DE102013005649B4

DE102013005649B4 - Verfahren zur Herstellung eines ein Lasteinleitungselement aufweisendes Faserverbundbauteil

Info

Publication number: DE102013005649B4
Application number: DE102013005649.7A
Authority: DE
Inventors: Julius Rausch; Felix Diebold
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: DE102013005649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ein Lasteinleitungselement (2) aufweisendes Faserverbundbauteils (1) aus Fasermaterial (1.1) und einem polymeren Matrixmaterial, vorzugsweise duro- oder thermoplastisches Material mittels eines Formwerkzeuges (10), bei dem das Lasteinleitungselement (2) mittels eines in dem Formwerkzeug (10) angeordneten Dorns (11) in dem Fasermaterial (1.1) fixiert und anschließend das Matrixmaterial injiziert wird. Erfindungsgemäß wird der Dorn (11) axial verschiebbar in dem Formwerkzeug (10) gelagert, nach dem Einlegen des Fasermaterials (1.1) in das Formwerkzeug (10) der Dorn (11) aus einer Ruheposition (I) in eine Arbeitsposition (II) verschoben, derart dass das Fasermaterial (1.1) unter Ausbildung einer Öffnung (3) ohne Faserschädigung durchstoßen und in der Arbeitsposition (II) des Dorns (11) ein axialer Formschluss mit dem in dem Formwerkzeug (10) axial verschiebbaren Lasteinleitungselement (2) hergestellt wird, und zur Fixierung des Lasteinleitungselementes (2) in dem Fasermaterial (1.1) der Dorn (11) zusammen mit dem Lasteinleitungselement (2) in seine Ruheposition (I) verschoben. Ferner betrifft die Erfindung ein mit dem Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ein Lasteinleitungselement aufweisendes Faserverbundbauteils (FVK-Bauteil) aus Fasermaterial und einem polymeren Matrixmaterial, vorzugsweise duro- oder thermoplastisch Material mittels eines Formwerkzeuges gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil.
Eine gattungsbildendes Verfahren ist aus der WO 2012/001660 A2 bekannt, bei dem zunächst ein Lasteinleitungselement mit einer in Längsrichtung verlaufenden Gewindebohrung auf ein äußeres Gewinde eines Dorns, welcher in einem Formwerkzeug herausnehmbar angeordnet ist, aufgeschraubt wird. Anschließend werden mehrere Faserschichten mit einer entsprechenden Öffnung für das Lasteinleitungselement auf das Werkzeug abgelegt, mit Harz als Matrixmaterial getränkt und ausgehärtet. Zum Schluss wird zur Fertigstellung des Faserverbundbauteils der Dorn aus dem Lasteinleitungselement und somit auch aus dem Werkzeug herausgedreht.
Ein Nachteil an diesem bekannten Verfahren gemäß der WO 2012/001660 A2 ist darin zu sehen, dass dessen Handhabung durch das Einbringen des Dorns, das anschließende Aufschrauben des Lasteinleitungselementes auf diesen Dorn und das am Ende des Prozesses erforderliche Ausschrauben des Domes aus dem Lasteinleitungselement sehr aufwändig und zeitraubend ist.
Desweiteren beschreibt die DE 10 2011 056 981 A1 unter Einsatz eines Formwerkzeugs ein Verfahren zur Herstellung eines aus Kunststoffmaterial bestehenden Bauteils, in welchem ein Lasteinleitungselement eingebettet ist. Bei diesem Verfahren wird die Einbettung des Lasteinleitungselementes in ein Formteil, welches aus einem Kunststoffmaterial besteht, vorgenommen, bevor das Formteil durch das Formwerkzeug ausgebildet wird. Die Einbettung des Lasteinleitungselementes erfolgt dadurch, dass zunächst ein Gelege aus einer Mehrzahl von flächigen und endlosfaserverstärkten Formteilen mit jeweils einer die Fasern umgebenden thermoplastischen Matrix in das Formwerkzeug eingelegt und in einen fließfähigen Zustand durch Erwärmen gebracht wird. Anschließend wird mittels eines Dorns des Formwerkzeugs das Gelege durchstoßen und das Lasteinleitungselement mittels des Dorns in das dadurch entstehende Loch gezogen und eingebettet. Zum Schluss wird zum Ausbilden des Bauteils das Gelege mittels des Formwerkzeugs verformt, abgekühlt und aus dem Formwerkzeug entnommen.
