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Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil und ein Verfahren zum Herstellen desselben sowie ein Faser-Matrix-Halbzeug und dessen Herstellung.
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Für die Herstellung von Faserverbund-Bauteilen, die insbesondere als Leichtbauteile im Kraftfahrzeugbereich und Flugzeugwesen eingesetzt werden, sind gängige Verfahren das SMC-Verfahren (Sheet-Moulding-Compound-Verfahren) oder alternativ das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Solche Verbund-Strukturbauteile sind zum Einsatz in Anwendungsgebieten geeignet, die großen mechanischen Beanspruchungen unterliegen.
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Zur Ausführung des SMC-Verfahrens werden die Fertigungskomponenten, Verstärkungsfasern und Matrixmaterial, angeteigt und in Form, etwa Platten- oder Folienform, gebracht, um ein Faser-Matrix-Halbzeug zu schaffen, das dann durch Fließpressen zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet werden kann. Entsprechend ergeben sich die Eigenschaften des fertigen Bauteils aus Verstärkungsfaser und Matrixmaterial, das ein duroplastisches Reaktionsharz wie Polyester- oder Vinylesterharz ist, und das üblicherweise mit Füllstoffen und Additiven versetzt wird.
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Zur Bauteilfertigung wird das Faser-Matrix-Halbzeug in ein heizbares Presswerkzeug gegeben, um das Matrixmaterial des Faserhalbzeugs fließfähig zu machen, so dass es das Fasermaterial ideal durchdringen kann; ferner erfolgt im Presswerkzeug die Formgebung des mit dem Matrixmaterial imprägnierten Fasermaterials. Das geformte Bauteil kann aus dem Presswerkzeug entformt werden, wenn das Matrixmaterial durch Erkalten so weit gehärtet ist, dass das fertige Bauteil beschädigungsfrei entnehmbar ist.
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Derart geschaffene SMC-Strukturbauteile weisen üblicherweise hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, weswegen sie meist auch sehr spröde sind und daher weniger geeignet sind, sich elastisch zu deformieren. Ferner erstrecken sich die durch das Matrixmaterial bedingten Eigenschaften durch das gesamte Bauteil, was nachteilig sein kann, wenn unterschiedliche Abschnitte des aus dem Faser-Matrix-Halbzeug erhaltenen SMC-Strukturbauteils verschiedenen Belastungsanforderungen ausgesetzt sind die durch ein einziges Material nicht ideal erfüllt werden.
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Zur Ausführung des RTM-Verfahrens werden die Fasern oder Faserhalbzeuge (sogenannte Prewovens oder Preformen) in eine Gusskavität des RTM-Werkzeugs eingelegt und mit Matrixmaterial (Duroplaste oder Elastomere) umspritzt, das in der Kavität unter Wärme und Druckeinwirkung aushärtet. Auch RTM-Strukturbauteile, die zur Leichtbauweise im Kraftfahrzeug- und Flugzeugwesen zunehmend eingesetzt werden, weisen üblicherweise hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, weswegen sie meist auch sehr spröde sind und daher weniger geeignet, sich elastisch zu deformieren.
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Leichtbau-Faserverbund-Bauteile können auch als Sandwichbauteile gefertigt werden, bei denen ein den Kern bildender Verbundmaterialabschnitt von Deckmaterialien, die im Übrigen auch Faserverbundmaterialien sein können, gesandwicht wird.
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Ein derartiges Leichtbau-Faserverbund-Bauteil, das fester und stabiler sein soll, als aus dem Stand der Technik bekannte Leichtbau-Formteile, wird in der
DE 10 2006 056 167 A1 adressiert. Dort wird vorgeschlagen, ein Sandwichelement zu schaffen, das keinen Klebeprozess bzw. Laminierungsprozess bei der Sandwichherstellung erfordert und das daher das Leichtbaupotenzial eines leichten Kernmaterials voll nutzen kann. Dazu wird das Leichtbau-Formteil mit einem Kernbereich aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff geschaffen, der ein Matrixmaterial und mindestens ein Füllstoffmaterial aufweist. In das Matrixmaterial können Mikrohohlkugeln integriert sein. Weiter hat das Bauteil mindestens einen oberflächennahen Deckschichtbereich, der mindestens eine Lage aus Fasermaterial und das Matrixmaterial aufweist, wobei die Lage bzw. die Lagen aus Fasermaterial des Deckschichtbereichs in das Matrixmaterial des Kernbereichs integriert sind. Die Fertigung des Leichtbau-Formteiles erfolgt durch Anordnen der die Deckschichten bildenden Fasermaterialien in einer Form unter Bildung eines Hohlraums, in den die Füllstoffe eingefüllt werden, bevor das Matrixmaterial, das Mikrokugeln enthalten kann, in den Hohlraum eingespritzt wird. Die so geschaffenen Bauteile sind entsprechend durchgängig kernhomogen und können daher auf verschiedene Bauteilabschnitte anfallende Belastungsanforderungen nicht erfüllen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kunststoffverbundbauteil zu schaffen, das bedarfsgerecht mit unterschiedlichen Bauteilbereichen ausgebildet ist, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit, Duktilität und ihrem NVH-Verhalten unterscheiden und die das Bauteil möglichst leicht machen.
