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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere strukturelles Bauteil,
aus einem Kompositmaterial, wobei das Kompositmaterial eine Matrix
aus einem oder mehreren transparenten Werkstoffen umfaßt und Verstärkungsbereiche
umfaßt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der eingangs genannten
Art so zu verbessern, daß es
erweiterte Einsatzmöglichkeiten
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Bauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Verstärkungsbereiche
derart räumlich variierend
angeordnet sind, daß das
Bauteil Bereiche unterschiedlich großer optischer Transparenz aufweist.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lösung lassen
sich Bauteile ausbilden, die in mindestens einem Bereich durchsichtig
oder näherungsweise
durchsichtig sind. Dieser mindestens eine Bereich läßt sich dabei
an dem Bauteil gezielt ausbilden und für die entsprechende Anwendung
optimieren. Die Verstärkungsbereiche,
welche beispielsweise mittels Fasern und/oder Partikeln gebildet
sein können,
lassen sich wiederum so gezielt anordnen und insbesondere räumlich variierend
anordnen, daß sich
eine optimierte Festigkeit und Steifigkeit des entsprechenden Bauteils
ergibt. Es lassen sich so Bauteile herstellen, welche bei erhöhter Designfreiheit
ein geringeres Gewicht im Vergleich zu Bauteilen oder Bauteilkombinationen
mit Glas aufweisen. Insbesondere lassen sich über die erfindungsgemäße Lösung vorzusehende
transparente Flächen
integriert in lasttragenden Bauteilen ausbilden.
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Entsprechende
Bauteile lassen sich beispielsweise in Fahrzeugen verwenden; es
läßt sich dadurch
bei verringertem Fahrzeuggewicht eine erhöhte Karosseriesteifigkeit erzielen.
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Die
Transparenz des erfindungsgemäßen Bauteils
kann auch zur Erhöhung
der Sicherheit beispielsweise eines Fahrzeugs benutzt werden; Tot-Winkel-Bereiche
lassen sich dadurch verringern oder sogar ganz eliminieren, da relevante
Bereiche (wie beispielsweise ein entsprechender Bereich einer A-Säule) transparent
ausgestaltet werden können.
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Ein
erfindungsgemäßes Bauteil
läßt sich
auf einfache Weise beispielsweise über ein Spritzgußverfahren
herstellen. Der entsprechende vorzusehende transparente Bauteilbereich
läßt sich
integral herstellen.
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Insbesondere
sind Verstärkungsbereiche mittels
Nanopartikeln gebildet. Dadurch läßt sich eine hohe Steifigkeit
und Festigkeit für
das Bauteil erzielen, wobei sich ein oder mehrere transparente Bereiche
mit hohem Durchsichtigkeitsgrad ausbilden lassen.
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Insbesondere
weisen die Nanopartikel eine solche Größe auf, daß keine wesentliche Lichtbrechung
an ihnen stattfindet. Die Nanopartikel haben dann im wesentlichen
nur eine Verstärkungsfunktion zur
Erhöhung
der Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils.
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Insbesondere
ist der Gewichtsanteil der Nanopartikel im Kompositmaterial kleiner
20 % und vorzugsweise kleiner 10 %. (Falls das Bauteil eine Faserverstärkung aufweist,
sind die faserverstärkten Bereiche
bezüglich
des Gewichtsanteils ausgenommen.)
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Konzentration der Nanopartikel
räumlich
variiert. Es lassen sich dadurch Bereiche mit erhöhter Konzentration
und damit hoher Steifigkeit und Festigkeit ausbilden. Weiterhin
lassen sich Bereiche mit erniedrigter Konzentration und damit höherer Transparenz ausbilden.
Es lassen sich dann auch die Übergänge zwischen
Bereichen höherer
Transparenz und Bereichen höherer
Festigkeit gezielt ausbilden, um die Eigenschaften des Gesamtbauteils
bezüglich
Steifigkeit und Festigkeit optimieren zu können.
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Insbesondere
ist mindestens ein Bereich mit durch eine verringerte Konzentration
an Nanopartikeln erzielter erhöhter
Transparenz vorgesehen.
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In
diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn
die Konzentration an Nanopartikeln in Randbereichen des Bauteils
höher ist
als in einem mittleren Bereich des Bauteils. Solche Randbereiche
des Bauteils werden üblicherweise
zur Verbindung mit anderen Bauteilen (einstückig oder mehrstückig) verwendet.
