(57)【要約】      （修正有）【課題】金属板に代用でき、利用範囲が広い繊維強化プラスチック中間製品及び中間複合体を提供する。【解決手段】中間製品は熱可塑性プラスチックの２つの層１０、１１の間に強化繊維３が配置された構成からなる。強化繊維３は単一方向に配向しており、上下の熱可塑性プラスチックは強化繊維３の間の空隙１８を通じて互いに接合されている。中間複合体は少なくとも２つの中間製品を重ねて接合することにより得られ、用いられる中間製品の強化繊維はそれぞれ配向方向が異なるように配置するのが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックと強化繊維とを有する中間製品において、前記強化繊維（３）が熱可塑性プラスチックから成る２つの層（１０、１１）の間に配置されていることを特徴とする中間製品。
【請求項２】
前記層（１０、１１）がフィルムとして形成されていることを特徴とする、請求項１記載の中間製品。
【請求項３】
前記層（１０、１１）が前記強化繊維（３）の間の空隙（１８）を通じて互いに接合されていることを特徴とする、請求項１または２記載の中間製品。
【請求項４】
プラスチックから成る前記２つの層（１０、１１）の間に、単一配向を有する前記強化繊維（３）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の中間製品。
【請求項５】
前記強化繊維（３）がガラス繊維、カーボン繊維、鉱物繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、プラスチック繊維および天然繊維のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の中間製品。
【請求項６】
前記強化繊維（３）が前記熱可塑性プラスチックと同じ材料で形成されており、前記強化繊維（３）が前記層（１０、１１）の前記プラスチックよりも高い融点および／または高い引張強さを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項記載の中間製品。
【請求項７】
前記プラスチックが、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニルスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエチレンのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載の中間製品。
【請求項８】
重ねて接合された少なくとも２つの中間製品を備えた中間製品複合体であって、前記中間製品の各々が請求項１〜７のいずれか１項記載の中間製品である、中間製品複合体。
【請求項９】
前記少なくとも２つの中間製品は、その強化繊維（３）の方向が異なる方向となるように配置されていることを特徴とする、請求項８記載の中間製品複合体。
【請求項１０】
プラスチックと強化繊維とから中間製品を製造するための方法において、熱可塑性プラスチックから成る２つの層（１０、１１）の間に強化繊維（３）を配置することを特徴とする方法。
【請求項１１】
繊維ストランド（４）がその長手方向を横切る方向に幅出しされて前記層（１０、１１）の間に挿入されることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記熱可塑性プラスチック層（１０、１１）がロール（１５、１６）から繰り出されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
一方向繊維層（２）とそれに接する前記層（１０、１１）とに圧力および／または高い温度が付加されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記熱可塑性プラスチック層（１０、１１）とその間にある前記強化繊維（３）が巻き取られることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチックと強化繊維とを有する中間製品に関する。
【０００２】
本発明はさらに中間製品複合体に関する。
【背景技術】
【０００３】
繊維強化プラスチックから成る部材は多くの技術分野で利用されている。繊維強化プラスチックから成る部材は金属製部材に比べて特定の機械的性質が優れているという利点を有する。さらに、金属を腐食させるような分野でもプラスチックは利用することができる。
【０００４】
