本發(fā)明涉及一種用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的裝置和方法，其中，纖維以構(gòu)件的截面的單位面積上的不同密度分布，由此選擇性地增強(qiáng)關(guān)注的區(qū)域。

背景技術(shù)：

在用于形成具有限定的截面的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的常規(guī)技術(shù)中，是利用這樣的浸漬方法，即將增強(qiáng)纖維浸入到液體樹(shù)脂中或以高壓噴射樹(shù)脂。

鑒于其性能，增強(qiáng)構(gòu)件在其整體上不需要均勻的強(qiáng)度。然而，因?yàn)樵谛纬刹襟E內(nèi)纖維的均勻分布，所以常規(guī)技術(shù)難以選擇性地增強(qiáng)關(guān)注的區(qū)域。

充分考慮到常規(guī)技術(shù)的該問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的方法和裝置，該方法和裝置通過(guò)調(diào)節(jié)纖維增強(qiáng)部之間的空間以便使纖維增強(qiáng)部根據(jù)構(gòu)件的截面區(qū)域以單位面積的不同密度分布來(lái)滿足給定的條件，由此增強(qiáng)關(guān)注的區(qū)域的強(qiáng)度。

如背景技術(shù)部分描述的內(nèi)容僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的背景的理解，而不應(yīng)被認(rèn)為是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了完成以上目的，本發(fā)明提供了一種用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的方法，該方法包括：浸漬步驟，將樹(shù)脂浸漬到從多個(gè)軸架抽出的增強(qiáng)纖維中；不 均勻分布步驟，使樹(shù)脂浸漬的增強(qiáng)纖維穿過(guò)引導(dǎo)件，以便以這樣的方式調(diào)節(jié)增強(qiáng)纖維中的空間，該方式使得根據(jù)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的截面的區(qū)域而使增強(qiáng)纖維以單位面積的不同密度分布；形成步驟，引導(dǎo)增強(qiáng)纖維從引導(dǎo)件進(jìn)入模子中；以及固化步驟，固化浸漬到從模子中暴露出來(lái)的增強(qiáng)纖維中的樹(shù)脂。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，該方法在不均勻分布步驟之后可進(jìn)一步包括：半固化步驟，將纖維的樹(shù)脂固化10％～20％；以及拉伸步驟，拉伸纖維。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該方法在固化步驟之后可進(jìn)一步包括增強(qiáng)步驟，在半固化構(gòu)件上沉積由纖維組成的織物層。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該方法在固化步驟之后可進(jìn)一步包括加工步驟，根據(jù)用途將半固化構(gòu)件切割為預(yù)定尺寸。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，從軸架上抽出的纖維在抗拉強(qiáng)度上彼此不同。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，從對(duì)應(yīng)于纖維以高密度分布的區(qū)域的軸架上抽出的纖維在抗拉強(qiáng)度上比從對(duì)應(yīng)于纖維以低密度定位的區(qū)域的軸架上抽出的纖維更高。

根據(jù)其另一方面，本發(fā)明提供了一種用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的裝置，該裝置包括：樹(shù)脂浸漬機(jī)，用于將樹(shù)脂浸漬到纖維中；引導(dǎo)件，用于調(diào)節(jié)穿過(guò)其的纖維中的空間，以便根據(jù)增強(qiáng)構(gòu)件的截面的部分以單位面積的不同密度來(lái)分布纖維；模子，用于模制樹(shù)脂浸漬的纖維；以及樹(shù)脂固化機(jī)，用于固化增強(qiáng)纖維的樹(shù)脂。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括：半固化設(shè)備，用于固化纖維的樹(shù)脂的10％～20％；以及拉伸模具，具有尺寸小于入口的出口。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括層壓機(jī)，用于在半固化構(gòu)件上沉積由纖維組成的織物層。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括切割刀片，用于根據(jù)用途將半成品切割為一尺寸。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的以上和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合附圖從下文的詳細(xì)描述中更清楚地理解，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的裝置的頂視圖；

圖2示出了引導(dǎo)件的入口的截面以及引導(dǎo)件的截面，其中纖維供應(yīng)至該入口，并且纖維通過(guò)該引導(dǎo)件行進(jìn)；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的模子；

