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Die Erfindung betrifft eine Faser-Verbundmatte zur Herstellung einer Trägerplatte eines Kraftfahrzeug-Bauteils und ein Verfahren zur Herstellung eines Trägerbauteils für ein Kraftfahrzeug.
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Faser-Verbundwerkstoffe und spezieller Faser-Verbundmatten sind ein Ausgangswerkstoff für Trägerbauteile in Kraftfahrzeugen, der sich immer größerer Beliebtheit erfreut. Ein Faser-Verbundwerkstoff besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten, einer bettenden Matrix sowie verstärkenden Fasern, und kann durch das Zusammenspiel beider Komponenten höherwertige Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich Stabilität und geringem Gewicht, erzielen als andere Verbundwerkstoffe. Die Matrix der Faser-Verbundmatte bestimmt weitgehend das Aussehen der Faser-Verbundmatte und hält in mechanischer Hinsicht die verstärkenden Fasern in ihrer Position und überträgt und verteilt Spannungen zwischen den Fasern. Die Matrix kann ferner die Aufgabe übernehmen, die Fasern vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen zu schützen. Die Fasern geben der Faser-Verbundmatte die notwendige Festigkeit. Sie nehmen mechanische Belastungen auf und verleihen dem Werkstoff Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Biegefestigkeit.
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Das Faser-Verbundmaterial kann vorgeheizt in einem Presswerkzeug verdichtet und verformt werden, um einen Vorformling oder ein Halbzeug herzustellen, das in weiteren Verarbeitungsschritten zu einer Trägerplatte eines Kraftfahrzeug-Bauteils verarbeitet werden kann. Diese weiteren Verarbeitungsschritte können beispielsweise das Auflaminieren einer Deckschicht, das Umformen des Bauteils in seine endgültige dreidimensionale Form und das Anformen weiterer Komponenten umfassen.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, solche Vorformlinge aus mehrlagigen Fasermatten herzustellen, wie beispielsweise in der
DE 10 2010 041 179 A1 , der
DE 10 2012 021 738 A1 und der
EP 2 246 180 A2 beschrieben ist. Die in diesen Dokumenten beschriebenen Faser-Verbundmatten werden aus mehreren Lagen hergestellt, die verklebt oder vernäht werden.
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In Kraftfahrzeug-Bauteilen treten während der Herstellung und im Betrieb lokal unterschiedliche Beanspruchungen in verschiedenen Bereichen der Bauteile auf. Bei der Herstellung der Bauteile kann es durch die dreidimensionale Verformung der Trägerplatte in verschiedenen Bereichen zu lokal begrenzt stärkeren Zug- und Biegebeanspruchungen kommen als in anderen Bereichen. Im Betrieb können ebenfalls lokal unterschiedliche Beanspruchungen auftreten. Zum Beispiel ist bei einer Türinnenverkleidung der Bereich des Türgriffs oder der Bereich einer Kartentasche stärkeren Zugkräften ausgesetzt als andere Bereiche. Bei einem Ladeboden kann erwartet werden, dass die Beanspruchung im mittleren, gut zugänglichen Bereich stärker ist als an den Rändern. Auch ist in manchen Bereichen eines Kfz-Bauteils im Falle eines Aufpralls die Wahrscheinlichkeit einer starken punktuellen Druckbelastung größer als in anderen Bereichen, beispielsweise im Bereich der Instrumententafel gegenüber dem Beifahrersitz oder in bestimmten Teilen der Karosserie.
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Es kann daher vorteilshaft sein, Trägerbauteile eines Kraftfahrzeugs lokal zu verstärken, ohne dabei das Gewicht des Kraftfahrzeug-Bauteils insgesamt zu erhöhen oder jedenfalls mehr als nötig zu erhöhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Faser-Verbundmatte gemäß Patentanspruch 1, eine Trägerplatte gemäß Patentanspruch 15 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 19 vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schlägt eine Faser-Verbundmatte zur Herstellung einer Trägerplatte eines Kraftfahrzeug-Bauteils vor, die im Bereich einer Teilfläche mit wenigstens einer Verstärkungsnaht versehen ist. In anderen Teilen der Faser-Verbundmatte, außerhalb dieser Teilfläche, weist die Faser-Verbundmatte keine Verstärkungsnaht auf. Die Faser-Verbundmatte wird durch die wenigstens eine Verstärkungsnaht lokal verstärkt. Die Verstärkungsnaht kann dort vorgesehen werden, wo die Faser-Verbundmatte während ihrer Verarbeitung und/oder im Betrieb des daraus hergestellten Kraftfahrzeug-Bauteils besonderen Beanspruchungen ausgesetzt ist, beispielsweise durch Einleiten von Zugkräften, Druckkräften und Biegebeanspruchung.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Verstärkung der Faser-Verbundmatte schon allein durch Aufbringen der Verstärkungsnaht erzielt werden kann, ohne dass in dem zu verstärkenden Bereich weitere Materiallagen oder andere Verstärkungselemente auf die Faser-Verbundmatte aufgebracht oder in die Faser-Verbundmatte eingebracht werden müssten. Allein schon durch das Aufbringen der Naht kann die Festigkeit der Faser-Verbundmatte lokal erhöht und dadurch ihre Stabilität insgesamt verbessert werden.
