专利名称：由纤维增强热塑性材料制备结构件的方法
根据权利要求1的一般范围，本发明涉及由长纤维热塑塑料和集成连续纤维加强件(reinforcement)制备结构件的方法，及涉及一种制备该种结构件的设备。大多数制备该结构件的已知方法都使用平面连续纤维加强件，例如半成品织物形状，或者具有夹层结构，但对于可能的形状和用途是非常有限的。
从WO99/52703得知一种制备结构件的方法，其中熔融的连续纤维线料一层叠一层地堆积，因此它们形成了带有平面接头的粘附的承载结构，将它们在工具中与用长纤维增强的成形物料一起压制。这些已知方法还显示出其必然的缺点，关于生产效率，再现性和集成连续纤维承载结构的定向开发(defineddevelopment)。用该方法不可能制备确定的单件结构件，它可以在单一的压制步骤中制备，它还可以包括集成、精确限定、最佳定位和成形、负载优化的连续纤维加强结构。
因此本发明的目的是克服已知制备方法的缺点和限制，提出一种克服了应用迄今的缺点和限制的有效地自动制备结构件的方法，适于在单一压制步骤中制备单件元件，该元件带有集成、精确限定、最佳定位和三维形状的加强结构，其对应于将被吸收的负载和力。通过权利要求1制备结构件的方法和权利要求29制备结构件的设备可以实现本发明的目的。通过限定的快速骤冷EF(连续纤维)型材成型和形成尺寸稳定的包层，可以实现在LFT(长纤维热塑塑料)物料中EF型材的精确限定形状和定位以及接触面的最佳粘合。
从属权利要求涉及有益地改进本发明，特别是关于适于自动化的有效率的成本—效益系的生产，循环周期短以及最佳的排列和形成机械性能改进了的连续纤维增强结构。由此，可以制备用途广泛的轻质结构件，例如具有承载作用的运输装置，交通工具和车辆元件，并可以用简单和精确的方法制备它。
下面将在实施例和附图基础上进一步解释本发明，说明如下
图1是图示了本发明成型型材和限定的骤冷方法，图2是EF型材在骤冷过程中对于不同的骤冷周期的温度关系曲线，
图3是EF型材在骤冷过程中对于不同工具温度和热传递的温度关系曲线，图4是EF型材上各区骤冷不同的例子，图5a是部分结晶热塑塑料在加热和冷却过程中温度与结晶滞后范围的函数焓，图5b是焓图表中骤冷时表面上的温度控制，图5c是焓图表中骤冷时下层中的温度控制，图6是骤冷之后EF型材中的温度分布，图7是LFT工具中压制时在EF型材和LFT层中的温度分布，图8a是结构件中几个EF型材带有三维交叉点的布置，图8b是带有集成EF型材的结构件的LFT构型，图8c是两步法型材成形方法，图9a，b是EF型材在肋板不同部位的两种不同的横截面形状，图10是反向回火的EF型材，图11是带有EF型材成型站的EF型材生产线，图12是本发明制备结构件的配置有EF型材成型站和LFT压机的设备，图13是EF型材在LFT压制工具中顶部和底部的布置，图14是结构件作为缓冲器横梁支座，图15是结构件作为部件支撑体(前端)。
图1图示说明了本发明在一步法LFT压制法中由长纤维热塑材料(LFT)与集成连续纤维(EF)加强件制备结构件的方法，借助按序进行的骤冷和EF-型材压缩成型。在加热站15，浸渍的、分别预压固EF带5完全熔融达到基本均匀的温度Tp0，Tp0明显高于熔点Tm，随后被传送到EF-型材成型站20的双部件型材工具21中(在21u中)。输入温度(input temperature)为Tp的EF带5在精确的限定骤冷周期ts内通过短时间的压制成形为所需的EF型材10。在该形式的压制和骤冷过程中，通过与限定的较低工具温度Twp的热处理型材工具21(分别是21o(上部)和21u(下部))接触，以及通过从热EF型材向型材工具21的高热传递Q1，形成了骤冷的尺寸稳定的薄外层12。在限定的骤冷和压制时间ts之后，将EF型材10立即完全与型材工具分离，传送到LFT压机30的LFT工具31(31o，31u)中，并以适当的工具形状精确定位。随后加入温度为Tf的熔融LFT物料6，并与EF-型材10一起置于压力下并压缩，Tf高于熔点Tm，从而使EF型材表面11处的外层12又熔融开来，并与加入的周围LFT物料6一起热塑熔融。
这些结构件包括至少一个集成的骤冷EF型材。该方法中的温度控制(即温度和瞬时参数和骤冷周期Ts开始的调节)对应于如下要求而进行，其可以用如下本发明方法实现a在EF型材与用于传送入LFT-压机30的夹具的接触点，形成了无粘性的坚硬型材表面。
b传送入LFT压机过程中的EF型材10的尺寸稳定性必须足够，使EF型材适于以所需形状精确定位在LFT工具中的所需位置。
