DE102015119437B4

DE102015119437B4 - Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils sowie faserverstärktes Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102015119437B4
Application number: DE102015119437.6A
Authority: DE
Inventors: Gerd Töberling; Jens Helmut Lippmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: DE102015119437A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils (1), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:a) Einbringen zumindest eines metallischen Fügeelementes (2) in eine aus mehreren annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung (x) orientierten Fasern (3) oder Faserbündeln bestehende Faserstruktur (4) unter Bildung eines Faserhalbzeuges (5), bei dem zumindest eine Faser (3) oder ein Faserbündel mit dem metallischen Fügeelement (2) in formschlüssigem Eingriff steht, indem zumindest eine Faser (2) oder ein Faserbündel der Faserstruktur (4) formschlüssig durch jeweils wenigstens eine Durchgangsbohrung (9) des metallischen Fügeelementes (2) hindurchgeführt wird;b) Einbringen eines Matrixmaterials (6) in das Faserhalbzeug (5);c) Aushärten des Matrixmaterials (6) unter Bildung eines faserverstärkten Halbzeuges (7) mit zumindest einem integrierten metallischen Fügeelement (2), das jeweils aus einander gegenüberliegenden Oberflächen (6A, 6B) des gehärteten Matrixmaterials (6) herausragt; undd) Thermisches Fügen des faserverstärkten Halbzeuges (7) mit zumindest einem metallischen Halbzeug (8), sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem aus dem Matrixmaterial (6) herausragenden Teil (2B) des metallischen Fügeelementes (2) und dem metallischen Halbzeug (8) entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils. Ferner betrifft sie ein faserverstärktes Verbundbauteil aus wenigstens zwei Schichten, bei dem eine erste Schicht zumindest teilweise aus einer mittels Fasern oder Faserbündeln verstärkten Kunststoffmatrix besteht und eine zweite Schicht zumindest teilweise aus einem Metall besteht.
Stahl- oder Aluminiumbauteile (z. B. für automobile Anwendungen) werden in großen Stückzahlen vorwiegend in klassischen Umformprozessen (wie dem Tiefziehen) hergestellt. Im Verbund mit faserverstärkten Kunststoffen (kurz: FVK) vergrößern Metalle (wie Stahl oder Aluminium) ihr Leichtbaupotenzial. Aufgrund der einfachen Prozessführung in der gemeinsamen Umformung dieser beiden Werkstoffe (FVK und Metall) muss dabei auf die etablierte (aus der Metallblechverarbeitung bekannte) Werkzeugtechnik nicht verzichtet werden. Belastungsangepasste faserverstärkte Kunststoffe mit definiert angeordneten Faserstrukturen (unidirektional, bi- und multiaxial) fangen die auftretenden Kräfte im Verbundbauteil optimal auf und bieten eine hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht. Der metallische Grundwerkstoff (z. B. Stahl- oder Aluminiumblech) sichert gleichzeitig die Anbindung des Verbundbauteils an weitere metallische Strukturen (z. B. Stahl- oder Aluminiumstrukturen) mittels konventioneller Fügeverfahren (wie dem Punktschweißen), sodass das faserverstärkte Verbundbauteil in bestehende Strukturen integriert werden kann, ohne dass hierbei eine Beschädigung der Verstärkungsfasern eintritt.
Zur Herstellung von solchen faserverstärkten Verbundbauteilen kann ein metallisches Halbzeug (z. B. Stahl- oder Aluminiumblech) an ausgewählten Stellen durch einen faserverstärkten Kunststoff zur Erreichung der gewünschten Bauteilfestigkeit und -steifigkeit verstärkt werden. Die FVK-Verstärkung ermöglicht somit, die Wanddicke des eingesetzten metallischen Halbzeuges deutlich zu reduzieren. Aufgrund der vergleichsweise hohen Dichte von Metallen (wie Stahl oder Aluminium) hat diese Reduzierung der metallischen Wanddicke wiederum eine erhebliche Verringerung des Gesamtgewichtes des FVK-Metall-Verbundbauteils (im Vergleich zu einem entsprechenden Metallbauteil) zur Folge. Daher sind solche faserverstärkten Verbundbauteile als Leichtbaukomponenten (sogenannte Organobleche) vor allem für Anwendungen im mobilen Bereich (z.B. im Schienen-, Luft- und Raumfahrzeugbau, Automobil- und Schiffsbau), wo eine immer weiter steigende Nachfrage nach leichteren Bauweisen besteht, prädestiniert.
Die unterschiedlichen Materialeigenschaften von Metallen und faserverstärkten Kunststoffen führen zwar zu den vorbeschriebenen Vorteilen, stellen jedoch beim Fügen ein erhebliches technologisches Problem dar. Bisher werden Verbindungen zwischen Metallen und faserverstärkten Kunststoffen vorwiegend durch Kleben oder durch rein mechanische Fügeverfahren unter Zuhilfenahme mechanischer Verbindungselemente, wie z. B. Schrauben, Bolzen, Nieten oder dergleichen, hergestellt.
Das Kleben besitzt den Nachteil, dass aufgrund der geringen Festigkeit des Klebstoffs, die Festigkeit der eingesetzten Grundwerkstoffe (FVK und Metall) nur erreicht werden kann, wenn eine (im Vergleich zu anderen Fügeverfahren) große Überlapplänge (und somit Klebefläche) zwischen den beiden Fügepartnern vorgesehen wird. Klebeverfahren sind daher mit hohem Aufwand verbunden und benötigen einen vergleichsweise großen Anteil an manuellen Arbeitsgängen, was zu einer langen Prozesszeit und damit den Großserieneinsatz hemmenden hohen Herstellkosten führt. Des Weiteren unterliegen Klebstoffe einer Alterung und neigen über längere Zeiträume und bei erhöhten Temperaturen zum Kriechen.
In hochbeanspruchten Strukturen werden daher mechanische Fügeverfahren (wie das Schrauben, Clinchen oder Nieten) bevorzugt. Die Nachteile der mechanischen Fügeverfahren sind die langsame Fügegeschwindigkeit, die beidseitige Unebenheit der Verbindung und die Einschränkung hinsichtlich der Materialien. Zudem ist bei mechanischen Fügeverfahren eine Durchtrennung von lasttragenden Fasern durch die Verbindungselemente (wie Schrauben oder Niete) und die dafür notwendigen Bohrungen unvermeidlich. Dies führt zu einem gestörten Kraftfluss und erhöhtem Korrosionspotenzial. Darüber hinaus besteht an den Bohrungsaustritten eine erhöhte Gefahr für das Auftreten von Ausfransungen, Ausbrüchen oder Delaminationen.
Das Schrauben als eine häufig gewählte Lösung ist zudem aufgrund der Anzahl der notwendigen Schritte zur Herstellung einer Schraubverbindung sehr zeitintensiv und deshalb für eine industrielle Serienfertigung nur bedingt geeignet. Das Nieten erlaubt zwar relativ hohe Fügegeschwindigkeiten, bereitet aber bei den heutzutage eingesetzten hoch- und höchstfesten Stählen zunehmend Probleme, da der Niet zur Herstellung der Verbindung beide Fügepartner durchdringen muss.
Aufgrund der vorbeschriebenen Probleme beim Fügen, lassen sich die jeweiligen Materialeigenschaften im Verbundbauteil nicht optimal ausnutzen. Insbesondere führen alle bisher verfügbaren Fügetechnologien dazu, dass die positiven Effekte, welche prinzipiell von den in der Kunststoffmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern (z. B. Glasfasern oder Kohlenstofffasern) ausgehen, nicht oder nur in minimalem Maße zu einer Steigerung der Verbundfestigkeit beitragen. Dies trifft auf alle bekannten Kunststoffmatrixsysteme (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere etc.) zu.
