专利名称：由以纤维增强的热塑性塑料制成的构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1的前序部分所定的由以纤维增强的热塑性塑料制成的一种构件，并涉及这种构件的一种制造方法和用于实施此方法的一种设备。
这类已知的以纤维增强的型件和构件，一般说来，要么采用成本上合算的系列方法和只有较小的纤维增强来制造，从而固然可以获得形体的多样化，但却不能完成承载的功能。要么需采用相对昂贵的复杂的方法来制造具有高比率连续纤维成分的结构复合件，这种构件可以实现高要求的承载功能，但其成形却往往受到限制，这就需要增加费用。采用已知的成本上合算的制造方法可以生产出具有较小纤维比率的以短纤维或长纤维增强的型件，而其机械性能则相应地受到限制，如强度、刚性、脆性及蠕变特性。这类方法都可采用例如短纤维压铸法，这种方法可以实现一种非常良好的成形，但由于可用的纤维长度(大都在3毫米以下)很受限制以及增强性纤维所占比率相当小，所以从机械性质上说则是相当弱和脆的。按另一种已知的方法，即长纤维挤压法，可以用超过5毫米例如10-30毫米的较大纤维长度，这样的纤维长度在良好固结的条件下可以部分地改善机械性能，主要还是降低热膨胀。已知有各种方法，可以用来实现长纤维熔融料的符合于模型要求的供料，例如利用输送带和刀片以分开模型中的熔融料，或者利用一种符合EP 769 358的可控制的布料装置。借助一种符合模型要求的供料，可以实现短的流程和保护长纤维。但即使这样也不能得到承受负荷的结构。能满足特定要求的承受负荷的构件，如用于车辆驾驶室的构件、底盘部件或承受负荷的车身部件，或者还有用于轻的但坚固的运输容器、体育器械等的构件，都是不能用这些已知的方法制造出来的。在车辆制造上对承受负荷的构件的高机械性要求，除了高强度值首先还要求高蠕变强度和有利的、可确定调节的、具有高的能量吸收的抗撞击特性。符合要求的这种承受负荷的构件都可以用以连续纤维增强的复合部件做成，但它们都需要以复杂的昂贵的制造工艺为条件。这些工艺例如平面热塑性连续纤维半成品的挤压成型(有机板材压制)，但这种工艺方法只允许实现一种有限的成形，或者还得付出更大费用才能实现较为复杂的成形。用高强度的热固性塑料复合材料做的承载构件在制造上也是很复杂和昂贵的，一般都要求相当长的周期时间并且还会带来有关回收利用的附加问题。因而，它们在车辆制造业中不适用于规模较大的成批生产。
因此，本发明的任务是克服已知的方法和构件的上述局限性或缺点，提出一种承受负荷的构件，并且为一种构件提供一种相应的制造方法以及一种用于制造的设备，这种构件能可靠地完成符合要求的承载功能，而且这种构件是可以在成本上合算而又可按不同形状生产的，借此还可以达到一次成批生产所用周期时间短的目的。此外还可能实现一些附属功能，例如将力引入到该构件中。
按照本发明，上述任务是通过权利要求1所述的一种构件、权利要求21所述的一种方法和权利要求35所述的实施该方法所用的一种设备加以解决的。
利用本发明就能基本上使可实现一个广泛成形范围的长纤维压制成型件的优越性能用高的机械性能相结合，这就形成一个完整的承载负荷的支承结构，它至少具有一个连续纤维股的传递力的内连接区，这样可以用简单的方式按一种制造方法生产出轻的并能承载负荷的构件和型件，而且其生产成本相对合算，周期时间短。
各项从属的权利要求涉及本发明的一些有利改进，这些改进对各种不同用途而言在下述方面体现出特别的优点可生产性，机械性能，重量，生产成本，以及附加功能。
下面将根据一些实例并参照附图对本发明做进一步说明。附图表示
图1a、b一连续纤维股的横断面和本发明提出的在内连接区的构件；图2、3在构件中作为支承结构的连续纤维股布置；图4、5加捻和包络的连续纤维股；图6a、b在一连续纤维股上的一个承受力的衬套；图7带有内衬的构件；图8、9具有三维轮廓横断面的构件；图10外连接区；
图11由多个构件组成的一个结构件；图12由两个半壳体合成的一个结构体；图13带有布放好的连续纤维股的输运栅架；图14具有两层连续纤维股的一个构件；图15带有桁架式支承结构的一种车辆侧壁；图16带有成形在其中的索眼的连续纤维股；图17在一连续纤维股的端头上的一个保持元件；图18连续纤维股定位用的一种可移动的固定销；图19a、b制造各种构件用的设备；图20a、b在一模具中布置路程的形成；图21布置路程的热调节；图22a、b、c连续纤维股布放用的导引和加压装置；图23a、b作为具有过渡区域的接触面的连接层；图24a、b、c两支连续纤维股的传递力的内连接区；图25带有固定和张紧元件的连续纤维股的承载结构布置。
