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Abstract

Faserverbundbauteil, bestehend aus zumindest einem vorwiegend in einer Richtung gekrümmten und einem mit diesem lastfest verbundenen, mehrdimensional gekrümmten Bauteilabschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur des Faserverbundbauteils (1) in dem in einer Richtung gekrümmten Bauteilabschnitt (2) aus einem abwickelbaren Fasergebilde (4) und in dem mehrdimensional gekrümmten Bauteilabschnitt (3) aus einem mit dem abwickelbaren Fasergebilde gemeinsam konsolidierten, im verformten Zustand lastgerecht faserorientierten Fasergesticke (5) besteht.Fiber composite component, consisting of at least one component section curved predominantly in one direction and a multidimensionally curved component section connected thereto in a load-resistant manner, characterized in that the fiber structure of the fiber composite component (1) in the component section (2) curved in one direction consists of a fiber structure (4) that can be unwound and in the multi-dimensionally curved component section (3) consists of a fiber stick (5) which is consolidated together with the unwindable fiber structure and is fiber-oriented in the deformed state in accordance with the load.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Faserverbundbauteil, bestehend aus zumindest einem vorwiegend in einer Richtung gekrümmten und einem mit diesem lastfest verbundenen, mehrdimensional gekrümmten Bauteilabschnitt, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a fiber composite component, consisting of at least one component section that is curved predominantly in one direction and a multidimensionally curved component section that is connected to it in a load-resistant manner, according to the preamble of patent claim 1.

Aus der DE 10 2008 001 989 A1 ist ein Faserverbundbauteil in Form eines Kraftfahrzeug-Verbundlenkers mit einem toroidförmigen Anschlussteil bekannt, dessen Faserstruktur in verschiedenartigen Techniken, nämlich als Gelege, Geflecht, Gewebe, Gesticke oder Gestricke hergestellt sein kann. Soweit sich derartige Fasergebilde mit einer der Bauteilgeometrie entsprechend dreidimensional gekrümmten Raumform fertigen lassen, wie etwa 3D-Geflechte oder Gestricke, ist die Faserorientierung und/oder-dichte zumindest stellenweise durch die Fertigungstechnik fest vorgegeben und lässt sich daher nicht mehr fertigungsunabhängig lastgerecht gestalten. Soweit hingegen die Faserstruktur zunächst als ebenes oder einfach gekrümmtes Fasergebilde gefertigt wird, welches dann in die 3D-Geometrie des Bauteils umgeformt wird, kommt es beim Umformprozess zwangsläufig zu Faserdesorientierungen und damit zu einem Verlust eines lastgerecht vorgegebenen Faserverlaufs. Wahlweise kann dieser Verbundlenker auch aus mehreren Faserverbundteilen zusammengesetzt werden, die in unterschiedlichen Techniken und aus unterschiedlichen Materialien fertiggestellt und dann miteinander zu dem Gesamtbauteil verbunden, etwa verklebt werden. Problematisch bei einer solchen Bauweise ist die an der Fügestelle der Faserverbundteile entstehende Störung des Kraftflusses sowie die durch die erforderlichen Verbindungsmittel und Fügeflansche verursachte Erhöhung des Baugewichts.From the DE 10 2008 001 989 A1 a fiber composite component in the form of a motor vehicle compound link with a toroidal connection part is known, the fiber structure of which can be produced using various techniques, namely as a non-crimp fabric, braid, woven fabric, embroidered fabric or crocheted fabric. Insofar as such fiber structures can be manufactured with a three-dimensionally curved shape corresponding to the component geometry, such as 3D braids or knitted fabrics, the fiber orientation and/or density is at least partially predetermined by the manufacturing technology and can therefore no longer be designed to suit the load independent of production. If, on the other hand, the fiber structure is initially produced as a flat or simply curved fiber structure, which is then formed into the 3D geometry of the component, the forming process inevitably leads to fiber disorientation and thus to a loss of a fiber course that is appropriate to the load. Optionally, this torsion beam can also be composed of several fiber composite parts, which are finished using different techniques and made of different materials and then connected to one another to form the overall component, for example glued. The problem with such a construction is the disturbance of the force flow occurring at the joint of the fiber composite parts and the increase in the construction weight caused by the necessary connecting means and joint flanges.

