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Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil mit einem lokal verstärkten Anbindungsabschnitt sowie ein Verfahren zur Herstellung des Faserverbundbauteils.
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Faserverbundbauteile weisen in der Regel eine Kunststoffmatrix auf, die mittels Fasern verstärkt sind. Insbesondere in der Luftfahrt, aber auch in verstärktem Maße in der Automobilindustrie werden derartige Bauteile eingesetzt, um besonders leichte und dennoch sehr feste Bauteile zu schaffen.
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Insbesondere die Anbindung der Faserverbundbauteile an andere Strukturen und Bauteile stellt eine besondere Herausforderung dar, da speziell in diesen Bereichen komplexe Lastzustände auftreten, die eine besondere Ausgestaltung der Faserarchitektur erfordern. So gilt es insbesondere Lochleibungseffekte in dem Faserverbundbauteil zu verhindern und ein Setzverhalten speziell im Bereich der Anbindungen zu beeinflussen, die aufgrund des Fasermaterials bisher besonders leicht entstehen.
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Von besonderer Bedeutung sind hierbei kompakte Verstärkungs- oder Verbindungsbauteile, wie beispielsweise Streben für verschiedenste Anwendungsfälle in einem Kraftfahrzeug, die als Koppelelemente, Versteifungskomponenten oder Anbindungsstrukturen ausgestaltet sind und in besonders hohen Stückzahlen Verwendung finden.
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Üblicherweise werden derartig komplexe Anbindungen in Metallbauweise bevorzugt, nicht zuletzt um der komplexen Anforderung an Funktionalität und Betriebsfestigkeit gerecht zu werden. Jedoch ist diese Materialwahl mit dem Nachteil eines hohen Gewichtes behaftet. Alternativ finden Anbindungen aus Faserverbundwerkstoffen Anwendung, die jedoch üblicherweise einen komplexen Aufbau und somit eine aufwendige und besonders teure Herstellung erfordern, um die genannten materialspezifischen Aspekte zu kompensieren. Zusätzlich erfordert der komplexe Aufbau entsprechend aufwendige Herstellungsverfahren und -anlagen, die wiederum kostenintensiv sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Faserverbundbauteil mit einer möglichst einfachen, leicht herstellbaren und besonders betriebsfesten Anbindung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß Patentanspruch 1 sowie eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Demnach wird ein Verfahren zur lokalen Verstärkung eines Faserverbundbauteils, mit mindestens den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- – Bereitstellen einer Faserschicht des Faserverbundbauteils,
- – Umklappen eines ersten Randbereichs der Faserschicht und
- – flächiges Auflegen des umgeklappten ersten Randbereichs auf einen zu verstärkenden und benachbart zu dem Randbereich angeordneten Anbindungsabschnitt der Faserschicht zum Bereitstellen eines lokalen mehrlagigen Schichtaufbaus,
- – Verbinden des umgeklappten Randbereichs mit dem Anbindungsabschnitt zu dessen Verstärkung.
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Es wird also die Faserschicht in dem ersten Randbereich umgeklappt und auf den Anbindungsabschnitt gelegt, so dass eine Materialaufdopplung entsteht, die in diesem Bereich, dem Anbindungsabschnitt, eine lokale Verstärkung darstellt. Als Faserschicht ist im Rahmen dieser Erfindung ein Faserhalbzeug, wie beispielsweise ein Gewebe oder Gelege, zu verstehen, das eine oder mehrere Faserlagen umfasst. Dieses kann, wie nachfolgend im Detail dargestellt ist, je nach Art des Halbzeugs unidirektional oder multidirektional ausgestaltet sein. Als Fasern sind hierbei alle zu einer Bauteilverstärkung geeigneten Fasern, vorzugsweise Kohlefasern, aber auch Glasfasern, Aramidfasern oder Naturfasern, zu verstehen.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht mittels des Umklappens eine besonders einfache Handhabung und Positionierung des umgeschlagenen Materials, da kein separates Faserhalbzeug bereitgestellt und platziert werden muss. Stattdessen wird ein bereits vorhandener Teil der Faserschicht verwendet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren außerdem die weiteren Schritte umfassen:
- – Umklappen mindestens eines zweiten Randbereichs der Faserschicht und
- – flächiges Auflegen des umgeklappten zweiten Randbereichs auf eine dem umgeklappten ersten Randbereich abgewandte Seite des Anbindungsabschnitts oder auf den umgeklappten ersten Randbereich,
- – Verbinden des umgeklappten zweiten Randbereichs mit dem ersten Randbereich und/oder mit dem Anbindungsabschnitt.
