DE102015215715A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers - Google Patents

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molten
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Toshiaki Fujii
Daiya Yamashita
Hiroshi Kato
Satoshi Miyazu
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials
    • B29C66/7212—Fibre-reinforced materials characterised by the composition of the fibres

Abstract

Erste und zweite Kompositelemente (10, 12), die jeweils erste diskontinuierliche Fasern (22) einer Faserlänge La enthalten, werden so angeordnet, dass deren Endoberflächen (10a, 12a) mit einem Abstand einer ersten Länge L1 aufeinander zu weisen. Die Enden der ersten und zweiten Kompositelemente (10, 12) werden über eine zweite Länge L2 von den Endoberflächen (10a, 12a) her geschmolzen. Ein Verbindungselement (40), das zweite diskontinuierliche Fasern (24) mit einer Faserlänge Lb enthält, wird geschmolzen und angeordnet, um einen Zwischenraum zwischen den Enden zu überbrücken, um einen Stapel (42) zu bilden. Der Stapel (42) wird gepresst, wodurch das geschmolzene Verbindungselement (40) und die geschmolzenen Endabschnitte (10b, 12b) in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen (10a, 12a) fließen, um einen Mischabschnitt (44) zu bilden. Der Mischabschnitt (44) wird gekühlt und verfestigt, um einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper (18) herzustellen. Die erste Länge L1 ist gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb, und die zweite Länge L2 ist gleich oder größer als die Faserlänge La.

Description

  • Hintergrund der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers zum Verbindung von Kompositelementen, deren jedes einen thermoplastischen Kunststoff und diskontinuierliche Fasern enthält, um einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper zu erhalten.
  • Beschreibung der verwandten Technik:
  • Es sind Untersuchungen an faserverstärkten Kunststoffen durchgeführt worden, die in Fahrzeugkarosseriekomponenten und dergleichen verwendbar sind, zu dem Zweck der Gewichtsreduktion, erhöhten Festigkeit etc. Unter den faserverstärkten Kunststoffen haben insbesondere faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe (FRTPs) viel Aufmerksamkeit angezogen. Das FRTP enthält als Basismaterial einen thermoplastischen Kunststoff, der leichter in kürzerer Zeit geformt werden kann als wärmehärtende Kunststoffe. In einem Kompositelement, das aus dem FRTP zusammengesetzt ist, kann der als Basismaterial verwendete thermoplastische Kunststoff durch Erwärmen geschmolzen werden. Daher können separat hergestellte Kompositelemente, die aus dem FRTP zusammengesetzt sind, leicht miteinander verschweißt werden. Demzufolge kann ein faserverstärkter Kunststoffverbundkörper hergestellt werden, indem eine Mehrzahl der Kompositelemente miteinander verbunden wird, daher kann auch eine große Fahrzeugkarosseriekomponente leicht bei geringen Kosten hergestellt werden.
  • In diesem Fall wird im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Verstärkungsfasern, die in einer Verbindung zwischen den Kompositelementen in dem Schweißbindungsprozess miteinander verschlungen werden, als ein Weg angesehen, die Verbindungsfestigkeit der Kompositelemente und die mechanischen Eigenschaften des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers zu verbessern.
  • Zum Beispiel wird in der JP 11-090986 A ein Verfahren zum Verschweißen solcher Kompositelemente vorgeschlagen. Bei diesem Schweißverbindungsverfahren werden Verbindungsenden eines ersten Kompositelements und eines zweiten Kompositelements miteinander überlappt, und Kontaktoberflächen der Kompositelemente werden miteinander verbunden, so dass eine Verbindung gebildet wird, um einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper herzustellen. Insbesondere werden zuerst Verbindungsoberflächen an den Verbindungsenden der Kompositelemente erhitzt, um den thermoplastischen Kunststoff zu schmelzen, wodurch die Verstärkungsfaser an den Verbindungsoberflächen partiell freiliegt. Dann werden die Verbindungsenden miteinander überlappt, derart, dass die Verbindungsoberflächen in Kontakt miteinander gebracht werden, und die Kompositelemente werden pressgeformt und verschweißt. Im Ergebnis werden die Verstärkungsfasern miteinander verschlungen und in der Verbindung zwischen den überlappten Verbindungsenden in dem hergestellten faserverstärkten Kunststoffverbundkörper im Wesentlichen gleichmäßig verteilt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In dem obigen Schweißverbindungsverfahren wird die Verbindung zwischen den überlappenden Verbindungsenden gebildet. Daher bilden, in dem resultierenden faserverstärkten Kunststoffverbundkörper, der Stapelverbindungsabschnitt und die anderen Abschnitte unvermeidbar eine Stufenstruktur. Daher hat der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper in dem Verbindungsabschnitt die Stufenstruktur. Die Stufenstruktur kann das Erscheinungsbild des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers nachteilig beeinträchtigen. Falls ferner ein solcher faserverstärkter Kunststoffverbundkörper als Fahrzeugkarosseriekomponente oder dergleichen verwendet wird, kann die Stufenstruktur ihre dynamischen Eigenschaften der Fahrzeugkarosserie beeinträchtigen. Darüber hinaus kann die Dickenzunahme in dem Verbindungsabschnitt bei diesem Verfahren nicht vermieden werden. Demzufolge kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper nicht leicht mit einer gewünschten Form und zufriedenstellend reduziertem Gewicht hergestellt werden.
  • Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers anzugeben, das in der Lage ist, diskontinuierliche Fasern, die in einer Verbindung zwischen Verbindungsenden miteinander verschlungen werden, im Wesentlichen gleichmäßig zu verteilen, ohne Stufenstrukturen zu bilden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers angegeben, zum Erhitzen von Verbindungsenden eines ersten Kompositelements und eines zweiten Kompositelements, und danach Pressverbinden der Verbindungsenden zwischen einer Unterform und einer Oberform. Die ersten und zweiten Kompositelemente enthalten jeweils einen ersten thermoplastischen Kunststoff und erste diskontinuierliche Fasern mit einer Faserlänge La. Das Verfahren enthält einen Heizschritt, einen Stapelschritt, einen Pressschritt und einen Verfestigungsschritt. In dem Heizschritt werden das erste Kompositelement und das zweite Kompositelement auf der Unterform derart angeordnet, dass Endoberflächen der Verbindungsenden mit einem Intervall einer ersten Länge einander gegenüberliegend angeordnet werden, wobei die Unterform durch einen ersten Heizer erhitzt wird, um Abschnitte des ersten Kompositelements und des zweiten Kompositelements derart zu schmelzen, dass sich die geschmolzenen Abschnitte von den Endoberflächen über eine zweite Länge einwärts erstrecken, und wobei ein Verbindungselement, das einen zweiten thermoplastischen Kunststoff und zweite diskontinuierliche Fasern mit einer Faserlänge Lb enthält, durch einen zweiten Heizer erhitzt und geschmolzen wird. In dem Stapelschritt wird das geschmolzene Verbindungselement so angeordnet, dass es einen Zwischenraum zwischen den geschmolzenen Verbindungsenden überbrückt, um hierdurch einen Stapel zu bilden. In dem Pressschritt werden die Unterform und die Oberform näher aufeinander zu bewegt, um den Stapel zu pressen, wodurch die geschmolzenen Abschnitte der Verbindungsenden und das geschmolzene Verbindungselement dazu veranlasst werden, in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen zu fließen und miteinander vermischt werden, um einen Mischabschnitt zu bilden. In dem Verfestigungsschritt wird der Mischabschnitt abgekühlt und verfestigt, wodurch das erste Kompositelement und das zweite Kompositelement durch den Mischabschnitt miteinander verbunden werden, um den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper herzustellen. Die erste Länge ist gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb, und die zweite Länge ist gleich oder größer als die Faserlänge La.
