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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einleger für ein Verbundbauteil, ein Verbundbauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Verfahren für die Herstellung eines Einlegers sowie ein Verfahren für die Herstellung eines Verbundbauteils.
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Es ist grundsätzlich bekannt, dass für die Reduktion von Bauraum und Gewicht Bauteile als Verbundbauteile mit unterschiedlichen Materialeinsätzen versehen werden. Beispielsweise können leichte und vor allem kostengünstig herstellbare Kunststoffmaterialien eine höhere mechanische Stabilität aufweisen, wenn sie mit sogenannten Einlegern innerhalb des Vollmaterials dieser Kunststoffbauteile versehen werden. Auch ist es bekannt, dass solche Einleger aus einem Faserverbundmaterial bestehen, welche eine Matrix und matrixverstärkende Fasern aufweisen. Um eine entsprechende Herstellung eines solchen Verbundbauteils gewährleisten zu können, werden die Einleger üblicherweise in eine entsprechende Kavität eines Werkzeugs eingelegt und anschließend durch ein Verpressen oder Verspritzen in das Vollmaterial im fließfähigen Zustand in das Verbundbauteil eingebettet. Üblicherweise wird für eine verbesserte Kraftübertragung zwischen dem Vollmaterial des Verbundbauteils und dem Einleger ein Stoffschluss zwischen dem Einleger und dem Vollmaterial gewünscht. Dies wird üblicherweise dadurch erzielt bzw. unterstützt, dass der Einleger vor dem Einlegen in die Kavität auf eine Temperatur erwärmt wird, welche vorzugsweise im Bereich oder oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials des Einlegers liegt. Durch dieses Verfahren wird sichergestellt, dass ein ausreichendes Anschmelzen der Oberfläche des Einlegers zur gewünschten stoffschlüssigen Verbindung mit dem Vollmaterial des Verbundbauteils entsteht.
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Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass durch das Anwärmen des Einlegers auf eine Temperatur im Bereich oder oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials die Stabilität dieses Einlegers leidet. Mit anderen Worten wird durch das Erwärmen bewusst eine Aufweichung des Einlegers erzielt, so dass der Transport von der Station des Erwärmens in die Kavität mit großen Schwierigkeiten versehen ist. So kann es durch das Aufweichen infolge des Erwärmens dazu kommen, dass während des Transportes, beim oder nach dem Einlegen oder durch das Einwirken des Schmelzdruckes auch während des Ausformens des Verbundbauteils eine unerwünschte und vor allem unvorhersehbare Verformung des Einlegers zustande kommt. Solche Verformungen können dazu führen, dass nicht mehr die gewünschten vordefinierten mechanischen Belastbarkeiten für das gesamte Verbundbauteil gewährleistet werden. Nicht zuletzt wird es auf diese Weise auch schwierig, den Transport zwischen der Vorwärmstation und der Kavität in sicherem und vor allem schnellem Maße zu gewährleisten. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass dieser Transport bei hohen Taktzeiten üblicherweise im Sekundenbereich von circa fünf Sekunden stattfinden muss. Eine andere bekannte Verfahrenslösung ist, zur Wahrung der Einleger-Stabilität dessen Temperatur beim Aufheiz- und Einlegevorgang stets deutlich unterhalb der Schmelztemperatur zu halten. In diesem Fall bleibt der Einleger steif und größtenteils unverformt. Es lässt sich allerdings nur ein ungenügender Stoffschluss erzeugen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise einen Einleger mit höherer Prozesssicherheit zur Verfügung zu stellen.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Einleger mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Einleger beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil sowie den beiden erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßer Einleger für ein Verbundbauteil weist eine Kernschicht auf, welche wenigstens abschnittsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und die matrixverstärkenden Fasern ausgebildet ist. Ein erfindungsgemäßer Einleger zeichnet sich dadurch aus, dass mit der Kernschicht auf wenigstens einem Oberflächenabschnitt der Kernschicht eine Randschicht stoffschlüssig verbunden ist. Diese Randschicht weist ein Material mit einer Schmelztemperatur auf, die unterhalb der Schmelztemperatur der Matrix der Kernschicht liegt.
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Erfindungsgemäß ist also der Einleger nun zumindest zweischichtig ausgebildet. Jedoch ist es auch denkbar, dass mehr als eine Randschicht auf unterschiedlichen Seitenflächen auf der Kernschicht stoffschlüssig verbunden ist, wie dies später noch näher erläutert wird.
