用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法和設(shè)備以及纖維復(fù)合構(gòu)件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法和設(shè)備以及涉及一種纖維復(fù)合構(gòu)件。
【背景技術(shù)】
[0002]已知的是，纖維復(fù)合構(gòu)件由單向或多向的長纖維布置結(jié)構(gòu)(在本申請的接下來的進(jìn)程中稱為長纖維層)構(gòu)成的兩層或更多層制成，所述長纖維層以交叉的方式或以任意的角偏移設(shè)置。換句話說，多個長纖維層、特別是單向的(單向)層以纖維的不同定向互相堆疊(疊層)，以準(zhǔn)備預(yù)制件或預(yù)浸料坯，所述預(yù)制件或預(yù)浸料坯接著在模具中被擠壓，以基質(zhì)(例如熱固性或熱塑性樹脂)潤濕地滲透和硬化。一種按照現(xiàn)有技術(shù)的示例性的用于由至少兩個長纖維層制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法在圖6中示意性示出。
[0003]按照圖6中的視圖，首先在層壓站31中準(zhǔn)備具有相應(yīng)定義的纖維定向的長纖維層32的堆垛。長纖維層32例如由粗紗(由準(zhǔn)連續(xù)的單絲構(gòu)成的纖維束)準(zhǔn)備。長纖維層32然后在預(yù)制過程33中成形成預(yù)制件34。在置入步驟35中將預(yù)制件34置入到模具36中，該模具包括具有與待制造的構(gòu)件的形狀對應(yīng)的相應(yīng)成型面的下部部件37和上部部件38。在此，置入的預(yù)制件通過模具輪廓定位。當(dāng)不可能通過模具輪廓定位時，例如使用在模具36上的彈簧加載的定位銷(未進(jìn)一步示出)。在此，預(yù)制件例如被沖壓并且然后利用沖壓孔通過銷來定位。彈簧加載的銷隨后在閉合模具時被從上部部件38壓到下部部件37中。然后，預(yù)制件34在壓制過程39中在模具36中被壓制。這例如通過所謂的指數(shù)關(guān)閉過程(Index-Closing-Prozess)進(jìn)行。在此，首先設(shè)定大約0.3mm的間隙，也就是說，在下部部件37和上部部件38之間的腔除了大約0.3mm的過盈量以外均閉合。然后，模具借助于排氣模塊和大致-0.8bar的真空被抽真空。由此應(yīng)阻止夾雜空氣(LufteinschlUsse)并且因此決定性地影響RTM構(gòu)件的質(zhì)量。排氣時間隨著模具尺寸和形狀而變化。然后經(jīng)由注射器34將樹脂系41壓入，該樹脂系將預(yù)制件34浸透并且到達(dá)具有長纖維層32的復(fù)合結(jié)構(gòu)。樹脂系例如可以是雙組分環(huán)氧樹脂(2K-EP)系。注射器例如具有混合頭，該混合頭固定在模具澆鑄點上。各組分的霧化在大約IlObar下在混合頭中進(jìn)行。在直至60s的注射時間(Schusszeit)上的注射期間，模具中的內(nèi)壓升至超過80bar。在結(jié)束注射以后，模具36完全閉合，也就是說，大約0.3mm的間隙減小至零。通過這種所謂的間隙注射，可以在注射時減小壓力，改善構(gòu)件表面以及減少在制成的RTM構(gòu)件上的收縮斑點(Schwundmarken)和氣孔。在注射結(jié)束以后，開始硬化時間。該硬化時間隨著樹脂系和模具溫度(在基體硬化時大約100°C，在潛在硬化(Potentialharz)時125°C )而變化并且在局部上是3至6分鐘。溫度通過在模具中的熱循環(huán)和配屬于此的調(diào)溫裝置來控制。在經(jīng)過硬化時間之后，在脫模過程42中將制成的構(gòu)件43從工具36中脫模。也就是說，工具36自動打開并且推頂銷被操縱。由此將完成硬化的構(gòu)件43從下部部件37中推出。在脫模以后，構(gòu)件43可以手動或自動取出。工具36隨后借助于壓力空氣清潔。
[0004]上述過程例如被稱為RTM(Resin Transfer Molding，樹脂傳遞模塑成型--壓力注射或注射模塑)方法。在該方法中可能由于在樹脂系中使用的膠粘劑的硬化時間短而產(chǎn)生確定的材料特征，例如氣孔或類似物。這些氣孔或類似物在使用制成的構(gòu)件43時可能形成應(yīng)力集中并且可能是裂紋的起始點。如果在粗紗內(nèi)、也就是說在在增強纖維布置結(jié)構(gòu)內(nèi)形成裂紋，那么該裂紋被纖維阻止。但是在基質(zhì)內(nèi)，裂紋也許可能無阻礙地擴展。這可能導(dǎo)致構(gòu)件結(jié)構(gòu)的例如以層離的形式的失效。
[0005]類似的問題也可能在濕壓方法中出現(xiàn)，在該濕壓方法中，長纖維層32在與纖維基質(zhì)成型之前已經(jīng)被浸透，以便形成所謂的預(yù)浸料坯，并且預(yù)浸料坯必要時在無預(yù)制過程33和/或未將樹脂系41擠壓到成形模具中的情況下直接在模具中被壓制。
[0006]按照另一種已知的方法，在利用鋁內(nèi)襯和CFK纏繞物(濕纏繞物)制造壓力容器時，制成的壓力容器經(jīng)受自緊過程，以便提高內(nèi)襯的壽命。在自緊過程中，設(shè)有內(nèi)襯的壓力容器被置于過壓下，該過壓超出運行過壓并且超出內(nèi)襯的屈服極限，這由于內(nèi)襯的在此出現(xiàn)的(局部的)增塑作用和接下來在排出壓力時所構(gòu)建的壓力殘余應(yīng)力而導(dǎo)致內(nèi)襯材料的加強。但是在此在基質(zhì)中出現(xiàn)很多微裂紋，這些微裂紋可能導(dǎo)致斷裂壓力的減小。