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Diese Aufgabe wird durch ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Fertigung eines solchen Kunststoffverbundbauteils mit abschnittsweise gezielt an die Belastungsanforderungen angepassten Eigenschaften zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Ferner wird diese Aufgabe mittels eines Faser-Matrix-Halbzeugs zum Herstellen des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Weiterbildungen des Kunststoffverbundbauteils, des Herstellungsverfahrens und des Faser-Matrix-Halbzeugs sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Ein Verfahren zur Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeugs wird mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 10 offenbart.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils, das ein in ein Matrixmaterial eingebettetes Füllstoffmaterial aus Hohlkörpern umfasst, weist zumindest zwei Bauteilbereiche auf, die mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ausgestattet sind. Dabei erstrecken sich eine oder mehrere Faserlagen, die in einem Verbund mit dem Matrixmaterial vorliegen, über die Bauteilbereiche kontinuierlich durch das gesamte Kunststoffverbundbauteil. Dabei umfasst ein erster oder mehrere Bauteilbereiche die Hohlkörper, eingebettet in das Matrixmaterial, während zumindest ein zweiter Bauteilbereich in das Matrixmaterial eingebettete Hohlkörper aufweist, die sich hinsichtlich ihrer Art und/oder ihres Anteils in dem Matrixmaterial von den in dem ersten Bauteilbereich vorliegenden Hohlkörpern unterscheiden.
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Die ersten Bauteilbereiche mit den Hohlkörpern sind für die gesteigerte Aufnahme von Deformationsenergie ausgelegt. Durch die Hohlkugeln wird das eigentlich spröde FVK-Bauteil in den entsprechenden Bereichen duktilisiert, so dass das Bauteil beim Crash nicht zerbricht, sondern verformt wird, so dass kein katastrophales Bauteilversagen auftritt. Dies wird dadurch unterstützt, dass sich im Gegensatz zum Stand der Technik erfindungsgemäß die Faserlage(n) durch das komplette Bauteil erstreckt/erstrecken, also auch durch diese Deformationsbereiche, wodurch der Verbund des Bauteils auch im Crashfall gewährleistet ist und es beispielsweise nicht dazu kommt, dass eine Deckschicht aus Faserlagen von einer Kernschicht mit Deformationsstruktur abplatzen kann.
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Die anderen Bauteilbereiche mit in dem Matrixmaterial eingebetteten Hohlkörpern, die sich von denen der ersten Bauteilbereiche hinsichtlich Art und/oder Anteil unterscheiden, und beispielsweise Mikrohohlkörper sein können, bilden besonders leichte Bauteilbereiche aus. Ferner können diese Bauteilbereiche durch die Mikrohohlkörper besonders gute Absorptionseigenschaften für Schall und Durchschwingung aufweisen, was das NVH-Verhalten des Bauteils erheblich verbessert. So können die Hohlkugeln gezielt mit dem Matrixmaterial in crashrelevante Bereiche des Bauteils eingebracht werden und die Mikrohohlkugeln in andere Bereiche, um das NVH-Verhalten des Bauteils zu verbessern und es insgesamt leichter zu machen. Bauteile in Leichtbauweise sind vor allem im Kraftfahrzeugbau zur Senkung des Energieverbrauchs wichtig, so dass das Kunststoffverbundbauteil besonders geeignet im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden kann.
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Ferner kann an mechanisch besonders belastbaren Stellen des Bauteils die Beimengung von Hohlkugeln oder Mikrohohlkugeln in das Matrixmaterial unterbleiben, so dass dort nur faserverstärkte Bereiche vorliegen.
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Generell können zum Ausbilden der verschiedenen Bauteilbereiche mit den Hohlkörpern, den Mikrohohlkörpern und auch der Bauteilbereiche ohne Hohlkörper und Mikrohohlkörper Matrixmaterialien eingesetzt werden, deren Zusammensetzungen bis auf die Hohlkörper und Mikrohohlkörper gleich sind. Die Zusammensetzungen der Matrixmaterialien der verschiedenen Bauteilbereiche können sich allerdings auch unterscheiden. Werden unterschiedliche Matrixmaterialien verwendet, sollten diese zumindest teilweise miteinander mischbar sein, so dass sich im Übergang zwischen den Bauteilbereichen eine Grenzzone aus einem Gemisch der zumindest zwei Matrixmaterialien bildet, so dass insgesamt eine stetige Matrix im Bauteil ohne scharfe Grenzen zwischen den unterschiedlichen Matrixmaterialien vorliegt.