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Unter der Kernschicht ist dabei insbesondere die Hauptschicht bzw. die tragende Schicht des Einlegers zu verstehen, welcher später die Hauptlast für die mechanische Stabilisierung des Verbundbauteils trägt.
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Unter einem Verbundbauteil ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Bauteil für ein Fahrzeug, zum Beispiel ein Strukturbauteil bzw. ein Karosseriebauteil, zu verstehen.
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Die Verbindung zwischen Randschicht und Kernschicht ist in stoffschlüssiger Weise ausgeführt. Das bedeutet, dass Kräfte zwischen diesen beiden Schichten übertragen werden können. Ziel eines erfindungsgemäßen Einlegers ist es nun, eine entsprechende stoffschlüssige Verbindung auch zwischen der Randschicht und dem Vollmaterial des Verbundbauteils während der Herstellung des Verbundbauteils gewährleisten zu können. Dies wird in der bekannten Weise durchgeführt, nämlich durch das Vorwärmen des Einlegers. Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, dass weiterhin eine Vorwärmstation verwendet wird, um den Einleger auf eine Vorwärmtemperatur bzw. eine entsprechende Prozesstemperatur zu bringen. Ist dies erfolgt, so befindet sich diese Vorwärmtemperatur oder auch Einlegetemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Randschicht und unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht. Dies führt dazu, dass durch das Vorwärmen die Randschicht auf eine Temperatur oberhalb der eigenen Schmelztemperatur gebracht worden ist, so dass nun beim Einlegen diese Randschicht für die gewünschte stoffschlüssige Verbindung mit dem Vollmaterial des Verbundbauteils vorbereitet ist. Gleichzeitig ist jedoch die Kernschicht noch nicht angeschmolzen, da hierfür die Einlegetemperatur noch nicht ausreicht. Das bedeutet, dass die Kernschicht weiterhin als stabile Grundlage die Stabilität des gesamten Einlegers garantieren kann. Dies führt dazu, dass in Kombination bei einem erfindungsgemäßen Einleger einerseits die Randschicht durch das Vorwärmen in einen angeschmolzenen vorbereiteten Zustand gebracht werden kann, andererseits die mechanische Stabilität für das Handling und das Einlegen in die Kavität des Werkzeugs durch die noch nicht geschmolzene Kernschicht weiter gewährleistet wird. Dies erzeugt eine hohe Prozesssicherheit, da in einfacher und kostengünstiger Weise das Handling erfolgen kann.
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Ein weiterer Vorteil bei einem erfindungsgemäßen Einleger ist es, dass beim Einbringen des Vollmaterials durch Spritzen oder Verpressen in die entsprechende Kavität des Werkzeugs, der Schmelzdruck eine Widerstandskraft von dem noch nicht geschmolzenen Kernschichtmaterial erfährt. Das bedeutet, dass eine unerwünschte und vor allem unvorhersehbare Verformung der Kernschicht und damit des gesamten Einlegers durch die entsprechende Widerstandskraft mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden wird. Unerwünschte mechanische Destabilisierungen durch entsprechende Verformungen können auf diese Weise sicher und wirkungsvoll vermieden werden.
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Die Fasern sind in erfindungsgemäßer Weise insbesondere Glasfasern oder Kohlenstofffasern, so dass die Kernschicht vorzugsweise ein sogenanntes CFK- oder GFK-Material aufweist. Es ist bevorzugt, wenn die Kernschicht den Faserverbundwerkstoff nicht nur aufweist, sondern die Kernschicht aus diesem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist bzw. ausgebildet ist. Gleiches gilt für die Randschicht, so dass diese ebenfalls insbesondere aus einem Material ausgebildet ist, mit einer Schmelztemperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur der Matrix der Kernschicht liegt. Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch möglich, dass die Randschicht ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist.
