DE102014206639A1 - Sandwich-Bauteil mit einem Schaumkern und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Sandwich-Bauteil mit einem Schaumkern, der zumindest abschnittsweise von einer aus Fasermaterial gebildeten Deckschicht umgeben ist, wobei in dem Schaumkern ein Einleger eingebracht ist, der form- und/oder stoffschlüssig mit dem Schaumkern verbunden ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sandwich-Bauteils.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Sandwich-Bauteil mit einem Schaumkern, der zumindest abschnittsweise von einer aus Fasermaterial gebildeten Deckschicht umgeben ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sandwich-Bauteils.
- Zu Reduzierung der Emissionen und zur Verringerung des Verbrauchs, werden im heutigen Fahrzeugbau Anstrengungen unternommen mit dem Ziel, das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu reduzieren. Ein Ansatz ist hierbei die Verwendung neuer Materialien, wie bspw. faserverstärkter Kunststoffe, zur Herstellung von Strukturbauteilen oder Außenhautbauteilen, die bislang überwiegend aus metallischen Materialien, wie Blech gefertigt wurden. Dabei hat sich zwischenzeitlich die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen oder glasfaserverstärkten Bauteilen etabliert.
- Bei der Herstellung von Baugruppen oder Unterbaugruppen, in denen Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff und Bauteile aus metallischem Werkstoff kombiniert werden, ergeben sich Problemstellungen, die das Fügen dieser Bauteile betreffen. Bekannte stoffschlüssige Verfahren, wie bspw. das Schweißen sind bei diesen Materialkombinationen nicht anwendbar. Auch lösbare Verbindungstechniken, wie bspw. Nieten oder Schrauben haben gewisse Nachteile. Beispielhaft sei hier erwähnt, dass durch eine Schraubverbindung ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Kohlenstofffasern des faserverstärkten Bauteils und dem metallischen Bauteil hergestellt wird. Bei unterschiedlicher Elektronenaffinität des Fasermaterials und des verwendeten metallischen Werkstoffs kommt es dadurch zu Korrosionseffekten.
- Aus der
DE 10 2012 022 959 A1 ist eine Befestigungsvorrichtung für einen Tank eines Kraftfahrzeuges bekannt, umfassend eine annähernd winkelförmige Konsole zur Aufnahme des Tanks, wobei die Konsole aus einem Faserverbundkunststoff besteht. - Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 100 964 A1 ist ein Gleitsportgerät, insbesondere Snowboard, Ski und dergleichen und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Das Gleitsportgerät weist einen Kern und wenigstens eine darunter angeordnete erste Lage und wenigstens eine darüber angeordnete zweite Lage auf, wobei die erste Lage und/oder die zweite Lage erfindungsgemäß aus faserverstärktem Material mit thermoplastischer Matrix und Endlosfasern bestehen und wobei bedarfsweise unter der ersten Lage ein Gleitbelag und über der zweiten Lage eine Dekorschicht angeordnet ist. - Ausgehend von diesem Stand der Technik, macht es sich die Erfindung zur Aufgabe, ein Sandwich-Bauteil anzugeben, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sandwich-Bauteils anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung, ein Sandwich-Bauteil anzugeben, in das auf besonders einfache Weise Einleger einbringbar sind, zum Verbinden dieses Sandwich-Bauteils mit anderen Bauteilen. Ferner ist es eine besondere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf besonders einfache Weise Sandwich-Bauteile mit darin integrierten Einlegern herstellbar sind.
