DE102014107803A1

DE102014107803A1 - Kompositbauteil

Info

Publication number: DE102014107803A1
Application number: DE102014107803.9A
Authority: DE
Inventors: Dominic Römer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US20150343742A1; US10195823B2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kompositbauteil bestehend aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff (1) und einem metallischen Einleger (2), welches dadurch erhältlich ist, dass man (a) einen metallischen Einleger (2) mit auf der Oberfläche angebrachten Pinstrukturen (3) zur Verfügung stellt, (b) zunächst den bepinnten metallischen Einleger (2) in ein Umformwerkzeug einlegt, (c) anschließend ein aus dem endlosfaserverstärkten Thermoplasten (1) hergestelles gegebenenfalls vorgeheiztes Organoblech (1) darauf anordnet, (d) das Umformungswerkzeugt schließt und gegebenenfalls nach einer Verweilzeit auf Raumtemperatur abkühlt und schließlich (e) das so erhaltene Kompositbauteil (4) entnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kompositbauteil, welches aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff und einem eine Mehrzahl von Pins aufweisenden metallischen Einleger ausgebildet ist.
Faserverbundwerkstoffe, auch als Kompositwerkstoffe, Matrixwerkstoffe oder Organobleche bezeichnet, stellen eine gezielte Kombination aus zwei oder mehr Materialien dar, die die Eigenschaften der einzelnen Komponenten verbessern. Die Natur selbst hat das Prinzip, Kräfte durch hochfeste Fasern aufzunehmen, als bestgeeigneten Leichtbauwerkstoff herausgebildet. Holz, Pflanzenblätter, Muskeln und Knochen sind nur einige Bespiele für natürliche Faserverbundstrukturen. Heute versteht man unter Faserverbundwerkstoffen in der Regel einen Verbund aus hochfesten Fasern und einem Kunststoff. Es ist daher wenig überraschend, dass derartige Verbundwerkstoffe gerade im Bereich des Automobil- und Flugzeugbaus, in dem ein ständiges Ringen zwischen höchstmöglicher Stabilität und geringstmöglichem Gewicht besteht, eine zunehmende Wertschätzung erfahren.
Die Fasern bestimmen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Verbundes wie Festigkeit und Steifigkeit. Im Allgemeinen werden Glas, Carbon und Aramid eingesetzt. Für Hochleistungsfaserverbunde kommen ausschließlich Endlosfasern in Form von Geweben oder Gelegen zum Einsatz, d.h. die Länge der Fasern entspricht der Größe des Bauteils.
Aber auch dem Matrixwerkstoff fallen entscheidende Aufgaben zu. Er überträgt die Kräfte zwischen den Fasern, stützt diese gegen Ausknicken und schützt sie vor äußeren Angriffen. Man unterscheidet dabei zwischen den duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen. Thermoplastische Kunststoffe wie zum Beispiel PP, TPU, PA und PPS bieten im Hinblick auf Umformbarkeit, Gestaltungsfreiheit (Schweißbarkeit, Umspritzbarkeit mit anderen Thermoplasten), Lager- und Recyclingfähigkeit deutliche Vorteile, weswegen im Bereich der Automobiltechnik beinahe ausschließlich derartige Polymere eingesetzt werden. Leichtbauteile dieses Typs, insbesondere Karosserieteile, aus Metallblech mit einer Verstärkungsstruktur aus Kunststoff sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 042 272 A1 bekannt. Um das Leichtbauteil, insbesondere im Hinblick auf das Verformungsverhalten und die Steifigkeit, zu verbessern, ist das Metallblech stoffschlüssig mit einer Verstärkungsschicht aus Kunststoff verbunden, die wiederum stoffschlüssig mit der Verstärkungsstruktur aus Kunststoff verbunden ist.
Auch aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 121 727 A1 sind Türinnenträger bekannt, bei denen der Grundkörper beispielsweise aus einem Komposit („Organoblech“) bestehen kann, dass von einer Spritzgussmasse ummantelt ist.
