DE102014217486A1

DE102014217486A1 - Verfahren zum Herstellen von FKV-Bauteilen mit lokaler Verstärkung

Info

Publication number: DE102014217486A1
Application number: DE102014217486.4A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Keck; Stephan Lehner; Wolfgang Schmitz; Maximilian Wilhelm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von FKV-Bauteilen mit lokaler Verstärkung an vorbestimmten Fügestellen zur lokalen Erhöhung der Biegefestigkeit im Bereich der Fügestellen, wobei ein Grundkörper des FKV-Bauteils durch ein Faserlaminathalbzeug gebildet und in einem Presswerkzeug zum fertigen FKV-Bauteil fertiggestellt wird, und die lokale Verstärkung als Zusatzmaterial zur lokalen Erhöhung der Wandstärke oder als Zusatzelement in dem Presswerkzeug vorgehalten und beim Fertigstellen in das FKV-Bauteil lokal in dem Bereich der vorbestimmten Fügestellen integriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von FKV-Bauteilen (FKV = Faser-Kunststoff-Verbund) mit lokaler Verstärkung an einer oder mehreren vorbestimmten Fügestellen zur lokalen Erhöhung der Biegefestigkeit des FKV-Bauteils im Bereich der Fügestellen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, FKV-Bauteile mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) aufgrund des vorgegebenen gleichbleibenden Lagenaufbaus mit über das Bauteil gesehen relativ konstanter Dicke zu fertigen. Zur Erreichung höherer Biegesteifigkeiten für bestimmte Anwendungsfälle wird das Laminat mit zusätzlichen Lagen versehen, die jedoch die Gesamtdicke vergrößern. Deshalb werden beispielsweise im Rennsport für bewusst dünn ausgebildete Laminate Titanfolien eingesetzt, deren Kosten jedoch hoch sind und die für die Massenproduktion von Fahrzeugteilen ungeeignet sind.
Das Problem der geringen Biegesteifigkeit dünner Laminate zeigt sich insbesondere an den als Löchern im FKV-Bauteil ausgebildeten Fügestellen. Da die Bauteile häufig im Nietverfahren befestigt werden, wird an den FKV-Bauteilen zum Toleranzausgleich eine Lochgröße bereitgestellt, die größer ist als es für den Niet eigentlich nötig wäre. Wird zur Befestigung der Niet nicht zentral innerhalb des Loches, sondern an einem Randbereich gehalten, wirkt die Haltekraft des Nietkopfes in besonderem Maße auf einen Außenrandbereich des Loches an dem FKV-Bauteil, wodurch Beschädigungen am Bauteil oder ein teilweiser Einzug des Nietkopfes in das Loch und mithin eine unzureichende Befestigung des Bauteils nicht ausgeschlossen werden können.
Bei Bauteilen mit abweichendem Lochdurchmesser ist ferner nachteilig, dass der Rand des Loches mit dem kleineren Durchmesser aufgrund der geringen Biegesteifigkeit in das größere Vorloch hineingebogen wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen, das gegenüber der Verwendung einer Titanfolie deutlich kostengünstiger ist, jedoch trotzdem eine ausreichende Biegesteifigkeit des FKV-Bauteils im Bereich der vorbestimmten Fügestellen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die vorbestimmte Fügestelle des FKV-Bauteils lokal begrenzt verstärkt wird, ohne dass eine Zusatzlage verwendet wird. Die lokale Verstärkung wird durch Zusatzmaterial oder ein Zusatzbauteil realisiert, das die eine oder mehrere Fügestelle(n) in dem FKV-Bauteil umgibt und somit die Biegesteifigkeit des Bauteils lokal erhöht.
Die Erfindung wird somit durch die Merkmale eines Verfahrens zum Herstellen von FKV-Bauteilen mit lokaler Verstärkung an mindestens einer bezüglich ihrer Lage vorbestimmten Fügestelle zur lokalen Erhöhung der Biegefestigkeit definiert, wobei ein Grundkörper des FKV-Bauteils durch ein Faserlaminathalbzeug gebildet und in einem Presswerkzeug zum fertigen FKV-Bauteil fertiggestellt wird, wobei die lokale Verstärkung als Zusatzmaterial zur lokalen Erhöhung der Wandstärke oder als Zusatzelement in dem Presswerkzeug vorgehalten und beim Fertigstellen in das FKV-Bauteil lokal in dem Bereich der mindestens einen vorbestimmten Fügestelle integriert wird.
Die Vorhaltung des Zusatzelements in dem Presswerkzeug ist dahingehend vorteilhaft, dass die übrigen, aus dem Stand der Technik bekannten und dem Fachmann geläufigen Herstellungsschritte des FKV-Bauteils unbeeinflusst beibehalten werden können. Lediglich wird im finalen Fertigstellungsschritt die lokale Verstärkung mit in das bzw. an das Bauteil integriert.
Alternativ kann eine lokale Erhöhung der Wandstärke durch das Vorsehen einer Aussparung im Presswerkzeug erzielt werden, in der gegenüber den anderen Bereichen zusätzliches Fasermaterial angehäuft wird. Dabei sind sowohl Langfaser-FKV als auch Kurzfaser-FKV verstärkbar.
Wenn die mindestens eine vorbestimmte Fügestelle in einer Ausführung als ein das FKV-Bauteil vollständig durchdringendes Loch bzw. eine Vielzahl von Löchern vorgesehen wird, wird an der Position des Loches bzw. der Löcher ein bzw. eine Vielzahl von Zusatzelement(en) an korrespondierenden Positionen im Werkzeug vorgehalten, welche im Ergebnis nach Abschluss des Pressvorgangs das Loch bzw. die Löcher umgeben, ohne es bzw. sie zu verschließen.
