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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, das wenigstens bereichsweise aus einem Faserverbundmaterial besteht, das eine Matrix aus einem Matrixmaterial und eine Vielzahl von in der Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern aus einem Verstärkungsfasermaterial aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
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Bei Bauteilen für verschiedene Einsatzbereiche, insbesondere für Kraftfahrzeugteile, ist üblicherweise eine ausgewogene Kombination aus Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität notwendig, um zum einen statischen und dynamischen Lastfällen gerecht zu werden und zum anderen die Strukturintegrität zuverlässig zu erhalten. Hochbelastbare Bauteile von Fahrzeugen, wie beispielsweise Seitenaufprallschutzelemente, werden derzeit überwiegend aus metallischen Werkstoffen, insbesondere Stahl oder Aluminium, hergestellt. Neben einer hohen Steifigkeit weisen diese Werkstoffe auch eine ausgeprägte plastische Verformbarkeit auf. Diese ist beispielsweise wünschenswert, wenn das Bauteil ein ein Antriebsaggregat und/oder Teile einer Vorderachse tragender Integralträger oder dergleichen ist.
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Aus Gewichtsgründen wird zudem die Anwendbarkeit von Faserverbundmaterial für Bauteile, insbesondere Kraftfahrzeugbauteile, untersucht. Aus diesem Material hergestellte Bauteile weisen beispielsweise wenigstens eine Faserverbundschicht auf, die aus dem Faserverbundmaterial besteht. Bei einem derartigen Faserverbundmaterial wird die Matrix aus einem Matrixmaterial verwendet, in welche die Verstärkungsfasern aus dem Verstärkungsfasermaterial eingebettet werden. Als Matrixmaterial kann beispielsweise ein Kunststoff eingesetzt werden. Kunststoffe reagieren jedoch bei starker Beanspruchung unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur mit einem spröden Verhalten. Wird daher das Faserverbundmaterial in hochbelasteten Bauteilen, insbesondere des Kraftfahrzeugs, eingesetzt, können neben geometrischen Einflüssen, die zum Beispiel von Rippen, Kanten oder dergleichen verursacht werden, auch die Fasereigenschaften und/oder Matrixeigenschaften, Fasergehalt, Faserlänge und dergleichen zu sprödem Versagen des jeweiligen Bauteils führen. Dynamische Beanspruchung sowie das schlagartige Versagen von einzelnen oder mehreren Verstärkungsfasern verstärken diesen Effekt.
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Grundsätzlich ist also zwar der Einsatz eines Faserverbundmaterials, insbesondere aus Gewichtsgründen, wünschenswert. Die Festigkeit gegenüber Einflüssen, wie sie beispielsweise bei einem Unfall auftreten, sind jedoch für gängige Bauteilgeometrien häufig nicht hinreichend. Der Stand der Technik zeigt beispielsweise in der
DE 197 54 427 A1 eine Achsanordnung für eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil vorzustellen, welches den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern neben dem für Faserverbundmaterial typischen niedrigen Gewicht eine hohe Widerstandsfähigkeit, insbesondere gegenüber plötzlich auftretenden, starken Belastungen, aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist ein ebenfalls in die Matrix eingebettetes Verstärkungselement vorgesehen, das aus einem von dem Verstärkungsfasermaterial verschiedenen Verstärkungselementmaterial besteht, wobei das Verstärkungselementmaterial Metall ist oder Metall aufweist. In die Matrix sind also nicht lediglich die Verstärkungsfasern eingebettet. Vielmehr ist zusätzlich das Verstärkungselement beziehungsweise das wenigstens ein Verstärkungselement vorgesehen. Während die Verstärkungsfasern aus dem Verstärkungsfasermaterial bestehen, ist für das Verstärkungselement das Verstärkungselementmaterial vorgesehen. Das Verstärkungselementmaterial ist nun von dem Verstärkungsfasermaterial verschieden und weist dabei beispielsweise eine höhere Duktilität auf als dieses. Alternativ oder zusätzlich kann das Verstärkungselementmaterial eine höhere Fließgrenze, Zähigkeit und/oder Dehnbarkeit als das Verstärkungsfasermaterial aufweisen. Insbesondere ist zumindest eine der genannten Größen für das Verstärkungselementmaterial um mindestens 5%, mindestens 10%, mindestens 15%, mindestens 20% oder mindestens 25% größer als für das Verstärkungsfasermaterial. Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei der Größen oder alle Größen um ein jeweils aus den genannten Proportionen ausgewähltes Verhältnis größer. Das Verstärkungselement stellt also ein zusätzlich in die Matrix eingebrachtes Element dar, mit welchem beispielsweise die Duktilität beziehungsweise die Strukturintegrität des Bauteils als Ganzes deutlich erhöht werden kann.
