DE102014226529A1

DE102014226529A1 - CFK-verstärktes teiltransparentes Flachbauteil, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014226529A1
Application number: DE102014226529.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Käspaizer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein teiltransparentes Flachbauteil (1) für ein Fahrzeugdach, umfassend wenigstens ein für sichtbares Licht transparentes flächiges Basisteil (2) auf oder in dem eine Vielzahl von Fasern (3) bestimmungsgemäß in einem vordefinierten Muster angeordnet sind, um den lokalen Lichttransmissionskoeffizienten des Flachbauteils (1) entsprechend dem gewählten Muster zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein teiltransparentes Flachbauteil, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Erfindung betrifft insbesondere transparente Flachbauteile, wie CFK-verstärkte Flachbauteile zur Verwendung bei Fahrzeugdächern von Kraftfahrzeugen und anderen bautechnischen Anwendungen z. B. in der Architektur.
Ein Anwendungsgebiet betrifft demnach Panoramadächer von Kraftfahrzeugen. Solche Panoramadächer werden typischerweise aus konventionellem Verbund-Sicherheitsglas (VSG-Glas), Kunststoffen, intelligentem Glas oder aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt.
Ein Panoramadach stellt ein zumindest für sichtbares Licht im Wellenlängen-Bereich des Lichtspektrums von ungefähr 380 nm bis 780 nm teiltransparentes Dachelement dar. Neben den optischen Eigenschaften, ist es notwendig auch die mechanisch erforderlichen Bedingungen des Panaramodachs zu erfüllen. So sind die heute üblichen Verbund-Sicherheitsgläser (VSG-Gläser) in der Regel mechanisch ausreichend bemessen. Die Dicke der Gläser und das klassischerweise verwendete Polyvinylbutyral (PVB) als Schmelzklebestoff, welches eine splitterbindende Wirkung und eine hohe Reißfestigkeit besitzt, genügen den Festigkeitsanforderungen, die bei den typischen Crashsituationen auftreten.
Die EP 1375307 A1 betrifft ein Glasdach zum Verschließen einer in einem Kraftfahrzeugdach vorgesehenen Öffnung, wobei die Öffnung durch einen als Auflagefläche ausgebildeten Anschlag begrenzt wird und das Dach eine Glasscheibe aufweist, deren innere Umfangsfläche zur Verklebung mit der genannten Auflagefläche geeignet ist, wobei wenigstens ein Teil der inneren Umfangsfläche der Glasscheibe mit einem Material überformt wird, dessen Außenfläche, welche der Auflagefläche gegenüberliegen soll, im Wesentlichen parallel zu dem entsprechenden Abschnitt der genannten Auflagefläche verläuft. Die DE 10 2007 040 008 A1 betrifft ein Fahrzeugdach mit einem zumindest zeitweise durchsichtigen Bereich, wobei der durchsichtige Bereich heizbar ist.
Aus den Druckschriften DE 19758009A1 , DE60033460D1 , DE 60208002T2 und EP 2154427 sind transparente Dachsysteme bekannt.
Die DE 60208002 T2 beschäftigt sich mit einer durchsichtige Dachkonstruktion in einem Fahrzeug bei der (glas-)faserverstärkte Drähte als Netzlagen zur mechanischen Verstärkung in eine durchsichtige Matrix eingebracht werden. Teilweise unbefriedigend ist allerdings bei Glasdächern die Problematik der Abschattung gelöst. Um den Sonneneinfall und demnach den Temperaturanstieg im Fahrzeuginneren zu regulieren, werden heutzutage vorwiegend hin und her bewegbare Abschattungselemente, Rollos und/oder intelligente Gläser verwendet. Als intelligente Gläser werden schaltbare Verglasungen bezeichnet, welche die Lichtdurchlässigkeit durch das Anlegen einer elektrischen Spannung oder durch Wärme variieren können. Intelligente Gläser sind elektrochrome Gläser, thermochrome Gläser und Liquid Crystal Gläser.