Ferner ist aus der JP S60-63 134A ein weiteres Verfahren zum Einbetten eines Lasteinleitungselementes in ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst in das Fasergelege mittels eines Dorns eine Bohrung eingebracht, indem die Fasern beiseitegeschoben werden. Anschließend wird das Lasteinleitungselement in diese Bohrung eingeführt, wobei dieses Lasteinleitungselement in axialer Richtung mit einem an den Durchmesser der Bohrung angepassten Abschnitt derart ausgeführt ist, dass das diesen Abschnitt umschließende Fasergelege von den benachbarten Abschnitten geklemmt wird. Das Verfahren wird durch Injektion von Harz und Aushärten abgeschlossen.
Schließlich beschreibt die JP S63-42 819A ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem im fließfähigen Zustand des thermoplastischen Materials Löcher gebohrt werden, anschließend eine Hülse in diese Bohrung eingebracht und eine Unterlegscheibe mit ihrem Innenloch auf einen an der Unterseite des Kunststoffbauteils überstehenden Teil der Hülse gepresst wird. Nach dem Aushärten des Materials werden die Hülse und die Unterlegscheibe wieder entfernt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, dass ein Faserverbundbauteil mit einem Lasteinleitungselement mit gegenüber dem Stand der Technik kürzeren Prozesszeiten hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine solches Verfahren zur Herstellung eines ein Lasteinleitungselement aufweisendes Faserverbundbauteils (FVK-Bauteil) aus Fasermaterial und einem Matrixmaterial mittels eines Formwerkzeuges, bei dem das Lasteinleitungselement mittels eines in dem Formwerkzeug angeordneten Dorns in dem Fasermaterial fixiert und anschließend das Matrixmaterial injiziert wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

– der Dorn axial verschiebbar in dem Formwerkzeug gelagert wird,
– nach dem Einlegen des trockenen Fasermaterials in das Formwerkzeug der Dorn aus einer Ruheposition in eine Arbeitsposition verschoben wird, derart dass das Fasermaterial unter Ausbildung einer Öffnung ohne Faserschädigung durchstoßen und in der Arbeitsposition des Dorns einen axialen Formschluss mit dem in dem Formwerkzeug axial verschiebbaren Lasteinleitungselement hergestellt wird, und
– zur Fixierung des Lasteinleitungselementes in dem Fasermaterial der Dorn zusammen mit dem Lasteinleitungselement in seine Ruheposition verschoben wird.

Dadurch dass der Dorn zur Formung einer Öffnung in dem in das Formwerkzeug eingelegten Fasermaterial in das Formwerkzeug integriert ist, ist nach dem Einbringen des Matrixwerkstoffes und dessen Aushärtung keine Nacharbeit erforderlich, die zusätzliche Herstellungskosten verursachen könnte.
Dadurch dass der Dorn durch beispielsweise aus Endlosfasern bestehenden Fasermaterial hindurchgeführt wird und dabei ein vorgeformtes Loch erzeugt, ohne diese Verstärkungsfasern lokal zu schädigen, wird mit dem derart erfindungsgemäß in das Fasermaterial mittels des Dorns eingeführten Lasteinleitungselementes eine wesentlich verbesserte Kraftübertragung realisiert.
Als Fasermaterial eignet sich eine trockene Preform für einen Duroplastprozess zur Herstellung eines Faserverbundbauteils oder ein thermoplastisches endlosfaserverstärktes Halbzeug.
Als polymeres Matrixmaterial ist sowohl ein duroplastisches als auch ein thermoplastisches Material geeignet.
Um ein leichtes Durchstoßen des Fasermaterials durch den Dorn beim Ausfahren aus seiner Ruhestellung in seine Arbeitsstellung zu ermöglichen, ist der Dorn mit einer konisch verlaufenden Spitze ausgebildet.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Lasteinleitungselement hülsenförmig mit einer Innenbohrung ausgebildet, wobei zur Herstellung des Kontaktes des Dorns mit dem Lasteinleitungselement die Spitze des Dorns in die Innenbohrung des Lasteinleitungselementes eingreift. Vorzugsweise sind hierzu die Spitze des Dorns und die Innenbohrung des Lasteinleitungselementes derart ausgebildet, dass bei der Herstellung des Kontaktes zwischen dem Dorn und dem Lasteinleitungselement eine gegenüber der Innenbohrung flüssigkeitsdichte Verbindung des Dorns mit dem Lasteinleitungselement entsteht. Damit ist sichergestellt, dass beim Zurückfahren des Dorns zusammen mit dem Lasteinleitungselement in die Ruhesitzposition verhindert wird, dass Matrixwerkstoff in das Lasteinleitungselement eindringen kann.
