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Die Erfindung betrifft ein FVK-Bauteil, das einen Textileinleger im Verbund mit einer thermoplastischen Matrix und angespritzte Verstärkungsrippen aus thermoplastischem Kunststoff umfasst, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Verbundbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, die mechanisch äußerst belastbar sind und gleichzeitig ein hohes Gewichtseinsparungspotential bieten, finden im Leichtbau zunehmend Verwendung. Diese Bauteile werden mit Verstärkungsfasern gebildet, die anschließend zur Bildung des fertigen Bauteils mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, häufig mit einem Polyesterharz, einem Epoxydharz oder dergleichen, durchtränkt bzw. imprägniert werden. Dazu werden häufig textile Halbzeuge aus Verstärkungsfasern z. B. Geweben oder Gelegen eingesetzt, die entsprechend dem Bauteil zugeschnitten und drapiert werden, ehe sie mit dem Matrixmaterial imprägniert und ausgehärtet werden. Dabei liegen die Verstärkungsfasern meist in einer bestimmten, festgelegten Orientierung vor und lassen sich daher im Allgemeinen nicht dem Verlauf komplexerer Kraftflusslinien angleichen.
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Um dem zu begegnen, erfolgt die Herstellung von ein- oder mehrschichtigen Textileinlegern bzw. Faservorformlingen in der
EP 1 907 195 B1 mit einem TFP-Verfahren (”Tailored Fiber Placement”), wobei im Wesentlichen kraftflussorientiert ausgerichtete Faserstränge auf einer Tragschicht abgelegt und mit Fixierfäden, insbesondere mit mindestens einem Fixieroberfaden und mindestens einem Fixierunterfaden, angeheftet werden, um den Faservorformling mit einer nahezu beliebigen Materialstärke zu bilden.
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Das dort beschriebene Verfahren umfasst das Aufbringen einer Trennschicht in Form einer PTFE-Folie auf die Tragschicht, das Ablegen des Faservorformlings im TFP-Verfahren auf der Trennschicht und das Einbringen des Faservorformlings nach der Beendigung des TFP-Verfahrens in eine Fixiereinrichtung, in der zumindest ein Teil der Fixierfäden durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen wird, woraufhin die mittels der Trennschicht vom Faservorformling separierte Tragschicht vom Faservorformling abgetrennt wird.
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Die weitere Herstellung von FVK-Bauteilen ist etwa aus der
DE 10 2008 052 000 A1 bekannt, in der als Verstärkungsteil zumindest ein lose strukturierter, aus mit einem Imprägniermittel kerntief voll- oder teilimprägnierten Multifilament-Fasern gebildeter Textil-Einleger mittels eines Spritzgießwerkzeuges mit einem Matrixwerkstoff umspritzt und/oder hinterspritzt wird. Dies kann im Spritzgießwerkzeug gleichzeitig von mehreren Seiten erfolgen. Verwendete Imprägniermittel sind hier thermoplastische Polymere, deren Fließfähigkeit durch Erwärmung erzielt wird. Das Imprägniermittel entspricht dabei vorzugsweise dem Matrixwerkstoff. Auch die
DE 10 2009 053 502 A1 betrifft ein solches FVK-Bauteil, insofern, als dort ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeuges offenbart wird, wobei mindestens ein Textileinleger bis auf eine vorgebbare Temperatur erwärmt und in diesen eine Kunststoffschmelze in einem Kalandrierprozess eingebracht wird, wobei der Textileinleger nach dem Einbringen der Kunststoffschmelze konsolidiert und gekühlt wird. Die Kunststoffschmelze wird durch ein Anpresswalzenpaar. in den Textileinleger gedrückt, wodurch Luft, welche sich in dem Textileinleger befindet, in vorteilhafter Weise aus diesem verdrängt wird. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug kann mittels eines nachfolgenden Spritzgießprozesses weiterverarbeitet werden, wobei das Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug flächig oder partiell ein- oder beidseitig beispielsweise mit Verstärkungsrippen zur Erhöhung der Steifigkeit des Bauteils versehen werden kann. Aus der
DE 3839855 A1 ist ein Leichtbauteil aus einem dreidimensionalen schalenförmigen Grundkörper bekannt. Dessen Innenraum weist Verstärkungsrippen auf, wobei die Verstärkungsrippen aus angespritztem Kunststoff bestehen und der Grundkörper an den Verbindungsstellen mit den Verstärkungsrippen Verankerungen aufweist. Die
DE 10 2008 010 834 A1 offenbart ein Rahmenbauteil einer Fahrzeugkarosserie mit einem hutprofilförmigen Blechprofil, dessen Außenseite im verbauten Zustand des Blechprofils mit einem Teilbereich die Sichtseite des Bauteils bildet. Das Rahmenbauteil weist ein Versteifungsstrukturteil aus einem Leichtbauwerkstoff auf, das im Inneren des hutprofilförmigen Blechprofils angeordnet und dort an diesem befestigt ist. Die
EP 1522682 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Antreiben einer Nockenwelle, welche ein Gehäuse umfasst, das beispielsweise auf faserverstärktem Kunststoff spritzgegossen ist.
