用于制造由复合材料制成的预浸料的方法与流程

【技术领域】

本发明涉及一种用于制造中间预浸料的方法，该中间预浸料旨在形成成品件的至少一部分，所述预浸料由复合材料制成，该复合材料包括由热塑性材料制成的基体和嵌入基体中的增强纤维，该方法包括以下连续步骤：

-提供至少一个增强层和由热塑性材料制成的至少一个基体片材；

-与所述增强层和所述基体片材形成复合物；以及

-将复合物放置在预浸料生产工具中，将生产工具加热到高于热塑性材料的熔化温度的温度，使得热塑性材料浸渗增强层的纤维，以便形成预浸料。

背景技术：

这种制造方法是已知的。这种方法用于制造由中间复合材料制成的热塑性预浸料，也称为“有机片材”。接着，对这种预浸料进行成形，并且可选地使其与其他预浸料件关联，以制造具有令人满意的机械特性的轻质成品件。成品件例如在汽车工业中用于形成车身零件、加强或保护板、座椅零件等。

然而，发明人注意到，当复合物经受可能熔化基体的材料以便浸渗纤维的加热和压力时，预浸料中基体材料的分布不令人满意。实际上，在温度和压力的影响下，复合物的热塑性材料趋向于朝向预浸料的周边蔓延，这导致纤维的不均匀浸渗。这种不必要的蔓延使得该方法不适合以要求强可重现性的高速方法来制造具有受控特性，特别是机械特性的预浸料的工业化。此外，该现象产生了热塑性材料的不必要的浪费。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提出一种方法，该方法用于制造具有令人满意的特性的预浸料，提供高生产速度，并且改善热塑性材料对预浸料纤维的浸渗。

为此，本发明涉及一种上述类型的制造方法，其中，

-将复合物加热到高于热塑性材料的熔化温度的温度，而不对所述复合物施加压力；

-将复合物加热到高于热塑性材料的熔化温度的温度，同时对复合物施加高于大气压力的生产压力。

根据本发明的方法尤其使得可以改善热塑性材料对纤维的浸渗。特别地，用于在不施加压力的情况下进行加热的步骤使得可以在热塑性材料不趋向于朝向预浸料的周边蔓延的情况下熔化热塑性材料，并且随后在施加压力的同时进行加热的步骤使得可以获得热塑性材料对纤维的良好浸渗。

根据本发明的具体实施例，该过程还具有以下特征中的一个或多个，这些特征单独考虑或根据任意技术上可以的组合来考虑：

-在将复合物放入生产工具之前，该方法包括以下连续步骤：

-将至少基体片材放置在处理工具中；

-将所述片材加热到低于热塑性材料的熔化温度的温度；

-基体片材与复合物的剩余部分一起放置在处理工具中；

-通过对基体片材施加压力来在处理工具中压碎所述片材；

-处理工具的温度在70℃至200℃之间，并且有利地等于150℃；

-热塑性材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯；

-复合物包括放置在增强层的第一侧上的至少两个基体片材，以及放置在所述增强层的第二侧上的至少一个基体片材；

-复合物包括至少两个增强层，各个增强层被放置在第一侧上的至少两个基体片材与第二侧上的至少一个基体片材之间；

-增强片材具有至少两种不同的纤维取向；

-包括具有至少两种不同纤维取向的所述增强片材的复合物的形成在生产工具外部进行；

-通过生产工具对复合物施加的压力在1巴至20巴之间，有利地在2巴至10巴之间。

【附图说明】

本发明的其他特征和优点将在阅读以下描述时显现，该以下描述仅被提供为示例，并且参照附图来进行，附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的用于在生产工具中通过热塑性材料浸渗纤维之前获得复合物的步骤的图；

图2是在预热之前和之后的复合物的图；

图3至图5是在生产方法的连续步骤期间的、根据本发明的第一实施例的生产工具的示意图；以及

图6是在生产方法的步骤期间的、根据本发明的第二实施例的生产工具的示意图。

【具体实施方式】

根据本发明的方法适合于制造预浸料，也称为“有机片材”。接着对这些预浸料进行成形，以制造成品件，该成品件例如旨在构成机动车座椅零件、诸如门板的装饰元件、主体壳体零件、车体零件等。预浸料10例如采取刚性平板的形式。