图1a、1b例如表示出用纤维增强的热塑性塑料制成的一种构件的构造。图1a示明一连续纤维股3的横断面，图1b示明两支连续纤维股的一个传递力的内连接区7。构件具有一个成形的以长纤维增强的热塑性本体2和一个构成一体的承载负荷的支承结构4，该结构由起固定作用的连续纤维股3同热塑性本体构成。在这里最重要的是，长纤维本体和连续纤维本体必须彼此能如此相容地结合，使得它们能在它们的对向接触表面6(交界面)上彼此熔合起来，即热塑性地连接起来。支承结构4在两个连续纤维股3之间至少有一个传递力的内连接区7。为了在接触表面上达到特别良好的接合，接触表面6可以至少部分地设计成接合层6a，这些接合层在长纤维本体2和连续纤维股3之间形成一个过渡区。这一点还将在图23a和23b中做进一步说明。有利的做法是，为了实现最佳的接合和从连续纤维股3至长纤维本体2的力传递，接触表面6也可以设计成具有结构上不平构形的加大接触表面6b。这一情况也在图4、5中绘出。
图1b示明在两个连续纤维股3之间的一个传递力的内连接区7，这两个连续纤维股对支承结构4的机械稳定性具有决定性的意义。为了实现良好的力传递，必须为此制出一个最佳的热塑性的连续点，最好在较大的接触表面F7上。为了达到这一目的，在连续区7上的连续纤维股3是强加平整和扩展的。为此的进一步示明见图24a、b、c所示。
根据对最终得到的构件的不同要求而定，连续纤维股3可以按不同形式加以使用，这里不仅涉及其横断面形状(圆的、扁平的等)，而且也涉及其成份和表面结构。因此，例如可使用UD-纤维，玻璃纤维增强的塑料半制品，并合的多股玻璃丝，补编性织物带，针织物层或纤维质层。
上述支承结构4的例子见图2和3中所示，依此，连续纤维股3最好形成至少一个封闭的具有一传递力的内连接区7的网眼10。作为例子，图2示出一个封闭的网眼或圈环10，以之作为车辆后盖95的支承结构和外框，车辆后盖的形状是由长纤维本体2形成的。
图3表示一个支承结构4，其上的连续纤维股依不同方向伸延，形成一个框形样式11，并在一个内连接区7上彼此热塑性地连接起来。构件的支承结构4这时可以由一个连续纤维股形成或者也可以为此使用多个纤维股，根据需要它们可具有不同的强度和横断面形状。重要的是在长纤维本体2和连续纤维股3之间要达到材料接合的目的，因此这两个元件的本体材料最好是同一的，但至少也必须是相容到如此程度，使得这两种材料能在交界面6上通过扩散而彼此混合起来。
适合于作长纤维增强体2和连续纤维股3的本体材料的有聚丙烯(PP)，聚酰胺(PA)，对酞酸多乙烯醇酯(PET)，对酞酸聚丁烯(PBT)，热塑性聚氨酯(PUR)，聚碳酸酯(PC)，均可以作为满足有关用途的比较合算的技术性塑料；而聚酰亚胺(PI)、聚苯撑硫(PPS)或Polyetheretherketon(PEEK)可以考虑用于特殊要求的用途。
作为连续纤维股3的增强纤维13，最好使用玻璃纤维；对于有特殊要求的应用，也可使用碳纤维或Aramid纤维，而用于长纤维增强体12通常用价格便宜的玻璃纤维就足够了。
利用支承结构4的连续纤维股就能使构件获得高的机械性能，而长纤维增强体12则起着一种成型和支撑功能。为此，重要的是在连续纤维股和长纤维增强之间，要达到非常良好的接触和良好的力传递，为了这一目的，长纤维增强体也应具有足够高的纤维成分，以便能借助将热膨胀上的差异减小到最小程度。因此，长纤维本体的增强体至少应有10体积百分数的纤维成分，最好具有15-25体积百分数的纤维成分。与此同时，连续纤维股13所具有的纤维成分至少为40体积百分数，最好为45-60体积百分数。
为了能够分别按照落放路径39(图3、13)良好地弯曲连续纤维股，和按照需要使之成形，最好将它们按图4加以捻合。为了在挤压时也能将连续纤维股3良好地保持在一起而不松散，也可将它们加以包绕(图5中的16)或者用一个编织的软套17加以包覆。这样还能够达到一个具有符合设计结构、扩大的构形的接触面6a。利用针刺结合法18还可进一步有利地改进接触，利用此法各个纤维端头朝各个方向从连续纤维股3伸出，从而进入到熔合的长纤维主体2中。图4示出一个圆的横断面，图5示出一个扁的横断面。连续纤维股3具有大部分纵定向的连续纤维，这些纤维是与本体材料完全浸渍的、致密的和紧固的。在生产紧固的连续纤维股时，也可以进行不同强度的捻合，这要根据在布放路径上布放时是否出现较大或较小的弯曲而定，这就是说，在较强的弯曲范围内连续纤维股可以有一个相应较强的捻合，在较弱的弯曲范围内可以有一个很小的捻合。如果没有出现侧向弯曲，也可使用无任何捻合的扁平的股，即基本上是UD-股(单向股)。