Aus der DE 10 2011 116 300 A1 ist ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil bekannt, das zumindest ein metallisches Anschlussstück zum Fügen des Faserverbundwerkstoff-Bauteils mit einem weiteren Bauteil umfasst. Das metallisches Anschlussstück ist ein aus Blech gefertigtes Insert mit einem Randabschnitt, der in dem Faserverbundwerkstoff-Bauteil zwischen Faserlagen aufgenommen ist, und einem Fügeabschnitt, der an einer Oberfläche des Faserverbundwerkstoff-Bauteils frei liegt und eine Fügestelle bereitstellt.
Die EP 1 048 442 A1 offenbart ein Kunststoffbauelement aus einem Kunststoffwerkstoff und einem oder mehreren Einlegeteilen mit einem Verbundabschnitt, wobei der Verbundabschnitt eine oder eine Mehrzahl von Ausnehmungen enthält, durch welche Verstärkungsfasern, Faserstränge und/oder textile Flächengebilde verschlauft sind, welche in die Kunststoffmatrix des Kunststoffbauteils eingebettet sind.
Ferner ist aus der DE 20 2012 104 559 U1 ein Faserverbundhybridbauteil mit einer faserverstärkten Kunststoffmatrix bekannt, das mindestens ein metallisches Verbindungselement aufweist, wobei ein erster Teilbereich des Verbindungselements in Auszugsrichtung formschlüssig in Verstärkungsfasern eingebettet ist und wobei mindestens ein weiterer Teilbereich des Verbindungselements als Anbindefortsatz aus dem Bereich der Verstärkungsfasern herausragt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils und ein entsprechendes faserverstärktes Verbundbauteil anzugeben, die ein Fügen von faserverstärkten Halbzeugen mit metallischen Halbzeugen unter maximaler Ausnutzung der Eigenschaften der Faserstruktur ermöglichen, um somit Verbundbauteile mit Festigkeitseigenschaften zu erhalten, die annähernd denen der eingesetzten Grundwerkstoffe entsprechen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein faserverstärktes Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen aufgeführt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils umfasst die folgenden Schritte:

a) Einbringen zumindest eines metallischen Fügeelementes in eine aus mehreren annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung orientierten Fasern oder Faserbündeln bestehende Faserstruktur unter Bildung eines Faserhalbzeuges, bei dem zumindest eine Faser oder ein Faserbündel mit dem metallischen Fügeelement in formschlüssigem Eingriff steht, indem zumindest eine Faser oder ein Faserbündel der Faserstruktur formschlüssig durch jeweils wenigstens eine Durchgangsbohrung des metallischen Fügeelementes hindurchgeführt wird;
b) Einbringen eines Matrixmaterials in das Faserhalbzeug;
c) Aushärten des Matrixmaterials unter Bildung eines faserverstärkten Halbzeuges mit zumindest einem integrierten metallischen Fügeelement, das jeweils aus einander gegenüberliegenden Oberflächen des gehärteten Matrixmaterials herausragt; und
d) Thermisches Fügen des faserverstärkten Halbzeuges mit zumindest einem metallischen Halbzeug, sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem aus dem Matrixmaterial herausragenden Teil des metallischen Fügeelementes und dem metallischen Halbzeug entsteht.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, ein faserverstärktes Halbzeug (z. B. aus einem faserverstärkten Kunststoff FVK) bereits bei seiner Herstellung so vorzubearbeiten, dass dieses faserverstärkte Halbzeug anschließend mittels eines thermischen Fügeverfahrens mit einem metallischen Halbzeug stoffschlüssig verbunden werden kann. Hierzu werden bereits bei der Herstellung eines Faserhalbzeuges (wie beispielsweise eines Gewebes, eines Geleges, einer Matte oder dergleichen), also noch vor dem Einbringen eines Matrixmaterials in ein solches Faserhalbzeug, metallische Fügeelemente derart in eine Faserstruktur eingearbeitet, dass diese sich mit den Fasern oder Faserbündeln (Rovings) der Faserstruktur unter Ausbildung eines formschlüssigen Eingriffs bestmöglich verketten. Infolge dieses Formschlusses findet bei Krafteinwirkung eine direkte Krafteinleitung von den metallischen Fügeelementen in die Fasern oder Faserbündel statt, wodurch in Belastungsrichtung eine hohe Belastbarkeit erzielt wird, da die Fasern bzw. Faserbündel in der Lage sind, höhere Kräfte aufzunehmen als das bloße Matrixmaterial (in der Regel Kunststoffmasse).
Zudem werden im Gegensatz zu Niet- oder Schraubverbindungen, die erst nachträglich in das Verbundbauteil eingebracht werden, durch die erfindungsgemäß bereits während des Herstellungsprozesses in das Faserhalbzeug integrierten metallischen Fügeelemente keinerlei Faserschädigungen hervorgerufen. Erst anschließend wird das Faserhalbzeug mitsamt den schon integrierten metallischen Fügeelementen in ein entsprechendes Matrixmaterial zur Herstellung eines faserverstärkten Halbzeuges eingebettet. Dabei sind die metallischen Fügeelemente derart angeordnet, dass jeweils ein Endabschnitt der metallischen Fügeelemente nach dem Einbringen und Aushärten des Matrixmaterials nach beiden Seiten hin aus dem Matrixmaterial frei herausragt. Dieser jeweils frei herausragende Endabschnitt der metallischen Fügeelemente ist von erfindungswesentlicher Bedeutung, da mit seiner Hilfe auf einfache Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem faserverstärkten Halbzeug und einem metallischen Halbzeug (wie z. B. einem Stahl- oder Aluminiumblech) zur Herstellung des gewünschten Verbundbauteils realisierbar ist.
Mittels herkömmlicher thermischer Fügeverfahren (wie z. B. mittels Widerstands-, Press- oder Ultraschallschweißen), die bei sehr hohen Fügegeschwindigkeiten einfach automatisierbar und zielgerichtet steuerbar sind, können die artgleichen Werkstoffe der aus dem Matrixmaterial des faserverstärkten Halbzeuges teilweise herausragenden metallischen Fügeelemente und der Oberflächenschicht des metallischen Halbzeuges sicher miteinander verbunden werden. Somit gelingt es, durch ein derartiges thermisches Fügeverfahren eine hochfeste metallurgische Verbindung zwischen den beiden Halbzeugen herzustellen, die im Gegensatz zu den bisher vorwiegend eingesetzten Klebeverbindungen deutlich höheren Belastungen des Verbundbauteils standhält. Aufgrund des geringen Herstellungsaufwandes und der weitgehenden Automatisierbarkeit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in hervorragender Weise für eine kostengünstige Großserienfertigung von qualitativ hochwertigen Verbundbauteilen (etwa im Automobilbau).
Die Faserstruktur besteht aus mehreren annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung orientierten Fasern oder Faserbündeln. Durch die unidirektionale Ausrichtung der Fasern bzw. Faserbündel in der Faserstruktur wird die formschlüssige Integration der metallischen Fügeelemente in das Faserhalbzeug erleichtert. Die metallischen Fügeelemente können in gleichbleibender räumlicher Zuordnung mit den Fasern bzw. Faserbündeln derart zusammenwirken, dass für jedes metallische Fügeelement eine gegenseitige textile Bindung erhalten wird, wodurch das entstehende Faserhalbzeug bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten zur Herstellung des Verbundbauteils (Einbettung in Matrixmaterial, Verbindung mit metallischem Halbzeug nach Matrixaushärtung) von störenden Faserverschiebungen oder anderen Desorientierungen im Faseraufbau freigehalten wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine metallische Fügeelement im Verfahrensschritt a) durch Weben in die Faserstruktur eingebracht wird, sodass im Verfahrensschritt a) als Faserhalbzeug ein Gewebe mit zumindest einem formschlüssig in die Struktur des Gewebes integrierten metallischen Fügeelement erhalten wird. Im Falle einer unidirektionalen Faserausrichtung bilden die Fasern bzw. Faserbündel Schussfäden, die durch Verkreuzung mit den zumindest teilweise quer zur Fasererstreckungsrichtung (Schussrichtung) verlaufenden metallischen Fügeelementen zu einem planaren Gewebe verbunden sind, das als Faserhalbzeug leicht gehandhabt werden kann. Die metallischen Fügeelemente, durch welche die Fasern bzw. Faserbündel (Schussfäden) verkreuzend hindurchgeführt sind, dienen somit quasi als Kettfadensystem zur Halterung der Fasern bzw. Faserbündel (Schussfäden), sodass ein gitternetzartig zusammengefasstes Gewebe entsteht, in das sich die metallischen Fügeelemente als integraler Bestandteil einfügen, ohne die Fasern (der Schussfäden) zu schädigen.
