用于生產(chǎn)中空型材的方法以及中空型材部件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)中空型材(10)、特別是用于機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛艙橫向構(gòu)件的方法，其中連續(xù)纖維(22，32)繞著型芯(48)編織成中空纖維結(jié)構(gòu)(46)，型芯復(fù)現(xiàn)了待生產(chǎn)的中空型材的內(nèi)部輪廓，其中，在編織之后，中空纖維結(jié)構(gòu)(46)在彈性狀態(tài)下從型芯(48)非破壞性地移除，通過(guò)施加內(nèi)壓而定形為最終輪廓，并且通過(guò)塑料注塑包覆。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于生產(chǎn)中空型材的方法以及中空型材部件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于生產(chǎn)中空型材的方法以及根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的中空型材部件。
【背景技術(shù)】
[0002]為了輕重量構(gòu)造的原因，由纖維增強(qiáng)塑料制成的部件越來(lái)越多地用于汽車(chē)構(gòu)造。通常，這些部件僅能夠以板件形式或者不具有底切的、直線(xiàn)延伸的中空型材的形式來(lái)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)復(fù)雜的部件，例如駕駛艙的橫向構(gòu)件不得不承載諸如轉(zhuǎn)向平臺(tái)、中心平臺(tái)、安全氣囊保持架和通道加強(qiáng)件(Tunnelstreb)等多個(gè)附件，因此即使在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中也具有多個(gè)零件，它們隨后接合在一起。在中空型材部件的構(gòu)造過(guò)程中，部件的各區(qū)域之間的材料鎖合的連接是不可能的，因此穩(wěn)定性不總是最優(yōu)。
[0003]為了生產(chǎn)具有更復(fù)雜設(shè)計(jì)的纖維增強(qiáng)型中空型材部件，從DElO 2007057 198A1已知的是以傳力配合優(yōu)化的和應(yīng)力優(yōu)化的方式將樹(shù)脂涂層的連續(xù)纖維施加到消失模(lostmold)上，這例如能夠通過(guò)紡織、編織、裝訂或縫合來(lái)實(shí)施。纖維材料隨后固化，同時(shí)形成所要求的增強(qiáng)中空支架，并且破壞性地移除消失模。
[0004]雖然所述方法也能生產(chǎn)出具有復(fù)雜設(shè)計(jì)的中空體，但是其受困于多方面缺陷。特別地，濕的、也就是浸潰樹(shù)脂的纖維難以處置，其中例如，必須頻繁地清潔處理機(jī)器。用于生產(chǎn)每個(gè)單獨(dú)的中空型材的消失型芯的提供既費(fèi)時(shí)成本又高。消失型芯的毀壞和移除同樣如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的方法，其能以特別容易和經(jīng)濟(jì)的方式通過(guò)纖維復(fù)合材料來(lái)生產(chǎn)具有復(fù)雜設(shè)計(jì)的中空型材。此外，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分所述的中空型材部件，其在行駛過(guò)程中尤其耐受力的作用，同時(shí)，能夠特別經(jīng)濟(jì)且容易地生產(chǎn)該中空型材部件。
[0006]該問(wèn)題是通過(guò)具有權(quán)利要求1所述的特征的方法以及通過(guò)具有權(quán)利要求10所述的特征的中空型材部件來(lái)解決的。
[0007]在這種用于生產(chǎn)中空型材、特別是用于機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛艙橫向構(gòu)件的方法中，連續(xù)纖維繞著型芯編織成中空纖維結(jié)構(gòu)，該型芯復(fù)現(xiàn)了待生產(chǎn)的中空型材的內(nèi)部輪廓。此處，根據(jù)本發(fā)明提出的是，在編織之后，中空纖維結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下從型芯非破壞性地移除，通過(guò)施加內(nèi)壓成型為最終輪廓，并且通過(guò)塑料注塑包覆。在注塑包覆之后，工件還能夠在彈性狀態(tài)下從型芯移除。
