DE10028693A1

DE10028693A1 - Faserverbundbauteil

Info

Publication number: DE10028693A1
Application number: DE2000128693
Authority: DE
Inventors: Milan Jovanovic
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2001-12-13

Abstract

Bei einem Faserverbundbauteil (2), bestehend aus einer in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Naturfaserstruktur, wird erfindungsgemäß eine auch bei stärkeren Bauteilverformungen zuverlässige, aktive Formstabilisierung dadurch gewährleistet, dass das Bauteil mit Einlagen (10.1, 10.2) aus einer Formgedächtnislegierung versehen ist und diese nach Maßgabe des Verformungsgrades (R) des Bauteils aktiviert sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Faserverbundbauteil, bestehend aus einer in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Faser- und insbesondere Naturfaserstruk tur, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, dass Faserverbund- und insbesondere Naturfaserverbund bauteile unter der Wirkung mechanischer und/oder thermischer Belastungen zu elastischen und bei höheren oder länger anhaltenden Einwirkungen sogar ir reversiblen Formänderungen, etwa Schwingungen, Längenänderungen oder Biegeverformungen neigen. Als Gegenmaßnahme werden nach dem Stand der Technik piezokeramische Einlagen in das Faserverbundmaterial eingebettet, die von einer zentralen Sensorik nach Maßgabe der Bauteilverformungen elek trisch aktiviert werden, um so die Formänderungen der Faserverbundstruktur aufgrund des dadurch ausgelösten Piezoeffekts zu beheben. Die Verwendung solcher aktiv steuerbarer Einlagen ist jedoch nur in sehr begrenztem Umfang möglich, weil piezokeramische Werkstoffe äußerst bruchanfällig sind und daher bei größeren Bauteilverformungen mechanisch beschädigt und somit wir kungslos werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Faserverbundbauteil der eingangs genann ten Art so auszubilden, dass auch stärkere und insbesondere plastische Form änderungen der Faserverbundstruktur auf herstellungsmäßig einfache Weise durch äußere Steuereingriffe zuverlässig zu reduzieren sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekenn zeichnete Faserverbundbauteil gelöst.

Erfindungsgemäß werden die Materialeigenschaften von Formgedächtnis-, also im allgemeinen Nickel-Titanlegierungen, die im Gegensatz zu piezokerami schen Werkstoffen in weiten Grenzen zerstörungs- und vor allem bruchfrei verformbar sind, in der Weise genutzt, dass durch eine integrale Verbindung von Formgedächtniseinlagen mit der Faserverbundstruktur und eine gezielte Ansteuerung bei störenden Bauteilverformungen, bei denen die Elastizitäts grenze der Formgedächtniselemente überschritten wird, ein ausgeprägter Rückstelleffekt in der Faserverbundstruktur erzeugt wird. Hierdurch wird erst mals auch für verformungsanfällige Faserverbundbauteile, insbesondere sol che mit einer Naturfaserstruktur, eine selbst bei stärkeren Verformungen wirk same, aktive Formstabilisierung mit geringem Fertigungsaufwand erreicht, der art, dass sich sogar bleibende Bauteilverformungen, etwa aufgrund von Kriecheffekten oder Schlageinwirkung, weitgehend zurückbilden lassen.

Aus Fertigungsgründen und im Hinblick auf eine sichere Anbindung der Form gedächtniseinlagen sind diese nach Anspruch 2 vorzugsweise vor dem Einbrin gen der Kunststoffmatrix in die Faserstruktur eingebettet.

Eine selbsttätige Ausregelung der Bauteilverformungen wird nach Anspruch 3 vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Formgedächtniseinlagen an eine die se elektrisch ansteuernde Zentraleinheit einschließlich einer auf die Bauteil verformungen ansprechenden Sensoranordnung angeschlossen sind. Dabei sind die Formgedächtniseinlagen aus Gründen einer elektrisch und mecha nisch dauerhaften Verkoppelung nach Anspruch 3 zweckmäßigerweise über leiterbahnbeschichtete, integral mit dem Faserverbundbauteil verbundene Fo lien an die Zentraleinheit angeschlossen.

