本发明涉及一种用于制造利用硬质泡沫芯、特别是pmi泡沫芯填充的新型纤维增强型材的新方法。本发明尤其涉及一种新方法，该方法可以在具有特别高的生产率以及在成型方面的高易变性的不同变型方案中实施。在此，在一个方法步骤中连续地制造复杂的纤维增强型材并且同时利用硬质泡沫芯对其填充。另外，在同一方法步骤中确保硬质泡沫芯非常好地连接到纤维增强型材上。此外，在至少两个模具中进行成型，使得可以实现特别高的生产率并且同时可以生产不同形状的型材。
背景技术：
根据现有技术，利用pmi泡沫填充的空心体可以借助所谓的模内法(in-mold-verfahren)制造。在此，利用颗粒填充已制成的空心体，随后将该颗粒热发泡并在此交联。该方法的缺点是需要多个方法步骤，即空心体制造、利用颗粒填充以及发泡。另一缺点在于，由于pmi的相对较高的发泡温度，不可能使用热不稳定材料，例如由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料。此外，在发泡过程中产生的在泡沫和覆盖层之间的连接仅很弱地形成。例如在wo2012/013393中描述一种这样的模内法。替代地，根据现有技术，将pur泡沫填充物作为液体注射到空腔中并且随后将其发泡并硬化。然而，该方法一方面带来与所述用于pmi泡沫填充的方法类似的缺点，并且此外无法转用于pmi。
替代地，可以利用经裁剪的泡沫芯填充敞开的壳部件，并且随后可以将第二壳部件与第一壳部件粘接或焊接以便形成空心型材。为了更好地连接泡沫芯，此外可以将粘接层施加到分界面上。该方法的缺点在于，需要非常多的耗时的工艺步骤，最终产物具有接合位置，并且在泡沫芯的制造过程中根据其形状可能产生大量边角料。
在如wo2012/052219中说明的一种变型方案中，将泡沫芯连同织物材料(例如碳纤维)放置在模具中，并且将树脂(例如环氧树脂)注射到该模具中并且硬化。尽管在此避免了接合位置，但该方法为此在边角料、工艺速度以及复杂性方面具有与上文所述方法相同的缺点。
拉挤成型法(也已知具有德语名称strangziehverfahren)是追溯到20世纪50年代初的首次开发的已有方法。该拉挤成型法用于连续地制造纤维增强塑料型材，例如也是空心型材，尤其是管。最初在此利用聚酯树脂或环氧树脂浸渍多个玻璃纤维(玻璃粗纱)，随后通过一个或多个成型模具组合成最终形状。最后硬化树脂并将连续生产的型材锯成单个工件。
所述拉挤成型法尤其是在第一方法步骤中利用树脂浸渍多个纤维或粗纱的方法。在此区分为所谓的开放拉挤成型法和封闭法，在开放拉挤成型法中，所述树脂浸渍在纤维经过的浸渍槽中进行，在封闭法中，利用树脂的浸渍只在实际成型仪器中在压力下进行。通常，这些设备在浸渍前具有可以使纤维进行对于后续成型所需的分布并可选地将预置的粗纱拆成单个纤维的装置、例如卡迪尔格珊(kadiergitter)。替代或补充粗纱或纤维也可能的是，使用无纺布、织物和/或纱布作为纤维材料。
在国际专利申请wo2013/174665中说明一种用于制造具有泡沫芯以及复合壳体的型材的所谓拉-芯法。然而，这样的方法局限于制造始终不变的、例如管形的横截面。更复杂的形状(例如在最简单的情况下型材中的横截面的变化)根据现有技术仅可借助耗时的手工铺设法或不连续的rtm(树脂转移成型)法实现。
在申请号为13190866的欧洲专利申请中公开了用于制造纤维增强的且泡沫芯填充的型材的拉-成形法和拉-压制法。相对于所有其他在现有技术中公开的方法，该方法明显更快并且实现明显提高的产量。然而，效率也还不是最优的，因为以这种方式可以每小时最多制造30至50个型材。
技术实现要素：
