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Vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Im Rahmen der Erfindung liegt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils.
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Faserverbundbauteile werden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Nässe, Salz und Schmutz besonders als Exterieurteile im Fahrzeugbau immer häufiger eingesetzt. Sie finden Verwendung als Kofferraumdeckel, Spoiler, Kotflügel aber auch zunehmend als tragende Teile in Achs- und Grundträgerbereichen, sowie Verschalungen und Abdeckhauben z. B. für Elektroantriebe.
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Hier kommen insbesondere kohlenstofffaser- (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) zum Einsatz.
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Das Fügen und Montieren solcher Faserverbundbauteile ist im Vergleich zu den bisherigen Möglichkeiten, die bei Blech- und anderen metallischen Bauteilen zur Verfügung stehen, anspruchsvoller, da die entsprechenden Methoden und Fügestellen vor der Herstellung der Faserverbundbauteile festzulegen sind. Im Nachhinein hergestellte Verbindungen weisen häufig Probleme hinsichtlich Stabilität und Korrosionsbeständigkeit auf.
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Aus der
DE 10 2008 063 651 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei jeweils aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Bauteilen bekannt, welches das Freilegen der Fasern mindestens eines Fügepartners durch Abtragung des Matrixwerkstoffs und dem Einbringen eines Zusatzmaterials benutzt. Hierbei kommen spezielle Materialien schon bei der Herstellung des Faserverbundbauteils an der Fügestelle zum Einsatz, oder es wird am fertigen Faserverbundbauteil ein aufwändiges und wenig prozesssicheres Verfahren mit einem Zusatzmaterial durchgeführt. Komplizierte Ausführung, ökologische Bedenklichkeit von Lösungsmitteln, aber insbesondere die schlechte Überprüfbarkeit, wie weit Fasern und Matrixmaterial durch den Einbettungs-/Entfernungs-/Verbindungsprozess geschädigt oder unzureichend vorbereitet werden und eine verlässliche dauerhafte Verbindung gefährden, stehen der Nutzung des Verfahrens zum Verbinden und Zugänglichmachen von eingebetteten Fasern in Großserien entgegen.
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DE 03500255A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Freilegung von Verstärkungsfasern, die bereits in Harz eingebettet wurden, sowie ein Verfahren zum Verbinden dieser überlappenden Fasern zweier Faserverbundbauteile an Stellen, an denen die Fasern zuvor freigelegt wurden. Auch dieses Verfahren ist aus o. g. Gründen und insbesondere wegen der chemischen Herauslösung von Matrixmaterial und dem Zwang, dass die nicht ausgehärteten Bereiche garantiert zum Verbinden verwendet werden müssen, wenig für variantenreiche und großseriennahe Verwendung zum Verbinden von Faserverbundbauteilen und dem nachträglichen Zugänglich machen der Fasern geeignet.
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In allen genannten Beispielen besteht die Problematik, dass die Fasern zunächst vom Matrixwerkstoff benetzt und anschließend freigelegt werden. Wie in allen chemischen Prozessen können die beim Benetzen entstehenden Beeinflussungen von Faserveränderungen, Ein- und Anbindung in den Matrixwerkstoff schon bei geringer Änderung vieler möglicher Parameter wie Chemikalienzusammensetzung, Druck, Temperatur, Prozessgeschwindigkeit und dergleichen zu großen Schwankungen im Ergebnis führen. In Kombination mit dem Prozess der Entfernung des Matrixmaterials und des Wiederverbindens der Fasern, die ebenfalls eine Vielzahl von Parametern einbringen, entsteht ein breites Spektrum von Fehlereinflussmöglichkeiten, die dazu führen, dass der Prozess nur schwierig mit den im Automobilbau üblichen Toleranzbreiten realisierbar ist. Hoher Bauteilausschuss durch Formabweichungen, funktionelles Versagen der Faserverbundbauteile und Verbindungen aufgrund von Variation in der Kombination der Prozessparameter in kaum prüfbarer Vielzahl sind die Attribute, die neben den immer noch hohen Material- und Herstellungskosten nicht zum großseriellen Einsatz des angeführten Standes der Technik in der Faserverbundbauteil bezogenen Automobilindustrie geführt haben.
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Des Weiteren zeigt die
DE 10 2007 003 274 B3 ein Kernverbundbauteil, dessen Matrix aus einem Schaum aus PMI, PTFE oder PUR besteht. Das bereit gestellte Schaumbauteil wird hohlgebohrt, wonach ein Einbettungsteil – ebenfalls aus Schaum –, das mit Faserflächenmaterial ummantelt ist, in die Bohrung passgenau eingeschoben wird. Anschließend werden in das Schaumbauteil Streben in Form von Faserbündeln eingenäht, wonach der jeweilige ”Nähkanal” mittels Harz infiltriert wird. Abschließend wird das Einbettungsteil hohlgebohrt und in die dabei entstandene Bohrung ein Tiefenprofil eingeklebt. Die Bohrung ist dabei gänzlich ausgefüllt und das Kernverbundbauteil fertig gestellt.