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Neben den bereits erläuterten Vorteilen der höheren und sichereren mechanischen Stabilität des erzeugten Verbundbauteils kann die Prozesssicherheit auch hinsichtlich der Temperatursteuerung bei der Fertigung mit höherer Sicherheit gefahren werden. Darunter ist zu verstehen, dass ein Prozessfenster definiert werden kann, in welchem sich die Einlegetemperatur zwingend bewegen muss. Dieses Prozessfenster wird definiert durch ein ausreichendes Anschmelzen der Randschicht als Untergrenze und eine ausreichende Stabilität der Kernschicht als Obergrenze. Während bei den bekannten einschichtigen Einlegern nur ein sehr enges Prozessfenster zur Verfügung gestellt werden kann, ist nun erfindungsgemäß eine Verbreiterung des Prozessfensters durch unterschiedliche Schmelztemperaturen möglich. Durch die entsprechende Wahl des Materials für die Matrix des Faserverbundwerkstoffs der Kernschicht einerseits und das Material der Randschicht andererseits, kann ein besonders breites Prozessfenster erzeugt werden, insbesondere wenn sich die beiden Schmelztemperaturen um ca. 10°C oder mehr unterscheiden.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Einleger mit der Kernschicht auf wenigstens einer Seitenfläche, insbesondere auf allen Seitenflächen, der Kernschicht eine Randschicht stoffschlüssig verbunden ist. Während es für die grundsätzliche Kernidee der vorliegenden Erfindung ausreicht, wenn zumindest ein Oberflächenabschnitt der Kernschicht mit der entsprechenden Randschicht versehen ist, kann selbstverständlich eine Vergrößerung der Randschicht Vorteile mit sich bringen. Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Sandwichbauweise gewählt wird, bei welcher die beiden Hauptseitenflächen und deren ebene Erstreckungen der Kernschicht mit der entsprechenden Randschicht stoffschlüssig verbunden sind. Dies führt zu einer Sandwichbauweise, die auf beiden Seiten eine entsprechende stoffschlüssige Verbindung der Randschicht mit dem Vollmaterial des Verbundbauteils im anstehenden Herstellverfahren ermöglicht. Selbstverständlich können auch Schnittflächen am Rand und an der Stirnseite des Einlegers nachträglich mit einer entsprechenden Randschicht hergestellt werden. Dies führt zu einer noch weiteren Verbesserung der entsprechenden stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Randschicht und dem umgebenden Vollmaterial im Verbundbauteil.
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Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Einleger die Randschicht ein Material als Hauptbestandteil aufweist mit der gleichen oder im Wesentlichen der gleichen Schmelztemperatur wie das Vollmaterial des herzustellenden Verbundbauteils. Dies führt dazu, dass bei einer Einlegetemperatur mit angeschmolzener Randschicht die gleiche Temperatur dementsprechend auch einem angeschmolzenen oder vollgeschmolzenen Zustand des Vollmaterials des Verbundbauteils entspricht. Die Ähnlichkeit bzw. Gleichheit dieser beiden Schmelztemperaturen unterstützt demnach ebenfalls die gewünschte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Vollmaterial und der Randschicht. Es reicht jedoch grundsätzlich aus, wenn die Schmelztemperatur des Materials der Randschicht gleich oder kleiner als die Schmelztemperatur des Hauptbestandteils des Vollmaterials des Verbundbauteils ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Einleger die Randschicht ein Material aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix und die matrixverstärkenden Fasern aufweist, insbesondere mit gleichen Fasern wie die Kernschicht. Dies führt dazu, dass die Randschicht ebenfalls einen Bestandteil zur mechanischen Stabilisierung des Verbundbauteils beitragen kann. Dies ist möglich dadurch, dass die mechanische Stabilisierung hauptsächlich durch die Wahl der Fasern zur Verfügung gestellt wird. Das Matrixmaterial selbst dient zur Einbettung der Fasern und vermeidet den unerwünschten Bruch derselben. Wird nun die Faserverstärkung nicht nur in der Kernschicht, sondern auch in der Randschicht zur Verfügung gestellt, so kann der Einleger im Wesentlichen über seine gesamte Dicke die gewünschte mechanische Stabilisierung gewährleisten. Damit kann der gesamte Einleger durch die komplette Ausnutzung der Dicke für die mechanische Stabilisierungswirkung insgesamt wieder kostengünstiger, kleiner und leichter ausgebildet werden.
