DE102014009446A1

DE102014009446A1 - Duroplastische FVK-Struktur mit einem thermoplastischen und faserverstärkten Lasteinleitungselement

Info

Publication number: DE102014009446A1
Application number: DE102014009446.4A
Authority: DE
Inventors: David Roquette; Tobias Kleffel; Julius Rausch; Daniel Kugele; Christoph Holländer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: EP3160721A1; DE102014009446B4; WO2015197148A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine FVK-Struktur (1), welche mindestens eine in einer duroplastischen Matrix (3) eingebetteten Faserstruktur (2) und mindestens ein Lasteinleitungselement (10) umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Lasteinleitungselement (10) einen Thermoplast-Formkörper (12) aufweist, welcher durch teilweise Imprägnierung eines Fasereinlegers (11) mittels thermoplastischen Spritzguss hergestellt ist, und der nicht imprägnierte Bereich (11.1) des auf der Faserstruktur (2) mit dem Thermoplast-Formkörper (12) angeordneten Fasereinlegers (11) zusammen mit der Faserstruktur (2) mit der duroplastischen Matrix (3) imprägniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine FVK-Struktur mit einem Lasteinleitungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Verwendung von Faserverbundkunststoff-Strukturen (FVK-Struktur) im Karosseriebau ist bekannt und führt, verbunden mit hohen Festigkeitswerten zu erheblichen Gewichtseinsparungen.
Um an solche FVK-Strukturen zusätzliche Strukturen einzubinden, werden solche Lasteinleitungselemente, bspw. für geringe Lasten in einem separaten Prozessschritt geklebt. Zur Optimierung einer solchen Klebeverbindung werden verschiedene Oberflächenbehandlungen, wie bspw. Anrauen der Oberfläche oder UV-Behandlungen durchgeführt. Nachteilig hieran sind die zusätzlichen Prozessschritte, wobei insbesondere die Oberflächenbehandlungen teuer und aufwändig sind.
Eine andere Möglichkeit zur Anbindung von zusätzlichen Strukturen beschreibt die DE 101 01 271 A1 mittels von in FVK-Strukturen eingebetteten Einlegeteilen. Ein solches Einlegeteil besteht aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, welches in einem im RTM-Verfahren hergestellten Formteil aus einem duroplastischen Kunststoff eingebettet wird. In dieses Einlegeteil ist eine Gewindebuchse eingebettet, um in diesen einen Gewindebolzen zur Befestigung der FVK-Struktur einschrauben zu können. Nachteilig hieran ist jedoch, dass an dem Übergang von dem thermoplastischen Werkstoff des Einlegeteils zudem duroplastischen Werkstoff des Formteils Haftungsprobleme auftreten können.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2012 207 118 A1 ebenso eine FVK-Struktur mit einem Einlegeteil bekannt, um über ein solches Einlegeteil weitere kraftübertragenden Bauteile an die FVK-Struktur anzubinden. Diese FVK-Struktur besteht aus einem Träger entweder aus einem faserverstärkten duroplastischen, einem nicht verstärkten thermoplastischen oder einem glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial. In diesen Träger ist ein Einlegeteil aus einem faserverstärkten Kunststoff eingebettet. Zur Herstellung eines solchen Einlegeteils wird zunächst ein Kern mittels eines Strangziehverfahrens (auch Pultrusionsverfahren genannt) hergestellt, bei dem ein imprägniertes, textiles Halbzeug durch eine Matrix gezogen wird und dabei die Fasern ausschließlich in Auszugsrichtung orientiert sind. Diesem Verfahren nachgeschaltet wird mittels Pullwindung bzw. Pullbraiding der pultridierte Kern mit einem Fasergelege bzw. Fasergewebe aus Langfasersträngen umwickelt, so dass sich gegenüber den Fasern des Kerns eine andere Faserrichtung ergibt. Dies stellt jedoch ein sehr aufwändiges Verfahren zur Herstellung einer solchen FVK-Struktur dar.
Schließlich beschreibt die DE 2011 111 743 A1 eine FVK-Struktur mit zumindest einem Textileinleger im Verbund mit einer thermoplastischen Matrix und aus thermoplastischen Kunststoff angespritzte Versteifungsrippen. Diese Versteifungsrippen enthalten einen relativ hohen Volumenanteil von zumindest 30% Kurzfasern aus einem Verstärkungsteilmaterial.