Das zumindest eine metallische Fügeelement weist wenigstens einen Formschlussabschnitt für den formschlüssigen Eingriff mit zumindest einer Faser oder einem Faserbündel der Faserstruktur im Verfahrensschritt a) auf. Der Formschlussabschnitt des metallischen Fügeelementes besitzt einen Querschnitt oder ein Formschlussprofil, welcher bzw. welches mit dem entsprechenden Querschnitt der Faser oder des Faserbündels einen Formschluss bildet. Im Speziellen kann der Formschlussabschnitt als eine an einer Kontaktfläche des metallischen Fügeelementes vorgesehene Anformung oder Ausnehmung ausgebildet sein. In besonders kostengünstiger Weise kann eine solche Anformung oder Ausnehmung am metallischen Fügeelement durch ein Umformverfahren und/oder Trennverfahren hergestellt werden. Damit ein metallisches Fügeelement gleichzeitig mit mehreren Fasern bzw. Faserbündeln einen formschlüssigen Eingriff bilden kann, weist das metallische Fügeelement in entsprechender Weise mehrere Formschlussabschnitte auf. Dadurch kann eine von außen auf ein metallisches Fügeelement einwirkende Kraft gleichmäßig auf mehrere Fasern bzw. Faserbündel verteilt werden, um die Zugfestigkeit der einzelnen Fasern nicht zu überschreiten.
Der Formschlussabschnitt ist als Durchgangsbohrung ausgebildet, durch welche zumindest eine Faser oder ein Faserbündel der Faserstruktur im Verfahrensschritt a) formschlüssig hindurchgeführt wird. Ohne die strukturelle Integrität der Fasern bzw. Faserbündel zu beeinträchtigen, werden diese in vorher definierten regelmäßigen Abständen entlang ihrer Erstreckungsrichtung durch die Durchgangsbohrungen von metallischen Fügeelementen geführt und dabei quer zu ihrer Erstreckungsrichtung durch die metallischen Fügeelemente in ihrer Position festgelegt. Im Falle von unidirektional entlang einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung parallel zueinander verlaufenden Fasern bzw. Faserbündeln weist ein metallisches Fügeelement bevorzugt mehrere Durchgangsbohrungen auf, die in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fasern bzw. Faserbündel voneinander beabstandet angeordnet sind. Infolgedessen kann ein metallisches Fügeelement mit seinen Durchgangsbohrungen gleichzeitig mehrere Fasern bzw. Faserbündel formschlüssig halten.
Eine weitere besonders vorteilhafte Weiterbildung findet das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass das zumindest eine metallische Fügeelement im Verfahrensschritt a) derart eingebracht wird, dass entlang einer Erstreckungsrichtung einer Faser oder eines Faserbündels der Faserstruktur mehrere hintereinander angeordnete Durchgangsbohrungen eines oder mehrerer Fügeelemente vorgesehen sind, wobei diese Durchgangsbohrungen jeweils senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Faser oder des Faserbündels verlaufen, sodass die Faser oder das Faserbündel jeweils alternierend von einer Seite auf die andere Seite des Fügeelementes durch die Durchgangsbohrungen geführt wird. Dadurch, dass mehrere Durchgangsbohrungen in Fasererstreckungsrichtung hintereinander angeordnet sind und die Faser alternierend von einer Seite auf die andere Seite des oder der Fügeelemente durch die aufeinanderfolgenden Durchgangsbohrungen hindurchgesteckt ist, wird zusätzlich eine alternierende seitliche Umschlingung des oder der metallischen Fügeelemente geschaffen. Dies trägt zur einer weiteren Verbesserung des formschlüssigen Ineinandergreifens von Faser und metallischem Fügeelement im hergestellten Faserhalbzeug bei, wodurch die Gesamtstabilität des daraus hergestellten faserverstärkten Verbundbauteils erhöht wird, ohne dabei Faserschädigungen hervorzurufen. Es kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Faser bzw. das jeweilige Faserbündel durch alle aufeinanderfolgenden quer verlaufenden Durchgangsbohrungen jeweils einzeln alternierend von einer Bohrungsseite auf die andere geführt ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Faser bzw. das Faserbündel durch jede zweite oder n-te quer verlaufende Durchgangsbohrung alternierend geführt ist.
Das Einbringen des Matrixmaterials in das Faserhalbzeug im Verfahrensschritt b) erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass das Faserhalbzeug in eine Spritzgussform eingelegt wird und das erweichte Matrixmaterial beim Spritzguss in die Spritzgussform injiziert wird. Hierbei werden sowohl das Faserhalbzeug (z. B. Gewebe, Gelege, Matte oder dergleichen) als auch die darin integrierten metallischen Fügeelemente im Matrixmaterial eingebettet, sodass nun zusätzlich zum Formschluss auch ein kraftschlüssiger Verbindungsmechanismus zwischen den metallischen Fügeelementen, dem Faserhalbzeug und dem Matrixmaterial wirkt. Nach dem Aushärten des Matrixmaterials (normalerweise eines Kunststoffharzes) liegt ein faserverstärktes Halbzeug mit teilweise aus dem Matrixmaterial herausragenden metallischen Fügeelementen vor, wobei die Höhe des Herausragens der metallischen Fügeelemente aus der Oberfläche des Matrixmaterials ein fügetechnologisches Mindestmaß, welches für das abschließende thermische Fügen von faserverstärktem und metallischem Halbzeug im Verfahrensschritt d) benötigt wird, nicht unterschreiten sollte.
Bei einem erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundbauteil aus wenigstens zwei Schichten besteht eine erste Schicht zumindest teilweise aus einer mittels annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung orientierten Fasern oder Faserbündeln verstärkten Kunststoffmatrix, während eine zweite Schicht zumindest teilweise aus einem Metall besteht. Zumindest ein metallisches Fügeelement ist derart in die erste Schicht eingebracht, dass ein in der Kunststoffmatrix eingebetteter Teil des metallischen Fügeelementes mit zumindest einer Faser oder einem Faserbündel in formschlüssigem Eingriff steht, indem zumindest eine Faser oder ein Faserbündel der Faserstruktur formschlüssig durch jeweils wenigstens eine Durchgangsbohrung des metallische Fügeelementes hindurchgeführt ist, wobei das metallische Fügeelement mit zwei Endteilen jeweils aus den einander gegenüberliegenden Oberflächen des gehärteten Matrixmaterials herausragt und ein herausragendes Endteil mit der zweiten Schicht stoffschlüssig verbunden ist.
Durch die Integration der metallischen Fügeelemente in das faserverstärkte Halbzeug (insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff FVK) tragen die hochfesten Verstärkungsfasern (z. B. aus Kohlenstoff, Aramid, Glasfaser etc.) aufgrund der direkten Kraftübertragung von den metallischen Fügeelementen entscheidend zur Verbundfestigkeit bei. Bedingt durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem herausragenden Teil des metallischen Fügeelementes und der zugewandten Oberfläche des metallischen Halbzeuges entsteht außerdem zwischen den beiden Halbzeugen des Verbundbauteils eine Verbindung mit hoher Festigkeit. Die dem faserverstärkten Halbzeug abgewandte Oberfläche des metallischen Halbzeuges, also die Oberfläche die nicht mit herausragenden Teilen der metallischen Fügeelemente in Kontakt steht, erfährt vorteilhafterweise keine optische Beeinflussung durch die stoffschlüssige Verbindung bzw. den thermischen Fügevorgang.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Figuren. Dabei zeigen:

1 a bis 1 d jeweils Querschnittsansichten, die die grundlegenden Prozessschritte zur Herstellung eines faserverstärkten Halbzeuges mit integrierten metallischen Fügeelementen veranschaulichen;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines gemäß 1 a bis 1d hergestellten faserverstärkten Halbzeuges im Bereich eines integrierten metallischen Fügeelementes;
3a bis 3c drei verschiedene Ausführungsbeispiele zum thermischen Fügen eines gemäß 1a bis 1d hergestellten faserverstärkten Halbzeuges mit einem metallischen Halbzeug; und
4 eine schematische Darstellung der Verbindungsmechanismen in einem gemäß 3a bis 3c gefügten faserverstärkten Verbundbauteil.

