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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, das einen Körper aufweist,
der vollständig
oder teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
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Faserverbundwerkstoffe
sind allgemein bekannt und bestehen aus einer Vielzahl von Fasern, die
in eine Matrix eingebunden sind. Als Fasern sind bekannt Glasfasern,
Kohlefasern, Metallfasern, Keramikfasern, Zellulosefasern. Materialien
für eine
geeignete Matrix bestehen in der Regel aus Kunststoff, insbesondere
ein Polymer, wie z. B. ein Harz. Verbundbauteile, die zumindest
teilweise aus einem derartigen Faserverbundwerkstoff hergestellt
sind, können
grundsätzlich
beliebige Formen aufweisen und können
sich durch ein geringes Bauteilgewicht sowie durch hohe Festigkeitswerte
auszeichnen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch eine zusätzliche Funktionalität auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in den Faserverbundwerkstoff
einen elektrischen Widerstand zu integrieren und zwar derart, dass
der Widerstand im Faserverbundwerkstoff verlaufende, elektrisch
leitende Fasern aufweist. Diese elektrisch leitenden Fasern verbinden
zwei Anschlüsse
des Widerstands elektrisch miteinander. Auf diese Weise wird ein
Verbundbauteil geschaffen, dessen Körper, z. B. in einem Wandabschnitt,
integral einen elektrischen Widerstand enthält. Das Verbundbauteil erhält dadurch
eine zusätzliche
Funktionalität,
nämlich
durch den integrierten elektrischen Widerstand. Durch die Integration
des elektrischen Widerstands in das Verbundbauteil ergeben sich
z. B. Bauraumvorteile.
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Denkbar
ist z. B. eine Anwendung bei Gehäusen
elektrischer Verbraucher. Beispielsweise kann zum Schutz eines Elektroantriebs
ein geeigneter Schutzwiderstand oder Vorwiderstand auf die beschriebene
Weise in das als Verbundbauteil ausgestaltete Gehäuse des
Antriebs integriert werden. Bei Großserienprodukten, wie sie beispielsweise
in der Fahrzeugindustrie auftreten, kann durch die Integration des
Widerstands in das Verbundbauteil außerdem eine vereinfachte Montage
erreicht werden, was die Herstellungskosten der Fahrzeuge reduziert.
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Vorzugsweise
kann es sich bei den elektrisch leitenden Fasern um Kohlefasern
oder Carbonfasern oder Metallfasern handeln.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei der die elektrisch leitenden Fasern durch Fasern des Faserverbundwerkstoffs
gebildet werden. Beispielsweise werden zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffs
Kohlefasern verwendet, die sich beim erfindungsgemäßen Verbundbauteil
besonders einfach zur Realisierung des integrierten elektrischen
Widerstands verwenden lassen. Zu diesem Zweck sind die elektrischen
Anschlüsse
nur noch auf geeignete Weise zu integrieren. Beispielsweise sind
die elektrischen Anschlüsse
in die Matrix des Faserverbundwerkstoffs eingebunden. Für die elektrische
Kontaktierung zwischen den elektrischen Anschlüssen und den elektrisch leitenden
Fasern des Faserverbundwerkstoffs können die elektrische Anschlüsse mit
den elektrisch leitenden Fasern vercrimpt oder verklemmt oder verpresst
oder verschweißt
werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
teilweise geschnittene Ansicht eines Verbundbauteils,
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2 eine
Ansicht des Verbundbauteils aus 1 entsprechend
einer Blickrichtung II in 1,
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3 eine
teilweise geschnittene Ansicht eines anderen Verbundbauteils,
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4 eine
Ansicht wie in 3, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform,
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5 eine
Ansicht auf ein Verbundbauteil bei einer weiteren Ausführungsform,
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6 eine
Ansicht des Verbundbauteils aus 5 entsprechend
einer Blickrichtung VI in 5,
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7 + 8 Schnittansichten
eines Verbundbauteils bei weiteren Ausführungsformen.
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Die 1 und 2 zeigen
ein Verbundbauteil 1, das als elektrischer Widerstand 2 ausgestaltet ist.