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Die Verstärkungsnaht kann so aufgebracht werden, dass sie die zu verstärkende Teilfläche eingrenzt, füllt und/oder einfach oder mehrfache quert. Die Verstärkungsnaht kann zum Beispiel in Form einer oder mehrerer Schlaufen, Kreise oder anderer ringförmig geschlossener Formen, in Form von Polygonen, wie Rechtecke, die geschlossen oder offen, z. B. U-förmig sein können, in Sternform, in Form einer Schlangenlinie oder Zickzacklinie oder als Kombination dieser Formen angeordnet sein. Die Verstärkungsnaht kann dabei auf der Faser-Verbundmatte so ausgerichtet werden, dass sie die während der Verarbeitung oder des Betriebs der Trägerplatte zu erwartenden Zug-, Druck- und Biegebeanspruchungen optimal aufnimmt und/oder verteilt, dass sie eine Verformung der Faser-Verbundmatte dort zulässt, wo die Verformung zulässig ist, und dass sie einer Verformung entgegenwirkt, wo diese nicht erfolgen soll. Zum Beispiel bei einem Seitenaufprall auf eine Fahrzeugtüre können Kräfte durch die Verstärkungsnaht großflächig und homogen verteilt werden.
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Die Verstärkungsnaht kann die Faser-Verbundmatte von ihrer Oberseite bis zu ihrer Unterseite durchdringen. Wenn die Faser-Verbundmatte aus mehreren Mattenlagen aufgebaut ist, kann die Verstärkungsnaht in nur einer dieser Mattenlagen, mehreren oder allen Mattenlagen vorgesehen sein. In verschiedenen Mattenlagen können Verstärkungsnähte in denselben oder verschiedenen Teilbereichen vorgesehen sein.
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Abhängig von den Anforderungen kann die Verstärkungsnaht aus Verstärkungsgarnen unterschiedlicher Materialien oder Materialkombinationen gebildet sein. Zum Einsatz kommen beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern, wie E-Glas, Kunststofffasern, wie Polyamidfasern und Polyesterfasern, Metall- oder Aramidfasern, Basaltfasern und Kombinationen hiervon. Die Zugfestigkeit des Verstärkungsgarns ist abhängig von den Anforderungen an die Verstärkung der Trägerplatte und abhängig vom Material des Verstärkungsgarns. Ein Beispiel für ein Verstärkungsgarn ist ein Polyester-Garn mit einer Garnstärke von 50*2 oder 50*3 bis 700*2 oder 700*3 dtex, wobei 50*2 dtex relativ dünne zweifädige Garne und 700*3 dtex relativ dicke dreifädige Garne kennzeichnen. Die Garne können grundsätzlich eine oder mehrere Fäden, beispielsweise bis zu 10 Fäden aufweisen. Ein anderes Beispiel ist ein Polyamidgarn mit einer Garnstärke von beispielsweise 1000 bis 2000 dtex. Ein weiteres Beispiel sind Glasfasergarne, spezieller E-Glas mit einer Stärke von zum Beispiel 5.5*1 bis 150*4 tex oder E-Glas mit Kunststoffschlichte mit einer Stärke von 100 bis 350 tex, einer Zugfestigkeit von 100 bis 900 MPa und einer Biegefestigkeit von 300 bis 1000 MPa. Ein weiteres Beispiel sind Verstärkungsgarne aus Kohlefasern, die beispielsweise etwa 1000–50000 Filamente umfassen können. Ein weiteres Beispiel für das Verstärkungsgarn sind Endlos-Basaltfasern mit einer Garnfeinheit von beispielsweise 80, 160 oder bis zu 2500 tex und einer mittleren Festigkeit von 0,5 N/tex. Das Verstärkungsgarn kann aus mehreren miteinander verbundenen und/oder verdrehten Fasern oder Fäden bestehen. Auch die Verwendung mehrerer Verstärkungsgarne oder -fäden parallel ist möglich. Das Verstärkungsgarn kann ein gezwirntes Garn oder ein Multifil-Endlosgarn sein.
