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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbau teils mittels einer Trägerschicht.
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Faserverstärkte Kunststoffe ermöglichen bekanntermaßen die Herstellung besonders leichter und gleichzeitig besonders beanspruchbarer Bauteile. Diese finden Anwendung in unterschiedlichen technischen Bereichen, wie beispielsweise der Luftfahrt aber auch in zunehmendem Maße in der Automobilindustrie. Letztere stellt aufgrund der zu erzielenden Stückzahlen sehr hohe Anforderungen an eine möglichst einfache und automatisierbare Herstellbarkeit bei gleichzeitig geringer Taktzeit für die Bauteilherstellung.
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Stark vereinfacht dargestellt, werden die Faserverbundbauteile beispielsweise durch ein sogenanntes Nasspressen gefertigt, bei dem mit einer Matrix vorimprägnierte Fasermatten in ein Presswerkzeug eingelegt und in ihre spätere Bauteilform gepresst werden. Alternativ wird beispielsweise beim sogenannten „Resin-Transfer-Molding”-Verfahren (kurz: RTM) eine trockene, vorab nicht imprägnierte Fasermatte in die entsprechend geformte Kavität eines Presswerkzeugs eingelegt und im geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs mit der Matrix durchtränkt.
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Diesen Verfahren ist gemein, dass die Fasermatte in dem Presswerkzeug eine dreidimensionale Verformung erfährt, die zu einer Verschiebung lokaler Mattenabschnitte oder einzelner Fasern in dem Werkzeug führen kann. Die mögliche Folge ist, dass die Fasern aus ihrer vorgesehenen Lage verschoben werden und entsprechende Lücken in der Faseranordnung entstehen, so dass das spätere Bauteil in den betroffenen Bereichen nicht ausreichend verstärkt ist. Daher werden üblicherweise großflächige Fasermatten eingesetzt, die sich durch das gesamte Faserverbundbauteil erstrecken und somit zumindest eine Verschiebung lokaler Faserbereiche vermieden. Jedoch kann dadurch nicht verhindert werden, dass sich innerhalb der Fasermatte einzelne Fasern bzw. Faserbündel zueinander verschieben und es dadurch dennoch zu unregelmäßigen Faserverteilungen und dementsprechenden Schwachstellen des Bauteils kommt.
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Zudem bewirkt ein derartig flächiges Einlegen der Fasermatten einen hohen Materialbedarf, selbst in Bereichen des Faserverbundbauteils, die keine oder nur eine geringe Faserverstärkung erfordern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, das die beschriebenen Nachteile verringert und insbesondere eine bedarfsgerechte und gezielte Bauteilverstärkung zur Einsparung von Kosten und Aufwand bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- – Bereitstellen einer Trägerschicht aus einem ersten Kunststoffmaterial,
- – Positionieren und Fixieren von Verstärkungsfasern auf der Trägerschicht, Aufbringen eines zweiten Kunststoffmaterials auf die Trägerschicht zum Erzeugen des Faserverbundbauteils.
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Es werden also zunächst in einem Vorbereitungsschritt eine oder mehrere Verstärkungsfasern auf die Trägerschicht aufgebracht und auf dieser befestigt. Dies ermöglicht, die Verstärkungsfasern einerseits exakt auf einer Oberfläche der Trägerschicht zu positionieren und somit ein unbeabsichtigtes Verrutschen bzw. Verschieben in einem späteren Bearbeitungsschritt zu verhindern. Zusätzlich ist es möglich, die Verstärkungsfasern reproduzierbar platziert aufzubringen, so dass eine exakt gleiche Anordnung bei wiederholter Durchführung des Verfahrens zur Erstellung einer Mehrzahl von identischen Faserverbundbauteilen möglich wird.
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Vorzugsweise umfasst die Trägerschicht eine Folie und/oder eine Gewebeschicht und/oder eine Kunststoffplatte aus dem ersten Kunststoffmaterial. In jedem Fall handelt es sich um ein flächiges Trägerelement, welches im Vergleich zu seiner Längen- und/oder Breitenausdehnung eine geringe Dicke aufweist. Als vorteilhaft hat sich beispielsweise eine Materialdicke d der Kunststoffplatte von d ≤ 60 mm, insbesondere d ≤ 30 mm, vorzugsweise d ≤ 10 mm, ergeben, um eine möglichst optimale Steifigkeit der Kunststoffplatte bei gleichzeitig geringem Gewicht und möglichst guter Umformbarkeit bereitzustellen.