Das Verbundbauteil 1 weist einen Körper 3 auf, der zumindest
in einem mittleren Abschnitt 4 aus einem Faserverbundwerkstoff 5 besteht.
Der Faserverbundwerkstoff 5 umfasst mehrere Fasern 6,
die in eine Matrix 7 eingebunden sind. Zweckmäßig sind
jeweils eine Vielzahl von einzelnen Fasern 6, die auch als
Faserfilamente bezeichnet werden, werden zu sogenannten Filamentgarnen
oder Rovings zusammengefasst. Diese Rovings können zu Geweben oder Matten
verarbeitet werden. Beim gezeigten Beispiel sind die Fasern 6 elektrisch
leitende Fasern. Beispielsweise handelt es sich um Kohlefasern oder Carbonfasern.
Ebenso ist es grundsätzlich
möglich, die
Fasern 6 als Metallfasern auszugestalten. Alternativ können die
Fasern 6 des Faserverbundwerkstoffs 5 elektrisch
nicht leitende Fasern sein, z. B. Keramikfasern oder Glasfasern.
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Das
Verbundbauteil 1 enthält
zumindest einen elektrischen Widerstand 8. Dieser ist in
den Faserverbundwerkstoff 5 integriert. Dabei erfolgt diese Integration
erfindungsgemäß dadurch,
dass der elektrische Widerstand 8 zwei am Körper 3 ausgebildete elektrische
Anschlüsse 9 sowie
elektrisch leitende Fasern 10 aufweist. In den gezeigten
Beispielen fallen die elektrisch leitenden Fasern 10 des
Widerstands 8 jeweils mit den Fasern 6 des Faserverbundwerkstoffs 5 zusammen.
Das bedeutet, dass als elektrisch leitende Fasern 10 jeweils
die ohnehin im Faserverbundwerkstoff 5 vorhandenen Fasern 6 verwendet
werden, sofern es sich hierbei um elektrisch leitende Fasern 6 handelt.
Grundsätzlich
ist jedoch auch eine Bauform denkbar, bei welcher der Faserverbundwerkstoff 5 an
sich elektrisch nicht leitende Fasern 6 oder zumindest
andere Fasern 6 enthält und
zusätzlich
zu diesen noch elektrisch leitende Fasern 10 enthält, die
zum Aufbau des elektrischen Widerstands 8 dienen. Die elektrisch
leitenden Fasern 10 verlaufen innerhalb des Faserverbundwerkstoffs 5 und
verbinden die beiden Anschlüsse 9 elektrisch miteinander.
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Durch
die Auswahl der Faseranzahl, Faserlänge und Faserdicke der elektrisch
leitenden Fasern 10 kann der elektrische ohmsche Widerstandswert des
Widerstands 8 vergleichsweise genau bestimmt werden.
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Während die 1 und 2 eine
Ausführungsform
des Verbundbauteils 1 zeigen, bei dem das Verbundbauteil 1 bereits
als elektrischer Widerstand 2 ausgebildet ist, das in seinem
Verbundkörper 3 einen
integrierten elektrischen Widerstand 8 enthält, zeigen
die 3 bis 6 andere Ausführungsformen,
bei denen das Verbundbauteil 1 ein grundsätzlich beliebiges
Bauteil ist, in welches als Zusatzfunktion zumindest ein elektrischer
Widerstand 8 integriert ist.
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Gemäß 3 kann
in einen Wandabschnitt 11 des Verbundbauteils 1 ein
Abschnitt 12 integriert sein, in dem der elektrische Widerstand 8 ausgebildet ist
und in dem der Körper 3 aus
einem Faserverbundwerkstoff 5 besteht. Dementsprechend
sind auch hier wieder elektrisch leitende Fasern 10 vorhanden,
die zweckmäßig zu Rovings
zusammengefasst sind und wel che die elektrischen Anschlüsse 9 miteinander verbinden.