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Trotz der vielen bekannten Herstellungswege und FVK-Bauteile ist bislang die Realisierung von thermisch und mechanisch belasteten Bauteilen wie im Motorraum eines Kraftfahrzeugs schwierig. So wird etwa ein Steuergehäusemodul für eine Verbrennungskraftmaschine, das an deren Stirnseite befestigt ist, bislang in der Serienfertigung fast ausschließlich aus Al-Si-Legierungen im Druckguss hergestellt. Bei schwereren Ausführungen kann entsprechend dem Kurbelgehäuse auch Grauguss verwendet werden. Möglich ist auch die Herstellung von Steuergehäusemodulen unter Verwendung einer Mg-Legierung in Druckguss, die häufig bei Rennmotoren eingesetzt wird.
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Ferner erfordern Bauteile wie ein derartiges Steuergehäusemodul die Befestigung und/oder die zumindest teilweise Integration von Nebenaggregaten, wie z. B. Wasserpumpe, Ölfilter, Thermostat, Drehstromgenerator, Lenkhilfepumpe, Kühlmittelverdichter, Riemenspanner sowie Umlenkrollen etc.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein FVK-Bauteil mit verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften zu schaffen, das neben anderen Anwendungen auch zum Einsatz im Motorraum eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor zur Substitution von bislang metallischen Komponenten zur weiteren Gewichtssenkung und Kostenverringerung geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein FVK-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine dem Fachmann an sich bekannte Ausführungsform ist ein FVK-Bauteil, das zumindest einen Textileinleger im Verbund mit einer thermoplastischen Matrix und aus thermoplastischem Kunststoff angespritzte Verstärkungsrippen aufweist. Diese enthalten erfindungsgemäß einen relativ hohen Volumenanteil von zumindest 30% Kurzfasern aus einem Verstärkungsmaterial, wodurch vorteilhaft die Kriechneigung der angespritzten Verstärkungsrippen sinkt. Es ist daher auch zur Verwendung im Motorraum eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor einsetzbar.
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So kann das FVK-Bauteil in einer Ausführungsform ein Steuergehäusemodul für eine Verbrennungskraftmaschine sein. Die metallsubstituierende Faser-Kunststoff-Verbundbauweise mit den hochkurzfasergefüllten thermoplastischen Kunststoffrippen stellt ein kostengünstigeres Steuergehäusemodul mit weiter verringertem Gewicht bereit, das dadurch den wachsenden Anforderungen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemission in der Automobilindustrie gerecht wird.
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In einer Ausführungsform des FVK-Bauteils kann ein Faservolumengehalt von 30% ausreichend sein, der Volumenanteil der Kurzfasern kann aber in weiteren Ausführungsformen auch 40% oder mehr, beispielsweise 50% oder 60% oder noch mehr betragen, solange sichergestellt ist, dass der faserhaltige Thermoplast spritzbar ist.
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Besonders für den Einsatz in der Nähe eines Verbrennungsmotors geeignete thermoplastische Kunststoffmaterialien für die Matrix und/oder die Rippen weisen eine hohe Wärmeformbeständigkeit auf, wie etwa Polyamid, Polyphenylensulfid, Polyphthalamid, Polyetheretherketon und Kombinationen davon. Weitere zum Einsatz bei hohen Temperaturen geeignete Thermoplasten sind Polysulfon, Polyetherimid und Polytetrafluorethen.
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Die das FVK-Bauteil versteifende Verrippung kann zum einen kraftflussgerecht orientierte Rippenstrukturen als auch regelmäßig geformte längs-, quer-, und/oder diagonal, insbesondere sich kreuzende Verstärkungsrippen umfassen. Zur besseren Schall- und/oder Wärmedämmung können die von den Rippen begrenzten Zwischenrippenräume mit einem Schaummaterial, insbesondere aus Polyamid oder Polyurethan, ausgeschäumt sein.
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Das FVK-Bauteil, das ein Steuergehäusemodul sein kann, kann zumindest abschnittsweise auf der von dem Einleger abgewandten Seite der Rippen mit einer flächigen Verstärkungsstruktur versehen sein. Diese zusätzliche Verstärkungsstruktur kann vor allem in Bereichen erhöhter Krafteinleitung wie den Anbindungsbereichen für einen Kühlmittelkompressor und einen Generator an dem Steuergehäusemodul sinnvoll sein, es ist aber auch eine vollflächige Abdeckung der Verrippungsstruktur mit der flächigen Verstärkungsstruktur denkbar. Bei dieser kann es sich um eine faserverstärkte Thermoplastplatte wie ein Organoblech handeln.
