CN108025512B - 三维高强度纤维复合材料组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有各向同性纤维分布的三维高强度纤维复合材料组件，包含25‑70重量％的高强度高模量纤维，至多5重量％的粘合纤维，和25‑70重量％的热固性或热塑性基质。本发明还涉及制造方法，包括以下步骤：通过从纤维束，捆包或织物结构中释放纤维来打开纤维来制备（1,2,3）纤维；以交互控制的方式将打开的纤维吸入和/或吹送（6）到具有该组件侧面轮廓的三维透气性半模（5）上；将所获得的纤维预制件在植绒盒（4）中预固化；将该纤维预制件（7）以该组件的透气性半模（5）的轮廓的形式传送到压模（11）上；与至少一种液体塑料接触（10）；并通过压模（11）使纤维预制件固化，以形成一个组件。
Description
技术领域
本发明涉及三维高强度纤维复合材料组件及其制造方法。
为了制造纤维增强塑料材料组件，已知各种方法在其性能和所需工艺方面在一定程度上是不同的。
根据预期的应用，总是需要在所需的轻质结构，要实现的性能和经济效率之间找到折衷方案。
这是因为，一方面，使用的高强度高模量纤维，例如碳（C）纤维或玻璃纤维（GF），其成本非常高；另一方面，比如预浸料技术，手糊法或高压釜制造等方法，由于手工制造的程度很高而非常耗时且难以自动化，且导致昂贵的半成品。
这些方法的缺点是首先在复杂的工艺中必须制造纺织片材，机织物，垫子，编织物或针织织物，然后必须用预浸料法树脂浸渍，切割和铺设。另一方面，获得相对较大的废屑。为了避免固化和解聚，需要复杂的储存。
进一步的加工可以在热压技术或高压灭菌技术中进行。
用于制造定向纤维复合材料组件的另一种解决方案是卷绕技术，其中材料缠绕在芯轴上。这种方法是已知的，例如，从DE 10 2004 003 749 A1。卷绕技术的缺点是限制了具有凸面的组件。 DE 10 2011 078 709 A1描述了在卷绕之后可以改变芯的形状的方法。
对于大规模生产，一方面的轻质结构与碳纤维之间的矛盾与另一方面的CFRP的使用成本特别明显。除了材料价格，主要是使连续生产困难的时间密集型技术。
例如，对于汽车行业来说，基本上是根据Ferkel教授[H. Ferkel教授，2010CCeV汽车论坛，2010年6月24日，纤维复合材料作为大规模生产的经济选择]来降低制造成本。
具有高纤维取向的方法，其允许更高的自动化程度，限于简单的组件（卷绕，拉挤成型方法）。
适合连续生产的方法，如注射成型，SMC，GMT和LFT，仅部分利用纤维的潜力。
组件的性质，一方面是通过纤维的种类，纤维排列，纤维比例，纤维长度和纤维取向来确定的，另一方面是通过基质材料，纤维与基质材料的相互作用来确定的。
基于前者的DE 2 145 442 A和DE 2 300 269A，描述了纤维材料的预成型部分以及用于生产纤维材料的方法和装置。特别地，产生了可以用于生产垫形的纤维增强物体的预成型部分，例如水壶，罐等；在这种情况下，预成型部分的纤维沿着整个壁面均匀分布。用于实施该方法的装置是围绕其纵向轴线旋转并且其内部施加真空的穿孔模具。两次切割意味着将增强纤维材料（例如玻璃纤维）切割成短纤维片，并将纤维引导到旋转模具上。施加到穿孔模具的真空导致纤维的任意取向。因为模具相对于切割工具旋转，同时切割工具沿着模具移动以将纤维施加到其上，所以纤维的主要取向围绕穿孔模具螺旋地延伸。因此，该方法不适用于生产几何“三维”物体，因为高比例的切屑将被丢弃。此外，该方法也不适用于生产每单位面积部分不同重量的物体。
EP 0 587 283 A1描述了一种纤维预制件，其中将粘合剂和短切纤维从相应的喷嘴吹送到筛网上。同时，将热空气从多个另外的喷嘴吹送到成型纤维预制件上以固化粘合剂。WO 93/20994A 描述了一种生产纤维预制件的方法，其中描述了在预成型筛上的短切玻璃纤维上的粉末状粘合剂。然后将粉末状粘合剂和短切玻璃纤维加热以软化粘合剂的颗粒，由此后者粘附到玻璃纤维上以形成预制件。