  • In dem Herstellungsverfahren eines faserverstärkten kunststoffverbunddenen Körpers der vorliegenden Erfindung wird der Heizschritt zuerst ausgeführt. Insbesondere werden die ersten und zweiten Kompositelemente auf der Unterform derart angeordnet, dass die Endoberflächen der Verbindungsenden dem Intervall der ersten Länge einander gegenüberliegend angeordnet werden, das heißt, die Verbindungsenden miteinander nicht überlappt werden. Die erste Länge ist gleich oder mehr als 1/2 der Faserlänge Lb der zweiten diskontinuierlichen Faser in dem Verbindungselement.
  • Dann wird die Unterform mit dem ersten Heizer erhitzt, um den ersten thermoplastischen Kunststoff in Abschnitten der ersten und zweiten Kompositelemente zu schmelzen, die sich von den Endoberflächen über die zweite Länge erstrecken. Die zweite Länge ist gleich oder größer als die Faserlänge La der ersten diskontinuierlichen Faser in den ersten und zweiten Kompositelementen. Parallel hierzu wird das Verbindungselement durch den zweiten Heizer erhitzt und geschmolzen.
  • In dem Stapelschritt wird das geschmolzene Verbindungselement angeordnet, um einen Zwischenraum zwischen den geschmolzenen Abschnitten der Verbindungsenden zu überbrücken, wodurch der Stapel im geschmolzenen Zustand auf der Unterform gebildet wird.
  • In dem Pressschritt werden die Ober- und Unterformen näher aufeinaner zu bewegt und wird auf den Stapel eine Presskraft ausgeübt. Diesem Schritt werden das geschmolzene Verbindungselement und die geschmolzenen Abschnitte der Verbindungsenden miteinander vermischt und dazu veranlasst, in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen der Verbindungsenden zu fließen, so dass der Zwischenraum mit der Schmelze gefüllt wird. Im Ergebnis wird der Mischabschnitt, der die geschmolzenen Abschnitte und das Verbindungselement enthält, zwischen den Verbindungsenden gebildet. Wie zuvor beschrieben, wird der Mischabschnitt durch Abflachen des Stapels unter der Presskraft geformt. Daher ist die Dicke des Mischabschnitts im Wesentlichen gleich jenem der ersten und zweiten Kompositelemente.
  • Wenn die geschmolzenen Abschnitte und das Verbindungselement wie oben beschrieben zum Fließen veranlasst werden, können auch die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern, die darin enthalten sind, übertragen werden. Auch wenn die zweiten diskontinuierlichen Fasern durch den Fluss der geschmolzenen Abschnitte und des Verbindungselements übertragen werden, kann, da die Endoberflächen der Verbindungsenden mit dem vorbestimmten Intervall (ersten Länge) wie oben beschrieben angeordnet sind, verhindert werden, dass die zweiten diskontinuierlichen Fasern zu stark verformt werden. Somit können die zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv in den Zwischenraum zwischen den Oberflächen der Verbindungsenden eingeführt werden und können mit der ersten diskontinuierlichen Faser verschlungen werden.
  • Da die zweite Länge wie oben beschrieben eingestellt ist, haben die geschmolzenen Abschnitte ausreichend große Abmessungen im Bezug auf die Faserlänge La der ersten diskontinuierlichen Faser. Daher kann das Verhältnis der ersten diskontinuierlichen Fasern, deren Überführung verhindert wird, weil sich die Fasern von den geschmolzenen Abschnitten zu den nicht geschmolzenen Abschnitten erstrecken, zu allen diskontinuierlichen Fasern in den geschmolzenen Abschnitten effektiv reduziert werden. Daher können die ersten diskontinuierlichen Fasern geeignet überführt werden und können mit den zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv verschlungen werden.
  • Demzufolge können, durch das Einstellen der ersten und zweiten Längen wie oben beschrieben, die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv miteinander verschlungen werden und können in dem Mischabschnitt im Wesentlichen gleichmäßig verteilt werden.
  • In dem Verfestigungsschritt wird der so erhaltene Mischabschnitt abgekühlt und verfestigt, wodurch die ersten und zweiten Kompositelemente durch den Mischabschnitt verbunden werden, um den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper herzustellen. Somit kann in diesem faserverstärkten Kunststoffverbundkörper der Mischabschnitt als Verbindung der ersten und zweiten Kompositelemente fungieren. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den ersten und zweiten Kompositelementen effektiv erhöht werde, und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper mit exzellenten mechanischen Eigenschaften leicht erhalten werden.
  • Da der Mischabschnitt im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die ersten und zweiten Kompositelemente hat, wie oben beschrieben, kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper hergestellt werden, ohne etwaige Stufenstrukturen in der Verbindung der Verbindungsenden zu bilden. Daher kann eine Verschlechterung des Erscheinungsbilds, der aerodynamischen Eigenschaften und dergleichen des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers effektiv verhindert werden. Darüber hinaus kann eine Dickenzunahme in dem Verbindungsabschnitt vermieden werden. Daher kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper leicht mit einer gewünschten Form und einem zufriedenstellend reduzierten Gewicht hergestellt werden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers angegeben, zum Erhitzen, während Verbindungsenden eines ersten Kompositelements und eines zweiten Kompositelements zwischen einer Unterform und einer Oberform gepresst werden, um die Verbindungsenden zu verbinden. Die ersten und zweiten Kompositelemente enthalten jeweils einen ersten thermoplastischen Kunststoff und erste diskontinuierliche Fasern mit einer Faserlänge La. Das Verfahren enthält einen Stapelschritt, einen Heizschritt, einen Pressschritt und einen Verfestigungsschritt. In dem Stapelschritt werden das erste Kompositelement und das zweite Kompositelement derart angeordnet, dass Endoberflächen der Verbindungsenden mit einem Abstand einer ersten Länge einander gegenüberliegend angeordnet werden, wobei ein Verbindungselement, das einen zweiten thermoplastischen Kunststoff und zweite diskontinuierliche Fasern mit einer Faserlänge Lb enthält, so angeordnet wird, dass es einen Zwischenraum zwischen den Verbindungsenden überbrückt, um hier einen Stapel zu bilden. In dem Heizschritt wird der Stapel zwischen der Unterform und der Oberform aufgenommen und erhitzt, um das Verbindungselement zu schmelzen und auch Abschnitte des ersten Kompositelements und des zweiten Kompositelements zu schmelzen, derart, dass sich die geschmolzenen Abschnitte von den Endoberflächen über eine zweite Länge einwärts erstrecken. In dem Pressschritt werden die Unterform und die Oberform näher aufeinander zu bewegt, um den Stapel zu pressen, wodurch die geschmolzenen Abschnitte der Verbindungsenden und das geschmolzene Verbindungselement dazu veranlasst werden, in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen zu fließen, und miteinander vermischt werden, um einen Mischabschnitt zu bilden. In dem Verfestigungsschritt wird der Mischabschnitt abgekühlt und verfestigt, wodurch das erste Kompositelement und das zweite Kompositelement durch den Mischabschnitt miteinander verbunden werden, um den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper herzustellen. Die erste Länge ist gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb, und die zweite Länge ist gleich oder größer als die Faserlänge La.