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Je nach Ausführungsform kann die Trägerschicht flexibel oder formstabil ausgebildet sein. So kann beispielsweise die als Folie bzw. die als Gewebeschicht ausgeführte Trägerschicht flexibel ausgestaltet sein, so dass diese gemeinsam mit den hierauf fixierten Verstärkungsfasern einer dreidimensionalen Form eines Formgebungswerkzeugs oder eines Presswerkzeugs angepasst werden kann, um nachfolgend ein Aufbringen des zweiten Kunststoffmaterials vorzunehmen. Auf diese Weise ist es möglich komplexe dreidimensionale Strukturen auf besonders einfache und kostengünstige, zugleich aber auf sichere und reproduzierbare Weise herzustellen, da die Position der Verstärkungsfasern aufgrund ihrer Fixierung bezüglich der Trägerschicht unveränderbar bleibt. Es kann also allein durch eine exakte Platzierung der Trägerschicht eine entsprechend exakte Anordnung der hierauf angeordneten Verstärkungsfasern in dem späteren Bauteil sichergestellt werden. Es muss hierzu also lediglich die Folie bzw. das Gewebe entsprechend ausgelegt werden.
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Gleiches gilt im Wesentlichen für die Kunststoffplatte, mit der Einschränkung, dass diese aufgrund ihrer Plattenform in der Regel formstabil ist und damit nicht ohne Weiteres einer komplexe dreidimensionalen Formgebung unterzogen werden kann. Vielmehr muss diese zunächst in einen formflexiblen Zustand gebracht werden, zum Beispiel durch Erwärmen und/oder Pressen.
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Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Langfasern und/oder Endlosfasern umfassen. Insbesondere können die Verstärkungsfasern als Monofil (also Einzelfäden), Multifil (Faserbündel bestehend aus einer Mehrzahl von Einzelfäden), Gelege, Gewebe oder Gewirke ausgestaltet sein. Im Gegensatz zu den üblicherweise eingesetzten großflächigen Fasermatten ist es somit möglich, die Verstärkungsfasern gezielt, also beispielsweise nur lokal an einer oder mehreren Stellen, einzubringen und auf diese Weise das erzeugte Faserverbundbauteil an den gewünschten Stellen zu verstärken. Um gekehrt kann in Bereichen, die keine Verstärkung erfordern, auf die Verstärkungsfasern verzichtet und somit Material und Kosten eingespart werden.
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Selbstverständlich können die Verstärkungsfasern in mehreren übereinan derliegenden Ebenen bzw. Schichten aufgebracht und mittelbar bzw. unmittelbar an der Trägerschicht fixiert werden. Vorzugsweise können in diesem Fall die Ebenen unterschiedliche Faserorientierungen zueinander aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des Positionierens einen Schritt des Vorspannens der Verstärkungsfasern umfassen, um die Verstärkungsfasern vorgespannt unter Zugspannung auf der Trägerschicht zu fixieren. Die Zugspannung ermöglicht eine Festigkeit des erzeugten Faserverbundbauteils zumindest in den vorgespannten Richtungen deutlich zu erhöhen.
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Außerdem kann der Schritt des Fixierens einen Schritt des stoff-, kraft- und/oder formschlüssigen Verbindens, insbesondere eines Nähens, Schweißens und/oder Klebens, umfassen. Die Verstärkungsfasern lassen sich somit an definierten lokalen Stellen, entlang definierter Abschnitte oder entlang ihrer gesamten Länge mit der Trägerschicht verbinden, so dass bei der späteren Weiterverarbeitung eine unerwünschte Relativbewegung beider Elemente zueinander vermieden und auf diese Weise eine exakte und reproduzierbare Anordnung der Verstärkungsfasern im Faserverbundbauteil sichergestellt wird. Insbesondere kann hierzu ein PVC-Schweißen und/oder ein Kleben mit dem zweiten oder einem dritten Kunststoffmaterial erfolgen.
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Des Weiteren kann das Verfahren derart ausgestaltet sein, dass der Schritt des Aufbringens des zweiten Kunststoffmaterials auf die Trägerschicht ein ein- oder mehr-seitiges Umschließen der Trägerschicht oder ein flächiges Verbinden der Trägerschicht mit mindestens einer das zweite Kunststoffmaterial umfassenden Strukturschicht umfasst.