本发明所基于的任务主要是，提供一种用于制造利用硬质泡沫材料、例如pmi泡沫填充的纤维增强型材的可连续实施的新方法，该方法也适用于在工件中的复杂形状或横截面的变化，并且该方法相对于现有技术实现特别高的生产率。
尤其本发明的任务是提供一种方法，利用该方法可以以特别多的件数实现以夹层结构方式具有纤维-塑料复合材料外皮(fkv皮)和硬质泡沫芯、尤其是聚(甲基)丙烯酰亚胺泡沫芯(p(m)i泡沫芯)的复杂型材。特别大的产量在此例如意味着，利用单个设备可以每小时制造至少50个具有正常强度的纤维增强外皮的型材。在此，一个特别的分任务是利用该方法可以每小时制造至少70个所述型材。
此外，本发明的任务是，在不停止运转和改装设备的情况下可以制造至少两种具有不同形状的不同型材。
本发明的另一任务是提供一种能够实现泡沫芯和外覆盖层之间的非常好的连接的方法。此外，借助本发明的方法也应该可以在pmi的发泡温度下使用不可承受热负荷的材料作为覆盖材料。
本发明的另一任务是，提供一种利用硬质泡沫填充的新型空心型材，该空心型材a)在空心型材的覆盖材料和硬质泡沫芯之间没有粘合层，b)没有接合位置，以及c)在覆盖材料和硬质泡沫芯之间具有良好的连接。
可以从说明书、附图或示例中得出其它任务，而这些任务在此没有明确提到。
所述任务借助用于连续地制造利用硬质泡沫芯、尤其是p(m)i泡沫芯、优选pmi泡沫芯填充的复杂纤维增强型材的新方法来解决。该方法在第一个方法步骤中是拉挤成型法，在该拉挤成型法中，在中间输送例如由pmi制成的泡沫芯，并且该方法在最后的方法步骤中是更类似于rtm法的工艺。在此，优选借助一种类似于拉挤成型法的方法利用纤维材料包裹或覆盖泡沫芯，然而该纤维材料在此没有被树脂浸渍。优选进行利用树脂的浸渍以形成由纤维材料和树脂制成的覆盖层并且在该情况下不同于已知的拉挤成型法在包裹泡沫芯之后才进行浸渍，所述树脂可以是热塑性塑料或形成热固性塑料的反应性树脂。虽然根据本发明也可以在包裹前例如借助使纤维通过树脂槽而利用树脂浸渍纤维材料，然而该方式相比于优选的实施形式具有额外工艺步骤的缺点。
相比于现有技术，本新方法尤其具有如下特征，即在利用纤维材料包裹后同时在多个模具中、尤其是在一个或两个模具中进行成型。因此可能的是，几乎以相同的时间生产双倍的或者甚至多倍的件数。在现有技术中，装配在一个滑架上的用于成型以及可选的树脂硬化的模具是时间限制的因素。
尤其是，根据本发明的方法具有以下的方法步骤：
a)在拉挤成型设备中引入泡沫芯并且将新引入的泡沫芯与之前最后引入的泡沫芯的末端连接，
b)利用纤维材料包裹泡沫芯，
c)利用树脂浸渍已包裹的纤维材料，
d)同时将经包裹的泡沫芯的不同区段置入到至少两个模具中，其中，所述模具在成排的模具滑架上或成排地在一个模具滑架上位于拉挤成型设备末端的位置1，并且闭合模具，
e)加热模具，其中，成形经包裹的泡沫芯以及可选地硬化树脂，
f)将滑架沿经包裹的泡沫芯的运输方向运输到位置2以及随后打开模具，
g)将在位置2a的另一个滑架上的运输模具闭合，该另一个滑架沿经包裹的泡沫芯的运输方向位于其他滑架的后面并且将经包裹的泡沫芯沿运输方向运输到位置1a，以及将模具滑架引回到位置1，
h)打开运输滑架，借助切割、锯削或其他方法分离单个型材并且取出已制成的工件，以及并行地实施方法步骤a)至d)。
除所述方法步骤c)外，各个方法步骤以给出的次序或彼此并行地进行。如已经说明的那样，方法步骤c)一定在方法步骤b)前进行。在本发明的该实施形式中，可以将纤维首先引导经过浸渍装置、如浸渍浴并且随后包裹泡沫芯。
