DE102015202035A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (1), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Einbettungsschritt, in dem Verstärkungsfasern in einen Kunststoff-Matrixwerkstoff zur Ausbildung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (1) eingebettet werden, wobei in einem Montagebereich des Bauteils, der bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils (1) gegen eine Oberfläche eines Montagekörpers gepresst wird, zusätzliche Verstärkungsfasern (2) derart in den Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet werden, dass in dem Montagebereich des Bauteils (1) ein Volumenanteil der Verstärkungsfasern größer ist als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich des Bauteils (1).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, eine Anordnung aus einem ersten und einem zweiten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil sowie ein entsprechendes Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (FKV-Bauteil).
- FKV-Bauteile sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden in der Automobilindustrie in zunehmendem Maße zur Realisierung von Leichtbaukonstruktionen eingesetzt.
- Wenn bei der Montage vorgesehen ist, dass solche FKV-Bauteile durch eine Schraubenverbindung montiert werden, sind Maßnahmen notwendig, um eine dauerhaft zuverlässige Schraubenverbindung sicherzustellen. Grund hierfür ist, dass der Faser-Kunststoff-Verbund ein starkes Kriechverhalten aufweist, durch das die Schraubenverbindung ihre Vorspannkraft verlieren kann – sogenanntes Setzen.
- Damit das genannte Kriechverhalten des Faser-Kunststoff-Verbundes zu keinem Lösen oder Lockern der Schraubenverbindung führt, werden im Stand der Technik beispielsweise Metallbuchsen zur Durchführung der entsprechenden Schraube an für die Montage bestimmten Stellen in das FKV-Bauteil eingeklebt.
- Das Prinzip einer solchen eingeklebten Metallbuchse ist, dass die Vorspannkraft der Schraubenverbindung auf die Metallbuchse wirkt und die Kraftübertragung auf das FKV-Bauteil durch den die Buchse befestigenden Klebstoff übernommen wird.
- Das Verwenden und Verkleben der erläuterten Metallbuchsen führt allerdings zu einem ungewünschten Zusatzgewicht des FKV-Bauteils und zur Erhöhung notwendiger Herstellungs- oder Montageschritte. Beispielsweise muss vor dem Verkleben der Metallbuchse die Oberfläche des FKV-Bauteils gereinigt werden, anschließend der Klebstoff aufgetragen und bis zu seiner Aushärtung abgewartet werden.
- Darüber hinaus können bei einer fehlerhaften Klebstoffverbindung Steifigkeitsverluste auftreten, die zu Stabilitätsproblemen führen.
- Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines FKV-Bauteils, eine Anordnung aus FKV-Bauteilen und ein entsprechendes FKV-Bauteil zu schaffen, die eine direkte und sichere Klemmung des FKV-Bauteils zulassen.
- Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einer Anordnung gemäß Anspruch 9 und einem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil gemäß Anspruch 10 gelöst.
- Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, wobei das Verfahren einen Einbettungsschritt aufweist, in dem Verstärkungsfasern in einen Kunststoff-Matrixwerkstoff zur Ausbildung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils eingebettet werden.
- In einem Montagebereich des Bauteils, der bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils durch ein bevorzugt unmittelbar auf das Bauteil bzw. seinen Kunststoff-Matrixwerkstoff wirkendes Befestigungselement kraftschlüssig gegen eine Oberfläche eines Montagekörpers gepresst/gedrückt wird, werden erfindungsgemäß zusätzliche Verstärkungsfasern derart in den Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet, dass in dem Montagebereich des Bauteils ein Volumenanteil der Verstärkungsfasern größer ist als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich des Bauteils.
- Der zur Herstellung des Bauteils verwendete Kunststoff-Matrixwerkstoff ist insbesondere entweder ein duroplastischer Matrixwerkstoff oder ein thermoplastischer Matrixwerkstoff.
- Der Montagebereich des Bauteils, der bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils durch ein Befestigungselement kraftschlüssig gegen eine Oberfläche eines anderen beteiligten Montagekörpers gepresst wird, entspricht insbesondere einem Abschnitt des Bauteils, an dem das Bauteil zur Montage festgeklemmt wird. Der Montagebereich ist insbesondere ein solcher, an dem ein Durchgang für eine Schrauben- oder Nietverbindung vorgesehen wird.