采用流动挤压法生产的长纤维增强体最好具有比采用喷射法所生产的更长的纤维长度。为此，纤维的大部分至少具有5毫米的长度，于此，纤维长度最好大体上能在10-30毫米范围内。重要的还是长纤维增强体无缺陷的浸渍、混合和固结。
由于增塑了的连续纤维股3在按任意方向布放时有可能被移动和变形，所以也可用简单方式使承受力的插入体21，如图6中所示的，与连续纤维股结合起来，或者由连续纤维股缠绕起来。这样，承受力的元件例如固定元件。如车辆室中的安全带拉紧件便可制造出来(图15)。
图6a以断面表示和图6b从上方示出一个二部件式插入体21的一个例子，该插入体借助模型的关闭而被一起挤压到所要求的位置，并且由此利用一个升起的侧壁19能够将连续纤维股3附带地按确定方式拉紧。在插入体中配有螺纹20。在图6a的右边有连续纤维股3的搭接点，该连续纤维股在这里相应地受到较多的挤压，因而有些变形。
根据对构件的要求而定，除了插入体之外也可以结合其它嵌体，如图7中所示。这里例如是，一个带有平头的高强度连续纤维增强的管形体23同一个连续纤维股3相连接，在此还有一个局部的连续纤维织物填充体24支持力的引入。无缺陷的各元件热塑性连接总是至关重要的。
本发明提出的构件的其他设计和成形的可能性见图8和9中所示，图中表示出立体的“轮廓横断面”26.27。图8示明的是一个由三个连续纤维股3.1-3.3组合而成的略微打开的U-轮廓，它经过一个加筋28而与长纤维本体2相连。
图9例如表示一车辆驾驶室的框架桁架27的横断面，该桁架有一个用于安放车窗玻璃片的凸缘29，而且它还有加固筋28，以之与承受力的异型的扁的连续纤维股3相结合。
有利的做法是根据实际应用可以在构件上设计出开放的外连接区8，它们是连续纤维股组成，以便借此确保最大可能在将力引入到构件中，这一点如图10中的示例通过相应的模具部件51.1、51.2(参见图19)所示明的。这样，结构体90便可按任意方式由多个单体构件1组装而成，依此这些单体构件便可在外连接区8(最好由连续纤维股形成)上彼此连接起来。这一点最好能通过焊接或者必要时通过粘接的方法来加以实现。与内连接区7相类似，这些外连接区8最好也设计成具有大的表面积。
图11所示的例子表示一个车辆室，它由一个底部组件96、两个侧壁97、一个后部98和一个前部99通过连接区8组装而成。
图12表示一结构体的另一个例子，该结构体由两个构件1(这里设计成半壳体)组装而成包括一个U-型件92和一个盖件93，它们共同构成具有不同连续纤维股3横断面形状的空心轮廓桁架91。
下述方法适用于制造本发明提出的构件。该方法例如可采用如图19中所示的一种设备来加以实施将一种增塑的、长纤维增强的塑料按照准确的形状要求堆积在一压制机上的一个开放的二部件式模具51.1、51.2中，其中，在同一个周期中利用一布放装置54，将固结的、增塑的连续纤维股3在以长纤维增强的本体之前和/或之后局部地确定沿着给定的布放路径39布放到模具中，并利用固定结构40就位保持到如此程度，使得随着模具51的压制和闭合而产生一个合乎要求的连续纤维股3的支承结构4，与此同时随着压制工序的进行首先还同时地在长纤维本体2和连续纤维股3之间的接触面6上造成一种无缺陷的热塑性连接。
为此，最好是首先将连续纤维股3布放到下模具51.1中，然后将长纤维增强的本体送入其中，随后即进行压制。
根据本制造方法的另一种方案，为了成形一个预定型的支承结构4a，可以将连续纤维股3布放在一运输栅架31上，随后加以固定，然后转送到一个开着的模具51中(参见图19b)。在此，连续纤维股3的布放和长纤维本体2的送入模具中可以依次和同时地进行，这样可达到缩短制造周期的目的。图13表示这样一种输送栅架31，用来将连续纤维股布放到一转送框架33中的置入栅架32上，借以转送到压制机中。置入栅架可以用一种粗网目的织物栅格体(例如具有4-10毫米的网眼大小)做成，在压制工序完成之后保留在构件中。然后转送框架33配上一个新的置入栅架32，以实现新的循环。由于连续纤维股熔入到置入栅架中，从而能达到符合于所要求的布放路径39的非常良好的固定。作为柔性置入栅架，例如也可以使用玻璃纤维网栅。借助在模具51上的压制，便可使支承结构4a、4获得所要求的三维形体。但也可以使用轻的、形状固定的金属丝网栅，利用这种网栅可以生产出一种三维的预定型的支承结构4a。输送栅架31也只能遮盖连续纤维股3的布放路径39所在的部分区域。另一个方案是将预成形的支承结构4a布放在压制机外面的一个加热过的辅助模型35上，如就图19b所说明的。