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Grundsätzlich kann durch die Verstärkungsnaht eine lokale Verstärkung der Faser-Verbundmatte erzielt werden, ohne dass die Verstärkungsnaht ein zusätzliches Verstärkungsmaterial an die Faser-Verbundmatte anbringt. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass durch die Verstärkungsnaht auch lokal ein zusätzliches Verstärkungsmaterial an der Faser-Verbundmatte befestigt wird.
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Die Matrix der Faser-Verbundmatte besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer oder einem Harz, beispielsweise auf der Basis von Polypropylen, Polyamid, Polyurethan oder Acryl. Die Fasern können Kunstfasern oder Naturfasern sein, beispielsweise Glasfasern, Kunststofffasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Mineralfasern, Metallfasern, Nylonfasern und andere Fasern aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, wie Viskose, Gummi, Polyester, Polyamid, Aramid, Polyacrylnitril, Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid und Polyurethan. Auch der Einsatz von Nanotube-Fasern ist grundsätzlich denkbar. Als Naturfasern kommen unter anderem Fasern aus Baumwolle, Kapok, Bambus, Hanf, Jute, Flachs, Bast, Ramie, Kenaf, Sisal, Abaka, und Kokos in Frage, ohne die Erfindung auf irgendein bestimmtes Material oder eine Materialkombination zu beschränken. Fasern und Matrixmaterial können zu gleichen oder ungefähr gleichen Teilen oder in jedem anderen geeigneten Verhältnis, beispielsweise im Bereich von 30:70 bis 70:30 in der Faser-Verbundmatte enthalten sein. Ferner kann das Verbundmaterial Zusätze enthalten, wie Bindemittel, Weichmacher, Farbstoffe, Geruchshemmer. Auch Kombinationen verschiedener Matrixfasermaterialien sind möglich.
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Die Faser-Verbundmatte kann grundsätzlich die Form eines Vliesmaterials, Gewebes, Gewirkes, Gestrickes oder Kombinationen hiervon aufweisen und kann als einlagiges oder mehrlagiges Mattenmaterial aufgebaut sein. In einer mehrlagigen Faser-Verbundmatte können die Fasern in den verschiedenen Lagen unterschiedliche Ausrichtung haben. Es ist auch möglich, die Faser-Verbundmatte zur Herstellung der Trägerplatte auf eine oder beide Seiten eines Wabenstruktur-Materials aufzubringen.
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Die Erfindung sieht auch eine Trägerplatte eines Kraftfahrzeug-Bauteils vor, die eine Faser-Verbundmatte der oben beschriebenen Art umfasst. Die Trägerplatte kann dreidimensional verformt sein. Dabei kann die Verstärkungsnaht in dem nicht dreidimensional verformten Teil der Trägerplatte liegen, oder sie kann in dem dreidimensional verformten Teil der Trägerplatte liegen. Es ist z. B. möglich, bei einer dreidimensional verformten Trägerplatte die Verstärkungsnaht derart anzuordnen, dass die Kontur der Verstärkungsnaht wenigstens teilweise entlang der Kontur der dreidimensionalen Verformung verläuft. Die Verstärkungsnaht kann die Verformung der Trägerplatte während des Formungsprozesses steuern. Eine lokale Verstärkungsnaht kann bewirken, dass die Trägerplatte in dem Bereich der Naht anders oder weniger verformt wird, weil die Verstärkungsnaht das Verbundmaterial stärker zusammenhält. Über die Verstärkungsnaht kann somit die Verstreckung der Faser-Verbundmatte während des Formungsprozesses eingestellt werden, so dass sie in unterschiedlichen Bereichen mehr oder weniger verstreckt wird. Anders gesagt, kann die Verstärkungsnaht die Verstreckung des Verbundmaterials im Formungsprozess leiten oder führen oder jedenfalls gezielt beeinflussen.
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In dieser und anderen Ausgestaltungen kann die Verstärkungsnaht auch in einem Bereich der Trägerplatte angeordnet sein, der während der weiteren Verarbeitung oder während des Betriebs der Trägerplatte höheren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist als anderen Bereiche der Trägerplatte.