- Das Kriechverhalten des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils ist insbesondere auf den Kunststoff-Matrixwerkstoff zurückzuführen. Dadurch, dass in dem Montagebereich des Bauteils zusätzliche Verstärkungsfasern erfindungsgemäß mit in den Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet werden, ist der Volumenanteil der Verstärkungsfasern in dem Montagebereich größer als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich.
- Anders ausgedrückt ist in dem Montagebereich der Volumenanteil des Kunststoff-Matrixwerkstoffes geringer.
- Dies führt insbesondere dazu, dass das Bauteil in dem Montagebereich ein geringeres Kriechverhalten zeigt, weshalb ein vorgespanntes Befestigungselement, wie beispielsweise eine Schraube oder ein Niet, sich in diesem Bereich nicht löst bzw. seine Vorspannkraft nur in einem geringen Maße verliert. Diese Wirkung ermöglicht die Verwendung kleinerer Befestigungselemente oder auch das Arbeiten mit kleineren Vorspannkräften.
- Außerdem können durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile hergestellt werden, die durch bevorzugt unmittelbar auf das Bauteil bzw. den Kunststoff-Matrixwerkstoff wirkende Befestigungselemente ohne zusätzliche Elemente, wie Inserts oder Metallbuchsen, klemmend (kraftschlüssig) befestigt werden können.
- Das führt zum einen zu einer Ersparnis an Bauraum und zum anderen zu einer Gewichtsreduktion des hergestellten Bauteils und zu einem einfacheren und kostengünstigeren Herstellungsverfahren, weil keine zusätzlichen Elemente vorgesehen werden müssen und das Einbringen der zusätzlichen Verstärkungsfasern keine weitgehenden zusätzlichen Verfahrens- oder Prozessschritte bedingt.
- Ein Montageprozess eines solchen Bauteils gestaltet sich auch einfacher, wobei Bauraum durch die Möglichkeit der Verwendung kürzerer Schrauben ebenfalls eingespart werden kann.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in dem Einbettungsschritt die Verstärkungsfasern bevorzugt in Form eines Faserhalbzeuges vorgesehen/ausgebildet und an einem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt mit den zusätzlichen Verstärkungsfasern derart versehen, dass nach Einbetten des mit den zusätzlichen Verstärkungsfasern versehenen Faserhalbzeuges in den Kunststoff-Matrixwerkstoff der Volumenanteil der Verstärkungsfasern in dem Montagebereich größer ist als in dem an den Montagebereich angrenzenden Bereich.
- Die Faserhalbzeuge können beispielsweise Gewebe, die durch Verweben von Fasern gewonnen werden, Gelege, die aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fasern gebildet sind, Geflechte, Matten oder Vliesstoffe sein.
- In Abhängigkeit von der bestimmungsgemäßen Verwendung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils können verschiedene Arten von Verstärkungsfasern zum Einsatz kommen, beispielsweise anorganische Verstärkungsfasern (Basalt-, Bor-, Glas-, Keramik- und Kieselsäurefasern), metallische Verstärkungsfasern (Stahl-, Aluminium-, Kupfer-, allgemein Metall- und Metalllegierungsfasern), organische Verstärkungsfasern (Aramid-, Kohlenstoff-, Polyester-, Nylon-, Polyethylen- und Plexiglasfasern) und Naturfasern (Holz- und Flachsfasern).
- Die zusätzlichen Verstärkungsfasern können aus dem gleichen Material oder einem unterschiedlichen Material wie die Verstärkungsfasern des Faserhalbzeuges gebildet sein.
- Die Erhöhung des Volumenanteils der Verstärkungsfasern in dem Montagebereich des Bauteils kann durch eine Reihe von Maßnahmen erzielt werden. Beispielsweise können auf die Faserhalbzeuge vor ihrer Einbettung in den Kunststoff-Matrixwerkstoff zusätzliche Verstärkungsfasern an dem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt aufgeklebt werden.
- Weiterhin bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Faserhalbzeug durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern dadurch versehen, dass zusätzliche Nähte an dem Faserhalbzeug angebracht werden.