[0007]總的來說，由多層纖維復(fù)合材料制成的構(gòu)件在受載時易于由于層離而失效，因為裂紋可以無阻礙地在(單向的)各層之間(沿著所謂的純樹脂區(qū)域)擴展。為了確保安全性，常規(guī)方式的構(gòu)件因此以大的安全系數(shù)確定尺寸，從而自身存在的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)潛力可能未被完全利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，提供用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的一種方法和一種設(shè)備以及提供一種纖維復(fù)合構(gòu)件，所述方法、設(shè)備和纖維復(fù)合構(gòu)件避免了現(xiàn)有技術(shù)的缺點。本發(fā)明的目的特別是在于，能夠在更小的構(gòu)件重量的情況下實現(xiàn)CFK結(jié)構(gòu)或通常的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的壽命的提高。另一個目的在于，在纖維復(fù)合構(gòu)件過載時實現(xiàn)層離的減少。本發(fā)明的再一個目的在于，在纖維復(fù)合構(gòu)件中實現(xiàn)例如在沖擊損傷方面的裂紋韌性的提高。此外本發(fā)明的目的在于，提供在制造纖維復(fù)合構(gòu)件時使用再生材料的可能性并且由此能夠?qū)崿F(xiàn)材料成本的減小。最后本發(fā)明的目的在于，能夠?qū)崿F(xiàn)材料耗費的減少和由此纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、特別是CFK結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)潛力的更高利用。
[0009]上述目的至少在部分方面通過一種按照本發(fā)明的具有權(quán)利要求1的特征的方法、通過一種按照本發(fā)明的具有權(quán)利要求13的特征的設(shè)備以及通過一種具有權(quán)利要求14的特征的纖維復(fù)合構(gòu)件來實現(xiàn)。在此，結(jié)合按照本發(fā)明的方法所描述的特征和細(xì)節(jié)也適用于結(jié)合按照本發(fā)明的設(shè)備和按照本發(fā)明的纖維復(fù)合構(gòu)件并且相應(yīng)地反之亦然且可替換，從而關(guān)于對各個發(fā)明要點的公開內(nèi)容始終可以相互參照。
[0010]本發(fā)明從如下考慮出發(fā)，由施加到兩個長纖維層之間的薄的短纖維層構(gòu)成的裂紋橋可以阻止在基質(zhì)中的裂紋的直線生長，因為裂紋必須能量集中地繞行并且此外必須牽拉基質(zhì)中的纖維。這導(dǎo)致裂紋生長(更多產(chǎn)生的裂紋表面)可能需要的能量升高，減緩裂紋進(jìn)展并且由此提高壽命或靜態(tài)的強度。
[0011]符合意義地，按照本發(fā)明的第一要點提出一種用于由至少兩個長纖維層制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法，該方法具有如下步驟:
[0012]a)準(zhǔn)備一個長纖維層；
[0013]b)將短纖維施加到該長纖維層上；并且
[0014]c)將另一個長纖維層施加到設(shè)有短纖維的長纖維層上，
[0015]在此，所述短纖維優(yōu)選如此構(gòu)成和確定尺寸并且如此施加，使得在其中一個所述長纖維層中的裂紋向相應(yīng)另一個長纖維層中的擴展和/或在各長纖維層之間的層離變得困難。在此特別是長度相對于長纖維層的長纖維的長度小的纖維被理解為短纖維。理想的是，短纖維具有至少0.5mm的長度，并且局限于最大30mm、優(yōu)選最大10mm、特別是最大3mm的長度。優(yōu)選的是，所施加的短纖維的大部分處于給出的尺寸區(qū)域中。根據(jù)短纖維的制造方式一一如在接下來還在進(jìn)一步細(xì)節(jié)中所描述的那樣一一可以的是，個別短纖維超出給出的長度范圍；然而只要足夠份額的短纖維處在給出的長度范圍內(nèi)，這就是無害的。在其它意義上，短纖維的概念包括各種長形的結(jié)構(gòu)、例如非常短的纖維直到微米或納米管或切開的納米管的范圍內(nèi)，只要這些結(jié)構(gòu)具有上述作用就行。在給出的尺寸范圍內(nèi)，可以按照長纖維在長纖維層中的布置結(jié)構(gòu)和填充度來如此實現(xiàn)優(yōu)化的固定，使得短纖維作為裂紋阻止器起作用，而不作為缺口部位起作用，從而可以通過短纖維相對于由此實現(xiàn)的強度增加而對超重進(jìn)行優(yōu)化。其它的方法步驟、例如浸漬、預(yù)制、擠壓、硬化和脫模按照已知方法的方法步驟。
[0016]按照本發(fā)明的方法的應(yīng)用不局限于兩個長纖維層，而是當(dāng)上述步驟b)和c)多次交替地實施時可以擴展到任意數(shù)量的長纖維層，在所述長纖維層之間分別具有短纖維層。不言而喻的是，在步驟c)中所施加的另一個長纖維層在重復(fù)步驟b)的情況下是那里提到的短纖維被施加在其上的長纖維層。
[0017]當(dāng)在上述步驟b)中如此施加短纖維，使得短纖維至少部分地進(jìn)入長纖維層中，并且在步驟c)中如此施加所述另一個長纖維層，使得短纖維至少部分地進(jìn)入所述另