In ähnlicher Weise offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2012 016 729 A1 Kraftfahrzeugbauteile, die wenigstens anteilweise aus einem Faserverbundmaterial bestehen, das eine Matrix aus einem Matrixmaterial und eine Vielzahl von in der Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern aus einem Verstärkungsfasermaterial aufweist. Dabei ist ein ebenfalls in die Matrix eingebettetes Verstärkungselement vorgesehen, das aus einem von dem Verstärkungsfasermaterial verschiedenen Verstärkungselementmaterial besteht, wobei das Verstärkungselementmaterial Metall ist oder Metall aufweist. Aus dieser Schrift ist ebenfalls bekannt, dass die Kompositbauteile Vorteile hinsichtlich der Energieabsorption aufweisen.
Gegenstand der Offenlegungsschrift DE 10 2012 012 745 A1 ist ein Trägerelement in Hybridbauweise für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem Metallelement, welches mit einem Kunststoffelement verbunden ist, wobei das Metallelement und das Kunststoffelement in einem überwiegenden Flächenbereich des Trägerelements aneinander anliegend ausgebildet und in wenigstens einem Flächenbereich des Trägerelements unter Ausbildung einer Hohlkammer voneinander angeordnet sind.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 121 621 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Metallkomponente und einer Kunststoffkomponente bestehenden Hybrid-Bauteiles, bei welchem der für den stoffschlüssigen Verbund von Metall- und Kunststoffkomponente notwendige Wärmeeintrag aus der bei einem vorgelagerten Umformverfahren in der Metallkomponente verbliebenen Restwärme erfolgt. Durch das Verfahren kann die für die Verbindung der Metall- und Kunststoffkomponente zusätzlich aufzuwendende Energie eingespart werden, so dass ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines solchen Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles bereitgestellt wird.
Schließlich wird in der US 5,672,405 ein Kompositbauteil beschrieben, bei dem zunächst in einen metallischen Einleger mit Hilfe eines Kreuzstempels eine Vielzahl von Schlitzen gestanzt werden, wobei das Material an der Einstanzstelle jeweils kreuzförmig nach außen gedrückt wird. Anschließend wird der Einleger in eine Form gegeben, die mit einem thermoplastischen Kunststoff ausgegossen wird, so dass der Einleger schließlich vollständig von dem Polymer umschlossen wird.
Nachteilig ist, dass Faserverbundstoffe nur eine begrenzte Stabilität haben, so dass es bei einem Aufprall, beispielsweise beim Zusammenstoß von zwei Fahrzeugen, zu starken Verformungen bis hin zum Splittern kommen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Kompositbauteil auf Basis endlosfaserverstärkter Thermoplasten zur Verfügung zu stellen, das über eine verbesserte Stabilität verfügt und das insbesondere in der Lage sind, Aufprallenergien besser zu absorbieren, über das Bauteil zu verteilen und somit einer Verformung entgegenzuwirken.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kompositbauteil mit den Merkmalen das Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Kompositbauteil, vorzugsweise ein Komposit-Karosseriebauteil, bestehend aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff und einem metallischen Einleger, wobei das Kompositbauteil dadurch erhältlich ist, dass der metallische Einleger eine Pinstruktur an einer Oberfläche aufweist, wobei bei der Herstellung des Kompositbauteils der bepinnte metallische Einleger zuerst in ein Umformwerkzeug eingelegt ist, dann ein aus dem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff hergestelltes gegebenenfalls vorgeheiztes Organoblech darauf angeordnet wird. Danach wird das Umformungswerkzeug geschlossen und gegebenenfalls nach einer Verweilzeit auf Raumtemperatur abkühlt und abschließend ist das so erhaltene Kompositbauteil dem Umformwerkzeug entnehmbar.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft ein analoges Verfahren zur Herstellung eines Kompositbauteils, vorzugsweise ein Komposit-Karosseriebauteils, bestehend aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff und einem metallischen Einleger, bei dem

(a) ein metallischer Einleger mit auf der Oberfläche angebrachten Pinstrukturen zur Verfügung gestellt wird,
(b) zunächst den bepinnten metallischen Einleger in ein Umformwerkzeug eingelegt wird,