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Selbst bei schlagartigem Versagen einer oder mehrerer der Verstärkungsfasern dient das Verstärkungselement bedingt durch seine hohe Weiterreißfestigkeit als Rissstopper und verhindert mithin die Schädigung weiterer Verstärkungsfasern. Zudem führt die Elastizität des Verstärkungselements bereits vor dem Versagen der Verstärkungsfasern zu einer Homogenisierung der Spannungen in dem Bauteil. In dem Bauteil auftretende Spannungen werden mithin durch das Verstärkungselement in benachbarte Bereiche des Bauteils eingeleitet beziehungsweise abgeleitet. Durch die somit vorliegende gleichmäßigere Verteilung der Spannungen kann das Bauteil insgesamt höheren Belastungen standhalten. Selbst bei einem Versagen der Verstärkungsfasern wird das Bauteil bedingt durch das zusätzlich in der Matrix vorgesehene Verstärkungselement in Form gehalten, sodass es seine Funktion, beispielsweise an dem Kraftfahrzeug, weiterhin zumindest größtenteils ausfüllen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern Glasfasern oder Kohlenstofffasern sind. Grundsätzlich können also anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern, oder organische Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, als Verstärkungsfasern Verwendung finden. Während die Glasfasern aus Glas bestehen, werden Kohlenstofffasern üblicherweise lediglich aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt. Diese Materialien werden beispielsweise durch Pyrolyse in Kohlenstoff umgewandelt. Selbstverständlich sind jedoch auch Verstärkungsfasern aus anderen Materialien einsetzbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Metall Eisen oder Stahl ist. Das Verstärkungselement besteht mithin vollständig aus Eisen oder Stahl oder weist diese Materialien zumindest auf. Grundsätzlich kann das Verstärkungselement jedoch aus einem beliebigen Material bestehen, welches von dem Verstärkungsfasermaterial verschieden ist. Das Verstärkungselementmaterial wird dabei beispielsweise derart ausgewählt, dass das Verstärkungselement eine größere Bruchdehnung ermöglicht als die Verstärkungsfasern. Beispielsweise ist das Verstärkungselementmaterial, unabhängig von den vorstehend genannten Materialien, derart gewählt, dass das Verstärkungselement eine Bruchdehnung von mehr als 1,5%, mehr als 2%, mehr als 3%, mehr als 4% oder mehr als 5% aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verstärkungselement in Form eines Gitters, zumindest einer Faser, insbesondere einer Vielzahl an Fasern, einer Matte oder eines Blechs vorliegt. Das Verstärkungselement kann also als einzelnes Element vorliegen oder alternativ mehrere Fasern beziehungsweise Stäbe aufweisen. Liegt es beispielsweise in Form des Gitters vor, so sind mehrere Fasern beziehungsweise Stäbe vorgesehen, welche einander kreuzend miteinander verbunden, insbesondere aneinander befestigt sind. Alternativ dazu kann das Gitter durch Stanzen aus einem Blech hergestellt sein. Das Verstärkungselement kann jedoch auch lediglich in Form der Faser vorliegen, welche sich durch die Matrix erstreckt, und diese weitgehend, bevorzugt vollständig, durchgreift. Besteht das Verstärkungselement aus mehreren Fasern, so können diese beispielsweise in Gestalt eines Rovings vorliegen, wobei die Fasern in diesem Fall unidirektional zueinander vorliegen. Die Matte besteht beispielsweise aus mehreren Fasern, die miteinander verbunden sind, sodass die Matte beispielsweise als Gewebe oder Gelege vorliegt. Das Blech weist eine in Bezug auf seine übrigen Erstreckungen geringe Stärke beziehungsweise Dicke auf. Beispielsweise ist es dünner als 1 mm, dünner 500 μm, dünner als 250 μm oder dünner als 100 μm.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bauteil ein Strukturbauteil mit wenigstens einer von dem Faserverbundmaterial zumindest bereichsweise eingeschlossenen Kammer ist. Das Bauteil beziehungsweise Strukturbauteil zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass es zumindest einen Hohlraum, nämlich die Kammer, aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Vielzahl von Kammern in dem Strukturbauteil vorgesehen, welche beispielsweise durch von dem Bauteil ausgebildeten Stegen voneinander abgegrenzt werden. Mithilfe der Kammern wird das Gewicht des Bauteils deutlich reduziert, während die Stabilität beziehungsweise Steifigkeit des Bauteils bedingt durch den wenigstens einen Steg erhalten, wenn nicht sogar verbessert wird. Die Kammer muss nicht notwendigerweise vollständig von dem Bauteil eingeschlossen sein, auch wenn dies selbstverständlich der Fall sein kann. Es reicht vielmehr aus, wenn die Kammer randoffen in dem Strukturbauteil vorliegt. Derartige Strukturbauteile werden häufig in Form von Integralträgern oder dergleichen eingesetzt.
