DE102013222970A1

DE102013222970A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile, Verbindungsabschnitt eines Bauteils und Bauteilverbund

Info

Publication number: DE102013222970A1
Application number: DE201310222970
Authority: DE
Inventors: Elmar Beeh; Evelyn Kohl; Max Gürocak; Leonhard Haeberle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: DE102013222970B4

Abstract

Um ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile bereitzustellen, mittels welchem die Bauteile stabil und materialsparend miteinander verbindbar sind, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines ersten Bauteils, welches ein mehrlagiges Faserverbundmaterial umfasst, wobei zwischen mindestens zwei Faserlagen des ersten Bauteils mindestens eine elastische Einlage angeordnet ist; Bereitstellen eines zweiten Bauteils, welches ein metallisches Material umfasst oder aus einem metallischen Material gebildet ist; Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil mittels einer Klebeverbindung in einem Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile, insbesondere zum Verbinden eines Faserverbundbauteils mit einem Metallbauteil.
Aus der WO 2010/118860 A2 ist ein Verbundbauteil aus wärmehärtenden Harzen und Elastomeren bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile bereitzustellen, mittels welchem die Bauteile stabil und materialsparend miteinander verbindbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile gelöst, welches Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines ersten Bauteils, welches ein mehrlagiges Faserverbundmaterial umfasst, wobei zwischen mindestens zwei Faserlagen des ersten Bauteils mindestens eine elastische Einlage angeordnet ist;
Bereitstellen eines zweiten Bauteils, welches ein metallisches Material umfasst oder aus einem metallischen Material gebildet ist;
Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil mittels einer Klebeverbindung in einem Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils.
Dadurch, dass erfindungsgemäß mindestens eine elastische Einlage zwischen mindestens zwei Faserlagen des ersten Bauteils angeordnet ist, können die Bauteile stabil und mit geringem Materialaufwand miteinander verbunden werden.
Günstig kann es sein, wenn das erste Bauteil durch Stapeln von mehreren Faserlagen, durch Einbringen von mindestens einer elastischen Einlage zwischen mindestens zwei Faserlagen und durch Füllen und/oder Infiltrieren der Faserlagen mit einem Matrixmaterial hergestellt wird.
Vorzugsweise wird zwischen mindestens zwei Faserlagen des ersten Bauteils mindestens eine als Streifen ausgebildete elastische Einlage eingebracht.
Unter einem Streifen ist insbesondere ein flaches, längliches Element zu verstehen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass zwischen mindestens zwei Faserlagen des ersten Bauteils mindestens eine als Folienelement ausgebildete elastische Einlage eingebracht wird.
Unter einem Folienelement ist insbesondere ein flaches, dünnes Element zu verstehen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine elastische Einlage in einem Bereich angeordnet wird, welcher im verbundenen Zustand des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils im Falle einer mechanischen Beanspruchung der Klebeverbindung ein Abstützbereich, ein Abgleitbereich und/oder ein Abhebebereich des Verbindungsabschnitts ist.
Ein Abstützbereich, ein Abgleitbereich und/oder ein Abhebebereich des Verbindungsabschnitts ist insbesondere ein Bereich des ersten Bauteils, welcher bezüglich einer quer zu einer Faserebene verlaufenden Querrichtung (Dickenrichtung) benachbart zu einem Ende des zweiten Bauteils angeordnet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass ein Abstützbereich, ein Abgleitbereich und/oder ein Abhebebereich des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils ein Endbereich des ersten Bauteils, insbesondere des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils, ist.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere elastische Einlagen mittels mindestens einer Faserlage voneinander getrennt angeordnet werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mehrere elastische Einlagen bezüglich einer parallel zu einer Faserebene verlaufenden Richtung beabstandet voneinander, aneinander angrenzend oder einander überlappend angeordnet werden.