图14表示一个具有两层连续纤维股3.1和3.2的构件，这两层连续纤维股相当于部分结构4.1和4.2。这可以按下述方法制造出来首先将连续纤维股3.1放到下半模51.1中，然后将长纤维本体2置入，并进行第一次压制。然后将模具和压制机再打开，在长纤维本体2上将第二层连续纤维股3.2所用的布放路径在表面上通过局部加热而熔化上去，随即将第二层连续纤维股3.2放好，接着加以压制，使之与长纤维本体2实现热塑性连接。上述熔化例如可以通过IR-加热(红外加热)来实现，以达到完全热塑性连接的目的即可。
图15作为例子示意地表示出连续纤维股沿着一布放路径39的布放情况，以之用于作为构件的车辆侧壁，在此这些纤维股构成一个构架式的支承结构11。连续纤维股3在这里由固定销61、偏转元件62和插入件21(在此是安全带-扣紧点)而固定在布放路径39上(亦请参看图6和18)。在此情况下，一个或多个连续纤维股3(在布放路径上的某些点可双倍或多倍定线)可以与内连接区7相结合加以布放。
连续纤维股3的布放和固定例如可以按下述方式来实现-首先将一个连续纤维股的始端3A固定在模具51上，随后在轻微张力下布放下来，并将它的末端3E在继续保持所测定的张力下固定在模具51上，-将连续纤维股3借助布放装置54如此定量地压紧在模型上，使得该纤维股平躺在模具51中，并获得所要求的位置和横断面形状(图22)，-连接纤维股3至少在一个局部即在始端3A处在布放路径的方向变化时和在终端3E处熔合在模具上(图21中的41)，-连续纤维股3通过与较冷的模具51的接触而硬化到如此程度，使得它们在压制时固定地保持在模具上，但它们这时另一方面在它们的接触面6上又完全地与热态填充进来的长纤维本体2相熔合，-在熔化状态中，通过压制和部分地固化，在连续纤维股的始端3A和末端3E上熔入索眼43(图16)，所成形的这些端头3A、3E在布放连续纤维股3之后通过热的长纤维熔体在表面上再次熔化开和热塑性连接起来。
-在熔化开的连续纤维股的端头3A、3E上熔合上带有插入孔46的保持元件45，在布放好热的长纤维本体2之后与之熔接起来(图17)。
图16表示一连续纤维股的端头3A或3E，在熔融状态时在该端头上成形出一个索眼43，该索眼在再固化状态中可以插在模具的一个固定销61上，以之用于布放目的。
图17表示保持元件45，该元件熔接在连续纤维股的端头3A、3E上，而且在该元件中冲压出一些插入孔46，以之用于固定在固定销61上。按图中所示的例子，制出两个保持元件，是沿着分离线47通过冲压方法产生的。保持元件45最好用与连续纤维股3相同的材料做成。索眼43和保持元件45也可以布置在连续纤维股3之内。
也可以在设备(图19)上配置一些固定机构，以之用于将连续纤维股在制造过程中固定在所要求的最终位置上。如图18中所示，还可以为连续纤维股例如插入固定销61或偏置元件62(图2，15)以达到上述目的，它们被布置在模具51.1的下部。
上述固定销61和偏置元件62也可以设计成活动的(63)，并且在适当选择的偏压65条件下可以将之朝上压。在关闭压制机时，固定销然后通过模具的上部51.2朝下推移。固定销61的这一运动也可以利用一可控驱动装置64来实现，例如电驱动或采用液压活塞形式，这种活塞也可用于脱模。固定销61也可以布置在被制造的构件的外面，不过当然还是在模具中。伸出的部分然后可在制造完成之后加以切除(参看图3和10中的分离线47)。
在压制和压挤时，通过位移轴线60的倾斜布置又可取得一种夹紧效应(如图6a的例子中所示)。
图19a表示生产构件用的一种设备，它配有一个长纤维增塑和供给装置52；一个装在一压制机56上的两部件式模具51.1、51.2；和一个连续纤维股增塑装置53，该增塑装置有一个所属的布放装置54；还配有一个控制装置57，用于设备各部分的及时配合的运动导引和用于温度调节，用于连续纤维股3的布放和用于长纤维熔体2的符合模型要求的供给，以及用于连续纤维股3和长纤维本体2的热塑性连接。
在如图19a所示的设备上，将预定型的支承结构4a通过布放装置54直接布放在模具51中并加以成形，而图19b则作为一个方案示明预定型的支承结构4在压制机外面的成形，并随即利用一转送装置55转送到压制机56上的模具51中。为此，由增塑的连续纤维股3做成的预成型件4a被布放在一个辅助模型35上或一个合适的衬垫上，经过轻微冷却到熔点以下，从而达到充分形状固定的状态，然后被转送到模具51中，在此再加热到这样的程度，使得随着热的长纤维本体2的填入和随着压制的相继进行而在连续纤维结构4和长纤维本体2之间的接触面6上达到一种完全的热塑性连接。或者将预成形的支承结构4a布放在一个输送栅架31上(图13)，并连同该栅架送到压制机中。对于材料聚丙烯-玻璃的合适处理温度例如是对于形状固定时的转移为140°～150℃，对于热的长纤维本体2为230℃-250℃，对于压制时的接触面6为至少200℃。