Aus der DE 19758009 A1 ist z. B. ein Fahrzeugdach aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, der aus Kunststoffmaterial und darin enthaltenem Fasermaterial besteht. Das Kunststoffmaterial und wenigstens ein Teil des Fasermaterials sind lichtdurchlässig ausgebildet, so dass bei Verwendung eines so hergestellten Fahrzeugdachs eine Aufhellung eines Fahrzeuginnenraums erfolgt. Gegenüber einer Innenraumaufhellung mit einem bekannten Glasschiebedach ist die Lichtdurchlässigkeit unmittelbar in das Dachmaterial integriert, wodurch sich eine kostengünstige Lösung einer Innenraumaufhellung mit einer Gewichts- und Teilereduktion ergibt. Das Fasermaterial wird in Form eines Gewebes, welches lichtdurchlässig, teilweise lichtdurchlässig und/oder lichtundurchlässig ist, in einem lichtdurchlässigen Duroplast- oder Thermoplastmaterial eingebettet.
Die im Stand der Technik bekannten Systeme weisen jedoch die folgenden Nachteile auf. Es stehen keine anforderungsoptimierte Integrationslösungen von Faserverstärkungen/-bzw. Fasereinbettungen in ein Glas-/Dachsystem zur Verfügung. Die bislang bekannten Lösungen gehen nur wenig auf eine bereichsspezifische und zielgerichtete Adaption der verwendeten Fasern und Gelege ein. Dies hat zur Folge, dass unnötiges Fasermaterial verwendet wird, da Fasereinebttungen und Faserverstärkungen nicht in allen Bereichen des Daches benötigt werden.
Die Verwendung von elektrochromen Gläsern oder Liquid Crystal Gläsern erfordert externe elektrische Energie, um die Systeme zu betreiben, was ebenfalls mit der vorliegenden Erfindung umgangen werden soll. In ähnlicher Weise verhält es sich mit thermochromen Gläsern. Die benötigen statt der elektrischen Energie Wärmeenergie, um die Lichtdurchlässigkeit zu verringern. Bei mechanischen Elementen, wie Abdunkelungsvorrichtungen und Rollos wird einerseits zusätzlicher Bauraum im Fahrzeuginnenraum benötigt und andererseits eine komplexe Antriebstechnik, um die Vorrichtungen öffnen und schließen zu können, sofern keine manuelle Bedienung vorgesehen ist, die ferner während der Fahrt vom Fahrzeugführer kaum zu bedienen sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und einen Aufbau für ein Glassystem bereitzustellen, welches eine Abschattungsfunktion gegen Lichteinfall auf einfache und kostengünstige Weise bereitstellt und/oder durch das System tragende oder stabilisierende Funktionseigenschafften bereitgestellt werden, um als konstruktives Stabilisierungs- oder Versteifungselement zu wirken, so dass ggf. Streben, Riegel in der Fahrzeugkonstruktion entfallen oder z. B. im Querschnitt reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein transparentes Flachbauteil mit den Merkmalen einer der Ansprüche 1 bis 8 gelöst.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es opake Endlosfasern in dem Systemaufbau zu verwenden, welche in einer kontrollierten Wirroptik in die Matrix eingebettet oder in dem System werden. Im Falle einer Matrix, sind die Matrix selbst und die ggf. umhüllenden zusätzlichen Materialien transparent. So ist es das Ziel dieser Erfindung ein teiltransparentes, faserverstärktes Glas bereit zu stellen, welches durch die verwendeten Fasern eine Art „natürliche” Beschattung, ähnlich der Wirkung eines schattenspendenden Baumes aufweist.
