本发明涉及一种通过加热和压制至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件来制造由所述至少一个半成品构件制成的成品部件的方法。
由纤维增强聚合物制成的成品部件被用于例如目的是使用具有高强度且重量比金属轻的材料的领域中。特别地，由纤维增强聚合物制成的成品部件被用于汽车结构中，以便减轻车辆的质量，并因此降低燃油消耗。
由纤维增强聚合物——其中围绕纤维的聚合物相也被称为基质——制成的成品部件通常由中间产品制造，例如由被称为有机面板(organopanel)的中间产品制造，所述有机面板是完全浸渍且完全固结的连续长丝纤维增强的热塑性聚合物，其中通过机织织物或无纬稀松布(laidscrim)进行增强。有机面板通过将完全浸渍聚合物的层压材料的各层以几乎完全排除气孔的方式彼此粘合而获得，用于描述该产品的另一表述为完全固结的。有机面板可以由所谓的预浸料制造。预浸料包括不完全润湿增强纤维的细分散的热塑性基质。在随后的步骤中，将预浸料完全浸渍并固结。
m.ostgathe在“zurserienfertigung
ostgathe的第15页描述了单向增强带的制造，所述单向增强带本身已被浸渍并固结为单个层，并且在随后的步骤中，可以多层进行加工以得到半成品片材。这些带的纺织加工是复杂的，并且所记载的加工时间比对完全浸渍的半成品进行成型加工时所需的时间长，因为原料是未固结的。由单向带增强的半成品的成型加工需要完全固结的半成品片材，其由带结构——带层叠件(tapelayup)的另一个术语——制成，并且这需要额外的步骤，即在带制造之后固结多层半成品片材。
a.
现有技术中已知的方法各自具有以下缺点：对于多层半成品构件的完全固结，进行复杂的工艺，并且在没有对半成品构件进行完全多层固结的情况下，所得到的成品部件的机械性能不足。
本发明的目的是提供一种方法，所述方法制造由多层、纤维增强、扁平的半成品构件制成的成品部件，并且所述方法可以更有效地制造成品部件，该成品部件具有相同或改进的机械性能。
所述目的通过一种制造由至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件制成的成品部件的方法来实现，所述方法包括以下步骤：
a)在环境压力下将至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件加热至第一温度ta，其中所述至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件包含至少两个相互重叠的聚合物层，并且各个聚合物层分别被纤维增强，且彼此之间没有一体粘合(coherentbonding)或彼此之间仅具有部分一体粘合，并且在至少一个聚合物层包含半结晶聚合物的情况下，第一温度ta高于结晶聚合物根据dineniso11357-3：2013-04的熔点tm，并且在所述至少两个聚合物层不包含半结晶聚合物的情况下，第一温度ta高于包含在所述至少两个聚合物层的至少一个中的聚合物根据dineniso11357-2：2013-09的玻璃化转变温度tg，
b)在第二温度tb和至少3巴的压力pb下将经加热的至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件进行压制，以得到成品部件。
通过材料和方法的结合，可以通过由尚未完全固结的多层半成品构件开始，在组件模具中制造具有多个层的完全固结的成品部件。使用纤维增强聚合物层——其优选为以例如带的形式的单层完全固结的半成品——可以降低成品部件制造中的成本，并且同时可以制造这样的成品部件：其没有现有技术中所描述的缺点，且其特别具有良好的机械性能，特别是与拉伸强度和弯曲强度相关的机械性能。成品部件的制造可以使用单层完全固结的聚合物层，也称为带或半成品。所述聚合物层以尚未或尚未完全多层固结的半成品构件(实例为带层叠件)的形式布置。表述完全固结意指纤维已被完全润湿。在本发明中，各个聚合物层的完全多层固结直到进一步加工各层以得到成品部件，即直到步骤a)和b)进行时才进行。因此，在制造实际的成品部件之前，对于成品部件的整个制造过程可以省略中间步骤，即对半成品构件进行全表面多层压制或进行完全固结的步骤。本发明的方法可以提高成品部件的制造方法的生产率，因为可以节省单独制造完全多层固结的半成品构件(例如完全固结的有机面板)所需的时间。