c在LFT压机中与LFT物料6的压制时的EF型材形状的保护以如下方式进行调整将EF型材压制成所需的最终形状之后产生了根据局部需求(从所需的完全形状保护直到将EF型材牢固合并入周围LFT物料的区段)的元件。
d EF型材和周围LFT物料之间接触表面9处的界面连接处必须达到所需强度。
相应地固化外层12的发展选择更大或更小。
适用的粗略准则是骤冷越强烈，形状的保护越大(特征a，b，c)，骤冷越小，压制过程中的形状变化增强了，并且还首先加强了界面粘接(特征d)。
具有高度形状保护的例子示于图9a的肋板中的EF型材。EF型材的一侧(与底部LFT工具31u相邻)，能够发生产生更坚硬外层的更强烈骤冷，而在EF型材的对侧，通过中等骤冷仍然与加入的周围LFT物料实现了良好的界面粘接，形成了普通的外层(在图1上部LFT工具31o的那侧)。
通常在与LFT工具31邻接的EF型材的表面11能够事先在一侧进行强烈的骤冷(因为后来它不必要与LFT物料粘接)，同时为了与LFT物料的最佳粘接(参照图4)，对侧的骤冷不那么强烈。
对应于EF型材(10)不同要求的最佳温度控制是通过相应调节加工参数而实现的。它们是Tp骤冷前EF型材的输入温度，在加热站15加热到均匀的温度Tp0后，骤冷过程中ts骤冷周期，即压制和随后热传递Q1的持续时间，
Twp型材工具21的温度ae与工具21接触过程中的热穿透系数，这由材料的选择和工具的性能确定；比热容c，热导率λ和比密度ρ。
这导致了ae＝(λ.ρ.c)1/2Q1因此给出了从EF型材10向工具21的热传递，Q1＝f(ts，Tp-Twp，ae)。
Ta，Ti相应的EF型材内部的表面11上的温度，tt直到LFT压机中LFT物料与EF型材接触的传递时间。
LFT压制过程中的热传递Tf压制前加入LFT物料6的温度Twl LFT工具31的温度Q2从热LFT物料6到EF型材10的热传递作为函数f(Q1，Ta，Ti，Tf，Twl)。
在调整这些参数的过程中，还包括EF型材的厚度dp和材料生能。例如厚度dp可以在2和5mm之间。
下图2，3图示说明了骤冷参数的不同设定。它们说明了在时间t＝ts进行骤冷之后EF型材T(d)在整个层厚度dp中的温度关系曲线。
图2图示了对于两个不同骤冷周期ts1，ts2的两条温度关系曲线T1(d)，T2(d)，具有相同的工具温度Twp。热传递为Q1.1的较长骤冷周期ts1相应产生了更坚硬更厚的外层12.1(低于熔融温度Tm固化)，较少热传递Q1.2的较短骤冷周期ts2产生了较薄的外层12.2。
图3图示了骤冷周期ts恒定但具有不同工具温度Twp1，Twp2，Twp3，相应的热传递Q和所得外层12的不同温度曲线T(d)，其中骤冷强度从T1-T4下降(参照图4)T1Twp1＝强骤冷Q1.1，和外层12.1T2Twp2＝中等骤冷Q1.2，和外层12.2T3Twp3＝弱骤冷Q1.3，和外层12.3T4与工具不接触(开放点，凹陷，图4)Q1.4＝0，即无热传递。
在此，EF型材的表面温度Ta对应于工具温度Twp，型材内部的温度Ti在热EF带的输入温度Tp附近。优选骤冷时间Ts短，工具温度Twp低。
优选骤冷周期Ts为1-5秒之间，通常约为2-4秒，特例中更长一些，例如可长至10秒。LFT压机中的传递时间tt例如约为5-20秒之间。
通过调整参数及温度控制，对应于不同需求调节骤冷，目的是一达到最佳的尺寸稳定生，为了处理EF型材和压制操作之后所需的型材最终形状，和一实现EF型材和LFT物料之间的最佳粘接(粘结强度)。
EF型材在特定区段有不同的要求(关于上述条件a，b，c，d)，这对应于EF型材不同部分或侧面或区段的功能，例如图9a的EF型材或者是图8元件的情况，首先是在力传递和力传入的区段。
本发明骤冷和型材成形的重要优点在于EP型材的骤冷能够一个区段接着一个区段不同地分别调节到最佳。结合图4进行解释。与图3的例子类似，它图示了在EF型材10纵向上不同骤冷的不同区段，例如骤冷强度从Q1.1-Q1.4减少。此过程中，型材工具21上这些不同区段可以包括不同的温度Twp1，Twp2，Twp3以及不同的材料性能ae1，ae2，ae3。如图4所示，EP型材顶部和底部的两个侧面适于不同的骤冷，用相应的型材工具元件21o和21u。工具21上的不同区段适于通过热处理(加热，冷却)和工具温度Twp，以及材料生能ae(即金属材料和可能的局部绝缘外层)而实现。
以下材料适用于本发明的方法LFT物料6优选包含平均纤维长度至少3mm，用更长的纤维例如5-15mm可以实现更好的机械生能。连续纤维加强件(EF)可以包括玻璃、碳、或芳族聚酰胺(aramide)纤维(其中特例中不排除用于最高压缩强度的硼纤维或钢纤维)。