Erfindungsgemäß wird demnach ein teiltransparentes Flachbauteil für ein Fahrzeugdach umfassend wenigstens ein für sichtbares Licht transparentes flächiges Basisteil vorgesehen, wobei auf oder in dem Basisteil eine Vielzahl von Fasern, vorzugsweise opake Endlosfasern bestimmungsgemäß in einem vordefinierten Muster angeordnet sind, um den lokalen Lichttransmissionskoeffizienten des Flachbauteils entsprechend dem gewählten Muster zu reduzieren. Je nach gewählter Faseranzahldichte (d. h. Anzahl der Fasern pro Flächeneinheit) und dem erzeugten Fasermuster kann die gewünschte Verschattungswirkung erhalten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Muster als eine so genannte Wirroptik aus einer Vielzahl unterschiedlich zueinander orientierten Endlosfasern ausgebildet ist. Als „Wirroptik” ist eine Verteilung an Fasern unterschiedlicher Richtung zu verstehen, ähnlich einem Bündel aus Wollfäden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Muster als eine Wirroptik aus unterschiedlich zueinander orientierten Fasern und zwar einer bestimmten Anzahl N von Fasern pro Flächeneinheit ausgebildet ist, wobei ferner wenigstens ein lokaler Bereich mit einer gegenüber dieser Faseranzahl N erhöhten Anzahl N an Fasern ausgebildet ist. Die Fasern können statistisch verteilt so angeordnet werden, dass unabhängig vom Lichteinfall bei Tag stets die für die Insassen wichtigen Bereiche/Spots die notwendige natürliche Beleuchtung erhalten; angelehnt an die elektronische Ambientebeleuchtung bei Dämmerung oder in der Nacht.
Eine Kombination mit zusätzlich schaltbaren Verglasungselementen wird durch die Erfindung nicht ausgeschlossen.
Es werden im Folgenden zwei grundsätzliche Konzepte der Erfindung aufgezeigt, so kann einerseits eine Einbettung von Fasern bzw. Endlosfasern in einer spezifischen Wirroptik in einer durchsichtigen Matrix (Kunststoff oder Glas) erfolgen. In einer anderen Ausführung kann vorgesehen werden, dass die Endlosfasern in einer spezifischen Wirroptik in ein Verbund-Sicherheitsglas eingebettet werden.
So ist z. B. einerseits mit Vorteil vorgesehen, wenn das Basisteil aus einem Kunststoff mit einer Kunststoffmatrix gebildet ist und die Fasern in der Matrix eingebettet sind. Als Matrixwerkstoff eignet sich ein thermoplastischer oder duroplastischer Matrixwerkstoff, wie z. B. PMMA, PC oder PU. Andererseits kann das Basisteil auch aus Glas gebildet sein oder aus Verbundsicherheitsglas aus zwei außenliegenden Glasschichten bestehen, in die wenigstens eine, vorzugsweise zwei PVB-Folien eingebettet sind, zwischen denen die spezifische Wirroptik bzw. Wirranordnung der Endlosfasern eingebracht ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Verfahren zur Herstellung eines wie zuvor erläuterten teiltransparenten Flachbauteils. Soweit als Basisteil ein Matrixwerkstoff verwendet werden soll, weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte auf:

a. Einbringen von Fasern (Endlosfasern) auf einer löslichen Trägerstruktur und Erzeugen eines Halbzeuges;
b. Einlegen und Positionieren des Halbzeuges, sowie Imprägnieren des Halbzeugs mit einem Kunststoff-Matrixwerkstoff, wobei sich die lösliche Trägerstruktur auflöst, so dass die Fasern in der Matrix eingebettet sind.

Die Verstärkungsfasern werden demnach in das Werkzeug eingelegt oder eingespannt und anschließend umgossen bzw. hinterspritzt. Für die Einbringung der Fasern in die durchsichtige Matrix gibt es hierbei mehrere Ansätze. Die Fasern werden z. B. auf einer Trägerstruktur, wie einem Textilkörper oder Textilgewebe eingewebt oder gestickt, so dass ein Halbzeug entsteht das anschließend im Werkzeug eingelegt und hinterspritzt wird. Bei dem Imprägniervorgang löst sich die textile Trägerstruktur bestimmungsgemäß auf und die Fasern schweben sozusagen im transparenten Matrixmaterial, wodurch der Lichtransmissionskoeffizient entsprechend der Wirranordnung reduziert wird.