图25表示固定元件和夹紧元件的不同例子，利用这些元件将一个由连续纤维股3.1至3.4构成的预成形的支承结构4a在压制时如此固定和保持在模具51中，使得在压制完成之后所要求的成为一体的支承结构4产生在长纤维本体中。为此，在这里的下部模具51.1上布置了不同的固定元件61、保持元件45、偏置元件62和夹紧元件80。还有例如用轻金属薄板制作的可压合起来的夹紧元件81也可以用来将连续纤维股夹紧而保持在一起。利用上述方法还可以附带同时地在构件1的一边加上例如装饰性表面85(图19a)(例如用于图2所示的车辆后盖95)。连续纤维股3或者支承结构4则集成在构件的另一边上。通过平面的构件的这种两边的装入或布放便可大大减小热变形挠曲现象。
图20-22表示该设备的其它导引装置和固定装置。在图20a、b中示出模具51中的造型点，例如图20a中的凸台67和图20b中的沟槽66，连续纤维股就是布放在这些沟槽中，并且在挤压时被保持在确定的地方即保持在预定的布放路径39上。
图21表示在布放路径39上或者造型点如沟槽和凸台上的热调节。这一点可以例如在一个热绝缘层73中实现，该热绝缘层可减小连续纤维股的冷却。也可以设置一个热调节74，借此可根据工艺步骤加热或冷却连续纤维股3。一种表面结构75，如果愿意要的话，同样可以加强连续纤维股3在模具51上的局部固定。
图22a至c表示布放装置54的导引装置和施压装置。连续纤维股在此通过导引辊68而被引导在布放路径上，并通过适当控制借助施压辊69而使之变形和受压到如此程度，以致于一方面能出现所要求的横断面形状，另一方面又可将连续纤维股压紧和固定在模具51上。布放装置54还可以具有两个或多个在布放时可更换的施压辊(69.2)，以便借此产生不同的造型例如在连接区7处的造型。
本设备还可以配备一个固结装置58以用于连续纤维股。连续纤维股例如可以用连续纤维粗纱做成，这种粗纱是以本体材料浸渍的，而且是在合适的加捻下加以致密和紧缩的。或者也可以用UD(单向的)-丝带(线带)来进行改形。
本设备的另一个变体包括一个用于连续纤维股的储存器59，从该储存器中提取按一定长度剪切的和紧缩的连续纤维股3，将之完全熔开并加以布放。这时最好将储存器59中连续纤维股预加热到接近其软化温度。
如有必要，也可以在本设备上配置一个加热气体或保护气体调节装置71，以便于一方面防止本体材料的氧化，另一方面根据工艺步骤局部定量地加热或冷却连续纤维股和布放路径39。
图23表示连续纤维股和长纤维本体之间的接触面6上的最佳连接。图23a表示接触面6，该接触面设计为连续层6a，其层厚d可以小于1毫米，例如是0.1至0.5毫米。此连接层是由一个混合区或过渡区形成的，在连续纤维成份的比率逐渐减小，而长纤维成份比率则逐渐增加，这样就能实现连续纤维股3和长纤维本体2之间的特别良好的热塑性连接。这种连接层或混合层6a例如可以通过带有耸出的纤维的连续纤维股的起毛、针刺或凸纹状表面来产生。这样就可实现由连续纤维股和长纤维层的纤维混合体形成的紧密接触，而且具有相应均衡的机械性能过渡而没有突然的变化。在图23b中表示出这一点，该图示明在过渡区中E-模数(弹性模量)(依EF-方向)的曲线。沿着层厚d时，E-模数在这里连续地从连续纤维股3的高值降到长纤维本体2的低几倍的值。
图24a、b、c示明两个连续纤维股3.1、3.2之间的内连接区7处的良好的力传递例子。在图24a中，在两个相交的连续纤维股之间加入一个由长纤维材料组成的薄中间层9，该中间层有助于防止有害的空气夹杂，因为在压制时可能出现的空气夹杂物可以相当好地通过长纤维本体被导引出去。此外，这个连接区还可以设计成特别大表面积区F7。在图24b中，两个连续纤维股3.1、3.2经过一个扩展的区域F7依纵向彼此连接起来，该区域此外是扩大到约两倍，而且也是特定设计或成形的，以达到扩大相互接触的表面积的目的。超过这一设定是有利的，如果连续纤维股3的层厚d3至少和在其上面的长纤维本体2的层厚d2一样大的话。图24c表示一个带有凸缘的三维U-形轮廓的一个例子，它是在一连接区7由两个连续纤维股(在这里作为平的丝带3.1、3.2)组合而成的。这个传递力的连接区7也是设计成具有大表面积(F7)的。通过处于其间的由长纤维本体形成的加筋所补充，从而获得一个抗弯曲的轮廓。
总起来说，在布放连续纤维股时，和为了成形具有内部传递力的连接区的支承结构，必须满足下述一些重要的准则a)连续纤维股必须位置确定地准确布放在布放路径上；和b)必须按所要求的横断面形状布放，