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Das Umschließen oder Verbinden mit dem zweiten Kunststoffmaterial bewirkt, dass die Trägerschicht gemeinsam mit den hierauf fixierten Verstärkungsfasern in das zu erzeugende Faserverbundbauteil integriert und zu einer Einheit verbunden wird.
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Insbesondere kann der Schritt des Aufbringens des zweiten Kunststoffmaterials ein Umspritzen, Übergießen, Überrimmen, Blasen und/oder ein Umschäumen der Trägerschicht mit dem zweiten Kunststoffmaterial umfassen. Mit anderen Worten ist es also möglich, die Trägerschicht in einem Spritzwerkzeug mit dem zweiten Kunststoffmaterial zumindest abschnittsweise zu verbinden. Alternativ ist eine entsprechende Bearbeitung nach dem sogenannten „Resin-Transfer-Molding” Verfahren (kurz: RTM) möglich, bei dem die Trägerschicht in ein entsprechendes Werkzeug eingelegt und mit einer das zweite Kunststoffmaterial umfassenden Matrix verbunden oder sogar zumindest teilweise umschlossen wird.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Kunststoffmaterial und das zweite Kunststoffmaterial das gleiche Kunststoffmaterial. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Kunststoffmaterial also um denselben Kunststoff. Dies ermöglicht (abgesehen vom Material der integrierten Verstärkungsfasern) die Erzeugung eines materialeinheitlichen Faserverbundbauteils, wodurch gleiche Materialeigenschaften, insbesondere hinsichtlich einer Festigkeit und Verbindbarkeit sowie hinsichtlich eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht werden.
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Im Falle von thermoplastischen ersten und zweiten Kunststoffmaterialien kann im Rahmen eines Aufbringens, insbesondere vor, während oder nach dem Aufbringen, ein Erwärmen zumindest der Trägerschicht vorgesehen sein, um ein Verschmelzen der Trägerstruktur mit dem zusätzlich aufgebrachten (zweiten) Kunststoffmaterial und somit eine stoffschlüssige Verbindung beider Materialen bzw. Elemente zu erzielen. Vorzugsweise werden das erste und das zweite Kunststoffmaterial in jeweils erwärmtem und damit plastisch verformbarem Zustand, besonders bevorzugt in jeweils erhitztem und damit fließfähigem Zustand, miteinander verbunden. Mit anderen Worten kann also der Schritt des Aufbringens ein Verschmelzen der Trägerschicht mit dem aufgebrachten zweiten Kunststoffmaterial umfassen, insbesondere für den Fall des gleichen Kunststoffmaterials.
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Die Verstärkungsfasern können vorzugsweise Kohlenstofffasern, kurz Kohlefasern, oder Glasfasern, Aramidfasern, oder andere zur Verstärkung geeignete Kunst- oder Naturfasern umfassen.
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Wie bereits dargestellt, können die Verstärkungsfasern auf der Trägerschicht frei positioniert und fixiert werden. Hierbei können insbesondere spätere Lastbereiche und Lastpfade Berücksichtigung finden. Vorzugsweise kann daher das Positionieren der Verstärkungsfasern auf der Trägerschicht auf Lastpfaden, insbesondere entlang von Lastpfaden, des zu erzeugenden Faserverbundbauteils erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das erste und/oder das zweite Kunststoffmaterial ein Thermoplast, insbesondere Polyamid oder Polypropylen.
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Des Weiteren kann das erste und/oder das zweite Kunststoffmaterial einen Duroplast, insbesondere Epoxide, Urethan und/oder Vinylester, umfassen.
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Es wird außerdem ein Faserverbundbauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Faserverbundbauteil mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform einer Trägerschicht für ein Verfahren gemäß der Beschreibung,
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2: die in 1 dargestellte Trägerschicht mit auf der Trägerschicht fixierten Verstärkungsfasern,
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3: eine zweite Ausführungsform einer Trägerschicht für ein Verfahren gemäß der Beschreibung,
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4: eine erste Bauteilhälfte zum Verbinden mit der Trägerschicht aus 1,
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5: eine Anordnung mit der Bauteilhälfte aus 4 und der verbundenen Trägerschicht aus 1, und
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6: die Anordnung aus 5, zusätzlich verbunden mit einer zweiten Bauteilhälfte zum Umschließen der Trägerschicht.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Trägerschicht 11 für ein Verfahren gemäß der Beschreibung, die in einem ersten Verfahrensschritt bereitgestellt wird. Die Trägerschicht 11 ist als Gewebeschicht schematisch dargestellt und besteht aus einem ersten Kunststoffmaterial. Sie ist aufgrund ihrer Gewebeform zumindest in gewissem Umfang flexibel ausgebildet und kann daher an eine in 4 näher beschriebene dreidimensionale Oberfläche 42 angepasst werden.