Die flüssigkeitsdichte Verbindung des Dorns mit dem Lasteinleitungselement wird in einfacher konstruktiver Weise weiterbildungsgemäß dadurch erreicht, dass die Innenbohrung des Lasteinleitungselementes mit einem an die konisch verlaufende Spitze angepasste konusförmige Randfläche ausgebildet wird. Zusätzlich kann auch eine umlaufende Dichtung in der Randfläche angeordnet werden.
Um eine einfache Kraftkopplung mit dem Lasteinleitungselement zu realisieren, ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Innenbohrung des Lasteinleitungselementes mit einem Gewinde ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Lasteinleitungselement zylinderförmig ausgebildet und weist einen zur Anlage an das Fasermaterial vorgesehenen radialen Flansch auf. Damit wird sichergestellt, dass die vorgesehene Endlage des Lasteinleitungselementes erreicht wird.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Dorn als Spreizdorn ausgebildet, wobei im ungespreizten Zustand der Spreizdorn aus seiner Ruheposition in seine Arbeitsposition verschoben und anschließend gespreizt wird. Damit kann das von dem Dorn vorgeformte Loch nach dem durchstoßen des Fasermaterials zusätzlich geweitet werden und damit ein schonendes Beiseiteschieben von beispielsweise aus in Phasen bestehenden Fasermaterial erreicht werden.
Ein solches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil mit einem Lasteinleitungselement zeichnet sich dadurch aus, dass eine faserschonende Platzierung des Lasteinleitungselementes im Rahmen eines mit einem Formwerkzeug realisierten automatisierten Verfahrens ermöglicht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 schematische Schnittdarstellungen eines Formwerkzeugs zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß der Erfindung in verschiedenen Fertigungsschritten,
2 schematische Draufsicht auf ein für die Herstellung des Faserverbundbauteils vorgesehenen Fasermaterials,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines mit einem Lasteinleitungselement formschlüssig verbundenen Dorns, und
4 schematische Schnittdarstellungen des als Spreizdorn ausgeführten Dorns des Formwerkzeuges gemäß den 1.
Die 1 zeigen den schematischen Aufbau eines Formwerkzeuges 10 mit einem Werkzeugunterteil 12 und einem Werkzeugoberteil 13 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 1, wobei diese 1a) bis 1c) jeweils einen Fertigungsschritt des Formwerkzeuges 10 zeigen, bei dem dieses Formwerkzeug 10 unter Einschluss eines zwischen einer Formungsfläche 12.1 des Werkzeugunterteils 11 und einer Formungsfläche 13.1 des Werkzeugoberteils 12 liegenden trockenen Fasermaterials 1.1 geschlossen ist. Die beiden Formungsflächen 12.1 und 13.1 verlaufen parallel zueinander in x-Richtung.
Als Fasermaterial 1.1 wird ein trockenes textiles, endlosfaserverstärktes Faserhalbzeug (Faserpreform für einen duroplastischen oder thermoplastischen Prozess) eingesetzt, das als Gewebe oder Gelege entsprechend der Geometrie des herzustellenden Faserverbundbauteils 1 zugeschnitten ist.
Gemäß den 1a bis 1c ist in dem Werkzeugunterteil 12 ein als Metallstift ausgebildeter Dorn 11 senkrecht zur Formungsfläche 12.1 in einem Führungskanal 12.2 verschiebbar in z-Richtung angeordnet. 1a) zeigt diesen Dorn 11 in einer Ruheposition I, in der sich der Dorn 11 ohne einen Überstand auf der Formungsfläche 12.1 bildend vollständig versenkt im Werkzeugunterteil 12 befindet. In Richtung des eingelegten Fasermaterials 1.1 ist der Dorn 11 endseitig mit einer konisch verlaufenden Spitze 11.1 mit einer kegelstumpfförmige Fläche 11.2 (vgl. 3) ausgebildet.
Weiterhin ist gemäß 1a in dem Werkzeugoberteil 13 des Formwerkzeuges 10 ein Lasteinleitungselement 2 senkrecht zur Formungsfläche 13.1 verschiebbar und axial fluchtend mit dem Dorn 11 in einem Führungskanal 13.2 ebenso vollständig versenkt angeordnet. Dieses Lasteinleitungselement 2 ist nach 3 hülsenförmig mit einer ein Innengewinde 2.2 aufweisende Innenbohrung 2.1 ausgebildet, wobei auf der zur Formungsfläche 13.1 abgewandten Stirnseite ein radial über die Umfangsfläche des Lasteinleitungselementes 2 radial überstehender Flansch 2.3 angeformt ist.
