DE102012102290A1 - Faserverbundbauteil eines Kraftfahrzeugs, Monatageteil für ein solches Faserverbundbauteil und Herstellverfahren - Google Patents

Faserverbundbauteil eines Kraftfahrzeugs, Monatageteil für ein solches Faserverbundbauteil und Herstellverfahren Download PDF

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Abstract

Montageteil (11) zur Anbindung eines Faserverbundbauteils eines Kraftfahrzeugs an mindestens ein angrenzendes Bauteil des Kraftfahrzeugs, wobei das Montageteil unter Ausbildung von Rippen und/oder Stegen und/oder Vorsprüngen und/oder Rücksprüngen dreidimensional konturiert ist, und wobei das Montageteil (11) aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Montageteil zur Anbindung eines Faserverbundbauteils eines Kraftfahrzeugs an mindestens ein angrenzendes Bauteil des Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Faserverbundbauteil, ein Verfahren zum Herstellen des Montageteils und ein Verfahren zum Herstellen des Faserverbundbauteils.
  • In Kraftfahrzeugen kommen zur Realisierung von Gewichtseinsparungen zunehmend Faserverbundbauteile aus kohlefaserverstärkten oder glasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz. Dabei ist es erforderlich, die Faserverbundbauteile mit mindestens einem angrenzenden Bauteil des Kraftfahrzeugs zu verbinden. Hierzu dienen in das jeweilige Faserverbundbauteil eingelagerte Montageteile, die auch als Inserts bezeichnet werden. Nach dem Stand der Technik sind diese in ein Faserverbundbauteil eingelagerten Montageteile metallisch ausgebildet, insbesondere aus Aluminium.
  • Die Verwendung solcher metallischer Montageteile in Faserverbundbauteilen zur Anbindung des Faserverbundbauteils an ein angrenzendes Bauteil eines Kraftfahrzeugs macht es erforderlich, die Montageteile vor Einbringen derselben in das Faserverbundbauteil mit einem Haftvermittler sowie einem Korrosionsschutz zu beschichten. Hierdurch erhöht sich der Herstellungsaufwand.
  • Als Stand der Technik, der Faserverbundbauteile mit metallischen Montageteilen zeigt, sei auf die WO 2011/051227 A1 verwiesen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Montageteil zur Anbindung eines Faserverbundbauteils eines Kraftfahrzeugs an mindestens ein angrenzendes Bauteil des Kraftfahrzeugs, ein neuartiges Faserverbundbauteil und Verfahren zum Herstellen des Montageteils sowie des Faserverbundbauteils zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Montageteil zur Anbindung eines Faserverbundbauteils eines Kraftfahrzeugs an mindestens ein angrenzendes Bauteil des Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Montageteil ist aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet.
  • Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, Montageteile für Faserverbundbauteile, die in das Faserverbundbauteil zur Anbindung desselben an ein angrenzendes Bauteil eingelagert bzw. eingebettet sind, selbst aus einem Faserverbundwerkstoff zu fertigen. Hierdurch ist es nicht wie nach dem Stand der Technik erforderlich, die Montageteile vor Einlagerung derselben in das Faserverbundbauteil mit einem Haftvermittler und einem Korrosionsschutz zu beschichten. Hierdurch reduziert sich der Herstellungsaufwand. Weiterhin kann bedingt dadurch, dass das Faserverbundbauteil sowie die Montageteile aus einem typgleichen Werkstoff gefertigt sind, eine innige Verbindung zwischen den Montageteilen und dem Faserverbundbauteil gewährleistet werden.
  • Vorzugsweise ist das Montageteil aus einem kohlefaserverstärkten oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit relativ kurzen Fasern gebildet, wobei die relativ kurzen Fasern eine Länge zwischen 3 mm und 100 mm, vorzugsweise eine Länge zwischen 20 mm und 80 mm, aufweisen. Diese definierte Länge der relativ kurzen Fasern für das Montageteil erlaubt einerseits die Gewährleistung einer ausreichenden Festigkeit des Montageteils und andererseits die Bereitstellung einer dreidimensionalen Konturierung analog zu metallischen Montageteilen.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Montageteil zwischen 30 Vol.-% bis 70 Vol.-%, insbesondere zwischen 40 Vol.-% bis 65 Vol.-%, Fasern und ferner zwischen 70 Vol.-% bis 30 Vol.-%, insbesondere zwischen 60 Vol.-% bis 35 Vol.-%, einen Duroplastwerkstoff auf. Diese Zusammensetzung des Montageteils aus Fasern und Duroplast ist zur Gewährleistung einer hohen Festigkeit der Montageteile von Vorteil.