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Vorteilhafterweise kann zudem vorgesehen sein, dass in der Kammer ein Versteifungselement angeordnet ist, insbesondere die Kammer mit dem Versteifungselement vollständig ausgefüllt ist. Das Versteifungselement besteht aus einem Versteifungsmaterial, welches von dem Verstärkungsfasermaterial, dem Verstärkungselementmaterial und/oder dem Matrixmaterial bevorzugt verschieden ist. Das Versteifungselement dient der Erhöhung der Festigkeit beziehungsweise Steifigkeit des Bauteils, wobei jedoch gleichzeitig das Gewicht gering gehalten werden soll. Bevorzugt weist das Versteifungsmaterial daher eine geringe Dichte auf, die insbesondere kleiner ist als die Dichte des Matrixmaterials. Bevorzugt steht das Versteifungselement in permanentem Berührkontakt mit gegenüberliegenden Wänden der Kammer, um diese gegeneinander abzustützen. Dabei ist es jedoch nicht notwendig, dass das Versteifungselement die Kammer vollständig ausfüllt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jedoch genau dies vorgesehen, um alle Wände der Kammer gegenüber der jeweils gegenüberliegenden Wand abzustützen und mithin die Festigkeit beziehungsweise Steifigkeit des Bauteils deutlich zu erhöhen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Versteifungselement aus Kunststoff, insbesondere geschäumtem Kunststoff, besteht. Die Verwendung des Kunststoffs ist vorteilhaft, weil somit ein äußerst geringes Gewicht des Bauteils erzielt werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Kunststoff geschäumt ist, also beispielsweise über eine Porenstruktur verfügt, wobei die Poren mit einem Fluid, insbesondere einem Gas, beispielsweise Luft, gefüllt sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere miteinander verbundene, aus dem Faserverbundmaterial bestehende Faserverbundschichten vorgesehen. Werden diese Faserverbundschichten bereichsweise voneinander beabstandet angeordnet, also beispielsweise lediglich an ihren Rändern miteinander verbunden, so kann auf einfachem Weg die Kammer ausgebildet werden und mithin das Bauteil als Strukturbauteil vorliegen. Die mehreren Faserverbundschichten liegen insbesondere dann vor, wenn das Bauteil als Sheet Molding Compound (SMC) vorliegt und mithin in einem SMC-Verfahren hergestellt ist. Selbstverständlich kann das Bauteil auch als Resin Transfer Molding-Formteil (RTM-Formteil) vorliegen und insoweit in einem RTM-Verfahren hergestellt sein. Bei diesen Verfahren werden üblicherweise zumindest die Verstärkungsfasern, besonders bevorzugt jedoch zusätzlich das Verstärkungselement, entsprechend der gewünschten Form des Bauteils angeordnet und nachfolgend mit einer Formmasse zur Ausbildung der Matrix umspritzt. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines Prewoven-Verfahrens vorgesehen sein. Bei der Herstellung des Bauteils mithilfe des RTM-Verfahrens liegt es üblicherweise als massives Bauteil, also ohne vollständig abgeschlossene Kammer, sondern allenfalls mit wenigstens einer randoffenen Kammer, vor.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial ein Polymer, insbesondere ein Duroplast, Elastomer oder Thermoplast ist. Das Matrixmaterial liegt dabei beispielsweise als synthetisches Polymer beziehungsweise Kunststoff vor. Dabei kann wiederum zwischen einem Duroplast, einem Elastomer oder einem Thermoplast unterschieden werden, wobei das Elastomer auch ein thermoplastisches Elastomer (TPE) sein kann. Insbesondere das Elastomer beziehungsweise thermoplastische Elastomer weist eine sehr hohe Duktilität auf, sodass mithin ein Bauteil mit hervorragenden Eigenschaften erzielt werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass sich das Matrixmaterial aus mehreren verschiedenen Polymeren zusammensetzt. Es muss also nicht aus lediglich einem Polymer bestehen, sondern kann eine Mischung aus mehreren Polymeren, mithin also wenigstens einem Duroplast, wenigstens einem Elastomer und/oder wenigstens einem Thermoplast, darstellen. Auf diese Weise kann das Matrixmaterial an die jeweiligen Anforderungen des Bauteils angepasst werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils gemäß den vorstehenden Ausführungen. Dabei soll das Bauteil wenigstens bereichsweise aus einem Faserverbundmaterial bestehen, das eine Matrix aus einem Matrixmaterial und eine Vielzahl von in der Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern aus einem Verstärkungsfasermaterial aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verstärkungselement, das aus einem von dem Verstärkungsfasermaterial verschiedenen Verstärkungselement besteht, ebenfalls in die Matrix eingebettet wird. Das Verstärkungselementmaterial ist dabei Metall oder weist zumindest Metall auf. Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits eingegangen. Das Bauteil kann selbstverständlich gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Besonders bevorzugt wird das Verfahren zum Herstellen eines Sheet Molding Compounds oder eines Resin Transfer Molding-Formteils herangezogen. Bei ersterem wird dabei zunächst wenigstens eine Faserverbundschicht ausgebildet. Bevorzugt werden mehrere Faserverbundschichten ausgebildet und nachfolgend zum Herstellen des Bauteils miteinander verbunden. Jede der Faserverbundschichten kann dabei sowohl die Verstärkungsfasern als auch das Verstärkungselement, welche in diesem Fall gemeinsam in die Matrix eingebettet sind, aufweisen. Zum Herstellen des Resin Transfer Molding-Formteils werden zumindest die Verstärkungsfasern, bevorzugt jedoch auch zusätzlich das Verstärkungselement, gemeinsam angeordnet und nachfolgend mit der Matrix umspritzt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zunächst lediglich die Verstärkungsfasern mit der Matrix umspritzt werden und das Verstärkungselement nachträglich, beispielsweise in einem weiteren Spritzvorgang, an das Bauteil angefügt wird.
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Insoweit wird das Verstärkungselement beispielsweise einem Prepreg oder einer Preform hinzugefügt. Unter dem Prepreg ist dabei ein Halbzeug aus Fasern und einer ungehärteten Matrix, insbesondere aus einem Polymer, zu verstehen. Die Fasern liegen dabei besonders bevorzugt als Endlosfasern vor und können beispielsweise unidirektional, als Gewebe oder als Gelege angeordnet sein. Zum Herstellen der Preform werden die Verstärkungsfasern und besonders bevorzugt gleichzeitig auch das Verstärkungselement bereits in der Form des herzustellenden Bauteils angeordnet. Diese Anordnung wird als Preform bezeichnet, welche nachfolgend zum Ausbilden des Bauteils mit der Matrix umspritzt wird. Aus der Preform wird insoweit beispielsweise das RTM-Formteil erlangt.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Bauteil beziehungsweise dem Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden Bauteils werden hervorragende Festigkeitseigenschaften erzielt, welche insbesondere im Kraftfahrzeugbau vorteilhaft sind. Gleichzeitig kann das Gewicht des Bauteils gegenüber bekannten Bauteilen aus Metall deutlich reduziert werden. Auf diese Weise können zudem die Teileanzahl und die Werkzeugkosten, auch bei geringen Stückzahlen des Bauteils, verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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