专利名称：由纤维增强热塑性材料制造的构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及由具有整合连续纤维增强的长纤维增强热塑性材料制造的按照权利要求1通称的构件。
公知的此类构件大多数情况下包含平面连续纤维增强件，例如具有半加工的织物制品或具有夹层结构，然而就其可能的形状和应用而言是非常有限的。具有整合的连续纤维线束的构件也是公知的。WO99/52703公开了一种构件，其具有成形的长纤维增强热塑性基材(matrix)和整合的由连续纤维线束构成的承载结构。在此情况下，连续纤维线束通过平面接合点彼此连接在一起。然而，这仅仅会产生简单的平面承载结构，而并非产生三维形状的连续纤维增强结构，该结构用于最佳吸收和传递三维侵入的载荷和力。
因此，本发明的目的是克服现有构件的缺陷和局限性，从而产生一种具有轻质连续纤维增强结构的构件，其使三维支撑、载荷传递以及力的吸收成为可能，其对广泛运用的力梯度具有最佳的适应性。
按照本发明，其目的是通过按照权利要求1的构件达成的，该构件具有整合的三维交点，其由长纤维热塑性(LFT)物质(内几个单独的，成形连续纤维(EF)型材构成。
就连续纤维增强结构的最佳三维设计和在很多具有用于在任何方向载荷吸收的最佳机械特性的应用中之实用性而言，从属权利要求涉及本发明有益的进一步演进。这将产生轻质并容易制造的构件，例如其用于运输工具，车辆装置和具有承载功能的车辆部件。
根据实施例和附图本发明在下文中将进一步阐述。附图简述
图1a是按照本发明具有几个EF型材三维交点的构件，图1b，c是穿过三维交点在不同视角的横截面图2是具有变异型材)截面的三维交点的另一个实施例，图3a是″X″形交点，图3b是″T″形交点，图3c是″L″形交点，
图4是″T″或″X″形力矩载荷杆结构，图5是″L″形力矩载荷杆结构，图6是三维型材形状的实施例，图7a，b是在肋中两个不同横截面形状的EF型材，图8a是在2/3后座靠背内具有三维交点的几个EF型材的布置，图8b是具有整合EF型材的LFT成形部件，图9是具有三维交点的简单座椅靠背，图10是用作座椅外壳或座舱地板的EF型材布置，图11是汽车门结构，图12是双壳部件的实施例。
图1a阐明了一种按照本发明的带三维(立体)交点50的构件。构件包括成形LFT物质6(由长纤维增强热塑性塑料构成)，该基体具有连续纤维增强件，该增强件包括几个单独的，整合的具有既定形状的EF型材10，其对应所需吸收的力和载荷进行成形并在构件内分别位置精确的排列。三维交点50包括上主平面H1和下主平面H2，两主平面之间的垂直间距为v。其至少由三个EF型材形成，并在交点处彼此分别交汇，并通过LFT物质6将所有这些型材连接在一起。在此情况下，至少一个EF型材分别必需位于上主平面H1内(这里，为型材10.1)，以及至少一个EF型材必需位于下主平面H2内(这里，为型材10.4)。以及在上主平面和下主平面的EF型材之间，至少包括另外的EF型材，在这里为型材10.2以及10.3，而这两个型材分别处于垂直取向以及垂直取向的延伸处，并且该型材必需穿过上下主平面，而这是为了吸收力矩M2。所有的EF型材通过LFT物质6以力传输的方式(UB)穿过LFT物质相应成形物32连接在一起，也就是分别通过对应EF型材形状和LFT物质形状彼此相互匹配来连接在一起。
在图1a的实施例中，EF型材10.1，10.4位于弯边7内，EF型材10.2和10.3位于肋8内。在此方式下，力F，力矩M和载荷L，对构件在不同方向起作用，其为EF型材吸收，并被传输到三维交点50。在交点处从一型材对向另外一个型材对传输力矩极为可能。这里，EF型材10.1和10.4与弯边7形成梁，而该梁经受弯曲，在肋结构8内的型材对10.2和10.3形成第二梁，该梁也经受弯曲。利用这种结构，例如可以吸收力矩M1和M2，并每一个都分别传输出去。按照本发明在三维交点处EF型材的这种排列，其主要优点是基于这样的事实，即其由单一部件组成从而不必需要由几个部件组装而成。基于这样的目的，按照实施例EF型材可以插入LFT成形工具(tool)，为一个接一个地或者一起插入，随后一步引入熔融LFT物质，接着受压从而使之成为LFT压件内的一部分构件。