Bei den Figuren handelt es sich jeweils um schematische Darstellungen. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Erfindung ist auf ein faserverstärktes Verbundbauteil 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung gerichtet. Dabei wird unter einem faserverstärkten Verbundbauteil 1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil verstanden, das aus wenigstens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei eine dieser Schichten durch ein faserverstärktes Halbzeug 7 gebildet ist, also aus einem Halbzeug 7, das aus einer mittels Fasern 3 verstärkten Matrix besteht. Bei der Matrix des faserverstärkten Halbzeuges 7 kann es sich insbesondere um einen Kunststoff handeln, sodass erfindungsgemäße faserverstärkte Halbzeuge 7 insbesondere auch FVK-Halbzeuge (FVK = faserverstärkter Kunststoff) umfassen. Als Fasermaterial kommen beispielsweise Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern (Carbonfasern) zur Anwendung. Es wird dann von GFK (glasfaserverstärkten Kunststoffen) bzw. CFK (carbonfaserverstärkten Kunststoffen) gesprochen. Es können jedoch sowohl andere Matrixmaterialien (z. B. Keramikmaterialien) als auch andere Fasermaterialien (z. B. Metallfasern) zum Einsatz kommen, ohne hierdurch vom erfindungsgemäßen Konzept abzuweichen.
An leichtbauenden FVK-Halbzeugen 7 besteht häufig die Notwendigkeit, Metallteile als Krafteinleitungsstellen bzw. als Schnittstellen zu umgebenden metallischen Bauteilen zu integrieren. Zur Herstellung von solchen FVK-Metall-Verbundbauteilen 1 muss ein metallisches Halbzeug 8 an ausgewählten Stellen mit einem FVK-Halbzeug 7 verstärkt werden. Hierfür kommen neben einer Klebeverbindung (durch angeschmolzenen Matrixkunststoff oder einen zusätzlichen Klebstoff) herkömmlicherweise auch andere Fügetechniken wie mechanische Befestigungsmittel und/oder Formschlusselemente wie Sicken in Frage. Alle bisher verfügbaren Technologien nutzen aber die positiven Effekte, welche die Verstärkungsfasern 3 (z.B. Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern) des Kunststoffs mit sich bringen, für die Steigerung der Verbundfestigkeit nicht oder nur in einem minimalen Maße aus.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine technologische Lösung bereitgestellt wird, die ein Fügen eines nichtmetallischen faserverstärkten Halbzeuges 7 (insbesondere eines Halbzeuges 7 aus FVK) mit einem metallischen Halbzeug 8 unter maximaler Ausnutzung der Eigenschaften des im faserverstärkten Halbzeug 7 integrierten Faserhalbzeuges 5 (z.B. Fasergewebes, Fasergeleges, Fasermatte etc.) ermöglicht, wodurch Verbindungen mit Festigkeitseigenschaften, die annähernd denen der beiden zu verbindenden Grundwerkstoffe (z. B. FVK und Metall) entsprechen, hergestellt werden können. Hierzu wird die nichtmetallische Fügekomponente (das faserverstärkte Halbzeug 7) gemäß der in 1a bis 1d dargestellten Prozesskette bereits bei seiner Herstellung so vorbearbeitet, dass anschließend ein direktes Fügen von metallischer und nichtmetallischer Fügekomponente mittels thermischer Fügeverfahren (wie beispielsweise mittels des in 3a bis 3c dargestellten Widerstandsschweißens) ermöglicht wird.
Da die einzelnen Faserfilamente schwer zu handhaben sind, werden gemäß 1a in einem ersten Prozessschritt zur Herstellung des faserverstärkten Halbzeuges 7 die trockenen Fasern 3 einer Faserstruktur 4 zu einem leicht handhabbaren Faserhalbzeug 5 zusammengefasst. Hierfür geeignete Herstellverfahren entstammen in weiten Teilen der Textiltechnik. Besonders geeignet sind Webtechniken, bei denen als handhabbares Faserhalbzeug durch das Verweben von Endlosfasern 3 ein Gewebe 5 entsteht. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, bereits bei diesem ersten Prozessschritt zur Herstellung des Faserhalbzeuges 5 und noch vor dem Einbringen des Matrixmaterials 6 metallische Fügeelemente 2 in die Faserstruktur 4 so einzuarbeiten, dass diese sich mit den Fasern 3 des hergestellten Faserhalbzeuges 5 (z. B. in Form eines Gewebes, Geleges oder einer Matte) bestmöglich in formschlüssiger Weise verketten, wodurch eine direkte Kraftübertragung von den metallischen Fügeelementen 2 in die Fasern 3 des Faserhalbzeuges 5 erreicht wird.
Bei dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Faserstruktur 4 in Form von mehreren annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung x orientierten Fasern 3 vor. Statt aus Einzelfasern kann die Faserstruktur 4 auch aus unidirektional ausgerichteten Faserbündeln (sogenannten Rovings) aufgebaut sein. Das Einbringen der metallischen Fügeelemente 2 in die Faserstruktur 4 erfolgt durch Weben, indem die metallischen Fügeelemente 2 formschlüssig in die Struktur des Gewebes 5 integriert werden. Die metallischen Fügeelemente 2 werden dabei in einem vorher definierten Abstand zueinander und mittels Formschluss an die Gewebestruktur gebunden. Zu diesem Zweck sind gemäß 1a in den metallischen Fügeelementen 2 jeweils Durchgangsbohrungen 9 vorgesehen, welche für die formschlüssige Durchführung der Fasern 3 oder Faserbündel (Rovings) verwendet werden. Die Durchgangsbohrungen 9 werden so ausgeführt, dass die Integration in jeder Raumrichtung (Mehrdimensionalität) erfolgen kann (vgl. 1a). Indem die metallischen Fügeelemente 2 während der Herstellung des faserverstärkten Halbzeuges 7 bereits in das Faserhalbzeug 5 integriert werden, werden die Fasern 3 nicht geschädigt. Durch die formschlüssige Integration der metallischen Fügeelemente 2 im Faserhalbzeug 5 tragen die Fasern 3 (infolge der direkten Kraftübertragung) zudem in vollem Umfang zur Verbundfestigkeit bei.
Die mehreren (im Ausführungsbeispiel nach 1a drei) in das Gewebe 5 integrierten Fügeelemente 2 weisen jeweils eine zueinander gleiche Form und gleiche vertikale Lage in Bezug auf die Faserstruktur 4 auf. Dabei erfolgt die Einarbeitung der metallischen Fügeelemente 2 derart, dass oberhalb und unterhalb der Faserstruktur 4 jeweils ein überstehender, nicht von Fasern 3 durchsetzter Endabschnitt verbleibt. Diese überstehenden Endabschnitte sorgen dafür, dass das faserverstärkte Halbzeug 7 nach dem (beispielsweise durch Kunststoffspritzgießen erfolgenden) Einbringen des Matrixmaterials 6 nach beiden Oberflächenseiten hin jeweils von den metallischen Fügeelementen 2 durchdrungen wird. Die Höhe des Herausragens der metallischen Fügeelemente 2 aus dem Matrixmaterial 6 muss dabei jeweils ein fügetechnologisch gefordertes Mindestmaß t_minA und t_minB einhalten (vgl. 2).