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Bei den für die ersten Bauteilbereiche verwendeten Hohlkörpern kann es sich insbesondere um Hohlkugeln mit einem Durchmesser von zumindest 1 mm handeln. Auch die Hohlkörper für die zweiten Bauteilbereiche resp. die Mikrohohlkörper können bevorzugt Kugelform aufweisen, die jedoch einen Durchmesser von unter 1 mm aufweisen. Sowohl die Hohlkörper als auch die Mikrohohlkörper können aus einem Glas- oder Tonmaterial bestehen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils weist einen Sandwichaufbau auf, in dem die Bauteilbereiche schichtweise angeordnet sind. Ein Sandwichaufbau kann beispielsweise einen Bauteilbereich mit in das Matrixmaterial eingebetteten Hohlkörpern als Kernschicht mit geringer Dichte aufweisen. An die Kernschicht grenzt auf zumindest einer Seite ein Bauteilbereich mit sich von den Hohlkörpern der Kernschicht hinsichtlich Art und/oder Anteil unterscheidenden Hohlkörpern, insbesondere Mikrohohlkörpern, und/oder ein Bauteilbereich ohne Hohlkörper und ohne Mikrohohlkörper an und bildet dabei insbesondere eine Deckschicht.
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Alternativ oder in Kombination mit dem Sandwichaufbau können die verschiedenen Bauteilbereiche entlang dem Kunststoffverbundbauteil nebeneinander angrenzend angeordnet sein. Hierbei bietet sich insbesondere an, dass Bauteilbereiche ohne Hohlkörper und ohne Mikrohohlkörper aufgrund deren höheren Festigkeit als Verbindungs- und/oder Randbereiche des Kunststoffverbundbauteils ausgebildet sind
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Um das erfindungsgemäße faserverstärkte Kunststoffverbundbauteil gemäß einer Verfahrensvariante in einem RTM-Prozess herzustellen, wird ein Formwerkzeug verwendet, das einen der Form des Kunststoffverbundbauteils entsprechenden Formhohlraum aufweist, in den die Faserlage(n) eingelegt wird/werden. In den Formhohlraum wird an zumindest zwei Stellen zumindest ein ungehärtetes Matrixmaterial injiziert, wobei ein Matrixmaterial, das Hohlkörper enthält, an zumindest einer Stelle injiziert wird, die in einen Bereich des Formhohlraums mündet, der zum Ausbilden des entsprechend hohlkörperhaltigen Bauteilbereichs des Kunststoffverbundbauteils vorgesehen ist. Dort wird/werden die Faserlage(n) mit dem hohl körperhaltigen Matrixmaterial imprägniert.
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Ein zweites Matrixmaterial mit Hohlkörpern, deren Art und/oder Anteil sich von dem ersten Matrixmaterial unterscheidet, etwa mit Mikrohohlkörpern, wird an zumindest einer weiteren Stelle injiziert, die in einen Bereich des Formhohlraums mündet, der zum Ausbilden des entsprechenden Bauteilbereichs vorgesehen ist. So wird auch in diesem Bereich die Faserlage imprägniert, allerdings mit dem zweiten hohlkörperhaltigen, insbesondere mikrohohlkörperhaltigen Matrixmaterial. Durch das aushärten Lassen des oder der Matrixmaterialien wird das Kunststoffverbundbauteil mit den verschiedenen Bauteilbereichen erhalten.
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In dieser Verfahrensvariante allerdings ist verfahrensbedingt der Durchmesser der Hohlkörper beschränkt, die in dem Matrixmaterial eingesetzt werden können, da die Hohlkugeln gemeinsam mit dem ungehärteten Matrixmaterial injiziert werden, wobei durch geeignete Auswahl der Hohlkörperform und -abmessungen sowie Prozessparameter wie Injektionsdruck das Eindringen der Hohlkörper zusammen mit dem Matrixmaterial in die Faserlage(n) bereitgestellt werden kann. Zu große Hohlkörper würden durch die Fasern aus dem Matrixmaterial herausgesiebt.
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Ferner kann vorgesehen sein, zur Bildung von mechanisch besonders belastbaren Bauteilbereichen ein drittes ungehärtetes Matrixmaterial in den Formhohlraum zu injizieren. Dies erfolgt an einer dritten Stelle, die in einen Bereich des Formhohlraums mündet, der zum Ausbilden des Bauteilbereichs mit erhöhter Festigkeit wie Verbindungs- und Randbereichen vorgesehen ist, wobei das dritte Matrixmaterial weder Hohlkörper noch Mikrohohlkörper enthält.
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Werden zur Bildung der verschiedenen Bauteilbereiche Matrixmaterialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verwendet, so findet nach deren Injektion beim Imprägnieren der Faserlage(n) in der oder den Grenzzonen zwischen den Bauteilbereichen ein ineinander Fließen der Matrixmaterialien zu einem Gemisch mit kontinuierlichem Übergang sowohl der Matrixzusammensetzung als auch der dadurch dem Bauteil in den jeweiligen Bereichen verliehenen Eigenschaften statt.