此处的布置顺序如下首先EF型材10.1放置在下主平面H2内，然后EF型材10.2和10.3布置在垂直中间区域v，随即EF型材10.4布置于上主平面H1内，然后熔融LFT物质被放置于顶端，从而与EF型材被挤压在一起。在图1a中阐明了部件，其在LFT工具内挤压之后被反转，因此在图中H1位于底部而H2位于顶端。这样EF型材可以清晰看见。型材10和LFT物质6放置的方向，以箭头指示。
图1b，1c通过另一个例子在三维交点50阐明两个截面，其在上主平面H1内具有两个EF型材10.3，10.4，在下主平面H2内具有EF型材10.1，还具有EF型材10.2，该型材位于上下主平面之间垂直区域v内肋8之中。EF型材10.1，10.3，10.4位于弯边7内，其与肋8相交。此处，部件的位置由其位于LFT工具内的方式阐明。
图1b阐明了穿过弯边7的横截面(其吸收力矩M1)，而图1c阐明了穿过肋8的横截面(其吸收力矩M2)。
为达到EF型材10在LFT物质6上的最佳力传输，以及从EF型材(10.1)穿过LFT物质到其它EF型材(10.3，10.4)上的最佳力传输，LFT物质包括连接成形件32。通过EF型材和LFT物质成形件(shapings)32的排列，所需的力传输UB在三维交点50处产生。
图2阐明了部件内三维交点的另一个例子，并将其设计为弯曲壳。此处主平面H1和H2在交点50处形成切面。在H1和H2之间所产生的可能的垂直间距由于空间的原因相对较小。然后EF型材10.2与平坦EF型材10.1和10.3在交点处的区域v相交，该型材可以包括降低的高度，与例如方形横截面a和相邻交点50再次转化为平坦垂直取向的截面b。关键在于在v区域内EF型材包括垂直延伸，而这是为传输力矩。即，EF型材10原则上可以包括任意三维形状和位置，其可以最佳适应载荷状态和力梯度。
图3a，b，c示意性地阐明各种可能的三维交点类型。要求构件必须吸收和向前传输载荷L，力F和力矩M，这些都作用在部件的不同点上和不同方向上。为此目的，通过相应的EF型材排列，本发明的三维交点50原则上例如可以设计为“X”、“T”或“L”形。
图3a在这里阐明″X″形交点，其在点L1至L4具有载荷吸收能力，在交点50处具有力传输UB。
图三3b阐明″T″形交点，其在点L1，L2，L3具有载荷吸收能力，在交点50处具有力传输UB。
图三3c阐明″L″形交点，其在点L1，L2，L3具有载荷吸收能力，在点L2处也与交点50处具有力传输UB。
图4，5阐明力矩-载荷杆结构的实施例，其由具有交点50的EF型材排列来形成。
图4阐明具有″T″或″X″形交点50的力矩载荷杆结构。由此，力+F作为主要载荷方向被支撑，并通过EF型材10.2吸收，而EF型材10.2为垂直型材v，例如在两个水平EF型材之间的肋内，这两个水平EF型材一个为在下主平面H2内的EF型材10.1，另一个为在上主平面H1内的EF型材10.3。力F产生力矩M，其由EF型材10.1，10.3支撑，位于LFT工具的合适成形物内，例如在弯边内。
图5阐明″L″形力矩-载荷杆结构，其作为主要的载荷方向支撑力+F，-F(即，在两个方向)。在区域v内又一次包括垂直取向型材102，其由三个EF型材支撑，例如在弯边处和在主平面内H2内的EF型材10.1和H1内的EF型材10.3和10.4。由此，力+F，-F导致的力矩+M，-M得到支撑，并且向前传输。
因为其形状，在各自EF型材部件的不同点处，EF型材对应具有不同作用和需求。其可以包括三维形状，并且基于此目的，其在纵向可以包括弯曲，旋转，扭转，折叠和/或表面构造，其也可以包括变化的、不同的的横截面形状。