[0008]換言之，與現(xiàn)有技術(shù)相比，借助于永久型芯來(lái)復(fù)現(xiàn)中空型材的內(nèi)部輪廓。由于編織的中空纖維結(jié)構(gòu)的彈性本質(zhì)，具有例如底切、分支等設(shè)計(jì)復(fù)雜的永久型芯也能夠非破壞性地從中空纖維結(jié)構(gòu)移除。因此，無(wú)需額外努力以重復(fù)地提供新的消失型芯以及取消了型芯的花費(fèi)大的毀壞和移除。[0009]優(yōu)選地，型芯具有至少一個(gè)分支。這實(shí)現(xiàn)了具有特別復(fù)雜的設(shè)計(jì)的中空型材的生產(chǎn)，所述中空型材除了實(shí)際的吸收力和傳導(dǎo)力的支承結(jié)構(gòu)之外還包括一件式且材料鎖合地形成的附加功能元件，諸如附加支撐件、平臺(tái)等。
[0010]在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，在內(nèi)壓施加之前，借助于至少一個(gè)處置設(shè)備、特別是機(jī)器人使得中空纖維結(jié)構(gòu)成為接近最終輪廓的形狀。這使得完全且可靠地對(duì)中空纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行增壓，而不會(huì)由于中空纖維結(jié)構(gòu)中的折痕、扭結(jié)等影響形狀。因此，能以特別過(guò)程安全的方式將中空纖維結(jié)構(gòu)定形成期望的最終輪廓。
[0011]便利地，由增強(qiáng)纖維和熱塑基質(zhì)纖維制成的混合粗紗用作連續(xù)纖維?？蛇x地，還可以使用包覆熱塑基質(zhì)材料的增強(qiáng)纖維，即所謂的預(yù)浸絲束(towpreg)。在這兩種情況下，基質(zhì)材料在固體或糊狀狀態(tài)下被引入編織物中。因此，避免了在浸潰樹(shù)脂增強(qiáng)纖維的處置中出現(xiàn)的問(wèn)題。例如，碳纖維、玻璃纖維等能夠用作增強(qiáng)纖維。除了碳纖維之外，數(shù)種類(lèi)型的增強(qiáng)纖維，例如鋼纖維或芳族聚酰胺纖維，能夠編織到唯一的粗紗中。例如，PA或PPA能夠用作熱塑基質(zhì)材料。在這兩種情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)纖維和基質(zhì)纖維的極精細(xì)的、均質(zhì)的分布，這會(huì)由于基質(zhì)材料的短流動(dòng)路徑而使得隨后實(shí)現(xiàn)更快且更佳的固化。對(duì)應(yīng)的混合粗紗或預(yù)浸絲束額外地使纖維能夠平行于軸線(xiàn)特別精確地對(duì)準(zhǔn)，而無(wú)絞合或打結(jié)，這尤其有益于成品中空型材中的力流。
[0012]優(yōu)選地，短纖維增強(qiáng)塑料一特別優(yōu)選地是熱塑性塑料一用于將中空纖維結(jié)構(gòu)注塑包覆。這能達(dá)到特別高的強(qiáng)度。除了注塑包覆本身之外，混合粗紗或預(yù)浸絲束的基質(zhì)材料同時(shí)熔化，從而得到具有出色機(jī)械特性的均質(zhì)的、有長(zhǎng)有短的纖維增強(qiáng)中空型材主體。
[0013]在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，當(dāng)編織中空纖維結(jié)構(gòu)時(shí)，生產(chǎn)出局部不同的壁厚度。這使得中空型材能夠以力流優(yōu)化的方式適應(yīng)實(shí)際的操作負(fù)荷，使得在部件重量特別小時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于在行駛過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)荷的特別高的耐受力。
[0014]便利地，在施加高內(nèi)壓之前，中空纖維結(jié)構(gòu)被加熱成高于玻璃化轉(zhuǎn)化溫度并直至恰好低于基質(zhì)材料的熔點(diǎn)，使得中空纖維結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得最優(yōu)地具有流動(dòng)能力且可變形，并且最優(yōu)地適應(yīng)最終輪廓。
[0015]有益地，當(dāng)將中空纖維結(jié)構(gòu)注塑包覆時(shí)，額外地將至少一個(gè)嵌件一起注塑包覆。同樣能夠由纖維復(fù)合材料制成的這種類(lèi)型的嵌件同樣能夠在中空型材上形成功能部件，諸如平臺(tái)、支架、保持架、支撐件或類(lèi)似物。此處，能夠根據(jù)本身已知的方法在常見(jiàn)的注塑模具中來(lái)實(shí)施注塑包覆。