Die DE 42 14 636 A1 beschreibt ein formbares, multiaxiales Verstärkungsgebilde aus mindestens einer flächigen Trägerlage und dieser zugeordneten Verstärkungsfäden zur Armierung von Hochleistungsverbunden für die Herstellung geometrisch komplizierter Formteile mit zumindest bereichsweise entsprechend den im Formteil auftretenden Spannungen kraftlinienorientierten Legungen der Verstärkungsfäden.the DE 42 14 636 A1 describes a mouldable, multiaxial reinforcement structure consisting of at least one flat carrier layer and reinforcement threads assigned to it for the reinforcement of high-performance composites for the production of geometrically complicated molded parts with plies of the reinforcement threads oriented towards the lines of force at least in regions corresponding to the stresses occurring in the molded part.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Faserverbundbauteil der eingangs genannten Art so auszubilden, dass es auf herstellungs- und gewichtsgünstige Weise mit einer lastgerechten Faserstruktur herzustellen ist.The object of the invention is to design a fiber composite component of the type mentioned at the outset in such a way that it can be produced in a manner that is economical in terms of production and weight and has a fiber structure that is appropriate for the load.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Faserverbundbauteil gelöst.According to the invention, this object is achieved by the fiber composite component characterized in patent claim 1 .

Erfindungsgemäß wird die Faserstruktur fertigungstechnisch gezielt auf die geometrisch unterschiedlich komplexen Bauteilabschnitte des Faserverbundbauteils derart abgestimmt, dass sich, differenziert nach dem Krümmungsgrad der Bauteilabschnitte, mit jeweils möglichst geringem Herstellungsaufwand eine hochgradig lastgerechte Faserorientierung im fertigen Bauteil ergibt. So besteht die Faserstruktur in den einfach gekrümmten Bauteilabschnitten aus einem abwickelbaren Fasergebilde, welches, angefangen von einer unidirektionalen bis hin zu einer quasi-isotropen Faserorientierung, auf fertigungstechnisch sehr einfache Weise lastgerecht auszubilden ist, während das fertigungstechnisch aufwändigere Fasergesticke auf die komplexen 3D-Bauteilbereiche begrenzt und im 2D-Zustand so mit dem Fasermaterial belegt wird, dass sich bei der nachfolgenden räumlichen Umformung aufgrund der dabei entstehenden Faserverlagerungen ein auf die Belastungsverhältnisse des Bauteils optimal abgestimmter Faserverlauf einstellt, mit dem weiteren Aspekt, dass die Bauteilabschnitte mit ihren technologisch jeweils unterschiedlich erstellten Faserverstärkungen in einem einzigen Konsolidierungschritt, vorzugsweise im Wege des Harzinjektionsverfahrens, zu einem einstückigen Faserverbundbauteil mit einer durchgehenden Faserstruktur ohne gesonderte, gewichtserhöhende und den Kraftfluss störende Fügestellen ausgeformt werden. Das Ergebnis ist ein homogenes, abschnittsweise geometrisch komplexes Faserverbundbauteil mit einer lastgerechten Faserstruktur bei zugleich herstellungs- und gewichtsgünstiger Bauweise.According to the invention, the fiber structure is specifically tailored to the geometrically differently complex component sections of the fiber composite component in terms of production technology in such a way that, differentiated according to the degree of curvature of the component sections, a highly load-oriented fiber orientation results in the finished component with the lowest possible production effort. The fiber structure in the simply curved component sections consists of a fiber structure that can be developed, which, starting with a unidirectional up to a quasi-isotropic fiber orientation, can be produced in a very simple way in terms of production technology, while the fiber embroidery, which is more complex in terms of production technology, is limited to the complex 3D component areas and in the 2D state is covered with the fiber material in such a way that during the subsequent spatial reshaping, due to the resulting fiber displacements, a fiber course that is optimally matched to the load conditions of the component is set, with the further aspect that the component sections with their technologically different fiber reinforcements in a single consolidation step, preferably by means of the resin injection process, into a one-piece fiber composite component with a continuous fiber structure without separate, weight-increasing and the power flow st disturbing joints are formed. The result is a homogeneous, partially geometrically complex fiber composite component with a load-bearing fiber structure and at the same time a construction that is economical to manufacture and weight.