图6阐明这种EF型材可能形状的实施例。
-EF型材10.1显示一种略圆横截面，其被压扁并展开，从而形成对周围LFT物质的大连接表面(EF型材10.5可以起相同作用)。
-EF型材10.2包含平坦弧并在一端被一分为二。
-EF型材10.3包含从平坦到垂直取向截面的扭转。
-EF型材10.4显示为折叠和
-EF型材10.5为结构化，锯齿形，并穿过此扩大表面。
-EF型材10.6弯曲为″U″形双肋。其可以这样使用，例如代替图1a中的两个EF型材10.2和10.3。
图7a，7b阐明EF型材10的实施例，其在长度上包括不同的横截面形状，而这可以适应力被传输，并可以用于与LFT物质6的最佳连接。剖视图阐明肋8内的EF型材10a，10b，例如对应图8处于两个不同位置的型材10.2或10.3。
图7a阐明成形件1Oa，其具有定位凸缘(55，当液态LFT物质6挤压入肋时，尤其是正在挤压时，该凸缘用于在所需位置固定和夹持EF型材。在EF型材的顶端和底下分别包括用于传输力矩作为拉伸和压缩区域的较厚区域56(在纵向纤维方向)。在两者之间具有较薄的推进区域57，其具有对应较厚的相邻LFT层6，并且具有大连接表面区域和特别强固的界面连接部。由此，通过相邻LFT层6增加抗剪力，该LFT层6具有各向同性纤维分布(在EF型材10内横跨纤维取向的强度在此处是比较低的)按照图7b在另外一个位置，型材横截面10b对应于那种情形下的力而改变被拉伸，即变得较高，较窄并且没有定位凸缘。
为可靠并精确定位和固定EF型材，还是在用LFT物质挤压期间，另外的定位点54可以在EF型材上形成，其对应LFT工具31o(顶部)和31u(底部)的形状。此处，定位点54用作肋8内以下精确定位。定位点也可以适当排列，在EF型材纵向内分布。
以类似方式，此类型材形状也可以定位和固定在弯壁上，例如在弯边7的两侧壁上，从而代替在两个分离肋8内的两个EF型材(10.2，10.3)，如同在图8中的下列实施例所阐明的那样。
除了实施例7a，7b，也可以将EF型材的横截面设计为，例如可以是″L″或″Z″形，而这取决于应用。
图8a，b阐明复杂构件的实施例，该部件具有三维交点，其形式为三分之二的(2/3)后座靠背(74)，该靠背具有中央安全带接头60，该接头用于中间座位及闭锁装置58和一些所需的用于不同载荷情况(破坏载荷)的载荷引导。在平面投影内图8a阐明部件内EF型材的排列，在透视图内图8b阐明LFT物质6以及将其拉入整合的EF型材10.1至10.4内。该实施例阐明EF型材本身的载荷优选形状，以及形成这样结构的载荷优选排列，具有LFT物质6的对应形状和在EF型材间具有最佳结合强度，而这些EF型材承载主要的载荷(用定向的连续纤维)和互补的LFT物质(用未定向的长纤维)。
此处，四个主要的载荷承载点L1至L4由以下产生-载荷L1，L2在轴夹持器59a，59b上，围绕着夹持器，后座靠背74能够旋转，-载荷L3在闭锁装置58上，该闭锁装置用于将后座靠背固定在其正常位置和-载荷L4在安全带闭锁装置上，安全带辊60用于中间座位的中央安全带。
具有该构件，可以覆盖下列载荷情况(具有其它载荷L5至L9)-正面-和后面碰撞-固定任何装载的货物-安全带固定-头靠/头枕固定。
为接收和传输所有载荷和力，EF型材与LFT物质的连接力传输成形件一起相交形成空间的，三维交叉结构50。此处，EF型材在LFT成形件内分别是成对的，从而形成力矩传输梁经受弯曲-在LFT物质弯边7内的EF型材10.1和10.4，在载荷L1和L4之间形成经受弯曲的梁。
-和在LFT物质肋8内的EF型材10.2和10.3，在载荷L2和L3之间形成易经受弯曲的梁。
通过三维交点50，在此安全带辊60上的载荷L4以及其它载荷(其作用于经受弯曲的10.1/10.4梁)，也在其它经受弯曲的10.2/10.3梁上被支撑(并且反之亦然)。
