DE10036169A1

DE10036169A1 - Verfahren zur Aufbereitung eines Faserverbundhalbzeugs, Faserverbundhalbzeug und daraus hergestellte Crashstruktur

Info

Publication number: DE10036169A1
Application number: DE2000136169
Authority: DE
Inventors: Klaus Drechsler; Alexander Weiland
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DE10036169C2

Abstract

Ein Verfahren zur Aufbereitung eines Faserverbundhalbzeugs (10) für eine räumliche Verformung sowie ein entsprechend aufbereitetes Faserverbundhalbzeug und eine Crashstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff, welcher aus einem solchen Faserverbundhalbzeug zumindest teilweise hergestellt ist, werden vorgestellt. Die Verformung wird insbesondere durch ein lokales Tiefziehen oder Drapieren oder bei einem Crash bewirkt. Die Struktur und/oder Fasern des Faderverbundhalbzeugs (10) werden in einem zu verformenden Bereich (35, 90, 100, 110, 120) durch eine Vernadelung verändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines Faserverbundhalbzeugs für eine räumliche Verformung. Die Verformung wird insbesondere durch ein lokales Tiefziehen oder Drapieren oder bei einem Crash bewirkt. Die Erfindung betrifft außerdem ein ent sprechend aufbereitetes Faserverbundhalbzeug, sowie eine Crashstruktur aus einem Fa serverbundwerkstoff, welcher aus einem solchen Faserverbundhalbzeug zumindest teil weise hergestellt ist.

Faserverbundhalbzeuge sind Faserprodukte, welche beispielsweise zunächst als trockenes Gewebe oder Multiaxialgelege vorliegen und welche zusammen mit einem Harz einen Fa serverbundwerkstoff ergeben. Um ein gewünschtes Produkt aus einem Faserverbund werkstoff zu erhalten, kann ein trockenes Faserverbundhalbzeug in eine entsprechende Form gebracht und dann mit Harz ausgegossen oder anderweitig imprägniert werden. Es ist aber auch möglich, den fertigen Faserverbundwerkstoff zu erwärmen und dann zu for men. In der Regel sind bestimmte Materialien jeweils nur für die eine oder die andere Be arbeitungsweise geeignet.

Zur Herstellung von Produkten aus Faserverbundwerkstoffen ist es regelmäßig nötig, drei dimensionale Formen zu erzeugen. Dies erfordert entweder eine räumliche Verformung des trockenen Faserverbundhalbzeuges oder aber des fertigen Faserverbundwerkstoffes. Die Verformung erfolgt beispielsweise durch ein Tiefziehen, d. h. durch Einpressen oder Einziehen (durch Unterdruck) des ursprünglich ebenen Werkstoffs in eine Vertiefung, oder ein Drapieren, d. h. durch Überstülpen des ursprünglich ebenen Werkstoffs über eine Erhö hung. In beiden Fällen besteht insbesondere bei der Verwendung von langen Fasern, wie etwa in Multiaxialgelegen, das Problem, daß es zu unerwünschten Faltenbildungen kommt. Solche Faltenbildungen führen neben der optischen Beeinträchtigung zu unkalkulierbaren Dickenabweichungen und unter Umständen auch zu Festigkeits- bzw. Steifigkeitseinbu ßen.

Nach dem Stand der Technik werden solche Faltenbildungen durch geeignete Einschnitte in das Faserverbundhalbzeug vermieden und/oder durch Umklappen entfernt. Diese Bear beitungsschritte erfolgen regelmäßig manuell.

Als weitere Abhilfe schlägt die DE 196 52 517 A1 für thermoplastische Formteile mit kon tinuierlicher Faserverstärkung vor, das flächige Ausgangsmaterial nach Erwärmung zwi schen festem Ober- und Unterwerkzeug in einer Presse tiefzuziehen. Dabei sollen insbe sondere zur Unterstützung der faltenfreien Formgebung Niederhalter verwendet werden, zwischen denen das Laminat eingeklemmt und in die Form gezogen wird. Auf diese Weise sollen während der Umformung Rückhaltekräfte bzw. -wege eingeleitet werden, die die notwendige Umorientierung der kontinuierlichen Fasern in der Form einer Verdrehung er leichtern. Eine hierfür erforderliche Preßvorrichtung ist jedoch aufwendig und dementspre chend teuer.