Es können alternativ auch dünne Kohlefaserstäbchen oder Tapes verwendet werden, die in einer Spannvorrichtung oder direkt im Werkzeug positioniert und umgossen bzw. hinterspritzt werden. Dabei sind diverse Varianten an Monofilen denkbar, u. a. Kern-Mantel-Varianten, verzwirbelte oder angestellte Ausführungen um Mikrolamellen zu erreichen.
Es ist weiter möglich die „spezifische Wirroptik” mit einer „spezifischen Wolkigkeit” zu kombinieren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zusätzlich Faser-Flakes in das Endlosfaser-Matrix-Konstrukt eingebracht werden.
Verfahrensgemäß werden hierzu die Faser-Flakes durch eine zusätzliche Steuerungs-/Dosiereinheit bereichsspezifisch, somit lokal an gewünschten Stellen zugeführt.
Soweit als Basisteil ein Verbundglas verwendet werden soll, weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte auf:

a. Einbringen von Fasern zwischen zwei PVB-Folien und Erzeugen eines Halbzeugs in einem Kalander und
b. beim Einbringen der Fasern werden diese mittels eines beweglich angeordneten Kammes in eine definierte Faser-Wirroptik gebracht.

Durch die kontrollierte Einbettung der Endlosfasern erhält die Zwischenschicht zusätzlich eine erhöhte Steifigkeit, die bisher primär nur eine splitterbindende Funktion aufwies und somit eine hohe Reißfestigkeit in den Glasverbund mit einbringt. Durch einen solchen Systemaufbau können bestimmungsgemäß Stabilisierungs- und Festigkeitsfunktionen bereitgestellt werden, so dass bei herkömmlichen Systemen benötigte konstruktive Streben ggf. vollständig entfallen können. Ferner können die Glasscheiben in Folge dessen auch dünner ausgelegt werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 zwei Ausschnitte von Ausführungsbeispielen eines Flachbauteils mit einer Wirroptik von opaken Endlosfasern und
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundsicherheitsglases mit eingebetteten Endlosfasern.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in den 1 und 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionelle und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
In der 1 sind zwei Ausführungsbeispiele eines teiltransparenten Flachbauteils 1 für ein Fahrzeugdach gezeigt. Die Flachbauteile 1 umfassend ein für sichtbares Licht transparentes flächiges Basisteil 2 in dem eine Vielzahl von Fasern 3 und zwar opaken Endlosfasern bestimmungsgemäß in einem vordefinierten Muster (einer spezifischen Wirroptik) angeordnet sind, um den lokalen Lichttransmissionskoeffizienten des Flachbauteils 1 entsprechend dem gewählten Muster zu reduzieren.
In dem linken Ausführungsbeispiel der 1 besteht das Muster als eine Wirroptik aus unterschiedlich zueinander orientierten Fasern 3 einer bestimmten Anzahl N von Fasern pro Flächeneinheit, wobei die eine Anzahl von Fasern 3 unter einem bestimmten Winkel im Wesentlichen in einer ersten Orientierungsrichtung angeordnet sind, währen eine weitere Anzahl von Fasern unter einem davon abweichenden Winkel von etwa 30–40° verdreht im Wesentlichen in einer zweiten Orientierungsrichtung angeordnet sind, wodurch sich eine beispielhafte spezifische Wirroptik ergibt.
In dem rechten Ausführungsbeispiel der 1 ist ferner eine lokale Verdichtung vorgesehen, so dass die opaken Fasern in diesem Bereich weniger Licht durchlassen. In diesem Bereich weist das Flachbauteil 1 eine Anzahl von Fasern 3 auf, die gegenüber der Faseranzahl im benachbarten Bereich oder der linken Ansicht aus 1 eine erhöhten Anzahl an Fasern 3 pro vergleichbarer Flächeneinheit umfassen. Das teiltransparente Flachbauteil kann demnach lokal je mit der gewünschten Wirroptik mit einer entsprechenden Transparenz ausgebildet werden.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundsicherheitsglases als teiltransparentes Flachbauteil 1 mit eingebetteten Endlosfasern 3 gezeigt. Das teiltransparente Flachbauteil 1 besteht demnach als Basisteil 2 aus einem Verbundsicherheitsglas aus zwei außenliegenden Glasschichten 2a, 2b, in die zwei PVB-Folien 4 eingebettet sind. Zwischen den PVB-Folien 4 ist die Wirroptik der Fasern 3, wie z. B. in 1 gezeigt, eingebettet.