繊維強化プラスチックから成る部材を製造するには普通、強化繊維が型に挿入され、次にプラスチックが挿入される。このプラスチックは次に、強化繊維によって強化されたマトリックスを形成する。こうして確かに多くの部材を製造することができるが、しかし一般にこのような部材の後の塑性加工は大きな困難を伴ってのみ可能である。
【０００５】
この理由から、特定の部材を作製するために依然として金属板が中間製品として使用される。このような金属板は例えば深絞りによって成形することができる。金属板から成る深絞り部品、例えば車体の構成要素はかなりの支出を伴ってのみプラスチック製の当該部品によって複製することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、十分に広く利用可能な繊維強化プラスチック中間製品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、冒頭に指摘した種類の中間製品において、前記強化繊維が熱可塑性プラスチックから成る２つの層の間に配置されていることによって解決される。
【０００８】
このような中間製品は金属板と同様に成形することができ、つまり特定事例において金属板の代用物となる。熱可塑性プラスチックは、場合によっては加熱下で、例えば深絞りによって成形することができる。このような成形時に強化繊維は熱可塑性プラスチックから成る層の間に留まる。つまり強化繊維は周囲環境からの諸影響に曝されていないので保護される。プラスチック層は強化繊維をやはり所定位置で保持する。繊維破断は出現せず、または少なくとも僅かに出現するだけであり、こうして強化繊維の延びる主方向で引張強さが維持され、しかも成形後でも維持される。熱可塑性プラスチックが冷却されたなら、塑性加工された中間製品は再び形状安定性を有する。
【０００９】
好ましくは前記層がフィルムとして形成されている。それゆえにこれらのプラスチック層は比較的薄くすることができる。フィルムは厚さを０．０１〜２ｍｍの範囲内とすることができる。強化繊維の割合が比較的大きくなるようにフィルムを過度に厚く選択しないことがしばしば好ましい。これにより質量と引張強さとの間に良好な関係を達成することができる。
【００１０】
好ましくは、前記層が前記繊維の間の空隙によって互いに接合されている。こうして結合がなお改善される。中間製品を製造するには基本的に上層と強化繊維との接合、そして下層と強化繊維との接合で間に合う。しかし繊維間の空隙によって両方の層を互いに接合できる場合、より強い結合が得られる。さらに、強化繊維は横方向に変位しないようなお一層良好に保護される。
【００１１】
好ましくは、プラスチックから成る前記２つの層の間に、単一配向を有する前記強化繊維が配置されている。その場合、この配向の方向で特別良好な引張強さが得られる。中間製品はこの方向において特別に耐荷性を有する。
【００１２】
好ましくは、前記強化繊維がガラス繊維、カーボン繊維、鉱物繊維、セラミック繊維、プラスチック繊維または天然繊維として、またはこれら繊維の混合物として形成されている。このような強化繊維は、希望する用途に依存して、中間製品から作製される部材の十分な引張強さおよび形状安定性をもたらすことができる。
【００１３】
好ましくは、前記強化繊維が熱可塑性プラスチックと同じ材料で形成されており、前記強化繊維が前記層の前記プラスチックよりも高い融点および／または高い引張強さを有する。そのことから中間製品の再利用またはリサイクルが容易となる。その場合例えば中間製品は再び溶かすことができ、強化繊維は溶融体内に沈み込むので邪魔とはならない。
【００１４】
好ましくは、前記プラスチックはポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニルスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエチレンを含むプラスチック群から選択されている。このようなプラスチックは安価に入手可能であり、多くの部材分野で利用するための前提条件を満たす。
【００１５】
本発明は、重ねて互いに接合された少なくとも２つのこのような中間製品を有する中間製品複合体にも関する。単一の中間製品は比較的僅かな例えば０．２ｍｍ以下の厚さを有する。幾つかの事例ではこのような中間製品は耐荷性が十分でない。その場合、２つ以上の中間製品を上下に重ねて互いに接合することができ、例えば熱を加えながら互いに加圧することができる。これにより個々の中間製品の強度特性が加算される。
【００１６】
その際好ましくは、複数の前記中間製品の強化繊維が異なる方向を有する。その場合、中間製品複合体の引張強さは複数の方向で高めることができる。