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Die Faser-Verbundmatte und das Trägerbauteil können grundsätzlich in verschiedenen Bereichen des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, beispielsweise als Innenverkleidungsteil, als Karosserieteil oder anderes Außenteil des Kraftfahrzeugs oder allgemeiner als jegliches Strukturteil des Kraftfahrzeugs. Sie kann auch als akustisch wirksames Verkleidungsteil eingesetzt sein, das nicht notwendig für Passagiere des Fahrzeugs sichtbar ist, beispielsweise als Trennwand zwischen Passagierraum und Motorraum oder als eine schalldämpfende Motorabdeckung. Des Weiteren kann das aus der Faser-Verbundmatte hergestellte Trägerbauteil einen Ladeboden oder ein anderes Bauteil im Bodenbereich des Kraftfahrzeugs bilden.
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Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Trägerbauteils für ein Kraftfahrzeug vor, bei dem eine Faser-Verbundmatte bereitgestellt und eine Verstärkungsnaht in wenigstens einer Teilfläche der Faser-Verbundmatte aufgebracht wird, wobei wenigstens eine zweite Teilfläche der Faser-Verbundmatte keine Verstärkungsnaht aufweist. Nach dem Aufbringen der Verstärkungsnaht wird die Faser-Verbundmatte erwärmt und in einem Presswerkzeug verdichtet, um einen Vorformling oder ein Halbzeug zur späteren Herstellung des Trägerbauteils zu erzeugen. Die Verstärkungsnaht wird in einem Bereich des Trägerbauteils gebildet, der während der späteren Verarbeitung oder im Betrieb einer höheren mechanischen Belastung ausgesetzt ist als andere Bereiche des Trägerbauteils. Während der nachfolgenden Verarbeitung wird die Faser-Verbundmatte in einigen Ausgestaltungen dreidimensional verformt, und die Verstärkungsnaht kann relativ zu der dreidimensionalen Verformung so ausgerichtet werden, dass sie bei der Verformung auftretende Spannungen aufnimmt und/oder verteilt und gleichwohl die notwenige Dehnung des Mattenmaterials bei der Verformung zulässt.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Ausgestaltungen mit Bezug auf die Figuren weiter erläutert.
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1 zeigt schematisch drei aufeinanderfolgende Fertigungsstufen einer Faser-Verbundmatte gemäß einem Beispiel;
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2 zeigt ein Beispiel einer geformten Faser-Verbundmatte gemäß einem weiteren Beispiel;
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3 zeigt schematisch drei aufeinanderfolgende Fertigungsstufen eines Trägerbauteils mit einer Faser-Verbundmatte gemäß einem weiteren Beispiel;
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4 zeigt schematisch eine Folge von Verarbeitungsstufen zur Herstellung eines Trägerbauteils mit einer Faser-Verbundmatte gemäß einem weiteren Beispiel.
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1 zeigt verschiedene Verarbeitungsstufen einer Faser-Verbundmatte gemäß einem Beispiel. Die Faser-Verbundmatte kann grundsätzlich den oben beschriebenen Aufbau haben. Sie kann ein- oder mehrlagig sein. In dem gezeigten Beispiel umfasst sie eine Kunststoff- oder Harzmatrix und Natur-, Glas- oder Kunststofffasern, ohne Beschränkung hierauf. Jedes der oben beschriebenen Materialien und deren Kombinationen können zum Einsatz kommen. In einer ersten Verarbeitungsstufe (1) wird die Faser-Verbundmatte 10 zugeschnitten, so dass ihre Außenkontur dem herzustellenden Trägerbauteil entspricht oder in etwa entspricht.
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In einer zweiten Verarbeitungsstufe (2) wird in dem gezeigten Beispiel die Faser-Verbundmatte im Bereich von zwei Teilflächen 12', 12'' mit Verstärkungsnähten versehen. Die Teilflächen 12', 12'' sind im Kontext dieser Anmeldung auch als erste Teilflächen bezeichnet, in denen die Verstärkungsnaht vorgesehen ist. Die Faser-Verbundmatte 10 weist weitere Bereiche oder Teilflächen, außerhalb der ersten Teilflächen 12', 12'' auf, in denen keine Verstärkungsnaht vorgesehen ist. Die ersten Teilflächen 12', 12'' sind so gewählt und angeordnet, dass sie die Faser-Verbundmatte 10 dort verstärken, wo im Laufe der weiteren Verarbeitung der Matte und im Betrieb des daraus hergestellten Trägerbauteils besondere mechanische Beanspruchungen zu erwarten sind, beispielsweise durch Zugkräfte, Druckkräfte und Biegebeanspruchung.