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. Es kann demnach weiter vorgesehen sein, dass die Fasern auch eine mechanische Funktion übernehmen und eine spezifische Festigkeitsanforderung und eine erforderliche Steifigkeit im Fahrzeugdach bewirken. Ermöglicht wird dies, durch die kontrollierte Einbringung der Wirroptik mit lokalen Verdichtungen der Endlosfasern. Dadurch kann z. B. eine Querversteifung im Bereich der C-Säulen realisiert werden, um den mechanischen Anforderungen eines Seitenaufpralls zu genügen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1375307 A1 [0004]
DE 102007040008 A1 [0004]
DE 19758009 A1 [0005, 0007]
DE 60033460 [0005]
DE 60208002 T2 [0005, 0006]
EP 2154427 [0005]

Claims

Teiltransparentes Flachbauteil (1) für ein Fahrzeugdach umfassend wenigstens ein für sichtbares Licht transparentes flächiges Basisteil (2) auf oder in dem eine Vielzahl von Fasern (3) bestimmungsgemäß in einem vordefinierten Muster angeordnet sind, um den lokalen Lichttransmissionskoeffizienten des Flachbauteils (1) entsprechend dem gewählten Muster zu reduzieren und/oder dessen Stabilität und Steifigkeit zumindest in einem Teilbereich zu erhöhen.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster als eine Wirroptik aus einer Vielzahl unterschiedlich zueinander orientierter opaken Endlosfasern (3) ausgebildet ist.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster als eine Wirroptik aus unterschiedlich zueinander orientierten Fasern (3) einer bestimmten Anzahl N pro Flächeneinheit ausgebildet ist, wobei ferner wenigstens ein lokaler Bereich mit einer gegenüber dieser Faseranzahl N erhöhten Anzahl N' an Fasern (3) ausgebildet ist.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (2) aus einem Kunststoff mit einer Kunststoffmatrix gebildet ist und die Fasern (3) in der Matrix eingebettet sind.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff ein thermoplastischer oder duroplastischer Matrixwerkstoff ist.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (2) aus Glas gebildet ist.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (2) ein Verbundsicherheitsglas aus zwei Glasschichten (2a, 2b) ist, in die wenigstens eine, vorzugsweise zwei PVB-Folien) (4) eingebettet ist bzw. sind.
Teiltransparentes Flachbauteil (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3) zwischen die beiden PVB-Folien (4) eingebettet sind.
Verfahren zur Herstellung eines teiltransparenten Flachbauteils nach Anspruch 4, mit wenigstens den folgenden Schritten: a. Einbringen von Fasern (3) auf einer löslichen Trägerstruktur und Erzeugen eines Halbzeuges; b. Einlegen und Positionieren des Halbzeuges, sowie Imprägnieren des Halbzeugs mit einem Kunststoff-Matrixwerkstoff, derart dasssich die lösliche Trägerstruktur auflöst, so dass die Fasern in der Matrix eingebettet sind.
Verfahren zur Herstellung eines teiltransparenten Flachbauteils (1) nach Anspruch 7, mit wenigstens den folgenden Schritten: a. Einbringen von Fasern (3) zwischen zwei PVB-Folien (4) und Erzeugen eines Halbzeugs in einem Kalander, wobei b. beim Einbringen der Fasern (3) diese mittels eines beweglich angeordneten Kammes in eine definierte Faser-Wirroptik gebracht werden.