【００１７】
前記課題は、プラスチックと強化繊維とから中間製品を製造するための方法において、熱可塑性プラスチックから成る２つの層の間に強化繊維を配置することによっても解決される。
【００１８】
このような処理方式は比較的簡単に自動化可能であり、中間製品は安価に製造することもできる。
【００１９】
その際好ましくは、繊維ストランドがその長手方向を横切る方向に幅出しされて前記熱可塑性プラスチック層の間に挿入される。多くの繊維、例えばカーボン繊維は、数千本の単繊維をまとめた繊維ストランドとして販売される。１つの繊維ストランドは例えば１２０００本、２４０００本、４８０００本の単繊維を含み、または２４００００本の単繊維さえ含むことがある。１つの繊維ストランドが多くの繊維を含んでいればいるほど、繊維ストランドは一般に一層安価である。繊維ストランドは普通横断面が円形または楕円形である。つまり繊維をプラスチック層の間に挿入できる前に繊維ストランドはその長手方向を横切って幅出しされ、いわゆる繊維帯が形成される。この繊維帯は次に並べて配置され、一方向繊維層（ＵＤ繊維層）が形成される。この一方向繊維層が次にプラスチック層の間に挿入される。一方向繊維層の製造はいわば連続的に行うことができる。
【００２０】
一方向繊維層の製造時、個々の繊維ストランドは好ましくは一方向繊維ウェブの層厚および坪量に対する所要の表面特性に相応して幅出しされる。一方向繊維ウェブの坪量の調整は好ましくはプラスチック層の表面特性、特にフィルム厚に合せて調節され、後の繊維強化プラスチック中間製品内で規定された繊維質量含有率もしくは繊維体積含有率が達成されるようにされる。このため個別繊維ロービングまたは個別繊維ストランドは特に、含有する単繊維の本数に相応して所定幅に幅出しされ、次にやはり規定された幅の平面的一方向繊維ウェブへとまとめられねばならない。生産方向に延びる一方向繊維ウェブは個々の繊維ストランドの幅出しによって予め規定された表面特性を有して、一方向繊維ウェブの両側から到来するプラスチック層の間に埋め込まれる。
【００２１】
好ましくは、前記プラスチック層がロールから繰り出される。こうして本方法はいわば連続的に行うことができる。幅出しされた繊維ストランドから成る一方向繊維層はエンドレスで供給することができる。プラスチック層もエンドレスで供給することができる。
【００２２】
好ましくは、一方向繊維層に接している前記プラスチック層は圧力および／または高い温度が付加される。この付加は例えばプレスロール対によって行うことができ、プレスロール対のロールは一定の力で相互に加圧される。このようなプレスロール対のロール間隙またはニップ内で中間製品の厚さは所定限界内に調整することができる。高められた温度によってプラスチック層の軟化が生じ、強化繊維はプラスチック内に多少入り込むことができ、プラスチックは強化繊維間の隙間または開口部を通して別の層のプラスチックと接合することができる。
【００２３】
好ましくは、製造された中間製品、つまり接合された前記プラスチック層とその間にある前記強化繊維は巻き取って巻取体とされる。これにより中間製品は巻取体の態様で得られ、この巻取体から事実上任意の長さに切断し、これから部材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】中間製品を製造するための装置の略図である。
【図２】中間製品の構造を説明するための略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明は好ましい実施例に基づいて図面と合せて説明される。
【００２６】
図１は、繊維強化プラスチックとして形成される中間製品１を製造するための装置を概略示す。
【００２７】
このため、貯蔵装置５から個々の繊維ストランドを引き出し、幅出装置６において、規定された幅および坪量の一方向繊維層へと幅出ししかつまとめることによって、強化繊維から一方向繊維層２が製造される。一方向層またはＵＤ層内ですべての強化繊維３は同じ配向を有する（図２参照）。この配向は中間製品の長手方向に延びている。この一方向層２を製造するために複数の個別繊維ストランド４が貯蔵装置５から引き出される。貯蔵装置５は例えばクリールによって形成され、このクリールが複数のボビンを含み、これらのボビンに個別繊維ストランド４が巻き取られている。
【００２８】
