纤维复合材料构件以及用于制造纤维复合材料构件的方法与流程

本发明涉及一种纤维复合材料构件以及一种用于制造纤维复合材料构件的方法。

背景技术：

由现有技术已知面式地设置借助热塑性材料预浸渍的纤维束和/或稀松布和/或织物，以便构造构件。也已知借助包括或不包括纤维的热塑性材料包封纤维增强塑料的一些部位。所述方法用于加强具有较高负荷的部位、尤其是力导入部位并且因此提高构件稳定性。

此外已知通过注塑成型来制造构件。在此，在注塑模具中放入纺织纤维材料(如稀松布、织物、针织物、束或类似物)并且随后以包括或不包括纤维的热塑性材料进行包封。由上述方法可制造壳板或具有封闭表面的空心构件或类似物。

DE 102006040784 A1例如公开了一种用于由纤维增强的热塑性塑料通过注塑成型制造纤维增强的机动车部件的注塑成型方法。

但由现有技术公开的方法具有下述缺点：仅设置连续纤维的二维或者说面式纤维布置。同时，人们在轻质结构能力的极限范围和可借助满足负荷要求的纤维层实现的极限范围之间摇摆不定。此外需要使用较多材料并且可能产生不少角料。

因此，希望更轻质、更加满足负荷要求的结构，同时减少材料使用和角料。此外应尽可能避免材料积聚。

技术实现要素：

因此，本发明的任务在于，以有利的方式改进开头所提类型的纤维复合材料构件和用于制造纤维复合材料构件的方法，尤其是如下来改进，使得能更轻地构造，能实现更加满足负荷要求的纤维层，可以减少材料使用以及减少角料。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的纤维复合材料构件来解决。据此，纤维复合材料构件包括纤维束和由热塑性和/或热固性材料制成的基质，其中，纤维束设置成，使得它们构成成型部，在纤维束之间设有支撑装置，至少两个纤维束彼此偏斜设置，至少两个纤维束的走向彼此相交，并且在偏斜的纤维束的交叉区域中构造有至少一个空腔。

本发明基于下述基本思想：借助两个偏斜纤维束交叉区域中的至少一个空腔避免材料积聚。使用偏斜纤维束能实现具有交点或交叉的纤维复合材料构件结构。这些交点或交叉加固了纤维复合材料构件的成型部。由此可制造重量相对轻且极为刚性的纤维复合材料构件，其例如可用作车身构件。本发明纤维复合材料构件的优点尤其在于，总体上可比现有技术中已知的纤维复合材料构件构造轻并且可提供更加满足负荷要求的纤维层。由此进一步实现：有利地减少材料使用并减少角料。

纤维复合材料构件可具有至少两个或更多个成型部，每个成型部的至少两个纤维束彼此偏斜且相交地设置并且在偏斜纤维束的交叉区域中构造有至少一个空腔。

偏斜且相交的纤维束可彼此垂直设置。由此可简单地在成型部中提供稳定的框架状结构。

原则上，偏斜且相交的纤维束也可构成锐角。

每个纤维束可与基质M一起在成型部中构成一个支杆，该支杆是成型部的组成部分。通过构造支杆，可有利地在成型部中引导负荷并且尽管是轻质结构但仍可实现较高的稳定性。支杆尤其是可吸收拉应力和/或弯曲应力。

至少所述两个偏斜且相交的纤维束在它们的交叉区域中可这样嵌入基质中，使得由这两个偏斜纤维束构成的支杆在该区域中分别具有加宽部。通过加宽部可在该区域中固定结构元件，否则这些结构元件有可能影响或降低支杆稳定性。

空腔可构造或设置在加宽部中。

在加宽部区域中可设置至少一个开口或孔。但通过加宽部，使支杆和因此成型部的稳定性大致保持不变或者说不显著减小或不减小。

开口可以与空腔连接。由此获得如下优点：通过开口可进入空腔并且例如开口和空腔可用于容纳固定元件、如螺栓或螺钉。也可想到，设置多个孔，它们与空腔连接。这些开口例如可用于在通过内压注塑成型形成空腔时(亦参见下文)将熔体从空腔吹出。