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Unter „Organoblechen” werden plattenförmige endlosfaserverstärkte Thermoplasthalbzeuge verstanden, die sich thermoformen lassen, kurze Prozesszyklen ermöglichen und sind außerdem gut schweißen lassen. Organobleche können dabei aus speziellen Faseranordnungen, die Fasern in definierten Orientierungen aufweisen, eingebettet in der Thermoplastmatrix bestehen. So kann es sich bei den Faseranordnungen um Gewebe, Gelege, Gestricke etc. handeln.
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Die Verbindung dieser Verstärkungsstruktur mit den Rippen kann dabei durch eine thermoplastische Schicht erfolgen, die ebenfalls aus einem wärmeformbeständigen thermoplastischen Kunststoff wie Polyamid, Polyphenylensulfid, Polyphthalamid, Polyetheretherketon und Kombinationen davon besteht. Auch diese thermoplastische Verbindungsschicht kann – wie die Verstärkungsrippen – Kurzfasern aus einem Verstärkungsmaterial mit einem Volumenanteil von zumindest 30% umfassen.
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In einer Ausführungsform kann das FVK-Bauteil quasi aus zwei Teil-Bauteilen zusammengesetzt werden, von denen jedes einen Textileinleger in thermoplastischer Matrix mit der angespritzten Rippenstruktur aufweist. Diese beiden Teil-Bauteile sind über die Rippenstrukturen miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt.
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Auch den Einsatz von zumindest zwei Textileinlegern erfordert eine Ausführungsform des FVK-Bauteils, in der ein erster Textileinleger einen umgeformten Abschnitt als ein Halbprofil bereitstellt, das durch den zweiten Textileinleger zu einem Hohlprofil ergänzt wird, der dazu mit dem erster Textileinleger verbunden ist.
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Ferner kann das FVK-Bauteil, gerade auch, wenn es als Steuergehäusemodul ausgeführt ist, Integrations- und/oder Anbindungs- und/oder Aufnahmestrukturen für Nebenaggregate umfassen. Bei den Nebenaggregaten, die an dem FVK-Steuergehäusemodul zu befestigen sind oder die zumindest teilweise darin integriert vorliegen, kann es sich um einen Radialwellendichtring für eine Kurbelwelle, eine Wasserpumpe, einen Kühlmittelkompressor, einen Generator, einen Ölfilter, einen Leitungskanal für Kühlmittel und/oder eine Ölwannenanbindung handeln.
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So kann das FVK-Bauteil auch zumindest ein FVK-Rohr als in den Einleger integrierten Leitungskanal aufweisen. Ebenfalls Verwendung kann ein in den Einleger integriertes FVK-Rohr als dessen Randverstärkung finden.
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Bei dem Textileinleger handelt es sich vorzugsweise um einen TFP-Textileinleger, der entsprechend kraftflussgerecht auf einem Grundmaterial abgelegten Fasern oder Faserrovings aufweist. Dieser TFP-Einleger kann quasi verschnittfrei gefertigt werden, Öffnungen, wie die für einen Radialwellendichtring bei einem Steuergehäusmodul können bereits bei der Faserablage berücksichtigt werden. Das Grundmaterial kann ein flächiges textiles Faserhalbzeug wie eine Matte oder ein Gewebe oder eine thermoplastische Kunststofffolie sein. Die beim TFP verwendeten Fasern bzw. Rovings zur Bildung des Einlegers und die Fasern des gegebenenfalls verwendeten Faserhalbzeugs können unabhängig voneinander Verstärkungsfasern aus Glas, Carbon, Polymer, insbesondere Aramid sein. Ferner können sie einen Thermoplastanteil in Form von Thermoplastfasern oder Schlichte aufweisen, so dass es sich um Hybridfasern/-rovings, bzw. Hybridhalbzeuge handelt.
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Zur Herstellung des FVK-Bauteils wird zunächst der oder die Textileinleger durch einen TFP-Prozess gebildet und in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und geformt. Dort wird er, falls nicht vorimprägniert oder aus Hybridmaterial, mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial imprägniert und konsolidiert und zudem wird dort die vorgesehene Verrippung aus einem thermoplastischen Kunststoff, der Kurzfasern aus einem Verstärkungsmaterial in einem Volumenanteil von zumindest 30% umfasst, angespritzt. Bekannter Maßen ergibt sich bei Verwendung von thermoplastischen Kunststoffmaterialien für Matrix und Verrippung mit ähnlichen oder entsprechenden Eigenschaften (z. B. Schmelztemperatur) insbesondere bei Verwendung des gleichen thermoplastischen Kunststoffmaterials für Matrix und Verrippung eine besonders gute Anbindung der Verrippung an den durch den Textileinleger gebildeten Grundkörper des Bauteils. Nach dem Aushärten der Verrippung kann das FVK-Bauteil aus dem Spritzgießwerkzeug entformt werden.