主要的力，分别是载荷L1至L4，其通过力引导点被接收-通过EF型材端点成形件22和32和用于接收外力的LFT物质的成形件22和32，有或者没有嵌入物4。
-在这样的方案中，在挤压操作之前，嵌入物4能够插入LFT工具内，然后与EF型材和LFT物质挤压在一起。
-或者其也能稍后将它们嵌入部件内。
此处EF型材10.1包含弧形加宽件22和用于在轴承59a处接收金属嵌入物4装配的加宽件32.1。另一个轴夹持器插孔59b通过EF型材10.2和10.3的成形件22.2并通过装配的连接LFT物质的成形件32.2形成。型材端点22.2向上弯曲，并以此方式固定在LFT物质中，从而提高拉伸强度。闭锁装置58螺栓紧固到EF型材10.3上的锁定板上，并通过EF型材10.2.获得支撑。安全带辊60通过EF型材10.1和10.4的成形件22以及LFT成形件32被支撑。
此处头靠61的较小载荷L8，L9通过LFT成形件32被吸收。然而为增强的目的，其也可以整合附加的EF型材10.5，该型材横向沉积(在某些区域平面或垂直取向)。
EF型材按照如下顺序沉积到LFT工具内首先EF型材10.1(在H2内)，随即是EF型材10.2和10.3，接着是EF型材10.4(在H1内)。然后引入液态LFT物质6，接着挤压整个工具成为单壳体，从而一步使其成为单一部件。(图解的构件位于倒置的LFT成形工具内，即，H2在底端而H1在顶端。图8图解后座靠背74的后侧。)在本实施例中三维型材成形件显而易见也可以存在很多变异体。
在构件内成形件可以包括特别成形件22，其用于力传输和直接吸收外部载荷，还分别用于接收嵌入物4(装配部件)，在该处外部载荷被引入部件。也可以选择周围LFT物质6的成形件以匹配EF型材10的成形件。部件之内(例如从EF型材穿过LFT物质到其它EF型材上)力传输点(力和力矩的)的成形件既可以形成为EF型材成形件22也可以形成为LFT物质成形件32。
一般说来要尽可能取得平衡，形成连续传输用于减少在EF型材和LFT物质之间强度和刚性方面的工序。
图9图解具有安全带接头60和头靠61的单一椅背72，在此情况下相似的载荷和载荷情况如同在图8的实施例那样存在，这里则在安全带接头60处，具有主要的载荷L1和旅客重量的载荷L2。然而全部载荷必须由轴夹持器支撑，其可以由59b固定，也可能由59a固定，围绕该夹持器椅背可以被调节而使其能够旋转。由此，闭锁装置可以存在于59b和59a两侧，或经常仅仅在59b一侧。在后一种情况下，由闭锁装置59b和安全带接头60之间EF型材形成的型材支撑必须这样设计，使其特别强固(具有增强的抗扭转刚性)。基于此目的，此处可选形成密闭的中空型材横截面(和图12类似)，例如，在构件1的弯边7内具有三个EF型材10.1，10.2，10.3，在构件1之上具有分离的盖1.2，而该盖1.2具有EF型材10.10，并且其也可以热塑性焊上。
此处在轴夹持器以及闭锁装置59a和59b之间的型材支撑在主平面H1，H2内弯边7之上，其包含EF型材10.4，10.5，10.6。在轴夹持器59a和安全带接头(安全带辊)60之间的型材支撑弯曲并且包含两个垂直EF型材10.7，10.8，例如，在弯边7的侧壁内。此处两个三维交点50形成于轴夹持器59a和59b之上。在这种情况下，全部EF型材整合至此处弯边内，其中在EF型材的三维交点，弯边局部变成肋，致使在肋8和弯边7之间总是产生交点，以至于全部EF型材能够一步沉积，并且构件1能在单件内一步挤压。不用说，在肋和弯边内EF型材的其它排列也能按照要求组合。
图10图解具有三维交点50的EF型材排列，其设计为座位外壳76或座舱地板，例如电梯舱地板。此处为获得具有相对较小厚度的外壳，即在主平面H1，H2之间具有小垂直间距v，在这种情况下将三个垂直EF型材10.2，10.3，10.4整合入肋结构，其与在主平面H1，H2内两个EF型材10.1，10.5交叉。在座位外壳的自由端L1，EF型材10.1和10.5也可以会合在一起，并且可以直接以平面的方式结合在一起。具有载荷L2-L4(也可以有L1)的结构被支撑。