c)在压制时它们不允许移位或变形，所以在压制完成后的最终状态中的支承结构4处于所要求的位置和横断面形状中，d)它们必须与长纤维本体在接触面6上熔接；以及e)与支承结构4最终在内部连接区7以传递力的方式熔合。
例如可采用下述方法来达到以上的准则-将连续纤维股固定在始端3A上，并且沿着布放路径在一些必要的点上按照它们的形状固定和夹紧在转向装置和固定销上；-通过压紧和熔接将它们固定在模具的底上；-借助模具的相应成形而具有凸台和沟槽将所布放的连续纤维股牢固地保持住以防止其移位；-如此加入和分布长纤维本体，使得在压制时在连续纤维的布放路径上只出现长纤维本体的最小流动路程；-加入一个预成形的支承结构4a，固定之，并利用模具的压制相应于模型地获得最终形状4；-连续纤维股的工艺控制和热调节的目的是，使得连续纤维股的表面作为接触面在压制时与长纤维本体相熔合。
因此，按照简单而成本合算的方法，以较短的周期，可生产出本发明提出的轻质而稳定的支承性构件，即轻结构的构件，而且在很大程度上可实现任意造形。
在本说明书范围内所使用的名称代号如下1 构件2 长纤维本体3 连续纤维股3A 3的始端3E 3的终端4 支承结构4.1，4.2 部分结构4a 预成形的支承结构6 接触面6a 连接层6b 具特定结构的(具凸纹的)接触面7 内连接区
9 薄的中间层8 外连接区10 网栅11 桁架式12 长纤维(LF)增强13 连续纤维(EF)15 EF加捻的16 EF加绕的17 EF编织的18 针织的19 侧面，升起的20 螺纹21 插入体，承受力的22 填充体23 管型件24 织物内衬25，26，27 三维的轮廓横断面28 加筋29 凸缘31 输送栅架32 内置栅架33 转送框架35 辅助模型39 布放路径41 熔融体43 3上的索眼45 保持元件46 插孔47 分离点，分离线50 设备51.1，51.2 下半模，上半模52 LF-增塑和进料装置
53 EF-增塑装置54 布放装置55 转送装置56 压制机57 控制装置58 EF-固结装置59 EF-股储存器60 倾斜移位轴线61 固定销62 转向元件63 活动的64 可控制的驱动装置65 预应力66 51上的沟槽67 凸台68 导辊69 加压辊71 保持气体/加热气体调节装置73 热绝缘的74 热(温度)调节的75 凸纹状表面80 张紧元件81 夹紧元件85 装饰材料90 结构体91 空心型桁架92 带有加筋的U-形轮廓型材93 盖体95 后盖96 底部组合体97 侧壁98 后部
99 前部EF 连续纤维LF 长纤维E E-模数(弹性模量)d 6a的厚度d2 2的厚度d3 3的厚度F7 大面积的权利要求
1.由以纤维增强的热塑性塑料制成的构件(1)，其特征在于有一个成型的、以长纤维增强(LF)的热塑性本体(2)和一个与之成一体的承受负荷的支承结构(4)，该支承结构由与热塑性本体相固结的连续纤维(EF)-股(3)做成，其中，长纤维本体和连续纤维本体是在一定程度上相容的，从而使得它们在它们的相互的接触面(6)(交界面)上相熔合或热塑性地相连接，而且支承结构4的连续纤维股3具有至少一个传递力的两个连续纤维股的内连接区(7)。
2.按权利要求1所述的构件，其特征在于接触面(6)至少部分地设计为连接层(6a)设计，该连接层在长纤维本体(2)和连续纤维股(3)之间形成一个过渡区。
3.按权利要求1或2所述的构件，其特征在于接触面(6)设计为具有凸纹状的不平构形的表面(6b)。
4.按以上权利要求之一所述的构件，其特征在于支承结构的连续纤维(EF)股至少形成一个封闭的网栅(10)。
5.按以上权利要求的任一项所述的构件，其特征在于连续纤维股朝不同方向伸延，并在传递力的内连接区(7)中桁架式(11)地彼此热塑性地连接起来。
6.按以上权利要求的任一项所述的构件，其特征在于长纤维增强(12)的本体材料和连续纤维股的本体材料最好是同一的，但至少在一定程度上是相容的，使得这两种材料可以通过扩散在接触面(6)上彼此混和起来。
7.按以上权利要求的任一项所述的构件，其特征在于长纤维增强(2)的本体和连续纤维股(3)的本体的成分是聚丙烯(PP)，聚酰胺(PA)，聚乙烯对苯二酸酯(PET)，聚丁烯对苯二酸酯(PBT)，热塑性聚氨酯(PUR)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯酸酯，聚酰亚胺(PI)，聚苯撑硫(PPS)或聚醚酮(PEEK)；连接纤维股的增强纤维(13)最好由玻璃、碳或氩酰胺组成，长纤维增强(12)最好以玻璃为成分。