圖4是選擇性增強(qiáng)的增強(qiáng)構(gòu)件的視圖；以及

圖5是示出了A形柱中的選擇性增強(qiáng)的增強(qiáng)構(gòu)件的分布的視圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。在以下描述中，應(yīng)注意的是，當(dāng)常規(guī)元件的功能以及與本發(fā)明相關(guān)的元件的詳細(xì)描述可能使得本發(fā)明的主旨不清晰時(shí)，將省略對(duì)那些元件的詳細(xì)描述。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提出了一種制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的方法，該方法包括：浸漬步驟，將樹(shù)脂浸漬到從多個(gè)軸架(creel)100上抽出的增強(qiáng)纖維110中；不均勻分布步驟，使樹(shù)脂浸漬的增強(qiáng)纖維110穿過(guò)引導(dǎo)件400，以便以這樣的方式調(diào)節(jié)增強(qiáng)纖維110中的空間，即該方式使得根據(jù)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的截面的區(qū)域而使增強(qiáng)纖維110以單位面積的不同密度分布；形成步驟，引導(dǎo)增強(qiáng)纖維110從引導(dǎo)件400進(jìn)入模子700中；以及固化步驟，固化浸漬到從模子700中暴露出來(lái)的增強(qiáng)纖維110中的樹(shù)脂。

本發(fā)明涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造，其特征在于這樣的過(guò)程：將樹(shù)脂浸漬到從多個(gè)軸架100中抽出的纖維110中；將纖維形成為復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀；以及固化樹(shù)脂。這種制造方法有利于形成和制造具有某種截面形狀的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

浸漬到纖維110中的樹(shù)脂的實(shí)例包括，環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、乙烯基酯、以及聚酰胺。

引導(dǎo)件400適于分布纖維。在不均勻分布步驟中，樹(shù)脂浸漬的纖維110是不均勻定位的，以便使得垂直于纖維穿過(guò)引導(dǎo)件400的方向的截面上的單位面積的纖維密度根據(jù)截面上的區(qū)域而不同，由此實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造，其中纖維110以不同的密度局部分布。圖2示出了引導(dǎo)件的入口410的截面和引導(dǎo)件的出口420的截面，纖維被供給至該入口，并且纖維行進(jìn)穿過(guò)該出口。

對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起作用，增強(qiáng)構(gòu)件通常應(yīng)用在由于其上集中有外部沖擊而使得需要強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)位置。因此，增強(qiáng)構(gòu)件還接收從構(gòu)件的一個(gè)區(qū)域到另一區(qū)域程度不同的外部沖擊。

由常規(guī)拉伸過(guò)程制成的增強(qiáng)構(gòu)件具有在其截面上均勻分布的纖維110，并且因此不會(huì)根據(jù)其區(qū)域選擇性地增強(qiáng)。然而，在本發(fā)明中，可根據(jù)區(qū)域 來(lái)調(diào)節(jié)單位面積的纖維密度以增強(qiáng)關(guān)注的區(qū)域，由此產(chǎn)生穩(wěn)定性提高的增強(qiáng)構(gòu)件。

此外，可將較少纖維定位在需要相對(duì)低的強(qiáng)度和剛度的區(qū)域中。因此，可有效利用給定資源，并且因此降低制造成本。

使用具有預(yù)定截面的模子700，多個(gè)增強(qiáng)纖維110形成為具有對(duì)應(yīng)的、期望的截面。例如，當(dāng)模子700具有彎曲的截面時(shí)，浸漬的纖維110形成為具有對(duì)應(yīng)的截面的構(gòu)件。如果沖擊集中于增強(qiáng)構(gòu)件的彎曲區(qū)域上，則增強(qiáng)構(gòu)件應(yīng)被制造為在彎曲區(qū)域處具有高密度的纖維。

在形成步驟之后，應(yīng)用至纖維110的樹(shù)脂被固化，以完成復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造。固化可在室溫下或使用高溫高壓壓制來(lái)實(shí)現(xiàn)。就產(chǎn)率而言，高溫、高壓壓制的使用是有利的。

本發(fā)明的技術(shù)核心精神是提供一種用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的方法，該復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件通過(guò)在需要更高強(qiáng)度和剛度的區(qū)域處分布更高密度的纖維110而局部增強(qiáng)。