例如EF型材主要组成可以为UD(单向)层(0°)或不同种类的连续纤维绳，而且是不同纤维取向的层，例如0°/90°或0°/+45°/-45°纤维定向的交替层。它们可以包括由纯热塑生材料制造的薄表面层(例如0.1-0.2mm)，而无任何EF纤维加强件。
本发明骤冷法特别适合于结晶材料，通过利用结晶性能。特别适用于结构元件的分别是晶体、部分结晶聚合物作为EF型材(10)和LFT物料6的基质，这由于它们能够达到更高的压缩强度。还可以使用非晶性聚合物例如ABS或PC。结晶的热塑性材料可以包括例如聚丙烯(PP)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚酰胺(PA)等。下面根据聚丙烯PP及其在本发明方法中的应用进一步说明结晶性能和骤冷。
为此在图5a中，作为例子描述PP的焓图表，即温度函数En(T)中的焓。根据曲线a的熔融或加热过程中，在接近165℃的熔点Tm之前焓增长明显，这作为结晶区熔融的结果。随后根据曲线b的缓慢冷却中，聚合物保持较低的非晶性熔融直至较低的固化温度Tu(约125℃)，焓仅在约70-125℃的晶体生长温度范围DTkr内低于Tu时明显下降(DTkr范围内的晶体生长如曲线kr所示)。期间有滞后范围DEn，其对应于结晶的相转变热。直线c对应于类似骤冷的快速冷却。此时聚合物也在低于温度Tu时保持无定形，但已固结。再加热过程中可以利用潜能DEn，即可能是对应于直线c的非常快速的加热。
实施如下加工步骤S1-S4S1骤冷(ts)S2传送入LFT压机(tt)S3在LFT压制过程中型材表层(11)的再次初始加热，和S4随后在LFT压制过程(S4.1)中和压制之后的冷却(S4.2)参照图5b，5c，6和7，进一步解释这些加工步骤。图5b和5c分别图示了在表面11上的温度控制，即在11下面的下层13中，图6和7分别图示了EF型材10中的温度关系曲线T(d)，相应地在压制时的EF型材和LFT物料6上。
图5b图示了表面11上的温度控制，相应地在焓图表中骤冷时的表层Ta(11)，这参照图6和7。骤冷时型材表面11在骤冷周期ts内快速降低到温度Ta1(步骤S1)。随后在传送时间tt内，发生了表面温度又快速升温到Ta2的温度补偿(步骤S2)，它明显低于熔点Tm。在随后的与液态LFT物料6的压制过程中，型材表面11又被初始加热到温度Ta3(步骤S3)，该温度高于熔点Tm，此时完全与LFT物料熔化在一起。在后面的步骤S4中进行缓慢冷却，开始时仍在压制过程中(S4.1)，然后是在从LFT压机取出之后(S4.2)，在温度范围DTkr发生再结晶。能够实现与EF-LFT充分的良好界面粘接并一起熔融，骤冷更强烈，下表面温度Ta3*(步骤S3之后)明显高于Tu但稍低于Tm。
图5c图示了温度控制，相应的EF型材表面11之下的下层13(例如在深度0.1-.04mm处)中温度曲线T(13)，其中通过在结晶温度范围DTkr内缓慢的温度控制而产生了高度结晶，用于增强形状稳定生。骤冷(S1)时在下层13中发生了强烈的结晶。传送时间tt中的温度补偿(步骤S2)时，初始以及压制过程中(S3)进行加热，其中为了保护结晶，温度保持在熔融温度Tm之下。下层13中的这些温度变化比在表面上更缓慢(图5b)。
冷却过程中(S4)发生了再结晶。通过在下层13中更强或更弱地形成该结晶区，可以调节为了传送所需的尺寸稳定性程度、定位和压制。
图6图示了温度梯度T1(d)，具有在时间点t＝ts的骤冷(步骤S1)之后EF型材料10中的表面温度Ta1。传送到LFT压机(步骤S2)，之后，传送时间t＝tt之后快速实现了平衡温度分布T2(d)，表面温度达到Ta2，也标明了结晶温度范围DTkr(约70-125℃)，其中发生了晶体生长。
图7图示LFT压机中压制操作时EF型材10和相邻LFT层6中的温度梯度。随着压制的进行，首先热量Q2从温度为Tf的热LFT层6传递到EF型材10(步骤S3)，其间产生了温度分布T3(d)，其中型材表面11和界面9处的温度Ta3快速明显升高，由此实现了无缺点的熔融和粘接强度。随后步骤S4中的温度T4(d)随着LFT工具温度Tw1再次下降。EF型材10与LFT物料6一起压制过程中以及随后先是在LFT工具(S4.1)和脱模(S4.2)后的冷却，选择温度控制使得结晶部分(在所需的位置)增加了，通过相应地贯穿晶体生长温度范围DTkr的较慢跃迁。
与型材工具21中的区段的不同热处理相似，LFT工具也可包括不同的热处理，相应的各区段的热传递，即不同的参数LFT工具不同区段的工具温度Tw1和热穿透系数ae。