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Um die im Zusammenhang mit dem RTM-Verfahren beschriebenen Siebeffekte zu umgehen und/oder auch größere Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln mit Durchmesser bis zu 5 cm, und bevorzugt 1 mm bis 10 mm, einzusetzen, kann ein SMC-Verfahren verwendet werden, um zunächst ein Faser-Matrix-Halbzeug zu schaffen, das zum Herstellen eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils verwendbar ist.
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Ein erfindungsgemäßes Faser-Matrix-Halbzeug besteht aus zumindest einer Faserlage und zumindest einem aushärtbaren Matrixmaterial. Zum Ausbilden der zumindest zwei Bauteilbereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften weist das FaserMatrix-Halbzeug zumindest zwei Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitte auf, von denen zumindest einer die in das Matrixmaterial eingebetteten Hohlkörper aufweist, während zumindest ein zweiter Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitt die sich in Art und/oder Anteil unterscheidenden Hohlkörper wie Mikrohohlkörper in dem Matrixmaterial aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Faser-Matrix-Halbzeug zumindest einen dritten Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitt auf, in dessen Matrixmaterial keine Hohlkörper und keine Mikrohohlkörper eingebettet sind.
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Ein solches Halbzeug kann erzeugt werden, indem zunächst zumindest zwei Teige aus Verstärkungsfasern und einem ungehärteten Matrixmaterial hergestellt werden, bei dem es sich um das gleiche Matrixmaterial handeln kann; oder es können für die zwei Teige auch Matrixmaterialien verwendet werden, deren Zusammensetzungen sich unterscheiden. Zu den Teigen werden Hohlkörper zugegeben, wobei sich die Art und/oder der Anteil der zu den Teigen zugegebenen Hohlkörper unterscheiden.
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Sind auch hohlkörperfreie Abschnitte vorgesehen, so wird auch ein Teig aus Verstärkungsfasern und dem ungehärteten Matrixmaterial ohne Hohlkörper und ohne Mikrohohlkörper vorbereitet. Diese Teige werden aneinander angrenzend und/oder schichtweise aufeinander angeordnet, wobei ein Schichtaufbau zumindest eine Schicht aus dem Teig mit den Hohlkörpern und eine Schicht aus dem Teig mit sich davon in Art und/oder Anteil unterscheidenden Hohlkörpern und gegebenenfalls eine Schicht aus dem ohne Hohlkörper und Mikrohohlkörper gebildet wird, so dass die Schichten die zum Ausbilden der Bauteilbereiche vorgesehenen Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitte bilden, nachdem die angrenzend aneinander und/oder schichtweise aufeinander angeordneten Teige zu dem Faser-Matrix-Halbzeug pressgeformt wurden. Da hier die Fasern außerhalb der Pressform mit dem die Hohlkugeln umfassenden Matrixmaterial imprägniert werden, können auch Hohlkörper mit größeren Abmessungen verwendet werden, die sich mit dem Matrixmaterial gleichmäßig zwischen den Fasern verteilen.
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Die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils aus dem Faser-Matrix-Halbzeug umfasst dann das Zuschneiden des Faser-Matrix-Halbzeugs und Einlegen in ein Fliesspresswerkzeug, in dem das Halbzeug in Bauteilform gebracht wird. Nach dem aushärten Lassen des oder der Matrixmaterialien wird das Bauteil erhalten, dessen Bauteilbereiche durch die eingebetteten Hohlkörper und Mikrohohlkörper unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, die auf das Bauteil maßgefertigt wurden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf ein Faser-Matrix-Halbzeug mit unterschiedlichen Abschnitten,
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2 eine schematische Seitenschnittansicht eines RTM-Werkzeugs zur Herstellung des erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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3 eine schematische Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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4 eine schematische Seitenschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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5 eine schematische Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil.
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Bei dem erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteil sind die Bauteileigenschaften in verschiedenen Bauteilbereichen innerhalb des Kunststoffverbundbauteils gezielt modifiziert, so dass das Bauteil bedarfsgerecht ausgelegt ist und crashrelevante Bauteilbereiche duktiler gestaltet werden können, um ein Bauteilversagen beim Crash zu vermeiden. Um gezielt die unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb des Bauteils zu erhalten, kann beispielsweise ein Injektionsverfahren mit mehreren Angüssen verwendet werden, in welche unterschiedliche Matrixwerkstoffe injiziert werden, die so ausgelegt sind, dass sie sich im Zusammenfluss über einen gewissen Bereich vermischen können und sich verbinden.