Ausgehend von dem Fertigungszustand nach 1a wird der Dorn 11 aus seiner Ruheposition I in eine Arbeitsposition II, beispielsweise hydraulisch mittels Zylinder oder Schieber ausgefahren, wobei hierdurch das Fasermaterial 1.1 von dem Dorn 11 unter Formung einer Öffnung 3 durchstoßen wird. Beim Durchdringen des Dorns 11 des Fasermaterials 1.1 werden dessen Endlosfasern aufgrund der kegelstumpfförmigen Fläche 11.2 der Spitze 11.1 ohne zu brechen zur Seite verschoben, wie dies in 2b schematisch dargestellt ist. 2a zeigt den Zustand des Fassungsmaterials 1.1 mit parallel verlaufenden Endlosfasern bevor der Dorn 11 aus der Ruheposition I in die Arbeitsposition II verschoben wird.
Das Lasteinleitungselement 2 ist dabei derart in dem Führungskanal 13.2 angeordnet, dass der in die Arbeitsposition II ausgefahrene Dorn 11 in diesem gegenüberliegenden Führungskanal 13.2 eintaucht und dabei das Lasteinleitungselement 2 unter Bildung eines Formschlusses kontaktiert. Hierzu sind der Dorn 11 und das Lasteinleitungselement 2 axial miteinander fluchtend ausgerichtet.
Der Formschluss zwischen dem Dorn 11 und dem Lasteinleitungselement 2 ist in 3 dargestellt und wird durch eine Anpassung der Geometrien des Dorns 11 und der Innenbohrung 2.1 des Lasteinleitungselementes 2 erreicht. Hierzu fährt die Spitze 11.1 des Dorns 11 in die Innenbohrung 2.1 des Lasteinleitungselementes 2 ein, so dass die diese Spitze 11.1 bildende kegelstumpfförmige Fläche 11.2 an einer Randfläche 2.4 der Innenbohrung 2.1 des Dorns 11 flächenschlüssig anliegt und damit eine als umlaufende Dichtung wirkende Flächenpressung zwischen der Fläche 11.2 und der Randfläche 2.4 erzeugt und dadurch der Raum der Innenbohrung 2.1 gegen das möglicherweise Eindringen von Matrixmaterial abgedichtet wird.
Zusätzlich kann in der Randfläche 2.4 der Innenbohrung 2.1 auch eine umlaufende Dichtung angeordnet werden.
Im Anschluss an den Fertigungszustand nach 1b wird im darauf folgenden Verfahrensschritt der Dorn 11 zusammen mit dem Lasteinleitungselement 2 wieder zurück in seine Ruheposition I bewegt, wobei dies dadurch erreicht werden kann, dass der Dorn 11 durch das beispielsweise hydraulisch mittels Zylinder oder Schieber bewegte Lasteinleitungselement 2 in seine Ruheposition I zurückgedrückt wird. Diesen Fertigungszustand zeigt 1c. Bei dieser Bewegung aus der Arbeitsposition II zurück in die Ruheposition I bleibt der Dorn 11 mit dem Lasteinleitungselement 2 verbunden. Aufgrund dieser Bewegung wird das Lasteinleitungselement 2 in die zuvor von dem Dorn 11 vorgeformte Öffnung 3 eingeführt, ohne dass sich dieses Loch 3 wieder schließen kann. Bei entsprechendem Durchmesser des Lasteinleitungselementes 2 kann dabei die Öffnung 3 sogar zusätzlich geweitet werden. Damit befindet sich das Lasteinleitungselement 2 gemäß 3c in seiner vorgesehenen Endposition, in der der Flansch 2.3 des Lasteinleitungselementes 2 auf der Oberfläche des Fasermaterials 1.1 anliegt.
In diesem Fertigungszustand gemäß 1c wird nun ein Matrixwerkstoff, beispielsweise Harz oder thermoplastisches Spritzgussmaterial in bekannter Weise injiziert und ausgehärtet. Nach dem Öffnen des Formwerkzeuges 10 kann das fertige Faserverbundbauteil 1 entnommen werden.
Anstelle des als Metallstift ausgebildeten Dorns 11 gemäß den 1 bis 3 kann dieser Dorn 11 auch als Spreizdorn gemäß den 4 ausgeführt werden. Ein solcher Spreizdorn 11 besteht gemäß 4a aus vier in axialer Richtung verlaufenden kreisringförmigen und radial beweglichen Segmenten 11.3, die zusammen den zylinderförmigen Spreizdorn 11 bilden. Diese kreisringförmigen Segmente 11.3 können radial nach außen auseinanderfahren, wie dies in 4b dargestellt ist, wodurch der Durchmesser dieses Spreizdorns 11 vergrößert wird.