Aus Gründen einer fertigungsmäßig einfachen Anordnung und Gestaltung der Formgedächtniseinlagen bestehen diese nach Anspruch 5 vorzugsweise aus jeweils parallel zueinander verlaufenden, draht- oder bandförmigen Form gedächtniselementen. Diese sind nach Anspruch 6 zweckmäßigerweise sowohl in Längs- als auch in Querrichtung des Bauteils angeordnet, um so auch mehr dimensionale Bauteilverformungen rückbilden zu können.

Eine für Biegeverformungen des Bauteils besonders wirksame Ausgestaltung der Erfindung besteht nach Anspruch 7 darin, dass das Bauteil sowohl in den oberen als auch in den unteren Randzonen jeweils mit Formgedächtniseinla gen versehen ist.

Nach Anspruch 8 schließlich sind die Formgedächtniseinlagen in besonders bevorzugter Weise in Verformungsrichtung des Bauteils vorgespannt. Hier durch wird die Ansprechschwelle der Formgedächtniseinlagen deutlich verrin gert und so - bei einer Vorspannung der Formgedächtniseinlagen bis knapp unter die Elastizitätsgrenze - bereits bei kleineren Bauteilverformungen ein ausgeprägter Formstabilisierungseffekt erzielt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, bei spielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Diese zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1-4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Faser verbundbauteils in aufeinanderfolgenden Fertigungsstu fen;

Fig. 5 eine geschnittene Teildarstellung des Bauteils nach den Fig. 1-4 in einer modifizierten Ausführungsform, zusam men mit einer zugehörigen Regelung zur Formstabilisie rung; und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in ge schnittener Darstellung.

Nach den Fig. 1-4 wird zur Herstellung des Faserverbundbauteils 2 mit Hilfe eines unteren und eines oberen Formwerkzeugs 4, 6 zunächst eine Faser schicht 8 aus einem Naturfaservlies in das untere Formwerkzeug 4 eingebracht und dann eine Reihe von vorgebogenen, drahtförmigen Formgedächt niselementen 10, üblicherweise aus einer Nickel-Titanlegierung, auf die Faser schicht 8 aufgelegt. Anschließend werden zum elektrischen Anschluss der Formgedächtniselemente 10 leiterbahnenbeschichtete, streifenförmige Folien zuschnitte 12 auf den Endabschnitten der Faserschicht 10 positioniert (Fig. 2), woraufhin eine weitere Faserschicht 14, ebenfalls aus einem Naturfaservlies, in das Formwerkzeug 4 eingelegt (Fig. 3), die Faserstruktur mit einer Kunststoff matrix durchtränkt, das Formwerkzeug 6 geschlossen und das Faserverbund laminat unter Druck- und Wärmeeinwirkung konsolidiert wird. Fig. 4 zeigt das auf diese Weise fertiggestellte Faserverbundbauteil 2 mit den in dieses als in tegraler Bestandteil eingebetteten Formgedächtniselementen 10 und elektri schen Anschlussstücken 12. Zusätzlich können, wie in Fig. 4 in strichpunktier ten Linien angedeutet, in entsprechender Weise weitere, in Querrichtung des Bauteils 2 verlaufende Formgedächtniselemente 16 mit zugehörigen, elektri schen Anschlussstücken in die Faserstruktur eingebettet sein.