图11阐明构件的一种实施例，其形成车门78的支承结构，该车门78具有整合的侧防破坏装置。具有″T″形交点50的EF型材结构由具有经受弯曲在交点会合的EF型材的两个梁形成，该EF型材结构连接力吸收载荷点L1和L2还有L3，L1和L2＝上门铰连79a和下门铰链79b，L3＝门锁80。经受弯曲为a的梁将上铰链79a与闭锁装置80连接在一起，而经受弯曲为b的梁将下铰链79b与闭锁装置80连接在一起，其中后者与经受弯曲为a的梁在交点50处结合在一起，持续直到闭锁装置80(a+b)。在弯边7内经受弯曲为a的梁的EF型材10.1，10.4的排列，以及在肋8内经受弯曲为b的梁的EF型材10.2，10.3的排列，还有在弯边7上具有全部四个EF型材a+b的组合，已经均在截面图中描绘。这将产生强固和轻量增强结构，以便例如还能吸收和支撑侧破坏载荷L4，L5。
图12阐明构件82的实施例，其由几个部件组装而成，例如由两个壳，例如通过焊接或胶粘组装在一起。此处具有交点的构件1连接到另外的部件1.2，该部件1.2形成覆盖在开口弯边上的盖，部件1和1.2一起形成密闭的管式EF增强型材横截面，其具有特别高的抗扭转刚性(如在图9中作为变异体进行阐述)。此类由两部分组成的部件优选热塑性焊接在一起。在弯边7侧壁内垂直取向的EF型材10.2和10.3的成形件例如也可以包括平坦部分，而该部分装配到盖部件1.2内EF型材10.10。在EF型材10.2，10.3之后，例如可能形成三维交点50，其具有横向穿过的垂直EF型材10.4。
下列材料适合于按照本发明的构件LFT物质6包含的平均纤维长度至少3mm是有益的，而5至15mm则更好。EF型材的连续纤维(EF)增强件可以包括定向玻璃纤维，碳纤维或芳族聚酰胺纤维，而其均位于热塑性基材内(其中在特定情况下，为了最高压缩强度也可以是硼纤维或钢纤维，其不应该被排除)EF型材10能够由UD(单向的)层(0°)组成，然而，也可以是具有不同纤维取向的层组成，例如由0°/90°，或0°/45°/-45°纤维取向层交替组成。其也可以包括薄表面层(例如，0.1-0.2mm)，该表面层不含任何EF纤维增强物由纯热塑性材料组成。
特别适合的结构件是部分结晶聚合物，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(PAS)作为EF型材10和LFT物质6的基材，而这例如是因为其能够包含较高的压缩强度。然而也可以利用无定形聚合物如ABS或PC。
在本说明书的范围内，使用下列附图标记1构件1.2 第二部件(双壳)4嵌入物，插入物6LFT物质，成形物质7弯边8肋10 EF型材22 EF型材成形件32 LFT成形件50 三维交点54 定位点55 定位凸缘56 在10内的厚拉伸-压缩力区域
57 较薄的推进区域58 闭锁装置59a，b 轴夹持器60 安全带辊，安全带接头，安全带闭锁装置，61 头靠72 单座74 2/3后座靠背76 座位外壳，座舱地板78 车门79 门铰链80 门锁82 双壳构件LFT 长纤维热塑性塑料EF 连续纤维H1 50的上主平面H2 50的下主平面v H1和H2之间的垂直距离L 载荷(K，M)F 力M 力矩UB 力在50传输″T″、″L″、″X″-形交点
权利要求
1.构件(1)，由长纤维增强热塑性材料(LFT)与整合的连续纤维(EF)增强件构成，，其特征在于-至少三个单独的整合的成形连续纤维(EF)型材(10)，-这些型材在交点处交汇，-并形成空间(三维形成的)交点(50)，-其中在交点处至少一个EF型材(10)分别位于交点的上主平面和下主平面(H1，H2)内，一个具有垂直延伸(v)的EF型材在上下主平面的这些EF型材之间连续扩展-并且其中EF型材(10)通过LFT物质(6)在交点(50)处以力传输的方式连接在一起-通过对应LFT物质的成形件(32)-以及其中几个力(F)或力矩(M)能够被支撑在EF型材(10)上的几个点处，用于吸收外部载荷(L)。