替代地且优选地在方法步骤d)和e)之间进行方法步骤c)，其方式为在闭合模具后且在加热前在模具内进行浸渍。该方法的一个特别优选的实施形式是称作拉-成形法的变型方案。在该拉-成形法中，方法步骤c)、d)、e)和f)在相同的通用模具中实施。这意味着，该模具是在滑架上移动的、可加热的并将树脂引入其中的装置。因此，在该成型模具中同时彼此进行最终成型、树脂硬化、校准和运输。校准在此是指对树脂组分的较短退火。尤其是，利用该变型方案可能实现更高的变形度和更少的边角料。
该拉-成形法的略较不优选的替代形式是所谓的拉-压制法。在该拉-压制法中，方法步骤a)至d)在互相分离的模具或装置中实施，可选地在方法步骤c)和d)之间在另外的模具中实施对经包裹的泡沫芯的预成形，此外在此方法步骤c)强制地在方法步骤b)前进行。
优选地，根据本发明的方法这样设计，使得方法步骤d)至f)在两个或三个模具中并行地实施。
在本发明的一种特别的实施例中，方法步骤d)至f)的模具塑造不同的形状。因此，该方法适合于实现具有不同型材的最终产物。
对于方法步骤a)：由于泡沫芯不同于纤维材料不能预置在具有几百米材料的辊上，因此该泡沫芯优选以多个彼此相继的单件的形式连续引导到拉挤成型设备中。这可以手动进行或尤其是利用标准长度泡沫件自动地进行。然后这些单件优选地借助粘接、插接或通过添加联结件而互相连接。在插接时，泡沫芯可为此利用相应的槽或空隙部预制。在粘接时重要的是，相应的粘合剂快速硬化。为此，在连续运行的情况下也可以手动地将粘合剂施加到其中一个表面上。在预置的泡沫芯件的两个端部之一上又可相应预制地设有联结件。然后简单地将第二泡沫芯件移入该联结件中。替代地也可以是如下的两件式联结件，该联结件互补地位于泡沫工件的两个端部上并且例如可以借助简单的链接机制互相连接。理想地，链接位置位于泡沫芯的随后置于两个已制成的型材之间的位置。
方法步骤b)：在方法步骤b)中用于包裹泡沫芯的合适纤维材料的选择对于本领域技术人员不构成问题，因为可加工的纤维材料由已有的拉挤成型技术已知。所述纤维材料优选是碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维(尤其是聚芳基酰胺纤维)或纺织用纤维，特别优选是聚芳基酰胺纤维或碳纤维。所述纤维材料可以以单个纤维、粗纱和/或无纺布、织物和/或纱布的形式使用。纤维材料优选是以连续纤维或连续粗纱的形式使用。
在成型时可能的是，将纤维沿加工方向彼此平行定向地设置在泡沫芯周围。然而优选的是，纤维在泡沫芯周围形成织物结构。通过该实施方式实现后续工件的特别的机械强度。根据本发明在此同样可以使用方法步骤b)的特别的变型方案，如尤其是修改的拉-预成形法、拉-缠绕法或拉-编结法。也可以将多个所述变型方案互相组合或将单个变型方案连续地多次应用。因此例如可设想一种布置结构，即拉-编结、单向引入纤维和重新拉-编结。例如可以在wo2013/174665中查阅所述变型方案的细节。
在方法步骤c)中，用树脂进行浸渍。后续形成型材的纤维-塑料复合壳的基体材料的树脂可以是任意的适用于拉挤成型的热塑性材料或在交联后可转化成热固性塑料的树脂。优选的是上述可转化成热固性塑料的树脂。这样的树脂尤其是聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、pu树脂或环氧树脂，特别优选的是pu树脂或环氧树脂。