- Diese Aufgabe wird durch ein Sandwich-Bauteil gemäß dem Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 4 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Verbindung ein Sandwich-Bauteil mit einem Schaumkern vor, der zumindest abschnittsweise von einer aus Fasermaterial gebildeten Deckschicht umgeben ist. Dabei kann der Einleger in den Kern eingebracht sein, so dass der Einleger form- und/oder stoffschlüssig mit dem Schaumkern verbunden ist. Die Deckschicht kann als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet sein. Die Verstärkungsfasern können organische oder anorganische Verstärkungsfasern sein. Die Verstärkungsfasern können bspw. als Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) genannt. Das zugehörige faserverstärkte Kunststoffbauteil ist dann ein CFK-Bauteil. Die Verstärkungsfasern können bspw. auch als Glasfasern ausgebildet sein. Diese bilden dann mit der Kunststoffmatrix einen glasfaserverstärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Die Erfindung soll jedoch nicht darauf beschränkt sein, denn es können auch Verstärkungsfasern bspw. aus Aramid-, Polyester-, Nylon-, Polyethylen-, DMNA-, Basalt-, Bor-, Keramik-, Stahl-, Naturfasern und/oder aus einer Kombination dieser Fasern verwendet werden. Diese Fasern sind dann in einer Kunststoffmatrix eingebettet. Das Material der Kunststoffmatrix mag insbesondere ein oder mehrere thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) und/oder duroplastische Kunststoffe (Duroplaste) aufweisen. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder an andere Thermoplaste anschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich bspw. Polyetherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Faserverstärkte Kunststoffe mit einer duroplastischen Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe bzw. Matrix können z. B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharze (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphtalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharze (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF).
- Der Schaumkern kann eine Dichte im Bereich von 70 kg/m3 bis 250 kg/m3 aufweisen. Zur Ausbildung des Schaumkerns eignen sich verschiedene Materialien, insbesondere Polyurethan-Schaum (PU-Schaum), Polyethylen-Schaum (PET-Schaum), Polyvinylchlorid-Schaum (PVC-Schaum), Polymethacrylimid-Schaum (PMI-Schaum) oder Polyetherimid-Schaum (PEI-Schaum).
- Durch die formschlüssige Verbindung, kann ein besonders guter Halt des Einlegers an dem Schaumkern realisiert werden. Hierzu weist der Einleger an der Oberfläche, die mit dem Schaumkern in Kontakt steht, Vorsprünge oder Ausnehmungen auf. Zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung, kann der Schaumkern wahlweise selbst an dem Einleger haften oder bspw. eine haftvermittelnde Schicht, insbesondere ein Klebstoff, auf die Oberfläche des Einlegers aufgebracht werden, die dem Schaumkern zugewandt ist. Dadurch wird ein besonders sicherer Halt des Einlegers an dem Schaumkern realisiert.
- Weiterhin kann der Einleger als Buchse, Hülse, Bundhülse oder Doppelbundhülse ausgebildet sein. Dadurch kann auf besonders einfache Weise Stifte, Achsen, Wellen oder Dorne, die an dem anderen Bauteil der Baugruppe angeordnet sind, in eine Ausnehmung des Einlegers eingebracht werden, zum Fügen des anderen Bauteils mit dem Sandwich-Bauteil zu einer Baugruppe. Wahlweise kann in einer Ausnehmung des Einlegers, bspw. einer Durchgangsbohrung, ein Innengewinde vorgesehen sein. Dadurch ist das Sandwich-Bauteil für eine Verschraubung mit dem zweiten Bauteil optimiert.
- In einer weiteren, alternativen Ausführung der Erfindung, kann der Einleger als Vollmaterial, mit einer höheren Dichte und/oder höheren Festigkeit als der Schaumkern, insbesondere als Holzplatte ausgebildet sein. Die Holzplatte kann dabei eine Dicke aufweisen, die vergleichsweise groß ist, so dass die Holzplatte auch als Holzquader oder als Holzwürfel ausgebildet ist. Auch kann die Holzplatte eine im Wesentlichen prismische oder sogar zylindrische Form aufweisen. In den als Holzplatte ausgebildeten Einleger muss erst eine Durchgangsbohrung eingebracht werden, damit Fügeelemente einbringbar sind, zum Verbinden des Sandwich-Bauteils mit einem zweiten Bauteil zu einer Baugruppe. Das in dieser Ausführungsform für den Einleger verwendete Holzmaterial bietet den Vorteil, dass eine elektrische Isolation geschaffen werden kann, zwischen einem Fügestift oder einer Fügeschraube und den elektrisch ebenfalls leitenden Fasern der Deckschicht.
