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Die Erfindung betrifft Faserverbundwerkstoff-Bauteile, die eines oder mehrere metallische Anschlussstücke haben, mittels derer sie mit einem anderen Bauteil thermisch-stoffschlüssig zum Verbundbauteil gefügt werden können nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein derartiges Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Im Fahrzeugbau werden im Zuge der Leichtbauweise, die auf Grund eines geringeren Fahrzeuggewichts im Vergleich zu einem gleichen Fahrzeug, das mit herkömmlichen Werkstoffen gefertigt wurde, zunehmend Faserverbundwerkstoff-Bauteile eingesetzt, die trotz ihres geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit und mechanische Belastbarkeit aufweisen.
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Mit anderen Bauteilen werden derartige Faserverbundwerkstoff-Bauteile üblicher Weise mittels Verkleben verbunden, insbesondere, wenn die Fügestelle nur einseitig zugänglich ist. Bei beidseitiger Zugänglichkeit ist es durchaus bekannt, Faserverbundwerkstoff-Bauteile mit gleichartigen oder metallischen Werkstoffen zu Vernieten oder zu verschrauben, wobei es bekannt ist, die entsprechend vorzusehenden Durchgangslöcher in dem Faserverbundwerkstoff-Bauteil durch spezielle Faseranordnungen um das Loch oder durch Metallinserts zu verstärken. Einen Schraub- oder Nietvorgang in einem Kraftfahrzeugrohbau oder an anderen Gegenständen oder an anderer Stelle mit engen Bauraumgegebenheiten auszuführen, ist im Übrigen zeitaufwändig und damit teuer und insofern ungünstig.
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Auch die Offenlegungsschrift
WO 2010/003524 A1 bezieht sich auf im Fahrzeugbau eingesetzte Baugruppen als Verbund aus im wesentlichen zwei Bauteilen, an die relativ hohe Anforderungen bezüglich der Steifigkeit und Festigkeit gestellt werden. Dort wird, auch aus fertigungstechnischen Gründen vorgeschlagen, solche Baugruppen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu bilden. Weiter wird vorgeschlagen, das Bauteil mit an das Bauteil angefügten Anschlussadaptern aus Metall zu versehen. Diese können vorteilhafter Weise durch Kleben oder Nieten mit dem Bauteil verbunden sein.
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Aus der
DE 198 34 772 A1 ist ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil entnehmbar, das nach einem RTM-Verfahren hergestellt wird und in sich ein massives metallisches Insert trägt, das einen Ringbund mit Durchgangsöffnungen aufweist, die zur Vernähung des Inserts in dem Vorformling vor Ausführung des RTM-Verfahrens dienen.
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Die
DE 692 00 409 T2 zeigt des Weiteren ein Befestigungsverfahren einer Verbundwerkstoffstruktur mit einem metallenen Schiffsrumpf, bei dem zwei Faserstrukturschichten einen Metallstreifen einfassen, der mit einem herausragenden freien Ende am Schiffrumpf angeschweißt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Faserverbundwerkstoff-Bauteil zu schaffen, das über ein- oder mehrere hochfest mit dem Bauteil verbundene Anschlussstücke verfügt, die ferner derart beschaffen sein sollen, dass auch das Fügen nur bei einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile möglich ist und eine sichere Verbindung mit einem zweiten Bauteil erlauben. Weiterhin soll ein Verbundbauteil mit verbesserter Verbindung der Fügepartner und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden, wobei das Verbundbauteil ein derartiges Faserverbundwerkstoff-Bauteil aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches hinsichtlich des Faserverbundwerkstoff-Bauteils, durch die Merkmale des Anspruches 3 hinsichtlich des Verbundbauteils und durch die Merkmale des Anspruches 7 hinsichtlich des Herstellungsverfahrens gelöst.
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Weiterbildungen des Faserverbundwerkstoff-Bauteils und des Verbundbauteils sind in den entsprechenden Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff-Bauteils mit wenigstens einem thermisch fügbaren metallisches Anschlussstück, damit das Faserverbundwerkstoff-Bauteil mit einem oder mehreren anderen Bauteilen gefügt werden kann, sieht vor, das oder die metallischen Anschlusstücke als Insert(s) auszubilden.
