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Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Faserverbund-Bauteil aus Endlosfasern, die in Bezug auf eine Geometrie des Bauteils kraftflussgerecht abgelegt sind, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Um aus Faserverbund-Bauteilen ein übergeordnetes Bauteil wie ein Kraftfahrzeug zu montieren, sind Verbindungs- und Befestigungsmittel nötig; meist paarig ausgebildete Befestigungsmittel wie etwa zwei miteinander in Eingriff bringbare Profile oder auch Ausnehmungen, die mit Stiften wie Schrauben oder Nieten kombiniert werden.
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So beschreibt die
DE 38 01 139 C1 ein Verfahren und eine Formvorrichtung, um stranggezogene Profilkörper herzustellen, die an ihrer Außenseite beliebige Zusatzprofilierungen aufweisen sollen, die sowohl als erhabene Vorsprünge als auch als eingesenkte Vertiefungen gestaltet sein können. Das Verfahren bezieht sich auf einen Profilkörper mit sich längs erstreckenden Verstärkungsfasern, wobei ein fortlaufender Strang aus Verstärkungsfasern durch eine Formvorrichtung mit Düsenkanal hindurch gezogen und dort mit Kunstharz durchtränkt und sodann geformt und ausgehärtet wird. Um die Zusatzprofilierungen an der Außenseite einzubringen, wird ein fortlaufendes Formhilfsmittel mit dem Faserstrang durch den Düsenkanal durchlaufen gelassen, das, wenn die Zusatzprofilierung ausgebildet ist, wieder entfernt wird. Das Formhilfsmittel ist dort ein Formband mit Querprofilbereichen.
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Werden in Faserverbund-Bauteilen – ausgehend von Garn oder Textilhalbzeugen, wie Geweben oder Geflechten – Bereiche, in denen Kraft eingeleitet wird, wie Durchbruchbereiche, Löcher oder Ausnehmung gefertigt, sind diese bis dato nicht belastungsgerecht hergestellt. Beim Einbringen von solchen Löchern oder Bohrungen wird eine Materialschwächung verursacht, da der Kraftfluss durch die abgelegten Endlosfasern unterbrochen wird. So wird eine maximale und optimale Materialausnutzung insbesondere in Bezug auf gewünschte Materialeigenschaften im Leichtbau nicht ereicht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, ein Faserverbund-Bauteil bereitzustellen, das in Krafteinleitungsbereichen wie Löchern und Bohrungen belastungsgerecht hergestellt ist und somit eine optimale Materialausnutzung erlaubt und eine gute Festigkeit bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kunststoff-Faserverbund-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe, ein Verfahren zur wirtschaftlichen, großseriengeeigneten, automatisierten Fertigung von belastungsgerecht und verschnittfrei gefertigten Bauteilen zu schaffen, wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
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Weiterbildungen des Kunststoff-Faserverbund-Bauteils und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Kunststoff-Faserverbund-Bauteil, das aus einer Basisfaserstruktur besteht. Die Basisfaserstruktur wird durch Endlosfasern gebildet, die in Bezug auf eine vorgegebene Geometrie des Bauteils kraftflussgerecht abgelegt sind. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Basisfaserstruktur des Bauteils einen oder mehrere Durchlässe aufweist, die in dem fertigen Kunststoff-Faserverbund-Bauteil als Durchbrüche oder Löcher vorliegen, etwa um als ein Befestigungsmittel zur Befestigung eines anderen Bauteils mittels einer Schraubverbindung zu dienen.
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Die kraftflussgerecht abgelegten Fasern der Basisfasernstruktur sind daher um diesen vorgesehenen Durchlass herumgelegt, und es ist eine Stabilisierungsstruktur aus Fasern vorgesehen, die um den oder die Durchlässe angeordnet ist. So kann, anders als bisher, vorteilhaft ein endlosfaserverstärktes Kunststoffbauteil mit Löchern und Durchbrüchen bereitgestellt werden, bei denen der Kraftfluss durch die Endlosfasern nicht durch Bohrungen, die Fasern zerstören, unterbrochen ist.