Aufgabe der Erfindung ist es eine FVK-Struktur der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem das Lasteinleitungselement mit einem verbesserten Formschluss d. h. mit besseren mechanischen Eigenschaften und höher übertragbaren Kräfte in die FVK-Struktur mit einer duroplastischen Matrix integriert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine FVK-Struktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine solche FVK-Struktur, welche mindestens eine in einer duroplastischen Matrix eingebetteten Faserstruktur und mindestens ein Lasteinleitungselement umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

– das Lasteinleitungselement einen Thermoplast-Formkörper aufweist, welcher durch teilweise Imprägnierung eines Fasereinlegers mittels thermoplastischen Spritzguss hergestellt ist, und
– der nicht imprägnierte Bereich des auf der Faserstruktur mit dem Thermoplast-Formkörper angeordneten Fasereinlegers zusammen mit der Faserstruktur mit der duroplastischen Matrix imprägniert ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen FVK-Struktur wird über ein Faserhalbzeug als Fasereinleger ein Formschluss durch dessen Teilimprägnierung mittels thermoplastischen Spritzguss als thermoplastische Matrix realisiert und der nicht imprägnierte Bereich dieses Faserhalbzeuges zusammen mit der Faserstruktur mit der duroplastischen Matrix imprägniert, so dass hierdurch ebenso ein Formschluss entsteht. Somit werden zwischen dem Fasereinleger und den jeweils beteiligten Matrixsystemen eine hohe Adhäsion und ein Formschluss mit hoher Verbindungsqualität erreicht. Insbesondere mit den Fasern des trockenen Bereichs des Fasereinlegers wird ein signifikant verbesserter Formschluss erzielt, so dass ein Spannungstransfer zwischen dem thermoplastischen, also dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ermöglicht wird.
Aufgrund des Formschlusses zwischen den Verstärkungsfasern bzw. des Faserhalbzeugs und den jeweiligen Matrixsystemen bestehen zwischen der duroplastischen Struktur und dessen thermoplastischen Lasteinleitungselement keine Haftungsprobleme, so dass dadurch signifikant höhere Kräfte übertragen werden können.
Da der Thermoplast-Formkörper aus Kunststoff besteht, kann direkt hieran eine weitere Struktur, bspw. mittels einer Schraubverbindung angebunden werden.
Die Herstellung eines solchen Lasteinleitungselementes mittels eines thermoplastischen Verarbeitungsprozesses lässt sich wirtschaftlich durchführen und anschließend mittels eines duroplastischen Verarbeitungsprozesses einfach in die FVK-Struktur integrieren. Hierzu werden die Lasteinleitungselemente bspw. direkt in das Injektions- oder Presswerkzeugen zur Herstellung eines Duroplast-Bauteils eingelegt. Damit entfallen zusätzliche Prozesse zur Anbringung von konventionellen Lasteinleitungselementen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet der Thermoplast-Formkörper über wenigstens einen imprägnierten Bereich des Fasereinlegers bzw. des Faserhalbzeugs einen Verbundmit dem Fasereinleger. Somit wird ein optimaler Formschluss zwischen dem teilimprägnierten Faserhalbzeug und dem Thermoplast-Formkörper erzielt. Vorzugsweise bildet der Thermoplast-Formkörper über mehrere imprägnierte Bereiche des Fasereinlegers bzw. des Faserhalbzeugs einen Verbund mit dem Fasereinleger. Dies führt zu einem verbesserten Formschluss zwischen dem Thermoplast-Formkörper und der duroplastischen Matrix.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist zur Bildung einer mechanischen Schnittstelle der Thermoplast-Formkörper ein Verbindungselement auf, welches durch Umspritzen bei der Herstellung des Thermoplast-Formkörpers hergestellt ist. Ein solches Verbindungselement kann bspw. als Hülse mit oder ohne Gewinde oder als Gewindebolzen usw. ausgebildet sein und aus Metall oder Kunststoff hergestellt sein.
Weiterbildungsgemäß ist der Fasereinleger bzw. ist das Faserhalbzeug aus textilen Fasern und/oder Metallfasern gebildet, wobei die Faserstruktur ein Gelege, ein Gewebe, eine Matte, ein Vlies, ein Geflecht, ein Gewirke und/oder ein Gestricke sein kann.