Die US 5,431,871 betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Teile aus Bah nen von thermoplastischen Harz-Faserverbundwerkstoffen, bei welchem während einer Verformung des erwärmten Materials die jeweilige Bahn mit einer Mehrzahl von Faserposi tionierungspins durchstochen und gezogen wird, um die Verstärkungsfasern zu positionie ren. Auch diese Lösung ist relativ aufwendig und teuer.

Crashstrukturen sind Bauteile beispielsweise in Fahrzeugen, welche sich bei einem Auf prall zumindest teilweise in vorbestimmter Weise verformen. Dabei wird die Aufprallener gie gezielt in Verformungsenergie umgewandelt, um die auf Fahrzeuginsassen wirkenden Kräfte zu reduzieren. Bekannte Crashstrukturen leisten dies durch eine geeignete Formge bung und/oder durch unterschiedliche Wandstärken in bestimmten Bereichen. Die unter schiedlichen Wandstärken erhält man dabei beispielsweise durch eine unterschiedliche Lagenzahl von Faserverbundhalbzeugen in diesen Bereichen. Ein Nachteil bekannter Crashstrukturen besteht darin, daß es zum Zeitpunkt des Aufpralls zu einem Peak der wir kenden Bremsbeschleunigung kommt, welcher nicht wirksam abgemildert werden kann.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Aufbereitung eines Faserverbundhalb zeugs für eine räumliche Verformung zur Verfügung zu stellen, welches einen verbesserten Einsatz solcher Werkstoffe ermöglicht, sowie ein so aufbereitetes Faserverbundhalbzeug und eine Crashstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff, weicher aus einem derartigem Faserverbundhalbzeug zumindest teilweise hergestellt ist.

Sie erreicht dieses Ziel mit dem Gegenstand des Anspruchs 1, also mit einem Verfahren zur Aufbereitung eines Faserverbundhalbzeugs für eine räumliche Verformung wobei die Verformung insbesondere durch ein lokales Tiefziehen oder Drapieren oder bei einem Crash bewirkt wird, bei welchem die Struktur und/oder Fasern des Faserverbundwerk stoffs in einem zu verformenden Bereich durch eine Vernadelung verändert werden. Sie erreicht dieses Ziel außerdem mit dem Gegenstand der Ansprüche 7 und 8, also mit einem Faserverbundhalbzeug, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Tiefziehen, Drapieren oder für Crashverformungen aufbereitet ist bzw. mit einer Crashstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff, welcher zumindest teilweise aus einem solchen Faserver bundhalbzeug hergestellt ist.

Die Erfindung erlaubt es, Faltenbildungen bei einer räumlichen Verformung bereits durch Maßnahmen im Vorfeld der Verformung zu vermeiden. Sie erlaubt es außerdem, Crash strukturen zu entwickeln, bei welchen auftretende Kräfte schon aufgrund der unterschied lichen Werkstoffstruktur gezielt in Verformungsenergie umgewandelt werden. Weitere Vor teile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die abhän gigen Ansprüche 2-6 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung sind:

Fig. 1a eine Draufsicht auf eine beispielhafte dreidimensionale Form, welche aus einem Faserverbundwerkstoff erzeugt werden soll;

Fig. 1b ein Aufriß der Form aus Fig. 1a;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen aufzubereitenden Faserverbundwerkstoff für die Form aus Fig. 1a und 1b;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Vernadelungswerkzeugs;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Fasern und der Struktur des Faserver bundwerkstoffes nach der Vernadelung; und

Fig. 5 ein Aufriß einer erfindungsgemäßen Crashstruktur.

Fig. 1a und 1b zeigen, wie gesagt, eine dreidimensionale Form, welche durch Tiefziehen eines Faserverbundwerkstoffes erzeugt werden soll. Bei dem Faserverbundwerkstoff han delt es sich um eine rechteckförmige, trockene Fasermatte 10. Diese besteht beispiels weise aus Kohlefasern und/oder Glasfasern. Im mittleren Bereich der Fasermatte 10 ist eine im wesentlichen ebenfalls rechteckförmige Vertiefung 20 vorgesehen. Sie wird er zeugt, indem beispielsweise die Fasermatte 10 in ihren Randbereichen festgeklemmt und der mittlere Bereich durch eine Preßtechnik und/oder eine Vakuumtechnik tiefgezogen wird.