从LFT工具脱模之后并且冷却结构件之后，有可能发生轻微的形状改变，这是EF型材和LFT物料不同膨胀系数及材料收缩的结果。这些形状改变可以受到影响，分别是通过在一些位置处冷却时的不同温度控制，通过相似的二次热处理或通过形成工具的相应形状引起的补偿，其补偿了形状改变(相反方向的预成型)。
如果是部分结晶聚合物例如PP，可以选择温度控制使得结晶性能用于改进不变形性和粘接强度。例如-在外层12，相应地在下层13中，有可能提高外层区在结晶温度范围DTkr内的强度。
-型材表面11仅可以实现最小的晶体生长，如果在步骤S1和S2中的表面温度Ta在整个晶体生长温度范围DTkr内快速升高，压制过程中型材表面快速且尽可能完全熔融开并与LFT物料粘接(Q2)-通过在外层，相应的下层13更大的结晶部分而提高形状稳定生-根据LFT压制过程中所需的进一步成形性，在外层(相应的下层13)产生了更小或更大的结晶部分。
通过在整个界面上的定向晶体生长，界面9处(接触表面EF-LFT)的温度梯度能够进一步提高接点EF-LFT的强度。
图8a，8b，8c图示了EF型材的可能形状，在特定EF型材的不同位置与不同作用和要求相一致，相应的结构件，特别是用于吸收外部负荷。为此，EF型材可以包括三维型材形状，它准确定位于结构件并与之成一体中。它们在纵向上可以包含弯曲，缠绕或折叠，并且可包括特定形状22用于将力传递到LFT物料上和直接吸收外部载荷，相应地用于容纳插入件4(安装元件)，在此处外部载荷施加到元件上。选择周围LFT物料6的形状以使其与EF型材的形状匹配。元件内(例如一个EF型材通过LFT物料到其它EF型材上)力传递点(力和力矩)的形状能够成形作为EF型材的形状22和LFT物料的形状32。
形成连续的跃迁以减少步骤，通常尽可能平衡EF型材和LFT物料之间的强度和硬度。EF型材的三维成形是通过以下实现的例如通过在传送到EF型材成形站20期间由皮带夹具18以及预成形元件19来在水平面预成形熔融EF带5(参照图11)。此时EF带5可以是缠绕的。随后由型材工具21在第三方向(垂直)也进行成形，因此能够最大程度地制备任何所需的三维成形EF型材。
图8a，b图示了形状是2/3后座背(rear seat back)74的复杂结构元件的例子，其带有用于汽车中间座位(middle seat)的中心座位带连接60(central seat beltconnection)，其对于不同载荷情况(碰撞载荷)有几个所需的载荷传入。平面投影8a图示了元件中EF型材的布置，透视8b，图示了LFT物料6和集成EF型材10.1-10.4。该例子说明了EF型材本身的载荷最佳形状，以及元件中精确限定位置的载荷最佳排列，从而形成了具有LFT物料6相应形状的结构，承载主要负荷的EF型材(定向连续纤维)和补充LFT物料(未定向长纤维)之间的粘接强度最佳。
这四个主要负荷承载点L1-L4，来自-作用在轴座(axle holder)59a，59b上的载荷L1，L2，围绕它可以转动后座背，-作用在锁合装置58上的载荷L3，用于将后座背固定在常规位置，和-作用在皮带锁合装置，相应的皮带辊60上的载荷L4，用于中间座位的中心皮带。
根据该结构件，涵盖如下载荷情况(另外的载荷L5-L9)-前和后碰撞-任何物品负荷的固定-皮带固定-头部支撑固定。
为了接收和传递所有的负荷和力，交叉的EF型材与LFT物料的连接力传递形状形成了立体三维交叉结构50。LFT形状中分别成对的EF型材形成了经受弯曲的力矩传递承载梁-LFT物料的卷曲7中的EF型材10.1和10.4形成了载荷L1和L4之间经受弯曲的承载梁-LFT物料的肋板8中的EF型材10.2和10.3形成了载荷L2和L3之间经受弯曲的承载梁通过三维交叉点50，其中作用在皮带辊上的载荷L4和部分其它载荷也由其它经受弯曲的承载梁10.2/10.3承受这些部分其它载荷作用在经受弯曲的承载梁10.1/10.4上(反之亦然)。
主要的力，相应的载荷L1-L4，通过力传入点被承受-通过EF型材端部和LFT物料的形状22和32用来承受外力，带有或没有插入件4。
-其间，在压制操作之前该插入件4可以被插入到LFT工具中，然后与EF型材及LFT物料一起压制-或者后来也可以将它们安装到元件中。
在此EF型材料10.1包括弧形加宽22.1用来在轴承59a处接收插入件4。其它轴座接受器59b的形成是通过EF型材10.2和10.3的形状22.2和通过LFT物料采取的接合形状32.2。这些型材端部22.2被弯曲并以此种方式固定在LFT物料中用于提高拉伸强度。锁合装置58栓接到EF型材10.3上的锁板，并由EF型材10.2支承。皮带辊60由EF型材10.1和10.4的形状22和LFT形状32支承。
