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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbund-Bauteils, das gewickelte Verstärkungsfasern aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein verfahrensgemäß hergestelltes Kunststoffverbund-Bauteil mit gewickelten Verstärkungsfasern, wobei es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeugbauteil handelt.
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Aus der
DE 33 17 046 A1 ist eine Pleuelstange bekannt, die zwei metallische Lagerbuchsen, einen zwischen den beiden Lagerbuchsen befindlichen Kern und einen um diese Buchsen herumgewickelten Gurt aus Endlosfasern aufweist. Die Herstellung erfolgt vorteilhaft derart, dass zunächst der Kern aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt wird, anschließend die Buchsen gefügt und dann Endlosfasern um die beiden Lagerbuchsen herumgewickelt werden. Ferner sind auch Verfahrensvarianten beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbund-Bauteils anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäßes Bauteil, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbund-Bauteils umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- – Erzeugen einer Kernstruktur, wozu Buchsen, die im herzustellenden Bauteil als Krafteinleitungspunkte fungieren, (durch Einlegen) in der Kavität eines Spritzgießwerkzeugs positioniert und derart mit Kunststoffmasse umspritzt werden, dass diese mit definierten Positionen und Ausrichtungen fixiert sind, wobei zugleich auch Führungselemente für eine nachfolgende Faserwicklung mit angeformt werden;
- – Umwickeln der Kernstruktur mit Endlosfasern, wobei die Buchsen umschlungen (d. h. mit einer Schlaufe umwickelt) und die Faserverläufe zumindest teilweise durch die angeformten Führungselemente vorgegeben werden, und wobei die Faserwicklung insbesondere derart ausgebildet wird, dass die Endlosfasern zumindest in besonders beanspruchten Bauteilbereichen in Kraftflussrichtung verlaufen;
- – Einlegen der umwickelten Kernstruktur in die Kavität eines Spritzpresswerkzeugs und Injektion einer Matrixmasse, wobei die gewickelten Endlosfasern in die injizierte Matrixmasse eingebettet werden.
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Unter einer Buchse wird vorrangig ein rohrartiges bzw. hülsenartiges Element verstanden, das insbesondere als Aufnahme für ein Befestigungselement oder eine Welle vorgesehen ist. Eine Buchse ermöglicht eine Kraftübertragung zwischen dem Befestigungselement oder der Welle und dem Bauteil, insbesondere in radialer Richtung, und fungiert somit als Krafteinleitungselement bzw. als Krafteinleitungspunkt. Die zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Kunststoffverbund-Bauteils verwendeten Buchsen können identisch oder verschieden ausgebildet sein. Die verwendeten Buchsen können aus Metall (bspw. Stahl), Keramik oder Kunststoff (auch faserverstärktem Kunststoff) gebildet sein. Eine Buchse kann bspw. auch eine Gewindebuchse, eine Bajonett-Kupplung oder ein Wälzlager sein.
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Die Buchsen werden in der Kavität eines Spritzgießwerkzeugs (erstes Werkzeug) positioniert, wozu das Spritzgießwerkzeug geeignete Aufnahme, bspw. Dorne, aufweist und nach dem Schließen des Spritzgießwerkzeugs zumindest teilweise mit einer spritzgießgeeigneten Kunststoffmasse, bspw. einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial (z. B. PA 66), umspritzt (Spritzgießprozess). Bevorzugt handelt es sich um eine faserfreie Kunststoffmasse, wobei die Kunststoffmasse auch Kurzfasern enthalten könnte. Die Umspritzung erfolgt insbesondere derart, dass die Buchsen an ihren Umfangsflächen vollständig in die Kunststoffmasse eingebunden werden. Nach dem Spritzgießen und Aushärten wird das Spritzgießwerkzeug geöffnet und die Kernstruktur entnommen. Die auf diese Weise erzeugte Kernstruktur weist einen aus Kunststoff gebildeten Grundkörper und darin eingebettete Buchsen auf, wobei die als Krafteinleitungspunkte bzw. Verbindungspunkte fungierenden Buchsen exakt definierte Positionen und Ausrichtungen haben. (Die Positionen und Ausrichtungen der Buchsen sind durch entsprechende Werkzeuggestaltung im Wesentlichen frei und unabhängig voneinander wählbar). Der durch die Kunststoffmasse gebildete Körper ist quasi eine Verbindung zwischen den Buchsen, über die insbesondere auch Druck-, Torsions- und/oder Biegekräfte übertragbar sind. Die Kernstruktur kann auch als Kunststoffhalter oder Preform bezeichnet werden. Die Kernstruktur weist ferner beim Spritzgießen mit angeformte Führungselemente für die nachfolgende Faserwicklung auf, wobei es sich z. B. um Taschen bzw. Aussparungen (wie in der
DE 33 17 046 A1 beschrieben), Laschen, Kerben oder dergleichen handeln kann. Die Führungselemente sind insbesondere im Bereich der zu umschlingenden Buchsen angeordnet. Ferner kann die Kernstruktur weitere als Einlegteile ausgebildete Komponenten aufweisen (bspw. Druck-, Biege- und/oder Torsionsstreben), die mit Kunststoffmasse umspritzt sind oder an die zumindest Kunststoffmasse angespritzt ist.