  • In dem Herstellungsverfahren für den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper der vorliegenden Erfindung wird der Stapelschritt zuerst ausgeführt. In diesem Stapelschritt werden die Endoberflächen der Verbindungsenden am Intervall der ersten Länge einander gegenüberliegend angeordnet, und das Verbindungselement wird so angeordnet, dass es einen Zwischenraum zwischen den Verbindungsenden überbrückt. Die erste Länge ist gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb der zweiten diskontinuierlichen Faser in dem Verbindungselement.
  • In dem Heizschritt wird der zweite thermoplastische Kunststoff in dem Verbindungselement geschmolzen und wird der erste thermoplastische Kunststoff in Abschnitten der ersten und zweiten Kompositelemente, die sich von den Endoberflächen über die zweite Länge erstrecken, geschmolzen, um geschmolzene Abschnitte zu bilden. Die zweite Länge ist gleich oder größer als die Faserlänge La der ersten diskontinuierlichen Faser in den ersten und zweiten Kompositelementen.
  • In dem Pressschritt wird auf den geschmolzenen Stapel durch die Ober- und Unterformen von beiden Seiten des Stapels in der Stapelrichtung Druck ausgeübt. Im Ergebnis werden die geschmolzenen Abschnitte und das geschmolzene Verbindungselement miteinander vermischt, um den Mischabschnitt zwischen den Verbindungsenden zu bilden. Der Mischabschnitt hat im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die ersten und zweiten Kompositelemente.
  • Da in dem Mischabschnitt die erste Länge wie oben beschrieben eingestellt ist, kann verhindert werden, dass sich die zweite diskontinuierliche Faser zu stark verformt. Daher können die zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv in den Zwischenraum zwischen den Oberflächen der Verbindungsenden eingeführt werden und können mit den ersten diskontinuierlichen Fasern verschlungen werden. Weil darüber hinaus die zweite Länge wie oben beschrieben eingestellt ist, kann das Verhältnis der ersten diskontinuierlichen Faser, deren Übertragung behindert wird, weil sich die Fasern von den geschmolzenen Abschnitten zu den nicht geschmolzenen Abschnitten erstrecken, zu allen ersten diskontinuierlichen Fasern in den geschmolzenen Abschnitten effektiv reduziert werden. Daher können die ersten diskontinuierlichen Fasern geeignet überführt und mit den zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv verschlungen werden. Demzufolge können, durch Einstellen der ersten und zweiten Längen, wie oben beschrieben, die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv miteinander verschlungen werden und können in dem Mischabschnitt im Wesentlichen gleichmäßig verteilt werden.
  • In dem Verfestigungsschritt wird der so erhaltene Mischabschnitt abgekühlt und verfestigt, wodurch die ersten und zweiten Kompositelemente durch den Mischabschnitt verbunden werden, um den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper herzustellen. So kann in diesem faserverstärkten Kunststoffverbundkörper der Mischabschnitt als Verbindung der ersten und zweiten Kompositelemente dienen. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den ersten und zweiten Kompositelementen effektiv erhöht werden, und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper mit exzellenten mechanischen Eigenschaften leicht erhalten werden.
  • Da die Dicke des Mischabschnitts im Wesentlichen gleich jener der ersten und zweiten Kompositelemente ist, wie oben beschrieben, kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper hergestellt werden, ohne etwaige Stufenstrukturen in der Verbindung der Verbindungsenden zu bilden. Daher kann eine Verschlechterung im Erscheinungsbild, der aerodynamischen Eigenschaften und dergleichen des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers effektiv verhindert werden. Darüber hinaus kann eine Dickenzunahme in dem Verbindungsabschnitt vermieden werden. Daher kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper leicht mit einer gewünschten Form und zufriedenstellend reduziertem Gewicht hergestellt werden.
  • In dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper ist es bevorzugt, dass in dem Stapelschritt eine Überlappungslänge eines Überlappungsabschnitts zwischen dem Verbindungselement und jedem der Verbindungsenden gleich oder größer als die Dicke des Verbindungselements ist und gleich oder kleiner als 1/2 einer zweiten Länge ist.
  • Weil in diesem Fall die Überlappungslänge gleich oder größer als die Dicke des Verbindungselements ist, kann die Kontaktfläche zwischen dem Verbindungselement und den Verbindungsenden im Stapel ausreichend erhöht werden. Daher können im Pressschritt das Verbindungselement und die Verbindungsenden geeignet verflüssigt und miteinander gemischt werden, indem auf den Stapel die Presskraft ausgeübt wird. Daher können die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern in dem Mischabschnitt effektiv miteinander verschlungen werden.
  • Nahe den Grenzen zwischen den geschmolzenen Abschnitten und den nicht geschmolzenen Abschnitten wird das Verhältnis der ersten diskontinuierlichen Fasern, die zu den nicht geschmolzenen Abschnitten hinunter gedrückt werden und deren Fluss daher verhindert wird, zu allen ersten diskontinuierlichen Fasern in den geschmolzenen Abschnitten tendenziell größer. Demzufolge werden die ersten diskontinuierlichen Fasern mit den zweiten diskontinuierlichen Fasern in der Nähe der Grenzen nicht leicht übertragen oder leicht verschlungen, auch wenn das Verbindungselement gestapelt wird und die Presskraft darauf ausgeübt wird. Indem sofern die Überlappungslänge auf gleich oder weniger als 1/2 der zweiten Länge gesetzt wird, um hierdurch den Abstand zwischen jedem Ende des Verbindungselements und der Nachbarschaft der Grenze effizient zu erhöhen, können die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern in dem Mischabschnitt effektiv miteinander verschlungen werden.
  • Indem somit die Überlappungslänge wie oben beschrieben gesetzt wird, kann der Mischabschnitt mit den effektiv verschlungenen ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern, die darin im Wesentlichen gleichmäßig verteilt sind, als die Verbindung ausgebildet werden. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den Verbindungsenden noch effektiver erhöht werden, und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper mit exzellenten mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
  • Im obigen Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper ist es bevorzugt, dass das Verbindungselement einen Vorsprung aufweist, der von seiner zum ersten Kompositelement und zweiten Kompositelement weisenden Oberfläche vorsteht, und der Vorsprung zwischen den Endoberflächen in dem Stapel positioniert wird. In diesem Fall können die geschmolzenen Abschnitte und das geschmolzene Verbindungselement noch besser miteinander vermischt werden. Daher können die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern effektiv miteinander verschlungen werden und können in dem Mischabschnitt im Wesentlichen gleichmäßig verteilt werden. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den Verbindungsenden noch effektiver erhöht werden und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper mit noch besseren mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
  • In den obigen Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper ist es bevorzugt, dass das Verbindungselement ein erstes Verbindungsteil und ein zweites Verbindungsteil enthält, wobei das Gesamtvolumen des ersten Verbindungsteils und des zweiten Verbindungsteils im Wesentlichen gleich einem Volumen ist, das man durch Multiplizieren einer Fläche eines Abschnitts der aufeinander zu weisenden Endoberflächen mit der ersten Länge erhält, und in dem Stapelschritt das erste Verbindungsteil in der Stapelrichtung einer Seite des Stapels angeordnet wird und das zweite Verbindungsteil in der Stapelrichtung an der anderen Seite davon angeordnet wird.