还可想到，至少一个纤维束是包括多个单向设置的纤维的UD纤维束。

UD纤维束是包括多个单向设置的纤维的束、即不具有纤维扭转的纤维束。纤维例如可以是碳纤维。也可想到纤维是玻璃纤维。但原则上也可选择由其它适合的材料制成的纤维。

此外可规定，至少一个纤维束仅包括单向设置的沿纤维束走向的方向的纤维。这可实现纤维复合材料构件的简单结构。

还可想到，至少一个纤维束包括单向设置的沿纤维束走向的方向的第一纤维和单向设置的围绕第一纤维编织的第二纤维。由此可改善纤维束的稳定性。

至少一个纤维束可设置在纤维复合材料构件的成型部的边缘上和/或纤维束和支撑装置构成空间成型部。

可想到，设置至少三个纤维束，和/或纤维束空间设置。

纤维复合材料构件可以是车身构件或类似物。例如可想到，纤维复合材料构件是车辆的车顶横向连接元件、如导流板(即在两个机动车A柱之间的区域中的车顶横向连接元件)。

可借助包括连续纤维的纤维束提供空间布置结构。通过具有支撑装置的相应布置结构，可提供刚性且稳定的成型部，从而可实现显著更轻的结构。因此，提供并能实现极高的轻质结构潜力。此外，可形成任何成型部几何形状，这在自由曲面比例较高的构件中尤为有利。

此外，可这样设置纤维，使得所述纤维吸收或可吸收弯曲应力和/或拉应力和/或压应力。由此产生以下优点：可满足负荷要求地进行构造，尤其是可提供这样的纤维复合材料构件，其这样设计，使得其根据设计满足负荷要求地设计用于施加在其上的弯曲应力和/或拉应力和/或压应力。

此外可想到，支撑装置设置成，使得它们传递和/或吸收或者能吸收扭力和/或剪切力。由此产生以下优点：在弯曲应力、拉应力或压应力之外出现的扭力或剪切力不通过纤维束、而是通过为此设置的支撑装置来吸收。由此，总体上提高了纤维复合材料构件的稳定性，因为针对具体出现的负荷设置专门的元件、即例如为弯曲应力和/或拉应力和/或压应力设置纤维束并且为扭力和/或剪切力设置支撑装置。由此可实现极为稳定的结构，但同时无须显著增加重量。

此外，至少一个纤维束可具有至少一个空出区段，在其上未设置支撑装置，优选规定，纤维束具有规则或不规则间隔开距离的空出区段和/或所述空出区段是至少部分弯曲的或是直线的。空出区段允许纤维束在制造时直接夹紧在模具中。由此防止纤维束在注入热塑性和/或热固性材料时移动，这是不希望的。由此提高了纤维复合材料构件的制造精度。同时也节省了重量，因为使用较少的热塑性和/或热固性材料或者说仅使用必要的材料量。纤维束具有规则或不规则间隔开距离的空出区段这一情况之所以是有利的，是因为由此在这些点上纤维束可被良好地固定于模具中。

此外可规定，支撑装置包括剪切面和/或支撑装置通过注射热塑性和/或热固性材料构成或由纤维束构成。由此获得如下优点，可将轻质结构的且可简单制造的元件用作支撑装置。这是低成本的并且同时能实现轻质结构。热塑性和/或热固性材料也可纤维增强。

还可想到，纤维束沿脱模方向这样错开地设置，使得它们无须滑块即可被取出注塑模具。这简化了制造并缩短了制造时间，因为从注塑模具的脱模得以简化。通过省却滑块可显著节省成本，因为所需模具的复杂度降低并且可更为低成本地制造。

此外，纤维束可设有直线区域和/或弯曲区域。由此产生以下优点：纤维束因此可近似依循任何曲线。可想到这样设计束，使得它们包括直线区域和例如短的弯曲区域。在短的弯曲区域中，纤维束例如无须被包封，以便可在该部位上被固定在模具中。这允许特别简单地制造成型部。还简化了制造，因为在弯曲区域中无须包封。此外有利的是，通过这种包括直线和曲线区域的束设计方案可近似依循任何曲线，因为由此可产生几乎任何自由曲面。

此外，本发明涉及一种用于制造纤维复合材料构件的方法。据此规定，在用于制造包括纤维束和由热塑性和/或热固性材料制成的基质的纤维复合材料构件的方法中进行如下操作：纤维束设置成，使得它们构成成型部，在纤维束之间设有支撑装置，至少两个纤维束彼此偏斜设置并且在偏斜的纤维束的交叉区域中构造有至少一个空腔。