Eine Faserebene ist dabei insbesondere diejenige Ebene, welche parallel zu den Faserlagen verläuft oder längs welcher die Faserlagen verlaufen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die mindestens eine elastische Einlage nur lokal im Bereich des Verbindungsabschnitts angeordnet wird oder ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens eine elastische Einlage nur lokal in einem Abstützbereich, in einem Abgleitbereich und/oder in einem Abhebebereich des Verbindungsabschnitts des ersten Bauteils angeordnet wird oder ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Verbindungsabschnitt eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, einen Verbindungsabschnitt eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, mittels welchem eine stabile und materialsparende Verbindung des Kunststoffbauteils mit einem Metallbauteil ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbindungsabschnitt eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, an welchem ein weiteres Bauteil, insbesondere ein Metallbauteil, mittels einer Klebeverbindung festlegbar ist, gelöst, wobei der Verbindungsabschnitt mehrere Faserlagen umfasst, zwischen welchen mindestens eine elastische Einlage angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Günstig kann es sein, wenn mindestens eine elastische Einlage als ein Streifen und/oder als ein Folienelement ausgebildet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die elastische Einlage ein Elastomermaterial umfasst oder aus einem Elastomermaterial gebildet ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine elastische Einlage als eine Elastomerfolie ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine elastische Einlage eine oberflächennahe Einlage ist, welche beispielsweise direkt unter einer ersten Faserlage des faserverstärkten Kunststoffbauteils angeordnet ist.
Günstig kann es sein, wenn eine Klebeschicht, mittels welcher die Klebeverbindung zwischen dem faserverstärkten Kunststoffbauteil und dem Metallbauteil gebildet ist, unmittelbar an eine Faserlage des Kunststoffbauteils angrenzt. Diese Faserlage des Kunststoffbauteils grenzt dann vorzugsweise unmittelbar an die mindestens eine Einlage an.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mehrere Faserlagen zwischen der Klebeschicht, mittels welcher die Klebeverbindung zwischen dem Kunststoffbauteil und dem Metallbauteil gebildet ist, und der mindestens einen Einlage angeordnet sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt mehrere Faserlagen und mehrere elastische Einlagen umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Faserlagen jeweils höchstens eine einzige elastische Einlage angeordnet ist.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Faserlagen mehrere elastische Einlagen angeordnet sind.
Der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Bauteilverbund.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch einen Bauteilverbund, welcher ein als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildetes erstes Bauteil und ein beispielsweise als Metallbauteil ausgebildetes zweites Bauteil umfasst.
Das erste Bauteil umfasst insbesondere einen erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt.
Das zweite Bauteil ist vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung an dem Verbindungsabschnitt des ersten Bauteils festgelegt.
Der erfindungsgemäße Bauteilverbund weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder dem erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Vorzugsweise ist der Verbindungsabschnitt ein Fügeabschnitt oder Fügebereich.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Klebeschicht der Klebeverbindung im Wesentlichen parallel zu den Faserlagen des ersten Bauteils und/oder parallel zu der mindestens einen elastischen Einlage angeordnet ist.
Günstig kann es sein, wenn die mindestens eine elastische Einlage in einem Bereich angeordnet ist, welcher im Falle einer mechanischen Beanspruchung der Klebeverbindung ein Abstützbereich, ein Abgleitbereich und/oder ein Abhebebereich des Verbindungsabschnitts ist.
Ferner können das erfindungsgemäße Verfahren, der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt und/oder der erfindungsgemäße Bauteilverbund einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Vorzugsweise bietet das faserverstärkte Kunststoffbauteil eine hohe spezifische Zugfestigkeit, eine hohe Steifigkeit, eine hohe Energieabsorption und ein großes Leichtbaupotenzial, insbesondere bei geringem Gewicht (geringer Masse).
Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann beispielsweise im Fahrzeugbau, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, verwendet werden.