2.按照权利要求1的构件，其特征在于通过LFT形成件(32)和/或用对应EF型材形成件(22)来形成外力引导。
3.按照权利要求1的构件，其特征在于三维交点(50)显示为″X″，″T″或″L″形。
4.按照权利要求1的构件，其特征在于EF型材以这样的方式在交点(50)处排列，即EF型材(10)能够插入LFT成形工具，一个接一个地或者一起插入，随后在LFT压机内一步与引入熔融LFT物质(6)压合在一起，从而成为一整件。
5.按照权利要求1的构件，其特征在于EF型材(10)由具有相异纤维取向的层构成。
6.按照权利要求1的构件，其特征在于，LFT物质(6)包括至少3mm的平均纤维长度。
7.按照权利要求1的构件，其特征在于EF型材(10)包括连续纤维增强件(EF)，其由玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维构成。
8.按照权利要求1的构件，其特征在于LFT物质(6)和EF型材(10)的热塑性材料由部分结晶聚合物组成，例如PP，PET，PBT，PA。
9.按照权利要求1的构件，其特征在于，EF型材(10)包括三维型材成形件。
10.按照权利要求1的构件，其特征在于，EF型材(10.1-10.6)包括在纵向的弯曲，扭转，折叠和/或表面结构。
11.按照权利要求1的构件，其特征在于，EF型材(10)包括相异横截面形状。
12.按照权利要求1的构件，其特征在于提供在EF型材(22)上的成形件和LFT物质的成形件(32)用于在EF型材(10)和LFT物质(6)以及嵌入物(4)之间引导力和传输力。
13.按照权利要求1的构件，其特征在于，所形成的EF型材(10)在顶端和底部上具有定位凸缘(55)，厚拉伸和压力区域(56)，以及在两者之间的较薄推进区域(57)，该型材定位在构件的肋(8)内或弯边(7)壁内。
14.按照权利要求1的构件，其特征在于，EF型材(10)形成具有″T″形或″L″形三维交点的″力矩-载荷杆结构″。
15.按照权利要求1的构件，其特征在于，其形成为具有带接头(60)的单座靠背(72)。
16.按照权利要求1的构件，其特征在于，其形成为具有带接头(60)和闭锁装置(58)的三分之二后座靠背(74)。
17.按照权利要求1的构件，其特征在于，其形成为座位外壳(76)或座舱地板。
18.按照权利要求1的构件，其特征在于，其形成具有整合侧防破坏装置的车门(78)支承结构。
19.按照权利要求1的构件，其特征在于，构件是由几个部件(例如，双壳1，1.2)(82)组装而成的。
20.用于制造按照权利要求1构件的方法，其特征在于几个成形EF型材(10)沉积在LFT成形工具内，沉积顺序可以是一个接一个或一起沉积，从而用于形成三维交点(50)，该交点定位在给定的位置，接着引入LFT物质(6)，其与EF型材(10)在一个步骤内一起挤压成为一整件部件。
全文摘要
由长纤维增强热塑性材料(LFT)与整合的连续纤维(EF)增强件构成的构件(1)，该构件包括至少三个单独的整合的成形EF型材(10)，其形成三维交点(50)。在这种情况下，至少一个EF型材(10)分别位于交点的上下主平面内(H1，H2)内，并且一个EF型材在垂直方向(v)内在上下主平面的EF型材之间连续扩展。EF型材(10)通过LFT物质(6)的成形件(32)在交点以力传输的方式彼此连接。载荷(L)施加在EF型材上的几个点上。由此，三维施加的载荷(L)能够被最佳支撑。
文档编号B29C70/34GK1684822SQ03821717
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月15日 优先权日2002年9月15日
发明者S·茨格勒, A·吕格 申请人:地方小型汽车公司