[0016]本發(fā)明還涉及到中空型材部件，特別是用于機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛艙橫向構(gòu)件，其具有中空型材，所述中空型材具有至少一個(gè)分支，通過(guò)連續(xù)的、有分支的纖維編織物來(lái)增強(qiáng)所述中空型材。此處，根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)分支形成功能件特別是平臺(tái)、通道加強(qiáng)件等。通過(guò)使用連續(xù)的分支的纖維編織物，獲得了特別穩(wěn)定的中空型材部件。同時(shí)，通過(guò)使用至少一個(gè)分支來(lái)形成功能件，能夠?qū)崿F(xiàn)特別高的功能集成。這使得可以放棄可能會(huì)削弱中空型材部件的、例如通過(guò)注塑包覆或其它機(jī)械接合方法實(shí)現(xiàn)的、功能件的非材料鎖合的連接。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面結(jié)合附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明及其實(shí)施方案:
[0018]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的駕駛艙橫向構(gòu)件的實(shí)施方案的透視圖；[0019]圖2示出了混合粗紗的剖視圖；
[0020]圖3示出了預(yù)浸絲束的剖視圖；
[0021]圖4示出了能夠在根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施方案的背景下使用的編織機(jī)；
[0022]圖5示出了通過(guò)根據(jù)圖4的編織機(jī)生產(chǎn)的編織物；
[0023]圖6示出了能夠在根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施方案的背景下使用的永久型芯的透視圖；
[0024]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的駕駛艙橫向構(gòu)件的實(shí)施方案的分支區(qū)域的剖視圖；
[0025]圖8示出了用于將在根據(jù)本發(fā)明的方法的背景下生產(chǎn)的中空纖維主體對(duì)準(zhǔn)接近最終輪廓的位置的機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖；
[0026]圖9示出了當(dāng)根據(jù)圖8對(duì)中空纖維主體進(jìn)行注塑包覆時(shí)用于嵌件的可能位置的示意圖；
[0027]圖10示出了用于將中空纖維主體注塑包覆的注塑模具；
[0028]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的駕駛艙橫向構(gòu)件的實(shí)施方案的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖12和圖13示出了在根據(jù)本發(fā)明的駕駛艙橫向構(gòu)件的實(shí)施方案中用于形成轉(zhuǎn)向平臺(tái)的嵌件的兩個(gè)可選視圖；
[0030]圖14和圖15示出了在用于根據(jù)本發(fā)明的駕駛艙橫向構(gòu)件的實(shí)施方案中用于轉(zhuǎn)向平臺(tái)的另一嵌件的兩個(gè)透視圖；以及
[0031]圖16示出了用于根據(jù)本發(fā)明的用于駕駛艙橫向構(gòu)件的實(shí)施方案的乘客安全氣囊的保持架結(jié)構(gòu)的嵌件的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]用于機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛艙橫向構(gòu)件，整體由附圖標(biāo)記10來(lái)表示，包括設(shè)計(jì)為中空型材的橫撐12，以及將駕駛艙橫向構(gòu)件10支撐在機(jī)動(dòng)車(chē)的通道上的、同樣為中空型材的通道加強(qiáng)件14。為了形成特別穩(wěn)定的駕駛艙橫向構(gòu)件10，橫撐12和通道加強(qiáng)件14由纖維增強(qiáng)塑料制成為單部件式、有分支的中空體。注塑包覆附接件，諸如用于乘客安全氣囊的保持框架16或轉(zhuǎn)向平臺(tái)18，進(jìn)一步附接到橫撐12。用于側(cè)向地緊固駕駛艙橫向構(gòu)件10的緊固托架20作為注塑包覆的塑料零件而連接到駕駛艙橫向構(gòu)件10。