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Um eine besonders bedarfsgerechte Ausbildung des FVK-Bauteils zu erzielen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Kunststoff- bzw. Harz-Matrix inhomogen mit Hohlkugeln zu versehen. Bevorzugt können dabei Hohlkugeln eingesetzt werden, die sich in ihrer Art, vorzugsweise in ihrer Größe unterscheiden. So können Mikrohohlkugeln, kleine Hohlkugeln < 1 mm im Durchmesser, und größere Hohlkugeln lokal konzentriert eingebracht werden.
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Denkbar ist auch nur eine sortenreine Beimengung von Hohlkugeln gleicher Art und Größe, die jedoch lokal unterschiedlich erfolgt. Das heißt, dass sich die Anteile der Hohlkugeln in den verschiedenen Bauteilbereichen unterscheiden. Auch ist eine Kombination beider Varianten möglich, in der für verschiedene Bauteilbereiche Hohlkörper eingesetzt werden, die sich sowohl in ihrer Art als auch in dem Anteil, in dem sie in der Matrix bzw. dem Bauteilbereich vorliegen, unterscheiden.
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Hierdurch ist die Herstellung eines FVK-Bauteils möglich, dessen Eigenschaften auf den Anwendungsfall maßgeschneidert sind. So können die Stellen, die für die gesteigerte Aufnahme von Deformationsenergie auszulegen sind, mit den großen Hohlkugeln versehen werden, so dass das eigentlich spröde FVK-Bauteil durch diese Hohlkugeln duktilisiert wird und bei einem Crash nicht bricht, sondern nur verformt wird. Ein abruptes Bauteilversagen wird dadurch vermieden.
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Für die Stellen des FVK-Bauteils, die besonders leicht gestaltet werden sollen, wird das Matrixmaterial mit den Mikrohohlkugeln versetzt. Die kleinen Hohlkugeln bilden eine Füllmasse, die leichter ist als eine übliche FVK-Struktur. Zudem erhält das Bauteil durch die kleinen Hohlkugeln besonders gute Absorptionseigenschaften für Schall und Durchschwingung, was das NVH-Verhalten des Bauteils erheblich verbessert.
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Die Hohlkugeln bestehen vorzugsweise aus Glas oder Ton.
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Für mechanisch besonders belastbare Stellen kann die Beimengung von Hohlkugeln und Mikrohohlkugeln unterbleiben, so dass dort nur faserverstärkte Bereiche vorliegen (beispielsweise an den Fügestellen zur Karosserie).
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Alle Bauteilbereiche des erfindungsgemäßen Verbundbauteils weisen Verstärkungsfasern auf, die somit eine kontinuierliche, sich durch das gesamte Bauteil erstreckende Faserlage bilden. Die Hohlkörper werden geeigneter Weise Hohlkugeln sein, denkbar sind aber auch andere abgerundete Formen wie Ellipsoide oder Eiformen, auch unregelmäßige kugelige Formen oder Formen mit Kanten wie Zylinder oder Polyeder.
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Ein erfindungsgemäßes Kunststoffverbundbauteil 10, wie in 3, 4 und 5 dargestellt, zeichnet sich durch drei Bauteilbereiche A, B, C mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften aus, wobei sich eine oder mehrere Faserlagen 10' (als Fasereinleger 10' in 2 oder als Verstärkungsfasern 10' in 1 zu sehen) über sämtliche Bauteilbereiche A, B, C erstreckt. Die Faserlage 10' liegt im fertigen Kunststoffverbundbauteil im Verbund mit dem Matrixmaterial 2 vor. Erfindungsgemäß weist das Kunststoffverbundbauteil 10 wenigstens einen Bauteilbereich B auf, der deformierbar ist und dadurch einen Deformationsbereich oder auch Energieabsorptionsbereich B des Kunststoffverbundbauteils 10 bildet, der im Falle eines Aufpralls durch Deformation die Stoßenergie aufnehmen kann, was insbesondere für ein Kraftfahrzeugbauteil von Vorteil ist. Der Deformationsbereich B wird durch in das Matrixmaterial 2 eingebettete Hohlkörper 3 gebildet. Die Hohlkörper verleihen dem Bauteilbereich B die gewünschte Duktilität. Im Crashfall verformt sich das Bauteil 10, anstatt zu zerbrechen. Die Hohlkörper 3 sind vorzugsweise aus Glas oder Ton. Sie können aber auch aus Metall oder Kunststoff oder einem anderen elastisch und/oder plastisch verformbaren Material sein.
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Das Bauteil 10 kann, wie in 4 im Schnitt dargestellt, als Sandwich aufgebaut sein, bei dem ein Bauteilbereich C mit hohlkörperfreier Matrix und ein Bauteilbereich A mit in die Matrix eingebetteten Mikrohohlkörpern für verbesserte NVH-Eigenschaften die Decklagen bilden, während der Bauteilbereich B mit hohlkörperhaltiger Matrix die Kernlage bildet, die dem gesamten Bauteil 10 durch ihre geringe Dichte ein besonders niedriges Gewicht verleiht.