头部支撑61的较小载荷L8、L9通过LFT形状32承受。但对于加强件可以集成入横向布置的另外EF型材10.5(在一些区段平直定向或垂直)。
该例子中，三维型材形状在许多变型中是明显的。
LFT工具中EF型材的排列顺序是首先是EF型材10.1，上面是EF型材10.2和10.3，然后是EF型材10.4。然后加入液态LFT物料6，在一个步骤中作为单部件和单壳进行完整元件的压制。为了使传递时间tt尽可能的短，在一个步骤中可以用多功能夹具26或机械手将几个或所有EF型材(10.1-10.4)夹持，传递过程中相互之间准确预定位，并在一起插入到LFT工具31中。
进行EF型材压制过程中，还可以在一个带有型材成形站的型材工具21中压制几个型材，，例如EF型材10.2和10.3。
如果是特别复杂的形状，EF型材成形站20的型材成形可以通过多步成型法的几部分组成的型材工具实施。其例子如图8c所示，三部分组成的工具21u，21o和21.3。在两步成型法中，首先闭合工具部件21o和21u，另外随后立即闭合工具元件21.3。用该方法可以成型90°或180°的弧，例如对于传入力的区段。
图9a，9b图示了EF型材的例子，在其整个长度上包含不同的横截面形状，这与被传递的力相适应，用于实现与LFT物料6的最佳粘接。该横截面示了肋板8中的EF型材10a，10b，例如对应于图8的型材10.2或10.3，在两个不同的位置。
图9a图示了带有定位肩55的形状10a，用于固定和保持EF型材在所需位置，特别是在压制过程中，当液态LFT物料被压制成肋板时。在EF型材的上部和下部分别包括较厚区56作为拉伸和压缩区(在纵向纤维方向)用于传递力矩。位于二者之间的是较薄的推力区57，具有相应较厚的相邻LFT层6，且粘接表面积大，界面连接特别强。
为此，由各向同性纤维分布的相邻LFT层6提高了抗剪切性(而降低了EF型材10中与纤维定向横向的强度)。
在图9b的另一位置，型材横截面10b根据力的状况相应变化拉伸，即更高和更窄并且无定位肩。
为了使EF型材可靠且准确定位和固定，在与LFT物料压制过程中，还可以在EF型材上再形成定位点54，这与LFT工具31o(上部)和31u(下部)形状对应。定位点54用于在肋板8下面准确定位。还可以适当排列定位点在EF型材的纵向上分布。
该类型的型材形状以相似方式还可以定位和固定在卷曲壁上，而不是在肋板8中。
根据应用还可以将EF型材的横截面设计成“L”或“Z”形，代替实施例8a，9a。
除了骤冷EF型材之外，还可以将另外形状的EF型材送入到用于不可变形传递的LFT工具中，在一个步骤中与骤冷EF型材压制在一起，另外形状的EF型材分别以相反热方法(即固体在里面，液体在外面)进行处理。作为例子，根据图10的EF型材10*作为外部加热的结果，可以包括熔融外部区89和仍旧不可变形的更冷内部区88。为了处理和传递，可以用冷夹具(用此冷却)在非粘接接触点短时间夹持该EF型材10*。
图11和12分别图示了EF型材生产线，实施本发明方法的设备的例子。图11描述了EF型材生产线的例子，其具有EF型材成形站20，半成品储存段14，加热站15，保护气体气氛27(例如用N2，对于关键材料和温度)，传送带或传送链16(例如带有不粘外层和刷子清洁系统的连接链)，带有预成形元件19的带式夹具18，它们连接到上部EF型材工具21o上，带有骤冷装置的EF型材成形站20，对于上部工具元件21o的传递入口17以及EF型材压机23。用型材夹具26和传递机械手，相应的处理元件42，制备的EF型材被传送入LFT压机30的工具31并精确定位。从半成品储存段14，具有适当切割尺寸(长度、宽度和厚度变化的)的EF带5用传送链16送入到加热站15，在那里例如用IR散热器将它们完全熔融开并加热到均匀的所需带温度Tp0。然后用带有预成形元件19的带式夹具18夹持该熔融EF带5，其固定在上部工具元件21o上，并在传送到EF型材成形站20时被预成形(在水平面预成形，例如通过定位销弯曲或旋转熔融带)，在带有传递入口17的下部型材成形工具21u上方移动，以所需预成形的位置排列在那儿，在精确限定的可调节骤冷时间ts内立即压制，用于成形尺寸稳定的外层12。通过在型材工具中的形变，可以得到EF型材所需限定的三维形状。随后将EF型材10立即从工具中脱模，用型材夹具26通过机械手42传送到LFT压机30的LFT工具31中，精确定位。在传送过程中用型材夹具26把EF型材10在空气中排列成所需的定点位置，即对于每个单独的EF型材关于平移运动，旋转和倾斜入限定位置。用型材夹具26，相应的机械手，型材能够被单独夹持和传递，或几个型材同时被夹持并同时分别排列成正确位置而布置在一起。