Sie müssen
entsprechende Kräfte
aufnehmen und daher eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen.
Eine entsprechend erhöhte
Steifigkeit und Festigkeit läßt sich
durch eine erhöhte
Konzentration an Nanopartikeln erzielen.
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Günstig ist
es, wenn mindestens ein Bereich erhöhter Transparenz außerhalb
von Randbereichen des Bauteils angeordnet ist. Dadurch wird die
Gesamtsteifigkeit und Gesamtfestigkeit des Bauteils im wesentlichen
beibehalten, wobei mindestens ein Bereich optischer Durchlässigkeit
vorhanden ist.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn ein oder mehrere Randbereiche des Bauteils im Vergleich zu
einem Bereich erhöhter
Transparenz erhöhte
mechanische Festigkeit aufweisen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß an
dem Bauteil mindestens ein optisch wirkendes Element gebildet ist.
Ein solches optisch wirkendes Element läßt sich integral an dem Bauteil
herstellen. Beispielsweise handelt es sich um eine Linse, durch
die ein Lupeneffekt oder Weitwinkeleffekt realisierbar ist. Dies kann
bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein; beispielsweise kann
es vorteilhaft sein, wenn ein bestimmter Bereich der Umgebung eines
Fahrzeugs, der sicherheitsrelevant ist, dem Fahrer des Fahrzeugs
zugänglich
gemacht wird, der sonst nicht sichtbar wäre. Dadurch lassen sich beispielsweise
Totwinkelbereiche reduzieren oder sogar vermeiden.
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Insbesondere
ist das mindestens eine optisch wirkende Element eine Linse. Eine
solche Linse läßt sich
auf einfache Weise beispielsweise über Aufwölbung an dem Bauteil integral
herstellen. Über
eine Linse läßt sich
beispielsweise ein Lupeneffekt oder ein Weitwinkeleffekt insbesondere
an einem transparenten Bereich realisieren.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
Matrix aus einem Polymermaterial hergestellt ist. Ein entsprechendes
Bauteil läßt sich
auf einfache Weise beispielsweise über ein Spritzgußverfahren
herstellen.
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Günstig ist
es, wenn mindestens ein Bereich vorhanden ist, in welchem bezüglich der
Verstärkungsbereiche
eine gradierte Verteilung vorliegt. Beispielsweise kann die Konzentration
der Verstärkungsbereiche
zu einem Randbereich des Bauteils hin zunehmen. Die Zunahme kann
gradiert und/oder stufenweise erfolgen. Über die gradierte Verteilung können die
Funktionen des Bauteils bezüglich
Transparenz und Steifigkeit und Festigkeit optimiert an eine entsprechende
Anwendung angepaßt
werden.
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Günstig ist
es, wenn die Verstärkungsbereiche
in die Matrix eingebettet sind und dadurch in der Matrix integriert
sind. Dadurch erhält
das Kompositmaterial verbesserte Eigenschaften bezüglich des Matrixmaterials;
insbesondere läßt sich
eine hohe Steifigkeit und Festigkeit erzielen.
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Es
kann auch vorgesehen sein, daß das Bauteil
eine Faserverstärkung
aufweist. Bei der Faserverstärkung
kann es sich beispielsweise um eine Umwicklung handeln. Dadurch
lassen sich besonders beanspruchte Bereiche gezielt verstärken.
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Beispielsweise
sind die Fasern umspritzt; sie werden bei der Herstellung des Bauteils
in die entsprechende Form eingelegt und dann umspritzt.
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Es
ist in diesem Zusammenhang günstig, wenn
die Fasern außerhalb
des mindestens einen Bereichs mit erhöhter Transparenz angeordnet
sind. Dadurch wird durch die Faserverstärkung die Durchlässigkeitsfunktion
des Bauteils in mindestens einem Bereich nicht behindert.
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Erfindungsgemäße Bauteile
lassen sich vorteilhaft in einem Fahrzeug verwenden; bei dem Fahrzeug
kann es sich beispielsweise um ein Landfahrzeug, Luftfahrzeug, Schienenfahrzeug,
Wasserfahrzeug usw. handeln. Es lassen sich dabei insbesondere strukturelle
Bauteile mit entsprechender Steifigkeit und Festigkeit herstellen,
die mindestens einen transparenten Bereich aufweisen. Dadurch läßt sich eine
Gewichtsreduktion im Vergleichsfall der Verwendung von Glas als
transparentes Material erreichen. Dadurch wiederum lassen sich die
Fahreigenschaften des entsprechenden Fahrzeugs verbessern. Insbesondere
lassen sich auch Fensterflächen
als lasttragende Karosserieelemente einsetzen, d. h. es sind transparente
Bereiche als Fensterflächen
ausgebildet und die Bauteile sind Teil einer Fahrzeugkarosserie.