8.按权利要求1所述的构件，其特征在于长纤维本体的增强(12)所具有的纤维率为15-25体积百分比；连续纤维股(13)所具有的纤维率至少为40百分比，最好为45-60体积百分比。
9.按权利要求1所述的构件，其特征在于连续纤维股是加捻(15)的。
10.按权利要求1所述的构件，其特征在于连续纤维股是针织(18)的，绞绕(16)的，或者由一编织(17)的软套包覆的。
11.按权利要求1所述的构件，其特征在于长纤维增强(12)具有大的纤维率，其长度至少为5毫米，其中纤维长度最好大部分在10-30毫米范围内。
12.按权利要求1所述的构件，其特征在于承受力的插入体(21)(例如安全带扣)是成一体的，它们直接与连续纤维股(3)相连接，或者由连续纤维股包绕。
13.按权利要求1所述的构件，其特征在于其它的填充体(22)是集成的，例如高强度的以连续纤维增强的管型件(23)和/或局部的连续纤维织物内衬(24)，它们同连续纤维股相连接，并与长纤维本体相熔合。
14.按权利要求1所述的构件，其特征在于连续纤维股形成“三维的”轮廓横断面(25，26，27)。
15.按权利要求1所述的构件，其特征在于设定了连续纤维股的外连接区(8)。
16.按权利要求1所述的构件，其特征在于连续纤维股(3)的层厚度(d3)至少是与在其上的长纤维本体(2)的层厚度(d2)一样大。
17.按权利要求1所述的构件，其特征在于传递力的连接区(7)都是设计成大面积的(F7)。
18.按权利要求1所述的构件，其特征在于连接区(7)都有一个薄的长纤维中间层(9)。
19.由至少两个按权利要求1所述构件(1)组成的结构体(90)，这些构件最好在连续纤维股的外连接区(8)彼此连接起来。
20.具有至少两个按权利要求1所述的构件(1)的结构体，这些构件是设计成半壳体的，并彼此相连接，而且例如呈带有一盖体(93)的U-型(92)形状形成一个空心轮廓桁架(91)。
21.按权利要求1所述的构件的制造方法，其特征在于将一种增塑的、以长纤维增强的塑料本体(2)布放在一压制机上的一个开放的两部件式模具(51)中；在同一个周期中，在加入以长纤维增强的塑料本体(2)之前和/或之后，利用一布放装置(54)或一转送装置(55)将一个预成形的带有内连接区(7)由固结的、增塑的连续纤维股(3)构成的支承结构(4a)布放在模具中并加以成形，或者在外面成形并转送到模具中，并用固定装置如此地保持在该处，使得随着模具的压制和关闭而获得一个合乎要求的连续纤维股(3)的支承结构(4)，并且借助压制而在长纤维本体(2)和连续纤维股(3)之间的接触面(6)上实现一种热塑性连接。
22.按权利要求21所述的方法，其特征在于首先将连续纤维股(3)沿着一个预定的布放路径(39)放到下模具(51.1)中，然后将以长纤维增强的本体(2)放在其上，并即进行压制。
23.按权利要求21所述的方法，其特征在于将用于构成预成形的支承结构(4a)的连续纤维股(3)布放到一个输送栅架(31)上，并固定于其上，随后将之转送到开着的模具(51)中。
24.按权利要求23所述的方法，其特征在于首先将以长纤维增强的本体(2)布放到模具中，然后将带着连续纤维股(3)的输送栅架(31)转送到开着的模具中，最后进行压制。
25.按权利要求21所述的方法，其特征在于首先成形出预成形的支承结构(4a)，并将之冷却到其形状固定的程度，然后将之转移到模具中，将之固定，可能的话在其表面上加热到如此程度，使得它在压制时能同热的长纤维本体(2)完全热塑性地连接起来。
26.按权利要求21所述的方法，其特征在于首先将由连续纤维股做成的一个第一分部结构(4.1)固定在模具中，然后加入长纤维本体(2)并加以压制，随即再加热并将由连续纤维股做成的一个第二分部结构(4.2)放入，利用第二次压制过程而完全热塑性连接起来。
27.按权利要求26所述的方法，其特征在于首先将形成一个分部结构(4.1)的连续纤维股(3.1)布放到下半模(51.1)中，然后加入长纤维本体(2)并进行第一次压制，随即将压制机和模具再打开，将长纤维本体(2)上用于第二层连续纤维股的布放路径通过局部加热在表面熔化开，立即将形成一个第二分部结构(4.2)的连续纤维股(3.2)放好并进行压制，使之与长纤维本体(2)热塑性连接起来。
28.按权利要求21所述的方法，其特征在于首先将一个连续纤维股的始端(3A)固定在模具上，然后在轻微张紧下布放好，再在保持一定张紧度的条件下将连续纤维股的末端(3E)固定在模具(51)上，例如使用夹紧装置(80)。