WO 2005 030 462 A2描述了一种用于生产纤维预制件的装置和方法，其中纤维和粘合剂已经在表面上分散热，使得材料被调节并然后在表面上固化。纤维预制件的原料含有增强纤维，其与粘合剂，特别是热塑性或热固性材料混合。随后施加于表面，纤维被进一步加热，冷却和固化。这产生具有在增强纤维之间具有间隙的开放垫片形式的纤维预制件。在完全固化之前，沉积的垫片还可以进一步成形为最终所需的形状。
DE 10 2011 120 986 A1描述了一种用于制造纤维复合材料组件的注模方法，其中组件的芯首先在第一模具中铸造。然后，将纤维材料用塑料浸泡，并将浸渍的纤维材料缠绕在铸芯上。随后，用第二注射模具中的卷绕材料将热量施加到芯上，由此固定纤维材料。然后，将芯填充的中空型材脱模，并且通过加热将芯从中空型材熔融出来。
EP 2 543 494 A2还描述了一种制造纤维增强塑料组件的方法。首先，在光纤应用设备中提供芯。然后，将浸渍有塑料基质的纤维施加到芯上。在一个工艺步骤中，通过对纤维施加压力和/或热量来固化塑料基质。根据EP2 543 494A2，芯可以设置有包括形状可变部分的表面。
在这种传统的三维组件的制造中，可能出现垂直于纤维方向形成的空腔，其是通过垂直于纤维方向拉伸单轴纤维引起的。这样的空腔然后由塑料材料填充。然后这些区域的强度明显低于强化区域的强度，导致材料性能较差。
相比之下，已知无纺布具有最佳的变形行为，即它们最适于适应于期望的轮廓。而且在无纺布中，材料的最高稀释度在变形最大的区域的成型过程中发生。这意味着即使使用常规制造的无纺布，组件的强度性能也由组件的几何形状确定。
此外，在具有更强变形的无纺布的组件的生产中，可能发生在模具被关闭时无纺布从周边移动到更多的内部区域中。
因此，纤维预制件提供了显著改进，其中使用的纤维是直接放置在三维模具中的，只有这样才被固化。
对于车辆的地板和舱壁区域的绝缘体，用于生产纤维无纺布组件的各种纤维注射方法可以避免许多所述的问题是已知的。
EP 0909 619 B1描述了用于不连续制造成形复合材料的发明。在该方法中，将纤维混合物吸入具有该组件形状的多孔滚筒上。组件的厚度由脱脂辊定义。在最后一步中，组件通过加热固化。在这种方法中，对于局部流动阻力的限定的调整，在每单位面积的不同重量的调整中出现问题。
EP 2 305 869 B1（WO 2014/053505 A1）描述了一种方法，其中纤维的混合物通过一个或多个吹入孔吹入模具中。随后，材料通过加热固化。对于刚性纤维，例如碳纤维或玻璃纤维，由于纤维或多或少的非二维排列，该方法代表了一种在固化过程中纤维断裂的可能原因。
EP 0 704 287 B1是一种制造纤维混合物的方法，其中通过空气分层法制备半成品。在第二步骤中，将该半成品作为热组件在第二模具中压制并冷却。
WO 2007/016879 A1描述了一种联合吹塑成型方法，其中模具具有两个宽的侧壁，至少一个侧壁成型。将纤维混合物吹入该模具中，逐扇吸入。纤维坯料由退绕装置取出并固化。在这种情况下，纤维的不完全二维排列对碳纤维和玻璃纤维来说是缺点。
DE 10 2005 004 454 B3描述了制造纺织品模制件的方法。在该方法中，收集具有不同层厚度的纤维，以形成坯料并将其吸入具有坯料和透气壁形状的模具中。
EP 2 108 497 B1描述了一种制造组件部分的方法，其中纤维和粘合纤维的纤维混合物被重力吹送/吸入具有组件部分的单面轮廓的透气性的植绒工具中。
在所有这些方法中，释放的纤维通过吸入和/或吹送到透气工具中的所需位置。对于该应用，使用的纤维包含60重量％至85重量％的高熔点单组分纤维，和15重量％至40重量％的粘合纤维。
根据本发明，主要使用以PET为核心和以CoPET为壳体的双酚纤维作为粘合剂（双组分纤维，例如具有高熔点核心和低熔点壳体）。 基于PE或PP的其他壳体材料也是已知的。
材料通过用空气加热而部分或完全粘合。如果无纺布组件仅部分粘合，则在加热的工具中进行后固化。
对于由碳纤维制成的组件，用于生产纤维预制件的这种方法既不是公知的也没有被使用。由于纤维预制件具有低固化性，所以将纤维粘合到塑料基质中的方法只能有条件地应用。
因此，本发明的目的是提供一种制造三维纤维复合材料组件的方法，所述三维纤维复合材料组件具有在非常短的周期时间内由刚性高模量纤维和塑料基质制成的电荷依赖性材料分布。