- Alternativ wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Faserhalbzeug bevorzugt durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern dadurch versehen, dass die zusätzlichen Verstärkungsfasern durch Tuften des Faserhalbzeuges an diesem angebracht werden.
- Wenn die zusätzlichen Verstärkungsfasern durch zusätzliche Nähte oder durch Tuften des Faserhalbzeuges angebracht werden, verlaufen die zusätzlichen Verstärkungsfasern in Dickenrichtung des Faserhalbzeuges und verstärken das letztendlich hergestellte Bauteil in dieser Dickenrichtung.
- Dieser Verlauf der zusätzlichen Verstärkungsfasern ist insbesondere für den Kraftfluss der zur Befestigung erzeugten Vorspannkraft einer Schraube oder Niet vorteilhaft, da insbesondere durch die in Dickenrichtung verlaufenden zusätzlichen Verstärkungsfasern das Befestigungselement (Schraube- oder Niet) zusätzlich gestützt wird.
- In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt in dem Einbettungsschritt das Faserhalbzeug an dem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt auf einer dem Montagekörper bestimmungsgemäß abgewandten Seite mit einer Korrosionsschutzschicht versehen, indem die Korrosionsschutzschicht durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern an dem Faserhalbzeug befestigt wird.
- Die zusätzliche Korrosionsschutzschicht führt zu einer galvanischen Trennung einer Schraube oder eines Niet und den Verstärkungsfasern des Bauteils. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern verwendet werden.
- Besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Einbettungsschritt das Faserhalbzeug an dem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt auf beiden Seiten mit einer Korrosionsschutzschicht versehen, indem beide Korrosionsschutzschichten durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern an dem Faserhalbzeug befestigt werden.
- Die Korrosionsschutzschicht(en) ist (sind) bevorzugt aus einer Glasfaserschicht gebildet.
- In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt in dem Montagebereich eine Durchgangsöffnung ausgebildet, durch die bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils eine Schraube oder ein Niet geführt werden kann.
- Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem ersten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil und einem zweiten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, die durch eine bevorzugt unmittelbar auf die Bauteile bzw. ihre Kunststoff-Matrixwerkstoffe wirkende Schrauben- oder Nietverbindung aneinander befestigt sind, wobei beide Bauteile in einem Montagebereich, an dem die Schrauben- oder Nietverbindung ausgebildet ist, einen höheren/größeren Volumenanteil an Verstärkungsfasern aufweisen als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich.
- Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, welches Verstärkungsfasern aufweist, die in einen Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet sind, wobei das Bauteil einen Montagebereich aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils gegen eine Oberfläche eines Montagekörpers gepresst wird.
- Die Verstärkungsfasern sind derart in den Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet, dass ein Volumenanteil der Verstärkungsfasern in dem Montagebereich des Bauteils höher/größer ist als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich.
- Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eines entsprechenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils erläutert.
-
1 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Bauteils; und -
2 zeigt schematisch das hergestellte Bauteil in seinem montierten Zustand, wobei das Bauteil über eine Schraubverbindung an einem anderen Körper befestigt ist. - In
1 ist schematisch eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils1 gezeigt. - Das Bauteil
1 wird dadurch hergestellt, dass in einem Einbettungsschritt Verstärkungsfasern in einen Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet werden. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise in Form von Gelegen, Matten oder Geweben, als Faserhalbzeuge vorliegen. - Bevor der Kunststoff-Matrixwerkstoff zur Einbettung der Verstärkungsfasern aufgebracht wird bzw. die Verstärkungsfasern mit dem Kunststoff-Matrixwerkstoff getränkt werden, werden zusätzliche Verstärkungsfasern
2 an dem Faserhalbzeug in einem Bereich/Abschnitt vorgesehen, der einem Montagebereich des letztendlich hergestellten Bauteils entspricht. Der Abschnitt/Bereich des Faserhalbzeuges kann insbesondere ein Abschnitt/Bereich sein, an dem nach Fertigstellung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils eine Klemmverbindung in Form von beispielsweise einer Nietverbindung oder Schraubenverbindung ausgebildet wird. - In
1 ist eine Durchgangsöffnung3 für eine solche Schraub- oder Nietverbindung gezeigt. Diese Durchgangsöffnung3 kann allerdings auch erst kurz vor der Montage durch einen Bohrer gesetzt werden und muss nicht zwingend schon bei der Herstellung des Bauteils vorhanden sein bzw. gebildet werden. - Die zusätzlichen Verstärkungsfasern
2 können insbesondere dadurch vorgesehen werden, dass das Faserhalbzeug vor seiner Einbettung in den Kunststoff-Matrixwerkstoff mit zusätzlichen Nähten, d. h. durch ein zusätzliches Vernähen des Faserhalbzeuges, versehen wird. - Bevorzugt können diese zusätzlichen Verstärkungsfasern auch durch Tuften des Faserhalbzeuges angebracht werden.