Auch hier bilden die elektrisch leitenden Fasern 10 die
einzigen Fasern des Verbundwerkstoffs 5.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Verbundbauteil 1 nur
im gezeigten Widerstandsabschnitt 12 als Faserverbundwerkstoff 5 ausgestaltet.
Im Unterschied dazu ist bei der in 4 gezeigten
Ausführungsform
ein weitaus größerer Abschnitt
des Bauteils 1 aus Faserverbundwerkstoff 5 hergestellt.
Eine geschweifte Klammer kennzeichnet hier einen Widerstandsabschnitt 12,
in dem der elektrische Widerstand 8 realisiert ist. Dies
erfolgt hierbei wieder mittels den Anschlüssen 9, die mit den
Fasern 10 elektrisch leitend verbunden sind. Die Fasern 10 erstrecken
sich dabei zwischen den beiden Anschlüssen 9. Die Fasern 10 können durch
einen Teil der Fasern 6 oder durch zusätzliche Fasern gebildet sein.
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Die 5 und 6 zeigen
eine Ausführungsform,
bei welcher das Verbundbauteil 1 ein Gehäuse 13 bildet,
wobei exemplarisch nur eine Gehäuseseite
oder Gehäusewand 14 aus
Faserverbundwerkstoff 5 besteht. In diesem Teil 14 des
Körpers 3 ist
der elektrische Widerstand 8 integriert. Dementsprechend
sind wieder die beiden Anschlüsse 9 erkennbar,
die durch elektrisch leitende Fasern 10 miteinander verbunden
sind.
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Je
nach Matrixmaterial kann diese elektrisch isolierend ausgestaltet
sein. Bevorzugt besteht die Matrix aus einem elektrisch isolierenden
Kunststoff vorzugsweise aus einem Po lymer. Insbesondere handelt
es sich bei der Matrix um ein aushärtendes Kunstharz.
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7 zeigt
einen Querschnitt durch einen Faserverbundwerkstoff 5,
der zum Herstellen eines elektrischen Widerstands 8 nutzbar
ist. Erkennbar ist bei der in 7 gezeigten
Ausführungsform
eine zentrale Schicht aus Fasern 6 bzw. 10, die
zu einer Fasermatte 15 verwebt sein können. Die Fasern 6, 10 sind
in eine Matrix 7 aus Kunststoff eingebettet. Der Kunststoff
durchdringt die Fasermatte 15, bildet gleichzeitig eine
Beschichtung der Fasermatte 15 an beiden Seiten.
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Bei
der in 8 gezeigten Ausführungsform sind in die Matrix 7 einzelne
Fasern 6, 10 beziehungsweise einzelne Rovings
eingearbeitet, jedenfalls keine durchgehende Fasermatte 15.
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Die
Anschlüsse 9 sind
zweckmäßig in die Matrix 7 des
Faserverbundwerkstoffs 5 eingebettet beziehungsweise darin
eingebunden. Um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den
elektrisch leitenden Fasern 10 und den elektrischen Anschlüssen 9 zu
realisieren, können
die elektrischen Anschlüsse 9 mit
den jeweiligen Fasern 10 verpresst oder vercrimpt oder
verklemmt oder verschweißt sein.
Hierdurch lassen sich die elektrischen Verbindungen vergleichsweise
preiswert realisieren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft somit insbesondere auch elektrische,
ohmsche Widerstände, die
aus Carbonfasern hergestellt sind, wobei die Carbonfasern zu Gewebestrukturen mit
flexibler Webrichtung verbunden sein können. Die Carbonfasern sind
dabei bevorzugt in eine Matrix aus hochtemperaturbeständigem Kunststoff
eingebettet und können
zu Platten verpresst werden oder zu beliebigen anderen Geometrien,
um den Körper 3 beziehungsweise
das jeweilige Verbundbauteil 1 auszubilden. Die Verbundwerkstoffe 5 können dabei
extreme mechanische Stabilität
bei gleichzeitiger Nutzung der elektrischen Eigenschaften des Kohlenstoffs
vereinen. Die elektrische Isolation eines derartigen Verbundbauteils 1 ergibt
sich einerseits durch die genannte elektrische Isolation des jeweils
verwendeten Werkstoffs für
die Matrix 7. Andererseits zeigen Carbonfasern eine richtungsgebundene
Leitfähigkeit, nämlich im
wesentlichen nur in Faserlängsrichtung. Quer
zur Faserlängsrichtung
ist im wesentlichen keine elektrische Leitfähigkeit zu beobachten.