所述成品部件由包含至少两个相互重叠的聚合物层的层状结构制造，所述至少两个相互重叠的聚合物层分别具有单层纤维增强材料。所述至少两个聚合物层通常可以是本领域技术人员已知的任何单层半成品。优选地，该聚合物层为带。
对本发明的目的而言，“一体(coherent)”意指聚合物组合物连续地包围各个层，特别是纤维增强结构的各个层，并且意指它们仅具有低的孔含量。高孔含量会损害成品部件的机械性能。与此相反，彼此未一体粘合的各层仅仅相互重叠，在各层之间没有由覆盖所有各层的聚合物体所提供的任何连续粘合。在各层之间部分一体粘合的情况下，各个层在其彼此面对的表面的个别区域中彼此粘附；这可以由预先加热以层系统形式的相互重叠的层产生。本发明方法上游的这种加热可以在超大气压力下进行。由于这种处理，各层的聚合物可以部分熔融，并且相邻层的聚合物可以彼此部分地熔合，因此各层可进行部分一体粘合，然而，同时熔合的聚合物并未完全消除各层的分离。
在步骤a)和b)的上游可以有用于制造所述至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件的步骤。所述至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件的制造可以包括仅进行至不完全程度的固结过程。在一个实施方案中，所述至少一个纤维增强、扁平的半成品构件的至少两个聚合物层可在步骤a)之前彼此之间已进行了部分一体粘合。
优选的是，所述至少两个聚合物层中的每一个均是完全固结的层。在一个优选的实施方案中，在步骤a)之前，所述至少两个聚合物层分别通过在240℃至280℃的温度tv和大于5巴的压力pv下压制而完全固结。
就本发明方法的目的而言，步骤a)和b)的结合实现了各个聚合物层之间的完全一体粘合。
在一个优选的实施方案中，在步骤a)之前，第一聚合物层的小于80％、优选小于70％、特别优选小于50％的表面——该表面面向第二聚合物层——与第二聚合物层互锁粘合。
在步骤a)中进行加热达到的所需温度取决于所述至少两个聚合物层的聚合物的组成。第一温度ta和第二温度tb是分别与待制造的成品部件的芯部或与相互重叠的聚合物层的中心相关的局部温度。如果至少一个聚合物层的聚合物包含半结晶聚合物，则第一温度ta高于所包含的结晶聚合物的熔点tm。dineniso11357-3：2013-04描述了用于测定该熔点的适当方法。如果所述至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件不包含半结晶聚合物，即仅包含无定形聚合物，则第一温度ta高于包含在至少一个聚合物层中的至少一种聚合物的玻璃化转变温度tg；dineniso11357-2：2013-09描述了该温度的测定。
步骤a)中的加热在环境压力下进行，所述环境压力也称为大气压，通常为约1巴。步骤b)中的压制在至少3巴的绝对压力pb下进行。优选地，仅在达到第一温度ta时增加压力。
优选地，首先加热至少一个多层、纤维增强、扁平的半成品构件，在增加压力以进行压制过程之前将第一温度ta保持一定时间，使得纤维的固结首先在环境压力下进行。在一个优选的实施方案中，在步骤a)中将第一温度ta在环境压力下保持至少5秒，优选至少30秒，特别优选至少120秒。加热至大于熔点tm的温度可以在模具中完全固结多层成品部件，而不需要任何预先制造完全多层固结的半成品构件，其中构造片材并进行压制以得到多层、完全固结的半成品构件或多层、完全固结的片材。
在一个优选的实施方案中，压力pb为3巴至50巴，优选为5巴至30巴，特别优选为10巴至25巴。
在一个优选的实施方案中，第一温度ta和第二温度tb为50℃至400℃，优选为100℃至350℃，特别优选为200℃至320℃。
本领域技术人员已知的任何方法均可用于步骤a)中的加热。在一个优选的实施方案中，加热在不接触的情况下进行。特别优选地，通过红外辐射或在对流烘箱中进行加热。
