边缘(30)之内；
-沿所述环绕的边缘(30)布置(8)补偿体(32)，所述补偿体所具有的热膨胀系数大于所述模具(26)的热膨胀系数，使得所述补偿体(32)从所述边缘(30)出发朝所述环绕的轮廓(40)的方向延伸；
-借助于封闭装置(34)密封(10)所述至少一个层和所述补偿体(32)的布置，以形成闭合的模型(42)；
-加热(12)所述模型(42)，使得所述补偿体(32)比所述模型(42)更剧烈地膨胀；
-将树脂引入(14)到所述模具(42)中；以及
-硬化(16)、冷却(18)和取出(20)所述构件。
2.根据权利要求1所述的方法(2)，
其中所述模型(42)的加热(12)包括从所述第一温度加热到处于70℃至150℃的范围内的第二温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法(2)，
还包括加热(22)到用于硬化(16)的第三温度，所述第三温度处于150℃至220℃的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(2)，
其中所述补偿体(32)在布置到所述模具(26)上之前被确定尺寸成在所述模具(26)的纵向边缘处比在横向边缘处更窄。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(2)，
其中所述补偿体(32)被确定尺寸成使得在所述第一温度下，在所述补偿体(32)与所述纤维半成品(38)的所述至少一个层之间存在间隙(46)，并且在加热(12)之后并且在引入(14)树脂之前，所述补偿体(32)才与所述纤维半成品(38)的所述至少一个层紧靠。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(2)，
其中所述模具(26)具有最高30·10-6K-1的热膨胀系数并且所述补偿体(32)具有至少100·10-6K-1的热膨胀系数。
7.一种用于由纤维增强的塑料制造构件的模具系统(24)，所述模具系统具有：
-模具(26)，所述模具具有模具表面(28)，所述模具表面具有环绕的边缘(30)；
-补偿体(32)，所述补偿体所具有的热膨胀系数大于所述模具(26)的热膨胀系数；
-封闭装置(34)，所述封闭装置与所述模具(26)相对应地成形；以及
-加热装置(36)，所述加热装置用于根据需要来加热所述模具(26)，
其中所述模具表面(28)被设计成，在第一温度下容纳具有环绕的轮廓(40)的纤维半成品(38)的至少一个层，所述环绕的轮廓位于所述环绕的边缘(30)之内，并且沿着所述环绕的边缘(30)位于所述补偿体(32)之内，使得所述补偿体(32)从所述边缘(30)出发朝所述环绕的轮廓(40)的方向延伸，
其中所述封闭装置(34)被设计成，将所述模具(26)封闭成闭合的模型(42)并且在此包围所述纤维半成品(38)的所述至少一个层和所述补偿体(32)，
其中所述闭合的模型(42)具有至少一个用于接纳树脂的树脂管道。
8.根据权利要求7所述的模具系统(24)，
其中所述补偿体(32)是弹性的。
9.根据权利要求7或8所述的模具系统(24)，
其中所述补偿体(32)带状地成形。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的模具系统(24)，
其中所述模具(26)具有最高30·10-6K-1的热膨胀系数并且所述补偿体(32)具有至少100·10-6K-1的热膨胀系数。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的模具系统(24)，
其中所述模具(26)具有铝。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的模具系统(24)，
其中所述补偿体(32)具有PTFE或橡胶。
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