预浸料10包括由热塑性材料13制成的基体12，增强纤维16嵌入基体中。

预浸料10的热塑性材料13从至少一种包括热塑性材料13的非织基体片材18获得。热塑性材料13有利地包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。也可以使用pet的衍生物，诸如聚丙烯(pp)的化合物、聚酰胺化合物或其他热塑性塑料。

制造预浸料10之前的基体片材的厚度e0大于或等于1mm，例如基本上等于2mm。相对于通常用于生产由复合材料制成的零件的基体的热塑性材料，例如，聚酰胺(pa)，pet具有便宜的优点。

根据一个实施例，基体片材18仅由热塑性材料形成。该热塑性材料可以是纤维的形式(像在非织物的情况下)或者膜的形式。

基体片材18的每单位面积的质量例如在100g/m²至500g/m²之间，并且有利地等于300g/m²。

根据另一实施例，基体片材18是由pet和增强纤维16制成的热塑性纤维的半预浸料，诸如与增强纤维16和热塑性材料的纤维混合的纤维织物、或与增强纤维16和热塑性材料的纤维共编织的纤维织物。热塑性材料的纤维组成基体片材18重量的至少10％，有利地为30％-60％，而增强纤维16组成基体片材18重量的不超过90％，有利地为40％-70％。

基体片材18中的增强纤维16例如是玻璃纤维、或碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、天然纤维等。基体片材18中的增强纤维16也可以是所述纤维的混合物。

嵌入基体中的增强纤维16还从至少一个包括增强纤维16的增强层17获得。纤维16例如是玻璃纤维、或碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、天然纤维等。增强层17还可以包括所述纤维的混合物。根据一个实施例，增强层17的纤维16具有与基体片材18的纤维16相同的性质。在变型中，它们是不同的。

增强层17的每单位面积的质量例如在100g/m²至1000g/m²之间，并且有利地等于600g/m²。

增强层17有利地具有单向编织纤维、非卷曲织物或由具有随机取向的玻璃纤维制成的层。

选择这种纤维以增强成品件，这例如使得可以在保持令人满意的机械特性的同时减小其厚度。由此，使得相对于仅由热塑性材料制成的零件，复合材料件更轻，同时具有相同甚至改善的机械特性。

有利地，首先，将至少增强层17和基体片材18从存储辊19解绕并定位在彼此上。根据一个特定示例，增强层17被夹在热塑性材料层13之间。

有利地并且参见图1，至少两个基体片材18放置在至少一个增强层17的第一侧20上，并且至少一个基体片材18放置在所述至少一个增强层17的第二侧21上。在变型中，仅一个基体片材18放置在增强层17的第一侧20上，而没有基体片材18放置在增强层17的第二侧21上。所获得的叠层通过使增强层17和基体片材18通过两个制备辊22之间来形成复合物24。可以制造(包括在高速工业环境中制造)具有许多层(例如，8至16层)的叠层，例如每层厚度至少为1mm至2mm。

根据本发明的一个实施例，复合物24由按以下顺序堆叠的层组成：增强层、片材、片材、增强层、片材、片材、增强层。根据本发明的另一实施例，复合物24由按以下顺序堆叠的层组成：增强层、片材、片材、增强层、片材、增强层、片材、片材、增强层。应当理解，层的数量和顺序可以根据要生产的预浸料件和/或成品件的期望性能而变化。

有利地，复合物24包括至少两个增强层17。增强层17例如具有至少两个不同的纤维取向，这使得可以改善预浸料件10在其所有方向上的机械特征。

由此，为了获得包括具有若干不同取向的纤维的预浸料，可以提供包括具有若干不同取向的纤维的单个复合物，然后浸渗该独特的复合物，而不是组合各自包括具有单个方向的纤维的若干复合物。

根据一个实施例，具有至少两个不同取向的增强层17的叠层在以下描述的生产工具28的外部制成。这使得可以与浸渗步骤并行地制备包括增强层17的复合物24，由此可以提高生产速度。由此，该方法使得可以快速且低成本地生产预浸渗零件。更具体地，操作员可以通过在生产工具28外部(例如，生产工具28附近或与该工具分离的另一工位处)堆叠增强层17，来制备复合物24。并行地，生产工具28用于浸渗已经制备的复合物24，以便保留使用生产工具28来浸渗复合物24，这使得可以防止在生产工具28中形成复合物24，由此减少生产工具28的固定时间。