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Es können Integrations- und/oder Anbindungs- und/oder Aufnahmestrukturen für Nebenaggregate im Spritzgießwerkzeug ausgebildet werden, wobei das Fertigen von Hinterschneidungen mittels eines mehrteiligen Spritzgießwerkzeugs umfasst sein kann.
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Ferner kann unmittelbar nach Bildung der Rippen, auch im gleichen Spritzgießwerkzeug das Ausschäumen der Zwischenrippenräume mit PA oder PUR erfolgen.
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Das Anordnen und Verbinden einer flächigen Verstärkungsstruktur auf der von dem Einleger abgewandten Seite der Rippen beispielsweise durch Anschweißen mittels einer thermoplastischen Schicht wird nach Beendigung des Spritzgießzyklus, etwa nach dem Entformen des Bauteils stattfinden.
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Ferner kann die Herstellung des Bauteils das Verbinden von zumindest zwei mit einer angespritzten Rippenstruktur ausgestatteten Textileinlegern durch Verschweißen an den Rippen umfassen.
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Die Bildung eines integrierten Hohlprofils in dem Bauteil kann vor dem Spritzgießzyklus durch das Verbinden von zumindest zwei Textileinlegern erfolgen, alternativ oder zusätzlich kann ein FVK-Rohr in den Einleger als Leitungskanal integriert werden. Ein FVK-Rohr kann ferner als Randverstärkung verwendet werden; zu diesem Zweck wird das FVK-Rohr mit dem Textileinleger am Rand umwickelt.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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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. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Seiten- und Frontansicht auf ein Steuergehäusemodul, das an der Stirnseite einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist,
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2 eine perspektivische Darstellung eines Steuergehäusemoduls aus Al-Si-Druckguss mit Anbindungselementen,
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3a, b schematische Frontansichten von zwei erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemodulen,
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4 eine schematische Frontansicht eines weiteren erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemoduls,
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5a, b, c Seitenschnittansichten von drei erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemodulen,
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6a, b eine Seitenschnittansicht durch eine modifizierte faserverstärkte Thermoplastplatte und eine Seitenschnittansicht durch einen Abschnitt eines Steuergehäusemoduls mit zusätzlicher Verstärkung durch eine aufgeschweißte faserverstärkte Thermoplastplatte,
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7 eine schematische Front- und Seitenschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemoduls,
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8 Prozessschritte a) bis f) für das Verschweißen zweier Halbschalen direkt in dem Spritzgießwerkzeug („ENGEL joinmelt”)
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9a, b eine schematische Front- und eine Seitenschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemoduls aus zwei zusammengeschweißten Halbmodulen nach dem Prozess aus 8,
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10 in perspektivischer Ansicht einen Sandwichaufbau (A), bestehend aus den Lagen Textileinleger, Strukturkern und faserverstärkte Thermoplastplatte (B),
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11 mögliche Ausführungen des Strukturkerns aus 10,
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12 eine schematische Seitenschnittansicht durch einen Abschnitt des Steuergehäusemoduls mit teilintegrierter Wasserpumpe und zugehöriger Kühlmittelleitung,
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13 eine schematische Seitenschnittansicht durch einen Abschnitt des Steuergehäusemoduls mit einer vollständig oder zum Teil in die Struktur integrierten Kühlmittelleitung der Wasserpumpe als FVK-Rohr,
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14 eine perspektivische Darstellung des Fertigungsprinzips TFP,
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15 ein Beispiel für einen Nähroboter,
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16a, b mittels TFP hergestellte Textileinleger für verschiedene Bauteile,
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17 Prozessschritte a) bis f) für eine gleichzeitige, beidseitige Umspritzung eines TFP-Textileinlegers,
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18 eine perspektivische Skizze einer Randverstärkung eines Textileinlegers mittels Umwicklung eines FVK-Hohlprofils,