Die Klebeverbindung ist ein gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren, beispielsweise dem Schweißen oder Löten, bevorzugtes Fügeverfahren, insbesondere zur Verbindung von Bauteilen aus voneinander verschiedenen Werkstoffen.
Eine Klebschichtdicke kann beispielsweise zwischen ungefähr 0,1 mm und ungefähr 0,4 mm betragen.
Vorzugsweise werden mittels der einen oder der mehreren elastischen Einlagen Spannungsüberhöhungen bei einer mechanischen Beanspruchung der Klebeverbindung in dem faserverstärkten Kunststoffbauteil und/oder in einer Klebstoffschicht der Klebeverbindung minimiert.
Die Erfindung kann den Vorteil aufweisen, dass die Klebefestigkeit (Verbindungsfestigkeit) durch die Integration mindestens eines elastischen Elements in ein mehrlagiges faserverstärktes Kunststoffbauteil verbessert wird.
Vorzugsweise ist nur eine geringe Überlappungsfläche zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen erforderlich, um die gewünschte stabile und materialsparende Verbindung der zwei Bauteile zu gewährleisten.
Vorteilhaft kann es sein, wenn während des Lagenaufbaus des faserverstärkten Kunststoffbauteils eine oder mehrere sehr dünne Elastomerfolienstreifen eingebracht werden, insbesondere in den Verbund eingebracht werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mindestens eine elastische Einlage in einem späteren Fügeflanschbereich, insbesondere in einem Verbindungsabschnitt, angeordnet wird, dabei jedoch vorzugsweise mittels mindestens einer Faserlage von einer Oberfläche des Kunststoffbauteils, an welcher eine Klebeschicht zur Herstellung der Klebeverbindung angeordnet wird oder ist, beabstandet ist.
Die Klebeschicht steht somit vorzugsweise nicht in Kontakt mit der elastischen Einlage, insbesondere mit der Elastomerfolie.
Vorzugsweise ist das mindestens eine elastische Element im Inneren des faserverstärkten Kunststoffbauteils angeordnet.
Das mindestens eine elastische Element kann vorzugsweise oberflächennah, beispielsweise unter der obersten Faserlage, oder auch ungefähr im Bereich der mittleren Faserlagen, das heißt im Wesentlichen mittig bezüglich einer Querrichtung, angeordnet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine elastische Einlage, insbesondere eine Elastomerfolie, sich im Wesentlichen über die gesamte Breite eines Verbindungsabschnitts (Fügeflanschbereich) erstreckt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine elastische Einlage nur lokal in demjenigen Bereich oder in denjenigen Bereichen angeordnet ist, in welchen bei mechanischer Beanspruchung der Klebeverbindung Spannungsspitzen in dem faserverstärkten Kunststoffbauteil erwartet werden.
Vorzugsweise ergeben sich durch die Integration einer oder mehrerer elastischer Einlagen in dem mehrlagigen Faseraufbau des faserverstärkten Kunststoffbauteils statische und/oder dynamische Festigkeitssteigerungen.
Beispielsweise kann sich eine Erhöhung der statischen Festigkeit um 28 % gegenüber Referenzproben ergeben.
Zudem kann vorzugsweise das Versagensverhalten gegenüber einer Referenzprobe gutmütiger ausfallen, das heißt, dass ein für Klebeverbindungen typischer plötzlicher Kraftabfall vorzugsweise ausbleibt, wenn das faserverstärkte Kunststoffbauteil mindestens eine elastische Einlage umfasst.
Vorzugsweise kann durch eine abfallende Kraftsteigerung die Brucheinleitung indiziert werden.
Beispielsweise bei hohen Schwingspielzahlen, beispielsweise ab ungefähr 10⁶ Schwingspielen, kann sich eine verbesserte Festigkeit des mit mindestens einer elastischen Einlage versehenen faserverstärkten Kunststoffbauteils ergeben. Vorzugsweise liegt eine ertragbare Mittelspannung und/oder Spannungsamplitude zwischen ungefähr 10 % und ungefähr 15 % über denjenigen von Referenzproben. Ein Versagensverhalten ist vorzugsweise mit den Referenzproben vergleichbar.