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Es ist zu bemerken, dass auch dann, wenn nachfolgend von „das Insert” oder „das Anschlussstück” im Singular die Rede ist, auch der Plural gemeint sein kann, da üblicherweise gerade größere Bauteile an mehreren Stellen gefügt werden können.
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Das Insert hat erfindungsgemäß einen flächigen Fügeabschnitt, der von einem Rand umgeben ist. Der Rand ist dabei in dem Faserverbundwerkstoff-Bauteil zwischen Faserlagen aufgenommen oder „eingefügt” und eine Seite des Fügeabschnitts liegt an einer Oberfläche des Faserverbundwerkstoff-Bauteils frei, ist also nicht von Faser und/oder Matrixmaterial bedeckt und kann daher als Fügestelle zum thermischen und stoffschlüssigen Fügen dienen.
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Hierin wird also unter „Insert” ein Element gemeint, das nicht vollständig von Faser-Matrix-Material eingeschlossen ist, sondern das in das Faser-Matrix-Material sicher eingebettet ist und dessen Rand unverrückbar in den Kunststoff aufgenommen ist.
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So liegt nun erfindungsgemäß an der Oberfläche des Faserverbundwerkstoff-Bauteils ein Material vor, das thermisch und stoffschlüssig mit einem anderen Bauteil, etwa durch Löten oder Schweißen, verbunden werden kann. Damit bietet das erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff-Bauteil eine schnell herzustellende und dauerhaft wirkende Verbindung, die gerade dann besonders günstig ist, wenn das Faserverbundwerkstoff-Bauteil nur einseitig zugänglich ist und mit dem weiteren Bauteil zu einem Verbundbauteil gefügt werden soll.
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Um die Verschweißbarkeit prozesssicher zu gestalten, ist erfindungsgemäß der Fügeabschnitt des aus Blech gefertigten Inserts gegenüber dem Rand erhaben; es wird also ein Flansch bereit gestellt. Der Fügeabschnitt steht dabei über die Oberfläche des Faserverbundwerkstoff-Bauteils hinaus. Bevorzugt hat ein solches Insert eine Hutprofil- oder Topfquerschnittsform.
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Die Erhebung erbringt eine Beabstandung zum weiteren Bauteil, so dass abseits des Blechabschnittes eine Verklebung der beiden Bauteile erfolgen kann. Da die Verklebung Zeit zum Aushärten erfordert, kann die Verschweißung eine Vorfixierung der beiden Bauteile bilden. Hierdurch ist das Verbundbauteil bereits weiterbearbeitbar bzw. anmontierbar, obwohl der Kleber noch nicht ausgehärtet ist. Hierdurch ist eine besonders gute Verbindung der Fügepartner gegeben, da der Fügeverbund nicht in sich verrutschen kann und somit eine vordefinierte Relativposition der Fügepartner zueinander gewährleistet bleibt.
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Das Faserverbundwerkstoff-Bauteil dient daher vorteilhaft der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils, wobei es mit wenigstens einem zweiten Bauteil, das wenigstens eine löt- oder schweißbare Fügestelle aufweist, erfindungsgemäß über das Insert verbunden ist.
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Das zweite Bauteil kann dabei ebenfalls ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoff-Bauteil mit thermisch-stoffschlüssig fügbarem Insert sein. Die Fügeverbindung wird dann durch Verlöten oder Verschweißen jeweils eines Inserts des einen Bauteils mit einem Insert des anderen Bauteils hergestellt.
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Grundsätzlich können die Inserts vielgestaltige Geometrien haben und auch als längliche Elemente ausgebildet sein, um über einen länglichen Abschnitt das Verschweißen oder Löten zu erlauben.
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Alternativ kann das zweite Bauteil auch ein metallisches Bauteil sein. Die zu dem Insert komplementäre Fügestelle an dem metallischen Bauteil kann dabei als Sicke geformt sein, die einen entsprechenden flächigen Boden zur Verbindung mit dem flächigen Fügeabschnitt des Inserts hat. Geeigneter Weise korrespondiert daher die Sickenform mit der Hutprofil- oder Topfquerschnittsform des Faserverbundwerkstoff-Bauteils hinsichtlich Form und Größe. Optional oder Zusätzlich kann die Fügestelle des zweiten Bauteils eine Öffnung aufweisen deren Ränder über dem Fügeabschnitt des Faserverbundwerkstoff-Bauteils zu liegen kommen und mit diesem verschweißt oder verlötet sind.