图8的例子中，例如首先型材10.1，而后是EF型材10.2和10.3一起分别垂直定位于肋板中，然后EF型材10.4定位在卷曲中，其中这四个型材都可以用多功能型材夹具26被同时传送和定位。
为了防止熔融EF带5粘附到带夹具18和预成形元件19上，通过与冷夹具表面的短暂接触可以使带不再粘着。该类型的双夹具18a，18b包括两个例如小绝缘夹具接触器18a和两个更结实的冷非粘性夹具接触器18b。
在EF型材成形站20，还可以用多于一个的型材工具21.1，21.2同时压制几个EF型材10。
图12图示了完整的设备40，包括几个带有EF型材成形站20.1，20.2，20.3的EF型材生产线，以及LFT加工设备34，例如挤出机，用于传送具有所需温度的熔融LFT物料6进入LFT压机30(相应的LFT工具31)中的LFT夹具37。该设备包括部分控制系统用于单独的局部装配组EF型材成形站的控制器25，LFT加工设备的控制器35和LFT压机控制器36，它们可以并入包括用于传送机械手42的控制系统的设备控制系统45中。
图13图示了几个EF型材(10.1-10.4)在不同安装位置的精确定位，在LFT工具中平面和垂直之间有任意的倾斜。其中，单独的EF型材可以定位在下部工具31u和/或在上部工具31o上，并且用适当的安装元件38固定。随着LFT物料6加入到其中，相应地带有精心制作的EF型材加强件结构的元件在一步法中制得。
可以用其它相似的压缩制造方法加入和压制LFT物料6，以替代挤出。因此还可以利用具有水平压制和垂直LFT工具的LFT注射法。特别适用的还有注射成型法，在原料流(source flow)中进行背面压制，用带有潜缘的移动工具，其中工具在注射过程中首先被缓慢打开，然后压制在一起。但是也可以用垂直LFT工具进行水平压制。也可以使用水平LFT工具进行垂直注射。
本发明的结构件包括一个或多个骤冷EF型材10，其在LFT物料6及由此的结构件中含有准确限定的形状和位置，因此承受的外部负荷能被最佳承受和支承。本发明骤冷加工中的制备能在成品结构件上得到验证，例如通过辨别EF型材上的形状标识，它是在生产过程中由处理元件产生的，通过在EF型材上轻轻绕行边缘和在EF型材和LFT物料之间协调平衡过渡。
如果是优选的结晶热塑材料，优选在EF型材10上的型材表面11下方的下层13区段(例如约0.2-0.4mm厚)，产生了增加的结晶101(参照图7)。在EF型材10和LFT物料6之间的接触表面9上，优选在接触表面上产生了定向结晶102。这导致还改进了带有骤冷EF型材的结构件的超时(over time)机械强度和稳定性。
本发明带有集成骤冷EF型材的轻质承重结构件具有很宽的应用范围，例如在车辆构造中用于元件例如底盘件，门，座位结构，后挡板等。一些用途中的结构件还可以只由一个集成的、适当形状的EF型材构成。具有单一EF型材结构件的两个例子如图14和15所示。
图14图示了带有集成入成形LFT物料6的EF型材10.1的保险杠横梁支座92，它沿整个长度上延伸。在两个负荷承受点L1，保险杠横梁支座92与汽车底盘相连。该EF型材10.1设计为“顶形”，带有斜面93并被集成入LFT物料中，其结果产生了吸收能量的碰撞元件。另外补充的增强变形体中还可以在EF型材10.1下方卷曲集成入第二EF型材10.2。
图15图示了带有两侧弯曲EF型材10.1的装配支撑物(前端)95，具有四个承重点L1，L2，其中装配支撑物固定到底盘上。根据需要，EF型材10.1在这些点L1，L2还可以包含造型或凹陷，其集成入LFT物料中作为碰撞元件93是可塑性变形的，与图14的例子类似。
在说明书的范围内，使用如下标记1结构件1.2 第二元件(两壳)4 插入件，嵌体5 EF带6 LFT物料，成形物料7 卷曲8 肋板9 界面，接触面EF-LFT10EF-型材11型材表面12外层13下层(11下面的层)14半成品储存段15加热站16传送链17传递入口18带式夹具19预成形元件20EF型材成形站(骤冷)21型材工具21o，21u 上部，下部22EF型材形状23型材压机25EF型材成形站的控制器26型材夹具27保护气体气氛30LFT压机31LFT工具31o，31u 上部，下部
32LFT形状34LFT加工，挤出机3534的LFT控制器36LFT压机控制器37LFT夹具38安装元件40没备42传递机械手，处理装置45 设备控制系统50 三维交叉点54 定位点55 定位肩56 10中厚拉伸和压缩力区段57 薄推力区58 锁合装置59a，b 轴座60皮带辊，皮带连接件，皮带锁61头部支撑88 内部区段89 外部区段92 保险杠横梁支座93 碰撞元件95装配支撑物，前端101 增强结晶102 定向结晶LFT长纤维热塑材料EF连续纤维ae 热穿透系数d 垂直于型材表面11的方向dp 型材厚度