Durch die Einbringung mindestens einer elastischen Einlage kann vorzugsweise eine Änderung der Symmetrie des faserverstärkten Kunststoffbauteils erzielt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil lokale Krümmungen, beispielsweise lokale Krümmungen einzelner Faserlagen im Bereich der mindestens einen elastischen Einlage, aufweist.
Durch die Einbringung mindestens einer elastischen Einlage kann sich eine Zunahme der Materialstärke des faserverstärkten Kunststoffbauteils ergeben.
Das Metallbauteil kann beispielsweise ein Aluminiumbauteil sein.
Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann beispielsweise ein kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffbauteil, ein glasfaserverstärktes Kunststoffbauteil und/oder ein aramidfaserverstärktes Kunststoffbauteil sein.
Beispielsweise bei einer Verbindung zwischen einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteil und einem Aluminiumbauteil kann sich unter Zugbelastung das Aluminiumbauteil stärker dehnen als das steifere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffbauteil. Hierdurch kann es zu Spannungsspitzen im Bereich der Verbindung zwischen den Bauteilen kommen.
Wenn diese Spannungsspitzen durch die Klebeverbindung selbst nicht ausreichend gemindert werden können, so kann es zur Reduzierung der Dauerschwingfestigkeit und zu einer Minderung der Festigkeit kommen. Durch die Integration mindestens einer elastischen Einlage in das kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffbauteil können die lokalen Spannungsspitzen vorzugsweise gemindert werden.
Als Material für mindestens eine elastische Einlage kann beispielsweise eine Kautschukfolie vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren, der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt und/oder der erfindungsgemäße Bauteilverbund finden vorzugsweise bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Personenkraftfahrzeugen (PKW), in der Luftfahrt, in der Schifffahrt und/oder bei Sportgeräten Anwendung.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen schematischen vertikalen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei ein faserverstärktes Kunststoffbauteil und ein Metallbauteil mittels einer Klebeverbindung miteinander verbunden sind, wobei zwei elastische Einlagen oberflächennah in Abstützbereichen, Abgleitbereichen und/oder Abhebebereichen eines Verbindungsabschnitts des Bauteilverbunds angeordnet sind;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei eine sich über den gesamten Verbindungsabschnitt erstreckende oberflächennahe elastische Einlage vorgesehen ist;
3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei lediglich eine elastische Einlage vorgesehen ist, welche oberflächennah im Bereich eines Endes des Metallbauteils angeordnet ist;
4 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei drei elastische Einlagen vorgesehen sind, welche in voneinander verschiedenen Zwischenräumen zwischen jeweils zwei Faserlagen und in einer parallel zu einer Faserebene verlaufenden Richtung nebeneinander angeordnet sind;
5 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei eine bezüglich einer Querrichtung des faserverstärkten Kunststoffbauteils mittig angeordnete, sich über den gesamten Verbindungsabschnitt des Bauteilverbunds hinweg erstreckende elastische Einlage vorgesehen ist;
6 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsform zwei elastische Einlagen vorgesehen sind, diese elastischen Einlagen jedoch nicht oberflächennah, sondern bezüglich der Querrichtung des faserverstärkten Kunststoffbauteils mittig in dem faserverstärkten Kunststoffbauteil angeordnet sind;
7 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines Bauteilverbunds, wobei entsprechend der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform eine einzige elastische Einlage vorgesehen ist, diese elastische Einlage jedoch nicht oberflächennah, sondern bezüglich der Querrichtung des faserverstärkten Kunststoffbauteils mittig in dem faserverstärkten Kunststoffbauteil angeordnet ist;
8 ein Diagramm zur Illustration der verbesserten Bruchkraft bei der Verwendung von elastischen Einlagen;
9 ein Diagramm zur Illustration des Bruchverhaltens eines herkömmlichen Bauteilverbunds;
10 ein Diagramm zur Illustration des Bruchverhaltens eines Bauteilverbunds, wobei ein mit mindestens einer elastischen Einlage versehenes faserverstärktes Kunststoffbauteil vorgesehen ist; und
11 ein Diagramm zur Illustration der verbesserten Schwingfestigkeit bei der Verwendung von elastischen Einlagen bei einem faserverstärkten Kunststoffbauteil.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Bauteilverbunds umfasst ein erstes Bauteil 102 und ein zweites Bauteil 104, welche mittels einer Klebeverbindung 106 fest miteinander verbunden sind.