Weiterbildungsgemäß eignet sich als Form für den Thermoplast-Formkörper eine quaderförmige, kegelstumpfförmige oder eine pyramidenstumpfförmige Form, wobei sich insbesondere bei den konischen Formen ein Hinterschnitt im Bereich der duroplastischen Matrix der FVK-Struktur realisieren lässt. Zudem kann der thermoplastische Formkörper auch Verstärkungsrippen aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer FVK-Struktur mit einem Lasteinleitungselement gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht,
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Lasteinleitungselementes in einer Schnittansicht,
3 eine schematische Darstellung des Lasteinleitungselementes nach 2 in einer Draufsicht,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Lasteinleitungselementes nach 2, und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Lasteinleitungselementes in einer Unteransicht.
Die 1 zeigt eine FVK-Struktur 1 mit einem Lasteinleitungselement 10, wobei diese dargestellte FVK-Struktur 1 Teil eines Duroplast-Bauteils darstellt.
Dieses Lasteinleitungselement 10 umfasst einen Fasereinleger 11 als Faserhalbzeug, die zur Herstellung eines Thermoplast-Formkörpers 12 mit einer thermoplastischen Matrix teilimprägniert wird, so dass ein imprägnierter Bereich 11.2 und ein nicht imprägnierter, also trockener Bereich 11.1 entsteht.
Hierzu wird in einem ersten Prozessschritt in eine Werkzeugkavität eines Spritzguss- oder Spritzprägewerkzeugs für Thermoplaste der trockene Fasereinleger 11 eingelegt und mit einem Werkzeughub in dem Bereich 11.2 des Fasereinlegers 11 mit der thermoplastischen Matrix imprägniert und hierbei der Thermoplast-Formkörper 12 hergestellt. Um den Bereich 11.1 trocken zu halten werden in das Werkzeug entsprechende Dichtungen eingebracht, alternativ kann der Bereich 11.1 durch lokale Überpressung abgedichtet werden. Die Bauteilgeometrie des zu fertigenden Duroplast-Bauteils bestimmt die Form des Thermoplast-Formkörpers 12. Gemäß den 1 bis 4 weist dieser Thermoplast-Formkörper 12 eine kegelstumpfförmige Form auf. Es können auch andere Formen, wie bspw. eine pyramidenstumpfförmige oder zylinderförmige Form realisiert werden bzw. Rippen an den Thermoplast-Formkörper angespritzt werden. Hierbei sind alle Formen möglich, die im Spritzguss-Verfahren realisierbar sind. Außerhalb des imprägnierten Bereichs 11.2 wird der Fasereinleger 11 nicht mit der thermoplastischen Matrix imprägniert, dieser nicht imprägnierte Bereich 11.1 des Fasereinlegers 11 bleibt trocken.
Als Materialien für den Fasereinleger 11 werden textile Halbzeuge oder filigrane Metallstrukturen verwendet. Als textile Halbzeuge können Gelege, Gewebe, Matten, ein Vliese, Geflechte, Gewirke und/oder Gestricke aus Glas, Aramid, Kohlenstoff usw. verwendet werden. Gitter, Drahtgeflechte usw. sind für die filigranen Metallstrukturen geeignet.
Dieser Thermoplast-Formkörper 12 bildet eine mechanische Schnittstelle, um weitere Komponenten befestigen zu können. Hierzu weist dieser Thermoplast-Formkörper 12 eine Gewindebuchse als Verbindungselement 13 auf, über die die weiteren Komponenten angebunden werden können. Diese Gewindebuchse kann gleichzeitig mit der Herstellung des Thermoplast-Formkörper 12 hergestellt werden, oder nachträglich warm- oder kalt in den Thermoplast-Formkörper 12 eingepresst werden. Alternativ können auch Gewindebolzen in den Thermoplast-Formkörper integriert werden.
Das Lasteinleitungselement 10 wird nun zur Herstellung der FVK-Struktur 1 eines Duroplast-Bauteils gemäß 1 eingesetzt. Hierzu wird in einem zweiten Prozessschritt der Thermoplast-Formkörper 12 mit dem teilweise imprägnierten textilen Faserhalbzeug 11 zusammen mit einer Faserstruktur 2 in ein Werkzeug zur Verarbeitung duroplastischer Formmassen eingelegt, so dass der Fasereinleger 11 des Lasteinleitungselementes 10 auf dieser Faserstruktur 2 aufliegt. Mit einem solchen Werkzeug wird der nicht imprägnierten Bereich 11.1 des Fasereinlegers 11 zusammen mit der Fahrzeugstruktur 2 mit einer duroplastischen Matrix 3 imprägniert.