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Vorliegender Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein prozesssicher verbindbares Faserverbundbauteil sowie ein Verfahren zu seiner prozesssicheren und qualitativ gleichbleibenden Herstellung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Danach umfasst das Faserverbundbauteil einen Körper bestehend aus einem Matrixwerkstoff und mindestens einer in diesen Matrixwerkstoff abschnittsweise eingebetteten Faser. Diese Kombination aus Matrixwerkstoff und Faser bildet den Körper aus Faserverbundwerkstoff. Weiters ist in dem Faserverbundwerkstoff ein Hohlraum zumindest abschnittsweise eingebettet. Dieser Hohlraum umschließt einen Abschnitt der Faser. Der Hohlraum ist durch einen Innenraum eines Freilegeelements gebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil ist der Abschnitt der Faser im Innenraum des Freilegeelements frei von Matrixwerkstoff. Dadurch ist es möglich, die Faser an dem matrixwerkstofffreien Abschnitt für spätere Verbindungen mechanischer und/oder elektrischer Art vorzubereiten, ohne dass diese Vorbereitung durch das Einbetten in den Matrixwerkstoff beschädigt, zerstört oder nicht mehr zugänglich gemacht wird. Darüber hinaus ist die Faser durch die erfindungsgemäße Lösung in dem Abschnitt nicht durch die Verbindung mit Matrixwerkstoff chemisch angegriffen bzw. geschädigt und steht so in definiert vorbereitetem Zustand zur Verfügung. Beim vorliegenden Faserverbundbauteil ist also das Freilegeelement derart eingebettet, dass die Faser in einem dem Freilegeelement benachbarten Abschnitt in Matrixwerkstoff eingebettet ist. Die Faser durchzieht den Hohlraum ohne Trennung und behält somit ihre vollen Bauteil stabilisierenden Eigenschaften. Da diese Funktion hauptsächlich durch die Verbindung mit Matrixwerkstoff erzeugt wird, ist die genannte Einbettung besonders wirkungsvoll. In vorteilhafter Weise ist der vom Hohlraum umschlossene Abschnitt der Faser ein Mittelabschnitt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Innenraum des Freilegeelements ein geschlossener Hohlraum. Das bietet den Vorteil, dass der matrixwerkstofffreie Abschnitt der Faser vor Umwelteinflüssen geschützt ist, solange die Hohlraumwände intakt sind. Damit besteht die Möglichkeit, den so vorbereiteten Abschnitt nur dann zugänglich zu machen, wenn dies zur Kontaktierung der Faser notwendig ist. Andernfalls wird der so vorbereitete Abschnitt der Faser ohne das Bauteil zu beeinträchtigen ungenutzt im Faserverbundbauteil belassen. Durch Einbetten mehrerer Freilegeelemente, die wahlweise kontaktiert werden können, kann eine Vielfalt von Bauteil- und Anschlussvarianten mit einem einzigen Faserverbundbauteil abgedeckt werden. Die nicht genutzten Freilegeelemente verbleiben dann optisch neutral und faserschützend im Bauteil.
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Weiterhin besitzen die geschlossenen Hohlräume die Eigenschaft, dass sie mit Gasen oder Gasgemischen gefüllt werden können. Insbesondere hervorzuheben ist das Füllen mit Korrosion und Stoffeindringung hemmenden Gasen, die die Faser schützen, solange der Innenraum geschlossen bleibt.
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Zweckmäßigerweise wird der Innenraum des Freilegeelements durch Wände gebildet, deren Dicke von 0,1 mm bis 10 mm betragen kann. Diese Wandstärke wird so gewählt, dass die an das Freilegeelement gestellten Stabilitäts-, Festigkeits- und Gewichtsanforderungen sowohl während des Herstellungsprozesses als auch während der späteren Nutzung des Faserverbundbauteils erfüllt werden können:
Zum einen muss die Wand des Freilegeelements fest genug sein, um z. B. in einem RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding) nicht verformt oder vom flüssigen Matrixwerkstoff durchdrungen zu werden. Zum anderen soll sie möglichst leicht sein, um nicht zu überflüssigem Bauteilgewicht beizutragen. Darüber hinaus muss sie elastisch genug sein, um der Dauerbelastung des Bauteils an der Faser sitzend und im Matrixwerkstoff eingebettet zu widerstehen. So können die Wanddicken eines Freilegeelements den verschiedenen Belastungen entsprechend ausgelegt werden und an verschiedenen Stellen verschiedene Dicken aufweisen. Eine Wand, die später durchstoßen werden soll, wird vorzugsweise im Zehntelmillimeterbereich ausgeführt, während der Bereich zum Verschluss des abgeschlossenen Hohlraums oder eine Wand, die mit der Körperoberfläche eine Fläche bildet, Dicken im Millimeterbereich aufweisen kann. Das Material der Wände, dessen Wahl wiederum von Anforderungen an Form und Funktion des Bauteils abhängt, bestimmt die Wandstärke des Freilegeelements und kann diese durch hochklassige Kunststoffe bis auf das angegebene Minimum von 0,1 mm reduzieren.