[0033]如圖2所示的混合粗紗能夠用于生產(chǎn)這種分支式纖維復(fù)合中空型材。這種類(lèi)型的混合粗紗22包括多根增強(qiáng)纖維24，例如，碳纖維，它們與由諸如例如PPA的熱塑性塑料制成的基質(zhì)纖維26捆束在一起。此處，規(guī)則地交替的纖維布置28和無(wú)規(guī)則的纖維布置30兩者都是可行的?；旌洗旨?2的優(yōu)點(diǎn)包含:基質(zhì)材料已經(jīng)包含在預(yù)制件中。由于增強(qiáng)纖維和基質(zhì)纖維的極精細(xì)的、均質(zhì)的分布，在編織過(guò)程之前，基質(zhì)材料已經(jīng)存在于編織物中。這使得由于稍后熔化的基質(zhì)纖維26的短流動(dòng)路徑而能實(shí)現(xiàn)快速的且尤其可靠的固化。另外，纖維24、26平行于軸線(xiàn)布置，而無(wú)絞合或打結(jié)，這大幅提高了材料的負(fù)荷承受能力。可選地，還能夠使用圖3所示的所謂預(yù)浸絲束32。這些是涂有由基質(zhì)材料制成的護(hù)套(Mantel)34的增強(qiáng)纖維24。這也使得在后期固化過(guò)程中有特別短的流動(dòng)路徑。
[0034]增強(qiáng)纖維24能夠形成為碳纖維、玻璃纖維等?；旌侠w維合成物，例如具有附加集成的鋼絲或芳族聚酰胺絲，也是可能的。
[0035]如圖4所示的編織機(jī)36用于繞著永久型芯編織中空型材。分別承載多個(gè)卷軸42的多個(gè)編織輪40繞著永久型芯38布置。相應(yīng)的混合粗紗22從卷軸42拆卷并且繞著型芯38編織。在這樣做時(shí)，能夠借助于紅外輻射器44來(lái)實(shí)現(xiàn)基質(zhì)纖維26的材料的部分熔化。多個(gè)編織輪40的使用能生產(chǎn)出多層編織物。特別是，這還能實(shí)現(xiàn)厚度突變，其中在要求更高的區(qū)域中編織物的多層被編織為彼此重疊。
[0036]在這種編織過(guò)程中，通過(guò)編織物46的片段所顯示的編織角可以是+/-5°至+/-80°。額外的填充絲線(xiàn)能夠饋送到編織輪以提供沿零度方向的增強(qiáng)，當(dāng)存在彎曲負(fù)荷時(shí)這樣做尤其有益。所述填充絲線(xiàn)以拉伸方式進(jìn)入編織物并且因此近似沒(méi)有波動(dòng)起伏。能夠進(jìn)一步使用所謂的UD編織，其中通過(guò)純的基質(zhì)絲線(xiàn)來(lái)編織混合粗紗，并且稍后使基質(zhì)熔化。
[0037]根據(jù)圖6的模具型芯48用于實(shí)現(xiàn)駕駛艙橫向構(gòu)件10中的分支。圖6a所示的模具型芯48被設(shè)計(jì)成多個(gè)零件并且具有帶分支的中心件50，該帶分支的中心件能夠與端部件52拼接以形成成品的型芯48。如圖6b所示，還能夠通過(guò)將端部件52插塞到中心件50的對(duì)應(yīng)的接納部中來(lái)實(shí)現(xiàn)分支。
[0038]由于混合粗紗22或預(yù)浸絲束32的柔性本質(zhì)，即使在分支區(qū)域中，也可以完全繞著該型芯48來(lái)編織，而隨后以非破壞性方式從編織物46拆除型芯48。如果在較大分支角的情況下，如圖7所示，完全繞著分支區(qū)域的編織不可能，則稍后可以在必要時(shí)使所述區(qū)域具有注塑包覆54。
[0039]在從型芯48拆除編織物46之后，通過(guò)處置機(jī)器人56來(lái)抓取所述編織物，如圖8所示。所述機(jī)器人具有多個(gè)操縱器58，操縱器抓取編織物46并且將編織物46保持在接近最終輪廓的位置上。在所述位置上，編織物46最終被置于注射成型機(jī)62中，其中，根據(jù)需要，所述編織物在多個(gè)點(diǎn)處具有嵌件60，嵌件60由熱塑性塑料制成，其被保持在注塑模具62中的對(duì)應(yīng)位置上。在編織物46的實(shí)際注塑包覆之前，向編織物46施加內(nèi)壓，使得所述編織物在注塑成型過(guò)程中也保持所要求的中空輪廓。編織物46以及嵌件60(如果需要的話(huà))隨后用熱塑性塑料體注塑包覆，如果需要，熱塑性塑料體本身也可包含短纖維以用于進(jìn)一步增強(qiáng)。在這樣做時(shí)，熱塑性塑料體侵入編織物46并且同時(shí)將基質(zhì)纖維26熔化，從而得到具有期望的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)的均質(zhì)塑料體。此處，由熱塑性塑料，例如FVK(纖維增強(qiáng)塑料)制成的嵌件60也與橫向構(gòu)件材料鎖合地連接,從而形成具有高功能集成度的一體式橫向構(gòu)件10。
[0040]當(dāng)編織物46注塑包覆時(shí)，能夠額外地注入增強(qiáng)肋64，如圖11所示。