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Die Kernstruktur (bzw. der Kunststoffhalter oder die Preform) wird mit Endlosfasern umwickelt. Bei den Endlosfasern handelt es sich insbesondere um Glasfasern oder Kohlenstofffasern, die vorzugsweise nicht als Einzelfasern, sondern als Faserbündel (Roving) vorliegen und auch als Faserbündel verarbeitet werden. Anders als bei der in der
DE 33 17 046 A1 beschriebenen Vorgehensweise erfolgt das Umwickeln bevorzugt mit trockenen Fasern (d. h. mit trockenen Endlosfasern bzw. Faserbündeln). Die Fasern können jedoch, bspw. mit einem Harzmaterial, vorimprägniert sein. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass beim Umwickeln mehrere unterschiedlich verlaufende Gurte bzw. Bänder, wobei ein Gurt bzw. Band aus einer Vielzahl gleich gewickelter Einzelfasern und/oder Faserbündel besteht, oder Gurt- bzw. Bandschlingen erzeugt werden. Bevorzugt erfolgt das Umwickeln automatisch oder zumindest halbautomatisch mittels Wickeleinrichtung.
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Die umwickelte Kernstruktur wird nachfolgend in die Kavität eines nicht mit dem Spritzgießwerkzeug identischen Spritzpresswerkzeugs (zweites Werkzeug) eingelegt. Nach dem Schließen dieses Spritzpresswerkzeug wird in die Kavität eine Matrixmasse injiziert (Spritzpressprozess), mit der die gewickelten Fasern (bzw. das Faserpaket) zunächst getränkt bzw. imprägniert werden. Durch Wärme, Druck und/oder chemische Initiatoren erfolgt die Aushärtung der Matrixmasse, wodurch die gewickelten Endlosfasern in die Matrixmasse eingebettet werden. Bei der Matrixmasse handelt es sich insbesondere um ein Harzmaterial (bspw. Polyester-, Vinylester-, Epoxid-, oder Phenol-Harze), das mit dem Faserpakt einen Faser-Kunststoff-Verbund bildet. Das Spritzpresswerkzeug ist insbesondere ein so genanntes RTM-Werkzeug. Das Spritzpresswerkzeug bzw. RTM-Werkzeug ist insbesondere so gestaltet, dass beim Injizieren nur die Faserwicklung bzw. das Faserpaket (d. h. die gewickelten Fasern) mit der injizierten Matrixmasse beaufschlagt wird. Alternativ kann es sich bei der Matrixmasse prinzipiell auch um PA- oder PUR-Kunststoffmaterial handeln, das in einem Spritzgießprozess verarbeitet wird.
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Nach dem Aushärten kann das Spritzpresswerkzeug geöffnet und das Kunststoffverbund-Bauteil entnommen werden, wobei insbesondere keine weiteren Bearbeitungsschritte mehr vorgesehen sind (bspw. könnten sich jedoch noch ein Reinigen, Prüfen oder dergleichen anschließen), so dass das erfindungsgemäß hergestellte Kunststoffverbund-Bauteil nach der Entnahme aus dem Spritzpresswerkzeug im Wesentlichen verbaufertig ist.
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Die Erfindung ermöglicht die serienmäßige Herstellung von leichten und belastbaren Kunststoffverbund-Bauteilen. Durch die Umwicklung mit Endlosfasern werden, insbesondere in Zugrichtung, hervorragende Belastungseigenschaften erzielt. Die richtungsabhängigen Eigenschaften von Endlosfasern können sehr gut für eine Funktionstrennung genutzt werden, derart, dass die Kernstruktur eine nur positionierende Funktion übernehmen und somit filigran (d. h. mit wenig Gewicht) gestaltet werden kann. Zudem sind gegenüber alternativen Leichtbaukonzepten, wie bspw. Magnesium-Druckguss, deutliche Kostenvorteile erzielbar.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kernstruktur mehrere Führungselemente in Gestalt hinterschnittiger und/oder selbstschließender Taschen aufweist. Bevorzugt werden diese Taschen beim Spritzgießen mit angeformt. Die Taschen ermöglichen einen definierten Wickelvorgang, insbesondere derart, dass beim Umwickeln die zu erzeugenden Faserwicklungen definiert nebeneinander und/oder übereinander gelegt werden können. Dies erfolgt bspw. derart, dass eine Tasche beim Umwickeln der Kernstruktur zunehmend mit Faserwicklungen aufgefüllt wird, bis diese Tasche gefüllt bzw. voll und/oder geschlossen ist, woraufhin weitere Faserwicklungen neben dieser Tasche und/oder in einer benachbarten Tasche abgelegt werden. Verschiedene Ausführungsmöglichkeiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung noch näher erläutert.