  • Zum Herstellen eines solchen Montageteils wird gemäß Anspruch 10 zunächst eine flüssige bzw. fleißfähige Mischung aus Kunststoff und Fasern bereitgestellt, wobei die Mischung in eine dreidimensional konturierte Werkzeugform für das Montageteil eingefüllt und anschließend nach Verschließen der Werkzeugform das Montageteil für eine bestimmte Dauer bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck ausgehärtet wird. Das obige Verfahren erlaubt mit einfachen Mitteln die Herstellung dreidimensional konturierter Montageteile mit ausreichender Festigkeit aus einem Faserverbundwerkstoff. In diesem Zusammenhang bedeutet „fleißfähig“ nicht, dass die Mischung bereits bei Raumtemperatur fleißfähig sein muss. Vielmehr kann die Mischung bei Raumtemperatur z.B. als Platte vorliegen, von der eine entsprechend abgewogene Menge in die Werkzeugform eingefüllt wird. Nach dem Verschließen der Werkzeugform wird dann, aufgrund Temperatur bzw. Druck, eine dem dreidimensional konturierten Montageteil entsprechende Verteilung der Mischung erzielt.
  • Vorzugsweise wird das Montageteil für eine Dauer zwischen 0,5 min und 10 min bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C und einem Druck von mehr als 100 bar in der Werkzeugform ausgehärtet. Die obigen Prozessparameter sind von Vorteil, wobei das Werkzeug während des Aushärtens des Montageteils vorzugsweise isotherm beheizt wird.
  • Das erfindungemäße Faserverbundbauteil ist in Anspruch 7 und das Verfahren zum Herstellen des Faserverbundbauteils ist in Anspruch 13 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil eines Kraftfahrzeugs im Querschnitt im Bereich eines eingelagerten Montageteils; und
  • 2 ein erstes Montageteil in unterschiedlichen perspektivischen Ansichten; und
  • 3 ein zweites Montageteil in unterschiedlichen perspektivischen Ansichten.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Montageteil zur Anbindung eines Faserverbundbauteils eines Kraftfahrzeugs an mindestens ein angrenzendes Teil des Kraftfahrzeugs, wobei ein solches Montageteil in das jeweiligen Faserverbundbauteil eingelagert bzw. eingebettet ist und auch als Insert bezeichnet wird.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Faserverbundbauteil eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem solchen Montageteil sowie Verfahren zur Herstellung des Montageteils sowie des Faserverbundbauteils.
  • 1 zeigt einen ausschnittsweisen, schematisierten Querschnitt durch ein Faserverbundbauteil 10 eines Kraftfahrzeugs im Bereich eines in das Faserverbundbauteil 10 eingelagerten bzw. eingebetteten Montageteils 11, welches der Anbindung des Faserverbundbauteils 10 an mindestens ein angrenzendes Bauteil dient.
  • Wie 1 entnommen werden kann, ist das Montageteil 11 in das Faserverbundbauteil 10 eingelagert bzw. eingebettet, wobei in das Montageteil 11 eine Ausnehmung 12 mit einem Innengewinde 13 eingeschnitten ist, um so ein direktes Verschrauben des Faserverbundbauteils 10 über das Montageteil 11 mit einem angrenzenden Bauteil zu gewährleisten.
  • Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass in die Ausnehmung 12 eine Gewindehülse mit einem Innengewinde eingesetzt ist, um das Faserverbundbauteil 11 indirekt über die Gewindehülse mit einem angrenzenden Bauteil zu verschrauben.
  • Bei dem oder jedem in das Faserverbundbauteil 10 eingelagerten Montageteil 11 handelt es sich um ein dreidimensional konturiertes Montageteil 11, welches Rippen und/oder Stege und/oder Vorsprünge und/oder Rücksprünge aufweist. 2 und 3 zeigen exemplarisch dreidimensional konturierte Montageteile 11' bzw. 11'' in unterschiedlichen perspektivischen Ansichten, die unter Ausbildung von Rippen 14 und/oder Stegen 15 und/oder Vorsprüngen 16 und/oder Rücksprüngen 17 dreidimensional konturiert sind.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind die Montageteile 11, 11' bzw. 11'' für ein Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt, nämlich aus einem kohlefaserverstärkten oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit relativ kurzen Fasern. Beim kohlefaserverstärkten oder glasfaserverstärkten Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um einen Duroplastwerkstoff, insbesondere um ein Epoxydharz oder ein Vinylesterharz oder Polyurethan.
