用于制造纤维复合构件的方法和设备以及纤维复合构件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造纤维复合构件的方法和设备以及涉及一种纤维复合构件。
【背景技术】
[0002]已知的是，纤维复合构件由单向或多向的长纤维布置结构(在本申请的接下来的进程中称为长纤维层)构成的两层或更多层制成，所述长纤维层以交叉的方式或以任意的角偏移设置。换句话说，多个长纤维层、特别是单向的(单向)层以纤维的不同定向互相堆叠(叠层)，以准备预制件或预浸料坯，所述预制件或预浸料坯接着在模具中被挤压，以基质(例如热固性或热塑性树脂)润湿地渗透和硬化。一种按照现有技术的示例性的用于由至少两个长纤维层制造纤维复合构件的方法在图6中示意性示出。
[0003]按照图6中的视图，首先在层压站31中准备具有相应定义的纤维定向的长纤维层32的堆垛。长纤维层32例如由粗纱(由准连续的单丝构成的纤维束)准备。长纤维层32然后在预制过程33中成形成预制件34。在置入步骤35中将预制件34置入到模具36中，该模具包括具有与待制造的构件的形状对应的相应成型面的下部部件37和上部部件38。在此，置入的预制件通过模具轮廓定位。当不可能通过模具轮廓定位时，例如使用在模具36上的弹簧加载的定位销(未进一步示出)。在此，预制件例如被冲压并且然后利用冲压孔通过销来定位。弹簧加载的销随后在闭合模具时被从上部部件38压到下部部件37中。然后，预制件34在压制过程39中在模具36中被压制。这例如通过所谓的指数关闭过程(Index-Closing-Prozess)进行。在此，首先设定大约0.3mm的间隙，也就是说，在下部部件37和上部部件38之间的腔除了大约0.3mm的过盈量以外均闭合。然后，模具借助于排气模块和大致-0.8bar的真空被抽真空。由此应阻止夹杂空气(LufteinschlUsse)并且因此决定性地影响RTM构件的质量。排气时间随着模具尺寸和形状而变化。然后经由注射器34将树脂系41压入，该树脂系将预制件34浸透并且到达具有长纤维层32的复合结构。树脂系例如可以是双组分环氧树脂(2K-EP)系。注射器例如具有混合头，该混合头固定在模具浇铸点上。各组分的雾化在大约IlObar下在混合头中进行。在直至60s的注射时间(Schusszeit)上的注射期间，模具中的内压升至超过80bar。在结束注射以后，模具36完全闭合，也就是说，大约0.3mm的间隙减小至零。通过这种所谓的间隙注射，可以在注射时减小压力，改善构件表面以及减少在制成的RTM构件上的收缩斑点(Schwundmarken)和气孔。在注射结束以后，开始硬化时间。该硬化时间随着树脂系和模具温度(在基体硬化时大约100°C，在潜在硬化(Potentialharz)时125°C )而变化并且在局部上是3至6分钟。温度通过在模具中的热循环和配属于此的调温装置来控制。在经过硬化时间之后，在脱模过程42中将制成的构件43从工具36中脱模。也就是说，工具36自动打开并且推顶销被操纵。由此将完成硬化的构件43从下部部件37中推出。在脱模以后，构件43可以手动或自动取出。工具36随后借助于压力空气清洁。
[0004]上述过程例如被称为RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递模塑成型--压力注射或注射模塑)方法。在该方法中可能由于在树脂系中使用的胶粘剂的硬化时间短而产生确定的材料特征，例如气孔或类似物。这些气孔或类似物在使用制成的构件43时可能形成应力集中并且可能是裂纹的起始点。如果在粗纱内、也就是说在在增强纤维布置结构内形成裂纹，那么该裂纹被纤维阻止。但是在基质内，裂纹也许可能无阻碍地扩展。这可能导致构件结构的例如以层离的形式的失效。
[0005]类似的问题也可能在湿压方法中出现，在该湿压方法中，长纤维层32在与纤维基质成型之前已经被浸透，以便形成所谓的预浸料坯，并且预浸料坯必要时在无预制过程33和/或未将树脂系41挤压到成形模具中的情况下直接在模具中被压制。