- In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils mit den Schritten:
- – Erzeugen eines Schaumkerns, insbesondere aus geschäumtem Material,
- – Verbinden eines Einlegers mit dem Schaumkern,
- – Erzeugen einer Deckschicht aus faserverstärktem Kunststoff auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche des Schaumkerns, wobei zum Verbinden des Einlegers mit dem Schaumkern, der Einleger mit dem den Schaumkern ausbildenden Material umschäumt wird.
- Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der Einleger bzw. Insert bevorzugt bereits im Schäumprozess bzw. im Fertigungsprozess des Form-Kernmaterials eingesetzt wird. Hierdurch kann ein besonders sicherer Verbund zwischen dem Einleger und dem Kernmaterial realisiert werden. Alternativ dazu kann auch zuerst der Kern erstellt werden und anschließend eine Aussparung in dem Kern erzeugt werden, beispielsweise durch fräsen, in die dann der Einleger eingesetzt wird.
- Weiterhin kann zum Erzeugen der Deckschicht, der Schaumkern zumindest abschnittsweise mit einem trockenen Fasermaterial umwickelt oder umflochten werden und anschließend das Fasermaterial in einem Vakuuminjektionsverfahren mit einem Matrixmaterial infiltriert werden. Dadurch wird die Deckschicht in einem Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) erzeugt. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die trockenen Fasern leicht und positionsgenau auf den Schaumkern aufgebracht werden können. Bei einer fehlerhaften Ablage einer Faser kann diese wieder vom Schaumkern entfernt und neu abgelegt werden.
- Alternativ dazu kann zum Erzeugen der Deckschicht, der Schaumkern zumindest abschnittsweise mit einem mit Matrixmaterial vorimprägnierten Fasermaterial umwickelt oder umflochten werden und anschließend das Matrixmaterial durch Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur verfestigt werden. Dadurch kann die Deckschicht auf dem Schaumkern auch in einem Prepregverfahren hergestellt werden. Weiterhin ist die Herstellung im Nasspressverfahren möglich.
- In beiden Alternativen kann nach dem Erzeugen der Deckschicht ein Durchbruch in das Sandwichbauteil eingebracht wird, der sich fluchtend durch die Deckschicht und den Schaumkern ausbreitet. Dies kann beispielsweise durch Bohren, Laserstrahlschneide oder Wasserstrahlschneiden realisiert werden.
- In beiden Verfahren kann dadurch auf einfache Weise eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Einleger und dem Schaumkern erzeugt werden.
- Weiterhin kann der Einleger als Buchse oder Hülse ausgebildet sein, mit einem in Längsrichtung des Einlegers verlaufenden Durchbruch, wobei beim Aufbringen des Fasermaterials die axial endseitigen Öffnungen des Durchbruchs freigehalten werden. Mit anderen Worten: beim Aufbringen des Fasermaterials werden die Öffnungen der Buchse nicht abgedeckt. Dadurch kann nach dem Erzeugen der Deckschicht die Öffnung des Durchbruchs zum Einbringen der Verbindungselemente verwendet werden. Ein zusätzliches Durchbohren der Deckschicht zum Freilegen des Durchbruchs ist dadurch nicht notwendig.
- Weiterhin können nach dem Erzeugen der Deckschicht Reste des Matrixmaterials aus dem Durchbruch in dem Einleger entfernt werden. Sowohl beim RTM-Verfahren, wie auch beim Nasspressen kann es sein, dass Matrixmaterial in den Durchbruch des Einlegers eingebracht wird, wenn das Matrixmaterial mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird, um es zu verfestigen. Diese Reste werden durch nachträgliches Befräsen der Durchbrüche entfernt.