df LFT层的厚度Q1 在21的热传递Q2 从6的热传递t 时间，周期ts 骤冷周期tt 传递时间T 温度Ta 表面温度Ti 内部温度，内温度Twp EF型材工具21的TTw1 LFT工具31的TTf LFT物料的TTm 熔融温度Tp0 EF带5的TTp EF型材10的输入温度Tu 较低的固化温度T1，T2 型材温度曲线DTkr结晶温度范围kr 晶体生长DEn 滞后范围(结晶热，潜焓)L 负荷En 焓S1，S2，S3，S4 加工步骤
权利要求
1.一种在一步法LFT压制法中由长纤维热塑材料(LFT)与集成连续纤维(EF)加强件制备结构件的方法，特征在于-浸渍的EF带(5)在加热站(15)熔融开来，随后被传送到EF型材成形站(20)的两部件型材工具工具(21)中，-进行短时间的压缩，在此期间被成形为所需的EF型材(10)，并且其进行是通过在型材表面(11)接触-热处理型材工具(21)，通过高热传递(Q1)，形成了骤冷尺寸稳定的薄外层(12)，-在限定的短骤冷周期(ts)之后，所述EF型材立即完全与型材工具分离，并输送到LFT工具(31)，以限定的方式进行定位，-而后加入熔融LFT物料(6)，以及所述EF型材(10)置于压力之下，分别地被压缩，-使外层(12)在表面处(11)再次熔融开来，-并与周围的LFT物料(6)热塑熔融在一起。
2.根据权利要求1的方法，特征在于作为所述LFT压制法，可以使用带有垂直LFT压机(30)和水平压制工具(31)的LFT挤出法。
3.根据权利要求1的方法，特征在于作为所述LFT压制法，可以使用LFT注射成型法。
4.根据权利要求3的方法，特征在于使用在原料流采用背面压制的LFT注射成型法。
5.根据权利要求1的方法，特征在于几个EF型材(10.1，10.2，10.3)都位于LFT工具(31)中，随后与LFT物料(6)一起被压制。
6.根据权利要求1的方法，特征在于EF型材同时用多于一个的EF型材生产线(20.1，20.2)制备。
7.根据权利要求1的方法，特征在于在型材工具(21)中制备多于一个的EF型材(10.1，10.2)。
8.根据权利要求1的方法，特征在于在具有超过一个型材工具(21.1，21.2)的EF型材成形站(20)，同时压制EF型材。
9.根据权利要求1的方法，特征在于在EF型材成形站，利用多部件型材工具(21u，21o，21.3)进行多步型材成形加工。
10.根据权利要求1的方法，特征在于所述EF带(5)在传送到型材工具(21)过程中在塑性条件下用预成形元件(19)进行预成形。
11.根据权利要求1的方法，特征在于所述EF型材(10)包含三维型材形状。
12.根据权利要求1的方法，特征在于所述(EF)型材(10)在纵向上包含弯曲、缠绕、叠层和/或表面结构和不同的横截面形状。
13.根据权利要求1的方法，特征在于用工具(21，31)的构型，可以制备用于在EF型材(10)和LFT物料(6)之间以及对于嵌件(4)的力传入和力传递的EF型材(22)上的形状和LFT物料(32)的形状。
14.根据权利要求1的方法，特征在于形成了带有定位肩(55)、上部和下部的厚拉伸和压缩力区段(56)以及二者之间的较薄推力区(57)的EF型材，它定位于结构件的肋板(8)或卷曲(7)中。
15.根据权利要求1的方法，特征在于骤冷周期(ts)在1-5秒的范围内。
16.根据权利要求1的方法，特征在于所述LFT物料(6)包含的纤维平均长度至少为3mm。
17.根据权利要求1的方法，特征在于热塑材料由部分结晶聚合物构成。
18.根据权利要求1的方法，特征在于热塑材料由部分结晶聚合物和连续纤维加强件(EF)构成，部分结晶聚合物例如聚丙烯(PP)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚酰胺(PA)，EF主要由玻璃、碳或芳族聚酰胺纤维组成。
19.根据权利要求1的方法，特征在于EF型材(10)包括无EF纤维加强件的由纯热塑材料构成的薄表面层(例如0.1-0.2mm)，和/或由不同纤维定向的层构成。
20.根据权利要求1的方法，特征在于制备已被相反热处理过的另外形状的EF型材(10*)用于尺寸稳定地传送入LFT工具(31)中，该EF型材带有非变形的内部区段(88)和熔融的外部区段(89)。