Der Bauteilverbund 100 ist insbesondere Bestandteil eines (nicht dargestellten) Fahrzeugs.
Die Bauteile 102, 104 sind somit insbesondere Bauteile 102, 104 eines Fahrzeugs, welche beispielsweise für einen zuverlässigen Betrieb des Fahrzeugs fest miteinander verbunden sein müssen.
Das erste Bauteil 102 ist insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 108.
Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 108 umfasst insbesondere ein mehrlagiges Faserverbundmaterial. Beispielsweise umfasst das faserverstärkte Kunststoffbauteil 108 mehrere Faserlagen 110, welche mit einem Matrixmaterial 112 gefüllt und/oder infiltriert sind.
Die Faserlagen 110 sind insbesondere parallel zueinander angeordnet und verlaufen beispielsweise längs einer Faserebene 114.
Bezüglich einer senkrecht zur Faserebene 114 ausgerichteten Querrichtung 116 sind die Faserlagen 110 vorzugsweise aufeinander gestapelt.
Das erste Bauteil 102 umfasst einen Verbindungsabschnitt 118, an welchem das zweite Bauteil 104 im verbundenen Zustand der Bauteile 102, 104 anliegt.
An dem Verbindungsabschnitt 118 ist insbesondere eine Klebeschicht 120 der Klebeverbindung 106 anordenbar oder angeordnet, um die beiden Bauteile 102, 104 fest miteinander zu verbinden.
Das zweite Bauteil 104 ist beispielsweise aus einem metallischen Material gebildet und somit insbesondere ein Metallbauteil 122.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialbeschaffenheit der Bauteile 102, 104 können sich bei einer mechanischen Belastung des Bauteilverbunds 100 Spannungsspitzen in dem ersten Bauteil 102 ergeben, welche die Stabilität und/ oder Festigkeit der Klebeverbindung 106 und somit des gesamten Bauteilverbunds 100 beeinträchtigen können.
Zur Optimierung der Verbindung zwischen den zwei Bauteilen 102, 104 sind bei der ersten Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 zwei elastische Einlagen 124 vorgesehen.
Die elastischen Einlagen 124 sind Bestandteil des ersten Bauteils 102, insbesondere des faserverstärkten Kunststoffbauteils 108.
Die elastischen Einlagen 124 sind beispielsweise als Streifen 126 und/oder als Folienelemente 128, insbesondere Elastomerfolienelemente, ausgebildet und zwischen den Faserlagen 110 des faserverstärkten Kunststoffbauteils 108 angeordnet.
Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 sind die beiden elastischen Einlagen 124 oberflächennah im Bereich der Klebeverbindung 106 angeordnet.
Insbesondere sind die beiden elastischen Einlagen 124 direkt unter einer obersten Faserlage 110 des faserverstärkten Kunststoffbauteils 108 im Bereich des Verbindungsabschnitts 118 angeordnet.
Eine der elastischen Einlagen 124 ist dabei im Bereich eines Endes 130 des zweiten Bauteils 104 angeordnet.
Die weitere elastische Einlage 124 ist in einem Endbereich 132 des ersten Bauteils 102 angeordnet.