根据本发明，该目的通过权利要求1所述的三维纤维复合材料组件的制造方法来实现。
本发明基于以下知识：通过将释放的纤维（带有或不具有粘合纤维）受控地吸入和/或吹送到三维透气模中，可以提供纤维预制件，其中纤维是排列在三维模制组件上，使得它们在模具的纵向和横向方向上几乎是各向同性的，并且纤维预制件具有每单位面积均匀的或故意的局部不均匀的重量。透气模的轮廓基本上对应于组件的上侧或下侧的轮廓。
在第一实施例中，本发明涉及一种制造具有各向同性纤维分布的三维纤维复合材料组件的方法，所述各向同性纤维分布具有在非常短的周期时间内由刚性高模量纤维和塑料基质制成的电荷依赖性材料分布，按照给定的顺序包括以下步骤：
-纤维制品1,2,3通过从纤维束，捆包或织物结构中释放纤维来打开纤维；
- 交互控制地将打开的释放的纤维吸入和/或吹送6到具有该组件的侧面的轮廓的三维透气半模5上；
-在植绒盒4中预固化纤维预制件；
- 将纤维预制件7以组件的透气性半模5的轮廓的形式传送到压模11；
-与至少一种液体塑料材料接触（10）；
- 通过压模11将纤维预制件固化。
通过这些步骤的组合，可以以几乎完全避免纤维结构中的缺陷并且具有非常短的循环时间来制造具有各向同性纤维分布和每单位面积的部分不同重量的三维组件。因此与已知方法相比，生产率显著提高。
作为所述纤维，使用高强度或高模量纤维，特别是玻璃纤维或碳纤维；然而，可以另外使用天然纤维，塑料纤维或其它无机纤维。
可以使用具有相似或明显不同熔点的纤维的分选纤维和纤维混合物。
在另一个实施例中，纤维在开口后与至少一种粘合纤维混合。“纤维的开口”是指纤维从纤维束，捆包或其他织物结构（纤维制品）中的释放。
根据第一替代方案，基于总纤维质量，混合后的粘合纤维的质量比可以是，例如，5重量％或小于5重量％。在这种情况下，粘合纤维仅用于预固化。例如，可以使用共聚乙烯，共聚酯，共聚酰胺或热塑性聚氨酯（PUR）作为粘合纤维的材料。优选地，使用与塑料基质相容的粘合纤维。
通过吸入/吹送将纤维引入到模具中，使得纤维在模具的整个表面上具有每单位面积的均匀重量。
然而，也可以有利地在三维透气性模具组件的表面吸入和/或吹送期间分配纤维，使得纤维相对于表面具有每单位面积局部不同的重量。因此，可以制备部分增强的三维纤维组件。
加热空气的粘合纤维也可用于纤维预制件的预固化。预固化的其它可能性包括，例如，液体粘合剂或空气针焊。
以这种方式固化的纤维预制件可以被运输并且随后被放置在压模上而不会分离。
在另一个实施例中，基本上对应于组件的形状的预固化的纤维预制件可以借助于传送到压模的传送托盘来应用。
此外，可以想到，当纤维预制件被转移到压模中时，单轴纤维束和/或纤维织物沿着纤维预制件的至少一个表面被引入。这用于组件的电荷依赖性增强。
对于诸如树脂（环氧树脂，酚醛树脂，聚酯树脂）或浇铸聚酰胺（其需要在惰性气氛下工作）的液体塑料材料，可以应用诸如RTM或TRTM的已知方法。
在另一个实施例中，可以用液体塑料材料接触，特别是喷涂纤维预制件。PUR树脂在这方面特别重要。 然后可以在高压灭菌或压制方法中进行进一步处理。
用热塑性基质制备组件优选通过使用高熔点或非熔化纤维的纤维混合物，粘合纤维和基质纤维来实现。应用高强度热塑性材料，如聚丙烯，不同的聚酰胺，聚酯，聚醚醚酮，作为基质纤维。混合后，在整个纤维质量中，塑料纤维（基质）的质量比例为约30重量％至90重量％。
为了进一步处理，将纤维预制件在高于粘合纤维的熔融温度的温度下加热并预固化。在另一步骤中，将其在高于基质塑料的温度的温度下加热并在冷压模具中压制。
实施例
在下文中，参考附图描述本发明的优选实施例，其中所述附图示意性地示出了根据本发明的用于使用HMP III纤维植绒技术制造三维纤维组件的方法的基本原理。
将碳纤维捆包打开，释放并与市售的3重量％由热塑性PUR材料芯和热塑性共聚氨酯壳体（1,2,3）制成的PUR双组分纤维混合。共聚氨酯的熔融温度约为100℃。
在植绒盒4中，在冷（室温）空气的箭头方向上存在封闭的循环。
将释放的纤维混合物称重并将其吸入6到空气流中。
收集在过滤器5中的纤维，其基本上具有组件的一侧的轮廓。具有不同开放面积的区域吸入不同量的材料，其导致组件中每单位面积的不同重量。使用温度高于双酚纤维壳体材料（在这种情况下为100℃）的熔融温度的热空气，将纤维预制件固化至可以运输的程度。