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Die Verstärkungsnaht 14 kann sich in jedem Teilbereich 12', 12'' aus einem oder mehreren Nahtabschnitten zusammensetzen, wobei die Nahtabschnitte je nach den zu erwartenden Kräften, die in die Faser-Verbundmatte 10 eingeleitet werden, unterschiedlich geformt sein können, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Schlaufen, Kreise oder anderer ringförmig geschlossener Formen, in Sternform, in Form einer Schlangenlinie oder einer Zickzacklinie oder in Kombinationen dieser Formen, wie in 1 gezeigt.
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Für die Verstärkungsnaht 14 kann ein Verstärkungsgarn gewählt werden, das zum Beispiel Kohlefaser, Glasfaser, Kunststofffaser, Basaltfaser oder Metallfaser enthält oder daraus besteht. Mehrere miteinander verbundene und/oder verdrehte Verstärkungsfäden können verwendet werden. Jedes der oben beschriebenen Materialien und deren Kombinationen können zum Einsatz kommen. Die Stichweite und die Nahtdichte innerhalb der ersten Teilflächen 12', 12'' können abhängig von den zu erwartenden Beanspruchungen der Faser-Verbundmatter variieren. Stichweiten können beispielsweise im Bereich von 0,2 bis 5 mm oder im Bereich von 0,5 bis 2 oder 3 mm liegen. Mehrere Nähte, oder eine geschlungene Naht können je nach Anforderung in geringen Abständen von nur 1 oder 2 mm oder sogar weniger und in größeren Abständen von 2 mm bis 2 cm, in Abständen von 5 cm bis 10 cm oder darüber hinaus vorgesehen sein. Unabhängig von der Stichweite wirkt die Verstärkungsnaht nach dem Verpressen der Faser-Verbundmatte mit dieser als eine Einheit.
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Die Verstärkungsnaht kann die Faser-Verbundmatte von ihrer Oberseite bis zu ihrer Unterseite durchdringen. Sie kann beispielsweise durch einen Nähautomaten oder eine Nähmaschine in einem Zweifaden-System hergestellt werden, indem ein Oberfaden und ein Unterfaden miteinander verschlungen werden. Beispielsweise können Doppelsteppstichmaschinen oder Kettenstichmaschinen aber auch andere Nähmaschinen oder Nähautomaten verwendet werden. Die Verstärkungsnaht kann grundsätzlich geradlinig oder als Zickzackstich aufgebracht werden.
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Die Verstärkungsnaht wird in der bevorzugten Ausgestaltung nach Art einer Sticknaht in den ersten Teilbereichen 12', 12'' aufgebracht. Die Erfindung schließt jedoch nicht aus, dass durch die Verstärkungsnaht 14 auch ein weiteres Verstärkungsmaterial, wie eine Matte, ein Gewebe, Gewirke, Gestricke etc. in einem oder mehreren ersten Teilbereichen 12', 12'' auf die Faser-Verbundmatte 10 aufgenäht wird. Dieses weitere Verstärkungsmaterial ist dann nur in einem oder mehreren ersten Teilbereichen 12', 12'' vorgesehen und nicht über der Fläche der gesamten Faser-Verbundmatte.
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In der nächsten Verarbeitungsstufe (3) wird die mit der Verstärkungsnaht 14 versehene Faser-Verbundmatte verpresst und dabei verdichtet. Dies kann in einem Schritt in einer Heiz-Presse erfolgen, in der die Faser-Verbundmatte auch erwärmt wird. Die Faser-Verbundmatte kann auch vorgewärmt werden, und das nachfolgende Verpressen kann mit oder ohne zusätzliches Heizen der Matte erfolgen. Dabei kann das Material der Faser-Verbundmatte beispielsweise auf 10 bis 50% ihrer Ausgangsdichte verdichtet werden. In einigen Beispielen wird eine Faser-Verbundmatte mit einer Ausgangsdicke von 5 bis 20 mm oder 6 bis 15 mm in dem Schritt des Verpressens (3) auf eine Dicke von wenigen Millimetern komprimiert, beispielsweise auf 1 bis 5 mm oder 1 bis 2 mm oder 1,2 bis 2 mm. In einem Beispiel beträgt die Enddicke etwa 1,5 mm. In dem Schritt des Verpressens kann die Faser-Verbundmatte 10 auch dreidimensional verformt werden, wie in 1 schematisch angedeutet ist. Die dreidimensionale Verformung kann sowohl im Bereich der ersten Teilflächen 12' und 12'' als auch außerhalb dieser Teilflächen erfolgen. Dabei werden die Teilflächen 12', 12'' mit der Verstärkungsnaht 14 so angeordnet, dass sie die Matte in dem Bereich verstärken, in dem durch die Verformung oder durch eine spätere Nutzung der Faser-Verbundmatte im Kraftfahrzeug besondere mechanische Beanspruchungen zu erwarten sind.