参见图2，在形成复合物24之后，该方法包括处理步骤。将复合物24放置在处理工具26中，并且处理工具26将复合物24加热到低于热塑性材料13的熔化温度的温度。

处理工具26例如由两个加热板形成，在两个加热板之间可以放置增强层17和/或基体片材18。在变型中，处理工具26是压碎工具。

通过处理工具26达到的预热温度在70℃至200℃之间，有利地在90℃至165℃之间，并且更有利地等于150℃。

对于复合物24，处理持续时间在20秒至60秒之间，有利地在25秒至45秒之间。

有利地，处理工具26对复合体24施加处理压力，该处理压力低于50巴，有利地包括在5巴至20巴之间。

具有压碎的预热步骤使得可以减小基体片材18的厚度，由此可以减少暴露于比在随后的生产步骤期间形成预浸料10所必需的热塑性材料13的熔化温度高的温度的时间，稍后将描述这些生产步骤。

在图中未示出的变型中，仅将基体片材18放置在处理工具26中，并且通过处理工具26加热并可选地将其压碎。接着，将这些压碎的片材与增强层17关联，以便形成复合物24。

如图2所示，该处理步骤尤其使得可以减小复合物24中的基体片材18的孔隙率和厚度，以便于制造方法的剩余部分。与厚度大于或等于1mm的非压碎片材相比，基体片材的减小的厚度e1例如基本上等于0.3mm。

有利地，接着通过切割装置(图中未示出)将复合物24切割成若干切割的复合物，各个切割复合物形成复合物24的一部分，并且包括至少一个增强层17和基体片材18。切割装置适于切割复合物24，使得这些切割的复合物中的每一个都具有小于或等于预浸料10将要制造的成品件的对应尺寸的尺寸。

有利地，接下来例如通过缝合或压合将各个复合物24的增强层17和基体片材18接合，以便局部地固定增强层17和基体片材18。缝合优选地以之字形进行。在变型中，增强层17和基体片材18的组装在它们被切割之前或在它们被处理之前进行。而且在变型中，可以在上述的前述步骤之前进行复合物24的层的切割和/或彼此固定。

可以通过在同一平面中组装具有任何期望几何形状的增强层17的块来制造增强层17。由此获得的层又用于通过将它们与基体片材18组装而制造复合物24，基体片材18也可以具有可变的几何形状。由此，可以防止必须切割非常厚的复合物24。

有利地，应力最大的接缝被单向纤维(例如，碳纤维)的条(图中未示出)覆盖，以便增强这些接缝。所述条的纤维被定向为基本上平行于它们覆盖的接缝的发展的大体方向。

参见图3至图5，现在将描述根据本发明的第一实施例的利用生产工具28生产预浸料件10的方法的不同步骤。

根据本发明的第一实施例，各个预浸料件10在由压机30形成的生产工具28中生产。压机30可在打开位置与关闭位置之间移动，在打开位置中，可以将增强层17和基体片材18放置在压机30中，在关闭位置中，压机30作用在这些材料17、18上，以便形成预浸料10。

参见图3，生产工具28包括单个压机30。在变型中，生产工具28包括用于同时生产多个预浸料10的多个压机30。为了避免热塑性材料13在压机30与复合物24接触的表面上的粘附，对这些表面进行有利的处理。

旨在与复合物24接触的压机的表面基本上是平面的且平行。

将压机30加热到高于pet的熔化温度的温度，即，高于260℃的温度。压机30通过集成到压机30中的加热装置来加热，例如，通过感应、微波、传热流体的循环、或电阻或任何其他合适的手段。

压机30包括旨在接收复合物24的空间32。对于pet，空间32在加热期间的温度在260℃至330℃之间。该温度适于使用其他热塑性材料。

如图3所示，至少一个复合物24放置在空间32中，压机30处于其打开位置。表述“至少一个复合物24被放置在生产工具的空间中”在这里意指已经生产的复合物24被放置在生产工具28中，如前所述，或者复合物24在生产工具28中生产。