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Es wird also nach dem ersten Randbereich ebenso der zweite Randbereich umgeklappt, um eine weitere Verstärkung des Anbindungsabschnitts zusätzlich durch eine dritte Lage der Faserschicht zu erzeugen. Das Umklappen des zweiten Randbereichs kann entweder durch Umklappen auf dieselbe Seite wie der erste Randbereich erfolgen, so dass beide Randbereiche flächig aufeinander gelegt werden, oder alternativ durch Umklappen in die entgegengesetzte Richtung bezüglich des ersten Randbereichs erfolgen, um dieses auf der entgegengesetzten Seite der Faserschicht anzuordnen.
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Selbstverständlich können mehr als zwei Randbereiche definiert werden, insbesondere ein dritter und/oder vierter Randbereich, die in analoger Weise aufeinander gelegt und miteinander verbunden werden, um den Anbindungsabschnitt mit entsprechend zusätzlichen Lagen mehrlagig zu verstärken.
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Das Verfahren kann außerdem vor dem Schritt des Umklappens einen Schritt des Teilens eines Endabschnitts der Faserschicht in mindestens den ersten und den zweiten Randbereich umfassen, insbesondere einen Schritt des Teilens mittels Schneiden, Stanzen oder Trennen.
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Der Endabschnitt der Faserschicht wird also beispielsweise mittels der genannten Verfahren in den ersten und zweiten Randbereich (oder mehr) aufgetrennt, so dass die Randbereiche unabhängig voneinander umgeklappt werden können. Zum Beispiel ist es möglich, den Schritt des Trennens mittels eines heißen Werkzeugs durchzuführen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Faserschicht bereits von einer thermoplastischen Matrix umschlossen ist und diese gemeinsam mit der Faserschicht durchtrennt werden muss. Nähere Ausführungen hierzu werden nachfolgend beschrieben.
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Des Weiteren kann die Faserschicht eine unidirektionale Faserschicht sein, wobei der Schritt des Teilens ein Teilen des Endabschnitts längs der Faserorientierung umfasst. Vorzugsweise können Fasern der unidirektionalen Faserschicht entlang einer Längserstreckung der Faserschicht orientiert sein.
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Unidirektionale Fasern bieten sich insbesondere für Bauteile an, die in ihrem bestimmungsgemäßen Gebrauch einer Zug-Druck Belastung unterliegen und somit entlang des Lastpfades und der Lastrichtung optimiert sind. Dies ermöglicht auf unnötige Faserorientierungen zu verzichten und somit den Materialaufwand und das Gewicht zusätzlich zu reduzieren.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt des Umklappens ein Umklappen des ersten Randbereichs um eine erste Faltkante und/oder des zweiten Randbereichs um eine zweite Faltkante, wobei die erste bzw. zweite Faltkante derart ausgerichtet ist, dass eine Faserorientierung des ersten bzw. des zweiten umgeklappten Randbereichs einen ersten Winkel bzw. einen zweiten Winkel mit der Faserorientierung der Faserschicht in dem Anbindungsabschnitt einschließen. Sind mehr als zwei Randbereiche vorgesehen, so erfolgt ein jeweiliges Umklappen in analoger Weise.
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Dies bedeutet, dass eine Faserorientierung des umgeklappten ersten bzw. zweiten Randbereichs um den ersten bzw. zweiten Winkel gedreht zu der Faserorientierung der Faserschicht ausgerichtet ist. Dies kann beispielsweise derart erzielt werden, dass die jeweilige Faltkante in einem Winkel zu der Faserorientierung der Faserschicht ausgerichtet ist. Wird im Falle einer unidirektionalen Faserschicht der Winkel vorzugsweise ungleich 0° oder +/–90° gegenüber der Faserorientierung der Faserschicht gewählt, so ist die Faserorientierung des jeweiligen Randbereichs nicht parallel zur Faserorientierung der Faserschicht ausgerichtet, so dass sich eine besonders vorteilhafte Verstärkungswirkung aufgrund der unterschiedlichen Winkellagen der aufeinanderliegenden Lagen ergibt. Vorzugsweise wird ein Winkel von im Wesentlichen +/–45° vorgeschlagen, um einen möglichst optimalen Versatz der Winkellagen zueinander bereitzustellen.