Vor allem bei einer Bauteilfertigung im Wege des Harzinjektionsverfahrens empfiehlt es sich, das Fasergesticke separat vom abwickelbaren Fasergebilde zu einem bindemittelstabilisierten Vorformling mit einer dem mehrfach gekrümmten Bauteilabschnitt entsprechenden Raumform und Faserorientierung umzuformen und den Vorformling dann gemeinsam mit dem abwickelbaren Fasergebilde zum fertigen Faserverbundbauteil zu konsolidieren, um Faserdesorientierungen am Gesticke beim Einschießen der Faserverbundmatrix in das Formwerkzeug zu verhindern. Vorzugsweise werden die Verstärkungsfasern auf dem Gesticke durch Nähfäden fixiert, die aus einem sich in der Faserverbundmatrix auflösenden Material bestehen. Aus Gründen einer guten räumlichen Verformbarkeit des Gestickes besteht der Stickgrund zweckmäßigerweise aus einem drapierfähigen Material, nämlich bevorzugt aus einem Glasfasergewebe oder -vlies, so dass auch der Stickgrund zur Lastfestigkeit der Faserverbundstruktur beiträgt.Especially when manufacturing a component using the resin injection process, it is advisable to reshape the fiber embroidery separately from the unwindable fiber structure into a binder-stabilized preform with a three-dimensional shape and fiber orientation that corresponds to the multiply curved component section and then to consolidate the preform together with the unwindable fiber structure to form the finished fiber composite component To prevent fiber disorientation on the embroidery when shooting the fiber composite matrix into the mold. The reinforcing fibers are preferably fixed on the embroidery by sewing threads, which consist of a material that dissolves in the fiber composite matrix. For reasons of good spatial deformability of the embroidery, the embroidery base is expediently made of a drapable material, namely preferably a glass fiber fabric or fleece, so that the embroidery base also contributes to the load-bearing capacity of the fiber composite structure.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

  • 1 eine teilweise geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Faserverbundbauteils;
  • 2 das abwickelbare Fasergebilde im mittleren, hohlrohrförmigen Bauteilabschnitt; und
  • 3a, b das Fasergesticke für die komplex gekrümmten, endseitigen Bauteilabschnitte im planaren 2D-Zustand (3a) und als Vorformling (3b).
The invention will now be based on an embodiment in conjunction with the sign explained in more detail. It shows in a highly schematic representation:
  • 1 a partially sectioned view of a fiber composite component designed according to the invention;
  • 2 the unwindable fiber structure in the central, hollow tubular component section; and
  • 3a, b the fiber embroidery for the complex curved, end-side component sections in the planar 2D state ( 3a) and as a preform ( 3b) .

Das in 1 gezeigte Faserverbundbauteil 1 besteht aus einem mittleren, eifach gekrümmten, nämlich hohlrohrförmigen Bauteilabschnitt 2 sowie endseitigen, geometrisch komplexen Bauteilabschnitten 3 mit einer mehrfach gekrümmten Raumform.This in 1 The fiber composite component 1 shown consists of a central component section 2 that is simply curved, namely in the form of a hollow tube, and component sections 3 that are at the ends, are geometrically complex and have a multiply curved three-dimensional shape.