  • In diesem Fall fließen die ersten und zweiten Verbindungsteile in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen der Verbindungsenden von beiden Seiten des Stapels in der Stapelrichtung, um hierdurch den Mischabschnitt zu bilden. Daher können die geschmolzenen Abschnitte und das Verbindungselement noch besser miteinander vermischt werden, wodurch die ersten und zweiten diskontinuierlichen Fasern miteinander verschlungen werden können und auch in der Stapelrichtung in dem Mischabschnitt im Wesentlichen gleichmäßig verteilt werden können. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den Verbindungsenden noch effektiver erhöht werden und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper mit noch besseren mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
  • Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung anhand eines illustrativen Beispiels gezeigt sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische schematische Strukturansicht eines Stapels, der zwischen einer Unterform und einer Oberform angeordnet ist, in einem Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper gemäß ersten und zweiten Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine perspektivische schematische Strukturansicht des Stapels, der zwischen der Unterform oder der Oberform von 1 aufgenommen wird, indem die Ober- und Unterformen näher aufeinander zu bewegt werden;
  • 3 ist eine perspektivische schematische Strukturansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Ober- und Unterformen von 2 noch weiter aufeinander zu bewegt werden;
  • 4 ist eine perspektivische schematische Strukturansicht eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers, der von den Ober- und Unterformen von 3 getrennt ist;
  • 5 ist eine perspektivische schematische Strukturansicht eines Stapels, der in einem Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper gebildet ist, gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 ist eine perspektivische schematische Strukturansicht eines Stapels, der in einem Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper gebildet ist, gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
  • Nachfolgend werden verschiedene bevorzugte Ausführungen des Herstellungsverfahrens für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper der vorliegenden Erfindung im Detail im Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Erste Ausführung
  • Ein Herstellungsverfahren für einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper (nachfolgend auch einfach als Herstellungsverfahren bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. In dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführung werden, wie in den 1 bis 3 gezeigt, Verbindungsenden eines ersten Kompositelements 10 und eines zweiten Kompositelements 12 erhitzt und werden dann unter Druck zwischen einer Unterform 14 und einer Oberform 16 verbunden/geklebt, um einen in 4 gezeigten faserverstärkten Kunststoffverbundkörper 18 herzustellen. Die Verbindungsenden des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 werden durch ein Verbindungselement 40 miteinander verbunden/verklebt.
  • Zuerst werden das erste Kompositelement 10, das zweite Kompositelement 12 und das Verbindungselement 40 beschrieben. Das erste Kompositelement 10 und das zweite Kompositelement 12 sind aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff (FRTP) aufgebaut, der durch Imprägnieren von ersten diskontinuierlichen Fasern 22 jeweils mit einer Faserlänge La mit einem ersten thermoplastischen Kunststoff/Harz 20 gebildet ist.
  • Der erste thermoplastische Kunststoff 20 unterliegt keiner besonderen Beschränkung, solange er thermische Plastizität hat. Zum Beispiel kann der erste thermoplastische Kunststoff 20 gemäß einer beabsichtigten Anwendung aus verschiedenen thermoplastischen Harzen geeignet ausgewählt werden, wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylentherephthalat (PET) und dergleichen.
  • Für die erste diskontinuierliche Faser 22 kann, im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit, Festigkeit, Steifigkeit und dergleichen, bevorzugt eine Carbonfaser ausgewählt werden. Jedoch unterliegt die erste diskontinuierliche Faser 22 keiner besonderen Beschränkung, solange sie als Verstärkungsfaser zum Verstärken des FRTP wirken kann. Beispiele von solchen Verstärkungsfasern beinhalten Glasfasern, Metallfasern, Keramikfasern, Naturfasern, und Aramidfasern, zusätzlich zu den Carbonfasern.
  • Die Faserlänge La der ersten diskontinuierlichen Faser 22 ist so eingestellt, dass die erste diskontinuierliche Faser 22 mit einer später beschriebenen zweiten diskontinuierlichen Faser 24 verschlungen werden kann, und in dem ersten thermoplastischen Kunststoff 20 mit dem Fluss des geschmolzenen ersten thermoplastischen Kunststoffs 20 übertragen werden kann. Zum Beispiel kann die Faserlänge La 5 bis 30 mm betragen.
  • Das Verbindungselement 40 ist aus einem FRTP aufgebaut, das durch Imprägnieren der zweiten diskontinuierlichen Fasern 24, jeweils mit einer Faserlänge Lb, mit einem zweiten thermoplastischen Kunststoff 38 gebildet ist. Es ist bevorzugt, dass der zweite thermoplastische Kunststoff 38 und die zweiten diskontinuierliche Faser 24 die gleichen Substanzen wie der erste thermoplastische Kunststoff 20 und die erste diskontinuierliche Faser 22 enthalten, und die Faserlänge Lb im Wesentlichen gleich der Faserlänge La ist. Somit ist es bevorzugt, dass das Verbindungselement aus dem gleichen Material aufgebaut wird wie das erste Kompositelement 10 und das zweite Kompositelement 12. In diesem Fall kann das Verbindungselement 40 mit dem ersten Kompositelement 10 und dem zweiten Kompositelement 12 effektiv vermischt werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Daher kann die Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten Kompositelement 10 und dem zweiten Kompositelement 12 weiter verbessert werden.
  • Nichtsdestoweniger unterliegt der zweite thermoplastische Kunststoff 38 keiner besonderen Beschränkung, solange er thermische Plastizität hat. Die zweite diskontinuierliche Faser 24 unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, solange sie als Verstärkungsfaser zum Verstärken des FRTP wirken kann. Die Faserlänge Lb der zweiten diskontinuierlichen Faser 24 kann so gesetzt sein, dass die zweite diskontinuierliche Faser 24 mit der ersten diskontinuierlichen Faser 22 verschlungen werden kann und mit dem Fluss des geschmolzenen zweiten thermoplastischen Harzes 38 in das zweite thermoplastische Harz 38 überführt werden kann. Zum Beispiel kann die Faserlänge Lb 5 bis 30 mm betragen.
  • Eine Formvorrichtung 26, die die Unterform 14 und die Oberform 16 enthält, wird nachfolgend beschrieben. Die Formvorrichtung 26 hat eine Metallformeinheit, die die Unterform 14 und die Oberform 16 enthält, eine Antriebseinheit zum Bewegen der Oberform 16 (nicht gezeigt), und erste bis dritte Heizmittel (erste bis dritte Heizer) (nicht gezeigt).
  • Die Unterform 14 ist eine stationäre Form, und die Oberform 16 ist eine bewegliche Form, die durch die Antriebseinheit näher zu der Unterform 14 hin bewegt werden kann. Wenn die Metallformeinheit geschlossen wird, wird ein Hohlraum 32, entsprechend einer gewünschten Form des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers 18, zwischen den Hohlraum-formenden Oberflächen 28, 30 der Unterform 14 und der Oberform 16 gebildet (siehe 3).
  • Die Unterform 14 wird durch das erste Heizmittel erhitzt, und die Oberform 16 wird durch das dritte Heizmittel erhitzt. Zum Beispiel können Stabheizer (nicht gezeigt), die mit einer Steuereinheit (nicht gezeigt) elektrisch verbunden sind, als die ersten und dritten Heizmittel jeweils in der Unterform 14 und der Oberform 16 eingebettet sein. Aufgrund dessen können gewünschte Abschnitte der Unterform 14 und der Oberform 16 selektiv auf eine Formtemperatur erhitzt werden. Im Beispiel der 1 bis 3 können Abschnitte 34, 36, die in der Unterform 14 und der Oberform 16 zu erhitzen sind, selektiv auf die Formtemperatur erhitzt werden.