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Die erfindungsgemäß um den Durchlass angeordnete Stabilisierungsstruktur erhält einerseits die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, die durch die kraftflussgerecht abgelegte Endlosfaser erreicht wurden, andererseits wird zusätzlich der Lochbereich verstärkt, der beispielsweise als Verbindungsstelle zu einem anderen Bauteil erhöhter Krafteinleitung eingesetzt ist. So kann vorteilhaft eine maximale Materialausnutzung erreicht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der so gestalteten Bauteile und die Vielseitigkeit ihrer Nutzung erhöht wird. Das heißt, die günstigen Materialeigenschaften von durch Endlosfasern vorteilhaft verstärkten Kunststoffen können vollständig ausgenutzt werden, da der Vorteil der ununterbrochenen Endlosfaser nicht im nachhinein durch Zerstörung der Faser aufgehoben wird; in der Folge kann das Bauteil hinsichtlich seines Gewichts unter minimalen Bauteilkosten optimiert werden.
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Die Stabilisierungsstruktur um einen Durchlass kann ebenso wie die Basisfaserstruktur aus Endlosfasern bereitgestellt werden und ring- oder spiralförmig um den Durchlass verlaufen. Die Stabilisierungsstruktur kann aber auch aus mehreren Abschnitten bestehen, die einerseits radial zu dem Durchlass angeordnet sind, andererseits ring- oder spiralförmig um den Durchlass angeordnet sind. Ringförmige Abschnitte der Stabilisierungsstruktur können dabei konzentrisch um den Durchlass angeordnet sein.
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Ungeachtet der Ausrichtung der Abschnitte können diese aus einer Endlosfaser bestehen; dies ist etwa mit gängigen Nähtechniken, mittels derer die Stabilisierungsstruktur auf die Basisfaserstruktur aufgenäht sein kann, unproblematisch möglich.
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Bei der Basisfaserstruktur kann es sich um ein flächiges Gebilde handeln, das kontinuierlich aus den kraftflussgerecht abgelegten Endlosfasern gebildet wird, und auf dem die Stabilisierungsstruktur um jeden der Durchlässe herum aufgebracht wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Basisfaserstruktur entsprechend einem Bauteilquerschnitt geformt ist und somit ein kontinuierliches Strangpressprofil bildet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bezieht sich darauf, dass zunächst die Basisfaserstruktur geschaffen wird, indem die Endlosfasern in Bezug auf die vorgegebene Geometrie des Bauteils kraftflussgerecht abgelegt werden. Da das fertige Bauteil einen oder mehrere Durchlässe aufweisen soll, erfolgt das Ablegen der Endlosfasern für die Basisfaserstruktur derart, dass die Fasern um den oder die vorgesehenen Durchlässe herumgelegt sind und somit eine Aussparung begrenzen. Um diesen Durchlass, beziehungsweise um die Aussparung, wird die Stabilisierungsstruktur aus Fasern angeordnet, so dass ein Textilhalbzeug verschnittfrei direkt aus der Faser oder gegebenenfalls aus einem Roving vollautomatisiert bereitgestellt ist.
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Die Stabilisierungsstruktur kann durch Aufnähen von konzentrisch um den Durchlass angeordneten Ringen gebildet werden, oder es kann sich um eine spiralförmig um den Durchlass ausgebildete Stabilisierungsstruktur handeln. Zusätzlich dazu können sich mehrere Abschnitte radial zu dem Durchlass erstrecken.
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Das so hergestellte kontinuierliche Textilhalbzeug kann dann entsprechend dem Bauteilquerschnitt geformt werden, woraufhin es in eine Anlage zum Imprägnieren der Fasern mit einem aushärtbaren Kunststoff-Matrixmaterial überführt wird; anschließend erfolgt das aushärten Lassen des Matrixmaterials und die Endfertigung des Bauteils, was das Entfernen des Matrixmaterials aus den Durchbrüchen umfasst. Hierbei wird vorteilhafter Weise jegliche Faserbeschädigung vermieden.