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19 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemoduls,
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20 eine perspektivische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäß ausgeführten Steuergehäusemoduls.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein FVK-Bauteil, geeignet zum Einsatz in der Nähe oder an einer Verbrennungskraftmaschine, in Faser-Kunststoff-Verbundbauweise auf Basis einer hochkurzfasergefüllten thermoplastischen Matrix. Geeignete Fasermaterialien umfassen Glas, Carbon und Polymerfasern, insbesondere Aramid. Es können auch Kombinationen der Fasermaterialien eingesetzt werden. Weitere Fasermaterialien, die zumindest anteilsmäßig eingesetzt werden können, umfassen Metallfasern, Naturfasern, Keramikfasern, Basaltfasern etc.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Steuergehäusemoduls als FVK-Bauteil beschrieben, generell eignet sich der offenbarte Aufbau aber auch für weitere, im Kraftfahrzeug verwendete Bauteile zur Substitution von Metallkomponenten.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein FVK-Bauteil wie ein Steuergehäusemodul für eine Verbrennungskraftmaschine. Wie in 1 links prinzipiell dargestellt ist, ist das Steuergehäusemodul 1 an einer Stirnseite einer Verbrennungskraftmaschine 9 befestigt. Dabei sind an dem Steuergehäusemodul 1 Nebenaggregate, wie z. B. Wasserpumpe 3, Ölfilter 6, Thermostat, Drehstromgenerator 5, Lenkhilfepumpe, Kühlmittelverdichter 4, Riemenspanner sowie Umlenkrollen befestigt oder können zum Teil integriert sein, wie auch 2 zeigt. Dort ist auch zu sehen, dass einige Komponenten zumindest teilweise integriert vorliegen können, wie der Ölfilter 6, ein Leitungskanal 7 für eine Wasserpumpe. Ferner ist ein Radialwellendichtring 2 für die Kurbelwelle zu sehen, und die Anbindungsstruktur 8 für die Verbindung zur Ölwanne. Andere Nebenaggregate wie der Kühlmittelkompressor 4 und der Generator 5 werden an entsprechenden Anbindungsstrukturen befestigt.
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2 zeigt dabei ein im Druckguss hergestelltes Steuergehäusemodul 1 aus einer Al-Si-Legierung nach dem Stand der Technik.
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Aufgrund wachsender Anforderungen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemission in der Automobilindustrie ermöglicht das erfindungsgemäße FVK-Steuergehäusemodul 1 mit den entsprechenden Anbindungsstrukturen für die integrierten Nebenaggregate durch die Substitution der Metallkomponenten durch ein Faser-Kunststoff-Verbund eine Kosten- und Gewichtsreduktion und damit die Möglichkeit zur Umsetzung eines konsequenten Leichtbaus im Motorbereich.
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Ein Steuergehäusemodul 1, wie in der Prinzipdarstellung von 3 zu sehen, besteht im Wesentlichen aus einem Textil-Einleger 10, hergestellt mittels TFP-Verfahren, der in einer Spritzgießmaschine mit einem hochkurzfasergefüllten (z. B. 30%, 40%, 60% Faservolumenanteil) Thermoplasten (z. B. Polyamid, Polyphenylensulfid/Polyphthalamid, Polyetheretherketon, etc.) mit Rippen 11 umspritzt wird und dadurch seine endgültige Geometrie erhält. Bevorzugte Thermoplasten haben dabei eine hohe Wärmeformbeständigkeit und eine gute Dimensionsstabilität, sowie vorteilhaft hohe Festigkeitswerte. Mögliche Hinterschneidungen, wie z. B. bei der Anbindung des Ölfilters 6, der Anbindung der Wasserpumpe 3 oder einer Aufnahme 2 für die Radialwellendichtung können mit Hilfe von mehrteiligen Spritzgießwerkzeugen realisiert werden.
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In 3a) ist ein Steuergehäusemodul 1 zu sehen, das lediglich mit mit den Rippen 11 verstärkt ist, während rechts in 3b) zusätzliche lokale Verstärkungen durch angeschweißte faserverstärkte Thermoplastplatten 12, sogenannten Organoblechen vorgesehen sind. In 5 sind unter a) und b) die entsprechenden Schnitte dazu dargestellt, die längs durch das Steuergehäusemodul 1 liegen. Die faserverstärkte Thermoplastplatten 12 sind mittels einer Verbindungs- bzw. Schweißschicht 12' mit den Rippenstrukturen 11 verbunden.
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Wie 4 zeigt, kann die Verrippung des Einlegers 10 in zwei unterschiedlichen Ebenen erfolgen. Als primäre, unregelmäßig geformte Verstärkung kann eine topologisch optimierte Struktur 11a gemäß dem Hauptkraftfluss erfolgen. Diese Struktur 11a dient zur Aufnahme der Hauptlasten, angedeutet durch die Beispiellast F. Die sekundäre, regelmäig geformte Rippenstruktur 11 zur Verstärkung dient zusammen mit dem Rahmen 14 primär zur Versteifung des Steuergehäusemoduls 1 gegen Biege- und Torsionsbelastung. Durch das Einbringen von Sicken in die Geometrie des Einlegers kann die Struktur zusätzlich versteift werden. Durch eine geschickte Gestattung kann die Verrippung zudem zu einer Geräuschreduzierung führen.