方法步骤d)和e)：在利用树脂浸渍后或同时，可以在方法步骤d)和e)中例如通过连续热成形进行型材的成型。这种成型可以例如借助一个或多个模具套筒进行。尤其是，用于成型的模具是类似于rtm法的压制模具。为此，对于所述压制步骤，停止在其他情况下连续进行的对连续泡沫芯的运输以及利用纤维材料的包覆。优选地，该泡沫芯材料在此完全由纤维材料包围。此外优选的是，利用压制模具将连续泡沫芯件的经压制区段的末端与经树脂浸渍的纤维包裹物压合，使得利用经树脂浸渍的纤维材料完全或几乎完全包围泡沫芯。用于在方法步骤e)中最终成型的温度主要取决于所使用的树脂体系。在热固硬化的树脂的情况下因此硬化覆盖材料以及因此也固定工件的给定形状。树脂(其也可被称作增强材料)的硬化在此通常可以热方式实现。为确保工件的均匀硬化，在此应注意模具内均匀的温度分布。
在成型模具中为此使用的温度取决于相应使用的树脂并且对于本领域技术人员是容易确定的。对于一些树脂，这样的温度在100至300℃之间。对于环氧树脂，该温度例如优选在20至100℃之间、特别优选地在50至80℃之间。然而如已经实施的那样，所述树脂体系也可以是热塑性材料。在该情况下优选的是，模具在内部加热到或超过该热塑性塑料的软化温度。替代地也可能的是，在方法步骤c)至e)中将所述热塑性树脂在熔化温度或玻璃临界温度之上施加到纤维上，并且所述“硬化”只在方法步骤f)中通过冷却实施。
在本发明的一种特别的实施形式中使用所谓的混合粗纱。该混合粗纱也称为混色毛纱(mingledyarn)或合捻纱(comingledyarn)。该混合粗纱用作纤维束、由覆盖层的纤维材料制成的纤维以及其他由形成基体材料的热塑性塑料构成的纤维。因此，方法步骤c)以特定方式部分地连同方法步骤b)以如下方式进行，即在此使纤维共同交织在一起，并且另一方面在方法步骤e)中将热塑性塑料纤维熔化形成基体材料。
所述冷却可以在取出时通过周围环境温度进行。另外，这可以附加地例如通过鼓风机辅助。也可能的是冷却运输滑架。在后一种变型方案中优选的是，存在可以容纳所有同时制造的型材的运输滑架，亦或对于每个所述型材存在合适的平行于其他运输滑架移动的滑架。理想地，在此运输滑架的容纳装置的内侧形成型材的成型区段的形状。在热塑性树脂的情况下，在此也硬化覆盖层。可以存在包含空气、水或其它冷却剂的模具套以用于所述冷却。通常在温度为0至120℃、优选10至50℃、特别优选20至30℃时进行所述冷却。
根据本发明的成型的一个大的优点在于，可以连续进行所述成型，并且因此首先获得分成多个区段的连续型材。在方法步骤h)中，在设备末端，该连续型材完全自动地分成具有希望长度的单个工件。
在方法步骤f)中，将具有用于成型的闭合模具的滑架沿经包裹的泡沫芯的运输方向运输到位置2。当到达该位置2时，接下来打开该模具。在此，用于成型的模具可以装配在一个共同的滑架上。替代地并且同样优选地是多个、也就是说至少两个分别具有一个所述模具的滑架。后一种变型方案具有如下优点，即单个模具在需要时可以更快且更简单地、即以更少的停止时间更换。第一种变型方案具有如下优点，即该变型方案能够以更少的投资和更少的能量需求实施。
为了可以连续地运行该方法，为此所述滑架必须一方面利用用于成型的模具以及另一方面利用运输滑架沿分别彼此相反的方向来回移动，其中，在移动期间闭合用于成型的滑架或运输滑架并且打开相应另一种类型的滑架。在此，两种类型的滑架尽可能同时到达各自的回转点，在到达该回转点后并且在所需的停止时间之后，所述滑架沿相应相反的方向移动。在方法步骤f)中的运输期间并行地进行用于后续型材的方法步骤b)。因此该方法可以连续实施。
第一停止时间涉及方法步骤d)和e)以及根据实施形式c)。在该停止时间中，模具滑架以及运输滑架在彼此最远离的位置1或1a。在第二停止时间时，打开模具并且关闭运输装置。在该时刻，各滑架在彼此最接近的位置2或2a。
接着在方法步骤g)中关闭在位置2a的一个或多个另外的滑架上的运输工具，所述另外的滑架沿经包裹的泡沫芯的运输方向位于其他滑架的后面。接着，经包裹的泡沫芯沿运输方向运输到位置1a，以及将模具滑架引回到位置1。