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Selbstverständlich kann ebenso eine Faserschicht mit multidirektionaler Faserorientierung verwendet werden. Jedoch erfordert in diesem Fall ein Trennen des Endabschnittes in mindestens den ersten und zweiten Randbereich ein Durchtrennen einzelner Fasern, welche die Trennlinie kreuzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Faserverbundbauteil eine thermoplastische Matrix, in welche die Faserschicht integriert ist, mit dem weiteren Schritt:
- – zumindest lokales Erwärmen der thermoplastischen Matrix zum Umklappen des ersten und/oder zweiten Randbereichs.
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Demnach werden also ausgehend von dem Faserverbundbauteil mit thermoplastischer Matrix und darin integrierter Faserschicht die Schritte des Verfahrens vorgenommen. Hierzu erfolgt zunächst das Erhitzen der thermoplastischen Matrix, um eine ausreichende Flexibilität der Matrix zum Umklappen der Faserschicht zu erzielen. Es kann also ein vorproduziertes Faserverbundbauteil entsprechend bearbeitet und somit die lokale Verstärkung erzielt werden.
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In diesem Fall kann der Schritt des Verbindens außerdem ein stoffschlüssiges und/oder ein kraftschlüssiges Verbinden umfassen, insbesondere ein zumindest lokales thermisches Erwärmen und Verpressen. Auf diese Weise wird der umgeklappte erste oder zweite Randbereich mit dem Anbindungsabschnitt bzw. dem jeweils anderen Randbereich verbunden und somit ein quasiisotroper Lagenaufbau im Bereich des Anbindungsabschnitts bei minimalem Fertigungsaufwand erzeugt. Insbesondere durch Erwärmen und Verschmelzen der thermoplastischen Matrix kann somit eine stoffschlüssige Verbindung der thermoplastischen Matrix des jeweiligen Randbereichs mit der thermoplastischen Matrix des Anbindungsabschnitts bzw. dem jeweils anderen Randbereich erzielt werden. Die Erwärmungstemperatur ist folglich entsprechend den Materialeigenschaften der verwendeten Matrix anzupassen, um eine gegenseitige Verbindung sicherzustellen. Ein gleichzeitiges oder nachgelagertes Verpressen kann die gegenseitige Verbindung zusätzlich unterstützen.
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Beispielsweise kann ein Faserverbundbauteil durch Extrusion oder Pultrusion als Strangprofil mit integrierter Faserschicht hergestellt werden. Nach einem Schneiden auf die gewünschte Länge kann mindestens ein Anbindungsabschnitt gemäß dem beschriebenen Verfahren verstärkt werden. Auf diese Weise lassen sich besonders vorteilhaft und einfach entsprechende Faserverbundbauteile erzeugen und lokal verstärken.
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Alternativ zu dem vorgefertigten Faserverbundbauteil mit einer thermoplastischen Matrix und der bereits integrierten Faserschicht, ist es außerdem möglich, zunächst lediglich die Faserschicht entsprechend in trockenem – also in nicht-imprägnierten – Zustand durch das beschriebene Verfahren vorzubereiten. Mit anderen Worten wird also der bzw. die Randbereiche in trockenem Zustand umgeklappt. Erst nach abgeschlossener Vorbereitung der Faserschicht erfolgt deren Integration in das Faserverbundbauteil mittels Imprägnieren der Faserschicht.
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Beispielsweise kann der Schritt des Verbindens in diesem Fall ein Vernähen des jeweils umgeklappten ersten bzw. zweiten Randbereichs und ein nachfolgendes Imprägnieren der Faserschicht mit einer Matrix zum Erzeugen des Faserverbundbauteils umfassen. Als Matrix ist in diesem Fall sowohl eine thermoplastische als auch eine duroplastische Matrix verwendbar. Selbstverständlich können ebenso andere bekannte Maßnahmen zum Verbinden der textilen, nicht imprägnierten Faserschicht vorgesehen werden.
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In jedem der beschriebenen Fälle kann das Verfahren einen Nachbearbeitungsschritt, insbesondere ein Einbringen von Ausnehmungen bzw. Bohrungen in den Anbindungsabschnitt, umfassen. Je nach Art und Weise der beabsichtigten Anbindung an andere Bauteile kann der Nachbearbeitungsschritt eine abweichende Nachbearbeitung oder ein Anbringen von zusätzlichen Anbindungselementen umfassen.