Die elastischen Einlagen 124 sind somit insbesondere in Abhebebereichen 134, Abgleitbereichen 135 oder Abstützbereichen 136 des Bauteilverbunds 100 angeordnet, in welchen sich die Bauteile 102, 104 bei einer mechanischen Beanspruchung der Klebeverbindung 106 aufeinander abstützen, relativ zueinander verschieben bzw. voneinander abgehoben werden.
Mittels der elastischen Einlagen 124 können die hierbei entstehenden Spannungsspitzen vorzugsweise abgemildert werden. Hierdurch ist der Bauteilverbund 100 besonders stabil ausgebildet.
Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Bauteilverbunds 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass anstelle zweier elastischer Einlagen 124 eine einzige elastische Einlage 124 vorgesehen ist, welche sich über den gesamten Verbindungsabschnitt 118 des ersten Bauteils 102 hinweg erstreckt.
Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform eines Bauteilverbunds 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass lediglich eine elastische Einlage 124 vorgesehen ist.
Diese elastische Einlage 124 ist im Bereich des Endes 130 des zweiten Bauteils 104 angeordnet.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 4 dargestellte vierte Ausführungsform eines Bauteilverbunds 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass drei elastische Einlagen 124 vorgesehen sind.
Die elastischen Einlagen 124 sind dabei mittels jeweils einer oder mehrerer Faserlagen 110 voneinander getrennt und somit in voneinander verschiedenen Zwischenräumen zwischen den Faserlagen 110 des faserverstärkten Kunststoffbauteils 108 angeordnet.
Die elastischen Einlagen 124 sind somit in Querrichtung 116 beabstandet voneinander angeordnet.
Zudem sind die elastischen Einlagen 124 bei der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 vorzugsweise in einer parallel zur Faserebene 114 verlaufenden Richtung beabstandet voneinander, aneinander angrenzend oder einander überlappend angeordnet.
Eine erste elastische Einlage 124a ist insbesondere oberflächennah im Bereich des Endes 130 des zweiten Bauteils 104 angeordnet.
Eine zweite elastische Einlage 124b ist vorzugsweise bezüglich der Querrichtung 116 mittig an dem ersten Bauteil 102 und zugleich in dem Endbereich 132 des ersten Bauteils 102 angeordnet.
Eine dritte elastische Einlage 124c ist bezüglich einer parallel zur Faserebene 114 verlaufenden Richtung vorzugsweise zwischen der ersten elastischen Einlage 124a und der zweiten elastischen Einlage 124b angeordnet.
Vorzugsweise ist die dritte elastische Einlage 124c auch bezüglich der Querrichtung 116 zwischen der ersten elastischen Einlage 124a und der zweiten elastischen Einlage 124b angeordnet.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Bauteilverbunds 100 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die sich über den gesamten Verbindungsabschnitt 118 erstreckende elastische Einlage 124 nicht oberflächennah, sondern bezüglich der Querrichtung 116 mittig in dem ersten Bauteil 102 angeordnet ist.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 6 dargestellte sechste Ausführungsform eines Bauteilverbunds 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die beiden elastischen Einlagen 124 nicht oberflächennah, sondern bezüglich der Querrichtung 116 mittig in dem ersten Bauteil 102 angeordnet sind.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte sechste Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 7 dargestellte siebte Ausführungsform eines Bauteilverbunds 100 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die elastische Einlage 124 nicht oberflächennah, sondern bezüglich der Querrichtung 116 mittig in dem ersten Bauteil 102 angeordnet ist.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte siebte Ausführungsform des Bauteilverbunds 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Sämtliche der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines Bauteilverbunds 100 ermöglichen eine Verbesserung der Verbindung zwischen zwei Bauteilen 102, 104, insbesondere zwischen einem faserverstärkten Kunststoffbauteil 108 und einem Metallbauteil 122.