Würde man ein gewöhnlich gewebtes, geflochtenes oder multiaxial gelegtes Faserver bundhalbzeug ohne weiteres so oder anders verformen, so käme es zu einer unerwünsch ten Faltenbildung im Bereich der Kanten der rechteckförmigen Vertiefung. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird die Fasermatte 10 vor der Verformung aufbereitet, indem die Struktur und die Fasern des Faserverbundhalbzeugs in dem zu verformenden Bereich 35 verändert werden.

Zu diesem Zweck wird eine Vernadelungstechnik angewendet, d. h. eine Mehrzahl von Na deln wird mehrfach durch das Faserverbundhalbzeug hindurchgestochen. Eine Vernade lungstechnik ist in anderer Verwendung beispielsweise aus dem Aufsatz "Characterization of Reinforcing Web Structures in Needle Punched Nonwoven Composites" von Tae Jin Kang und Sung Ho Lee in: Journal of Composite Materials, Vol. 33, No. 22/1999, S. 2116 ff bekannt. Anders als in dem dort beschriebenen Anwendungsfall sollen hier die Struktur des Faserverbundhalbzeuges und insbesondere auch die Fasern möglichst verändert, d. h. als Langfasern zerstört und zu Kurzfasern umgewandelt werden. Es ist daher zweckmäßig, sog. Filznadeln zu verwenden. Hierunter versteht man Nadeln, welche Widerhaken aufwei sen und hierdurch ein Durchtrennen der Fasern unterstützen. Alternativ können auch Ga belnadeln oder Schneidenadeln verwendet werden.

Ein Vernadelungswerkzeug 30 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Es gleicht einem Na delbrett, d. h. auf einem Rückenelement 32 sind Nadeln 34 in einer gewünschten Anord nung angebracht. Diese Anordnung entspricht entweder dem ganzen zu verformenden Bereich 35 oder Teilen hiervon. Sofern, wie weiter unten dargestellt, unterschiedliche Vernadelungsdichten erwünscht sind, können in verschiedenen Bereichen des Vernade lungswerkzeugs 30 unterschiedlich viele Nadeln angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, daß auch eine solche Vernadelung mit nur einem Werkzeug 30 vorgenommen werden kann.

Das Vernadelungswerkzeug 30 wird zum Vernadeln regelmäßig mehrfach auf und ab be wegt, so daß die Fasermatte 10 mehrfach durchstochen wird. Dabei wird üblicherweise die Fasermatte zwischen den einzelnen Durchstechungen leicht verschoben, so daß jeweils unterschiedliche Stellen durchstochen werden. Die Verschiebung kann etwa in einer Hin- und Herbewegung oder in einer Kreisbewegung bestehen. Alternativ kann auch das Verna delungswerkzeug 30 entsprechend verschoben werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Vernadelungswerkzeug 30 weist eine Mehrzahl von Nadeln 34 auf, welche alle gleich lang sind. Alternativ kann auch ein konturiertes Vernadeln zweck mäßig sein. Hierbei wären die Nadeln 34 unterschiedlicher Länge, so daß die Nadelspitzen auf einer konturierten Oberfläche liegen würden. Zu einer entsprechenden Vernadelung würde man eine Gegenform als Unterlage benutzen. Im Ergebnis würden so der Vernade lungsvorgang und der Verformungsvorgang zumindest teilweise zusammenfallen.

Zusätzlich zu der beschriebenen Wirkung ergibt sich eine zur Ebene der Fasermatte 10 senkrechte Ausrichtung von Kurzfasern, welche sich positiv auf die entstehende Wandhär te auswirken kann. Es kommt zu einer Verstärkung in Dickenrichtung (sog. 3-D-Effekt). Dieser kann noch verstärkt werden, indem mehrere Lagen Halbzeug übereinandergelegt werden.