[0041]最后，在圖12至圖16中示出了嵌件60的不同實(shí)施方案的多個(gè)實(shí)施例。此處，圖12至圖15示出了用于形成轉(zhuǎn)向平臺(tái)18的嵌件60的不同視圖。嵌件能夠由平坦的有機(jī)片材結(jié)構(gòu)66構(gòu)成，平坦的有機(jī)片材結(jié)構(gòu)66能夠經(jīng)由形成空腔70的塑料肋式結(jié)構(gòu)68與編織物連接。對(duì)應(yīng)的容納開(kāi)口 72用于將轉(zhuǎn)向平臺(tái)18螺紋連接到待緊固于其上的部件。此處還可以提供增強(qiáng)肋74，其給予轉(zhuǎn)向平臺(tái)18特定的強(qiáng)度。
[0042]最后，圖16示出了用于形成用于乘客安全氣囊的保持架16的嵌件60。此處，嵌件60由框架78構(gòu)成，框架78以矩形方式環(huán)繞并且由熱塑性塑料制成，所述框架相應(yīng)地設(shè)有容納待進(jìn)行注塑包覆的編織物46的材料肋式結(jié)構(gòu)68。同樣，能夠通過(guò)在注塑包覆時(shí)熔化肋式結(jié)構(gòu)68來(lái)形成材料鎖合的連接，使得此處也能夠?qū)崿F(xiàn)特別良好的穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)中空型材(10)、特別是用于機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛艙橫向構(gòu)件的方法,其中連續(xù)纖維(22，32)繞著型芯(48)編織成中空纖維結(jié)構(gòu)(46)，所述型芯復(fù)現(xiàn)了待生產(chǎn)的所述中空型材(10)的內(nèi)部輪廓， 其特征在于， 在編織之后，所述中空纖維結(jié)構(gòu)(46)在彈性狀態(tài)下從所述型芯(48)非破壞性地移除，通過(guò)施加內(nèi)壓成型為最終輪廓，并且通過(guò)塑料注塑包覆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于 所述型芯(48)具有至少一個(gè)分支。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于 在內(nèi)壓施加之前，借助于至少一個(gè)處置設(shè)備(56)、特別是機(jī)器人使得所述中空纖維結(jié)構(gòu)(46)成為接近最終輪廓的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 由增強(qiáng)纖維(24)和熱塑基質(zhì)纖維(26)制成的混合粗紗用作連續(xù)纖維(32)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 包覆了熱塑基質(zhì)材料(34)的增強(qiáng)纖維(24)用作連續(xù)纖維(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 短纖維增強(qiáng)塑料用于注塑包覆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 當(dāng)編織所述中空纖維結(jié)構(gòu)(46)時(shí)，生產(chǎn)出局部不同的壁厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 在施加高內(nèi)壓之前，中空纖維結(jié)構(gòu)(46)被加熱至恰好高于所述基質(zhì)材料的熔點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 在注塑包覆時(shí)，至少一個(gè)嵌件(60)也被注塑包覆。
10.一種中空型材部件(10)，特別是用于機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛艙橫向構(gòu)件，具有中空型材(12)，所述中空型材包括至少一個(gè)分支(14)，通過(guò)連續(xù)的、有分支的纖維編織物(46)來(lái)增強(qiáng)所述中空型材， 其特征在于 所述至少一個(gè)分支(14)形成功能件，特別是平臺(tái)、通道加強(qiáng)件等。
【文檔編號(hào)】B29B11/16GK103946010SQ201280057458
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月22日
【發(fā)明者】E·里斯 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司