Außerdem weisen die eingebrachten metallischen Fügeelemente 2 ein gleichbleibendes Bohrungsmuster auf. Demzufolge liegen die Durchgangsbohrungen 9 der in Fasererstreckungsrichtung x aufeinanderfolgenden metallischen Fügeelemente 2 jeweils auf gleicher Höhe. Dabei verlaufen die Durchgangsbohrungen 9 jeweils senkrecht zur Fasererstreckungsrichtung x und zur Zeichenebene, sodass eine jeweilige Faser 3 alternierend von einer Seite eines Fügeelementes 2 zu der anderen Seite des nachfolgenden Fügeelementes 2 durch die Durchgangsbohrungen 9 geführt wird. Durch diese senkrecht zur Zeichenebene gesehen alternierende (wechselnde) Führung der Fasern 3 auf den beiden Seiten der metallischen Fügeelemente 2 werden die Fasern 3 und die metallischen Fügeelemente 2 formschlüssig zu einem Gewebe 5 verbunden, wobei die Faserstruktur 4 quasi das Schussfadensystem und die metallischen Fügeelemente 2 quasi das Kettfadensystem des entstehenden Gewebes 5 bilden.
Anschließend erfolgt gemäß 1b das Einlegen des Gewebes 5 mit den eingewebten metallischen Fügeelementen 2 in ein Werkzeug zur Herstellung des faserverstärkten Halbzeuges 7. Als Herstellungsprinzip für ein Halbzeug 7 aus faserverstärktem Kunststoff FVK mit integrierten metallischen Fügeelementen 2 ist insbesondere das Verfahren des Kunststoffspritzgießens geeignet. Dementsprechend kommt gemäß 1b als Werkzeug eine Spritzgussform mit einer ersten (unteren) Werkzeughälfte 10B, die eine Werkzeugkavität 13 zum Einlegen des Gewebes 5 aufweist, und einer zweiten (oberen) Werkzeughälfte 10A, die einen Injektionskanal 14 zum Einspritzen des geschmolzenen oder erweichten Matrixmaterials 6 (z.B. flüssigen Kunststoffharzes) in die Werkzeugkavität 13 aufweist, zur Anwendung. In der oberen und unteren Werkzeughälfte 10A, 10B ist jeweils eine Oberflächenstrukturierung 11 in Form von Vertiefungen vorgesehen, welche die jeweils nach oben und unten aus der Faserstruktur 4 herausragenden Endteile 2A, 2B der metallischen Fügeelemente 2 des eingelegten Faserhalbzeuges (Gewebes 5) während des Spritzgießvorganges so aufnehmen und positionieren, dass im hergestellten faserverstärkten Halbzeug 7 ein definierter Abstand der metallischen Fügeelemente 2 zueinander und ein notwendiges fügetechnologisches Mindestmaß t_minA und t_minB des Herausragens der metallischen Fügeelemente 2 aus den gegenüberliegenden Oberflächen 6A, 6B des Matrixmaterials 6 gewährleistet werden.
Nach dem Einlegen des Gewebes 5 in die Spritzgussform 10A, 10B erfolgt in einem dritten Prozessschritt gemäß 1c das Einbringen des Matrixmaterials 6 durch Kunststoffspritzgießen, indem eine vorbestimmte Menge einer Kunststoffschmelze (z.B. durch die lineare Vorwärtsbewegung eines nicht gezeigten Kolbens) über den Injektionskanal 14 in die Werkzeugkavität 13 der Spritzgussform 10A, 10B gedrückt wird, sodass sowohl das Gewebe 5 als auch die jeweils innerhalb der Gewebestruktur angeordneten Mittelteile 2C der metallischen Fügeelemente 2 im Matrixmaterial 6 eingebettet werden.
Anschließend erfolgt (z.B. durch ein Einwirken von thermischer Energie oder durch eine Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung) das Aushärten des Matrixmaterials 6. Im Ergebnis wird somit zusätzlich zu dem zwischen den Fasern 3 und den metallischen Fügeelementen 2 bestehenden Formschluss auch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den metallischen Fügeelementen 2, dem Gewebe 5 und dem ausgehärteten Matrixmaterial 6 geschaffen. Diese geometrischen Randbedingungen ermöglichen nach dem Fügen eine direkte Kraftübertragung vom metallischen Halbzeug 8 über die metallischen Fügeelemente 2 in die damit form- und kraftschlüssig gekoppelten Fasern 3 des Faserhalbzeuges (Gewebes 5) und weiter über Form- und Kraftschluss in das Matrixmaterial 6 (z.B. Kunststoff) (vgl. durch Doppelpfeile symbolisierten Kraftverlauf in 4).
Im letzten Schritt der Herstellungsprozesskette wird das faserverstärkte Halbzeug 7 gemäß 1d nach Konsolidierung der Matrix und Entnahme aus der Spritzgussform 10A, 10B zur Vorbereitung für die Weiterverarbeitung (nämlich für den thermischen Fügevorgang gemäß 3a bis 3c) auf eine definierte Form endbearbeitet, indem Überstände, Anguss und weitere nicht notwendige Teile z. B. durch Stanzen oder Beschneiden entfernt werden. Nach dieser Endbearbeitung wird das gewünschte faserverstärkte Halbzeug 7 (genauer: Halbzeug 7 aus faserverstärktem Kunststoff FVK) mit integrierten metallischen Fügeelementen 2 erhalten.
In 2 ist das nach dem in 1a bis 1d gezeigten und vorerläuterten Prozessablauf hergestellte faserverstärkte Halbzeug 7 im Bereich eines integrierten metallischen Fügeelementes 2 nochmals vergrößert dargestellt. Die Gestaltung des metallischen Fügeelementes 2 ist dabei als Beispielgeometrie zu betrachten und steht stellvertretend für alle denkbaren Geometrien, mit denen zwischen metallischem Fügeelement 2 und Fasern 3 im hergestellten faserverstärkten Halbzeug 7 ein kombinierter Form- und Kraftschluss erzielbar ist.
Aus der Vergrößerung nach 2 ist deutlich zu erkennen, dass die Integration der metallischen Fügeelemente 2 jeweils derart erfolgt, dass diese das (beispielsweise durch Kunststoffspritzgießen) eingebrachte Matrixmaterial 6 nach beiden Oberflächenseiten hin durchdringen. Die aus den gegenüberliegenden Matrixoberflächen 6A, 6B herausragenden Endteile 2A, 2B der metallischen Fügeelemente 2 dienen dazu, einen anschließenden thermischen Fügevorgang (z. B. mittels Widerstandsschweißen) zwischen dem faserverstärkten Halbzeug 7 und einem metallischen Halbzeug 8 zu ermöglichen. Dazu sind die auf einer Oberflächenseite herausragenden Endteile 2B mit dem metallischen Fügepartner und die auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite herausragenden Endteile 2A mit einer konventionellen Schweißelektrode kontaktiert (vgl. 3a bis 3c). Die Höhen des beidseitigen Herausragens der metallischen Fügeelemente 2 aus dem Matrixmaterial 6 müssen jeweils größer sein als ein fügetechnologisches Mindestmaß t_minA und t_minB , um eine sichere stoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Halbzeug 8 und dem metallischen Fügeelement 2 zu gewährleisten.