  • Die relativ kurzen Fasern des Montageteils 11, 11' bzw. 11'' weisen eine Länge zwischen 3 mm und 100 mm auf. Vorzugsweise beträgt die Länge der relativ kurzen Fasern des Montageteils 11, 11' bzw. 11'' zwischen 20 mm und 80 mm.
  • Nach einer ersten Variante der Erfindung weist das Montageteil 11, 11' bzw. 11'' Fasern mit ausschließlich einer Länge auf. Dabei kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass das Montageteil 11, 11' bzw. 11'' kurze Fasern mit ausschließlich einer Länge, nämlich Fasern mit einer Länge von 25 mm oder 70 mm oder 75 mm, aufweist.
  • Nach einer zweiten Variante der Erfindung weist das jeweilige Montageteil 11, 11' bzw. 11'' relativ kurze Fasern mit mindestens zwei unterschiedlichen Längen auf, so zum Beispiel erste Fasern mit einer Länge von 25 mm und zweite Fasern mit einer Länge von 50 mm. Ebenso ist es möglich, dass das Montageteil 11, 11' bzw. 11'' erste Fasern mit einer Länge von 10 mm und zweite Fasern mit einer Länge von 75 mm aufweist.
  • Die Verwendung unterschiedlich langer Fasern für das Montageteil ist von Vorteil, da hierdurch einerseits eine ausreichende Festigkeit des jeweiligen Montageteils 11, 11' und 11'' und andererseits eine beliebige dreidimensionale Kontur derselben bereitgestellt werden kann.
  • Vorzugsweise weist das jeweilige Montageteil 11, 11' bzw. 11'' zwischen 30 Vol.-% bis 70 Vol.-% Fasern und zwischen 70 Vol.-% und 30 Vol.-% Duroplast auf.
  • Insbesondere verfügt das Montageteil 11, 11' bzw. 11'' zwischen 40 Vol.-% und 65 Vol.-% Fasern und zwischen 60 Vol.-% und 35 Vol.-% Duroplast, insbesondere Epoxydharz.
  • Die Erfindung schlägt erstmals Montageteile 11, 11' bzw. 11'' für ein Faserverbundbauteil 10 eines Kraftfahrzeugs vor, die selbst aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt sind. Dabei kommen im jeweiligen Montageteil 11, 11' bzw. 11'' relativ kurze Fasern in einem definierten Mischungsverhältnis mit einem Kunststoff zum Einsatz. Hierdurch können dreidimensional konturierte Montageteile aus einem Faserverbundwerkstoff bereitgestellt werden, die eine dreidimensionale Kontur von aus dem Stand der Technik bekannten, metallischen Montageteilen bei einer ausreichend hohen Festigkeit aufweisen.
  • Wie bereits erwähnt, sind demnach das Faserverbundbauteil 10 sowie das oder jedes in dasselbe eingelagerte Montageteil 11, 11' bzw. 11'' jeweils aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt, wobei im Faserverbundbauteil 10 sowie in dem oder jedem Montageteil 11, 11' bzw. 11'' werkstoffidentische Fasern unterschiedlicher Länge sowie ein werkstoffidentischer Kunststoff, insbesondere Duroplast, zum Einsatz kommen. Bei den Fasern des Faserverbundbauteils 10 handelt es sich insbesondere um relativ lange Endlosfasern, nämlich um relativ lange Kohlefasern oder Glasfasern.
  • Zur Herstellung des jeweiligen Montageteils 10, 10' bzw. 10'' wird so vorgegangen, dass zunächst eine flüssige, insbesondere zähflüssige, bzw. fließfähige Mischung aus Kunststoff und Fasern bereitgestellt wird. Diese Mischung verfügt vorzugsweise zwischen 30 Vol.-% und 70 Vol.-% Fasern und im Rest Kunststoff, insbesondere Duroplast. Insbesondere verfügt diese Mischung zwischen 40 Vol.-% und 65 Vol.-% Fasern und im Rest Duroplast, insbesondere Epoxydharz.
  • Diese Mischung wird abgewogen und die abgewogene Mischung wird in eine dreidimensional konturierte Werkzeugform für das Montageteil eingefüllt. Anschließend wird die Werkzeugform für das Montageteil 11, 11' bzw. 11'' verschlossen und das Montageteil in einem Pressverfahren mit einem beheizten Werkzeug ausgehärtet, wobei das Aushärten im Werkzeug mit einer definierten Temperatur, mit einem definierten Druck für eine definierte Dauer erfolgt. Insbesondere erfolgt das Aushärten des Montageteils 11, 11' bzw. 11'' in einem isotherm beheizten Werkzeug bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C, bei einem Druck von mehr als 100 bar für eine Dauer zwischen 0.5 Minuten, d.h. 30 Sekunden, und 10 Minuten.