Für die Aufbereitung eines Multiaxialgeleges haben sich beispielsweise Vernadelungsdich ten zwischen 1,18 und 2,82 Einstiche pro mm² (E/mm²) als besonders zweckmäßig her ausgestellt. Einstichdichten deutlich unter 1,18 E/mm² sind für die erfindungsgemäße Anwendung zwecklos, da so kaum eine Schädigung des Geleges bewirkt werden kann. Größere Einstichdichten als 2,82 E/mm² sind möglich, erfordern jedoch einen erhöhten Bearbeitungsaufwand. Die genannten Einstichdichten lassen sich beispielsweise mit einem Nadelbrett mit einer Nadeldichte von 4,48 Nadeln pro mm (wobei die Nadeln in einer Rei he angeordnet sind) erreichen, wenn das zu vernadelnde Material mit einer Vorschubge schwindigkeit von 1900 mm/min durch die Vernadelungseinheit geführt wird und zwi schen 500 und 1200 Einstiche pro Minute durchgeführt werden.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß durch die beschriebene Aufbereitung der Über gangsbereich 40 zwischen dem ebenen Bereich und der rechteckförmigen Vertiefung 20 nicht übermäßig stark verändert werden darf, damit keine Perforationswirkung auftritt und somit ein guter Zusammenhalt zwischen der rechteckförmigen Vertiefung 20 und dem Rest der Fasermatte 10 gewährleistet ist. Es hat sich daher als zweckmäßig herausge stellt, diesen Bereich 40 weniger stark zu vernadeln als den mittleren Bereich 50. Dies ist in Fig. 2 angedeutet.

Anstelle von zwei Bereichen 40, 50 unterschiedlich starker Vernadelung können auch drei oder mehr solcher Bereiche vorhanden sein. Die Vernadelungsdichte kann sogar kontinu ierlich vom Mittelpunkt eines zu verformenden Bereiches 35 zu den Rändern hin abneh men. Denkbar sind außerdem statt streifenförmigen Bereichen 40, 50 auch andere Gestal tungen. Beispielsweise kann es für eine ringförmige Vertiefung zweckmäßig sein, einzelne Bereiche unterschiedlich starker Vernadelung als ineinander geschachtelte Sterne auszu bilden.

In Fig. 4 sind die Auswirkungen des Vernadelns auf die Struktur der Fasermatte 10 sche matisch dargestellt. Dabei wird der Einfachheit halber von einem zweiachsigen Gelege ausgegangen, wobei die Achsen jeweils senkrecht zueinander stehen und parallel zu den Rändern der Fasermatte 10 verlaufen. Im Ursprungszustand verliefen die einzelnen Fasern jeweils über die volle Länge der Fasermatte 10. Im Übergangsbereich 40 und im mittleren Bereich 50 wurde diese Struktur jedoch durch das Vernadeln mehr oder weniger weitge hend zerstört. Die Zerstörung ist dabei im mittleren Bereich 50 stärker ausgeprägt als im Übergangsbereich 40. Im Ergebnis ist also in diesen Bereichen ein Gewebe entstanden, welches teils kurzfaserig und filzartig, und teils noch langfaseriges Geiege ist, wobei der Filzanteil im mittleren Bereich 50 höher ist als im Übergangsbereich 40.

Würde man nun den zu verformenden Bereich 35 tiefziehen, um die in Fig. 1a, b darge stellte rechteckförmige Vertiefung zu erhalten, so würden die (kurzen) Fasern im zu ver formenden Bereich 35 auseinandergezogen werden, bis sie sich der vorgegebenen Form angepaßt hätten. Dies führt dazu, das die Wandstärke im tiefgezogenen Bereich 20 gerin ger ist als im ebenen Bereich 15. Um dem abzuhelfen, ist es möglich, vor der Vernadelung den zu verformenden Bereichs 35 mit einer oder mehreren zusätzlichen Lagen des Faser verbundhalbzeugs zu überlagern. Durch die Vernadelung würden diese Lagen zugleich mit einander verbunden werden. Hierbei kommt es zu dem bereits beschriebenden 3-D-Effekt.

Nach Abschluß der Verformung wird das Faserverbundhalbzeug 10 mit einem Harz ver setzt. Zu diesem Zweck kann es mit dem Harz ausgegossen werden. Es ist aber auch möglich, feste Harzstreifen aufzubringen und diese dann einzuschmelzen.

Es versteht sich, daß die oben beschriebene Technik für beliebige Verformungen ange wendet werden kann. Beispielsweise ist es auch möglich, bei Faltungen um ein Eck ledig lich die Bereiche der späteren Kanten zu vernadeln.

In Fig. 5 ist schließlich eine Crashstruktur 60 aus einem Faserverbundwerkstoff darge stellt. Die Crashstruktur 60 hat die Gestalt eines Kegelstumpfes. Ihre Stirnseite 70 ist als Aufprallfläche vorgesehen. Die Seitenwand 80 ist in vier Zonen 90, 100, 110, 120 unterteilt, welche jeweils unterschiedlich vernadelt sind und welche jeweils streifenförmig die Sei tenwandfläche unterteilen.