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Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Einleger die Kernschicht eine Kernschichtdicke aufweist, welche größer oder gleich ca. 70% der Gesamtdicke des Einlegers entspricht. Das bedeutet, dass die Randschichten nur dünne Randschichten im Vergleich zur Ausbildung der Dicke der Kernschichten sind. Insbesondere ist die Gesamtdicke der Randschichten ≤ 30%. So kann beispielsweise bei einer Anordnung von Randschichten auf beiden Seitenflächen der Kernschicht von einer maximalen Randschichtdicke von ca. 15% für die jeweilige Randschicht ausgegangen werden. Bevorzugt ist es, wenn die jeweilige Randschicht maximal ca. 10% der Gesamtdicke des Einlegers aufweist. Dies führt dazu, dass die Hauptfestigkeit hinsichtlich der Stabilisierungswirkung des Einlegers für das Verbundbauteil durch die Kernschicht und die entsprechende dort angeordnete Faserverstärkung gewährleistet wird.
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Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Einleger das Material der Randschicht eine Schmelztemperatur aufweist, welche mehr als ca. 10°C unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht liegt. Das bedeutet, dass hier ein Prozessfenster mit einer Mindestgröße definiert wird. Die 10°C Unterschied bedeuten, dass innerhalb dieses Fensters zwischen Schmelztemperatur der Randschicht und Schmelztemperatur der Kernschicht die Einlegetemperatur bei einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren für das Verbundbauteil angeordnet werden kann. Je größer der Abstand zwischen diesen beiden Schmelztemperaturen ist, umso größer bildet sich auch das entsprechende Prozessfenster aus. Je größer das Prozessfenster ausgebildet ist, umso höher ist die Sicherheit beim Prozess, da Abkühleffekte beim Transport zwischen der Vorwärmvorrichtung und der Einlegeposition in die Kavität des Werkzeugs mit höherer Wahrscheinlichkeit nicht zu einem vollständigen Verfestigen der Randschicht mehr führen können.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundbauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, aufweisend ein Vollmaterial und wenigstens einen zur Verstärkung in das Vollmaterial eingebetteten Einleger gemäß der vorliegenden Erfindung. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Einlegers bringt ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Einleger erläutert worden sind. Insbesondere ist der Einleger durch das Einbetten mittels der Randschicht stoffschlüssig mit dem Vollmaterial des Verbundbauteils verbunden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Herstellung eines Einlegers, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:
- – Erzeugen einer Kernschicht aus einem Faserverbundmaterial mit einer Matrix und mit die Matrix verstärkenden Fasern,
- – Erzeugen einer Randschicht auf wenigstens einem Oberflächenabschnitt der Kernschicht in stoffschlüssiger Verbindung mit der Kernschicht, wobei die Randschicht ein Material aufweist, deren Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Matrix der Kernschicht liegt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren können die gleichen Vorteile erzielt werden, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Einleger erläutert worden sind. Mögliche Herstellvarianten sind zum Beispiel das sogenannte Film-Stacking-Verfahren. Dabei wird die Kernschicht zwischen entsprechende Filmmaterialien von Randschichten eingelegt und unter Wärmeeinwirkung verpresst. Eine kontinuierliche Herstellmöglichkeit, zum Beispiel von der Rolle, kann unter Verwendung von vorimprägnierten Halbzeugen stattfinden. Hierbei können gewünschte Schichtdicken durch die Verbindung der gewünschten Anzahl der Halbzeuge im bekannten Folienschweiß-Prozess hergestellt werden. Auch die direkte Co-Extrusion oder Pultrusion der Kern- und der Ranschichtlagen aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien wie Granulat und Rovings ist im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Selbstverständlich kann auch, insbesondere in der Einzelstückfertigung, eine klassische Verschweißung einzelner Folien miteinander zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Schichten eingesetzt werden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Herstellung eines Verbundbauteils, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:
- – Zur Verfügung stellen eines erfindungsgemäßen Einlegers,
- – Einlegen des Einlegers in eine Kavität eines Werkzeugs,
- – Einbringen von fließfähigem Vollmaterial in die Kavität des Werkzeugs zur Ausbildung der Form des Verbundbauteils.
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Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Einlegers bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Einleger erläutert worden sind. Selbstverständlich kann als abschließender Schritt noch ein Abkühlen des Vollmaterials bzw. des dann final hergestellten Verbundbauteils eingesetzt werden. Das Einbringen des Vollmaterials kann zum Beispiel flüssig in einem Spritzgussverfahren erfolgen. Auch das Verpressen von für Pressvorgang ausreichend fließfähigem Vollmaterial ist im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch möglich, dass zumindest abschnittsweise auch zwei oder mehr Einleger übereinander gestapelt werden. Dies führt dazu, dass an den Kontaktflächen der Einleger miteinander die jeweils kontaktierenden Randschichten miteinander während des Herstellverfahrens ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.