  • Zur Herstellung des Faserverbundbauteils 10 werden derart hergestellte Montageteile 11, 11' bzw. 11'' in ein nicht gehärtetes Halbzeug für das Faserverbundbauteil eingelegt, wobei es sich bei diesem Halbzeug um ein sogenanntes Prepreg aus Fasern und Duroplast oder um ein trockenes Halbzeug ausschließlich aus Fasern handeln kann, in welches nachfolgend nach dem Positionieren der Montageteile Duroplast, insbesondere Epoxydharz, eingespritzt bzw. injiziert wird. Anschließend wird das Faserverbundbauteil mit den eingelagerten bzw. eingebetteten und bereits ausgehärten Montageteilen 11, 11' bzw. 11'' ausgehärtet, wobei hierbei die Montageteile 11, 11' bzw. 11'' eine innige Verbindung mit dem werkstoffidentischen Kunststoff des Faserverbundbauteils 10 eingehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2011/051227 A1 [0004]

Claims (13)

  1. Montageteil (11, 11' bzw. 11'') zur Anbindung eines Faserverbundbauteils eines Kraftfahrzeugs an mindestens ein angrenzendes Bauteil des Kraftfahrzeugs, wobei das Montageteil unter Ausbildung von Rippen und/oder Stegen und/oder Vorsprüngen und/oder Rücksprüngen dreidimensional konturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageteil (11, 11' bzw. 11'') aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist.
  2. Montageteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageteil aus einem kohlefaserverstärkten oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit relativ kurzen Fasern gebildet ist.
  3. Montageteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die relativ kurzen Fasern eine Länge zwischen 3 mm und 100 mm, vorzugsweise eine Länge zwischen 20 mm und 80 mm, aufweisen.
  4. Montageteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageteil Fasern mit ausschließlich einer Länge aufweist.
  5. Montageteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageteil Fasern mit mindestens zwei unterschiedlichen Längen aufweist.
  6. Montageteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageteil (11, 11' bzw. 11'') zwischen 30 Vol.-% bis 70 Vol.-%, insbesondere zwischen 40 Vol.-% bis 65 Vol.-%, Fasern und zwischen 70 Vol.-% bis 30 Vol.-%, insbesondere zwischen 60 Vol.-% bis 35 Vol.-%, einen Duroplastwerkstoff aufweist.
  7. Faserverbundbauteil (10) eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem in das Faserverbundbauteil eingelagerten bzw. eingebetteten Montageteil (11, 11' bzw. 11'') zur Anbindung des Faserverbundbauteils an mindestens ein angrenzendes Bauteil des Kraftfahrzeugs, wobei das oder jedes Montageteil unter Ausbildung von Rippen und/oder Stegen und/oder Vorsprüngen und/oder Rücksprüngen dreidimensional konturiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Montageteil (11, 11’, 11’’) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
  8. Faserverbundbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil aus einer kohlefaserverstärkten oder einem glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff mit relativ langen Fasern gebildet ist.
  9. Faserverbundbauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil und die Montageteile aus werkstoffidentischen Fasern jedoch unterschiedlicher Länge und aus einem werkstoffidentischen Duroplast gebildet sind.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Montageteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zunächst eine flüssige bzw. fleißfähige Mischung aus Kunststoff und Fasern bereitgestellt wird, wobei die Mischung in eine dreidimensional konturierte Werkzeugform für das Montageteil eingefüllt und anschließend nach Verschließen der Werkzeugform das Montageteil für eine bestimmte Dauer bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck ausgehärtet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageteil für eine Dauer zwischen 0,5 min und 10 min bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C und einem Druck von mehr als 100 bar in der Werkzeugform ausgehärtet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige bzw. fleißfähige Mischung Fasern zwischen 30 Vol.-% bis 70 Vol.-%, insbesondere zwischen 40 Vol.-% bis 65 Vol.-%, und Duroplast zwischen 70 Vol.-% bis 30 Vol.-%, insbesondere zwischen 60 Vol.-% bis 35 Vol.-%, aufweist, wobei die Fasern vorzugsweise eine Länge zwischen 3 mm und 100 mm, insbesondere eine Länge zwischen 20 mm und 80 mm, aufweisen.
  13. Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zunächst Montageteile nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 bereitgestellt werden, und wobei anschließend die gehärteten Montageteile in ein nicht gehärtetes Halbzeug für das Faserverbundbauteil eingelegt werden und anschließend das Faserverbundbauteil ausgehärtet wird.
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