Aus Gründen eines lastgerechten Faserverlaufs bei zugleich möglichst einfacher Herstellungsweise wird die Faserstruktur des Bauteils 1 zweiteilig in unterschiedlichen Fertigungstechniken z.B. aus trockenen Carbonfasern erstellt. So wird die Faserstruktur im mittleren Bauteilabschnitt 2 gemäß 2 als abwikkelbares Fasergebilde 4 etwa in Form eines Fasergeflechtes mit der endgültigen Faserorientierung und der endgültigen Hohlrohrform hergestellt, während für die endseitigen Bauteilabschnitte 3 ein Fasergesticke 5 (3) verwendet wird, auf dessen zunächst noch planarem Stickgrund 6 die Verstärkungsfasern 7 so abgelegt und fixiert werden, dass sich bei der nachfolgenden räumlichen Umformung des Gestickes 5 in die komplexe Raumform der endseitigen Bauteilabschnitte 3 ein für die dortigen Lastverhältnisse optimaler Faserverlauf einstellt. Fixiert werden die Verstärkungsfasern 7 auf dem Stickgrund 6 durch Nähfäden, die sich bei der Konsolidierung des Faserverbundwerkstoffs in der Faserverbundmatrix auflösen, und aus Gründen einer guten Verformbarkeit besteht der Stickgrund 6 aus einem drapierfähigen Material, nämlich vorzugsweise aus einem Glasfasergewebe oder -vlies.For reasons of a fiber flow that is appropriate to the load while at the same time being as simple as possible to produce, the fiber structure of the component 1 is created in two parts using different production techniques, for example from dry carbon fibers. Thus, the fiber structure in the central component section 2 according to 2 produced as a developable fiber structure 4 approximately in the form of a fiber mesh with the final fiber orientation and the final hollow tube shape, while for the end-side component sections 3 a fiber stick 5 ( 3 ) is used, on whose initially still planar embroidery base 6 the reinforcing fibers 7 are placed and fixed in such a way that during the subsequent spatial deformation of the embroidery 5 into the complex three-dimensional shape of the end-side component sections 3, an optimal fiber course for the load conditions there is established. The reinforcing fibers 7 are fixed to the embroidery base 6 by sewing threads, which dissolve in the fiber composite matrix during the consolidation of the fiber composite material, and for reasons of good deformability, the embroidery base 6 consists of a drapable material, namely preferably a glass fiber fabric or fleece.

Das Fasergesticke 5 wird in einem Zwischenschritt zu einem bindemittelstabilisierten Vorformling 8 mit einer dem mehrfach gekrümmten Bauteilabschnitt 3 entsprechenden Raumform umgeformt, wobei die Verstärkungsfasern 7 des Gestickes 5 den angestrebten, lastgerechten Faserverlauf des fertigen Bauteils 1 einnehmen. Durch den Zwischenschritt über den bindemittelstabilisierten Vorformling 8 wird sichergestellt, dass es bei der Fertigstellung des Bauteils 1, wenn die Faserverbundmatrix im Wege der Harzinjektion in das Formwerkzeug einschießt, nicht zu einer Fehlorientierung der Verstärkungsfasern 7 auf dem Gesticke 5 kommt.In an intermediate step, the fiber embroidery 5 is formed into a binder-stabilized preform 8 with a three-dimensional shape corresponding to the multiply curved component section 3 , the reinforcing fibers 7 of the embroidery 5 adopting the desired, load-bearing fiber orientation of the finished component 1 . The intermediate step via the binder-stabilized preform 8 ensures that the reinforcing fibers 7 on the embroidery 5 do not misorientate themselves during the completion of the component 1 when the fiber composite matrix shoots into the mold due to the resin injection.

Der Vorformling 8 und das abwickelbare Fasergebilde 4 werden gemeinsam in das Formwerkzeug eingelegt, wobei sie sich - wie aus 1 bei „d“ ersichtlich - an ihren einander zugekehrten Enden überlappen, und im Wege der Harzinjektion mit der Faserverbundmatrix durchtränkt und konsolidiert. Auf diese Weise entsteht ein homogenes, abschnittsweise geometrisch komplexes Faserverbundbauteil 1 mit einer durchgehend lastgerechten Faserstruktur in einer herstellungs- und gewichtsgünstigen Bauweise.The preform 8 and the unwindable fiber structure 4 are placed together in the mold, where they - as from 1 seen at "d" - overlap at their facing ends, and impregnated and consolidated with the fiber composite matrix by way of resin injection. In this way, a homogeneous fiber composite component 1 that is geometrically complex in sections is created with a continuous load-bearing fiber structure in a construction that is economical to manufacture and weight.