Zur Illustration der Funktionsweise derartiger Bauteilverbünde 100 ist in 8 ein Vergleich der durchschnittlichen Bruchkraft eines herkömmlichen Bauteilverbunds 100h und eines Bauteilverbunds 100e, welcher ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 108 mit mindestens einer elastischen Einlage 124 umfasst, dargestellt.
Wie 8 zu entnehmen ist, kann durch die Verwendung mindestens einer elastischen Einlage 124, beispielsweise gemäß der in 5 dargestellten fünften Ausführungsform des Bauteilverbunds 100, bei einem Scher-Zug-Versuch ein durchschnittlicher Bruchkraftanstieg von 28 % gegenüber einem herkömmlichen Bauteilverbund 100h erzielt werden.
Als faserverstärkte Kunststoffbauteile 108 kamen dabei jeweils kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffbauteile 108 zur Anwendung. Als Material für die Metallbauteile 122 wurden Stahl und Aluminium verwendet.
In den 9 und 10 ist ein Vergleich der Kraft-Weg-Verläufe bei Bruchversuchen mit unterschiedlichen Bauteilverbünden 100 dargestellt.
In 9 ist dabei eine Versuchsreihe mit herkömmlichen Bauteilverbünden 100h dargestellt.
10 zeigt eine Versuchsreihe mit mehreren Bauteilverbünden 100e, bei welchen faserverstärkte Kunststoffbauteile 108 mit mindestens einer elastischen Einlage 124 verwendet wurden.
Aus einem Vergleich der 9 und 10 ergibt sich insbesondere ein unterschiedliches Kraftniveau, wobei mittels der Bauteilverbünde 100e, bei welchen mit elastischen Einlagen 124 versehene faserverstärkte Kunststoffbauteile 108 Verwendung finden, höhere Kraftniveaus erzielt werden.
Zudem zeigt sich, dass die Bauteilverbünde 100e, bei welchen faserverstärkte Kunststoffbauteile 108 mit mindestens einer elastischen Einlage 124 vorgesehen sind, ein gutmütigeres Bruchverhalten und damit ein geringeres Risiko eines unvorhersehbaren plötzlichen Versagens aufweisen.
Wie schließlich noch 11 zu entnehmen ist, welche einen Vergleich der unterschiedlichen Bauteilverbünde 100h, 100e hinsichtlich der Schwingfestigkeit zeigt, kann durch die Verwendung mindestens einer elastischen Einlage 124 auch die dynamische Festigkeit verbessert werden.
So ergibt sich aus den durchgeführten Versuchen insbesondere, dass mit höherer Schwingspielzahl ein geringerer Amplitudenabfall eintritt, wenn Bauteilverbünde 100e getestet werden, welche ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 108 mit mindestens einer elastischen Einlage 124 aufweisen.
Beispielsweise in Bereichen von 10⁶ Schwingspielen und mehr lassen sich bei gleichen Bruchschwingspielzahlen vorzugsweise ungefähr 10 % bis ungefähr 15 % höhere Kraftamplituden aushalten, wenn elastische Einlagen 124 zur Optimierung eines Bauteilverbunds 100 verwendet werden.
Durch die Integration mindestens einer elastischen Einlage 124 in ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 108 eines Bauteilverbunds 100 können somit die statischen und dynamischen Eigenschaften des Bauteilverbunds 100 optimiert werden. Somit können höhere Belastungen bei einem vorzugsweise nahezu gleichen Herstellungsaufwand erzielt werden.