在一个优选的实施方案中，第二温度tb与第一温度ta相同或高于第一温度ta。优选地，在步骤a)中，将所述至少一个半成品构件加热至在压制过程中在半成品构件的各层之间产生完全一体粘合所需的温度。所述压制过程可进一步提高半成品构件的温度。
步骤b)中的压制表示实际的成品部件制造步骤，包括固结和/或校准。在一个优选的实施方案中，在步骤b)中，成品部件的厚度通过压制至1mm至4mm的范围来确立，或者在步骤b)后进行另一步骤，其中成品部件的厚度通过压制至1mm至4mm的范围来确立。
压制过程可以在压力机、模具载运系统(mold-carriersystem)、注塑模具或注射成型机中进行。
在一个优选的实施方案中，在压制过程之后冷却成品部件。
在另一个优选的实施方案中，将步骤b)中的成品部件另外进行模内涂布。例如markowacker等人在“schweiβenundumspritzenvonorganoblechen”[weldingandin-moldcoatingoforganopanels],kukunststoffe,carlhanserverlag,munich,1992(2002),6中描述了连续长丝纤维增强的塑料片材的模内涂布。模内涂布可以将功能元件附着到成品部件上。模内涂布过程可以使用已包含在至少一个聚合物层中的聚合物；或者，该过程可以使用尚未包含在半成品构件中的另一种聚合物。用于注射聚合物的参数是用于注射成型方法的常规参数。
在另一个优选的实施方案中，在步骤b)之后进行步骤c)，其中通过热成型对成品部件进行成型工艺，或者对成品部件进行模内涂布或将元件注射成型到成品部件上。例如，可将肋材(rib)注射到成品部件上以增强成品部件。可由注射成型方法产生的其他辅助元件为功能元件，例如承受固定元件的结构、夹子、力引入元件或承受螺纹的结构。
为了获得增加的强度，优选地，注射的聚合物在成品部件上在功能元件之间形成了一体壳(coherentskin)。特别是当将多个功能元件彼此相邻地成型时，功能元件之间的一体壳提供了功能元件的额外稳定性。在本文中，所述一体壳通过在功能元件之间提供窄的流动通道并将聚合物材料注入流动通道内而形成。
模内涂布或注射成型到材料上进一步改善了各个聚合物层之间的粘合。另一种可能性是用聚合物流动涂布成品部件，由此涂布层状结构，从而在成品部件中产生了高于环境压力的压力，并且在例如降低粗糙度或改善光学性能方面，实现了限定的表面结构和/或更高水平的表面质量。另一结果是用于流动涂布的聚合物(之后其形成了涂层)与成品部件之间的良好粘附。
适合于模内涂布工艺或注射成型到材料上的聚合物是可注射成型的聚合物。所述可注射成型的聚合物可通过长纤维或短纤维进行纤维增强。当目的是实现特定的性能(例如在表面质量或强度方面)时，一方面，在成品部件的聚合物层中使用不同的聚合物，另一方面，将不同的聚合物用于模内涂布工艺或注射成型到材料上是特别有利的。
用于本发明方法的合适的聚合物特别为热塑性聚合物。在一个优选的实施方案中，所述至少两个聚合物层分别包含至少50重量％、优选至少70重量％且特别优选至少90重量％的下述的聚合物：聚烯烃，例如聚乙烯或聚丙烯；聚乙烯基聚合物，例如聚氯乙烯、聚乙烯醇缩醛、聚乙烯醚、聚乙烯基内酰胺或聚乙烯胺；苯乙烯聚合物，例如聚苯乙烯；苯乙烯-丙烯腈共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；(甲基)丙烯酸的聚合物，例如聚丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯；聚丙烯酰胺；聚碳酸酯；聚甲醛；聚苯醚；聚四氟乙烯；聚苯硫醚；聚醚砜；聚醚酮；聚酰亚胺；聚喹喔啉；聚喹啉；聚苯并咪唑；聚酰胺；聚酯；或聚氨酯，例如聚异氰酸酯；多元醇；聚醚多元醇或聚酯多元醇；或其混合物，在每种情况下基于聚合物计。特别优选聚酰胺和聚酯如聚对苯二甲酸丁二醇酯。
优选的聚酰胺为pa6、pa12、pa4.6、pa66、pa6.10、pa6.12、pa10.10、pa12.12、pa13.13、pa6.t、pa9.t、pamxd.6、pa6/6.6、pa6/6.t、pa6.i/6.t、pa6/6.6/6.10，也称为尼龙-6、尼龙-6,6、尼龙-4,6、尼龙-6,t共聚酰胺和尼龙-6/6,6。