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Der Raum 13 kann zwischen den Rippen 11 zusätzlich durch einen Kunststoffschaum beispielsweise aus einem Polyamid oder einem Palyurethan nachträglich oder während des eigentlichen Spritzgießprozesses (z. B. im 2-K-Spritzgießen von kompatiblen Thermoplasten) gefüllt werden, vgl. 5b. Dieser kann, in Abhängigkeit vom Porengehalt, der Porendichte sowie der Porengeometrie eine zusätzliche Schallisolierung bewirken. Dabei eignen sich offenzellige Schäume besonders gut für eine Schallisolation, geschlossenzellige dagegen für eine thermische Isolation. Falls notwendig, kann die Verrippung 11 auch auf beiden Seiten des Einlegers 10 erfolgen. In 5c) ist dieser Fall skizziert, wobei zusätzlich die versteifende Sandwichbildung mit Organoblechen 12 dargestellt ist. Auch hier können Zwischenrippenräume 13 ausgeschäumt sein.
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Die Sandwichbildung mit den angeschweißten Organoblechen 12 kann dabei an besonders belasteten Stellen wie etwa der Anbindung von Generator 5 und Kühlmittelkompressor 4, vgl. 2, erfolgen, dort können die Organobleche 12 auf die Rippenstruktur 11 lokal angeschweißt werden (z. B. durch Infrarot-, Heißgasschweißen), so dass die Organobleche 12 zusammen mit der Verrippung 11 und dem Einleger 10 eine versteifende Sandwich-Struktur bilden (5 und 6).
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Organobleche 12 sind textile Flächenhalbzeuge (z. B. Gelege, Gewebe aus Verstärkungsfasern, etwa Glas-, Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern), die mit einem thermoplastischen Kunststoff vorimprägniert und konsolidiert sind. Diese Organobleche 12 können schweißbar gemacht werden, indem sie beispielsweise wie in 6a) dargestellt, auf einer Seite mit einer extrudierten thermoplastischen Folie 12' beim Herstellprozess durch heiße Walzen verbunden werden. Diese thermoplastische Folie 12' kann wie die thermoplastische Kunststoffmatrix des Organoblechs 12 beispielsweise aus Polyamid, Polyphenylensulfid/Polyphthalamid, Polyetheretherketon bestehen, es sind aber auch weitere Thermoplasten denkbar. Die thermoplastische Kunststoffmatrix des Organoblechs 12, die thermoplastische Folie 12' und die angespritzte Rippenstruktur 11 können den gleichen Thermoplastkunststoff umfassen, es kann sich aber auch um unterschiedliche Thermoplasten handeln. Wie das Thermoplastmaterial der Rippen 11 kann auch die thermoplastische Folie 12' hochkurzfasergefüllt sein kann (z. B. mit einem Faservolumenanteil von 30%, 40% oder 60%).
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Das Steuergehäusemodul 1 kann ferner als komplette Sandwich-Konstruktion und damit als Kastenprofil mit den Organoblechen 12 als „Deckeln” gefertigt werden, 7 zeigt dazu Draufsicht und Längsschnitt. Der TFP-Einleger 10 wird beidseitig mit Rippen 11 umspritzt, auf die jeweils die Organobleche 12 mit der thermoplastischen Folie 12' angeschweißt werden. Auch hier können die Zwischenräume 13 zwischen den Rippen 11 ausgeschäumt sein.
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Ein weiterer Herstellungsweg ist in 8a) bis f) dargestellt und besteht darin, zwei Einleger 10 zeitgleich in einem Werkzeug 20 mittels eines Angusssystems 23, 24 mit Rippen zu umspritzen (a), die Werkzeughälften 21, 22 auseinander zu fahren (b), so dass jeweils ein Einleger 10 in einer Formschaler jeder Werkzeughälfte 21, 22 verbleibt und eine Werkzeughälfte 21 abzusenken, so dass sich die beiden Einleger 10 gegenüberliegen (c). Nach einer Kühlphase zur Aushärtung werden diese beiden Einleger 10 mittels einer Heizvorrichtung 30 im selben Werkzeug 20 an den Berührungsflächen der Rippen erwärmt (d) etwa mittels Infrarot oder Heißgas und miteinander verschweißt (e) durch Zusammenfahren der Werkzeughälften 21, 22. Danach kann das fertige Bauteil 1', das in 8 ein Rohrprofil ist, entformt werden. Das in 8 skizzierte Verfahren zum Heiß-Gas-Schweißen direkt in der Spritzgießform wurde von den Firmen Engel, Hummel-Formen und KVT Bielefeld entwickelt und ist unter dem Namen „ENGEL joinmelt” bekannt.