在位置1和1a的所述两个模具的第一回转点上，所述滑架如所说明的那样最大地彼此远离。在该位置中，优选同时从运输滑架取出已制成的型材或(在下文中同义使用的)工件，并将利用纤维材料包裹的泡沫芯容纳到具有模具的滑架中。为此，所述模具或运输滑架已经在最后的工件上在到达所述位置前打开。
为了在该方法期间运输连续型材，存在多种可能性。因此可以在步骤b)前或在步骤b)后马上通过辊或钩推移连续型材。也可以在步骤h)前利用相应的装置牵拉连续型材。该运输优选仅通过滑架、更确切而言通过刚好包含连续型材的一个区段的相应模具进行。此外可能的是组合不同的变化方案。
方法步骤h)：在打开运输滑架后，借助切割、锯削或借助其他合适的方法分离各个型材。当为了成型而停止运输连续型材时，通常同时进行分离以便在方法步骤d)和e)中成型其他型材区段。然后在分离后，例如借助机器人臂取出已制成的工件并且可选地将其容纳到仓储系统中。
借助根据本发明的方法制成的型材部件以具有泡沫芯的夹层结构方式设计。根据本发明的新方法的一个大的优点在于，这可以利用至少两个彼此并行运行的用于成型的模具在连续工艺中进行。由此可利用如下的优点：
-通过使用多个模具实现尤其高的生产率并且同时实现短的周期时间。由此实现多的件数和大批量适用性。
-在使用不同的用于成型的模具时，同时生产具有不同形状的型材。
-连续制造具有底切和横截面变化的复杂几何结构。
-没有对预成形纤维的操作问题。
1.模具是可调温的，由此不仅可以加工热固性基体，还可以加工热塑性基体。
-所述型材通过模具和运输滑架拉出并且在压力下保持。由此可以实现最佳的纤维取向。
利用根据本发明的方法可以制造不同种类的型材。所述型材可具有一个或多个腔室。具有腔室的型材可以例如作为圆管亦或作为具有矩形或正方形形状的腔室型材。也可能的是，制造具有复杂形状、即两个或更多个各种不同成形的或尺寸不同的腔室的型材。圆管可以例如除了简单的圆形形状外还具有圆形泡沫芯和圆形外壳，也可以例如具有圆形泡沫芯和有角的外壳或有角的泡沫芯和圆形外壳。与腔室的形状和数量无关，可以制造具有不同壁厚和/或泡沫芯尺寸的连续芯材。
根据本发明尤其可能的是，尤其是借助所述拉-成形法实现弯曲的或也沿运输方向不均匀成形的工件或型材。
用于泡沫芯的材料优选是聚(甲基)丙烯酰亚胺，本文中简称为p(m)i。表述“(甲基)丙烯酰-”在此是指甲基丙烯酰-、丙烯酰-或两者的混合物。特别优选的是pmi泡沫。这样的pmi泡沫通常在两步法中制造：a)浇铸聚合物的制造和b)所述浇铸聚合物的发泡。但替代地也可以使用由其他硬质泡沫材料、如尤其是pet泡沫、pvc泡沫、pu泡沫或pp泡沫制成的泡沫芯。然而在此pmi泡沫的大的优点在于，所述pmi泡沫在第一和/或第二模具中后发泡，并且由此在泡沫芯和覆盖层之间实现特别好的边界附着。
作为芯材的对于该方法所需的泡沫件可通过借助模内发泡的制造而制成，亦或优选地从经发泡的可作为浇铸聚合物制造的泡沫板上切割、锯切或铣削而成。在此优选可以从一个板上切割出多个泡沫件。在一种特别的替代方案中，也可可选地后切割并使用来自较大pmi泡沫件的生产的边角料，所述较大pmi泡沫件例如是飞机制造或风力发电厂制造中所用的那些。
这样的pmi泡沫的制造原则上对于本领域技术人员是已知的，并且可以例如参见ep1444293、ep1678244或wo2011/138060。
特别优选使用在30至200kg/m3密度范围内的pmi泡沫作为泡沫芯的材料。作为pmi泡沫特别是来自evonikindustriesag公司的