(c) anschließend ein gegebenenfalls vorgeheiztes Organoblech darauf angeordnet wird,
(d) das Umformungswerkzeugt geschlossen wird und gegebenenfalls nach einer Verweilzeit auf Raumtemperatur abkühlt und schließlich
(e) das so erhaltene Kompositbauteil entnommen wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass es von besonderem Vorteil ist, wenn man bei der Herstellung aus endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoffen, den so genannten „Organoblechen“, im Herstellungsprozess schon bei der Umformung Einleger mit spezieller Oberflächenstruktur, nämlich einer Vielzahl von darauf angeordneten Pins, einbringt. Es hat sich nämlich erwiesen, dass auf diese Weise Lasten faserverbundgerecht direkt in das Laminat eingebracht werden können, die im Fall eines Zusammenstoßes Energie aufnehmen, indem die bepinnten Oberflächen durch das Laminat gezogen werden. Auf diese Weise wird einer Verformung des Bauteils entgegengewirkt. Bei dem metallischen Einleger kann es sich um ein Werkstück handeln, das aus Stahl, Aluminium oder einer Stahl- bzw. Aluminiumlegierung gefertigt ist. Die Abmessungen des Werkstücks sind dabei unkritisch und richten sich ausschließlich nach dem späteren Einsatzzweck. Pro Quadratdezimeter weisen die Einleger zwischen etwa 50 und etwa 120, vorzugsweise etwa 80 bis etwa 100 Pins auf, d.h. Erhebungen mit einer Höhe im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 mm und insbesondere etwa 2 bis etwa 5 mm. Derartige Werkstücke können in an sich bekannter Weise zur Verfügung gestellt werden beispielsweise durch Druckformung, Stanzen oder Aufschweissen.
Die Verbundwerkstoffe oder auch Organobleche setzen sich aus zwei Komponenten zusammen, den Fasern und den Polymeren. Als Fasertypen kommen Glas, Kohlenstoff und/oder Aramid in Betracht.
Glasfasern zeichnen sich aus durch hohe Zug- und Druckfestigkeit, niedrige Dichte, geringe thermische Ausdehnung, bei hoher thermischer und chemischer Resistenz aus; zudem besitzen sie eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Aramidfasern besitzen eine noch geringere Dichte, bei besonders hohen Impacteigenschaften.
Die bevorzugten Fasern sind jedoch Carbonfasern, die speziell gegenüber Glasfasern den Vorteil aufweisen, eine noch höhere Zug- und Druckfestigkeit zu besitzen und sehr hohe Zug- und Druckmodule zu besitzen. Sie weisen eine geringere Dichte auf, sind ebenfalls chemisch und thermisch resistent, dehnen sich bei Erwärmung kaum aus und sind gut elektrisch leitfähig. Beispiele für geeignete Polymere bzw. Thermoplastwerkstoffe sind PP, PA, TPU und/oder PPS.
Polypropylen (PP) ist eines der meist verwendeten Thermoplaste. Die Schmelztemperatur von PP liegt bei 165°C. Es wird bei ca. 185 bis 205 °C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 90° C. Es hat eine hohe chemische Resistenz. Die Schmelztemperatur von thermoplastischem Polyurethan (TPU) liegt bei 180 °C. Es wird bei ca. 220 bis 240° C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 90 °C. Das Material ist auch bei niedrigen Temperaturen sehr schlagfest und leicht zu kleben, zu lackieren und umzuspritzen.
Polyphenylsulfid (PPS) hat eine außerordentliche chemische Beständigkeit, eine sehr gute Temperaturbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften. Die Schmelztemperatur von PPS liegt bei 280 °C. Es wird bei ca. 300 bei 320 °C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 220 °C. PPS erfüllt auch alle Anforderungen an den Brandschutz und darf daher in Flugzeuginnenräumen eingesetzt werden.
Die bevorzugten Polymere im Rahmen der vorliegenden Erfindung stellen jedoch Polyamide (PA) dar. Beispiele umfassen das PA6, das besonders leicht zu formen ist. Die Schmelztemperatur von PA6 liegt bei 220 °C. Es wird bei ca. 240 bis 260 °C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 120 °C. Eine Alternative ist das PA12, das eine sehr gute Oberflächenqualität und UV Beständigkeit aufweist. Die Schmelztemperatur von PA12 liegt bei 180 °C. Es wird bei ca. 200 bis 240 °C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 90 °C. Bevorzugt ist indes das PA6.6, das eine Schmelztemperatur von 260 °C aufweist. Es wird bei ca. 280 bis 300 °C umgeformt, die Dauereinsatztemperatur liegt bei 130 °C. In Summe bevorzugt sind Organobleche, die als Faserkomponente Carbonfasern und als Polymerkomponente Polyamid 6.6 aufweisen.