Gemäß der in 2 gezeigten Beispielgeometrie nimmt die Breite des metallischen Fügeelementes 2 in einem Schnitt längs einer Erstreckungsrichtung x der Fasern 3 gesehen von seinen zwei konisch herausragenden Endteilen 2A, 2B zur Mitte des Matrixmaterials 6 hin jeweils glockenförmig zu. In der Mitte des Matrixmaterials 6 erreicht das metallische Fügeelement 2 somit seine größte Breite und besitzt hier mehrere, nämlich drei in Fasererstreckungsrichtung x hintereinander angeordnete Durchgangsbohrungen 9, wobei diese Durchgangsbohrungen 9 jeweils senkrecht zur Fasererstreckungsrichtung x und zur Zeichenebene verlaufen. Demzufolge kann eine Faser 3 jeweils alternierend von einer Seite auf die andere Seite des metallischen Fügeelementes 2 durch die drei aufeinanderfolgenden Durchgangsbohrungen 9 geführt werden (siehe 2). Durch diese zusätzliche alternierende Führung der Faser 3 auf den beiden Seiten eines Fügeelementes 2 wird eine weitere Verbesserung des Formschlusses zwischen der jeweiligen Faser 3 und dem Fügeelement 2 erzielt. Neben dem mittels der Durchgangsbohrungen 9 realisierten Formschluss ist das metallische Fügeelement 2 durch das ausgehärtete Matrixmaterial 6 auch kraftschlüssig mit den Fasern 3 verbunden. Bei einer (vom angeschlossenen metallischen Halbzeug 8 ausgehenden) Krafteinwirkung auf das metallische Fügeelement 2 wird somit die Kraft über die gesamte Halb-zeugdicke durch Form- und Kraftschluss unmittelbar in die Verstärkungsfasern 3 übertragen, sodass die guten mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfasern 3 im erfindungsgemäßen Verbundbauteil 1 optimal ausgeschöpft werden können.
Das thermische Fügen des faserverstärkten Halbzeuges 7 (aus FVK) mit einem metallischen Halbzeug 8 zwecks Herstellung des faserverstärkten Verbundbauteils 1 kann gemäß 3a bis 3c insbesondere durch Widerstandsschweißen (und hier des Weiteren insbesondere durch Widerstandspunktschweißen WPS oder Kondensatorentladungsschweißen KES) erfolgen. Die Erfindung lässt sich aber auch auf andere thermische Schweißverfahren, wie z. B. das Induktionsschweißen, Pressschweißen oder Ultraschallschweißen erweitern, ohne dass hierdurch vom erfindungsgemäßen Prinzip abgewichen wird. Vom Grundsatz her wird beim Widerstandsschweißen der Kontaktbereich zwischen dem aus dem Matrixmaterial 6 herausragenden Endteil 2B des metallischen Fügeelementes 2 und dem metallischen Halbzeug 8 (z. B. Aluminium- oder Stahlblech) jeweils so weit erwärmt, dass sich eine Schweißlinse bildet, nach deren Erstarrung ein stoffschlüssiger Verbund mit hoher Festigkeit zwischen dem metallischen Fügeelement 2 und dem metallischen Halbzeug 8 sichergestellt wird.
3a bis 3c zeigen jeweils schematisch eine Querschnittsansicht der beiden mittels Widerstandsschweißen gefügten Halbzeuge (nämlich einerseits des FVK-Halbzeuges 7 mit integrierten metallischen Fügeelementen 2 und andererseits des metallischen Halbzeuges 8). Allen in 3a bis 3c gezeigten Ausführungsbeispielen gemein ist, dass das faserverstärkte Halbzeug 7 mit den integrierten metallischen Fügeelementen 2 und das metallische Halbzeug 8 einander überlappend mit Klemmsitz zwischen zwei Schweißelektroden 12A, 12B (nämlich einer für den positiven Pol und einer für den negativen Pol eines Stromentladungskreises) angeordnet werden. Zum Verschweißen der Metallteile wird an die Schweißelektroden 12A, 12B eine elektrische Spannung angelegt, sodass durch die Schweißelektroden 12A, 12B und durch die beiden zu verschweißenden Metallteile (nämlich durch das jeweilige metallische Fügeelement 2 und durch das damit kontaktierte metallische Halbzeug 8) ein elektrischer Strom fließt. Die stromdurchflossenen Bereiche der beiden Metallteile werden aufgrund des relativ hohen Übergangswiderstandes im Kontaktbereich zwischen den Metallteilen durch den Stromfluss stark erhitzt und miteinander verschweißt. Diese üblicherweise angewandte Art des Widerstandsschweißens ergibt eine sehr gute Schweißqualität bei der Verschweißung von Metallteilen. Das Fügen mittels Widerstandsschweißen ist zudem auf bestehenden Schweißanlagen leicht automatisierbar, wobei sehr hohe Fügegeschwindigkeiten erreicht werden können.
Das Widerstandsschweißen kann dabei im Einzelschrittverfahren zwischen zwei bewegbaren Einzelelektroden (entsprechend 3a) oder mit lediglich einer bewegbaren Einzelelektrode (entsprechend 3b) oder im Endlosverfahren zwischen zwei rotierenden Schweißrollen (entsprechend 3c) durchgeführt werden. Die thermische Belastung des faserverstärkten Halbzeuges 7 wird in jedem Fall durch die kurze Schweißzeit und das als Kühlkörper fungierende metallische Halbzeug 8 vorteilhafterweise auf ein Minimum reduziert.
Im ersten Ausführungsbeispiel zum Widerstandsschweißen von faserverstärktem und metallischem Halbzeug 7, 8 gemäß 3a liegt eine erste (obere) Schweißelektrode 12A an einem Teil 2A des metallischen Fügeelementes 2 an, der aus der dem metallischen Halbzeug 8 abgewandten Oberfläche 6A des Matrixmaterials 6 nach oben hin herausragt. Die zweite (untere) Schweißelektrode 12B liegt, bezogen auf die horizontalen Halbzeugebenen, der ersten Schweißelektrode 12A genau gegenüber und hat mit der dem faserverstärkten Halbzeug 7 abgewandten, nach unten weisenden Oberfläche 8B des metallischen Halbzeuges 8 Kontakt. Beide Schweißelektroden 12A, 12B sind in Bezug auf die jeweilige Halbzeugoberfläche 6A, 8B verfahrbar. Dabei werden die aus der Oberfläche 6A des Matrixmaterials 6 nach oben hin herausragenden Teile 2A der metallischen Fügeelemente 2 zum Durchführen eines Schweißvorganges jeweils von der ersten (oberen) Schweißelektrode 12A nacheinander angefahren, während die zweite (untere) Schweißelektrode 12B jeweils in entsprechender Weise zu einer der ersten (oberen) Schweißelektrode 12A vertikal gegenüberliegenden Position entlang der dem faserverstärkten Halbzeug 7 abgewandten Oberfläche 8B des metallischen Habzeuges 8 bewegt wird.
Wird ein starker Strom zwischen den Schweißelektroden 12A, 12B angelegt, führt der elektrische Widerstand an der Kontaktstelle zwischen dem nach unten aus der Oberfläche 6B des Matrixmaterials 6 herausragenden Endteil 2B des metallischen Fügeelementes 2 und der Oberfläche 8A des metallischen Halbzeuges 8 zu einem linsenförmigen Anschmelzen und Verbinden an dieser Kontaktstelle. Das gleichzeitige Andrücken über die Elektrodenkraft bewirkt eine punktförmige stoffschlüssige und unlösbare Verbindung zwischen dem metallischen Fügeelement 2 und dem metallischen Halbzeug 8. Während einer Nachhaltezeit wird die Elektrodenkraft aufrechterhalten, um das Abkühlen der Schmelze unter Vermeidung von Porenbildung sicherzustellen. Moderne Widerstandsschweißsysteme ermöglichen eine anforderungsgerechte freie Programmierung des zeitlichen Verlaufs von Elektrodenkraft und Schweißstrom. Die nach unten weisende Oberfläche 8B des metallischen Halbzeuges 8, mit der der nichtmetallische Fügepartner aus FVK keinen Kontakt hat, erfährt vorteilhafterweise keinerlei optische Beeinflussung durch die stoffschlüssige Verbindung bzw. den thermischen Fügevorgang, die bzw. der unsichtbar innerhalb des Verbundbauteils 1 erfolgt.