繊維ストランド４は供給装置７から繰り出され、幅出機構６を介して案内され、この幅出機構内で繊維ストランドは一定の引張応力のもとで装置８を介してロッド９によって引っ張られる。個別繊維ストランド４における各ロッド９から遠く離れた繊維は幅出機構６を通過するときロッド９に一層接近しようとし、そのことが当該ロッド９に近接して配置される繊維を横方向外方に押しのける。これにより個別繊維ストランド４が帯状に幅出しされる。並置された帯が次に一方向繊維層２を形成する。
【００２９】
一方向繊維層２は２つのフィルム１０、１１と一緒に、ロール１３、１４の間に形成されるロール間隙１２（ニップ１２）に通される。ニップ１２内で高い温度が生成される。このため例えば両方のロール１３、１４の一方は、または両方のロール１３、１４も、加熱しておくことができる。両方のロール１３、１４が所定の圧力で相互に加圧され、両方のフィルム１０、１１は一方向繊維層２を介装して接合されてガラス繊維強化中間製品とされる。
【００３０】
フィルム１０、１１は貯蔵ローラ１５、１６から繰り出される。中間製品１はニップ１２を通過後にローラ１７に巻き取られる。
【００３１】
フィルム１０、１１は熱可塑性プラスチックから形成されている。熱可塑性プラスチックとして考慮に値するのは例えばポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニルスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンまたはポリエチレンである。これらのプラスチックは温度が高くなると軟化し、温度が低下すると再び堅くなる。それに応じて中間製品１は、それが必要とされるときローラ１７から繰り出して所要長さに切断することができる。その後、中間製品は型に挿入し、熱と圧力を加えながら成形することができる。このような成形は金属板の深絞りに類似しており、中間製品１は金属板と同様に塑性加工することができる。
【００３２】
一方向繊維層２は貯蔵ローラから直接繰り出すこともできる。
【００３３】
強化繊維として考慮に値するのはガラス繊維、カーボン繊維、鉱物繊維、セラミック繊維、アラミド繊維または天然繊維である。フィルム１０、１１と同じ材料から成るプラスチック繊維も使用することができ、但しこれらのプラスチック繊維は高い融点および／または高い引張強さを有する。このような構成がリサイクルを容易とする。
【００３４】
最終効果として得られる中間製品１では強化繊維３が熱可塑性プラスチックから成る２つのフィルム１０、１１の間に埋め込まれている。繊維３の間に小さな空隙１８が存在し、これらの空隙を通して両方のフィルム１０、１１は互いに接合することができる。これによりフィルム１０、１１と強化繊維３との間の接合は事実上分離不可能となる。
【００３５】
１つの層を有する中間製品１の強度が十分でない場合、中間製品１の複数の層を上下に配置し、高めた圧力と高めた温度の作用下に互いに接合し、中間製品複合体を形成することが問題なく可能である。このため例えばプレス機を使用することができる。
【００３６】
中間製品１の複数の層を上下に配置する場合、異なる繊維方向を有する中間製品１の異なる層を使用すると望ましいことがある。その場合、複数の方向において引張強さを改善された中間製品複合体が得られる。
【００３７】
上記製造方法はいわば連続的に行うことができる。中断が生じるのは、ローラ１５、１６が空になるとき、または個別繊維ストランド４を巻き取ったボビンを更新しなければならないときだけである。
【００３８】
フィルム１０、１１および繊維ストランド４の所要長さは予め推定することができ、ローラ１５、１６の大きさと繊維ストランド４を有するローラの大きさはそれらがほぼ同時に空になるように相互に調整することができる。その場合、すべての貯蔵ローラを取り替えるために１回の中断が必要であるにすぎない。
【００３９】
熱可塑性プラスチックから成る２つの層の間に強化繊維３を配置した中間製品１の層状構造によって、強化繊維３に対する優れた保護が得られる。特に、繊維破断の虞が比較的少ない。これにより、強化繊維の方向で所定の引張強さは幾つかの塑性加工過程後でも維持することができる。
【００４０】
中間製品を塑性加工するための塑性加工温度は、後に中間製品１から製造される部材の使用温度よりも上、例えば２００℃〜４００℃の範囲内である。それに応じて、中間製品１から作製される部材が使用温度以下で温度作用の結果として機能不全を起こす虞はない。
【符号の説明】
【００４１】
３  強化繊維
４  繊維ストランド
１０  フィルム
１１  フィルム
【図１】
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【図２】
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