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Besonders vorteilhaft ist die Wahl von elektrisch isolierendem Material für die Wände des Freilegeelements. Dies bietet den Vorteil, dass bei Verwendung elektrisch leitfähiger Fasern die Gefahr von Leitungsfehlern in Form von evtl. undefinierten Kontakten zu anderen Fasern oder Überspringen des Stroms durch den Matrixwerkstoff reduziert ist.
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Die Erfindung umfasst weiters ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Das Faserverbundbauteil umfasst einen Körper mit einem Matrixwerkstoff und einer zumindest abschnittsweise in den Matrixwerkstoff eingebetteten Faser, wobei ein Abschnitt dieser Faser von einem Hohlraum umschlossen ist. Der Hohlraum ist zumindest abschnittsweise von Matrixwerkstoff umgeben. Zur Erzeugung dieses Faserverbundbauteils wird zunächst die Faser mit einem Freilegeelement versehen. Anschließend wird die Faser gemeinsam mit dem Freilegeelement zumindest abschnittsweise in den Matrixwerkstoff eingebettet, und der Matrixwerkstoff wird zumindest teilweise ausgehärtet.
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Vorzugsweise werden mehrere Freilegeelemente an der Faser befestigt, um an verschiedenen Stellen im selben Faserverbundbauteil die Nutzung dieser im Matrixwerkstoff freiliegenden Faser zu ermöglichen. Eine alternative Ausführungsform ist, mehrere mit Freilegeelementen versehene Fasern in einen Körper mit Matrixwerkstoff einzubetten. Dadurch kann an verschiedenen Fasern Kraft oder Ladung getrennt in das Bauteil ein-/ausgeleitet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Freilegeelement zwei Halbschalen, die vorzugsweise über ein Scharnier miteinander verbunden sind. Die Halbschalen werden einen Innenraum umschließend gegenseitig aneinander fixiert und an der Faser befestigt. Die Faser durchzieht dabei abschnittsweise den entstehenden Innenraum. In einer vorteilhaften Variante sind Halbschalen mit einer ineinander verrastenden Form ausgeführt; dann kann das Freilegeelement an beliebiger Stelle an der Faser fixiert werden, ohne dass dafür weitere Formen, Halter oder Klebstoffe zwingend erforderlich sind.
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Alternativ kann das Freilegeelement als eine geschlossene Box ausgeführt sein. Zur Montage der Box an der Faser wird die Box von außen zum Innenraum der Box hin mit der Faser durchstochen, so dass sich ein Faserende oder ein Mittelabschnitt der Faser im Innenraum der Box befindet.
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Vorteilhaft ist, wenn der Faserein- und -austrittsbereich des Freilegelements durch das Aufschieben von Dichtringen auf die Faser oder das Einbringen von Dichtmasse abgedichtet werden. Das verhindert ein Eindringen von Matrixwerkstoff in den Innenraum des Freilegeelements während des Einbettens und ermöglicht, dass die Fasern im Innenraum in unverändertem, definiertem Zustand vorliegen. Darüber hinaus können Fluide in dem Innenraum fest eingeschlossen werden, welche formstabilisierende oder inertisierende Funktionen ausüben können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Freilegeelements sieht vor, dass sich das Material des Freilegeelements beim Einbetten in den Matrixwerkstoff und/oder beim Aushärten des Matrixwerkstoffs verändert. So können z. B. vollvolumige Freilegeelemente verwendet werden, deren fester oder flüssiger Inhalt des Innenraums beim Einwirken der Aushärtungswärme zumindest teilweise in einen gasförmigen Zustand übergeht, jedoch ausreichend lange genug Druck oder hartes Wandmaterial besteht, um im Matrixwerkstoff einen Faser umfassenden Hohlraum zu erzeugen. Das in Gas übergegangene oder verflüssigte Material des Freilegeelements geht entweder in den Matrixwerkstoff ein und wird von diesem verbunden oder aufgenommen, oder es verfestigt sich bis zur Fertigstellung des Bauteils am Grund des Hohlraumes. Das chemische Aufnehmen des Freilegeelementmaterials in die Matrixwerkstoffgrenzschicht zum Hohlraum ermöglicht eine mechanisch homogene und dadurch ideale Hohlraumbegrenzung.
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Wenn das Material des Freilegeelements auf Wärme reagiert, ist es von Vorteil, wenn der Aushärtevorgang bei Temperaturen über Zimmertemperatur durchgeführt wird und dadurch gleichzeitig die erforderlichen Materialveränderungen des Freilegeelements triggert.