Bezugszeichenliste

100: Bauteilverbund
100e: Bauteilverbund mit elastischer Einlage
100h: herkömmlicher Bauteilverbund
102: erstes Bauteil
104: zweites Bauteil
106: Klebeverbindung
108: faserverstärktes Kunststoffbauteil
110: Faserlage
112: Matrixmaterial
114: Faserebene
116: Querrichtung
118: Verbindungsabschnitt
120: Klebeschicht
122: Metallbauteil
124: elastische Einlage
124a: elastische Einlage
124b: elastische Einlage
124c: elastische Einlage
126: Streifen
128: Folienelement
130: Ende
132: Endbereich
134: Abhebebereich
135: Abgleitbereich
136: Abstützbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/118860 A2 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile (102, 104), umfassend: – Bereitstellen eines ersten Bauteils (102), welches ein mehrlagiges Faserverbundmaterial umfasst, wobei zwischen mindestens zwei Faserlagen (110) des ersten Bauteils (102) mindestens eine elastische Einlage (124) angeordnet ist; – Bereitstellen eines zweiten Bauteils (104), welches ein metallisches Material umfasst oder aus einem metallischen Material gebildet ist; – Verbinden des ersten Bauteils (102) mit dem zweiten Bauteil (104) mittels einer Klebeverbindung (106) in einem Verbindungsabschnitt (118) des ersten Bauteils (102).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (102) durch Stapeln von mehreren Faserlagen (110), durch Einbringen von mindestens einer elastischen Einlage (124) zwischen mindestens zwei Faserlagen (110) und durch Füllen und/oder Infiltrieren der Faserlagen (110) mit einem Matrixmaterial (112) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Faserlagen (110) des ersten Bauteils (102) mindestens eine als Streifen (126) und/oder als Folienelement (128) ausgebildete elastische Einlage (124) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische Einlage (124) in einem Bereich angeordnet wird, welcher im verbundenen Zustand des ersten Bauteils (102) und des zweiten Bauteils (104) im Falle einer mechanischen Beanspruchung der Klebeverbindung (106) ein Abstützbereich (136), ein Abgleitbereich (135) und/oder ein Abhebebereich (134) des Verbindungsabschnitts (118) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elastische Einlagen (124) mittels mindestens einer Faserlage (110) voneinander getrennt angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elastische Einlagen (124) bezüglich einer parallel zu einer Faserebene (114) verlaufenden Richtung beabstandet voneinander, aneinander angrenzend oder einander überlappend angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische Einlage (124) nur lokal im Bereich des Verbindungsabschnitts (118) angeordnet wird oder ist.
Verbindungsabschnitt (118) eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (108), an welchem ein weiteres Bauteil (104), insbesondere ein Metallbauteil (122), mittels einer Klebeverbindung (106) festlegbar ist, wobei der Verbindungsabschnitt (118) mehrere Faserlagen (110) umfasst, zwischen welchen mindestens eine elastische Einlage (124) angeordnet ist.
Verbindungsabschnitt (118) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elastische Einlage (124) als ein Streifen (126) und/oder als ein Folienelement (128) ausgebildet ist.
Verbindungsabschnitt (118) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (118) mehrere Faserlagen (110) und mehrere elastische Einlagen (124) umfasst.
Verbindungsabschnitt (118) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Faserlagen (110) jeweils höchstens eine einzige elastische Einlage (124) angeordnet ist.
Verbindungsabschnitt (118) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Faserlagen (110) mehrere elastische Einlagen (124) angeordnet sind.
Bauteilverbund (100), umfassend ein als faserverstärktes Kunststoffbauteil (108) ausgebildetes erstes Bauteil (102), welches einen Verbindungsabschnitt (118) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 umfasst, und ein zweites Bauteil (104), welches mittels einer Klebeverbindung (106) an dem Verbindungsabschnitt (118) des ersten Bauteils (102) festgelegt oder festlegbar ist.
Bauteilverbund (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klebeschicht (120) der Klebeverbindung (106) im Wesentlichen parallel zu den Faserlagen (110) des ersten Bauteils (102) und/oder parallel zu der mindestens einen elastischen Einlage (124) angeordnet ist.
Bauteilverbund (100) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische Einlage (124) in einem Bereich angeordnet ist, welcher im Falle einer mechanischen Beanspruchung der Klebeverbindung (106) ein Abstützbereich (136), ein Abgleitbereich (135) und/oder ein Abhebebereich (134) des Verbindungsabschnitts (118) ist.