  • Das zweite Heizmittel heizt das Verbindungselement 40 auf die Formtemperatur. Zum Beispiel kann ein Heizer, der mit der Steuereinheit elektrisch verbunden ist, als das zweite Heizmittel verwendet werden. Somit können die ersten bis dritten Heizmittel durch die Steuereinheit einander zugeordnet betrieben werden. Die Formtemperatur kann in Abhängigkeit von den Typen, Formen etc. des ersten thermoplastischen Kunststoffs 20 und des zweiten thermoplastischen Kunststoffs 38 etc. geeignet eingestellt werden.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers 18 mittels der Formvorrichtung 26, die die obige Grundstruktur hat, beschrieben.
  • Zuerst werden das erste Kompositelement 10 und das zweite Kompositelement 12 auf der Hohlraumformoberfläche 28 der Unterform 14 angeordnet. In diesem Prozess wird eine Endoberfläche 10a vom Verbindungsende des ersten Kompositelements 10 und eine Endoberfläche 12a vom Verbindungsende des zweiten Kompositelements 12 mit einem Abstand einer ersten Länge L1 einander gegenüberliegend angeordnet. Die erste Länge L1 ist gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb.
  • Dann wird der Abschnitt 34 der Unterform 14 durch das erste Heizmittel auf die Formtemperatur erhitzt, wodurch der erste thermoplastische Kunststoff 20 jeweils vom ersten Kompositelement 10 und zweiten Kompositelement 12 partiell derart angeschmolzen wird, dass sich die resultierenden geschmolzenen Abschnitte von den Endoberflächen 10a, 12a über eine zweite Länge L2 einwärts erstrecken. Somit werden die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b, die die zweite Länge L2 haben, jeweils an den Verbindungsenden des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 ausgebildet. Die zweite Länge L2 ist gleich oder größer als die Faserlänge La der ersten diskontinuierlichen Faser 22. Die zweite Länge L2 kann durch Einstellung der Positionen, Größen etc. der Abschnitte 34, 36 mittels der ersten und dritten Heizmittel gesteuert werden.
  • Während die Verbindungsenden durch das erste Heizmittel erhitzt werden, um die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b zu bilden, wie oben beschrieben, wird das Verbindungselement 40 durch das zweite Heizmittel erhitzt, um den zweiten thermoplastischen Kunststoff 38 zu schmelzen (weich zu machen).
  • Nachdem in der obigen Weise ein Heizschritt ausgeführt worden ist, wird in einem Stapelschritt ein Stapel 42 gebildet, der das erste Kompositelement 10, das zweite Kompositelement 12 und das Verbindungselement 40 enthält, wie in 1 gezeigt. Insbesondere wird, nachdem die Verbindungsenden des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 auf der Hohlraumformoberfläche 28 der Unterform 14 geschmolzen sind, das geschmolzene Verbindungselement 40 so angeordnet, dass es einen Zwischenraum zwischen den geschmolzenen Verbindungsenden überbrückt, wodurch der Stapel 42 gebildet wird. In dem Stapel 42 wird die Überlappungslänge Lw des Überlappungsabschnitts zwischen den Verbindungselement 40 und jedem der Verbindungsenden gleich oder größer als die Dicke t des Verbindungselements 40 und gleich oder kleiner als 1/2 der zweiten Länge L2 eingestellt.
  • Dann wird, wie in den 2 und 3 gezeigt, ein Pressschritt ausgeführt, worin die Oberform 10 näher zu der Unterform 14 hin bewegt wird, während der Stapel 42 auf deren Hohlraumformoberfläche 28 angeordnet ist, wodurch der Stapel 42 von beiden Seiten des Stapels 42 in den Stapelrichtungen zusammengepresst wird. In diesem Prozess werden die erhitzten Abschnitte 34, 36 der Unterform 14 und der Oberform 16 durch die ersten und dritten Heizmittel auf der Formtemperatur gehalten. Daher wird eine Presskraft auf den Stapel 42 durch die Metallformeinheit ausgeübt, während die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und das Verbindungselement 40 im geschmolzenen Zustand gehalten werden. In dem Stapel 42 sind andere Abschnitte in Kontakt mit den Hohlraumformoberflächen 28, 30 außer die erhitzten Abschnitte 34, 36 nicht geschmolzene Abschnitte 10c, 12c.
  • In dem Pressschritt werden die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und das geschmolzene Verbindungselement 40 miteinander vermischt, um zu bewirken, dass sie in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen 10a, 12a der Verbindungsenden fließen, so dass der Zwischenraum mit der Flüssigkeit gefüllt wird. Im Ergebnis wird ein Mischabschnitt 44, der ein Gemisch der geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und des Verbindungselements 40 enthält, zwischen den Verbindungsenden ausgebildet. Der Mischabschnitt 44 wird gebildet, indem der Stapel 42 unter der angelegten Presskraft abgeflacht wird. Daher ist die Dicke des Mischabschnitts 44 im Wesentlichen gleich jener des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12.
  • Wenn die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und das Verbindungselement 40 auf diese Weise zum Fließen veranlasst werden, können auch die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 in den geschmolzenen ersten thermoplastischen Kunststoff 20 und den geschmolzenen zweiten thermoplastischen Kunststoff 38 übertragen werden. Selbst wenn die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 zu dem Zwischenraum zwischen den Endoberflächen 10a, 12a durch den Fluss des geschmolzenen Verbindungselements 40 überführt werden, kann verhindert werden, dass sich die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 zu stark verformen, da die erste Länge L1 gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb ist, wie oben beschrieben. Somit können die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen 10a, 12a eingebracht werden und können mit den ersten diskontinuierlichen Fasern 22 geeignet verschlungen werden.
  • Da die zweite Länge L2 wie oben beschrieben eingestellt ist, haben die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b ausreichend große Abmessungen im Vergleich zur Faserlänge La der ersten diskontinuierlichen Fasern 22. Daher kann das Verhältnis der ersten diskontinuierlichen Fasern 22, die an einer Überführung deswegen gehindert werden, weil sich die Fasern 22 von den geschmolzenen Abschnitten 10b, 12b zu den nicht geschmolzenen Abschnitten 10c, 12c erstrecken und deshalb zu den nicht geschmolzenen Abschnitten 10c, 12c hinunter gedrückt werden, zu allen ersten diskontinuierlichen Fasern 22 in den geschmolzenen Abschnitten 10b, 12b effizient reduziert werden. Somit können die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 geeignet überführt werden und können mit den zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv verschlungen werden.
  • Demzufolge können, durch Einstellung der ersten Länge L1 und der zweiten Länge L2, wie oben beschrieben, die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv miteinander verschlungen werden und können in dem Mischabschnitt 44 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt werden.
  • Da ferner die Überlappungslänge Lw gleich oder größer als die Dicke t des Verbindungselements 40 ist, kann die Kontaktfläche zwischen dem Verbindungselement 40 und dem Verbindungsende in dem Stapel 42 zufriedenstellend erhöht werden. Daher können das Verbindungselement 40 und die Verbindungsenden geeignet überführt und miteinander vermischt werden, indem auf den Stapel 42 in dem Pressschritt die Presskraft ausgeübt wird. Somit können die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv miteinander verschlungen werden.