根据本发明由此产生以下优点：总体上可构造比现有技术中已知的纤维复合材料构件轻，还可实现连续纤维的三维布置结构并且可提供满足负荷要求的纤维层。此外，由此还可有利地减少材料使用并减少角料。通过构造空腔可避免材料积聚。

空腔可通过内压注塑成型形成。内压注塑成型、也称为流体注射技术(FIT)是一种专门用于制造空心工件的注塑成型法。在常规注塑成型的一个加工步骤之后或在定义地部分填充注塑模具之后，将临时填料(水或惰性气体、通常为氮气)这样注射到部分填充的注塑模具中，使得作为内模件(芯件)起作用。通过从中心挤出熔体，一方面形成空腔并且另一方面熔体被压到外部的注塑模具上或中。在熔体凝固之后再次排出流体。该操作方式的优点在于，可省却内模件。此外，可构造这样的结构，该结构构造成使得内模件或者说芯件必要时可以很难脱模。

内压注塑成型可以是气体内压注塑成型。在气体内压注塑成型中，气体将位于注塑模具中的熔体挤出并且以最大300巴的压力进行剩余填充。例如可通过机器喷嘴和因此通过浇口系统或通过单独的注射针直接向型腔内的成形件中注射。另一种方案在于，以熔体完全填充型腔并且随后将熔体吹入副腔中或吹回注塑机的螺杆筒中。当应补偿收缩并避免质量积聚时，使用气体内压注射成型尤为有利。还可实现极小的通道横截面。当水不能从构件被去除或注射器的尺寸起决定作用时，也优选使用气体内压注射成型。

内压注射成型可以是借助流体注射技术的内压注射成型。在此尤其可以是水内压注射成型。在此，与上述气体内压注射成型类似，通过流体将位于注塑模具中的熔体挤出并且流体进行剩余填充。

通过使用流体、如水产生的优点在于，大大缩短了周期时间。这还与流体或液体(如水)相比于气体更大的热容量有关。此外也可改善表面结构。当横截面和通道长度根据材料对于气体注射技术而言过大并且在没有纤维增强的区域中要求光滑、封闭的表面时，液体、如水自动流动。但一般来说除了翘曲较小外，同样也可实现的较小剩余壁厚具有核心意义。从经济角度看，在选择水时重点在于显著减少的周期时间且不发生气体成本。在大批量生产中，这可减少高达50％的投资成本(基于每条单独的线的效率提高而使生产线减半)。

此外可规定，制造方法所用的纤维束是包括多个单向设置的纤维的UD纤维束。

本方法中可用的UD纤维束是包括多个单向设置的纤维的束、例如不具有纤维扭转的纤维束。纤维例如可以是碳纤维。也可想到纤维是玻璃纤维。但原则上也可选择由其它适合的材料制成的纤维。

此外可规定，至少一个纤维束仅包括单向设置的沿纤维束走向的方向的纤维。这能实现纤维复合材料构件的简单构造。

还可想到，至少一个纤维束包括单向设置的沿纤维束走向的方向的第一纤维和单向设置的围绕第一纤维编织的第二纤维。由此可改善纤维束的稳定性。

可想到，设置至少三个纤维束，和/或纤维束空间设置。

纤维复合材料构件可以是车身构件或类似物。

可借助包括连续纤维的纤维束提供空间布置结构。通过具有支撑装置的相应布置结构可提供刚性且稳定的成型部，从而可实现显著更轻的结构。因此，提供并能实现极高的轻质结构潜力。此外，可形成任何成型部几何形状，这特别是在自由曲面比例较高的构件中尤为有利。

上面结合本发明纤维复合材料构件或可能的实施例说明的特征和优点也可单独或组合地设置在根据本发明的用于制造纤维复合材料构件的方法或该方法的下述可能的实施例中。

此外可规定，至少一个纤维束设置在纤维复合材料构件成型部的边缘上和/或纤维束和支撑装置构成空间成型部。

此外可规定，纤维束设置成，使得它们吸收或可吸收弯曲应力和/或拉应力和/或压应力。还可规定，支撑装置设置成，使得它们传递和/或吸收或可传递和/或可吸收扭力和/或剪切力。如上所述这简化了纤维复合材料构件满足负荷要求的设计并且有助于最大程度的轻质构造。

此外，至少一个纤维束可具有至少一个空出区段，在其上未设置支撑装置，优选规定，纤维束具有规则或不规则间隔开距离的空出区段和/或所述空出区段是至少部分弯曲的或是直线的。如前面已经详细说明的那样，其优点在于可产生几乎任何自由曲面。此外可改善成形精度，因为纤维束可直接通过模具中的相应缺口被固定在模具中，从而能够可靠避免纤维束滑动。