- Alternativ dazu können vor dem Erzeugen der Deckschicht zumindest die axial endseitigen Öffnungen des Durchbruchs bzgl. des Matrixmaterials dicht verschlossen werden. Hierzu kann beispielsweise ein Dorn, eine Achse, eine Welle oder ein Stift durch den Durchbruch geschoben werden. Alternativ dazu können auf den randseitigen Öffnungen Schutzkappen aufgebracht werden. Nach der Fertigstellung der Deckschicht kann dieser Verschluss, d. h. der Dorn oder die Schutzkappen entfernt werden. Dadurch wird verhindert, dass bei der Erzeugung der Decksicht Matrixmaterial in den Durchbruch gelangen kann, und ein nachträgliches Bearbeiten zum Entfernen erübrigt sich.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibungen enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
- Es zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 den prinzipiellen Aufbau eines Sandwich-Bauteils und einem Einleger gemäß einer ersten Ausführungsform und -
2 den prinzipiellen Aufbau eines Sandwich-Bauteils mit einem Einleger gemäß einer zweiten Ausführungsform. - In
1 ist eine Schnittansicht durch ein Sandwich-Bauteil10 , wobei der besseren Übersicht halber auf Schraffierungen weitestgehend verzichtet wurde. Der Schaumkern20 ist auf seiner Oberfläche zumindest abschnittsweise von einer aus Fasermaterialien gebildeten Deckschicht11 umgeben. In dem Schaumkern12 ist ein Einleger13 eingebracht, der hier bspw. als Doppelbundhülse ausgebildet ist. Die beiden Bunde stellen in radialer Richtung vorspringende Bereiche des Einlegers13 dar, so dass der Einleger13 hinterschnittig ausgebildet ist und somit formschlüssig mit dem Schaumkern12 in Eingriff steht. Ein Durchbruch15 läuft von einer Oberseite des Sandwich-Bauteils10 durch die Deckschicht11 über den Einleger13 hindurch und auf der Unterseite des Sandwich-Bauteils10 hinaus. Durch diesen Durchbruch15 können Schrauben, Stifte, Dorne, Wellen, Achsen oder andere Steckverbindungen geschoben werden, mit denen ein zweites Bauteil (nicht dargestellt) an dem Sandwich-Bauteil10 befestigt werden kann. Der Einleger13 ist hier als einteilige Einlegebuchse15 dargestellt, kann jedoch in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen, auch mehrteilig ausgebildet sein. - Die Einbringung des Einlegers
13 unmittelbar bei der Herstellung des Schaumkernes, bietet auch den Vorteil, dass der Einleger13 zur Lagepositionierung des Kernes12 verwendet werden kann. Dies bietet Vorteile, bei der Ausrichtung und Positionierung des Schaumkernes12 während der Erzeugung der Deckschicht11 . Anhand des Einlegers13 lässt sich der Schaumkern12 beispielsweise in einem RTM-Werkzeug ortsgenau platzieren und ausrichten, um anschließend mit die Deckschicht11 aufzubringen. - Eine zweite alternative Ausführungsform ist in
2 gezeigt. Sie unterscheidet sich im Aufbau zu dem in1 gezeigten Sandwich-Bauteil10 dadurch, dass der Einleger14 als eine Holzplatte ausgebildet ist. Diese ist hier linksseitig beispielhaft mit hinterschnittiger Kontur dargestellt. Rechtsseitig hat der Einleger14 in2 eine gerade Oberfläche. Wie aus2 erkenntlich, weist der Einleger14 keinen Durchbruch auf. Dieser wird nach der Erzeugung der Deckschicht11 eingebracht, bspw. indem der Einleger14 durchbohrt wird. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der Einleger14 aus Holz auch eine achsensymmetrische Form aufweisen und als Scheibe oder Rad ausgebildet sein. Die Mantelfläche des Holzeinlegers kann dabei eben oder auch mit Vorsprüngen und/oder Ausnehmung versehen sein, um eine hinterschnittige formschlüssige Verbindung mit dem Schaumkern zu erzeugen. - In beiden Ausführungsformen kann eine kosteneffiziente Fertigung von Faserverbundbauteileinleger realisiert werden. Mit der Verwendung eines Einlegers