在不均勻分布步驟之后，該方法可進(jìn)一步包括：半固化步驟，將纖維110的樹(shù)脂固化10％～20％；以及拉伸(drawing)步驟，拉伸纖維110。半固化步驟和拉伸步驟可依次或同時(shí)進(jìn)行。在本發(fā)明的實(shí)例部分中，給出纖維在被拉伸和壓縮的同時(shí)被半固化的情況的描述。

為了使用拉伸模具600來(lái)拉伸樹(shù)脂浸漬的纖維110并且壓縮拉伸的纖維，應(yīng)提高樹(shù)脂的浸漬與體積比。該提高的前提是樹(shù)脂的半固化步驟。這是因?yàn)楫?dāng)浸漬到多個(gè)纖維110中的樹(shù)脂未固化至某一程度時(shí)，在拉伸步驟中，樹(shù)脂很有可能在穿過(guò)拉伸模具600的過(guò)程中由于其低粘度而流動(dòng)。

在半固化步驟中，優(yōu)選地將固化進(jìn)行到10％～20％的程度。例如，當(dāng)固化程度在10％以下時(shí)，在拉伸處理的過(guò)程中樹(shù)脂有可能移動(dòng)。另一方面， 當(dāng)固化程度超過(guò)20％時(shí)，可成形性變差，使得截面難以形成為期望形狀。此外，在固化程度在20％或以下時(shí)，樹(shù)脂可通過(guò)預(yù)加熱重新模制并形成在由增強(qiáng)纖維組成的織物層上。

在半固化步驟的過(guò)程中控制樹(shù)脂的溫度，使得浸漬到多個(gè)增強(qiáng)纖維中的樹(shù)脂在形成步驟之前保持低粘度。對(duì)于具有180℃以上的固化溫度的環(huán)氧樹(shù)脂，例如，進(jìn)行半固化步驟時(shí)的溫度調(diào)節(jié)為約80℃～85℃，以便將樹(shù)脂的粘度保持在低水平，因此保證樹(shù)脂的可成形性。根據(jù)樹(shù)脂的種類(lèi)改變待控制的溫度。

在拉伸模具中，提高并控制溫度。在提高的溫度下，樹(shù)脂粘度變低，并且當(dāng)樹(shù)脂移向拉伸模具的出口時(shí)，因?yàn)槟＞咴诔隹谧冋?，所以?shù)脂被壓縮。在這個(gè)過(guò)程中，纖維分布引導(dǎo)件的去除可避免在產(chǎn)品中形成空隙和間隙。在拉伸步驟之后，即，正好在形成步驟之前，控制溫度以便將浸漬到多個(gè)增強(qiáng)纖維中的樹(shù)脂的粘度保持在低水平，由此最大化多個(gè)增強(qiáng)纖維的可成形性。

為了實(shí)現(xiàn)10％～20％的固化程度，首先，應(yīng)測(cè)量在某一條件下每小時(shí)的固化速度。根據(jù)測(cè)量，在拉伸步驟中評(píng)估多個(gè)增強(qiáng)纖維110的固化速率，并且進(jìn)而優(yōu)選設(shè)置10％～20％的固化程度所需要的固化范圍。

在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，可在拉伸步驟與形成步驟之間獲得梁，在該梁中，由補(bǔ)充(supplement)纖維組成的織物(fabric)層全部沉積在增強(qiáng)纖維的表面上或局部沉積在待增強(qiáng)的一部分的表面上。該梁可應(yīng)用于各種汽車(chē)部件，諸如，F(xiàn)EM(前端模塊)載體、保險(xiǎn)杠、車(chē)門(mén)防撞梁等。

在固化步驟之后，該方法可進(jìn)一步包括增強(qiáng)步驟，在半固化構(gòu)件上沉積由纖維組成的織物層。

當(dāng)使用織物層沉積時(shí)，由樹(shù)脂及纖維110組成的增強(qiáng)構(gòu)件將具有進(jìn)一步提高的強(qiáng)度和剛度?？椢锟扇砍练e在半固化構(gòu)件的表面上或局部沉積在待增強(qiáng)的一部分的表面上。