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Es ist außerdem möglich, dass das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Umwickelns der lokal verstärkten Faserschicht zumindest im Bereich des Anbindungsabschnitts umfasst. Auf diese Weise ist es möglich, im Anschluss an die Verstärkung des Anbindungsabschnitts durch Umklappen mindestens eines Randbereichs eine zusätzliche Verstärkung durch einmaliges oder mehrmaliges Umwickeln bereitzustellen. Das Umwickeln kann entweder im trockenen Zustand der Faserschicht vorab zu der nachfolgenden Imprägnierung erfolgen. Alternativ kann das Umwickeln im Falle einer bereits mit einer thermoplastischen Matrix imprägnierten Faserschicht im Rahmen einer Nachbearbeitung erfolgen. Hierbei ist sicherzustellen, dass die thermoplastische Matrix eine entsprechende Erwärmung erfährt, um ein stoffschlüssiges Verbinden der Matrix beispielsweise durch Verschmelzen zu ermöglichen.
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Das beschrieben Verfahren ermöglicht einen geringen Materialeinsatz und besonders hohe Kosteneffizienz bei gleichzeitig geringem maschinellem Aufwand. Zudem trägt es zu gesteigerten Taktzeiten und somit einer hohen Anzahl an erzielbaren Stückzahlen pro Zeiteinheit bei.
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Des Weiteren wird ein Faserverbundbauteil mit einem lokal verstärkten Anbindungsabschnitt bereitgestellt, wobei das Faserverbundbauteil eine integrierte Faserschicht umfasst, und die Faserschicht im Bereich des Anbindungsabschnitts durch mindestens einen umgeklappten Randbereich der Faserschicht mehrlagig ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Faserverbundbauteil ein in einer Längsrichtung erstrecktes Bauteil, insbesondere ein extrudiertes Flachprofil, eine Strebe, ein Koppelelement, ein Versteifungselement, wobei der Anbindungsabschnitt an einem Ende des Faserverbundbauteils angeordnet ist. Als Koppelelement ist beispielsweise eine Koppelstange zu verstehen.
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Des Weiteren kann die Faserschicht eine unidirektionale Faserorientierung aufweisen und der mindestens eine Randabschnitt derart umgeklappt sein, dass dessen Faserorientierung einen Winkel mit der Faserorientierung der Faserschicht einschließt. Beispielsweise ist die unidirektionale Faserorientierung im Wesentlichen in der Längsrichtung des Faserverbundbauteils ausgerichtet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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1 bis 5 zeigen Zwischenschritte eines Verfahrens zur lokalen Verstärkung eines Faserverbundbauteils in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine Faserschicht 11 für ein Faserverbundbauteil als Ausgangselement. Die Faserschicht 11 kann entweder als „trockene”, also nicht-imprägnierte Faserschicht ausgebildet, oder in einem fertigen Faserverbundbauteil 10 (gestrichelt dargestellte Ausführungsform) integriert sein, das eine mit einer thermoplastischen Matrix imprägnierte Faserschicht umfasst. Dieses fertige Faserverbundbauteil 10 kann beispielsweise mittels Extrusionsverfahrens hergestellt sein.
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Als Faserschicht ist im Rahmen dieser Erfindung ein Faserhalbzeug, wie beispielsweise ein Gewebe oder Gelege, zu verstehen, das eine oder mehrere Faserlagen umfasst. Diese können, wie nachfolgend im Detail dargestellt ist, je nach Art des Halbzeugs unidirektional oder multidirektional ausgestaltet sein. Als Fasern sind hierbei alle zu einer Bauteilverstärkung geeigneten Fasern, insbesondere Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder Naturfasern, zu verstehen.
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Die Faserschicht ist in der dargestellten Ausführungsform als unidirektionale Faserschicht ausgebildet, deren Fasern F sich entlang einer Längserstreckung L der Faserschicht orientieren.
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2 zeigt einen nachfolgenden Schritt des mittigen Teilens eines ersten Endabschnittes 21 der Faserschicht 11 in einen ersten 22 und einen zweiten Randbereich 23. Dieser Schritt kann beispielsweise mittels Schneiden, Stanzen oder Trennen, aber auch auf andere geeignete Art und Weise erfolgen. Hierbei wird die unidirektional ausgeführte Faserschicht 11 durch Schnitt S entlang der Faserorientierung (in diesem Fall ist diese gleich der Längserstreckung L) getrennt.