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Zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen dem vom Hohlraum umschlossenen Abschnitt der Faser und einem außerhalb des Körpers angeordneten Fügepartner wird zunächst eine zwischen der Faser und einem externen Fügepartner bestehende Matrixwerkstoffschicht und ggf. ein Wandabschnitt des Freilegeelements entfernt, wodurch eine Öffnung zum Innenraum mit der Faser erzeugt wird. Anschließend erfolgt eine mechanische Anbindung des Fügepartners mit dem vom Hohlraum umschlossenen Abschnitt der Faser. Diese Ausführungsform bietet alle Vorteile einer prozesssicheren mechanischen Verbindung kombiniert mit höchster Bauteilflexibilität und Stabilität. Zudem bieten Kohlenstofffasern und Glasfasern über ihre stabilisierenden mechanischen Eigenschaften auch Leitfähigkeit für Strom oder Licht, die insbesondere durch ein prozesssicheres Verbinden nutzbar gemacht werden können.
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Wenn mehrere Freilegeelemente in das Bauteil eingebettet wurden, wird das dem Anwendungsfall nach Funktion und Bauraum günstigste Freilegeelement lokalisiert und freigelegt. Die Erkennung der Position des Freilegeelements im Bauteil kann je nach Einbettungsvariante (vollständig oder teilweise), Matrixwerkstoff (farbdicht oder transparent) und Form (positionsbestimmende Merkmale wie Erhebungen, Vertiefungen, Kurven, Nasen) rein visuell oder über optische Messgeräte erfolgen.
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Um den im Freilegeelement befindlichen Faserabschnitt mechanisch und/oder elektrisch zu kontaktieren, ist es besonders zweckmäßig, die Einbettung des Freilegeelements in den Matrixwerkstoff mit mindestens einer Zugangsfläche des Freilegeelements im Abstand kleiner als 10 mm zur Oberfläche des Faserverbundbauteils auszuführen, damit ein einfaches Durchstechen der zwischen Bauteiloberfläche und Faserabschnitt liegenden Matrixwerkstoffschicht möglich ist.
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Zum Schutz der im Hohlraum befindlichen und von außen kontaktierten Faser ist es vorteilhaft, wenn diese vor dem Einbetten zumindest an den Faserabschnitten, die im Hohlraum zu liegen kommen, oberflächenbehandelt wurden. Ein elektrisch leitfähiges Kunststoffcoating ermöglicht beispielsweise eine gute elektrische Kontaktierbarkeit der Faser in dem Freilegeelement.
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Vorteilhaft, besonders hinsichtlich einer späteren Verbindbarkeit des Faserabschnitts im Hohlraum, ist das Versehen der Faser mit einem Kontaktierungselement wie beispielsweise einer Kupferlasche oder einem Steckerelement.
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Das Verschließen der zur Kontaktierung erzeugten Öffnung ermöglicht, die kontaktierte Faser und den Hohlraum vor Umwelteinflüssen zu schützen und die Kontaktierungsstelle gleichzeitig mechanisch zu stabilisieren. Dabei wird der Hohlraum und die Verbindung komplett gegenüber der Umwelt isoliert und die Bauteiloberfläche optisch in ein einwandfreies Erscheinungsbild versetzt und z. B. für spätere Lackierungen vorbereitet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Körpers eines Faserverbundbauteils mit zwei erfindungsgemäßen vollständig eingebetteten und geschlossenen Freilegeelementen und einer von diesen abschnittsweise umschlossenen Faser;
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2 eine Schnittdarstellung eines Körpers eines Faserverbundbauteils mit zwei teilweise in Matrixwerkstoff eingebetteten einseitig geöffneten Freilegeelementen mit Faserabschnitten im Hohlraum
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3A'–3F eine schematische Darstellung einzelner Verfahrensschritte bei der Herstellung des Faserverbundbauteils der 1 und 2
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4 eine perspektivische Darstellung eines unverschlossenen noch unbefestigten Freilegeelements
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Körper 3 eines Faserverbundbauteils 1 mit einer in einen Matrixwerkstoff 5 eingebetteten Faser 8 und zwei an dieser Faser 8 befestigte Freilegeelemente 18, die die Form über einen verlängerten Grundkörper verbundener Sechseckpyramidstümpfe haben. Diese Freilegeelemente 18 sind vollständig in den Matrixwerkstoff 5 eingebettet. Jedes dieser Freilegeelemente 18 liegt bezogen auf eine Zugangsfläche 26 des Freilegeelements 18 in einem Abstand a zu einer Zugangsfläche an der Oberfläche 25 des Faserverbundbauteils 1 im Matrixwerkstoff 5 eingebettet.
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In 1 ist ein Faserabschnitt 10 der Faser 8 in einem Innenraum 14 des Freilegeelements 18 eingeschlossen dargestellt. Diesem Faserabschnitt 10 benachbarte Faserabschnitte 12 sind vollständig in Matrixwerkstoff 5 eingebettet und münden in Fasereintritts-/Austrittsbereichen 30 in/aus dem Innenraum 14 des Freilegeelements 18. An diesen schließen sich Dichtringe 29 zum Verschluss der Freilegeelemente 18 an.