Mit einem solchen Spreizdorn 11 wird zunächst, wie oben erläutert, nach dessen Bewegung in die Arbeitsposition II eine erste Öffnung geformt und dann anschließend durch das Auseinanderfahren der Segmente 11.3 des Spreizdorns 11 diese erste Öffnung zu einer zweiten Öffnung 3 aufgeweitet, bevor dieser Spreizdorn 11 zusammen mit dem Lasteinleitungselement 2 wieder in die Ruheposition I geschoben wird.
Bezugszeichenliste

1: Faserverbundbauteil
1.1: Fasermaterial des Faserverbundbauteils 1
2: Lasteinleitungselement
2.1: Innenbohrung des Lasteinleitungselementes 2
2.2: Innengewinde der Innenbohrung 2.1
2.3: Flansch
2.4: Randfläche der Innenbohrung 2.1
3: Öffnung in dem Fasermaterial 1.1
10: Formwerkzeug
11: Dorn, Spreizdorn
11.1: Spitze des Dorns 11
11.2: kegelstumpfförmige Fläche der Spitze 11.1
11.3: Segmente des Spreizdorns
12: Werkzeugunterteil
12.1: Formungsfläche des Werkzeugunterteils 12
12.2: Führungskanal des Dorns 11
13: Werkzeugoberteil
13.1: Formungsfläche des Werkzeugoberteils 13
13.2: Führungskanal des Lasteinleitungselementes 1

Claims

Verfahren zur Herstellung eines ein Lasteinleitungselement (2) aufweisendes Faserverbundbauteils (1) aus Fasermaterial (1.1) und einem polymeren Matrixmaterial mittels eines Formwerkzeuges (10), bei dem das Lasteinleitungselement (1) mittels eines in dem Formwerkzeug (10) angeordneten Dorns (11) in dem Fasermaterial (1.1) fixiert und anschließend das Matrixmaterial injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Dorn (11) axial verschiebbar in dem Formwerkzeug (10) gelagert wird, – nach dem Einlegen des Fasermaterials (1.1) in das Formwerkzeug (10) der Dorn (11) aus einer Ruheposition (I) in eine Arbeitsposition (II) verschoben wird, derart dass das Fasermaterial (1.1) unter Ausbildung einer Öffnung (3) ohne Faserschädigung durchstoßen und in der Arbeitsposition (II) des Dorns (11) ein axialer Formschluss mit dem in dem Formwerkzeug (10) axial verschiebbaren Lasteinleitungselement (2) hergestellt wird, und – zur Fixierung des Lasteinleitungselementes (2) in dem Fasermaterial (1.1) der Dorn (11) zusammen mit dem Lasteinleitungselement (2) in seine Ruheposition (I) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Öffnung (3) in dem Fasermaterial (1.1) der Dorn (11) mit einer konisch verlaufenden Spitze (11.1) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasteinleitungselement (2) hülsenförmig mit einer Innenbohrung (2.1) ausgebildet wird, wobei zur Herstellung des Kontaktes des Dorns (11) mit dem Lasteinleitungselement (2) die Spitze (11.1) des Dorns (11) in die Innenbohrung (2.1) des Lasteinleitungselementes (2) eingreift.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (11.1) des Dorns (11) und die Innenbohrung (2.1) des Lasteinleitungselementes (2) derart ausgebildet sind, dass bei der Herstellung des Kontaktes zwischen dem Dorn (11) und dem Lasteinleitungselement (2) eine gegenüber der Innenbohrung (2.1) flüssigkeitsdichte Verbindung des Dorns (11) mit dem Lasteinleitungselement (2) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der flüssigkeitsdichten Verbindung des Dorns (11) mit dem Lasteinleitungselement (2) die Innenbohrung (2.1) desselben mit einem an die konisch verlaufende Spitze (11.1) angepassten Randfläche (2.4) ausgebildet wird, wobei vorzugsweise die Randfläche (2.4) der Innenbohrung (2.1) eine umlaufende Dichtung aufweist.
Verfahren nach der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung (2.1) des Lasteinleitungselementes (2) mit einem Gewinde (2.2) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasteinleitungselement (2) zylinderförmig ausgebildet wird und einen zur Anlage an das Fasermaterial (1.1) vorgesehenen radialen Flansch (2.3) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (11) als Spreizdorn ausgebildet ist, wobei im ungespreizten Zustand der Spreizdorn (11) aus seiner Ruheposition (I) in seine Arbeitsposition (II) verschoben und anschließend gespreizt wird.
Faserverbundbauteil (1) mit einem Lasteinleitungselement (2), welches nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.