[0006]按照另一种已知的方法，在利用铝内衬和CFK缠绕物(湿缠绕物)制造压力容器时，制成的压力容器经受自紧过程，以便提高内衬的寿命。在自紧过程中，设有内衬的压力容器被置于过压下，该过压超出运行过压并且超出内衬的屈服极限，这由于内衬的在此出现的(局部的)增塑作用和接下来在排出压力时所构建的压力残余应力而导致内衬材料的加强。但是在此在基质中出现很多微裂纹，这些微裂纹可能导致断裂压力的减小。
[0007]总的来说，由多层纤维复合材料制成的构件在受载时易于由于层离而失效，因为裂纹可以无阻碍地在(单向的)各层之间(沿着所谓的纯树脂区域)扩展。为了确保安全性，常规方式的构件因此以大的安全系数确定尺寸，从而自身存在的轻质结构潜力可能未被完全利用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于，提供用于制造纤维复合构件的一种方法和一种设备以及提供一种纤维复合构件，所述方法、设备和纤维复合构件避免了现有技术的缺点。本发明的目的特别是在于，能够在更小的构件重量的情况下实现CFK结构或通常的纤维复合材料结构的寿命的提高。另一个目的在于，在纤维复合构件过载时实现层离的减少。本发明的再一个目的在于，在纤维复合构件中实现例如在冲击损伤方面的裂纹韧性的提高。此外本发明的目的在于，提供在制造纤维复合构件时使用再生材料的可能性并且由此能够实现材料成本的减小。最后本发明的目的在于，能够实现材料耗费的减少和由此纤维复合材料结构、特别是CFK结构的轻质结构潜力的更高利用。
[0009]上述目的至少在部分方面通过一种按照本发明的具有权利要求1的特征的方法、通过一种按照本发明的具有权利要求13的特征的设备以及通过一种具有权利要求14的特征的纤维复合构件来实现。在此，结合按照本发明的方法所描述的特征和细节也适用于结合按照本发明的设备和按照本发明的纤维复合构件并且相应地反之亦然且可替换，从而关于对各个发明要点的公开内容始终可以相互参照。
[0010]本发明从如下考虑出发，由施加到两个长纤维层之间的薄的短纤维层构成的裂纹桥可以阻止在基质中的裂纹的直线生长，因为裂纹必须能量集中地绕行并且此外必须牵拉基质中的纤维。这导致裂纹生长(更多产生的裂纹表面)可能需要的能量升高，减缓裂纹进展并且由此提高寿命或静态的强度。
[0011]符合意义地，按照本发明的第一要点提出一种用于由至少两个长纤维层制造纤维复合构件的方法，该方法具有如下步骤:
[0012]a)准备一个长纤维层；
[0013]b)将短纤维施加到该长纤维层上；并且
[0014]c)将另一个长纤维层施加到设有短纤维的长纤维层上，
[0015]在此，所述短纤维优选如此构成和确定尺寸并且如此施加，使得在其中一个所述长纤维层中的裂纹向相应另一个长纤维层中的扩展和/或在各长纤维层之间的层离变得困难。在此特别是长度相对于长纤维层的长纤维的长度小的纤维被理解为短纤维。理想的是，短纤维具有至少0.5mm的长度，并且局限于最大30mm、优选最大10mm、特别是最大3mm的长度。优选的是，所施加的短纤维的大部分处于给出的尺寸区域中。根据短纤维的制造方式一一如在接下来还在进一步细节中所描述的那样一一可以的是，个别短纤维超出给出的长度范围；然而只要足够份额的短纤维处在给出的长度范围内，这就是无害的。在其它意义上，短纤维的概念包括各种长形的结构、例如非常短的纤维直到微米或纳米管或切开的纳米管的范围内，只要这些结构具有上述作用就行。在给出的尺寸范围内，可以按照长纤维在长纤维层中的布置结构和填充度来如此实现优化的固定，使得短纤维作为裂纹阻止器起作用，而不作为缺口部位起作用，从而可以通过短纤维相对于由此实现的强度增加而对超重进行优化。其它的方法步骤、例如浸渍、预制、挤压、硬化和脱模按照已知方法的方法步骤。
[0016]按照本发明的方法的应用不局限于两个长纤维层，而是当上述步骤b)和c)多次交替地实施时可以扩展到任意数量的长纤维层，在所述长纤维层之间分别具有短纤维层。不言而喻的是，在步骤c)中所施加的另一个长纤维层在重复步骤b)的情况下是那里提到的短纤维被施加在其上的长纤维层。
[0017]当在上述步骤b)中如此施加短纤维，使得短纤维至少部分地进入长纤维层中，并且在步骤c)中如此施加所述另一个长纤维层，使得短纤维至少部分地进入所述另