14 aus Holz kann ein integrierter Korrosionsschutz erzielt werden. Nicht zuletzt bietet die Erfindung den Vorteil einer einfachen Integration der Einleger13 ,14 in den Schaumkern12 und damit in das Faserverbundbauteil. Folglich können auch Verbindungselemente auf besonders einfache Weise angebunden werden. Dadurch lassen sich einfach Baugruppen erzeugen, bei denen ein erstes Bauteil ein Sandwichbauteil10 ist und ein zweites Bauteil aus einem anderen, beispielsweise metallischen Material ausgebildet ist. - 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
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- DE 102012022959 A1 [0004]
- DE 102012100964 A1 [0005]
Claims (10)
- Sandwichbauteil (
10 ) mit einem Schaumkern (12 ), der zumindest abschnittsweise von einer aus Fasermaterial gebildeten Deckschicht (11 ) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaumkern (12 ) ein Einleger (13 ,14 ) eingebracht ist, der form- und/oder stoffschlüssig mit dem Schaumkern (12 ) verbunden ist. - Sandwichbauteil (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleger (13 ) als Buchse, Hülse, Bundhülse oder Doppelbundhülse ausgebildet ist. - Sandwichbauteil (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleger (13 ) als Vollmaterial, mit einer höheren Dichte und/oder höheren Festigkeit als der Schaumkern, insbesondere als Holzplatte ausgebildet ist. - Verfahren zur Herstellung eines Sandwichbauteils (
10 ) mit den Schritten: – Erzeugen eines Schaumkernes (12 ), insbesondere aus geschäumten Material, – Verbinden eines Einlegers (13 ,14 ) mit dem Schaumkern (12 ), – Erzeugen einer Deckschicht (11 ) aus faserverstärktem Kunststoff auf zumindest einem Abschnitt einer Oberfläche des Schaumkerns (12 ), dadurch gekennzeichnet, dass – zum Verbinden des Einlegers (13 ,14 ) mit dem Schaumkern (12 ), der Einleger (13 ,14 ) mit dem den Schaumkern (12 ) ausbildenden Material umschäumt wird. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Deckschicht (
11 ), der Schaumkern (12 ) zumindest abschnittsweise mit einem trockenen Fasermaterial umwickelt oder umflochten wird und anschließend das Fasermaterial in einem Vakuuminjektionsverfahren mit einem Matrixmaterial infiltriert wird. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Deckschicht (
11 ), der Schaumkern (12 ) zumindest abschnittsweise mit einem mit Matrixmaterial vorimprägnierten Fasermaterial umwickelt oder umflochten wird und anschließend das Matrixmaterial durch Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur im Prepregverfahren oder im Nasspressverfahren verfestigt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einleger (
13 ) als Buchse, Bundbuchse, Doppelbundbuchse oder Hülse ausgebildet ist, mit einem in Längsrichtung des Einlegers (13 ) verlaufenden Durchbruch (15 ), und dass beim Aufbringen des Fasermaterials die axial endseitigen Öffnungen des Durchbruchs freigehalten werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der Deckschicht (
11 ) Reste des Matrixmaterials aus dem Durchbruch entfernt werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erzeugen der Deckschicht (
11 ) zumindest die axial endseitigen Öffnungen des Durchbruchs bezüglich des Matrixmaterials dicht verschlossen werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der Deckschicht (
11 ) ein Durchbruch in das Sandwichbauteil (10 ) eingebracht wird, der sich fluchtend durch die Deckschicht (11 ) und den Schaumkern (12 ) ausbreitet.
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