此外可规定，使用干纤维束。由此例如实现：简化向模具中的插入。也可想到不希望使用预浸纤维束的应用情况。

但也可使用预浸的纤维束。由此例如可实现预交联和更好的保持以及与周围材料的连接，如果这是必要的。

还可想到，纤维束沿脱模方向这样错开地设置，使得它们无须滑块即可被取出注塑模具。由此简化了注塑模具的模具制造并可显著降低成本。

此外，支撑装置由支杆和/或剪切面构成和/或支撑装置通过注射热塑性和/或热固性材料构成或由纤维束构成。由此获得如下优点，可将轻质结构的且可简单制造的元件用作支撑装置。这是低成本的并且同时能实现轻质结构。

此外，纤维束可设有直线区域和/或弯曲区域。由此产生以下优点：纤维束因此可近似依循任何曲线。可想到这样设计束，使得它们包括直线区域和例如短的弯曲区域。在短的弯曲区域中，纤维束例如无须被包封，以便可在那里被固定在模具中。这允许特别简单地制造成型部。还简化了制造，因为在弯曲区域中无须包封。此外有利的是，通过这种包括直线和曲线区域的束设计方案可近似依循任何曲线，因为由此可产生几乎任何自由曲面。

附图说明

本发明的其它特征和优点由下述说明和下述被参照的附图给出。附图如下：

图1为通过本发明方法制造的本发明纤维复合材料构件的基本框架的透视图；

图2为本发明纤维复合材料构件的透视图；

图3为根据图2的纤维复合材料构件的俯视图；

图4为根据图2和3的纤维复合材料构件的沿图3中剖面A-A的剖视图；

图5为用于根据本发明制造本发明纤维复合材料构件的模具的俯视图；

图6为图5的剖面A-A的视图；

图7为图5的剖面B-B的视图；

图8为本发明纤维复合材料构件的透视图；

图9为本发明纤维复合材料构件的另一透视图；以及

图10为本发明纤维复合材料构件的另一透视图。

具体实施方式

图1示出本发明纤维复合材料构件10的基本框架且无周围材料，该纤维复合材料构件通过根据本发明的用于制造纤维复合材料构件10的方法获得。

在用于制造图1所示纤维复合材料构件10的制造方法中，在此首先将纤维束20空间布置为成型部P。

成型部P在此包括四个大致平行设置的具有纤维25的纤维束20。在纤维束20之间设有多个支撑装置30。

借助由热塑性和/或热固性材料制成的基质M，将纤维束20与支撑装置30彼此连接。支撑装置30在此可以是基质M的组成部分。

完成的纤维复合材料构件10因此包括纤维束20和基质M。在此，纤维束20设置成，使得它们构成成型部P，在纤维束20之间设有支撑装置30。

纤维束20在此是UD纤维束，它们包括多个单向设置的纤维25。

可行的是，纤维束20仅包括单向设置的沿纤维束走向的方向的纤维。

备选地也可想到，纤维束20包括单向设置的沿纤维束20走向的方向的第一纤维以及单向设置的编织在第一纤维周围的第二纤维。

就此而言也可规定，至少一个纤维束20仅包括单向设置的沿纤维束走向的方向的纤维25，并且至少另一纤维束20包括单向设置的沿纤维束20走向的方向的第一纤维以及单向设置的编织在第一纤维周围的第二纤维。