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Ein erfindungsgemäßes Kunststoffverbund-Bauteil, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, weist eine mit Endlosfasern umwickelte Kernstruktur auf, wobei die Endlosfasern in einer Matrixmasse eingebettet sind und somit eine die Kernstruktur zumindest teilweise umgebende Faser-Kunststoff-Verbundstruktur bilden. Bevorzugt sind die Kunststoffmasse der Kernstruktur und die Kunststoffmasse der umgebenden Faser-Kunststoff-Verbundstruktur unterschiedlich (bspw. thermoplastisches Kunststoffmaterial für die Kernstruktur und duroplastisches Kunststoffmaterial für die Faser-Kunststoff-Verbundstruktur). Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog zu den vorausgehenden und/oder nachfolgenden Erläuterungen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kunststoffverbund-Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeugbauteil, welches insbesondere einer Zugbelastung unterliegt, wie bspw. eine Pendelstütze, ein Zugelement (auf Zug belastete Verstrebung) oder ein sonstiges positionshaltendes Bauteil. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Motorlager für einen elektrischen Fahrmotor (E-Maschine bzw. elektrischer Traktionsmotor).
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. Ferner sind die gezeigten und/oder erläuterten Merkmale verschiedener Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung auch kombinierbar.
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1 zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Kunststoffverbund-Bauteil in einer perspektivischen Darstellung.
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2 zeigt, ebenfalls in einer perspektivischen Darstellung, ein anderes erfindungsgemäß hergestelltes Kunststoffverbund-Bauteil.
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3 zeigt in mehreren schematischen Schnittdarstellungen unterschiedliche Wickelvorgänge bei der Herstellung des in 1 gezeigten Bauteils.
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Das in 1 gezeigte Kunststoffverbund-Bauteil 100, wobei es sich um eine Pendelstütze oder ein Zugelement handelt, weist eine durch Spritzgießen gebildete Kernstruktur 110 mit umspritzten bzw. eingegossenen Buchsen 120 auf. Das Bauteil 100 weist ferner eine Umwicklung aus Endlosfasern auf, wobei es sich insbesondere um Glasfasern oder Kohlenstofffasern handelt, die unter Berücksichtigung üblicher Kraftflüsse die Buchsen 120 in zwei Gurtschlingen bzw. -schlaufen 140a und 140b umschlingen. Der Kernstruktur 110 ist im Bereich der Buchsen 120 mit Aussparungen 115 ausgebildet, durch die hindurch die Endlosfasern bzw. Gurtschlingen 140a/140b geführt sind und die während des Wickelvorgangs als Führungselemente dienen können. Die umschlingenden Endlosfasern sind in einer Matrixmasse eingebettet und bilden zusammen mit dieser Matrixmasse eine Faser-Kunststoff-Verbundstruktur. Das Kunststoffverbund-Bauteil 100 ist sehr leicht und dennoch bei Zugbelastung zwischen den Buchsen 120 extrem belastbar. Zudem kann sich im Inneren der Kernstruktur 110 eine vom Kunststoffmaterial umspritzte bzw. eingegossene Druckstrebe 130 befinden (siehe 3), die eine hohe Druckbelastung zwischen den beiden Buchsen 120 ermöglicht. Die Druckstrebe 130 kann aus Metallmaterial (bspw. Aluminium oder Titan) oder Kunststoffmaterial (auch Kunststoffverbundmaterial, bspw. GFK) gebildet sein.