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Der Innenraum 14 des Freilegeelements 18 bildet einen Hohlraum 6, 7 des Matrixwerkstoffes 5, der in 1 am linken Freilegeelement 18 an zwei Stellen aufgebrochen dargestellt ist und im rechten Freilegeelement 18 vollständig geschnitten gezeigt ist, um den Hohlraum 6 umgebende Wände 16 der Wandstärke d sichtbar zu machen. Es handelt sich bei der Darstellung um vollständig geschlossene Hohlräume 7, wobei das Folgende auch für jede Art von Hohlräumen 6 bei technischer Übertragbarkeit, seine Gültigkeit behält. In dem von den Wänden 16 des Freilegeelements 18 gebildeten Innenraum 14, befindet sich der vom Hohlraum 7 umschlossene Faserabschnitt 10. In der Darstellung der 1 ist dieser Faserabschnitt 10 ein Mittelabschnitt 11, der sich dadurch auszeichnet, dass seine Faserenden 9 nicht in dem Innenraum 14 zu liegen kommen. Im Innenraum 14, der durch die Wände 16 des Freilegeelements 18 eingeschlossen wird, befindet sich ein Gas oder Gasgemisch. Ist das Freilegeelement 18 dicht verschlossen, kann der Innenraum 14 auch durch ein Gas mit höherem Druck als der Umgebungsdruck gefüllt werden, um die Wände 16 des Freilegeelements 18 z. B. beim Einbetten in einen Matrixwerkstoff 5 zu stabilisieren. Dabei wird z. B. zu einer Anordnung von Fasern 8, 8' in einer die Fasern fixierenden geschlossenen Werkzeugform flüssiges Matrixmaterial hinzugefügt. Um beispielsweise ein Eindringen von Matrixwerkstoff 5 in das Freilegeelement 18 zu verhindern oder das Aufnehmen von Kondenswasser im Freilegeelement zu ermöglichen, können solche Funktionen übernehmende Chemikalien in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand in den Innenraum 14 eingebracht werden (z. B. durch Innenbeschichtung der Freilegeelementwände). Eine Heliumfüllung des Freilegeelements 18 sorgt z. B. für ein Aufschwimmen der Freilegeelemente 18 auf dem Matrixmaterial 5, so dass ohne weitere Hilfsmittel eine Einbettung an der Körperoberfläche 25 ermöglicht wird.
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Neben der Faser 8, an der die zwei Freilegeelemente 18 befestigt sind, zeigt 1 noch weitere eingebettete Fasern 8'. Sowohl die Einbettung von Fasern 8' ohne Freilegeelemente 18 zur weiteren Stabilisierung des Faserverbundbauteils 1 als auch das Einbetten von mehreren Fasern 8 mit einem oder mehreren Freilegeelementen 18 ist für ein späteres Verbinden der Fasern 8 für elektrische oder mechanische Einsatzzwecke vorteilhaft. So kann z. B. die Faser 8 der 1 an zwei verschiedenen Stellen kontaktiert werden und so Ladung durch das Faserverbundbauteil 1 transportiert werden. Ein nachträgliches Verbinden mit einem anderen Faserverbundbauteil 1 ist an verschiedenen Stellen des mit mehreren Freilegeelementen 18 präparierten Körpers 3 möglich. Hierfür werden insbesondere mehrere Fasern 8 in das gleiche Freilegeelement 18 eingebettet. Dabei können die Fasern 8 entweder bereits im Hohlraum 7 enden oder am Mittelabschnitt 11 durchtrennbar sein, um anschließend überlappend mit den Fasern 8 aus dem zu verbindenden Faserverbundbauteil 1 verknüpft oder verklebt in eine Matrix überführt zu werden. Es ist auch möglich, ein kleines Knäuel (z. B. spulenartig gewickelt) von Fasern 8 in einem Freilegeelement 18 für ein mechanisches Verbinden vorzuhalten, so dass genügend lange Fasern 8 aus dem später eröffneten Freilegeelement 18 herausgeholt werden können.
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Die im Innenraum 14 des Freilegeelements 18 zu liegen kommenden Fasern 8 können teils in die Wand 16 des Freilegeelements 18 eingebettet sein und nur zu einem Teil ihres Umfangs frei mit dem Innenraum 14 in Kontakt stehen. Das ist hinsichtlich von Stabilitätsgesichtspunkten vorteilhaft, erfordert aber eine umfangreichere Vorbereitung bei einem späteren mechanischen Anschließen der Faser 8 im Innenraum 14.
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Das Freilegeelement 18, welches in 1 komplett von Matrixwerkstoff 5 umgeben ist, kann an seiner Zugangsfläche 26 in verminderter Wanddicke ausgeführt sein, um einem Zugänglichmachen wenige Hindernisse entgegen zu stellen. Wände 16 können daher an den Stellen, an denen die Fasern 8 dicht umschlossen werden müssen, dicker ausgeführt werden als an der Zugangsfläche 26.
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Darüber hinaus ist es bei räumlich hochgenau vordefinierter Anschlussstelle von Vorteil, das Freilegeelement 18 wie in 2 dargestellt nicht vollständig einzubetten (also z. B. als eine einseitig offene Box darzustellen), oder die Zugangsfläche 26 an die Oberfläche 25 des Körpers 3 zu legen, so dass diese Wand 16 nach geringer Oberflächenbearbeitung des Körpers 3 oder einfachem Durchstoßen entfernt werden kann und eine Öffnung 31 des Innenraums 14 darstellt.