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Durch
die Integration des elektrischen Widerstands in den Faserverbundwerkstoff 5 des
Verbundbauteils 1 lässt
sich ein hoher Integrationsgrad für das jeweilige Verbundbauteil 1 erzielen.
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Carbonfaserverstärkte Kunststoffe
werden aufgrund hervorragender mechanischer Eigenschaften, wie z.
B. Stabilität,
Elastizität
und geringe Masse, in vielen Bereichen der Industrie erfolgreich
eingesetzt. Anwendungsgebiete sind beispielsweise Karosserieteile
bei Fahrzeugen, Sportgeräte,
Tragwerke im Maschinenbau, Druckmaschinen und Textilmaschinen.
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Die
hier vorgeschlagenen elektrischen, ohmschen Widerstände aus
Carbonfasergewebe oder Metallfasergewebe können überall dort eingesetzt werden,
wo eine Integration mechanischer und elektrischer Eigenschaften
in einem Bauteil die Zuverlässigkeit
eines Systems gegenüber
Einzelkomponenten deutlich verbessert. Beispielsweise übernimmt ein
Tragwerk, welches durch das jeweilige Verbundbauteil 1 gebildet
werden kann, gleichzeitig die Funktion eines elektrischen, ohmschen
Widerstands. Denkbar ist beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, die Halterung
eines Lüftermotors,
die als Verbundbauteil 1 ausgestaltet sein kann. Der für den Lüftermotor
erforderliche Vorwiderstand kann durch den in den Faserverbundwerkstoff 5 integrierten
elektrischen Widerstand 8 gebildet werden.
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Durch
die flexible Herstellbarkeit der Faserverbundwerkstoffe kann das
Verbundbauteil 1 an unterschiedlichste Kundenwünsche flexibel
angepasst werden.
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Für die Herstellung
des Faserverbundwerkstoffs 5 lassen sich die elektrisch
leitfähigen
Fasern 10 verwenden, die in ein hochtemperaturbeständiges Harz
als Matrix 7 eingebettet werden können, um so höchste mechanische
Ansprüche
hinsichtlich Stabilität
und Festigkeit erfüllen
zu können.
Gleichzeitig lassen sich dadurch auch leistungsfähige Widerstände realisieren.
Die elektrische Funktion, basierend auf den bekannten elektrischen
Eigenschaften von Kohlefasern oder Kohlefaserrovings kann auch gezielt zur
Umwandlung elektrischer Energie in Wärme genutzt werden. Dabei ist
besonders beach tenswert, dass je nach Konstruktion des Verbundbauteils 1 ein vergleichsweise
großflächiger elektrischer
Widerstand 8 realisierbar ist, der sich in besonderer Weise zur
Kühlung
eignet. Zusätzliche
Kühlmaßnahmen
zur Vermeidung einer Überhitzung
des elektrischen Widerstands 8 können dadurch entbehrlich werden.
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Die
zum Herstellen des Faserverbundwerkstoffs 5 verwendeten
Fasern 6 beziehungsweise 10 können zu ein- oder mehrschichtigen,
insbesondere zu laminierten Geweben verarbeitet werden, die insbesondere
verschiedene Webrichtungen aufweisen können. Anschließend werden
die Gewebe in Harz getränkt
und formgebend thermisch verpresst. Die elektrischen Anschlüsse 9 können beispielsweise durch
Kontaktleisten gebildet werden, die durch Verpressen mit den einzelnen
Fasern 6 beziehungsweise 10 mit diesen elektrisch
verbindbar sind.
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Die
Verbundbauteile 1 können
grundsätzlich beliebige
Geometrien aufweisen. Insbesondere sind plattenförmige oder rohrförmige Verbundbauteile 1 denkbar.