图2示出本发明纤维复合材料构件10的俯视图，该纤维复合材料构件通过根据本发明的用于制造纤维复合材料构件10的方法获得并且具有上述结构和功能性特征。

图3示出根据图2的纤维复合材料构件10的俯视图。

图4示出图2和图3所示纤维复合材料构件10的剖视图。

在成型部P中，多个纤维束20彼此偏斜设置。

偏斜的纤维束20在此彼此垂直设置。

每个所述纤维束20与基质M一起在成型部P中构成一个支杆32，该支杆是成型部P的组成部分。

在每两个偏斜的纤维束20的交叉区域K中或者说在相应相配的支杆32的交叉区域K中构造有至少一个空腔H。

支杆32在它们的交叉区域K中分别具有加宽部34。

在加宽部34的区域中设有至少一个开口36。开口36如图4所示与空腔H连接。

在此，在空腔H的两个纵向端部上设有开口36。

图2中所示成型部P可以是更大成型部的组成部分或已经是单独的构件。

成型部P具有两个框架状栅格38，它们分别包括四个偏斜的支杆32。

栅格38在此大致相同地构造，所述栅格位于成型部P的两个相反侧面上并且张紧成型部P或者说用作用于成型部P的骨架。

在此，在每个栅格38中在第一平面中设有两个平行的支杆32并且在一个与该平面间隔开距离的平面中设有另外两个相互平行的支杆32。

第一平面的平行支杆32与第二平面的平行支杆32彼此相交并且偏斜且垂直地设置。在每个交叉区域K中分别形成一个空腔H。

两个栅格38借助多个支撑装置30彼此连接。

图1、2和3所示纤维复合材料构件10的功能和制造可如下说明：

如图1、2和3所示，纤维束20在此至少设置在纤维复合材料构件10的成型部P的外边缘上并且在纤维束20之间设置和布置有支撑装置30、如肋条和剪切面，使得可以产生框架状的成型部结构。随后借助热塑性或热固性材料包封注塑纤维束20和支撑装置30或者通过注射到纤维束20上制造支撑装置。

通过纤维25传递力，其中，热塑性或热固性材料建立纤维束20之间的连接。通过空间的布置结构，可制造具有高强度和高稳定性的成型部P且重量最轻。通过在空间中自由布置纤维束20，可实现任何成型部形状，这些成型部形状例如可用于B柱、支承结构、窗框等。

纤维25可设置成，使得它们吸收弯曲应力和/或拉应力和/或压应力。

支撑装置30设置成，使得所述支撑装置可传递和/或吸收扭力和/或剪切力。

可想到使用干纤维束20。但也可想到使用预浸纤维束。

支撑装置30可由支杆或剪切面构成，并且还可想到支撑装置通过注射热塑性或热固性材料形成或由纤维束20形成。

可想到：纤维束20沿脱模方向这样错开地设置，使得所述纤维束无须滑块即可从注塑模具中取出。

此外可规定，这样设计纤维束20，使得所述纤维束具有直线区域和短的弯曲区域并且因此可近似依循任何曲线。

在制造本发明纤维复合材料构件10时，空腔H通过内压注塑成型形成。

内压注塑成型可以是气体内压注塑成型或借助流体注射技术的内压注塑成型、尤其是水内压注塑成型。

本发明方法或本发明纤维复合材料构件10允许具有连续纤维25的UD纤维束20的空间布置结构，其能实现几乎任何造型。可实现刚性且稳定的成型部P，所述成型部还可比类似的已知成型部P要轻得多。因此可实现非常高的轻质结构潜力。此外，还可实现任何的成型部几何形状或任何构件造型并且材料需求较少。尤其是减少了角料或没有角料。

空腔H用于防止材料积聚。通过内压注塑成型，无须使用滑块或芯件并且简化了制造。

成型部P的骨架状结构能有利地实现纤维复合材料构件10的高抗扭刚度。

图5示出用于根据本发明制造本发明纤维复合材料构件10的模具W的俯视图，在此，纤维复合材料构件是机动车的车顶横向构件、即导流板。图6示出图5的剖面A-A的视图，并且图7示出图5的剖面B-B的视图。

根据图5的纤维复合材料构件10具有所有上述结合图1所示和说明的特征。在此，纤维束20空间布置为成型部P并且在纤维束20之间设有支撑装置30，它们将纤维束20彼此连接。纤维束20可以是结合图1所描述的UD纤维束。

如图5、6和7清晰可见，设有规则地间隔开距离的空出区段22，在所述空出区段上未设置支撑装置30。在这些空出区段22中，纤维束20在此直接置入模具中，这尤其是由图6和7示出。因此，纤维束20在注入热塑性或热固性材料时在这些部位上固定在模具中并且不从模具移出。因此可实现高的成形精度。

纤维束20可具有规则或不规则地间隔开距离的空出区段22。原则上，空出区段22可以是至少部分弯曲的或是直线的。

图8示出根据图5至7的本发明纤维复合材料构件10的透视图。图9和10断开地示出图8中所示的纤维复合材料构件10。

纤维束20在此分别设置在纤维复合材料构件10的边缘区域中。由此实现：纤维束20的纤维可吸收弯曲应力和拉应力以及压应力。

与此相对，支撑装置30设置成，使得它们传递和/或吸收或者能够吸收扭力和/或剪切力。