Anstatt als zylindrisches Hohlrohr kann der Bauteilabschnitt 2 auch als anders gestalteter, abwickelbarer Formkörper ausgebildet und sogar in Richtung seiner Symmetrieachse schwach gekrümmt sein.Instead of being a cylindrical hollow tube, the component section 2 can also be in the form of a differently shaped, developable shaped body and can even be slightly curved in the direction of its axis of symmetry.

Claims (7)

Faserverbundbauteil, bestehend aus zumindest einem vorwiegend in einer Richtung gekrümmten und einem mit diesem lastfest verbundenen, mehrdimensional gekrümmten Bauteilabschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur des Faserverbundbauteils (1) in dem in einer Richtung gekrümmten Bauteilabschnitt (2) aus einem abwickelbaren Fasergebilde (4) und in dem mehrdimensional gekrümmten Bauteilabschnitt (3) aus einem mit dem abwickelbaren Fasergebilde gemeinsam konsolidierten, im verformten Zustand lastgerecht faserorientierten Fasergesticke (5) besteht.Fiber composite component, consisting of at least one component section curved predominantly in one direction and a multidimensionally curved component section connected to it in a load-resistant manner, characterized in that the fiber structure of the fiber composite component (1) in the component section (2) curved in one direction consists of a fiber structure (4) that can be unwound and in the multi-dimensionally curved component section (3) consists of a fiber stick (5) which is consolidated together with the unwindable fiber structure and is fiber-oriented in the deformed state in accordance with the load. Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergesticke (5) separat vom abwickelbaren Fasergebilde (4) zu einem bindemittelstabilisierten Vorformling (8) mit einer dem mehrfach gekrümmten Bauteilabschnitt (3) entsprechenden Raumform und Faserorientierung umgeformt und der Vorformling gemeinsam mit dem abwickelbaren Fasergebilde zum fertigen Faserverbundbauteil (1) konsolidiert ist.fiber composite component claim 1 , characterized in that the fiber embroidery (5) is formed separately from the unwindable fiber structure (4) into a binder-stabilized preform (8) with a three-dimensional shape and fiber orientation corresponding to the multiply curved component section (3) and the preform together with the unwindable fiber structure to form the finished fiber composite component ( 1) is consolidated. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (7) auf dem Gesticke (5) durch Nähfäden fixiert sind.Fiber composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcing fibers (7) are fixed to the embroidery (5) by sewing threads. Faserverbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nähfäden aus einem sich in der Faserverbundmatrix auflösenden Material bestehen.fiber composite component claim 3 , characterized in that the sewing threads consist of a material that dissolves in the fiber composite matrix. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickgrund (6) des Gestickes (5) aus einem drapierfähigen Material besteht.Fiber composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the embroidery base (6) of the embroidery (5) consists of a drapable material. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (7) aus Carbonfasern und der Stickgrund (6) des Gestickes (5) aus einem Glasfasergewebe oder -vlies besteht.Fiber composite component according to one of the preceding claims, characterized in that that the reinforcing fibers (7) consist of carbon fibers and the embroidery base (6) of the embroidery (5) consists of a glass fiber fabric or fleece. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesticke (5) und das abwickelbare Fasergebilde (4) aus trockenen Verstärkungsfasern hergestellt und in einem gemeinsamen Werkzeug im Wege des Harzinjektionsverfahrens mit der Faserverbundmatrix durchtränkt sind.Fiber composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the embroidery (5) and the unwindable fiber structure (4) are made of dry reinforcing fibers and are impregnated with the fiber composite matrix in a common tool by means of the resin injection process.
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