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Bei dem in 2 gezeigten Bauteil 200 handelt es sich um ein mehrteiliges bzw. mehrkomponentiges Motorlager für einen elektrischen Fahrmotor an einem Kraftfahrzeug, das aus zwei Lagerböcken 210/220 und einem Aufnahmering 230 besteht. Die Lagerböcke 210/220 und der Aufnahmering 230 werden bislang als Aluminium-Druckgussbauteile hergestellt. Die Erfindung ermöglicht eine andere Herstellweise jeder Einzelkomponente 210/220/230, bei der die als Buchsen ausgeführten Krafteinleitungspunkte (Lager, Schraubinserts und dergleichen) in eine durch Spritzgießen erzeugte Kernstruktur eingebettet werden, nachfolgend die Kernstruktur unter Berücksichtigung von Kraftverläufen bzw. Kraftflussrichtungen mit Endlosfasern umwickelt wird (Wickelvorgang) und die gewickelten Fasern (Faserwicklung) sodann in eine Matrixmasse eingebettet werden.
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3a veranschaulicht einen möglichen Wickelvorgang bei der Herstellung des in 1 gezeigten Bauteils 100. Die Kernstruktur 110 weist innerhalb der Aussparungen 115 angeordnete hinterschnittige Taschen 116 auf, die in dem gezeigten Beispiel mit unterschiedlichen Größen ausgebildet sind. Die zu einem Faserbündel bzw. einer Faserschnur 141 zusammengefassten Endlosfasern werden gemäß Darstellung von oben nach unten in der mit dem Pfeil W angedeuteten Anlegerichtung aufgewickelt, wobei die Taschen 116 nach und nach zunehmend mit Faserwicklungen 142 aufgefüllt werden. Sobald eine Tasche 116 mit Faserwicklungen 142 voll bzw. gefüllt ist, gleitet das (wenigstens eine) aufzuwickelnde Faserbündel 141 schließlich automatisch in die nächste Tasche 116 und wird dort abgelegt, wie anhand von Laufpfeilen veranschaulicht. Die die Taschen 116 bildenden hakenartigen Laschen 117 können außen mit einer Verrundung ausgebildet sein, um das Abgleiten des Faserbündels 141 in die nächste Tasche 116 zu begünstigen.
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3b veranschaulicht einen anderen Wickelvorgang. Die Kernstruktur 110 weist innerhalb der Aussparungen 115 angeordnete selbstschließende bzw. automatisch verschließende Taschen 116 auf, die in dem gezeigten Beispiel mit Zwischenräumen (wobei es sich eigentlich auch um Taschen handelt) zueinander beabstandet sind. Bei zunehmender Auffüllung einer zunächst offenen Tasche 116 mit Faserwicklungen 142 erfolgt sukzessive bzw. allmählich ein selbsttätiges Schließen der symmetrisch oder gegebenenfalls auch unsymmetrisch ausgebildeten Bügel 118 aufgrund einer von den abgelegten Faserwicklungen 142 innerhalb der betreffenden Tasche 116 erzeugten Flächenpressung (wobei dies anhand konstruktiv vorgegebener Flächenträgheitsmomente der Bügel 118 variabel auslegbar ist). Sobald die betreffende Tasche 116 mit Faserwicklungen 142 voll bzw. gefüllt und die Bügel 118 geschlossen sind, wird das aufzuwickelnde Faserbündel 141, begünstigt durch die Außenverrundung der Bügel 118, schließlich im Zwischenraum neben der geschlossenen Tasche 116 abgelegt, bis aufgrund der Vorschubbewegung (von oben nach unten) die nächste Tasche 116 erreicht und mit Faserwicklungen 142 aufgefüllt wird. In dem gezeigten Beispiel werden auf diese Weise quasi selbstregelnd verschiedene Wickelhöhen innerhalb einer Aussparung 115 erzeugt.
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3c veranschaulicht einen weiteren Wickelvorgang. Ähnlich zu der in 3b gezeigten Ausführungsmöglichkeit sind innerhalb der Aussparungen 115 automatisch verschließende Taschen 116 mit selbstschließenden Deckellaschen 119 angeordnet. Während des Wickelvorgangs (von oben nach unten) bewirken die in einer Tasche 116 abgelegten Faserwicklungen 142 sukzessive eine aus Belastungsverformung resultierende Schließbewegung der zugehörigen Deckellasche 119, bis das aufzuwickelnde Faserbündel 141 schließlich automatisch in die nächste Tasche 116 gleitet und im Weiteren dort abgelegt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bauteil
- 110
- Kernstruktur
- 115
- Aussparung
- 116
- Tasche
- 117
- Haken, Lasche
- 118
- Bügel
- 119
- Deckellasche
- 120
- Buchse
- 130
- Druckstrebe
- 140
- Gurt, Gurtschlinge
- 141
- Faserbündel, Faserschnur
- 142
- Faserwicklungen
- 200
- Bauteil
- 210
- Lagerbock
- 220
- Lagerbock
- 230
- Aufnahmering
- W
- Anlegerichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3317046 A1 [0003, 0008, 0009]