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Alternativ zu einem als Sandwich konzipierten Bauteil, können die Bauteilbereiche A, B, C auch nebeneinander liegen, siehe 3 und 5. Hierbei kann es sich bei den Bauteilbereichen C mit hohlkörperfreier Matrix um Verbindungsbereiche des Bauteils 10 beispielsweise mit einer Fahrzeugkarosserie handeln. Die durch die Bauteilbereiche C mit hohlkörperfreier Matrix gebildeten Verbindungsbereiche sind dabei hochfest, während über die Länge, bzw. Fläche des Bauteils 10 im mittleren Bereich der Deformationsbereich B mit den Hohlkörpern angeordnet ist, um insbesondere, wenn es sich um Kraftfahrzeugbauteile 10 handelt, hier die Verformungsenergie im Crash-Fall aufnehmen zu können. Die Bauteilbereiche A senken das Gesamtgewicht des Bauteils 10 und verbessern das NVH-Verhalten.
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Als Faserlage(n) 10' kommen Faseranordnungen wie Fasermatten, Gewebe, Geflechte, Gestricke oder Vliese, die aus kontinuierlichen oder nicht kontinuierlichen Einzelfasern, Rovings oder Faserbändern bestehen, in Frage. Dabei kann es sich auch um Hybridfasern oder Hybridfaseranordnungen aus verschiedenen Fasermaterialien handeln. Bei den Fasermaterialien kann es sich um die üblichen Verstärkungsfasern aus Glas, Carbon und Polymeren, beispielsweise Thermoplasten wie Polyamid, insbesondere Aramid handeln, aber auch Basalt-, Keramik-, Metall- oder Naturfasern kommen in Frage. Die Fasern können beispielsweise unidirektional oder wechselseitig gewinkelt angeordnet sein.
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Zum Ausbilden der Matrix in dem Bauteil 10 können für die Bauteilbereiche A, B, C unterschiedliche Matrixmaterialien verwendet werden. In diesem Fall können sich die unterschiedlichen Matrixmaterialien in den Grenzzonen 11, 12 zwischen den Bauteilbereichen A, B, C miteinander vermischen, so dass dort ein Gemisch aus den Matrixmaterialien der angrenzenden Bauteilbereiche A, B, C vorliegt. In der Grenzzone 12 liegt dann ausgehend von dem Bauteilbereich B mit der hohlkörperhaltigen Matrix zu dem Bauteilbereich C mit der hohlkörperfreien Matrix eine graduelle Verarmung an Hohlkörpern vor, so dass hier ein fließender Übergang der Duktilität zwischen den Bauteilbereichen B, C besteht. Auch in der Grenzzone 11 zwischen dem Bauteilbereich B mit der hohlkörperhaltigen Matrix und dem Bauteilbereich A mit den Mikrohohlkörpern liegt ein fließender Übergang vor, d. h. dort liegen Hohlkörper und Mikrohohlkörper nebeneinander mit einem entgegengesetzten „Konzentrationsgefälle” vor.
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In den Figuren sind Bauteile beispielhaft jeweils mit einem hohlkörperhaltigen Bauteilbereich B dargestellt, letztendlich können in einem Bauteil jedoch auch mehrere Bauteilbereiche B vorgesehen sein, die durch Bereiche A mit Mikrohohlkörpern oder durch Bereiche C ohne Hohlkörper getrennt sind. Der Anteil und die Art der verwendeten Hohlkörper können zwischen den verschiedenen Deformationsbereichen durchaus variieren. Ferner können auch mehr als zwei Matrixmaterialien eingesetzt werden. Werden drei oder mehr verschiedene Matrixmaterialien eingesetzt, dann ist auch eine Grenzzone denkbar, die nicht zwischen zwei Bereichen liegt, sondern auch an dem Zusammentreffen dreier Bereiche entstehen kann. Hier weist dann die Grenzzone ein Gemisch aller drei Matrixmaterialien auf. So grenzen die Bauteilbereiche C in 5 sowohl an den Bereich B als auch an Bereiche A an, so dass hier mehrere Übergangszonen vorliegen, die zum Teil ineinander übergehen.