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Ein auf diese Weise herstellbares Steuergehäusemodul 1 ist in 9 dargestellt. An zwei TFP-Einleger 10 sind einseitig die Rippenstrukturen 11 angespritzt, und beide Hälften an den Berührungsflächen der Rippen 11 miteinander verschweißt (indizierter Bereich S).
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Generell könnte zwischen dem Einleger 10 und dem äußeren Organoblech 12 anstelle der Rippenstruktur 11 auch ein Strukturkern 11 als Abstandshalter für die Sandwich-Struktur eingesetzt werden (10). Mögliche Ausführungen für einen Strukturkern 11 sind in 11 dargestellt.
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Für eine Teilintegration von Nebenaggregaten (z. B. Wasserpumpe 3) kann der Einleger 10 durch einen Umformprozess entsprechend der einen Hälfte der zu integrierenden Komponente geformt sein, wobei die zweite Hälfte 10' auf dem Steuergehäusemodul befestigt wird (12). Durch die Verbindung des umgeformten Abschnitts des Einlegers 10 und der zweiten Hälfte 10', die die Teilintegration der Wasserpumpe 3 gestattet, wird eine integrierte Kühlmittelleitung 7 geschaffen. Bei einer Integration der Wasserpumpe 3 kann, wie in 13 skizziert, die notwendige Kühlmittelleitung 7 vollständig oder zum Teil durch ein FVK-Rohr 7 in die mit Rippen umspritzte Einlegerstruktur 10 integriert werden. Dabei kann das FVK-Rohr 7 entweder in einem vorhergehenden Schritt oder auch direkt im Spritzgießwerkzeug konsolidiert und mit Rippen umspritzt werden.
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Dazu verwendete FVK-Rohrhalbzeuge können kontinuierlich im Flechtverfahren hergestellt werden. Die Formgebung und Konsolidierung kann alternativ über die Projektilinjektionstechnik (PIT), die Wasser- bzw. Gasinjektianstechnik (WIT/GIT), das Kernausschmelzverfahren oder auch das Schlauchblasverfahren erfolgen. Weitere Verfahrensvarianten sind die Flechtpultrusion oder das laserunterstützte Thermoplastwickeln.
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Der zur Herstellung des Steuergehäusemoduls 1 verwendete TFP-Textileinleger 10 kann wie folgt erzeugt werden:
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14 zeigt, wie beim Tailored Fibre Placement (TFP) ein einzelner Roving 14 aus Verstärkungsfasern von einer Spule (angedeutet durch gepunkteten Pfeil 42) abgezogen, über eine Führung 43 auf einem Grundmaterial 40 abgelegt und anschließend mit einem Faden 44 durch eine Nadel 45 im Kreuzstich auf diesem fixiert wird. Als Grundmaterial 40 kann dabei ein flächiges, textiles Halbzeug (z. B. Matte/Vlies, Gewebe, Gelege, Maschenware aus Glas-, Kohlenstoff- bzw. Aramidfasern) oder auch, speziell für die hier vorgesehene Verwendung einer thermoplastischen Matrix, eine dünne Folie (z. B. aus PA, PPS/PPA, PEEK oder anderen) zum Einsatz kommen. Die Rovings 42 können dabei wie auch das Grundmaterial 40 aus Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern bestehen. Zudem können die Rovings 42 auch als Hybridrovings ausgeführt sein, welche neben den Verstärkungsfasern auch Kunststofffasern auf thermoplastischer Basis (z. B. ebenfalls PA, PPS/PPA oder PEEK) enthalten und im Fertigungsprozess zumindest teilweise aufgeschmolzen werden.
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So kann mit dem Verstärkungsmaterial auch gleichzeitig das Matrixmaterial in Form von Fasern oder auch Folienbändchen ebenfalls auf thermoplastischer Basis (z. B. PA, PPS/PPA, PEEK) mit aufgestickt werden. Zudem können die Fixierfäden 44 ebenfalls aus einer solchen thermoplastischen Matrix bestehen.
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Die Führung, Ablage und das Vernähen des Rovings 42 mit dem Grundmaterial 40 erfolgt vollautomatisch mit Hilfe eines robotergeführten Nähkopfes 50, beispielhaft dargestellt in 15, der sich in allen drei Raumrichtungen frei bewegen kann. Dadurch können auch mehrlagige Einleger erzeugt oder auch kreisrunde Öffnungen in den Einleger integriert werden. Eine solche Öffnung ist z. B. im Bereich der Aufnahme 2 des Radialwellendichtrings für die Kurbelwelle nötig (vgl. 1 bis 4).