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2 zeigt zwei Ausführungsformen eines Freilegeelements 18. Das linke Freilegeelement 18 wird von mehreren Fasern 8 durchzogen, wobei in dem Hohlraum 6 ein Mittelabschnitt 11, also ein durchgängiger Faserabschnitt 10, dieser Fasern 8 zu liegen kommt. Je nach Konstruktion des Faserverbundbauteils 1 können auch zweidimensionale Gebilde wie Fasermatten, verdrillte Fasern 8 wie Faserbündel (Rovings) oder auch 3-dimensionale Gewebe durch solch ein Freilegeelement 18 abschnittsweise umschlossen und eingebettet werden. Faserenden 9, in 2 im rechten Freilegeelement 18 dargestellt, können ohne Durchtrennung eines durchgängigen Stranges für weitere Verbindungen genutzt werden. Faserenden 9 und durchgehende Stränge können in einem Freilegeelement 18 kombiniert werden. Damit können zunächst die Faserenden 9 verknüpft werden, während die durchgängigen Fasern 8 das Faserverbundbauteil 1 stabilisieren, jedoch als Reserve (back-up) Verbindung im Freilegeelement 18 zur Verbindung bereit stehen.
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Insbesondere bei der Nutzung der im Freilegeelement 18 enthaltenen Fasern 8 hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit wird das Material der Wände 16 zur Isolation und einem definiertem Leiten der Ladungen aus einem elektrisch nicht leitenden, gleichzeitig aber zur Einbettung ausreichend festen und dichten Material ausgeführt. Hier bieten sich neben Duromeren auch naturfaserverstärkte Kunststoffe oder Naturfaserwerkstoffe an. Im Unterschied zu dieser Ausführungsform kann es insbesondere bei offener Zugänglichkeit der Wände 16 des Freilegeelements 18 vorteilhaft sein, Wände 16 aus elektrisch leitendem Material zu gestalten, da insbesondere Faserverbundbauteile 1 zu statischer Aufladung neigen, die bei der weiteren Verarbeitung zu Schäden und ungewünschter Prozessvariation führen kann. Als Freilegeelement-Materialien können z. B. edelstahlfaserverstärkte Kunststoffe, mit Russpartikeln versehene Thermoplaste oder auch Beschichtungen mit Antistatiklacken zum Einsatz kommen.
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3A'–3F zeigen in einer schematischen Darstellung die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 1 und optional dessen weitere Adaptierung durch mechanische Verbindungen zur Kraft oder/und Ladungseinleitung und Übertragung. Dabei wird zunächst in einem Schritt A' eine Faser 8 vorbereitet (und optional mit einer Beschichtung, Kontaktierungselementen, u. v. m. versehen, Bsp. in 3A', in der die Faser 8 mit einem Kontaktierungselement 22 versehen wurde). Anschließend wird in einem Schritt A mindestens ein Freilegeelement 18 an der Faser 8 befestigt, wie in 3A zu sehen. Die Ein- und Austrittsöffnungen 30 der Faser 8 in/aus dem Freilegeelement 18 werden vorteilhafterweise mit Hilfe von Dichtringen 29 oder Dichtungsschaum abgedichtet. In einem weiteren Schritt B, respektive 3B, wird die Faser 8 – ggf. mit anderen Fasern 8 zusammen – in einen Matrixwerkstoff 5 eingebettet. In einem Schritt C wird der Matrixwerkstoff 5 ausgehärtet; das Ergebnis ist in 3C gezeigt. Zur elektrischen und/oder mechanischen Kontaktierung des im Innenraum 14 des Freilegeelements 18 befindlichen Faserabschnitts 10, wird zunächst in einem Schritt D eine Öffnung 31 in einer Wandung 16 des Freilegeelements erzeugt (siehe 3D). Durch diese Öffnung 31 hindurch werden in einem Schritt E die Fasern 8 im Freilegeelement 18 mechanisch und/oder elektrisch kontaktiert (siehe 3E).
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Anschließend kann in einem Prozessschritt F die Öffnung 31 im Freilegeelement 18 beispielsweise mit Matrixmaterial 5' verschlossen werden (siehe 3F).
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Bei der Vorbereitung Schritt A' können anstelle einer Faser 8 auch mehrere Fasern 8, ein Gewebe, ein Roving oder ein dreidimensionales Gewirk von Fasern 8 eingesetzt werden. Die Fasern 8 können sich in einem Freilegeelement 18 treffen oder es können mehrere Freilegeelemente 18 systemartig angebunden/verbunden werden.