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Anschließend erfolgt ein Umklappen des ersten Randbereichs 22 der Faserschicht 11 um eine erste Faltkante 27 sowie ein Umklappen des zweiten Randbereichs 23 um eine zweite Faltkante 28. Hierbei sind die erste 27 bzw. zweite Faltkante 28 derart ausgerichtet, dass die Faserorientierung des ersten 22 bzw. des zweiten umgeklappten Randbereichs 23 einen ersten Winkel α1 bzw. einen zweiten Winkel α2 (vgl. 3) mit der Faserorientierung der Faserschicht 11 in dem Anbindungsabschnitt 31 einschließen, wie nachfolgend im Detail dargestellt ist.
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Für den zweiten Endabschnitt 24 mit dem Anbindungsabschnitt 32, den Randbereichen 25 und 26 sowie den Faltkanten 29 und 30 kann ein analoges Vorgehen vorgesehen werden. Die nachfolgenden 3 bis 5 berücksichtigen der Einfachheit halber jedoch lediglich eine Verstärkung des ersten Anbindungsabschnitts 31. Selbstverständlich gelten die Erläuterungen für den zweiten Anbindungsabschnitt 32 bei Bedarf analog.
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3 zeigt den ersten Anbindungsabschnitt 31 nach dem Umklappen des ersten Randbereichs 22 und einem flächigen Auflegen auf den zu verstärkenden und benachbart zu dem ersten Randbereich 22 angeordneten Anbindungsabschnitt 31 der Faserschicht 11 zum Bereitstellen eines in diesem Abschnitt lokalen mehrlagigen Schichtaufbaus. Dieser besteht aus der Faserschicht 11 im Anbindungsabschnitt 31 sowie dem flächig aufgelegten Randbereich 22, der ebenfalls Teil der Faserschicht 11 ist und somit einen lokal verdoppelten Schichtaufbau ermöglicht.
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Des Weiteren erfolgt das Umklappen eines zweiten Randbereichs 23 der Faserschicht 11 und ein flächiges Auflegen des umgeklappten zweiten Randbereichs 23 je nach Umklapprichtung entweder auf eine dem umgeklappten ersten Randbereich 22 abgewandte Seite des Anbindungsabschnitts 31 oder auf den bereits zuvor umgeklappten ersten Randbereich 22.
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Außerdem erfolgt ein gegenseitiges Verbinden des umgeklappten ersten Randbereichs 22 und des zweiten Randbereichs 23 mit dem Anbindungsabschnitt 31. Der Schritt des Verbindens des jeweiligen Randbereichs kann getrennt voneinander separat nach jedem Umklappen des entsprechenden Randbereichs oder gemeinsam nach Umklappen beider Randbereiche erfolgen.
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In der dargestellten Ausführungsform schließen die erste Faltkante 27 und die zweite Faltkante 28 einen jeweiligen Winkel von ca. β1 = –45° bzw. β2 = +45° mit der Faserorientierung der Faserschicht in dem Anbindungsabschnitt ein. Aufgrund der unidirektionalen Faserorientierung ergibt sich somit eine gegenüber der Faserorientierung des Anbindungsabschnitts gedrehte Faserorientierung des ersten bzw. zweiten Randbereichs um die Winkel α1 und α2. Auf diese Weise wird ein mehrlagiger Schichtaufbau erzeugt, wobei jede der Schichten eine eigene Winkellage aufweist, so dass auf besonders einfachem Wege eine besonders wirksame lokale Verstärkung des Anbindungsabschnitts 31 erfolgt.
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4 zeigt einen optionalen zusätzlichen Schritt des Umwickelns des verstärkten Anbindungsabschnitts 31. In der dargestellten Ausführungsform wird hierzu unidirektionales Fasermaterial 41 im Wesentlichen quer (z. b. α3 = 90°) zur Faserorientierung der Faserschicht aufgebracht, wodurch der Anbindungsabschnitt 31 eine zusätzliche Verstärkung erfährt. Das zusätzliche Fasermaterial kann bereits imprägniert sein und mit der Matrix des Faserverbundteils stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden werden. Alternativ ist ein nicht-imprägniertes Fasermaterial möglich, das erst nachfolgend imprägniert wird.
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5 zeigt einen ebenfalls optionalen Nachbearbeitungsschritt zum Einbringen einer Ausnehmung 51 bzw. Bohrung in den verstärkten Anbindungsabschnitt 31. Selbstverständlich können statt einer Bohrung andersförmige Ausnehmungen oder andere Nachbearbeitungsschritte durchgeführt werden.