  • In der Nähe der Grenzen zwischen den geschmolzenen Abschnitten 10b, 12b und den nicht geschmolzenen Abschnitten 10c, 12c besteht die Tendenz, dass das Verhältnis der ersten diskontinuierlichen Fasern 22, die auf die nicht geschmolzenen Abschnitte 10c, 12c hinunter gedrückt und somit an einer Überführung gehindert werden, größer wird. Selbst wenn daher das Verbindungselement 40 in der Nähe der Grenzen gestapelt und gepresst wird, werden die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 nicht leicht überführt oder mit den zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 in der Nähe der Grenzen geeignet verschlungen. Da in dem Herstellungsverfahren dieser Ausführung die Überlappungslänge Lw gleich oder kleiner als 1/2 der zweiten Länge ist, kann der Abstand zwischen jedem Ende des Verbindungselements 40 und der Grenze geeignet vergrößert werden und können die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv miteinander verschlungen werden.
  • Somit können durch die Einstellung der Überlappungslänge Lw innerhalb des oben beschriebenen Bereichs die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv miteinander verschlungen werden und können in dem Mischabschnitt 44 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt werden.
  • Als nächstes wird ein Verfestigungsschritt durchgeführt, in dem das Erhitzen durch die ersten und dritten Heizmittel gestoppt wird und die Innenseite des Hohlraums 32 abgekühlt wird. In der obigen Weise wird der Mischabschnitt 44 abgekühlt und verfestigt, und danach werden die Unterform 14 und die Oberform 16 geöffnet und wird der in 4 gezeigte faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 aus der Metallformeinheit gelöst. In dem faserverstärkten Kunststoffverbundkörper 18 sind das erste Kompositelement 10 und das zweite Kompositelement 12 durch den Mischabschnitt 44 miteinander verbunden/verklebt. Daher kann der Mischabschnitt 44 als Verbindung des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 fungieren. Demzufolge kann in dem Herstellungsverfahren dieser Ausführung die Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten Kompositelement 10 und dem zweiten Kompositelement 12 effektiv erhöht werden und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 mit exzellenten mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
  • Da die Dicke des Mischabschnitts 44 im Wesentlichen gleich jener des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 ist, wie oben beschrieben, kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 ohne etwaige Stufenstrukturen in der Verbindung der Verbindungsenden ausgebildet werden. Daher kann eine Verschlechterung im Erscheinungsbild, der aerodynamischen Eigenschaften und dergleichen des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers 18 effektiv verhindert werden. Darüber hinaus kann eine Dickenzunahme in dem Verbindungsabschnitt vermieden werden. Daher kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 leicht mit einer gewünschten Form und zufriedenstellend reduziertem Gewicht hergestellt werden.
  • Zweite Ausführung
  • Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung im Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. Bei dem Herstellungsverfahren der zweiten Ausführung werden das erste Kompositelement 10, das zweiten Kompositelement 12 und das Verbindungselement 40 in nicht geschmolzenen Zuständen gestapelt, um den Stapel 42 zu bilden. Dann wird der Stapel 42 zwischen der Unterform 14 und der Oberform 16 erhitzt und geschmolzen. Die zweite Ausführung unterscheidet sich von der ersten Ausführung in dieser Hinsicht. Abgesehen hiervon wird, in der gleichen Weise wie beim Herstellungsverfahren der ersten Ausführung, der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 hergestellt, indem die Verbindungsenden des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 durch das Verbindungselement 40 in der Formvorrichtung 26 verbunden/verklebt werden.
  • Somit wird in dem Herstellungsverfahren der zweiten Ausführung zuerst der Stapel 42, der das erste Kompositelement 10, das zweiten Kompositelement 12 und das Verbindungselement 40 enthält, in einem Stapelschritt so ausgebildet, wie in 1 gezeigt. Insbesondere werden das erste Kompositelement 10 und das zweite Kompositelement 12 auf der Hohlraumformoberfläche 28 der Unterform 14 angeordnet. In diesem Prozess werden die Endoberfläche 10a vom Verbindungsende des ersten Kompositelements 10 und die Endoberfläche 12a vom Verbindungsende des zweiten Kompositelements 12 mit einem Abstand der ersten Länge L1 einander gegenüberliegend angeordnet.
  • Dann wird das Verbindungselement 40 so angeordnet, dass es einen Zwischenraum zwischen den Verbindungsenden überbrückt, um hierdurch den Stapel 42 zu bilden. In diesem Prozess ist die Überlappungslänge L2 des Überlappungsabschnitts zwischen dem Verbindungselement 40 und jedem der Verbindungsenden gleich oder größer als die Dicke t des Verbindungselements 40 und gleich oder kleiner als 1/2 der zweiten Länge L2.
  • Wie in 2 gezeigt, wird der Stapel 42 zwischen der Unterform 14 und der Oberform 16 aufgenommen (geschichtet) und in einem Heizschritt erhitzt. In dem Heizschritt wird der zweite thermoplastische Kunststoff 28 in dem Verbindungselement 40 geschmolzen, und werden die ersten thermoplastischen Kunststoffe 20 in dem ersten Kompositelement 10 und dem zweiten Kompositelement 12 partiell angeschmolzen, um die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b zu bilden, die an den Verbindungsenden die zweite Länge L2 haben.
  • Somit werden bei dem Herstellungsverfahren der zweiten Ausführung die Abschnitte 34, 36 in der Unterform 14 und der Oberform 16 auf die Formtemperatur durch die ersten und dritten Heizmittel erhitzt, um einen vorbestimmten Bereich des Stapels 42 zu schmelzen, der das Verbindungselement 40 enthält. Daher ist es nicht notwendig, das zweite Heizmittel zum Heizen und Schmelzen des Verbindungselements 40 zu benutzen.
  • Wie in 3 gezeigt, werden die Unterform 14 und die Oberform 16 näher aufeinander zu bewegt und wird die Formeinheit geschlossen, um den so geschmolzenen Stapel 42 von in der Stapelrichtung beiden Seiten des Stapels her zu pressen. In diesem Schritt werden die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und das geschmolzene Verbindungselement 40 miteinander vermischt und zum Fließen in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen 10a, 12a der Verbindungsenden veranlasst, so dass der Zwischenraum mit der Flüssigkeit gefüllt wird. Im Ergebnis wird der Mischabschnitt 44, der das Gemisch der geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und des Verbindungselements 44 enthält, zwischen den Verbindungsenden ausgebildet.
  • Dann wird der Prozessfluss in der gleichen Weise wie beim Herstellungsverfahren der ersten Ausführung ausgeführt, um den in 4 gezeigten faserverstärkten Kunststoffverbundkörper 18 herzustellen.
  • Das Herstellungsverfahren der zweiten Ausführung hat die gleichen vorteilhaften Effekte wie das Herstellungsverfahren der ersten Ausführung. Daher kann die Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten Kompositelement 10 und dem zweiten Kompositelement 12 effektiv erhöht werden und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 leicht mit exzellenten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Da ferner die Dicke des Mischabschnitts 44 im Wesentlichen gleich jener des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 ist, kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 hergestellt werden, ohne in der Verbindung der Verbindungsenden etwaige Stufenstrukturen auszubilden. Daher kann eine Verschlechterung des Erscheinungsbilds, der aerodynamischen Eigenschaften und dergleichen des faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers 18 effektiv verhindert werden. Darüber hinaus kann die Dickenzunahme in dem Verbindungsabschnitt vermieden werden. Daher kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 leicht mit einer gewünschten Form und zufriedenstellend reduziertem Gewicht hergestellt werden.