为了调整成品部件的性能，所述至少两个聚合物层可以包含添加剂。这些添加剂的实例是稳定剂、润滑剂、成核剂、染料、硬化剂、增塑剂、与其他聚合物的共混物，以及本领域技术人员已知的任何所需的其他添加剂。
在一个优选的实施方案中，所述至少两个聚合物层包含相同的聚合物作为基质材料。或者，成品部件也可以由包含不同的聚合物作为基质材料的多个纤维增强聚合物层制造。
在一个优选的实施方案中，所述聚合物层通过纤维结构进行增强，其中所述纤维结构优选包括机织织物、针织物、编织物、无纬稀松布、非织造织物，或由平行纤维或无序纤维、纱线、细线(thread)或帘线(cord)制成的单向或双向纤维结构。各聚合物层的纤维结构可相对于彼此具有平行取向，或者不具有特定取向，或者可以彼此成角度。特别优选地，所述纤维结构采用机织织物或平行取向的纤维、纱线、细线或帘线的层的形式。
如果使用彼此成角度的平行取向的纤维、纱线、细线或帘线的层，则特别优选的是，各个层之间的角度为90°(双向结构)。如果使用三层或三层的倍数，也可以将各个层以彼此成60°的角度布置，如果使用四层或四层的倍数，也可以将各个层以彼此成45°的角度布置。此外，还可以提供多于一层的具有相同取向的纤维。同样，在此可以存在彼此成角度的层，并且在此具有相同取向的纤维的层的数量在纤维的每个取向上可以是不同的，例如在第一方向上为四层，在与第一方向成例如90°的方向(具有优先方向的双向结构)上为一层。此外，还存在已知的准各向同性结构，其中第二层的纤维以与第一层的纤维成90°的角度布置，并且此外，第三层的纤维以与第二层的纤维成45°的角度布置。优选的是，所有纤维的方向是相同的。
在一个优选的实施方案中，纤维结构中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、金属纤维、聚合物纤维、钛酸钾纤维、硼纤维或矿物纤维(例如玄武岩纤维)。特别优选玻璃纤维和碳纤维。
纤维的比例优选最高达70体积％，基于半成品构件的总体积计。
可以以这种方式制造的成品部件的实例为车辆主体的部件、用于车辆的结构组件(例如底板或顶板)、用于车辆的构成组件(例如组装支撑件)、座椅结构、门包层或内部包层。所制造的成品部件可用于机动车辆中的隔板、电池座、侧面碰撞构件、保险杠系统、结构插入件或柱加强系统，或者可用于车辆主体中的侧壁、结构轮围绕物(structuralwheelsurround)或纵向元件。成品部件也同样适合作为用于风力涡轮机或轨道车辆的组件。
实施例
比较实施例
将两个完全多层固结的半成品构件在红外辐射场中加热至260℃，并通过在组件模具中压制而进行加工，以在每种情况下均得到成品部件。所述两个半成品构件分别包含六个聚合物层，各自均是纤维增强的。使用pa6作为聚合物。在第一个半成品构件中，四个聚合物层相对于它们的纤维增强材料平行取向，两个外部聚合物层彼此平行并且与其相邻层分别成90°的角度。在第二个半成品构件中，也总共有四个平行取向的聚合物层。从外部看，在六层中位于第二层的两层彼此平行并且与相邻层成90°的角度。使用pa6-gf35进行模内涂布。成品部件的厚度为1.5mm。
制造出的成品部件具有良好的光学表面性能和良好的机械性能。
本发明的实施例
将三个多层半成品构件——其中它们的聚合物层相互重叠但彼此并不粘合——在红外辐射场中加热至260℃，并通过在组件模具中压制而进行加工，以在每种情况下均得到成品部件。使用pa6作为聚合物。在压制过程之前，将260℃的温度保持2.5分钟至3分钟。所述半成品构件分别包含六个聚合物层，各自均是纤维增强的。在所有半成品构件中，四个聚合物层相对于它们的纤维增强材料平行取向，两个外部聚合物层彼此平行并且与相邻层分别成90°的角度。使用pa6-gf35进行模内涂布。成品部件的厚度为1.5mm。
尽管，不同于比较实施例，在成品部件制造的上游的多层半成品构件没有完全固结，但是所制造的成品部件的光学和机械性能与比较实施例的成品部件的性能一样好。