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Anschließend kann die vorgeformte Faser-Verbundmatte beschnitten oder durch Stanzen in ihre endgültige Form gebracht werden, um den Vorformling für die Trägerplatte des Kraftfahrzeug-Bauteils bereitzustellen. Das Stanzen kann auch in dem Presswerkzeug erfolgen.
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2 zeigt ein Beispiel einer zu einem Vorformling 20 geformten Faser-Verbundmatte, wobei Verstärkungsnähte 14 schematisch eingezeichnet sind. Das in 2 gezeigte Bauteil ist ein Trägerbauteil für eine Türinnenverkleidung, das dreidimensional verformt ist, um nach Anforderungen des Designs eine gewölbte dreidimensionale Geometrie herzustellen, die z. B. eine Ausprägung für eine Armauflage oder eine Basis für das Aufsetzen einer separaten Armauflage, eine Aufnahme für eine Kartentasche, eine Aufnahme oder Basis für das Anbringen eines Türgriffes oder Zuzichgriffes, eine Aufnahme für einen Lautsprecher oder andere elektrische Komponenten, wie Schalter oder Beleuchtungselemente, bereitstellt.
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Verstärkungsnähte 14 sind dort aufgebracht, wo durch die dreidimensionale Verformung und/oder durch den Gebrauch des Trägerteils im Kraftfahrzeug besondere mechanische Beanspruchungen zu erwarten sind. Die Verstärkungsnaht 14 kann in Form mehrerer Schlingen, in Kreisform, in Form einer Schlangenlinie, in Sternform und/oder entlang der Kontur des zu verstärkenden Teilbereichs aufgebracht werden, wie in 2 gezeigt. Dabei wird die Verstärkungsnaht 14 so angeordnet und ausgerichtet, dass sie eine gewünschte Verformung des Trägerteils zulässt und gleichzeitig Beanspruchungsspitzen entgegenwirkt und absorbiert. Die Verstärkungsnaht kann Lasten aufnehmen und/oder verteilen, in dem gezeigten Beispiel etwa bei einem Fahrzeug-Seitenaufprall, wobei gerade an dem H-Punkt (Hüft-Punkt) eine gute Lastverteilung oder Lastaufnahme gewünscht ist, um Passagier gegen scharfkantige Bauteile zu schützen, die bei dem Aufprall eindringen können. Auch dies kann die Verstärkungsnaht leisten.
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3 zeigt eine Abfolge von Verarbeitungsstufen für eine Trägerplatte eines Kraftfahrzeugs, die eine Faser-Verbundmatte aufweist, gemäß einen weiteren Beispiel. In dem Beispiel der 3 umfasst die Trägerplatte einen Wabenkern 28 mit einer Decklage 26 aus einem Vlies oder einer Folie auf einer oder beiden Oberflächen des Kerns 28. Der Wabenkern 28 kann in Sandwich-Bauweise mit den zwei Deckschichten und unterschiedlichen Kernmaterialien aufgebaut sein, wobei Kunststoff und Naturmaterialien, wie Papier, zum Einsatz kommen können, und wobei die Waben luft- oder schaumgefüllt sein können, um nur einige Beispiel zu nennen. Auf den Wabenkern 28 die Decklage(n) 26 kann eine oder mehrere Lagen einer Faser-Verbundmatte 30 aufgebracht werden, wobei in einem mehrschichtigen Aufbau Fasern unterschiedlich ausgerichtet sein können. Wie in dem vorhergehenden Beispiel können unterschiedliche Kunstfasern und/oder Naturfasern mit einer Kunststoff- oder Harzmatrix verbunden sein, wobei die Fasern beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyester, Glas-, Kohlefaser oder Metall umfassen können. Die Faser-Verbundmatte kann durch unterschiedliche Techniken hergestellt werden und grundsätzlich Vliese, Gewebe, Gewirke, Gestricke und Ähnliches umfassen. Vliese können beispielsweise als Nadelvliese durch Krempeln oder aerodynamisch hergestellt sein.