Die 1 zeigt die FVK-Struktur 1 nach dem duroplastischen Verarbeitungsprozess, bei welcher der Thermoplast-Formkörper 12 mit seiner Grundfläche 12.1 über den imprägnierten Bereich 11.2 vollflächig mit den Fasern des Fasereinlegers 11 verbunden ist.
Bei dieser FVK-Struktur 1 wird über den Fasereinleger 11 ein Formschluss über den imprägnierten Bereich 11.2 mit der thermoplastischen Matrix des Thermoplast-Formkörper 12 und der nicht imprägnierten Bereich 11.12 des Fasereinlegers 11 wird zusammen mit der Faserstruktur 2 im duroplastischen Verarbeitungsprozess imprägniert und so ebenfalls ein Formschluss zwischen dem nicht imprägnierten Bereich 11.1 und dem duroplastischen Matrixsystem erreicht. Somit werden zwischen dem Fasereinleger 11 und den jeweils beteiligten Matrixsystemen, also dem thermoplastischen Matrixsystem des Thermoplast-Formkörpers 12 und dem duroplastischen Matrixsystem eine hohe Adhäsion und ein Formschluss mit hoher Verbindungsqualität sichergestellt. Insbesondere mit den Fasern des nicht imprägnierten Bereichs 11.1 des Fasereinlegers 11 wird ein signifikant verbesserter Formschluss erreicht, so dass ein Spannungstransfer zwischen dem thermoplastischen, also dem imprägnierten Bereich 11.2 und dem duroplastischen Bereich, also dem nicht imprägnierten Bereich 11.1 ermöglicht wird. Schließlich entsteht an der unteren Kante des Thermoplast-Formkörpers 12 eine Hinterschneidung für die duroplastischen Matrix 3, wodurch ebenso der Formschluss zwischen dem Thermoplast-Formkörper 12 und der duroplastischen Matrix 3 verbessert wird.
Dieser Thermoplast-Formkörper 12 bildet eine mechanische Schnittstelle, um weitere Komponenten befestigen zu können. Hierzu kann die weitere Komponente bspw. mittels einer Schraubverbindung direkt an diesem Thermoplast-Formkörper 12 angeschraubt werden.
Als mechanische Schnittstelle kann auch eine Gewindehülse als Verbindungselement 13 eingesetzt werden, über die die weiteren Komponenten angebunden werden können. Eine solche Ausführung eines erfindungsgemäßen Lasteinleitungselementes 10 zeigt 2, bei dem der Thermoplast-Formkörper 12 eine solche Gewindehülse 13 aufweist. Ansonsten entspricht dieses Lasteinleitungselement 10 gemäß 2 demjenigen der FVK-Struktur 1 nach 1. Ein solches Verbindungselement 13 kann aus Kunststoff oder Metall bestehen.
Die Gewindehülse 13 wird gleichzeitig mit der Herstellung des Thermoplast-Formkörper 12 umspritzt, oder nachträglich warm- oder kalt in den Thermoplast-Formkörper 12 eingepresst.
Gemäß 2 ist der Thermoplast-Formkörper 12 mit seiner Grundfläche 12.1 vollflächig mit den Fasern des Fasereinlegers 11 in deren Bereich 11.2 verbunden. Im Unterschied hierzu ist das in 4 dargestellte Lasteinleitungselement 10 mit einem Thermoplast-Formkörper 12 ausgebildet, an dessen Grundfläche 12.1 ein Ringflansch 12.2 angeformt ist, der den thermoplastischen Verbund mit dem imprägnierten Bereich 1121 des Fasereinlegers 11 bildet. Es können neben diesem Ringflansch 12.2 auch weitere konzentrisch ineinander liegende weitere Ringflansche vorgesehen werden, so dass als Geometrie der imprägnierten Bereiche 11.2 des Fasereinlegers 11 konzentrisch ineinander liegende Ringflächen entstehen, in deren Zwischenräume die duroplastischen Matrix 3 bei der Herstellung einer FVK-Struktur 1 gemäß 1 fließen kann.