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Das offenbarte Verfahren ermöglicht es, die tragenden Fasern kraftflussgerecht im Bauteil zu positionieren und vorgesehene Durchbrüche so zu realisieren, dass es zu keiner Unterbrechung im Kraftfluss der tragenden Fasern kommt. Die kontinuierliche Verarbeitung ermöglicht eine wirtschaftliche und großseriengeeignete Fertigung, die durchgängig automatisiert werden kann. Sie ermöglicht eine belastungsgerechte, verschnittfreie und automatisierungsgerechte Bauteilfertigung.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigt:
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1 eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer flächigen Basisfaserstruktur mit Stabilisierungsstrukturen,
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2 eine perspektivische Draufsicht auf ein aus der Basisfaserstruktur gemäß 1 gebildetes Faserstrangprofil mit Stabilisierungsstrukturen,
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3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Basisfaserstrukturprofils mit Stabilisierungsstrukturen und
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4 eine perspektivische Ansicht eines noch weiteren Basisfaserstrukturprofils mit Stabilisierungsstrukturen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein belastungsgerecht, verschnittfrei und automatisiert gefertigtes Kunststoff-Faserverbund-Bauteil, das zunächst eine Basisfaserstruktur 1, wie in den 1 bis 4 gezeigt, umfasst, bei der die Endlosfasern kraftflussgerecht entsprechend einer vorgegebenen Geometrie des Bauteils abgelegt sind.
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Bei den Fasern kann es sich um gängige Verstärkungsfasern, beispielsweise um Glas-, Carbon- oder Aramidfasern handeln, es kann sich aber auch um ein Faserbündel, ein Roving, handeln. Die Fasern 2 werden zur Bildung der Basisfaserstruktur 1 kraftflussgerecht kontinuierlich abgelegt. 1 bis 4 zeigen Ausschnitte von kontinuierlich abgelegten Strangprofilen.
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Alle Bauteilen weisen gemäß der gestrichelten Pfeile a abgelegte Längsfasern auf, gemäß der gestrichelten Pfeile b abgelegte Querfasern und gemäß der gestrichelten Pfeile c um +/–45° zu den Längs und Querfasern versetzte Fasern auf. Je nach dem zu bildenden Bauteil können die Fasern 2 auch in anderer Relation zueinander abgelegt werden.
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Die dargestellten Bauteile werden in Bezug auf die Längsrichtung a quasi endlos hergestellt. Bereiche, die am späteren Bauteil gelocht werden sollen, die Durchlässe 3, werden beim Legen der Fasern 2 vollautomatisiert ausgespart und in einem weiteren Schritt wird eine Stabilisierungsstruktur 4 um die Durchlässe 3 herum angeordnet.
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Die Stabilisierungsstruktur 4 kann ebenfalls aus einer Endlosfaser gebildet werden und beispielsweise auf die Basisfaserstruktur 1 um die Durchlässe 3 herum genäht werden. In den vorliegend gezeigten Beispielen besteht die Stabilisierungsstruktur 4 aus mehreren, konzentrisch um den Durchlass 3 angeordneten Ringabschnitten 6, sowie aus radial sich von dem Durchlass 3 weg erstreckenden Abschnitten 5. Diese spinnennetzartige Form verleiht dem Bereich um den Durchlass eine erhöhte Festigkeit; zusätzlich sorgt das Legen der Endlosfasern der Basisstruktur 1 um den Durchlass 3 herum dafür, dass der Kraftfluss dort nicht unterbrochen wird.
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Das so gebildete endlose Textilhalbzeug 1 wird in Form eines Strangprofils in eine Pultrusionsanlage überführt und dort kontinuierlich zum End-Bauteil verarbeitet, das heißt, mit einem aushärtbaren Kunststoff-Matrixmaterial imprägniert und aushärten Gelassen. Nach der Imprägnierung mit dem Matrixmaterial beziehungsweise dessen Aushärten muss lediglich noch das Harzmaterial aus den Durchlässen 3 entfernt werden, wobei die Fasern unbeschädigt bleiben.
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1 und 2 zeigen ein Textilhalbzeug 1 in verschiedenen Verarbeitungsgraden.
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Während in 1 die Basisfaserstruktur 1 mit den aufgebrachten Stabilisierungsstrukturen 4 noch ein flächiges Gebilde darstellt, sind in 2 die seitlichen Randabschnitte, parallel zur Längsrichtung, zu einem Vierkantprofil umgeformt. Bei dem gebildeten Bauteil kann es sich auch um ein rohrförmiges Profil, wie in 3 gezeigt, handeln, es kann aber auch ein komplex geformtes Profil realisiert werden, wie in 4 dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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