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Die auf den Wabenkern 28 aufgebrachte Faser-Verbundmatte 30 weist erste Teilflächen 32 auf, innerhalb derer Verstärkungsnähte 14 aufgebracht sind, die in der zweiten Verarbeitungsstufe (2) in 3 schematisch durch geradlinige und schlangenlinienförmige Nähte 14 dargestellt sind. Die Verstärkungsnähte 14 werden in den Teilbereichen 32 dort aufgebracht, wo mit besonderer mechanischer Beanspruchung der Trägerplatte zu rechnen ist. Sie können wie in der vorhergehenden Ausgestaltung Kohlefasern, Glasfasern, Kunstfasern, z. B. Polyesterfasern, Metallfasern, Basaltfasern enthalten oder hieraus bestehen.
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In dem Beispiel der 3 ist auch gezeigt, dass die Verstärkungsnaht 14 dazu benutzt kann, ein zusätzliches Verstärkungsgewebe 34 in einem Teilbereich der Faser-Verbundmatte aufzunähen. In anderen Teilbereichen der Faser-Verbundmatte ist kein zusätzliches Verstärkungsmaterial vorgesehen.
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Der in der Verarbeitungsstufe (2) in 3 gezeigte Aufbau aus dem Wabenkern 28, der Decklage 26 und der Faser-Verbundmatte 30 kann in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt, der bei (3) gezeigt ist, verpresst und gegebenenfalls verformt werden. In dem gezeigten Beispiel wird der gesamte Aufbau zu einer flachen Trägerplatte 36 verpresst und dabei insgesamt komprimiert, wobei sowohl die Faser-Verbundmatte als auch der Wabenkern 28 verdichtet und ihre Dicke reduziert wird. Es ist auch möglich, bei dem Verpressen den in 3 gezeigten Aufbau dreidimensional zu verformen. Ferner kann die so geformte Trägerplatte beschnitten, gestanzt und gegebenenfalls kaschiert werden.
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In dem Beispiel der 3 kann die Faser-Verbundmatte 30 mit der Decklage 26 des Wabenkerns 28 verklebt werden. Die Verstärkungsnaht wird in diesem Beispiel nur in der Faser-Verbundmatte ausgebildet, nicht in der Decklage 26.
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4 zeigt eine Abfolge von Verarbeitungsstufen zur Herstellung einer Trägerplatte eines Kraftfahrzeugbauteils aus einer Faser-Verbundmatte gemäß einem Beispiel. Die Faser-Verbundmatte kann beispielsweise als Rollenware bereitgestellt werden, wie in 4 bei 38 gezeigt. Sie kann Natur- oder Kunststofffasern enthalten, und jede der oben beschriebenen Zusammensetzungen haben. Die Matrix oder der Verbundwerkstoff kann ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff oder ein Harz sein, wie ebenfalls oben beschrieben. Die Faser-Verbundmatte kann eine Ausgangsdicke in der Größenordnung von 3 bis 20 mm oder 5 bis 15 mm oder etwa 10 mm haben. In einem ersten Verarbeitungsschritt wird das Rollenmaterial 38 beschnitten, um die mattenförmige Faser-Verbundmatte 40 bereitzustellen. Diese Faser-Verbundmatte 40 wird in einem Näh- oder Stickautomaten 50 in Teilbereichen mit einer Verstärkungsnaht 44 versehen, wobei die Verstärkungsnaht 44 genäht oder gestickt sein kann und wobei unterschiedliche Näh/Sticktechniken zum Einsatz kommen können, wie oben beschrieben. Es ist auch möglich, dass mit der Verstärkungsnaht 44 in der Teilfläche ein zusätzliches Verstärkungsgewebe aufgenäht wird (in 4 nicht gezeigt). Die Verstärkungsnaht kann aus jedem der oben beschriebenen Verstärkungsfäden oder -garnen gebildet werden.
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Die mit der Verstärkungsnaht 44 versehene Faser-Verbundmatte 40 wird in ein Presswerkzeug 52 eingelegt, wobei die Faser-Verbundmatte 40 vor dem Einbringen in das Presswerkzeug 52 und/oder in dem Presswerkzeug 52 aufgewärmt werden kann. Das Presswerkzeug 52 ist so gestaltet, dass es die Faser-Verbundmatte 40 verdichtet und gegebenenfalls dreidimensional verformt. Hierzu wird das Presswerkzeug 52 über der Faser-Verbundmatte 40 geschlossen und mit vorgegebenem Druck während einer definierten Zeit geschlossen gehalten, beispielsweise während etwa einer Minute. In dem Presswerkzeug 52 kann die Faser-Verbundmatte auch bereits durch Stanzen oder Pinchen in ihre endgültige Form gebracht werden.