Die von der Stirnseite 70 aus gesehen erste Zone 90 ist stark vernadelt, die darauffolgen de zweite Zone 100 mittelstark, die dritte Zone 110 schwach und die vierte Zone 120 überhaupt nicht vernadelt. Dementsprechend ist die Wandstruktur in den einzelnen Zonen unterschiedlich hart, die Verformung bei Stößen auf die Stirnseite 70 fällt unterschiedlich stark aus. Die erste Zone 90 würde sich schnell und relativ stark verformen und so die Stoßspitze abfangen. Die zweite Zone 100 würde sich weniger schnell verformen und da bei mehr Kraft in Verformungsenergie umwandeln. u. s. w. Alternativ kann auch nur die erste Zone 90 ganz oder teilweise vernadelt werden, während die übrigen Zonen 100-120 unterschiedlich starke Wandstärken aufweisen.

Die dargestellte Crashstruktur 60 kann aus je einem Faserverbundhalbzeug für die Kegel wand 80 und die Stirnseite 70 zusammengesetzt sein. In diesem Fall wären keine Verna delungen für eine Verformung eines ebenen Faserverbundhalbzeuges zum Kegelstumpf erforderlich. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, eine solche Verformung vorzuneh men.

Soweit Vernadelungen nur für eine Verformung der Crashstruktur 60 bei einem Crash und nicht (auch) zur Verformung eines ebenen Faserverbundhalbzeuges zur Crashstruktur 60 vorgesehen sind, ergibt sich die Besonderheit, daß eine Verformung bei einem Crash erst nach dem Ausgießen etc. des Faserverbundhalbzeuges mit dem Harz stattfindet. Die Ver nadelung dient in diesem Fall nicht der Vermeidung von Faltenbildung bei der Verformung, sondern einer gezielten Schwächung bestimmter Wandpartien 90, 100, 110, 120, welche sich bei einem Crash kontrolliert verformen sollen.

Es versteht sich, daß eine erfindungsgemäße Crashstruktur auch beliebig anders ausgebil det sein kann. Insbesondere ist es möglich, nur eine Zone gleichmäßig oder kontinuierlich veränderlich zu vernadeln oder mehrere gleich oder ungleich vernadelte Zonen nicht mit einander zu verbinden.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung. Sie stellen keine Einschränkung der Erfindung dar. Es versteht sich, daß die Erfindung auch alle anderen möglichen Ausführungsformen umfaßt.

Bezugszeichenliste

10

Fasermatte

15

ebener Bereich

20

rechteckförmige Vertiefung

30

Vernadelungswerkzeug.

32

Rückenelement

34

Nadeln

35

zu verformender Bereich

40

Übergangsbereich

50

mittlerer Bereich

60

Crashstruktur

70

Stirnseite

80

Seitenwand

90-120

Zonen der Seitenwand

Claims

1. Verfahren zur Aufbereitung eines Faserverbundhalbzeugs (10) für eine räumliche Verformung, wobei die Verformung insbesondere durch ein lokales Tiefziehen oder Drapieren oder bei einem Crash bewirkt wird, bei welchem die Struktur und/oder Fasern des Faserverbundhalbzeugs (10) in einem zu verformenden Bereich (35, 90, 100, 110, 120) durch eine Vernadelung verändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Faserverbundhalbzeug (10) ein Mul tiaxialgelege und insbesondere ein großflächiges Multiaxialgelege ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Multiaxial gelege (10) Langfasern umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zum Vernadeln Filznadeln (34), Gabelnadeln und/oder Schneidenadeln verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem durch das Vernadeln aus Langfasern Kurzfasern erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der zu verfor mende Bereich (35) in einem am Rand gelegenen Teilbereich (40) weniger stark vernadelt wird als in einem mittleren Teilbereich (50).

7. Faserverbundhalbzeug (10), welches nach einem der vorstehenden Verfahrensan sprüche zum Tiefziehen, Drapieren oder für Crashverformungen aufbereitet ist.

8. Crashstruktur (60) aus einem Faserverbundwerkstoff, welcher zumindest teilweise aus einem Faserverbundhalbzeug (10) nach Anspruch 7 hergestellt ist.