Fig. 5 zeigt das Bauteil 2 nach den Fig. 1-4 mit einer modifizierten, insbeson dere zur Rückbildung von Biegeverformungen und zur Schwingungsdämpfung des Bauteils 2 geeigneten Anordnung von Formgedächtniselementen 10.1 und 10.2, nämlich sowohl in der oberen als auch in der unteren Randzone der Fa serverbundstruktur. Dem Bauteil 2 ist ein insgesamt mit 18 bezeichneter Re gelkreis zugeordnet, bestehend aus einem die Bauteilverformung aufnehmen den Sensor 20 und einem Regler 22, z. B. mit einer Fuzzy-Logik, zur Erzeugung von elektrischen Steuersignalen, durch die die Formgedächtniseinlagen 10.1 und 10.2 aktiviert werden und dadurch der Rückstelleffekt zur Rückverformung des Bauteils 2 in die Ausgangslage ausgelöst wird.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Faserverbundbauteil 2 sind die Formgedächtnis drähte oder -bänder 10.1 und 10.2 in Verformungsrichtung R des Bauteils 2 gegensinnig vorgebogen und derart konditioniert, dass die Formgedächtnisein lagen 10.1 bei einer positiven und die Formgedächtniseinlagen 10.2 bei einer negativen Auslenkung des Bauteils 2 aus der gezeigten Nulllage jeweils in den mittleren Bereichen gedehnt werden. Durch entsprechende Vorspannung der Formgedächtniseinlagen 10 lässt sich erreichen, dass die Elastizitätsgrenze der jeweils biegeäußeren Formgedächtniseinlage 10.1 bzw. 10.2 bereits bei einer geringfügigen Bauteilauslenkung überschritten wird. Bei einer Schwin gungsbewegung des Bauteils 2 wird daher die Formgedächtniseinlage 10.1 zu Beginn der positiven Schwingungsphase aktiviert und dadurch ein der Schwin gungsbewegung entgegenwirkender Rückstelleffekt ausgelöst. Wenn das Bauteil 2 nach Beendigung des Rückstelleffekts die negative Schwingungs phase erreicht, die Formgedächtniseinlage 10.1 also erneut ihren Ausgangszu stand durchläuft, wird dieser Zustand von der Formgedächtnislegierung bei entsprechender, schwingungskonformer Ansteuerung als neuer Ausgangszu stand gespeichert. Hierzu gegensinnig wird die Formgedächtniseinlage 10.2 angesteuert. Auf diese Weise wird eine äußerst effektive Schwingungsdämp fung gewährleistet.

Die Erfindung ist nicht nur zur Schwingungsdämpfung, sondern allgemein zur Formstabilisierung von Faserverbundbauteilen und insbesondere auch zur Rückbildung von plastischen, mechanisch oder thermisch bedingten Form änderungen, etwa aufgrund von Kriecheffekten oder Schlageinwirkungen, ge eignet, und zwar für unterschiedlichste Faserverbundstrukturen einschließlich solcher, die anstelle eines Naturfaservlieses eine Kurzfaserstruktur besitzen oder aus vorimprägnierten Faserschichten oder -matten unter Verwendung ei ner thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmatrix bestehen, und auch für unverstärkte oder gefüllte Kunststoffe mit relativ hohem Elastizitäts modul.

Claims

1. Faserverbundbauteil, bestehend aus einer in eine Kunststoffmatrix ein gebetteten Faser-, insbesondere Naturfaserstruktur, dadurch gekenn zeichnet, dass das Bauteil (2) mit Einlagen (10) aus einer Formgedächtnislegierung versehen ist und diese nach Maßgabe des Verformungsgrades des Bauteils aktiviert sind.

2. Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniseinlagen (10) vor dem Einbringen der Kunststoffma trix in die Faserstruktur eingebettet sind.

3. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniseinlagen (10) an eine diese elektrisch ansteuernde Zentraleinheit (18, 20, 22) einschließlich einer auf die Bauteilverformun gen ansprechenden Sensoranordnung (20) angeschlossen sind.

4. Faserverbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniseinlagen (10) über leiterbahnbeschichtete, integral mit dem Faserverbundbauteil (2) verbundene Folien (12) an die Zentral einheit (18, 20, 22) angeschlossen sind.

5. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Einlagen (10) aus parallel zueinander verlaufenden, draht- oder bandförmigen Formgedächtniselementen bestehen.

6. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) in Längs- und Querrichtung verlaufende Formgedächtnis einlagen (10, 16) enthält.

7. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) sowohl in den oberen als auch in den unteren Randzo nen mit Formgedächtniseinlagen (10.1, 10.2) versehen ist.

8. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniseinlagen (10.1, 10.2) in Verformungsrichtung des Bauteils (2) vorgespannt sind.