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Das Presswerkzeug 52 wird geöffnet und die vorgeformte, gegebenenfalls dreidimensional verformte und gegebenenfalls beschnittene Trägerplatte 46 kann entnommen werden. Anschließend kann die Trägerplatte 46 weiter verarbeitet werden, beispielsweise durch Kaschieren, Anbringen weiterer Komponenten oder dergleichen. Abweichend von der Darstellung der 4 ist es möglich, die Faser-Verbundmatte vor dem Einlegen in das Presswerkzeug 52 zu erwärmen und vorzuverdichten und erst anschließend, in einem weiteren Fertigungsvorgang dreidimensional zu verformen. Des Weiteren ist es möglich, die Faser-Verbundmatte durch andere Techniken zu verformen, beispielsweise durch Vakuumformen oder Hinterspritzen. Des Weiteren ist es möglich, schon während der Verformung der Faser-Verbundmatte eine Deckschicht auf die Faser-Verbundmatte aufzulaminieren und/oder weitere Bauteile an die Faser-Verbundmatte anzuformen, beispielsweise anzuspritzen.
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Nach dem Verformen kann die Trägerplatte 46 eine Dicke in der Größenordnung von 1 bis 3 mm oder spezieller von 1 bis 2 mm oder von etwa 1,5 mm haben, wenn von einer Ausgangsdicke in der Größenordnung von 5 bis 15 mm ausgegangen wird.
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Die Faser-Verbundmatte kann zur Herstellung eines Trägerbauteils für ein Kraftfahrzeug verwendet werden, das im Innen- oder Außenbereich des Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Sie eignet sich sowohl für Innenverkleidungsteile als auch für Karosserieteile oder andere Außenteile sowie für nicht sichtbare Verkleidungsteile, beispielsweise zur Schalldämpfung im Kraftfahrzeug. Das aus der Faser-Verbundmatte hergestellte Trägerbauteil kann zusätzlich kaschiert und mit Decklagen aus Kunststoff oder Naturmaterialien, Vliesen, Teppich etc. verkleidet werden. Grundsätzlich lässt sich die aus der Faser-Verbundmatte hergestellte Trägerplatte für jegliche Strukturteile im Fahrzeug einsetzen. Durch das Vorsehen der Verstärkungsnaht kann die aus der Faser-Verbundmatte hergestellte Trägerplatte lokal verstärkt werden, wobei die Verstärkung ohne eine nennenswerte Erhöhung des Gewichts oder der Dichte der Trägerplatte einhergeht. Das zusätzliche Gewicht durch die Verstärkungsnaht ist vernachlässigbar. Alternativ kann ein Kraftfahrzeugbauteil mit einer vergleichbaren Festigkeit aber mit geringerer Dicke hergestellt werden als ein Bauteil aus einer Trägerplatte ohne Verstärkungsnaht mit im Übrigen unveränderten Eigenschaften.
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Bei Verwendung eines Verstärkungsgarns aus einem thermoplastischen Elastomer, beispielsweise eines Polypropylengarns, kann die Verstärkungsnaht ferner eine Basis für das Verschweißen des Trägerbauteils mit einer oder mehreren weiteren Kunststoff-Komponenten dienen. Durch das Verstärkungsgarn aus thermoplastischem Material kann nämlich der Anteil des thermoplastischen Materials in der Faser-Verbundmatte lokal erhöht werden und so eine Basis für ein Kunststoff-Verschweißen der Faser-Verbundmatte mit weiteren Kunststoffteilen bilden. Wenn für die Verstärkungsnaht ein Verstärkungsgarn verwendet wird, das Metall enthält oder aus Metall besteht, so kann die Verstärkungsnaht gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Leiters in dem Kraftfahrzeug übernehmen, um beispielsweise eine Lichtquelle oder eine Stelleinrichtung anzusteuern. Die Verstärkungsnaht kann dann sowohl Signale als auch elektrische Energie übertragen. Zu diesem Zweck ist auch denkbar, ein Verstärkungsgarn in Form eines elektrischen Leiters mit Isolationsmantel zu verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041179 A1 [0004]
- DE 102012021738 A1 [0004]
- EP 2246180 A2 [0004]