Dadurch ergibt sich eine erhöhte
Karosseriesteifigkeit und ein verringertes Fahrzeuggewicht. Weiterhin
ergibt sich eine erhöhte
Designfreiheit, da man nicht mehr an die eingeschränkten Möglichkeiten
von Glas gebunden ist.
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Insbesondere
ist eine Struktureinrichtung eines Fahrzeugs mittels eines oder
mehreren erfindungsgemäßen Bauteilen
hergestellt.
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Bei
einer solchen Struktureinrichtung handelt es sich beispielsweise
um eine Säulenstruktur
eines Fahrzeugs wie eine A-Säule,
B-Säule
oder C-Säule. Ein
weiteres Beispiel für
eine solche Struktureinrichtung ist ein Fahrzeugdach.
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Es
ist dabei insbesondere vorgesehen, daß der mindestens eine Bereich
mit erhöhter
optischer Transparenz so angeordnet ist, daß er in einem Blickfeld eines
entsprechenden Fahrzeuginsassen liegt. Dadurch läßt sich auch die Sicherheit
erhöhen,
da der Fahrzeuginsasse in ein sonst verdecktes Umfeld außerhalb
des Fahrzeugs über
die Durchlässigkeit des
Bereichs mit erhöhter
optischer Transparenz sehen kann. Beispielsweise werden dadurch
die Totwinkelbereiche um das Fahrzeug reduziert oder sogar vermieden.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils
und
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2 eine
schematische Darstellung einer Fahrzeugkarosserie zur beispielhaften
Darstellung von Verwendungsmöglichkeiten
von erfindungsgemäßen Bauteilen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Bauteils,
welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet
ist, ist aus einem Kompositmaterial 12 hergestellt. Das
Kompositmaterial 12 besteht aus einer Matrix 14 aus
einem optisch transparenten Material. Bei der Matrix 14 handelt
es sich insbesondere um eine Polymermatrix.
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In
der Matrix 14 sind Verstärkungsbereiche 16 verteilt
angeordnet und insbesondere in die Matrix 14 integriert
bzw. eingebettet. Die Verstärkungsbereiche 16 dienen
zur Erhöhung
der mechanischen Festigkeit.
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Bei
den Verstärkungsbereichen 16 kann
es sich grundsätzlich
beispielsweise um Partikel und/oder Fasern und/oder Schichtstrukturen
handeln.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, daß Verstärkungsbereiche 16 mittels
nanoskaligen Füllstoffen
und insbesondere Nanopartikeln gebildet sind. Es ist dabei insbesondere
vorgesehen, daß die Nanopartikel
so klein sind, daß an
ihnen keine wesentliche Lichtbrechung stattfindet. Der Gewichtsanteil
der Nanopartikel im Kompositmaterial 12 (ohne Berücksichtigung
eventueller Faserverstärkungen) liegt
unterhalb 20 % und insbesondere unterhalb 10 %.
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Es
hat sich gezeigt, daß sich
dadurch die Festigkeit und Steifigkeit eines Bauteils 10,
welches insbesondere aus einem Polymermaterial hergestellt ist,
stark erhöhen
läßt im Vergleich
zu der Herstellung des Bauteils 10 aus dem Polymermaterial
ohne Verstärkungsbereiche 16.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, daß die Verstärkungsbereiche 16 (welche
insbesondere mittels Nanopartikeln gebildet sind) derart verteilt
angeordnet sind, daß ein
oder mehrere Bereiche 18 mit höherer optischer Transparenz
und ein oder mehrere Bereiche 20 mit niedrigerer optischer
Transparenz gebildet sind. In einem Bereich 18 mit höherer optischer
Transparenz (welche insbesondere eine Durchsicht zuläßt) sind
im gleichen Volumen weniger Verstärkungsbereiche 16 angeordnet
als in einem Bereich 20 mit niedrigerer optischer Transparenz. Insbesondere
ist in einem Bereich 18 mit höherer optischer Transparenz
die Konzentration an Nanopartikeln kleiner als in einem Bereich 20 geringerer
optischer Transparenz.