  • Dritte Ausführung
  • Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung hauptsächlich im Bezug auf 5 beschrieben. Verschiedene Komponenten in 5, die in Funktion und Wirkung gleich oder ähnlich jenen in den 1 bis 4 sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und detaillierte Erläuterungen davon werden weggelassen.
  • Das Herstellungsverfahren der dritten Ausführung ist das gleiche wie jenes der ersten und zweiten Ausführungen, außer darin, dass in dem Stapelschritt anstelle des Stapels 42 ein Stapel 46 ausgebildet wird. Der Stapel 46 gleicht dem Stapel 42, außer, dass anstelle des Verbindungselements 40 ein Verbindungselement 48 benutzt wird.
  • Insbesondere werden in dem Stapelschritt der dritten Ausführung die Endoberflächen 10a, 12a mit einem Abstand der ersten L1 einander gegenüberliegend angeordnet, und wird das Verbindungselement 48 so angeordnet, dass es einen Zwischenraum zwischen den Verbindungsenden des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 überbrückt, um hierdurch den Stapel 46 zu bilden. Das Verbindungselement 48 ist, wie im Falle des Verbindungselements 40, aus dem FRTP aufgebaut, das durch Imprägnieren der zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 mit dem zweiten thermoplastischen Kunststoff 38 bereitgestellt wird. Das Verbindungselement 48 hat einen Vorsprung 48a. Der Vorsprung 48a steht von einer Oberfläche des Verbindungselements 48 vor, die zu dem ersten Kompositelement 10 und dem zweiten Kompositelement 12 weist und zwischen den Endoberflächen 10a, 12a angeordnet ist. Es sollte angemerkt werden, dass die Dicke t des Verbindungselements 48 die Länge des Vorsprungs 48 ausschließt.
  • Wenn der Stapel 46 dem Pressschritt unterzogen wird, können, da der Vorsprung 48a zwischen den Endoberflächen 10a, 12a eingefügt ist, die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b und das Verbindungselement 48 noch besser miteinander vermischt werden. Daher ist es möglich, den Mischabschnitt 44 leicht herzustellen, indem die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 effektiv miteinander verschlungen und im Wesentlichen gleichmäßig verteilt sind. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den Verbindungsenden noch effizienter erhöht werden und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 mit noch besseren mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
  • Vierte Ausführung
  • Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung hauptsächlich im Bezug auf 6 beschrieben. Verschiedene Komponenten in 6, die in Funktion und Wirkung gleich oder ähnlich jenen in den 1 bis 5 sind, sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und detaillierte Erläuterungen davon werden weggelassen.
  • Das Herstellungsverfahren der vierten Ausführung gleicht jenem der ersten und zweiten Ausführungen, außer dass in dem Stapelschritt anstelle des Stapels 42 ein Stapel 50 ausgebildet wird. Der Stapel 50 ist gleich dem Stapel 42 außer, dass anstelle des Verbindungselements 40 ein Verbindungselement 52 benutzt wird.
  • Das Verbindungselement 52 enthält ein erstes Verbindungsteil 54 und ein zweites Verbindungsteil 56. Das erste Verbindungsteil 54 und das zweite Verbindungsteil 56 sind, wie auch das Verbindungselement 40, aus dem FRTP aufgebaut, das durch Imprägnieren der zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 mit dem zweiten thermoplastischen Kunststoff 38 bereitgestellt wird. Das Volumen des Verbindungselements 42, das dem Gesamtvolumen d des ersten Verbindungsteils 54 und des zweiten Verbindungsteils 56 entspricht, ist im Wesentlichen gleich dem Volumen, das man erhält durch Multiplizieren der ersten Länge L1 mit der Fläche eines Abschnitts der Endoberfläche 10a, der der Endoberfläche 12a gegenüberliegt. Somit wird das Volumen des Verbindungselements 52 im Wesentlichen gleich dem Volumen des Zwischenraums zwischen den Endoberflächen 10a, 12a eingestellt.
  • Die Fläche des Abschnitts der Endoberfläche 10a, der zur Endoberfläche 12a weist, ist im Wesentlichen gleich der Fläche des Abschnitts der Endoberfläche 12a, der zur Endoberfläche 10a weist.
  • Die Gesamtheit der Dicke t1 des ersten Verbindungsteils 54 und der Dicke t2 des zweiten Verbindungsteils 56 wird als die Dicke t des Verbindungselements 52 betrachtet. Das erste Verbindungsteil 54 und das zweite Verbindungsteil 56 werden jeweils auf den Verbindungsenden angeordnet, während sie die Überlappungslänge Lw haben, um hierdurch den Stapel 50 zu bilden. Somit ist auch in dem Stapel 50 die Überlappungslänge Lw gleich oder größer als die Dicke t des Verbindungselements 52 und gleich oder kleiner als 1/2 der zweiten Länge L2.
  • In dem Stapelschritt der vierten Ausführung wird der Stapel 50 derart ausgebildet, dass das erste Verbindungsteil 54 in der Stapelrichtung auf einer Seite des Stapels 50 angeordnet wird und das zweite Verbindungsteil 56 in der Stapelrichtung auf der anderen Seite davon angeordnet wird. Wenn der Stapel 50 dem obigen Pressschritt unterzogen wird, fließen das erste Verbindungsteil 54 und das zweite Verbindungsteil 56 von beiden Seiten des Stapels 50 in der Stapelrichtung in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen 10a, 12a, um hierdurch den Mischabschnitt 44 zu bilden. Daher können die geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b des Verbindungselements 52 noch besser miteinander vermischt werden, wodurch die ersten diskontinuierlichen Fasern 22 und die zweiten diskontinuierlichen Fasern 24 miteinander verschlungen werden können und auch in der Stapelrichtung in dem Mischabschnitt 44 geeignet gleichmäßig verteilt werden können. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen den Verbindungsenden noch effektiver erhöht werden und kann der faserverstärkte Kunststoffverbundkörper 18 mit noch besseren mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
  • Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die vorgenannten Ausführungen beschränkt sein. Es können zahlreiche Änderungen und Modifikationen an den Ausführungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
  • Obwohl zum Beispiel in den obigen ersten bis vierten Ausführungen die Überlappungslänge Lw gleich oder größer als die Dicke t der Verbindungselemente 40, 48, 52 und gleich oder kleiner als 1/2 der zweiten Länge L2 ist, ist die Überlappungslänge Lw darauf nicht beschränkt. Die Überlappungslänge Lw kann beliebig ausgewählt werden, solange die Verbindungsenden des ersten Kompositelements 10 und des zweiten Kompositelements 12 durch den Mischabschnitt 44 des Verbindungselements 40, 48, 52 und der geschmolzenen Abschnitte 10b, 12b geeignet miteinander verbunden/verklebt werden können.