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Ein mögliches Herstellungsverfahren ist ein RTM-Verfahren, bei dem die Fasern, Faserlagen oder Faserhalbzeuge (sogenannte Prewovens oder Preformen) in den Formhohlraum des RTM-Werkzeugs eingelegt werden, in die das oder die aushärtbaren polymeren Matrixmaterialien eingespritzt werden, bei denen es sich häufig um elastomere oder duroplastische Reaktionsharze wie Epoxidharz, Polyester, Vinylester, Phenolharze, Acrylharze oder Polyurethanharze handelt, die aber auch eine thermoplastische Kunststoffschmelze sein können. Das Matrixmaterial wird mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in den Formhohlraum eingespritzt, infiltriert das Fasermaterial und härtet je nach Matrixmaterial unter Wärmezu- oder abfuhr und Druck aus. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, kann die Kavität vor dem Einspritzen evakuiert werden.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 im RTM-Verfahren kann ein Werkzeug 20 mit mehreren Angüssen verwendet werden, wie es in 2 skizziert ist. In den zwischen der schließseitigen und angussseitigen Werkzeughälfte 21, 22 vorliegenden Formhohlraum 24 münden daher die Injektionsvorrichtungen 23 für das reine Matrixmaterial 2, das Matrixmaterial 2 mit Hohlkörpern 3 und das Matrixmaterial 2 mit Mikrohohlkörpern 3' an den Stellen 23c, 23b, 23a. Die Injektionsstellen 23a, 23b, 23c liegen jeweils innerhalb eines Abschnitts des Formhohlraums 24, der jeweils zum Ausbilden der entsprechenden Bauteilbereiche A, B, C vorgesehen ist. Nachdem der Fasereinleger 10' in den Formhohlraum 24 des Werkzeugs 20 eingelegt wurde, wird dann das hohlkörperfreie Matrixmaterial 2, das zum Ausbilden der Bauteilbereiche C ausgewählt ist, von den Injektionsvorrichtungen 23 an der bestimmten Stelle 23c in den Formhohlraum 24 eingespritzt und gleichzeitig wird das Matrixmaterial 2 mit den Hohlkörpern 3, das zum Ausbilden des Deformationsbereichs B ausgewählt ist, von der Injektionsvorrichtung 23 an der bestimmten Stelle 23b injiziert. Das Matrixmaterial 2 mit den Mikrohohlkörpern 3' wird entsprechend der Injektionsvorrichtung 23 an der bestimmten Stelle 23c in den Abschnitt zum Ausbilden des entsprechenden Bauteilbereichs A injiziert. Der Fasereinleger 10' wird in den Bauteilbereichen A, B, C mit dem jeweiligen hohlkörperhaltige, mikrohohlkörperhaltigen und reinen Matrixmaterial 2 imprägniert.
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Nach dem Aushärten des Matrixmaterials 2 ist das einstückige Verbundbauteil 10 mit dem Deformationsbereich B, dem leichten NVH-Bereich A und dem festeren Bauteilbereichen C fertig gestellt. Natürlich können auf die genannte Weise einstückige Bauteile mit noch mehr Bauteilbereichen geschaffen werden.
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Werden als Matrixmaterialien Harzsysteme verwendet, so wird zum Aushärten die Temperatur in dem Formhohlraum 24 erhöht, wozu das Werkzeug 20 eine Heizeinrichtung 26 aufweisen kann und Druck auf die imprägnierte Faseranordnung 10' ausübt, indem entsprechende, Pressdruck erzeugende Mittel der schließseitigen Werkzeughälfte 21 aktiviert werden.
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Ferner kann ein Werkzeug zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils 10 Injektionsmittel vorsehen, die sich in den Formhohlraum 24 hinein erstrecken, um in einen dort eingelegten Fasereinleger 10' einzudringen. Diese können etwa zur Injektion des hohlkörperhaltigen Matrixmaterials 2 in das Innere des Fasereinlegers 10' zur Bildung eines Sandwichkerns B, vgl. 4, verwendet werden. Diese Verfahrensvariante entspricht einem RIM-Verfahren (Reaction Injection Moulding), allerdings werden hier nicht verschiedene Lagen wie Verstärkungslagen für Deckschichten und flächige Abstandslagen für eine Kernschicht in der vorgesehenen Reihenfolge in das Formwerkzeug eingelegt, sondern lediglich die komplette Faserlage(n), während die Deck- und Kernschichtbildung durch die Injektion der Matrixmaterialien erfolgt. Die Faserlagen ziehen sich also kontinuierlich durch Deck- und Kernschicht.
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Generell kann zur Verminderung von ungewollten Lufteinschlüssen, auch abhängig von der gewählten Injektionsart, der Formhohlraum 24 nach dem Einlegen der Faseranordnung 10' und Schließen der Werkzeughälften 21, 22 vor der Injektion der Matrixmaterialien 2 evakuiert werden. Dazu weist das Werkzeug 20 einen Entlüftungskanal 25 aus dem Formhohlraum 24 auf, der zu einer Vakuumpumpe 25a verläuft.
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Duroplastische Matrixmaterialien können neben dem vernetzungsfähigen Harz Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe sowie Reaktionsmittel, Vernetzungsmittel, Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe und Stabilisatoren umfassen.
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Generell werden in RTM-Verfahren Harze bzw. Harzsysteme als zu injizierende Matrixmaterialien verwendet, die eine niedrige Viskosität besitzen, um den Strömungswiderstand beim Durchströmen der Form und der Faseranordnung gering zu halten, so dass kleinere Druckdifferenzen zum Füllen erforderlich sind. Üblicherweise bestehen Reaktionsharze für RTM-Verfahren, die als spezielle Injektionsharze angeboten werden, aus einer Harz- und Härterkomponente. Harzsysteme mit geringer Reaktivität können bereits vor der Injektion gemischt werden.