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Zur Fertigung des Faserverbundwerkstoff-Bauteils eignet sich das an sich bekannte RTM-Verfahren. Wie der Fachmann weiß, erfordert dieses das Vorabfertigen eines Faservorformlings, der dann in eine Gusskavität eines Gusswerkzeugs eingelegt und mit Matrixmaterial imprägniert und dann ausgehärtet wird. Erfindungsgemäß wird beim Herstellen des Faservorformlings das metallische Anschlussstück derart zwischen den Fasern angeordnet, dass der Rand des Anschlussstücks zwischen Faserlagen aufgenommen ist und der Fügeabschnitt an einer seiner Flächen frei von Fasern gehalten wird. Beim Einlegen des Faservorformlings in die Gusskavität wird der Fügeabschnitt mit der Fläche, die frei von Fasern gehalten ist, so positioniert, dass diese beim Ausführen von Imprägnier- und Konsolidierschritten frei von Matrixmaterial gehalten bleibt, wobei nach dem Konsolidieren des Faservorformlings das Anschlussstück als Insert vorliegt.
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Wie der Fachmann weiß, kann im RTM-Verfahren ein duro- oder thermoplastisches Matrixmaterial eingesetzt werden.
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Der Faservorfomling weist wenigstens zwei Lagen Faseranordnungen auf. Dabei kann es sich um Faserbänder, Gewebe, Gestricke oder andere, dem Fachmann bekannte und als geeignet angesehene Faseranordnungen handeln. Das Anschlussstück wird dann auf einer gewünschten bzw. vorbestimmten Lage der Fasern angeordnet und an seinem Rand, respektive Flansch bei entsprechender Form des Anschlussstücks durch eine oder mehrere Lagen eingefasst, um so das sicher gehaltene Insert nach dem Aushärten zu bilden.
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Auch das ebenfalls an sich bekannte SMC-Verfahren kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff-Bauteile genutzt werden. Dabei werden duroplastische Reaktionsharze wie Polyester- oder Vinylesterharze mit Füllstoffen und Additiven sowie Fasern, bevorzugt Glasfasern, angeteigt, in Form, etwa in Plattenform gebracht und als verarbeitungs-, respektive umformungsbereite Halbzeuge bereitgestellt, und zum fertigen Bauteil weiter verarbeitet bzw. umgeformt werden können.
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Das SMC-Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff-Bauteils sieht daher vor, eine Anordnung aus zwei oder mehr plattenförmigen Faserhalbzeugen, die aus Fasern mit einer Harzmatrix vorgefertigt sind, in ein Presswerkzeug einzulegen und unter Druck- und Temperaturbeaufschlagung auszuhärten. Dabei wird – und dies kann vor dem Werkzeug oder im Werkzeug geschehen – zwischen zwei bereitgestellte plattenförmige Faserhalbzeugplatten zumindest ein Anschlussstück eingelegt. Damit der Fügeabschnitt frei liegt, ist auf der „oberen”, also der in Bezug auf die zur Verbindung im Verbundbauteil vorgesehenen Oberfläche des herzustellenden Faserverbundwerkstoff-Bauteils nächstgelegene plattenförmige Faserhalbzeugplatte eine Ausnehmung pro Anschlussstück eingebracht. Diese weist eine Größe auf, die dem Fügeabschnitt des Anschlussstückes entspricht. So ist dies nicht vom Faserhalbzeug bedeckt, aber sein Rand wird an einem Rand der Ausnehmungen zwischen der Faserhalbzeugplatte mit der Ausnehmung und der darunter liegenden Faserhalbzeugplatte aufgenommen. Damit wird nach dem Aushärten der Anordnung plattenförmiger Faserhalbzeuge das Anschlussstück als Insert in dem Faserverbundwerkstoff-Bauteil unverrückbar und beanspruchbar bereitgestellt.