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In
dem Bauteil 10 liegt dadurch eine Konzentrationsverteilung
der Verstärkungsbereiche 16 und insbesondere
eine Konzentrationsverteilung der Nanopartikel vor.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, daß in
einem mittleren Bereich 22 des Bauteils 10 die
Konzentration an Nanopartikeln verringert ist und zu Randbereichen 24, 26 die
Konzentration an Verstärkungsbereichen 16 und
insbesondere an Nanopartikeln zunimmt.
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Dies
ist in 1 durch das Dichterwerden der Verstärkungsbereiche 16 angedeutet.
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Dadurch
erhält
man einen Übergang
von dem mittleren Bereich 22 zu dem Randbereich 24 bzw. 26 von
relativ auf das Bauteil 10 bezogener hoher optischer Transparenz
(bezogen auf eine Dickenrichtung d des Bauteils 10) zu niedrigerer
optischer Transparenz zu den Randbereichen 24, 26 hin (ebenfalls
bezogen auf die Dickenrichtung d). Es erfolgt dann zu dem Randbereich 24 von
dem mittleren Bereich 22 ausgehend hin ein Übergang
von einer Durchsichtigkeit zu einem opakeren Verhalten.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, daß der mittlere
Bereich 32 als Bereich 18 mit höherer Transparenz
so ausgestaltet ist, daß ein
Bereich 28 mit größerer Konzentration
an Verstärkungsbereichen 16 diesen
mittleren Bereich 22 teilweise umgibt. Dadurch erfolgt
quer zur Dickenrichtung d kein abrupter Übergang in der Konzentration
an Verstärkungsbereichen 16 (bezogen
auf die Dicke).
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung läßt sich
ein Bauteil 10 ausbilden, welches in mindestens einem Bereich 18 eine
hohe Transparenz aufweist und insbesondere durchsichtig ist. In
anderen Bereichen mit verringerter Transparenz läßt sich eine erhöhte Steifigkeit
bzw. Festigkeit durch eine höhere Konzentration
der Verstärkungsbereiche 16 erzielen. Dadurch
wiederum läßt sich
die erhöhte
Transparenz mit verringerter Konzentration an Verstärkungsbereichen 16 gezielt
an derjenigen Stelle oder Stellen des Bauteils 10 ausbilden,
an der diese erhöhte
Transparenz und insbesondere Durchsichtigkeit erforderlich ist.
Dies wird untenstehend noch näher
anhand von Beispielen beschrieben.
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Das
Bauteil 10 weist mindestens einen Gradientenbereich bezüglich der
Konzentration der Verstärkungsbereiche 16 in
der Matrix 14 auf. Dies ist in 1 durch
die unterschiedliche Dichte der Verstärkungsbereiche 16 angedeutet.
In dem Gradientenbereich kann dabei ein im wesentlichen kontinuierlicher Übergang
in der Konzentration insbesondere in der Dickenrichtung d und/oder
senkrecht zur Dickenrichtung d erfolgen und/oder es können auch
ein oder mehrere stufenartige Übergänge vorgesehen
sein, an welchen die Konzentration sprunghaft steigt bzw. abnimmt.
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Die
Form des Bauteils 10 ist an die entsprechende Anwendung
angepaßt
und insbesondere sind die Abmessungen und die Ausbildung der entsprechenden
Bereiche 18 und 20 an die Anwendung angepaßt.
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Es
kann vorgesehen sein, daß mindestens ein
Bereich und insbesondere der Bereich 18 mit höherer Transparenz
so ausgebildet ist, daß er
ein oder mehrere optisch wirkende Elemente 30 aufweist.
Bei einem solchen optisch wirkenden Element 30 handelt es
sich insbesondere um eine Linse, welche in den entsprechenden Bereich 18 des
Bauteils 10 integriert ist. Beispielsweise ist in das Bauteil 10 eine
solche Linse integriert, daß an
dem Bereich 18 ein Weitwinkeleffekt oder ein Lupeneffekt
auftritt.
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Das
optisch wirkende Element 30 läßt sich über entsprechende Formung des
Bauteils 10 über das
Kompositmaterial 12 in dem relevanten Bereich ausbilden.
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In 1 ist
schematisch ein Ausführungsbeispiel
mit einer Linse 32 gezeigt, durch die eine Lupenwirkung
bzw. Weitwinkelwirkung erzielbar ist. Die Linse 32 ist
durch eine entsprechende erste konkave Auswölbung 34 an einer
ersten Oberfläche 36 und eine
zweite konkave Auswölbung 38 an
einer gegenüberliegenden
zweiten Oberfläche 40 des
Bauteils 10 hergestellt.