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Mit dem TFP-Verfahren ist es möglich, Rovings entsprechend den Hauptspannungsrichtungen abzulegen und so dem Kraftfluss optimal angepasste Bauteile herzustellen. 16 zeigt als Beispiele für Bauteile mit kraftflussgerecht abgelegten Faserrovings links einen Brake Booster für ein Mountainbike und rechst eine Parabolantenne für den Raumfahrteinsatz. Entsprechend könnten die Rovings für den Einleger, der zur Herstellung des Steuergehäusemoduls vorgesehen ist, an die dort auftretenden Hauptspannungsrichtungen angepasst abgelegt werden. Die Bestimmung dieses optimalen Faserverlaufs kann mit Hilfe von FEM-Programmen (z. B. CAIO) erfolgen.
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Der erhaltene, zunächst trockene TFP-Textileinleger 10 wird, siehe 17, in ein Spritzgießwerkzeug mit den geöffneten Werkzeughälften 21, 22 eingelegt und fixiert (a). Pfeil 27 gibt jeweils Hub und Richtung der Werkzeughälfte 22 im jeweiligen Prozessschritt an. Nach Schließen der Werkzeughälfte 22 wird der TFP-Textileinleger 10 in die Soll-Form umgeformt (b), woraufhin die Werkzeughälfte 22 um einen bestimmten Abstand verfährt und damit den Einleger 10 von der linken Werkzeughälfte distanziert, wobei gleichzeitig die Spannstifte 26 der linken Werkzeughälfte 21 und Schieber um den gleichen Abstand ausgefahren werden und den Einleger 10 halten (c). Nachdem die Werkzeughälfte 22 nochmals um einen vorbestimmten Abstand weiter verfährt, wobei nun die Spannstifte 26 und Schieber der Werkzeughälfte 22 relativ dazu stehen bleiben, und damit den Einleger 10 auch von der Werkzeughälfte 22 beabstandet halten (d), erfolgt das gleichzeitige und beidseitige Umspritzen des Einlegers 10 mit dem hochkurzfasergefüllten Thermoplasten zur Bildung der Verrippungsstruktur 11 (e). Mit dem nach dem Einlegen des Einlegers erfolgten Imprägnieren im Spritzgießprozess und dem gleichzeitigen Konsolidieren ist auch die gleichzeitige, beidseitige Umspritzung des Einlegers möglich, wodurch eine beidseitige Rippenstruktur realisiert werden kann. Schließlich kann das fertige Bauteil 1 entformt werden.
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Um die freien Ränder des Einlegers 10 zu stabilisieren, können, wie in 18 dargestellt, umwickelte oder umspritzte FVK-Rohre 14 mit Hohlquerschnitt als Randversteifungen verwendet werden. Eine Ausführungsform für ein beispielhaftes Steuergehäusemodul 1 ist in 19 dargestellt. Dort ist eine Randversteifung mit einem FVK-Rohr 14 vorgesehen. Zusätzlich können solche Rohre 14 zur Aufnahme der Hauptlasten auch quer durch das Steuergehäusemodul 1 gelegt werden, wie in 20 angezeigt.
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Durch das Hinterspritzen des Einlegers kann das Steifigkeitsverhalten der auftretenden Beanspruchung angepasst werden. Es wird die Möglichkeit zur Bildung von geschlossenen Profilquerschnitten geschaffen. Der hinterspritzte Einleger bietet gegenüber den Leichtmetall-Steuergehäusemodulen weiteres Gewichtseinsparungspotential, so dass eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit der Schadstoffemission ermöglicht wird. Zudem ist das FVK-Steuergehäusemodul gegenüber den Leichtmetall-Steuergehäusemodulen kostengünstiger und kann mit hoher Herstellgenauigkeit, auch ohne Nachbearbeitung gefertigt werden. Ferner sind eine Materialdämpfung sowie ein hohes Maß an Funktionsintegration (z. B. integriertes Gewinde) und die Möglichkeit eines Health-Monitoring durch Sensorintegration gegeben.
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In der Ausführungsform als Sandwich mit dem zusätzlich auf den Rippen angeordneten Organoblech ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Verminderung der Schallemission und/oder der thermischen Isolation sowie eine Erhöhung der Bauteilsteifigkeit.
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Die Verwendung eines TFP-Textileinlegers ermöglicht eine beanspruchungsgerechte Faserstruktur, die maßgenau angefertigt wird, so dass kein Verschnitt entsteht. Bei Verwendung schmelzfähiger Fixierfäden kann ferner auf Roving-Ondulation und Haftvermittler verzichtet werden.