Der Umformungsprozess kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Vorzugsweise handelt es sich um eine Druckumformung, wie sie in der DIN 8583 ausführlich beschrieben wird. Die Umformung wird vorzugsweise warm durchgeführt. Sofern weitere Verfahrensdaten relevant sind, wird auf die oben genannte Norm verwiesen, deren Offenbarung auf dem Wege der Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
In Summe richtet sich die Erfindung damit ausdrücklich auf ein Bauteil, bei dem es sich um einen metallischen Einleger mit aufgebrachten Pins in einer Matrix aus endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoffen handelt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile bzw. der Bauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren des Anspruchs erhalten werden, zum Einbau in Kraftfahrzeuge und/oder Flugzeuge.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Ansicht einen metallischen Einleger und ein Organoblech, und
2 in einem Schnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Kompositbauteils.
Der Umformungsprozess wird mittels der 1 und 2 näher erläutert. In 1 ist ein aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff 1 hergestelltes Organoblech und der mit den Pins 3 versehene metallische Einleger 2 zu sehen. Die beiden Teile 1, 2 werden in ein nicht näher dargestelltes Umformwerkzeug gegeben und miteinander verpresst, wobei die Pins 3 in den Faserverbundwerkstoff 1 eindringen, ihn jedoch nicht vollständig durchdringen, wie in 2 dargestellt ist. Im Fall eines Aufpralls bewirkt die freigesetzte mechanische Energie, dass die Pins 3 tiefer in das Laminat 1 getrieben werden zur Verstärkung des endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoffs 1, was einer Verformung des Kompositbauteils 4 jedoch gerade entgegenwirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009042272 A1 [0004]
DE 102011121727 A1 [0005]
DE 102012016729 A1 [0006]
DE 102012012745 A1 [0007]
DE 102011121621 A1 [0008]
US 5672405 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 8583 [0022]

Claims

Kompositbauteil, bestehend aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff (1) und einem metallischen Einleger (2), dadurch erhältlich, dass (a) ein metallischer Einleger (2) mit auf einer Oberfläche angebrachten Pinstrukturen (3) zur Verfügung steht, (b) der bepinnte metallische Einleger (2) in ein Umformwerkzeug eingelegt ist, (c) anschließend ein gegebenenfalls vorgeheiztes aus dem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff (1) hergestelltes Organoblech darauf angeordnet ist, (d) das Umformungswerkzeugt schließt und nach einer Verweilzeit gegebenenfalls auf Raumtemperatur abkühlt und schließlich (e) das so erhaltene Kompositbauteil (4) entnimmt.
Kompositbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Einleger (2) aus Stahl, Aluminium oder einer Stahl- bzw. Aluminiumlegierung besteht.
Kompositbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Einleger (2) pro Quadratdezimeter etwa 50 bis etwa 120 Pins (3) aufweist.
Kompositbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech (1) als Faserkomponente Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern enthält.
Kompositbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech (1) als Polymerkomponente Polypropylen, Polyamid, thermoplastisches Polyurethan und/oder Polyphenylsulfid enthält.
Kompositbauteil nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Organoblech (1) ein Verbund von Kohlenstofffasern und Polyamid 6.6 darstellt.
Kompositbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen metallischen Einleger (2) mit aufgebrachten Pins (3) in einer Matrix aus endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoffen (1) handelt.
Verfahren zur Herstellung eines Kompositbauteils bestehend aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplastwerkstoff (1) und einem metallischen Einleger (2), bei dem man (a) einen metallischen Einleger (2) mit auf der Oberfläche angebrachten Pinstrukturen (3) zur Verfügung stellt, (b) zunächst den bepinnten metallischen Einleger (2) in ein Umformwerkzeug einlegt, (c) anschließend ein gegebenenfalls vorgeheiztes Organoblech darauf anordnet, (d) das Umformungswerkzeugt schließt und nach einer Verweilzeit gegebenenfalls auf Raumtemperatur abkühlt und schließlich (e) das so erhaltene Kompositbauteil (4) entnimmt.
Verwendung der Bauteile nach Anspruch 1 oder der Bauteile, die nach dem Verfahren des Anspruchs 2 erhalten werden, zum Einbau in Kraftfahrzeugen und/oder Flugzeugen.