在此，相比于借助模内发泡制造，经锯切、经切割或经铣削的泡沫芯件具有的优点在于它们在表面上具有开孔。在与纤维接触和随后用树脂浸渍的过程中，一部分树脂渗入泡沫芯表面的这些开孔中。这具有如下优点：在硬化后在泡沫芯和壳材料之间的分界面上获得特别强的附着。
如已经实施的那样，借助根据本发明的方法也可以加工其它硬质泡沫材料。在此，这尤其可以是硬质的pet泡沫、pvc泡沫、pp泡沫或pu泡沫。
pvc硬质泡沫大多作为造船、转子叶片或机动车中的夹层材料结合覆盖层使用。在商业上可提供在25至300kg/m3密度范围内的pvc泡沫并广泛使用。pvc泡沫具有特别高的耐高温性，然而仅具有有限的承受机械负荷的能力。
pp泡沫主要已知用作绝缘材料、用于运输容器和用作夹层材料。pp泡沫可以包含填料并在商业上可提供大多在20至200kg/m3的密度范围内的pp泡沫。为了实现更好的附着，尤其是可以在方法步骤a)之前为pp泡沫的表面提供粘合层或粘合促进剂。
pu硬质泡沫又相对于pu软质泡沫具有更闭合的孔结构和更高的交联度的优点。pu硬质泡沫可附加地包含更大量的无机填充材料。
根据本发明制造的用硬质泡沫、如优选pmi泡沫填充的型材的优点尤其在于，覆盖材料是利用纤维材料增强的热固性塑料，并且泡沫芯是pmi泡沫，所述用pmi泡沫填充的型材没有粘合层和接合位置。此外，泡沫芯完全没有间隙或仅以很小的间隙被覆盖材料包围。在此，很小的间隙的含义是，在压制模具中的成型过程中(其中如上所述将区段的末端压合)，在锯切或切割后泡沫芯的小区域此外可能是可见的。但是尤其优选地这样进行压制，使得在已制成的型材上泡沫芯从外部完全不再可见。同样优选地，在硬质泡沫芯和覆盖层材料之间的分界面上，硬质泡沫芯具有利用基体材料填充的开孔。
在一种特别的实施形式中，该硬质泡沫可包含由金属或由置入在泡沫材料中的另一塑料制成的另一材料。这可以例如以管的形式存在。这样的管可以例如在用于车身构造时充当电缆管道。
补充地或与此无关地，该硬质泡沫可具有嵌件，尤其是金属嵌件。例如在用于汽车制造或飞机制造时，这些嵌件在后续充当构件的连接位置。在此可以例如引入金属块作为嵌件，然后随后在其中铣削螺纹，该螺纹在后续可用于螺纹连接。
根据本发明制成的具有泡沫芯的、尤其具有pmi泡沫芯的型材或根据本发明的方法制成的具有泡沫芯的成形体可用于各种用途。在此，主要考虑的是轻型制造，但这一描述决不能被理解为限制性的。这尤其是涉及汽车制造、商用车制造、船舶制造、飞机制造、直升飞机制造、用于获得风能的设备的结构、机器人技术和航天技术。在汽车制造中，尤其需列出例如车顶横梁或底板支柱的结构。在飞机中，可以涉及例如用作驾驶室底板支承。在这样的用途中，根据本发明的型材是在机械上几乎等价的但在此明显更轻的铝或钢的替代物。
附图说明
图1示例性地示出一种适用于根据本发明的方法的在利用连接于上游的树脂注射的拉-压制法的实施形式中的设备的示意结构。图1的附图标记如下：
(1)泡沫芯(预置)
(2)泡沫芯(置入到设备中并与最后的泡沫芯的末端连接)
(3)、(4)纤维输送，单向
(5)缠绕装置、编织装置(拉-编结)
(6)树脂储备(在此为具有组分a和b的双组分体系)
(7)树脂浸渍
(8)用于成型的以滑架形式的模具1
(9)用于成型的以滑架形式的模具2
(10)运输滑架，可选地具有冷却模具
(11)切割装置
(12)用于已制成的型材的操作系统
关于附图应该指出，其仅示意性地示出所述的实施形式。因此，例如使第二和第三模具在其上移动的轨道也许明显更长。此外，该设备如示出的那样配备有两个单向的纤维引导装置和两个拉-编结装置。当然所述四个装置中的一个装置也足以实施该方法。