Grundsätzlich wird im Zuge der vermehrten Wiederverwendung von recyceltem CFK-Material und von CFK-Restmaterial das Problem geringerer Biegesteifigkeit bei FKV-Bauteilen noch verstärkt. Deshalb richtet sich die Erfindung explizit auch auf die Verwendung von solchen kurzfaserverstärkten FKV-Bauteilen, deren Festigkeitskennwerte deutlich geringer sind als diejenigen der langfaserverstärkten FKV-Bauteile, Das FKV-Bauteil wird in einer kostengünstigen und nachhaltigen Ausführung aus kurzfaserigem Faserlaminathalbzeug, insbesondere aus SMC-Material, gebildet. Der Nachteil der reduzierten Biegesteifigkeit des Laminats wird durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Zusatzelements mehr als ausgeglichen, so dass im Ergebnis der lokale Bereich der Fügestellen eine für die Befestigung nötige, ausreichend hohe Biegesteifigkeit aufweist. Die Laminate müssen nicht mehr im Ganzen dicker dimensioniert werden als eigentlich nötig, nur um die ausreichende Biegesteifigkeit um Bereich der Fügestellen zu gewährleisten.
In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Zusatzelement eine lokale begrenzte Aufdickung des FKV-Bauteils im Bereich der mindestens einen Fügestelle bereitstellt, wobei die Aufdickung einstückig in das FKV-Bauteil integriert. Dabei wird die Aufdickung beispielsweise in Form eines Verstärkungselements in das FKV-Bauteil mit eingeschmolzen. Soweit es sich bei der Fügestelle um ein Loch handelt, wird das Zusatzelement vorzugsweise als ein das Loch umgebendes Bauteil eingebracht. Ferner ist günstigerweise vorgesehen, dass das Zusatzelement eine dem Loch des FKV-Bauteils in Form und Größe entsprechende Öffnung aufweist, so dass ein Niet durch das Loch und die Öffnung hindurchführbar ist und ein Ausreißen des Randbereichs bei einer Belastung beispielsweise durch einen Nietkopf verhindert wird. Die Erstreckung des Zusatzelements auf der Oberfläche des Laminats ist belastungsabhängig beliebig festlegbar. Bei einer vorgesehenen Nietverbindung entspricht die Erstreckung von einem Randbereich des Loches beispielsweise zumindest dem Radius des Nietkopfes.
In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Zusatzelement scheibenförmig mit einer zentral ausgebildeten Durchgangsöffnung ausgebildet ist, und das Zusatzelement derart auf dem FKV-Bauteil angeordnet wird, dass die Durchgangsöffnung und das Loch fluchten. Eine radiale Erstreckung des scheibenförmigen Zusatzelements kann wie oben beschrieben auch bei dieser Ausführung je nach Belastung des Bauteils festgelegt werden.
Die Verbindung des in dem Werkzeug vorgehaltenen Zusatzelements mit dem Faserhalbzeuglaminat erfolgt im Presswerkzeug, so dass das Faserhalbzeuglaminat und das Zusatzelement unlösbar miteinander zu einer Einheit verbunden werden. Dabei erfolgt die Fertigstellung des lokal verstärkten FKV-Bauteils in einer vorteilhaften Ausführung im Fließpressverfahren.
Als Zusatzelemente sind verschiedene, dem Fachmann bekannte Materialien einsetzbar, wobei die Dicke der Zusatzelemente gegenüber dem Laminat reduziert ist, um die Gesamtaufbauhöhe möglichst gering zu halten. Dabei liegt ein Bereich der Dicke der Zusatzelemente bei vorzugsweise 30–60%, weiter bevorzugt bei 30–40% der Dicke des Laminats.
Sämtliche für das Zusatzelement beschriebenen Merkmale sind, soweit technisch möglich, auf das Zusatzmaterial anwendbar bzw. übertragbar und gelten hiermit als mitoffenbart.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise kann ein Zusatzelement auch in Form eines Gitters vorgesehen werden, wobei zu den Fügestellen korrespondierende Scheibenelemente über dünne Stege verbunden sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen von FKV-Bauteilen mit lokaler Verstärkung seiner Wandstärke an mindestens einer vorbestimmten Fügestelle zur lokalen Erhöhung der Biegefestigkeit, wobei ein Grundkörper des FKV-Bauteils durch ein Faserlaminathalbzeug gebildet und in einem Presswerkzeug zum fertigen FKV-Bauteil fertiggestellt wird, wobei die lokale Verstärkung als Zusatzmaterial zur lokalen Erhöhung der Wandstärke oder als Zusatzelement in dem Presswerkzeug vorgehalten und beim Fertigstellen in das FKV-Bauteil lokal in dem Bereich der mindestens einen vorbestimmten Fügestelle integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens eine vorbestimmte Fügestelle ein das FKV-Bauteil vollständig durchdringendes Loch eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial in einer Aussparung im Presswerkzeug vorgehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement eine lokale begrenzte Aufdickung des FKV-Bauteils im Bereich der mindestens einen Fügestelle bereitstellt und einstückig in das FKV-Bauteil integriert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement als ein das Loch umgebendes Bauteil eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement eine dem Loch des FKV-Bauteils in Form und Größe entsprechende Öffnung aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement scheibenförmig mit einer zentral ausgebildeten Durchgangsöffnung ausgebildet ist, und das Zusatzelement derart auf dem FKV-Bauteil angeordnet wird, dass die Durchgangsöffnung und das Loch fluchten.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das FKV-Bauteil aus kurzfaserigem Faserlaminathalbzeug, insbesondere SMC-Material, gebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fertigstellen des FKV-Bauteils im Fließpressverfahren erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement eine Dicke aufweist, die in einem Bereich von 30–60% der Dicke des Laminats liegt.