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Zwar werden RTM-Verfahren üblicherweise mit Harzen als Matrixmaterialien durchgeführt, im Sinne der Erfindung sind aber auch thermoplastische Kunststoffe als Matrixmaterialien denkbar, die dann in geschmolzener Form mittels einer Extrudiervorrichtung in die Kavität mit dem Fasereinleger eingespritzt werden. Das Werkzeug kann für einen definierten Erstarrungsvorgang neben Heizeinrichtungen auch Kühleinrichtungen aufweisen. Generell können aber auch Werkzeuge zur Harzinjektion mit Kühleinrichtungen ausgestattet sein.
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Alternativ zu dem RTM-Prozess kann für die Herstellung des Verbundbauteils ein Verfahren eingesetzt werden, das einen SMC-Prozess umfasst. Dabei werden generell die Fertigungskomponenten Verstärkungsfasern und Matrixmaterial, etwa Glasfasern und ein Reaktionsharz, angeteigt und in Form, etwa Platten- oder Folienform, gebracht, um so ein Faser-Matrix-Halbzeug zu schaffen, das dann beispielsweise nach Zuschnitt durch Fließpressen zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet werden kann. Die Verstärkungsfasern liegen hier meist in Matten-, seltener in Gewebeform mit typischen Faserlängen zwischen 25 und 50 mm vor. Beim Pressen des SMCs zu dem fertigen Bauteil können auch Befestigungselemente in die Pressform eingelegt werden, wodurch SMCs besonders wirtschaftlich sind.
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So kann das in 1 gezeigte Faser-Matrix-Halbzeug in einem SMC-Prozess erhalten werden, das als plattenförmige teigartige Pressmasse in Folienform die Lage(n) Verstärkungsfasern 10' mit den aushärtbaren Matrixmaterialien 2 in Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitten A, B, C umfasst.
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An den Grenzen zwischen den Abschnitten A, B, C wird jeweils eine Grenz- bzw. Übergangszone ausgebildet, in der ein Anteil der in dem Matrixmaterial 2 des Abschnitts B enthaltenen Hohlkörper 3 in Richtung der Abschnitt A, C abnimmt. Auch der Anteil der Mikrohohlkugeln 3' nimmt in der entsprechenden Grenzzone von Abschnitt A nach Abschnitt B ab.
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Ein aus dem Faser-Matrix-Halbzeug beispielsweise in einem Fließpresswerkzeug erzeugtes Bauteil 10 kann so mit dem oder den deformierbaren Bauteilbereichen B, den leichten Bauteilbereichen A und den festeren hohlkörperfreien Bereichen C bedarfsangepasst gestaltet werden.
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Auch hier können Anteil, Form und Material der in verschiedenen Bauteilbereichen A, B eingesetzten Hohlkörper/Mikrohohlkörper variiert werden.
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Um das erfindungsgemäße Faser-Matrix-Halbzeug herzustellen, werden durch Vermischen von Verstärkungsfasern 10' und Matrixmaterial 2 ein Grundteig hergestellt, aus dem durch Zugabe von Hohlkörpern und durch Zugabe von Mikrohohlkörpern zumindest zwei (oder gegebenenfalls auch mehr) Teige hergestellt werden. Bei einem Teig kann die Zugabe von Hohlkörpern/Mikrohohlkörpern unterbleiben. Um das Faser-Matrix-Halbzeug als plattenförmige Pressmasse in Folienform zu erhalten, werden die Teige aneinander angrenzend und/oder schichtweise aufeinander angeordnet. Die entsprechend der gewünschten Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitte A, B, C angeordneten Teige werden dann Zum Ausbilden des Faser-Matrix-Halbzeugs meist in Folienform gepresst. Denkbar ist hier aber auch das Formpressen in eine andere, bauteilnahe Form.
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Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils 10 aus dem Faser-Matrix-Halbzeug wird dieses zunächst entsprechend zugeschnitten und in ein Fließpresswerkzeug eingelegt. Dort findet dann unter Temperaturbeaufschlagung, um das Matrixmaterial fließfähig zu machen, die Formgebung zum Bauteil und das Aushärten zu dem fertigen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteil 10 statt.
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Nach Aushärtung kann das geformte Bauteil aus dem Presswerkzeug entformt werden. Das Matrixmaterial des Faser-Matrix-Halbzeugs kann ferner als Additiv ein Trennmittel aufweisen, das dazu vorgesehen ist, bei dem genannten Pressprozess in dem heißem Presswerkzeug an die Oberfläche des Halbzeugs zu gelangen, um zu verhindern, dass das Matrixmaterial an den Werkzeugoberflächen der Presse anhaftet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006056167 A1 [0008]