In 3b wird das metallische Halbzeug 8 unmittelbar mit der Stromquelle großflächig elektrisch kontaktiert und bildet somit selbst die der oberen Schweißelektrode 12A gegenüberliegende untere Schweißelektrode 12B (Gegenelektrode). Vorteilhafterweise entfällt somit im Vergleich zum Werkzeugaufbau nach 3a eine separat zu bewegende untere Schweißelektrode. Lediglich die einzige obere Schweißelektrode 12A muss bewegbar ausgeführt sein, um nacheinander auf die jeweils nach oben aus dem Matrixmaterial 6 herausragenden Endteile 2A der metallischen Fügeelemente 2 gedrückt und während des Schweißvorganges gehalten zu werden, sodass der Schweißstrom jeweils von diesem oberen Endteil 2A des Fügeelementes 2, über den mittleren, im Matrixmaterial 6 eingebetteten Teil 2C des Fügeelementes 2 und den unteren, aus dem Matrixmaterial 6 herausragenden Endteil 2B des Fügeelementes 2 schließlich in das metallische Halbzeug 8 fließt. Aufgrund der großen Querschnittsverengung tritt am Kontaktbereich zwischen dem unteren Endteil 2B des metallischen Fügeelementes 2 und der Oberfläche 8A des metallischen Halbzeuges 8 ein großer Potenzialgradient auf, der lokal zu einer hohen Energiezufuhr führt. Dies hat eine schnelle Erwärmung an der Spitze des Endteils 2B des metallischen Fügeelementes 2 zur Folge. Nach einer entsprechenden Haltezeit führt diese Erwärmung zum Aufschmelzen der Spitze des metallischen Fügeelementes 2 und der die Spitze kontaktierenden Oberflächenschicht des metallischen Halbzeuges 8, die so nach einem anschließenden Abkühlen stoffschlüssig verbunden, d. h. verschweißt werden. Für den vorbeschriebenen thermischen Fügevorgang ist nur eine einseitige Zugänglichkeit des Überlappstoßes notwendig, da der metallische Fügepartner (das metallische Halbzeug 8) aufgrund der großflächigen elektrischen Kontaktierung selbst die Gegenelektrode bildet und (z. B. durch eine eingebrachte Rippenstruktur) mit einer für die Elektrodenfunktion erforderlichen Steifigkeit ausgestattet wird.
In 3c wird ebenfalls schematisch das thermische Fügen mittels Widerstandsschweißen (z. B. mittels WPS, KES) eines ebenen faserverstärkten Halbzeuges 7 mit einem ebenen metallischen Halbzeug 8 illustriert. Hierzu werden die beiden zu verschweißenden Halbzeuge 7, 8 einander überlappend durch den Spalt zwischen zwei gegenläufig rotierenden rotationssymmetrischen Schweißelektrodenrollen 12A, 12B geführt und dabei kontinuierlich miteinander verschweißt, indem den Schweißelektrodenrollen 12A, 12B ein an die Position der im faserverstärkten Halbzeug 7 integrierten metallischen Fügeelemente 2 angepasster rechteckförmiger Schweißstrom zugeführt wird. Durch den Stauchdruck der Schweißelektrodenrollen 12A, 12B wird außerdem sichergestellt, dass sich kein Luftspalt zwischen den Halbzeugebenen bildet, der die Qualität der Schweißung negativ beeinflussen könnte.
Sobald in 3c ein metallisches Fügeelement 2 zwischen die Schweißelektrodenrollen 12A, 12B gefördert ist, wird der Schweißstrom eingeschaltet, der seine maximale Amplitude in kurzer Zeit erreicht und nun während der Förderzeit des metallischen Fügeelementes 2 zwischen den Schweißelektrodenrollen 12A, 12B nahezu konstant bleibt. Exakt am Ende des geschweißten metallischen Fügeelementes 2 wird der Schweißstrom abgeschaltet. Der Anfang des folgenden metallischen Fügeelementes 2 bewirkt, dass der Schweißstrom wieder eingeschaltet wird. Der Schweißvorgang ergibt sich nun wieder durch einen nahezu konstanten Schweißstromimpuls, dessen Dauer genau der Förderzeit des metallischen Fügeelementes 2 zwischen den Schweißelektrodenrollen 12A, 12B entspricht. Während des Schweißstromimpulses werden die Kontaktflächen des metallischen Fügeelementes 2 und des metallischen Halbzeuges 8 auf- oder zumindest angeschmolzen, wobei beide Schmelzen sich miteinander verbinden und nach der Aushärtung eine stoffschlüssige Verbindung bilden.
Das thermische Fügen von faserverstärkten Halbzeugen 7 (insbesondere von thermoplastischen FVK-Halbzeugen) mit metallischen Halbzeugen 8 bietet für die Herstellung unterschiedlichster faserverstärkter Verbundbauteile 1 und Materialvarianten eine Alternative zur mechanischen Verbindung (z. B. unter Zuhilfenahme von Schrauben oder Nieten) und zum Kleben. Insbesondere können so erhebliche Vorteile bezüglich des Arbeitsaufwandes erzielt werden. Aber auch die Stabilität eines solchen Verbundbauteils 1 kann gegenüber der herkömmlichen Befestigung von FVK-Halbzeugen mit Schrauben, Nieten oder Klebstoffen deutlich verbessert werden.
4 zeigt in schematisierter Blockdarstellung die in einem erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundbauteil 1 wirkenden Verbindungsmechanismen anhand des Kraftverlaufs im Verbundbauteil 1 (FVK-Metall-Verbundbauteil). Als „Fügepartner A“ des Verbundbauteils 1 wird das metallische Halbzeug 8 bezeichnet, während das faserverstärkte Halbzeug 7 (aus faserverstärktem Kunststoff FVK) mit den integrierten metallischen Fügeelementen 2 den „Fügepartner B“ bildet. Über die herausragenden Endteile 2B der metallischen Fügeelemente 2 wird eine hochfeste stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern A und B des Verbundbauteils 1 realisiert. Die Mittelteile 2C der metallischen Fügeelemente 2 stehen einerseits über die vorgesehenen Formschlussabschnitte (Durchgangsbohrungen 9) mit den Fasern 3 des FVK-Halbzeuges 7 in formschlüssigem Eingriff und sind andererseits über das Matrixmaterial 6 auch kraftschlüssig mit den Fasern 3 des FVK-Halbzeuges 7 verbunden. Durch diesen kombinierten Form- und Kraftschluss wird die im Belastungsfall über die metallischen Fügeelemente 2 in das FVK-Halbzeug 7 eingetragene Kraft unmittelbar in die Verstärkungsfasern 3 geleitet. Da die Fasern 3 im Matrixmaterial 6 eingebettet sind, wird diese Kraft von den Fasern 3 wiederum durch Form- und Kraftschluss in das Matrixmaterial 6 weitergeleitet. Diese geometrischen Randbedingungen ermöglichen somit nach dem Fügen eine direkte Kraftübertragung vom metallischen Halbzeug 8 über die metallischen Fügeelemente 2 in die Verstärkungsfasern 3 und weiter in das Matrixmaterial 6 des FVK-Halbzeuges 7. Die vorgeschilderten Verbindungsmechanismen können an erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteilen 1 anhand metallografischer Präparationen problemlos nachgewiesen werden.
Die Erfindung kann in allen Bereichen der blech- bzw. kunststoffverarbeitenden Industrie vorteilhaft zum Einsatz gelangen. Als Einsatzbereiche sind insbesondere die mobilen Bereiche des Schienen-, Luft- und Raumfahrzeugbaus sowie des Automobil- und Schiffsbaus zu nennen, wo ein hoher und weiter steigender Bedarf an hybriden Leichtbauweisen besteht. Wenngleich die illustrierten Ausführungsbeispiele sich auf das Herstellen und das Verbinden von ebenen Halbzeugen 7, 8 beziehen, ist die Erfindung keineswegs darauf beschränkt und ist auch zur Anwendung bei anderen Kategorien von Halbzeugen (z. B. bei Rohren, Profilen etc.), die sich im Überlappstoß verbinden lassen, geeignet.