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Es
ist möglich,
daß das
Bauteil 10 mit einer zusätzlichen Faserverstärkung 42 insbesondere
an oder in der Nähe
von Randbereichen 24, 26 des Bauteils 10 versehen
ist.
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Bei
der Faserverstärkung 42 kann
es sich beispielsweise um eine Faserumwicklung um den mittleren
Bereich 22 handeln. (In 1 ist eine
Wicklungsachse 44 angedeutet.)
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Die
Fasern der Faserverstärkung 42 sind
insbesondere mit dem Matrixmaterial umspritzt. Beispielsweise werden
die Fasern in eine Form eingelegt und umspritzt.
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Erfindungsgemäße Bauteile
können
als strukturelle Bauteile zur Herstellung von Struktureinrichtungen
beispielsweise in Fahrzeugen (insbesondere in Luftfahrzeugen, Landfahrzeugen,
Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen usw.) eingesetzt werden. Die
Bauteile weisen eine hohe Festigkeit und Zähigkeit auf, wobei mindestens
ein Bereich eine hohe Transparenz aufweist.
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In 2 ist
schematisch eine Karosserie 46 eines Kraftfahrzeugs gezeigt.
Das Dach 48 wird durch A-Säulen 50, B-Säulen 52 und
C-Säulen 54 gehalten.
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Das
Dach 48 sowie die Säulen 50, 52, 54 sind
Struktureinrichtungen des entsprechenden Kraftfahrzeugs.
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Eine
oder mehrere dieser Struktureinrichtungen können mittels eines oder mehreren
erfindungsgemäßen Bauteilen
hergestellt werden.
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Beispielsweise
lassen sich auch Fensterflächen
als lasttragende Karosserieelemente für die Karosserie 46 ausbilden.
Man erhält
dabei eine erhöhte Karosseriesteifigkeit
(da auch eine Fensterfläche
als strukturelles Bauteil einsetzbar ist), wobei das Fahrzeuggewicht
verringert ist, da ein Glaswerkstoff vorgesehen werden muß.
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Weiterhin
erhält
man eine stark erhöhte
Anzahl an Designmöglichkeiten,
da die engen Möglichkeiten
bezüglich
des Werkstoffes Glas nicht mehr eingehalten werden müssen. Dies
ist beispielsweise vorteilhaft für
Dachsysteme und Hecksysteme bei Kraftfahrzeugen.
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Die
entsprechenden Bauteile lassen sich auf relativ einfache Weise herstellen,
wobei die gewünschte
Funktion integral beim Herstellungsverfahren mitherstellbar ist.
Beispielsweise werden die entsprechenden Verstärkungsbereiche 16 und
die Faserverstärkung 42 bei
einer Spritzgußherstellung
des Bauteils 10 integral mithergestellt.
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Es
ist beispielsweise auch nicht notwendig, nachträglich Beschichtungen beispielsweise
zur Erhöhung
der Kratzfestigkeit auf ein erfindungsgemäßes Bauteil 10 aufzubringen.
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Durch
den mindestens einen Bereich 18 mit erhöhter Transparenz an einem entsprechenden Bauteil 10 läßt sich
beispielsweise für
ein Dach 48 oder eine Dachsäule 50, 52, 54 auch
die Sicherheit des Gesamtfahrzeugs erhöhen, da der Sichtbereich des
Fahrers vergrößerbar ist.
Insbesondere lassen sich Tot-Winkel-Bereiche
verringern oder sogar vermeiden.
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In
diesem Zusammenhang ist es dann besonders vorteilhaft, wenn ein
Bereich 18 mit erhöhter Transparenz
(und insbesondere mit einer Durchsichtigkeit) so angeordnet ist,
daß er
in einem Blickfeld eines entsprechenden Fahrzeuginsassen liegt.
Beispielsweise liegt ein entsprechender Bereich 18 an der
A-Säule 50 im
Blickfeld des Fahrers, so daß für den Fahrer
in seinem Blickfeld die A-Säule 50 im
wesentlichen transparent ist.
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Auf
einfache Weise läßt sich
auch eine "Zusatzfunktion" an der entsprechenden
Struktureinrichtung herstellen, indem beispielsweise eine Linse
in das Bauteil 10 integriert wird.