29.按权利要求21所述的装置，其特征在于将多个连续纤维股(3)依次以内连接区或相交区(7)上下布放好，使得产生出一个桁架式支承结构(11)。
30.按权利要求21所述的方法，其特征在于连续纤维股(3)通过布放装置(54)如此分配地压紧在模型上，使得连续纤维股平躺开，并能在模具(51)中获得所要求的位置和横断面形状。
31.按权利要求21所述的方法，其特征在于连续纤维股(3)或支承结构(4)至少局部地，即在始端(3A)在布放路径改变方向处和在终端(3E)处，熔接在模型上(41)。
32.按权利要求21所述的方法，其特征在于连续纤维股(3)通过与较冷的模具(51)的接触而硬化到这样的程度，使得它们在压制时保持固定，但另一方面在它们的接触面(6)上又可以完全地与长纤维本体(2)相熔合。
33.按权利要求21所述的方法，其特征在于至少在一连续纤维股的始端(3A)和末端(3E)或者也可以在连续纤维股的内部，在熔融状态中借助压制和局部硬化，熔入用于固定的索眼(43)；这些已成形的端部(3A、3E)在布放好连续纤维股(3)之后借助热的长纤维熔体在表面再被熔化开，并连接起来。
34.按权利要求21所述的方法，其特征在于至少在端部(3A、3E)或者也可在熔接的连续纤维股内部熔接上带有插孔(46)的保持元件(45)，这些保持元件在布放热的长纤维本体(2)时与之相熔合。
35.为实施按权利要求21所述方法用的设备(50)，其特征在于其长纤维增塑和进料装置(52)、压制机(56)上的两部件式模具(51)和连续纤维股增塑装置(53)，配有布放装置(54)或转送装置(55)，还配有一个控制装置(57)以用于设备各部分时间上协调的运动导向和温度调节，该设备用于布放连续纤维股(3)或用于成形带有内连接区(7)的预成形的支承结构(4a)，和用于按照形状要求进给长纤维熔体(2)，以及用于连续纤维股(3)和长纤维本体(2)的热塑性连接(6)，以及利用所属的固定装置(61，62，66，69，75，80)在制造过程中固定连续纤维股(3)，从而得到所要求的集成的支承结构(4)。
36.按权利要求35所述的设备，其特征在于固定元件和夹紧元件如固定销(61)和转向元件(62)以用于固定连续纤维股，这此元件都布置在模具(51.1)的下部。
37.按权利要求36所述的设备，其特征在于固定销和转向元件都是活动的(63)，而且可抵消预应力(65)通过模具的上部(51.2)在关闭压制机(56)时而被推进。
38.按权利要求36所述的设备，其特征在于固定销具有一个可控制的驱动装置(64)，而且可用于脱模。
39.按权利要求36所述的设备，其特征在于固定元件和夹紧元件(61，80)被布置在待制造的构件(1)外面，但还是在模具(51)中。
40.按权利要求35所述的设备，其特征在于模具有特定的构形如沟槽(66)和凸台(67)，利用这些构件在进行压制时可将已布放好的连续纤维股(3)保持在原位上。
41.按权利要求40所述的设备，其特征在于所述构形即布放路径(39)在模具中是热绝缘的(73)或热调节的(74)。
42.按权利要求35所述的设备，其特征在于布放装置(54)具有导引装置、成形装置和加压装置，例如呈以导辊(68)和加压辊(69)的形式。
43.按权利要求35所述的设备，其特征在于配备了一个输送栅架(31)，用于布放支承结构(4a)的连续纤维股，在转送框架(33)中带有一个内置栅架(32)，以用于转送到压制机中，其中，内置栅架(32)在压制之后便可集成在构件(1)中，转送框架则配上一个新的内置栅架以进行下一个循环。
44.按权利要求35所述的设备，其特征在于配置了一个固结装置(58)以用于合并连续纤维股。
45.按权利要求35所述的设备，其特征在于配备了一个用于连续纤维股的加热的储存器(59)，从该储存器中提取定尺切剪的加以固结的连续纤维股(3)，并加以熔合，以用于形成支承结构(4a)。
46.按权利要求35所述的设备，其特征在于配备了一个加热气体和/或一个保护气体调节装置(71)。
全文摘要
本构件具有一个成形的、长纤维增强的热塑性本体(2)和一个集成的支承结构(4),该支承结构由与热塑性本体相固结的连续纤维股(3)构成。支承结构具有至少一个传递力的属于两个连续纤维股(3)的内连接区(7)。长纤维本体和连续纤维本体是相容的,而且在它们相互的接触面(6)上彼此熔合起来。由此获得轻质的可简单、快速而成本合算地制造的支承构件。
文档编号B29C70/34GK1297400SQ99805035
公开日2001年5月30日 申请日期1999年4月14日 优先权日1998年4月15日
发明者P·凯吉, D·雅吉 申请人:地方小型汽车公司