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Um gemäß der Erfindung ein Verbundbauteil herzustellen, wird das zweite Bauteil mit dem Faserverbundwerkstoff-Bauteil außerhalb des jeweiligen Fügeabschnitts (4) verklebt, wobei die beiden einzelnen Bauteile in noch nicht-ausgehärtetem Zustand der Klebeverbindung an ihren dem jeweiligen Fügeabschnitt (4) zugeordneten Fügestellen miteinander verschweißt oder verlötet werden. Hierdurch wird ein vorläufiger fester Halt den Fügepartnern aneinander gegeben, so dass das Verbundbauteil weiterverwendet werden kann ohne dass bei der Verbauung die Aushärtungszeit der Klebeverbindung berücksichtigt werden muss.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt, die dem erleichterten Verständnis des Gegenstands dienen. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht von oben auf ein als Insert geeignetes Anschlussstück,
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2 eine perspektivische Ansicht von unten auf ein als Insert geeignetes Anschlussstück,
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3 eine Seitenansicht auf ein Verbundbauteil mit Insert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil 1, das wie in 3 gezeigt, thermisch-stoffschlüssig mit einem weiteren Bauteil 10 zu einem Verbundbauteil fügbar ist. Damit eine solche zuverlässige und dauerhafte Verbindung ermöglicht werden kann, auch bei nur einseitiger Zugänglichkeit des Bauteils, ist erfindungsgemäß das Insert 2 mit seinem von einem Rand 3 umgebenden Fügeabschnitt 4 als metallisches Anschlussstück in das Faserverbundwerkstoff-Bauteil integriert.
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Wie zu sehen ist in 1 und 2 ist ein solches als Insert 2 geeignetes metallisches Anschlussstück ein Blechteil, dessen Fügeabschnitt 4 sich über den Rand 3, dort als Flansch ausgebildet, erhebt. Der Rand ist, siehe 3, in dem Faserverbundwerkstoff-Bauteil 1 zwischen Faserlagen aufgenommen, so dass nur die eine Seite des Fügeabschnitts 4 an einer Oberfläche des Faserverbundwerkstoff-Bauteils 1 frei liegt und die gewünschte Fügestelle bereitstellt. Das Faserverbundwerkstoff-Bauteil ist über die Sicke 11, die einen flächigen Boden 12 hat, mittels eines Schweißpunktes 13 mit dem Bauteil 10 verbunden.
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Grundsätzlich könnte das Anschlussstück auch als flächiges Element ein Insert 2 bilden, aber es ist zum Verschweißen günstig, wenn das Anschlussstück eine Erhebung aufweist und etwa als Topf geformt ist. Die Erhebung bringt eine Beabstandung zum weiteren Bauteil 10, so dass an anderen Bauteilabschnitten des Faserverbundwerkstoff-Bauteils 1, das flächig oder dreidimensional geformt sein kann, eine Verklebung der beiden Bauteile 1, 10 erfolgen kann. Da die Verklebung Zeit zum Aushärten erfordert, kann die Ver- schweißung eine Vorfixierung der beiden Bauteile 1, 10 bilden. Hierdurch ist das Verbundbauteil bereits weiterbearbeitbar bzw. anmontierbar, obwohl der Kleber noch nicht ausgehärtet ist.
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Das Verbundbauteil kann so vorteilhaft aus einem Faserverbundwerkstoff-Bauteil 1 und einem zweiten Faserverbundwerkstoff-Bauteil 1 gebildet werden, die beide nicht miteinander verklebt werden müssen, was im Stand der Technik gängig ist, sondern die mit einer hoch belastbaren Schweiß- oder Lötverbindung über Insertpaare der beiden Fügepartner gefügt werden können.
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Alternativ kann der zweite Fügepartner ein metallisches Bauteil 10 sein, das nicht zwingend auf bestimmte Weise ausgeformt sein muss. Als günstig wegen der Beabstandung hat sich jedoch die in 3 gezeigte Sicke 11 herausgestellt, die hinsichtlich Form und Größe geeigneter Weise mit der Erhebungsform des Inserts 2 des Fügepartners korrespondiert.
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Gegebenenfalls kann das zweite Bauteil, wenn es ein Blechbauteil ist, zur besseren Verschweißung eine Öffnung aufweisen, so dass deren Ränder mit dem Fügeabschnitt 4 des Faserverbundwerkstoff-Bauteils 1 mittels Laserschweißen oder mit einem anderen gängigen Schweißverfahren verschweißt werden können.