在固化步驟之后，該方法可進(jìn)一步包括加工步驟，根據(jù)用途將半固化構(gòu)件切割為預(yù)定尺寸。

由于獲得的所有半成品都是通過(guò)相同的模子700形成的，因此它們具有相同的截面。當(dāng)半成品比最終的復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件更長(zhǎng)時(shí)，可使用刀片900將它們切割為具有相同截面的多個(gè)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，從軸架100上抽出的纖維110可在抗拉強(qiáng)度上彼此不同。

從對(duì)應(yīng)于增強(qiáng)纖維以高密度分布的區(qū)域的軸架100上抽出的增強(qiáng)纖維在抗拉強(qiáng)度上比從對(duì)應(yīng)于增強(qiáng)纖維110以低密度定位的區(qū)域的軸架100上抽出的增強(qiáng)纖維更高。

碳纖維的抗拉強(qiáng)度更高，但卻比玻璃纖維更昂貴。為了用有限成本制造功能良好的復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件，在需要相對(duì)低的抗拉強(qiáng)度的區(qū)域中使用便宜但強(qiáng)度低的增強(qiáng)纖維110，并且在需要相對(duì)高的抗拉強(qiáng)度的區(qū)域中使用相對(duì)昂貴但強(qiáng)度高的增強(qiáng)纖維，這是有效的。

當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的增強(qiáng)構(gòu)件制造得如圖4所示時(shí)，該增強(qiáng)構(gòu)件可以以下方式選擇性地增強(qiáng)：碳纖維負(fù)責(zé)需要高機(jī)械性能的中央和相對(duì)端(黑色)區(qū)域的60％～70％的體積，以及彎曲區(qū)域(斜線)的40％～50％的體積，同時(shí)需要相對(duì)低性能的其它區(qū)域(點(diǎn)的)由玻璃纖維制成。

如圖5所示，增強(qiáng)構(gòu)件可分布在A形柱內(nèi)部。

根據(jù)本發(fā)明，復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件選擇性地增強(qiáng)，其中，在需要高物理性能的區(qū)域中，增強(qiáng)纖維以高密度分布；并且在需要相對(duì)低的物理性能的區(qū)域中，增強(qiáng)纖維以低密度分布。

此外，如果與從對(duì)應(yīng)于需要纖維以單位面積的低密度分布的區(qū)域的軸架100中抽出的增強(qiáng)纖維110相比，從對(duì)應(yīng)于需要纖維以單位面積的高密度分布的區(qū)域的軸架100中抽出的增強(qiáng)纖維設(shè)置為具有更高的抗拉強(qiáng)度，則可根據(jù)區(qū)域進(jìn)一步形成選擇性的增強(qiáng)。

如果采用玻璃纖維作為與鋼構(gòu)件接觸的部分中的增強(qiáng)纖維110，則根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件可防止電偶腐蝕。

根據(jù)其另一方面，本發(fā)明提出一種制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的裝置，該裝置包括：樹(shù)脂浸漬機(jī)300，用于將樹(shù)脂浸漬到纖維110中；引導(dǎo)件400，用于調(diào)節(jié)穿過(guò)其的纖維110中的空間，以便根據(jù)增強(qiáng)構(gòu)件的截面的部分使纖維110以單位面積的不同密度來(lái)分布；模子700，用于模制樹(shù)脂浸漬的纖維110；以及樹(shù)脂固化機(jī)800，用于固化增強(qiáng)纖維110的樹(shù)脂。

為了用作增強(qiáng)構(gòu)件，從多個(gè)軸架100抽出的纖維使用隨后固化的樹(shù)脂涂覆。在這個(gè)過(guò)程中獲得的復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件具有高強(qiáng)度以及輕重量。此外，復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件易于制造。

樹(shù)脂浸漬機(jī)300負(fù)責(zé)使用樹(shù)脂來(lái)浸漬纖維110。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，可將纖維110浸入含有樹(shù)脂的浴器中并且從其中取回，或可將樹(shù)脂噴射在纖維110上。

可安裝用于均勻分布從多個(gè)軸架100上抽出的纖維110的纖維分布板200，使得允許纖維穿過(guò)樹(shù)脂浸漬機(jī)300之前的纖維分布板200。纖維分布板200具有尺寸相同并且間隔開(kāi)規(guī)則間隔的多個(gè)通孔，以便隨著纖維110穿過(guò)纖維分布板200時(shí)，纖維以與通孔相同的方式分布。