Bezugszeichenliste

1: faserverstärktes Verbundbauteil
2: metallisches Fügeelement
2A, 2B, 2C: Teile des metallischen Fügeelementes
3: Faser
4: Faserstruktur
5: Faserhalbzeug/Gewebe (mit integrierten Fügeelementen)
6: Matrixmaterial / Kunststoffmatrix
6A, 6B: Oberflächen (des Matrixmaterials)
7: faserverstärktes Halbzeug/FVK-Halbzeug
8: metallisches Halbzeug /Metall
8A, 8B: Oberflächen (des metallischen Halbzeuges)
9: Formschlussabschnitt/Durchgangsbohrung
10A, 10B: Spritzgussform (obere und untere Werkzeughälfte)
11: Oberflächenstrukturierung (der Spritzgussform)
12A, 12B: Schweißelektroden/Schweißelektrodenrollen
13: Werkzeugkavität
14: Injektionskanal
x: Erstreckungsrichtung / Fasererstreckungsrichtung
t_minA, t_minB: Höhen (der herausragenden Teile)

Claims

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteils (1), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Einbringen zumindest eines metallischen Fügeelementes (2) in eine aus mehreren annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung (x) orientierten Fasern (3) oder Faserbündeln bestehende Faserstruktur (4) unter Bildung eines Faserhalbzeuges (5), bei dem zumindest eine Faser (3) oder ein Faserbündel mit dem metallischen Fügeelement (2) in formschlüssigem Eingriff steht, indem zumindest eine Faser (2) oder ein Faserbündel der Faserstruktur (4) formschlüssig durch jeweils wenigstens eine Durchgangsbohrung (9) des metallischen Fügeelementes (2) hindurchgeführt wird; b) Einbringen eines Matrixmaterials (6) in das Faserhalbzeug (5); c) Aushärten des Matrixmaterials (6) unter Bildung eines faserverstärkten Halbzeuges (7) mit zumindest einem integrierten metallischen Fügeelement (2), das jeweils aus einander gegenüberliegenden Oberflächen (6A, 6B) des gehärteten Matrixmaterials (6) herausragt; und d) Thermisches Fügen des faserverstärkten Halbzeuges (7) mit zumindest einem metallischen Halbzeug (8), sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem aus dem Matrixmaterial (6) herausragenden Teil (2B) des metallischen Fügeelementes (2) und dem metallischen Halbzeug (8) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine metallische Fügeelement (2) im Verfahrensschritt a) durch Weben in die Faserstruktur (4) eingebracht wird, sodass im Verfahrensschritt a) als Faserhalbzeug ein Gewebe (5) mit zumindest einem formschlüssig in die Struktur des Gewebes (5) integrierten metallischen Fügeelement (2) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine metallische Fügeelement (2) im Verfahrensschritt a) derart eingebracht wird, dass entlang einer Erstreckungsrichtung (x) einer Faser (2) oder eines Faserbündels der Faserstruktur (4) mehrere hintereinander angeordnete Durchgangsbohrungen (9) eines oder mehrerer Fügeelemente (2) vorgesehen sind, wobei diese Durchgangsbohrungen (9) jeweils senkrecht zur Erstreckungsrichtung (x) der Faser (2) oder des Faserbündels verlaufen, sodass die Faser (2) oder das Faserbündel jeweils alternierend von einer Seite auf die andere Seite des Fügeelementes (2) durch die Durchgangsbohrungen (9) geführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Matrixmaterials (6) in das Faserhalbzeug (5) im Verfahrensschritt b) dadurch erfolgt, dass das Faserhalbzeug (5) in eine Spritzgussform (10A, 10B) eingelegt wird und das erweichte Matrixmaterial (6) beim Spritzguss in die Spritzgussform (10A, 10B) injiziert wird, wobei die Spritzgussform (10A, 10B) eine Oberflächenstrukturierung (11) aufweist, um die im Faserhalbzeug (5) integrierten metallischen Fügeelemente (2) derart aufzunehmen und zu positionieren, dass diese im hergestellten faserverstärkten Halbzeug (7) einen definierten Abstand zueinander und jeweils ein für das thermische Fügen im Verfahrensschritt d) benötigtes Mindestmaß der Höhe (t_minA, t_minB) des Herausragens aus der Oberfläche (6A, 6B) des Matrixmaterials (6) einhalten.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Halbzeug (7) nach dem Verfahrensschritt c) in Vorbereitung auf den thermischen Fügevorgang gemäß dem Verfahrensschritt d) auf eine definierte Form gebracht wird, insbesondere indem Überstände, Anguss und/oder weitere nicht notwendige Teile durch Stanzen und/oder Beschneiden entfernt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügen im Verfahrensschritt d) mittels Widerstandsschweißen, insbesondere mittels Widerstandspunktschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen, zwischen wenigstens zwei Schweißelektroden (12A, 12B) erfolgt, wobei die eine Schweißelektrode (12A) an einem Teil (2A) des Fügeelementes (2) anliegt, der aus der dem metallischen Halbzeug (8) abgewandten Oberfläche (6A) des Matrixmaterials (6) herausragt, während die andere Schweißelektrode (12B) an der dem faserverstärkten Halbzeug (7) abgewandten Oberfläche (8B) des metallischen Halbzeuges (8) anliegt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Anspruch Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügen im Verfahrensschritt d) mittels Widerstandsschweißen, insbesondere mittels Widerstandspunktschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen, zwischen wenigstens zwei Schweißelektroden (12A, 12B) erfolgt, wobei das metallische Halbzeug (8) im Verfahrensschritt d) elektrisch kontaktiert wird und selbst eine Schweißelektrode (12B) bildet, während die andere Schweißelektrode (12A) bewegbar ist, um alle aus der dem metallischen Halbzeug (8) abgewandten Oberfläche (6A) des Matrixmaterials (6) herausragenden Teile (2A) der metallischen Fügeelemente (2) zum Durchführen eines Schweißvorganges anzufahren.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißelektroden als rotationssymmetrische Schweißelektrodenrollen (12A, 12B) ausgeführt sind, wobei die Halbzeuge (7, 8) einander überlappend durch den Spalt zwischen den beiden Schweißelektrodenrollen (12A, 12B) geführt und dabei kontinuierlich miteinander verschweißt werden, indem den Schweißelektrodenrollen (12A, 12B) ein an die Position der metallischen Fügeelemente (2) angepasster Schweißstrom zugeführt wird.
Faserverstärktes Verbundbauteil (1) aus wenigstens zwei Schichten, insbesondere hergestellt unter Verwendung eines Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei eine erste Schicht zumindest teilweise aus einer mittels annähernd parallel zueinander in einer gemeinsamen Erstreckungsrichtung (x) orientierten Fasern (2) oder Faserbündeln verstärkten Kunststoffmatrix (6) besteht und wobei eine zweite Schicht zumindest teilweise aus einem Metall (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein metallisches Fügeelement (2) derart in die erste Schicht eingebracht ist, dass ein in der Kunststoffmatrix (6) eingebetteter Teil (2C) des metallischen Fügeelementes (2) mit zumindest einer Faser (2) oder einem Faserbündel in formschlüssigem Eingriff steht, indem zumindest eine Faser (2) oder ein Faserbündel der Faserstruktur (4) formschlüssig durch jeweils wenigstens eine Durchgangsbohrung des metallischen Fügeelementes (2) hindurchgeführt ist, wobei das metallische Fügeelement (2) mit zwei Endteilen (2A, 2B) jeweils aus einander gegenüberliegenden Oberflächen (6A, 6B) des gehärteten Matrixmaterials (6) herausragt und ein herausragendes Endteil (2B) mit der zweiten Schicht stoffschlüssig verbunden ist.
Faserverstärktes Verbundbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das metallische Fügeelement (2) in einem Schnitt längs einer Erstreckungsrichtung (x) der Fasern (2) oder Faserbündel gesehen von seinen zwei herausragenden Endteilen (2A, 2B) zur Mitte der Kunststoffmatrix (6) hin jeweils im Querschnitt verbreitert.