参见图4，压机30将复合物24加热到高于热塑性材料13的熔化温度的温度，而不对复合物24施加压力。“不施加压力”意指在该加热步骤期间使复合物24处于大气压力下。热塑性材料13在加热的作用下熔化，并且部分地浸渗纤维层17并形成浸渗层34，而不会使得热塑性材料13在对复合物24施加的压力的作用下流向层的边缘。

压机30中没有压力的该加热步骤基本上持续30秒至120秒，并且有利地持续30秒至50秒。

参见图5，接下来关闭压机30。压机30继续将复合物24加热到高于热塑性材料13的熔化温度的温度，同时在空间32中施加生产压力，以便于将热塑性材料13浸渗在增强层17的纤维16中，以形成非固结部分。在热塑性材料13已经熔化的同时施加压力使得可以使这种材料穿透增强层17的厚度，同时极大地限制了其在生产压力的作用下朝向该部分的周边蔓延的趋势。生产压力大于大气压力，例如在1巴至20巴之间，有利地在2巴至10巴之间。在一种变型中，生产压力的值随时间变化。

施加压力的该加热步骤持续20秒至60秒，有利地持续20秒至40秒。

由此，在空间32中，热塑性材料13在空间32中的热和压力的作用下液化并浸渗增强层17的纤维16。所获得的非固结部分是挠性或可塑性变形的。

作为比较，在不存在处理工具26中的处理步骤的情况下，复合物24在加热步骤期间在不施加压力的情况下花费基本上90秒，接着在加热步骤期间在压机30中施加压力的情况下花费60秒，以便获得预浸料10。

接着，冷却非固结部分，以便获得固结的预浸料10。

有利地，压机30还适于由冷却装置冷却。这种装置例如包括布置在空间32附近的管道。冷却流体(例如，水)在管道中循环，以便冷却空间32。在这种情况下，在形成非固结部分之后，保持压机30关闭，主动地冷却空间32，以便使非固结部分固结。“主动地”意指使用压机30的冷却装置，以便加速对位于空间32中的非固结部分的冷却。在压机30被冷却到低于pet的熔化温度的温度之后，热塑性材料13凝固，然后非固结部分在空间32中固结并形成固结的预浸料10。有利地，在冷却期间，在空间32中施加第二压力。第二压力尤其使得可以进一步降低非固结部分的热塑性材料13的孔隙率。

在空间32中固结之后，将固结的预浸料10从压机30取出。

在变型中，代替在浸渗之前将复合物24切割成小于或等于预浸料10将要制造的成品件的对应尺寸的尺寸，在浸渗之后将预浸料10切割成要制造的形状。

在变型中，复合物24在第一压机中加热并在第二压机中冷却。由此，在另一压机中进行冷却，这使得可以将用于制造非固结部分的压机保持在期望的加热温度，而不必交替地将其冷却和加热。

根据图6所示的本发明的第二实施例，在形成复合物24之后，将复合物24放置在包括生产辊42的加热室40中。将加热室40加热到比热塑性材料13的熔化温度高的温度，以便在不对复合物24施加压力的情况下熔化热塑性材料13。生产辊42对复合物24施加生产压力，使得当复合物24在生产辊42之间通过时，热塑性材料13浸渗增强层17的纤维16，以便形成非固结层44。

接下来，将非固结层44切割成具有要制造的预浸料10的形状的部分。

上述方法尤其使得可以获得由复合材料制成的具有厚度e的预浸料10，预浸料10的厚度e有利地在0.4mm至15mm之间。

由于用于在上述生产工具28中在不施加压力的情况下进行加热的步骤，可以在浸渗期间限制热塑性材料13在预浸料10周边的蔓延，这改善了预浸料10的特性。

此外，用于在处理工具26中压碎的步骤使得可以减小基体片材18的厚度，以便于该方法的后续步骤。

而且，通过基体片材18的更大厚度确保了预浸料10的良好机械强度。实际上，由于上述发明，所获得的预浸料10具有大于20gpa的弯曲模量和大于400mpa的断裂强度。例如，本发明使得可以以一半的成本获得具有与由热塑性材料制成的基体制成的有机片材类似的特征的有机片材。

由此获得的预浸料10可以用于制造零件的任何已知方法中，例如冲压和/或包覆成型。