引導(dǎo)件400用于通過(guò)調(diào)節(jié)穿過(guò)其的纖維110中的空間來(lái)根據(jù)增強(qiáng)構(gòu)件的截面的部分而使纖維110以單位面積的不同密度分布，該引導(dǎo)件是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)核心精神的必要元件。

纖維110在其截面上均勻分布的增強(qiáng)構(gòu)件可僅通過(guò)使用樹(shù)脂浸漬從多個(gè)軸架100抽出的纖維并且固化該樹(shù)脂來(lái)制造。然而，在穿過(guò)用于將纖維以不均勻方式分布的引導(dǎo)件之后，浸漬的纖維被劃分為纖維密度彼此不同的許多束。

允許不均勻分布的纖維110進(jìn)入模子700，在該模子中，構(gòu)件可設(shè)置有限定的截面。模子負(fù)責(zé)該功能。

當(dāng)纖維110在模子700中被模制為期望形狀之后，纖維110存在于樹(shù)脂中。然后，樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂固化機(jī)800被完全固化。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括輥?zhàn)?，通過(guò)該輥?zhàn)?，纖維110可從多個(gè)軸架100被連續(xù)抽出，并且運(yùn)行穿過(guò)樹(shù)脂浸漬機(jī)300、引導(dǎo)件以及樹(shù)脂固化機(jī)800。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括：半固化設(shè)備500，用于固化纖維110的樹(shù)脂的10％～20％；以及拉伸模具600，具有尺寸小于入口的出口。半固化設(shè)備500以及拉伸模具600可設(shè)置為單獨(dú)的部件，或者通過(guò)將加熱設(shè)備合并入拉伸模具600中而設(shè)置為單個(gè)部件。

為了進(jìn)一步增加纖維密度的區(qū)別，不均勻分布纖維可被朝向拉伸過(guò)程引導(dǎo)。然而，當(dāng)樹(shù)脂保持未固化時(shí)，樹(shù)脂在穿過(guò)拉伸設(shè)備600的過(guò)程中可能脫落。因此，應(yīng)將樹(shù)脂固化至某一程度。

在該情況下，使用半固化設(shè)備500將樹(shù)脂固化10％～20％。當(dāng)固化程度在10％以下時(shí)，樹(shù)脂在拉伸處理的過(guò)程中有可能移動(dòng)。另一方面，當(dāng)固化程度超過(guò)20％時(shí)，可成形性變差，使得截面難以形成為期望形狀。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括層壓機(jī)850，用于在半固化構(gòu)件上沉積由纖維組成的織物層。

當(dāng)沉積有織物層時(shí)，由樹(shù)脂以及纖維110組成的增強(qiáng)構(gòu)件將具有進(jìn)一步提高的強(qiáng)度和剛度。層壓機(jī)850負(fù)責(zé)這個(gè)角色，并且織物沉積于其上的區(qū)域可根據(jù)設(shè)置而改變。

在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該裝置可進(jìn)一步包括切割刀片，用于將半成品切割為合適尺寸。

當(dāng)半成品比最終的復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件更長(zhǎng)時(shí)，可使用刀片900將半成品切割為具有相同截面的多個(gè)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件。

可使用刀片900將半成品切割為具有相同截面的多個(gè)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件。

如迄今所描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的用于制造復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的裝置和方法可使增強(qiáng)纖維根據(jù)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件的截面的區(qū)域以單位面積的不同密度分布，以便可選擇性地增強(qiáng)復(fù)合增強(qiáng)構(gòu)件。此外，可有效利用給定資源，并且因此制造成本降低。

此外，可根據(jù)區(qū)域來(lái)調(diào)節(jié)單位面積的纖維密度，以便增強(qiáng)關(guān)注的區(qū)域，由此形成相比于常規(guī)構(gòu)件在功能上得到改善的增強(qiáng)構(gòu)件。

盡管為了說(shuō)明目的，已公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離所附權(quán)利要求書(shū)中公開(kāi)的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，各種修改、添加、以及替代都是可能的。