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Wie in 3A' gezeigt, kann die Faser 8 während des Vorbereitungsschritts A' mit einem Kontaktierungselement 22 verbunden werden. Weiterhin kann die Faser 8 mit einer abschnittsweisen oder vollständigen Oberflächenbehandlung zur besseren Verbindung mit dem Matrixwerkstoff 5 versehen werden. Nach dem gleichen Prinzip kann zur besseren nachträglichen Anschließbarkeit der Faser 8 an den Abschnitten 10, die im Innenraum 14 eines Freilegeelements 18 zu liegen kommen, eine Beschichtung z. B. in Form eines aktivierbaren Klebstoffes, eines Flussmittels zur elektrischen Verbindung oder einer Schutzbeschichtung wie ein Kunststoffcoating 21 (3B) gegen ein z. B. mechanisches Beschädigen der Faser 8 bei Durchstoßen der Wand 16 des Freilegeelements 18, vorgenommen werden. Unter einer vercrimpten Hülse des Kontaktierungselements 22 ist bei der Verbindung mit einer Kohlenstofffaser ein Aufrauhen und Benetzen mit einem Leitmittel wie Silberlot von Vorteil. Je nach geplanter Verbindungssituation können auch komplette Stecker an der Faser 8 befestigt werden, die vom Freilegeelement 18 umschlossen werden.
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Im Schritt A erfolgt das Befestigen eines Freilegeelements 18 an der Faser 8. Dabei werden eventuelle Vorbereitungen, wie z. B. ein Kontaktierungselement 22 an der Faser 8 vom Freilegeelement 18 umschlossen. Die Verbindung des Freilegeelements 18 mit der Faser 8 kann – wie in der Detaildarstellung der 4 gezeigt – durch ein clipsbares Freilegeelement 18 aus zwei über ein Scharnier 19 verbundenen Halbschalen 20 und Gummidichtringen 29 am Ein- und Austrittsbereich 30 der Faser 8 erfolgen. Das hat den Vorteil, dass in einem Arbeitsschritt sowohl Befestigung als auch Abdichtung erfolgen kann. Es sind aber auch durchstechbare Boxen, Kugeln, beliebige Varianten der Form- und Materialgebung des Freilegeelements 18 abgestimmt auf die Positionierungs- und Stabilitätserfodernisse bei der Einbettung und späterem Verbundbauteileinsatz möglich. Verschlossen werden kann das Freilegeelement 18 bei vollständiger Einbettung z. B. zusätzlich oder nur durch Klebstoff auf den Rändern von Halbschalen oder mehreren Bauteilen der Kapsel. Das Freilegeelement 18 kann auch bereits Öffnungen zum Durchschieben der Fasern 18 aufweisen, welche anschließend mit Dichtmasse oder durch Aufschieben von Gummidichtringen verschlossen werden.
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Als weitere mögliche Ausführungsform ist ein vollvolumiges Freilegeelement 18' wie in 3B angedeutet, z. B. bestehend aus einem Schaumstoff, welches zunächst nur auf die Faser 8 aufgeschoben wird. Beim anschließenden Einbetten (Schritt B) in Matrixwerkstoff 5 sorgt diese Art des Freilegeelements genau wie ein Hohlelement für das Abhalten des Matrixwerkstoffs 5 von der Faser 8. Jedoch je nach Art des Einbettungsverfahrens, z. B. mit flüssigem Matrixwerkstoff in einem Spritzgussgesenk (Harzinjektionsverfahren: resin transfer molding (RTM) Verfahren), zersetzt oder verflüssigt sich dieses vollvolumige Freilegeelement 18' durch den Kontakt mit einer bestimmten Chemikalie in dem Matrixwerkstoff 5 oder durch die Temperatur des Matrixwerkstoffs 5 oder der Temperaturführung bei der Aushärtung im Schritt C derart, dass das Material des Freilegeelements 18' in das umgebende Matrixmaterial 5 eindiffundiert und/oder eine auskondensierte Grenzschicht bildet. Auf diese Weise bleibt in dem Matrixwerkstoff ein Hohlraum 6 bestehen, der den Abschnitt 10 der Faser 8 umgibt. Das Freilegeelement 18, ob vollvolumig oder hohl, kann aus geeigneten Materialien wie Schaumstoffen, Sintermaterialien, Metallen, Kunststoffen, Geweben und mehrschichtigen Wandmaterialien ausgeführt sein. Es können auch verschiedene Ausführungsformen in einen Körper 3 eingebettet werden, so dass z. B. an einer stark elastisch belasteten Stelle ein Freilegeelement 18 mit sich zersetzenden Wänden 16 zum Einsatz kommt, während an einer statisch tragenden Stelle ein stabiles hartes Hohlelement verwendet wird. Bei allen Varianten gilt jedoch die Devise, dass es möglichst einfach und möglichst alle Baureihenvarianten mit einem Bauteil abdeckend ausführbar sein soll, um in der Massenproduktion günstig und prozesssicher reproduzierbar zu sein.