Das Lasteinleitungselement 10 gemäß 4 wird in gleicher Weise wie jenes nach 2 hergestellt. Anstelle einer Gewindehülse weist dieses Lasteinleitungselement 10 zur Bildung einer mechanischen Schnittstelle einen aus Metall oder Kunststoff hergestellten Gewindebolzen als Verbindungselement 14 auf.
Das Lasteinleitungselement 10 gemäß 4 wird anstelle desjenigen nach 1 zur Herstellung einer FVK-Struktur 1 eingesetzt.
Die 5 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Lasteinleitungselement 10 mit einem Thermoplast-Formkörper 12 mit teilweise mit einer thermoplastischen Matrix imprägnierten Fasereinleger 11. Die Grundfläche 12.1 des Thermoplast-Formkörpers 12 weist vier zylinderförmige Verbindungsfüße 12.3 auf, die jeweils einen Verbund mit imprägnierten Bereichen 11.2 des Fasereinlegers 11 bilden. Außerhalb dieser kreisförmigen Bereiche 11.2 ist der Fasereinleger 11, also der Bereich 11.1 ist nicht imprägniert und bildet dort einen Verbund mit der duroplastischen Matrix 3 entsprechend der FVK-Struktur 1 nach 1.
Die Geometrie der imprägnierten Bereiche 11.2 des Fasereinlegers 11 können in unterschiedlicher Weise ausgestaltet werden. So sind geometrische Anordnungen unterhalb des Thermoplast-Formkörpers 12 möglich, die sich durch abwechselnde und nebeneinanderliegende Bereiche freiliegender/trockener und imprägnierter Fasern des Fasereinlegers 11 auszeichnen.
Die Geometrie der imprägnierten Bereiche 11.2 des Fasereinlegers 11 der Lasteinleitungselemente 10 gemäß den 2, 4 und 5 sind daher nur beispielhaft.
Bezugszeichenliste

1: FVK-Struktur
2: Faserstruktur der FVK-Struktur 1
3: duroplastische Matrix der FVK-Struktur 1
10: Lasteinleitungselement
11: Fasereinleger, Faserhalbzeug des Lasteinleitungselementes 10
11.1: nicht imprägnierter Bereich des Fasereinlegers 11
11.2: imprägnierter Bereich des Fasereinlegers 11
12: Thermoplast-Formkörper des Lasteinleitungselementes 10
12.1: Grundfläche des Thermoplast-Formkörper 12
12.2: Ringflansch der Grundfläche 12.1
12.3: Verbindungsfuß des Thermoplast-Formkörpers 12
13: mechanische Schnittstelle, Verbindungselement
14: mechanische Schnittstelle, Verbindungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10101271 A1 [0004]
DE 102012207118 A1 [0005]
DE 2011111743 A1 [0006]

Claims

FVK-Struktur (1), umfassend mindestens eine in einer duroplastischen Matrix (3) eingebetteten Faserstruktur (2) und mindestens ein Lasteinleitungselement (10), dadurch gekennzeichnet, dass – das Lasteinleitungselement (10) einen Thermoplast-Formkörper (12) aufweist, welcher durch teilweise Imprägnierung eines Fasereinlegers (11) mittels thermoplastischen Spritzguss hergestellt ist, und – der nicht imprägnierte Bereich (11.1) des auf der Faserstruktur (2) mit dem Thermoplast-Formkörper (12) angeordneten Fasereinlegers (11) zusammen mit der Faserstruktur (2) mit der duroplastischen Matrix (3) imprägniert ist.
FVK-Struktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast-Formkörper (12) über wenigstens einen imprägnierten Bereich (11.2) des Fasereinlegers (11) einen Verbund mit dem Fasereinelger (11) bildet.
FVK-Struktur (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast-Formkörper (12) über mehrere imprägnierte Bereiche (11.2) des Fasereinlegers (11) einen Verbund mit dem Fasereinleger (11) bildet.
FVK-Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer mechanischen Schnittstelle der Thermoplast-Formkörper (12) ein Verbindungselement (13, 14) aufweist, welches durch Umspritzen bei der Herstellung des Thermoplast-Formkörpers (12) hergestellt ist.
FVK-Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (11) aus textilen Fasern und/oder Metallfasern der Gruppe umfassend ein Gelege, ein Gewebe, eine Matte, ein Vlies, ein Geflecht, ein Gewirke und/oder ein Gestricke gebildet sind.
FVK-Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast-Formkörper (12) quaderförmig, kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig und vorzugsweise mit Rippen ausgebildet ist.