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In 2 sind auf der Trägerschicht 11 gemäß einem weiteren Verfahrensschritt Verstärkungsfasern 12 positioniert und punktuell fixiert. Die Verstärkungsfasern 12 sind als Langfasern oder Endlosfasern, beispielhaft als Multifil, also als Faserbündel, ausgestaltet, welches aus einer Mehrzahl von Einzelfäden besteht. Das lokale Fixieren auf (einer Oberfläche) der Trägerschicht 11 kann beispielsweise mittels Nähen, Schweißen und/oder Kleben erfolgen.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Trägerschicht 31 für ein Verfahren gemäß der Beschreibung, wobei die Trägerschicht 31 als flächige Folie aus dem ersten Kunststoffmaterial ausgestaltet ist. Diese kann in gleicher Weise wie die als Gewebe ausgeführte Trägerschicht 11 aus 1 weiterverarbeitet werden.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die nachfolgend in 4 bis 6 dargestellten Schritte lediglich für die in 1 beschriebenen Trägerschicht 11 beschrieben. Jedoch sind diese in gleicher Weise mit der als Folie ausgestalteten Trägerschicht 31 gemäß 3 oder einer Kunststoffplatte (nicht dargestellt) anwendbar.
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Zusätzlich sind die in 3 dargestellten Verstärkungsfasern 32 nicht nur lokal bzw. punktuell wie in 1, sondern entlang eines Abschnitts ihrer Länge an der Trägerschicht 31 fixiert. Dies kann beispielsweise entlang eines in diesem Abschnitt verlaufenden Lastpfades erfolgen (nicht dargestellt). Selbstverständlich ist eine lokale bzw. punktuelle Fixierung ebenso möglich.
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4 zeigt eine erste Bauteilhälfte 41 als Strukturschicht aus einem zweiten Kunststoffmaterial zum flächigen Verbinden mit der Trägerschicht 11 aus 1.
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Diese wird in einem in 5 dargestellten Verfahrensschritt auf eine zur Verbindung vorgesehene Oberfläche 42 aufgelegt. Diese Oberfläche 42 kann beispielsweise eine beliebige dreidimensionale Form aufweisen. Aufgrund der Flexibilität der Trägerschicht 11 kann sich diese flächig anlegen, so dass die erste Bauteilhälfte 41 flächig mit der Trägerschicht 11 zu einer oberflächlich faserverstärkten Bauteilanordnung 50 verbunden werden kann.
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Bei der auf diese Weise erzeugten Bauteilanordnung 50 handelt es sich bereits um ein faserverstärktes Bauteil, bei dem je nach Ausrichtung der Trägerschicht die Verstärkungsfasern auf der Bauteilhälfte 41 nach außen zugänglich sind, oder im Falle einer umgekehrten Anordnung der Trägerschicht 11 zwischen Bauteilhälfte 41 und der Trägerschicht 11, also innerhalb der Bauteilanordnung integriert sind.
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6 zeigt einen optionalen Verfahrensschritt, wonach die Bauteilanordnung 50 aus 5, zusätzlich mit einer zweiten Bauteilhälfte 61 zum Umschließen der Trägerschicht 11 verbunden werden kann. Das Aufbringen des zweiten Kunststoffmaterials auf die Trägerschicht 11 kann beispielsweise durch ein Umspritzen, Übergießen, Überrimmen, Blasen und/oder ein Umschäumen der Trägerschicht 11 mit dem zweiten Kunststoffmaterial erfolgen. Alternativ kann die zweite Bauteilhälfte 61 als Formteil vorbereitet sein und anschließend auf die Trägerschicht 11 aufgebracht und mit dieser verbunden werden. Unabhängig von der Art des Aufbringens des zweiten Kunststoffmaterials erhält man durch das beschriebene Verfahren ein Faserverbundbauteil, das im Inneren die beidseitig umschlossene Trägerschicht 11 zur Verstärkung des Bauteils aufweist.
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Vorzugsweise sind das erste und das zweite Kunststoffmaterial identisch, so dass hinsichtlich des Kunststoffmaterials ein materialeinheitliches Bauteil entsteht.