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Die Gestaltung der Freilegeelemente 18 als verlängerter Grundkörper in doppelten Sechseckpyramidenstümpfen auslaufend, wie in 1 und 4 dargestellt, ist hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften in Stabilität und Fluiddynamik bei der Einbettung in flüssiges Matrixmaterial günstig und bietet darüber hinaus Vorteile hinsichtlich Elastizität und Stabilität bei späterer Bauteilbelastung nach dem Aushärten. Andere Ausführungsformen, wie eine einfache Box, die mit Verschlussnasen versehen ist oder durch die Faser 8 durchstoßen wird, sind für weniger belastete Bauteile ebenso eine Option wie komplizierte Formen eines Freilegeelements 18, welches Aufnahmestecker oder Haltenasen an seiner Außenwand aufweisen kann, damit man das Freilegeelement 18 an einem RTM-Gesenk fest positionieren kann. Eine Integration von einem Ventil oder einer verschließbaren Öffnung in der Wand 16 kann zum Befüllen mit Fluiden vorgesehen werden, aus Gewichts und Gestaltungsgründen ist jedoch ein Verfahren bei dem beim Schließen des Freilegeelements das Fluid eingeschlossen wird vorteilhafter.
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Beim Einbetten (Schritt B) der Fasern 8 und der Freilegeelemente 18 in den Matrixwerkstoff können die Freilegeelemente 18 mit Hilfe von entsprechenden Gesenken oder Hilfskonstruktionen wie z. B. Kernen gezielt positioniert werden, damit sie in einem vordefinierten Abstand zwischen 0,1 und 10 mm zur Faserverbundbauteiloberfläche 25 und an der später benötigten Stelle zu liegen kommen. Dabei können die Freilegeelemente 18, ob sie nun einem komplett geschlossenen Hohlraum 7 erzeugen oder oder mit einer Einbettform an einer Wand abschließen, an die Oberfläche 25 des Faserverbundbauteils 1 grenzen oder aus diesem herausragen.
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Wird der Matrixwerkstoff während des Aushärtens (Schritt C) durch einen chemischen oder thermischen Starter ausgehärtet, findet dabei ein Temperaturanstieg statt, der genutzt werden kann, um bei dem eingebetteten Freilegeelement 18, 18' zur Veränderung der Form und Konsistenz zu führen. Die Aushärtung kann auch in zwei Phasen ausgeführt werden. So kann in der ersten Temperung zunächst das Matrixmaterial 5 ausgehärtet werden und nach der Festlegung der Verwendung der Freilegeelemente 18, 18' in einer zweiten Temperung auf einem höheren Temperaturniveau eine Verfestigung noch nicht ausgehärteter Volumina z. B. in den Freilegeelementen durchgeführt werden.
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Im nächsten Schritt D wird die Materialschicht 28 über dem Innenraum 14 soweit entfernt, dass eine Öffnung 31 entsteht. Je nach Einbettungsweise des Freilegeelements z. B. bei einem Abschließen der Wand 16 des Freilegeelements 18 mit der Faserverbundbauteiloberfläche 25 kann das Entfernen der Materialschicht 28 durch direktes Durchstoßen mit einem Dorn oder einem spitz angearbeiteten Fügepartner 24 erfolgen. Eine andere Variante kombiniert die Oberflächenbearbeitung des Körpers 3 nach dem Aushärten mit der Erzeugung der Öffnung 31 zum Hohlraum 6 z. B. durch Schleifen. Ist ein vollvolumiges Freilegeelement 18' eingebettet worden, kann es erforderlich sein, Zerfallsprodukte nach dem Aushärteprozess mit chemischen Lösungsmitteln mechanisch oder thermisch zu entfernen.
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Im folgenden Schritt E erfolgt das Anschließen der Faser 8 entweder direkt, z. B. durch Verdrillen von Faserenden 9, durch Kleben von Fasern 8, durch Anlöten oder mechanisches Anschließen an vorbereitete Elemente wie z. B. Stecker oder Kontaktierungselemente 22, um nur einige Möglichkeiten aus der Vielzahl des Gestaltungsspielraums dieses Verfahrensschritts zu erwähnen.
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Ein vorteilhafter Abschluss des Verfahrens ist das Verschließen der Öffnung 31 mit einem Matrixwerkstoff 5' oder einem Dichtmittel im Schritt F. Das unterstützt die Anbindung an die Fasern 8, die im Schritt zuvor rein mechanisch hergestellt wurde und verhindert das Wirken von Umwelteinflüssen auf die Verbindungszone. Auch kann so eine elektrische Isolation erfolgen, die das Einleiten von Strömen über diese mechanische Verbindung ermöglicht.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines unverschlossenen noch unbefestigten Freilegeelements 18, welches verschlossen die Form eines verlängerten Grundkörpers in zwei Sechseckpyramidenstümpfen auslaufend aufweist und dessen zwei unverschlossene Halbschalen 20 über ein Scharnier 19 verbunden sind. Am Faserein-/Austrittsbereich 30 in/aus Innenraum 14 sind Aufnahmen 32 für einen Dichtring 29 vorgesehen, die nach dem Verschließen der Halbschalen 20 über die Faser 8 in die Aufnahmen gepresst werden. Damit wird der Innenraum 14 des Freilegeelements 18 gasdicht verschlossen, was die vorher beschriebenen Möglichkeiten zum Einschließen von verschiedenen Fluiden eröffnet.