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Das im voranstehenden Absatz genannte erfindungsgemäße Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Einleger vor dem Einlegen in die Kavität auf eine Einlegetemperatur aufgeheizt wird, welche oberhalb der Schmelztemperatur der Randschicht und unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschicht liegt. Mit anderen Worten liegt die Einlegetemperatur auf einer Höhe, welche innerhalb des durch die Schmelztemperatur der Randschicht und der Kernschicht definierten Prozessfensters liegt. Insbesondere wird die Einlegetemperatur derart gewählt, dass sie sich im oberen Drittel bzw. im oberen Viertel des definierten Prozessfensters befindet. Dies führt dazu, dass gegen unerwünschtes Auskühlen während des Transports von der Vorwärmvorrichtung zur Kavität des Werkzeugs entstehende Auskühlprozesse ein besonders hoher Schutz besteht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einlegers,
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2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einlegers,
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3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einlegers,
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4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einlegers,
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5 ein erster Schritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Einlegers,
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6 ein Schritt nach dem Schritt gemäß 5,
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7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils,
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8 das Verbundbauteil der 7 im Querschnitt,
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9 Schritte einer Herstellmöglichkeit für einen erfindungsgemäßen Einleger,
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10 eine weitere Herstellmöglichkeit für einen erfindungsgemäßen Einleger,
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11 ein Temperaturverlaufsprofil für das Vorwärmen eines Einlegers,
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12 ein Temperaturverlaufsprofil für das Herstellen eines Einlegers.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einlegers 10 dargestellt. Eine Kernschicht 20 ist hier als Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix 22 und die matrixverstärkenden Fasern 24 ausgebildet. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Glasfaserkunststoff oder einen Kohlefaserkunststoff handeln, wobei es sich bei der Matrix 22 insbesondere um eine thermoplastische Matrix handelt. Auf der Oberseite, nämlich der Seitenfläche 28 am oberen Ende der Kernschicht 20, ist im Oberflächenabschnitt 26 eine Randschicht 30 angeordnet. Diese Randschicht 30 weist eine Schmelztemperatur TSR auf, welche unterhalb der Schmelztemperatur TSK der Kernschicht 20 ausgebildet ist. Damit wird es möglich, einen entsprechenden Stoffschluss mit einem umgebenden Vollmaterial 110 eines herzustellenden Verbundbauteils 100 einzugehen, wie es später noch erläutert wird. Zwischen der Randschicht 30 und der Kernschicht 20 ist eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher die gesamte obere Seitenfläche 28 mit einer entsprechenden Randschicht 30 versehen ist. Auch diese Randschicht 30 ist stoffschlüssig mit der Kernschicht 20 verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist die Randschicht 30 ebenfalls als Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix 32 und Fasern 34 ausgebildet. Diese Matrix 32 ist vorzugsweise mit einer Schmelztemperatur TSR ausgestattet, welche im Wesentlichen der Schmelztemperatur TSV des Vollmaterials 110 des Verbundbauteils 100 entspricht.
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Die 3 zeigt eine Variante der 2, bei welcher auf beiden Seitenflächen 28 der Kernschicht 20 jeweils eine Randschicht 30 vorgesehen ist. Hier ist gut zu erkennen, dass auch gekrümmte oder abgeknickte Geometrien des Einlegers 10 denkbar sind.
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In 4 ist eine entsprechende, ebenfalls beidseitig mit Randschichten 30 versehene Lösung des Einlegers 10 dargestellt. Hier ist gut das Größenverhältnis zu erkennen, wobei mindestens 70% der Gesamtdicke GD des Einlegers 10 für die Dicke DK der Kernschicht 20 aufgewendet sind.
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Die 5 und 6 zeigen eine Möglichkeit ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 100 herzustellen. In die Kavität 210 ist ein Einleger 10, zum Beispiel gemäß einer der Ausführungsformen der 1 bis 4, eingelegt. Anschließend wird entweder durch ein Spritzgussverfahren oder für ein Verpressverfahren als stückiges Bauteil das Vollmaterial 110 in die Kavität 210 eingebracht. Unter Ausbildung von Druck- und Temperaturerhöhung bildet sich nun die finale Form des Verbundbauteils 100 aus, wobei gleichzeitig die Einbettung des Einlegers 10 in das Vollmaterial 110 unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung des Vollmaterials 110 mit der Randschicht 30 vonstattengeht. Nachträglich kann insbesondere nach Abwarten einer Abkühlphase ein Entformen des final hergestellten Verbundbauteils 100 erfolgen.