通过移除托盘7和机器人8移除纤维预制件，其中通过真空将其保持在托盘上，并放置在用于喷涂的沉积托盘9中，用第二机器人10喷涂，并运送到压模11，随后按压并固化。
在另一个实施例中，也可以在压模11中直接进行喷涂。
可以使用合适的常规压模作为所述压模11。
如此制造的三维组件在所需区域中具有每单位面积的部分增加的重量，因此根据需要具有不同的力吸收和变形行为。
参考符号列表：
1-3:纤维加工
4:植绒盒
5:过滤器
6:空气流
7:纤维预制件
8:机器人
9:沉积托盘
10:喷涂机器人
11:压模。
Claims (13)
1.一种具有各向同性纤维分布的三维高强度纤维复合材料组件的制造方法，所述三维高强度纤维复合材料组件具有由刚性高模量纤维和塑料基质制成的电荷依赖性材料分布，按照给定的顺序包括以下步骤：
-纤维制品（1,2,3）通过从纤维束，捆包或织物结构中释放纤维来打开纤维；
- 开口后与至少一种粘合纤维混合的纤维，其中，在整个纤维质量中，混合后的粘合纤维的质量比为5重量％或小于5重量％；
-将所述打开的释放的纤维交互控制地吸入和/或吹送（6）到具有该组件侧面轮廓的三维透气半模（5）上；
- 在植绒盒（4）中预固化纤维预制件；
-将所述纤维预制件（7）以该组件的透气性半模（5）的轮廓的形式传送到压模（11）；
-与至少一种液体塑料材料接触（10）；和
-通过压模（11）使纤维预制件固化成一个组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用玻璃纤维或碳纤维作为所述刚性高模量纤维。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在吸入和/或吹送（6）期间，纤维布置在所述三维透气模（5）的表面上，使得纤维的覆盖面在整个表面上具有每单位面积的均匀重量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在吸入和/或吹送（6）期间，纤维布置在所述三维透气模（5）的表面上，使得纤维的覆盖面具有每单位面积局部不同的重量。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，粘合纤维被加热的空气活化，用于预固化所述纤维预制件（7）。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纤维预制件（7）到压模（11）的转移通过传送托盘（4）进行，其中纤维预制件通过真空保持。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述单轴纤维束和/或织物被应用到所述纤维预制件（7）的一个或两个表面。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用热塑性PUR，共聚酰胺或共聚酯的单组分纤维作为所述粘合纤维。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有热塑性PUR，共聚酰胺或共聚酯的壳体材料的双组分纤维作为所述粘合纤维。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用在应用状态下为液体并由环氧树脂，聚氨酯树脂，聚酯树脂或浇铸聚酰胺材料之一制成的树脂作为基质材料
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述树脂喷涂在所述纤维预制件的一侧或两侧。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述树脂通过模具侧上的喷嘴注入到封闭模具的压制纤维预制件中。
13.根据权利要求1或2制备的具有各向同性纤维分布的三维高强度纤维复合材料组件，包含25至70重量％的高强度高模量纤维，至多5重量％的粘合纤维材料和25至70重量％的热固性或热塑性基质。
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