  • Erste und zweite Kompositelemente 10, 12, die jeweils erste diskontinuierliche Fasern 22 einer Faserlänge La enthalten, werden so angeordnet, dass deren Endoberflächen 10a, 12a mit einem Abstand einer ersten Länge L1 aufeinander zu weisen. Die Enden der ersten und zweiten Kompositelemente 10, 12 werden über eine zweite Länge L2 von den Endoberflächen 10a, 12a her geschmolzen. Ein Verbindungselement 40, das zweite diskontinuierliche Fasern 24 mit einer Faserlänge Lb enthält, wird geschmolzen und angeordnet, um einen Zwischenraum zwischen den Enden zu überbrücken, um einen Stapel 42 zu bilden. Der Stapel 42 wird gepresst, wodurch das geschmolzene Verbindungselement 40 und die geschmolzenen Endabschnitte 10b, 12b in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen 10a, 12a fließen, um einen Mischabschnitt 44 zu bilden. Der Mischabschnitt 44 wird gekühlt und verfestigt, um einen faserverstärkten Kunststoffverbundkörper 18 herzustellen. Die erste Länge L1 ist gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge Lb, und die zweite Länge L2 ist gleich oder größer als die Faserlänge La.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 11-090986 A [0004]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers (18), um Verbindungsenden eines ersten Kompositelements (10) und eines zweiten Kompositelements (12) zu erhitzen, und danach die Verbindungsenden zwischen einer Unterform (14) und einer Oberform (16) zu pressen, um die Verbindungsenden zu verbinden, wobei das erste Kompositelement (10) und das zweite Kompositelement (12) jeweils einen ersten thermoplastischen Kunststoff (20) und erste diskontinuierliche Fasern (22) mit einer Faserlänge (La) enthalten, wobei das Verfahren aufweist: einen Heizschritt, in dem das erste Kompositelement (10) und das zweite Kompositelement (12) auf der Unterform (14) derart angeordnet werden, dass Endoberflächen (10a, 12a) der Verbindungsenden mit einem Intervall einer ersten Länge (L1) einander gegenüberliegend angeordnet werden, die Unterform (14) durch einen ersten Heizer erhitzt wird, um Abschnitte des ersten Kompositelements (10) und des zweiten Kompositelements (12) derart zu schmelzen, dass sich die geschmolzenen Abschnitte von den Endoberflächen (10a, 12a) über eine zweite Länge (L2) einwärts erstrecken, und ein Verbindungselement (40, 48, 52), das einen zweiten thermoplastischen Kunststoff (38) und zweite diskontinuierliche Fasern (24) mit einer Faserlänge (Lb) enthält, durch einen zweiten Heizer erhitzt und geschmolzen wird; einen Stapelschritt, in dem das geschmolzene Verbindungselement (40, 48, 52) so angeordnet wird, dass es einen Zwischenraum zwischen den geschmolzenen Verbindungsenden überbrückt, um hierdurch einen Stapel (42, 46, 50) zu bilden; einen Pressschritt, in dem die Unterform (14) und die Oberform (16) näher aufeinander zu bewegt werden, um den Stapel (42, 46, 50) zu pressen, wodurch die geschmolzenen Abschnitte der Verbindungsenden und das geschmolzene Verbindungselement (40, 48, 52) dazu veranlasst werden, in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen (10a, 12a) zu fließen und miteinander vermischt werden, um einen Mischabschnitt (44) zu bilden; und einen Verfestigungsschritt, in dem der Mischabschnitt (44) abgekühlt und verfestigt wird, wodurch das erste Kompositelement (10) und das zweite Kompositelement (12) durch den Mischabschnitt (44) miteinander verbunden werden, um den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper (18) herzustellen, wobei die erste Länge (L1) gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge (Lb) ist und die zweite Länge (L2) gleich oder größer als die Faserlänge (La) ist.
  2. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundkörpers (18), um Verbindungsenden eines ersten Kompositelements (10) und eines zweiten Kompositelements (12) zwischen einer Unterform (14) und einer Oberform (16) während Pressung zu erhitzen, um die Verbindungsenden zu verbinden, wobei das erste Kompositelement (10) und das zweite Kompositelement (12) jeweils einen ersten thermoplastischen Kunststoff (20) und erste diskontinuierliche Fasern (22) mit einer Faserlänge (La) enthalten, wobei das Verfahren aufweist: einen Stapelschritt, in dem das erste Kompositelement (10) und das zweite Kompositelement (12) derart angeordnet werden, dass Endoberflächen (10a, 12a) der Verbindungsenden mit einem Intervall einer ersten Länge (L1) einander gegenüberliegend angeordnet werden, und ein Verbindungselement (40, 48, 52), das einen zweiten thermoplastischen Kunststoff (38) und zweite diskontinuierliche Fasern (24) mit einer Faserlänge (Lb) enthält, so angeordnet wird, dass es einen Zwischenraum zwischen den Verbindungsenden überbrückt, um hier einen Stapel (42, 46, 50) zu bilden; einen Heizschritt, in dem der Stapel (42, 46, 50) zwischen der Unterform (14) und der Oberform (16) aufgenommen und erhitzt wird, um das Verbindungselement (40, 48, 52) zu schmelzen und auch Abschnitte des ersten Kompositelements (10) und des zweiten Kompositelements (12) zu schmelzen, derart, dass sich die geschmolzenen Abschnitte von den Endoberflächen (10a, 12a) über eine zweite Länge (L2) einwärts erstrecken; einen Pressschritt, in dem die Unterform (14) und die Oberform (16) näher aufeinander zu bewegt werden, um den Stapel (42, 46, 50) zu pressen, wodurch die geschmolzenen Abschnitte der Verbindungsenden und das geschmolzene Verbindungselement (40, 48, 52) dazu veranlasst werden, in den Zwischenraum zwischen den Endoberflächen (10a, 12a) zu fließen und miteinander vermischt werden, um einen Mischabschnitt (44) zu bilden; und einen Verfestigungsschritt, in dem der Mischabschnitt (44) abgekühlt und verfestigt wird, wodurch das erste Kompositelement (10) und das zweite Kompositelement (12) durch den Mischabschnitt (44) miteinander verbunden werden, um den faserverstärkten Kunststoffverbundkörper (18) herzustellen, wobei die erste Länge (L1) gleich oder größer als 1/2 der Faserlänge (Lb) ist und die zweite Länge (L2) gleich oder größer als die Faserlänge (La) ist.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Stapelschritt eine Überlappungslänge eines Überlappungsabschnitts zwischen dem Verbindungselement (40, 48, 52) und jedem der Verbindungsenden gleich oder größer als die Dicke des Verbindungselements (40, 48, 52) und gleich oder kleiner als 1/2 einer zweiten Länge (L2) ist.
  4. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verbindungselement (48) einen Vorsprung (48a) aufweist, der von seiner zum ersten Kompositelement (10) und zweiten Kompositelement (12) weisenden Oberfläche vorsteht, und der Vorsprung (48a) zwischen den Endoberflächen (10a, 12a) in dem Stapel (46) positioniert wird.
  5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbindungselement (52) ein erstes Verbindungsteil (54) und ein zweites Verbindungsteil (56) enthält, das Gesamtvolumen des ersten Verbindungsteils (54) und des zweiten Verbindungsteils (56) im Wesentlichen gleich einem Volumen ist, das man durch Multiplizieren einer Fläche eines Abschnitts der aufeinander zu weisenden Endoberflächen (10a, 12a) mit der ersten Länge (L1) erhält, und in dem Stapelschritt das erste Verbindungsteil (54) in der Stapelrichtung an einer Seite des Stapels (50) angeordnet wird und das zweite Verbindungsteil (56) in der Stapelrichtung an der anderen Seite davon angeordnet wird.
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