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Die 7 und 8 zeigen eine mögliche Ausführungsform eines derart hergestellten Verbundbauteils 100. Im Querschnitt der 8 ist gut zu erkennen, dass hier insgesamt drei Einleger 10 verwendet worden sind. An den beiden linken und rechten Enden ist jeweils eine Stapelung von zwei Einlegern 10 zu erkennen. An den Kontaktflächen zwischen den benachbarten Einlegern 10 sind die jeweils kontaktierenden Randschichten 30 miteinander stoffschlüssig durch den Temperatureinfluss im Herstellverfahren des Verbundbauteils 100 verbunden.
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9 zeigt eine Möglichkeit der Herstellung eines erfindungsgemäßen Einlegers 10, zum Beispiel im sogenannten Film-Stacking-Verfahren. Die einzelnen Schichten werden hier zur Kernschicht 20 mit den benachbarten Randschichten 30 übereinandergelegt und unter Temperatur- und Druckeinwirkung miteinander verschweißt. Damit wird der erfindungsgemäße Stoffschluss zwischen den Randschichten 30 und der Kernschicht 20 bei der Herstellung des Einlegers 10 gewährleistet.
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10 zeigt eine Möglichkeit einer kontinuierlichen Fertigung durch das Aufeinanderlegen von Schichten. So können hier, ausgehend von einem Rollenmaterial die einzelnen Schichten, nämlich die Randschichten 30 und die Kernschicht 20 abgezogen werden. Es können beliebig viele Rollen zum Einsatz kommen, um die gewünschten Schichtdicken zu erreichen. Durch Verpressen und Temperatureinfluss in Form von Walzen, kann ebenfalls eine im Wesentlichen kontinuierliche Herstellmöglichkeit für den Einleger 10 erfolgen. Anschließend kann durch Beschneiden dieses Einlegers 10 die gewünschte finale Ausformung vor dem Einlegen in die Kavität 210 erfolgen. Selbstverständlich kann anstelle des Rollenmaterials auch direkt eine Co-Extrusion bzw. Pultrusion unter Verwendung von Granulat und zugehörigen Faserrovings Verwendung finden.
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In 11 ist die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Verbundbauteils teilweise dargestellt, in Form des Temperaturverlaufs. So wird der Einleger aufgeheizt auf eine Einlegetemperatur ET, die sich oberhalb der Schmelztemperatur TSR der Randschicht 30 befindet. Dadurch wird diese Randschicht 30 angeschmolzen für den gewünschten nachträglichen stoffschlüssigen Verbindungsschritt mit dem umgebenden Vollmaterial 110. Jedoch wird sichergestellt, dass die Einlegetemperatur ET kleiner als die Schmelztemperatur TSK der Kernschicht 20 ist, so dass diese Kernschicht 20 weiterhin ungeschmolzen und dementsprechend steif bleibt.
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Die 12 zeigt den Temperaturverlauf beim Herstellen des Einlegers 10. Hier wird gewährleistet, dass die Herstelltemperatur HT auch die Schmelztemperatur TSK der Kernschicht 20 überschreitet, so dass nunmehr sichergestellt ist, dass die gewünschte stoffschlüssige Verbindung auch zwischen der Kernschicht 20 und der Randschicht 30 zur Verfügung gestellt wird.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Einleger
- 20
- Kernschicht
- 22
- Matrix
- 24
- Faser
- 26
- Oberflächenabschnitt
- 28
- Seitenfläche
- 30
- Randschicht
- 32
- Matrix
- 34
- Faser
- 100
- Verbundbauteil
- 110
- Vollmaterial
- 200
- Werkzeug
- 210
- Kavität
- TSR
- Schmelztemperatur Randschicht
- TSK
- Schmelztemperatur Kernschicht
- TSV
- Schmelztemperatur des Vollmaterials
- ET
- Einlegetemperatur
- HT
- Herstelltemperatur
- DK
- Kernschichtdicke
- GD
- Gesamtdicke des Einlegers