21.根据权利要求1的方法，特征在于所述EF型材包括局部不同强度的骤冷区段，EF型材(10)和LFT物料(6)之间相应地不同牢固的热塑性粘接，在LFT压制过程中(限定的)不同型材形状保护。
22.根据权利要求20的方法，特征在于EF型材(10)包括局部不同的骤冷区段，例如最小的骤冷(T3，Q1.3)中等骤冷(T2，Q1.2)，和强骤冷(T1，Q1.1)。
23.根据权利要求1的方法，特征在于与LFT工具(31)相邻的EF型材表面(11)事先在一个侧面进行强烈地骤冷，而相对面进行较弱的骤冷，用来实现与LFT物料(6)的最佳粘接。
24.根据权利要求17的方法，特征在于在滞后范围DEn内的骤冷过程中利用结晶材料的相变热(结晶热，相转变热)。
25.根据权利要求17的方法，特征在于在骤冷之后EF型材表面(11)从温度低于结晶温度范围DTkr又快速升高到高于DTkr的温度。
26.根据权利要求17的方法，特征在于在通过结晶温度范围DTkr的较慢通道的骤冷过程中，在下层(13)中产生了相应的结晶部分。
27.根据权利要求1的方法，特征在于EF型材(10)在LFT工具(31)的形状(7，8)中的不同安装位置定位。
28.根据权利要求1的方法，特征在于LFT工具中的EF型材(10)定位，分别地固定在下部工具(31u)和/或上部工具(31o)上。
29.由长纤维热塑材料(LEF)与集成连续纤维(EF)加强件在一步法LFT压制法中制备结构件的设备(40)，特征在于-用于加热浸渍的EF带(5)的加热站(15)-用于成形和骤冷的EF型材成形站(20)，包括型材压机(23)和向其中传送入EF带的双部件型材工具(21)，-进行短时间的压制，期间将它们成形为所需的EF型材(10)，在型材表面(11)处与热处理型材工具(21)进行高热传递(Q1)的接触，得到了骤冷的尺寸稳定的薄外层(12)，和-限定的骤冷周期(ts)后，EF型材立即完全与型材工具分离，通过机械手(42)被传送到LFT压机(30)的LFT工具(31)中，并以限定的方式进行定位，-然后加入熔融的LFT物料(6)，以及EF型材(10)置于压力之下，分别地被压制，-其中外层(12)在表面(11)上再次熔融开来，-与周围的LFT物料(6)热塑性熔融在一起。
30.根据权利要求29的设备，特征在于带有型材工具(21)的EF型材成形站(20)，其中在区段中包含局部不同的热条件，相应的热传递(Q1)，比热容和热穿透系数(ae)或工具温度(Twp)。
31.根据权利要求29的设备，特征在于EF型材成形站(20)带有传送入口(17)和处理元件(19)，用于预处理和传送EF带(5)。
32.根据权利要求29的设备，特征在于带有保护气体气氛(27)的IR加热站(15)，传送链(16)，带有夹具(26，37)的传送机械手(42)用于传送EF型材和熔融LFT物料，LFT挤出机(34)，LFT压机(30)和用于不同站的带有部分控制器(25，35，36)的设备控制系统(45)。
33.在LFT物料(6)中带有至少一个EF型材(10)的结构件(1)，用骤冷EF型材根据权利要求1的方法制备。
34.根据权利要求33的结构件，特征在于所述EF型材(10)在结构件(1)内包括精确限定形状和精确限定位置。
35.根据权利要求33的具有部分结晶热塑材料的结构件，特征在于EF型材(10)在型材表面(11)下面的下层(13)区段中包括增加了的结晶(101)。
36.根据权利要求33的具有部分结晶热塑材料的结构件，特征在于在EF型材(10)和LFT物料(6)之间的接触表面(9)上整个接触表面包括定向的结晶(102)。
全文摘要
公开了一种方法能够在一步法LFT压制法中由含有集成连续纤维(EF)加强件的长纤维热塑材料(LFT)系列制备轻质结构件。其中EF带(5)熔融，并被传送到EF型材成形站(20)的型材工具(21)中，它们被短时间压缩，成形为所需的EF型材(10)。期间，通过与热处理型材工具(21)的接触，在型材表面(11)上形成了骤冷、形状稳定的薄外层(12)，而EF型材的内部仍保持熔融。在预定的短骤冷周期(ts)之后，EF型材(10)被传送入LFT工具(31)中并与加入的熔融LFT物料(6)一起进行压缩。期间，在表面(11)上外层(12)再次熔融来，并与周围的LFT物料热塑性地粘接在一起。
文档编号B29C70/06GK1688434SQ03821716
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月15日 优先权日2002年9月15日
发明者D·许斯勒, A·吕格 申请人:地方小型汽车公司