- Wenn die zusätzlichen Verstärkungsfasern durch Tuften des Faserhalbzeuges oder durch Ausbilden von zusätzlichen Nähten an dem Faserhalbzeug angebracht werden, verlaufen die zusätzlichen Verstärkungsfasern in Dickenrichtung des Faserhalbzeuges und folglich auch des letztendlich hergestellten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils
1 . Hierdurch stützen die zusätzlichen Verstärkungsfasern eine zur Montage vorgesehene Klemmverbindung. - Insgesamt wird durch das Vorsehen der zusätzlichen Verstärkungsfasern
2 der Volumenanteil der Verstärkungsfasern in dem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil1 in dem Montagebereich erhöht. Dies führt dazu, dass der Volumenanteil des Kunststoff-Matrixwerkstoffes in dem Montagebereich geringer ist und damit das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil1 in dem Montagebereich ein geringeres Kriechverhalten aufweist. - Bevorzugt kann durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern noch eine Korrosionsschutzschicht
4 in dem Montagebereich befestigt werden. Bei der Korrosionsschutzschicht4 handelt es sich bevorzugt um eine Glasfaserschicht, die insbesondere dann vorgesehen wird, wenn das Faserhalbzeug aus Kohlenstofffasern hergestellt ist. - Die Korrosionsschutzschicht
4 wird in diesem Fall bevorzugt auf einer Seite des Faserhalbzeuges bzw. des Bauteils1 vorgesehen, die bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils1 der Oberfläche des Montagekörpers, an dem das Bauteil1 bestimmungsgemäß montiert wird, abgewandt ist. - Bevorzugt können allerdings, wie in
1 gezeigt, auf beiden Seiten des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils1 Korrosionsschutzschichten4 vorgesehen sein. -
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung aus erfindungsgemäßen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen, die über eine Schraubverbindung5 aneinander befestigt sind. - Beide Bauteile
1 ,1' sind identisch aufgebaut und entsprechen dem unter Bezug auf1 erläuterten und einem nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten Bauteil. - In beiden Bauteilen
1 ,1' ist jeweils eine Durchgangsöffnung3 ausgebildet, in die eine Schraube5 eingesetzt und zur Montage der Bauteil1 ,1' mit einer Mutter6 versehen ist. Zusätzlich können auf beiden Seiten der Anordnung zwischen einem Schraubenkopf der Schraube5 bzw. zwischen der Mutter6 und den Bauteilen1 ,1' noch Unterlegscheiben vorsehen sein. - Wenn die Schraube
5 festgezogen ist, sind insoweit beide Bauteile1 ,1' durch die Vorspannkraft der Schraube5 durch einen Kraftschluss (Klemmung) aneinander befestigt. - Dadurch, dass auf den der Schraube
5 bzw. der Mutter6 zugewandten Oberflächen der Bauteile1 jeweils eine Korrosionsschutzschicht4 vorgesehen ist, kommt es zu keiner Korrosion der Schraube5 . - Darüber hinaus ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bauteile
1 dafür gesorgt, dass die Schraube sich aufgrund des verminderten Kriechverhaltens des verwendeten Kunststoff-Matrixwerkstoffes nicht löst.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (
1 ), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen Einbettungsschritt, in dem Verstärkungsfasern in einen Kunststoff-Matrixwerkstoff zur Ausbildung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (1 ) eingebettet werden, wobei in einem Montagebereich des Bauteils, der bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils (1 ) gegen eine Oberfläche eines Montagekörpers gepresst wird, zusätzliche Verstärkungsfasern (2 ) derart in den Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet werden, dass in dem Montagebereich des Bauteils (1 ) ein Volumenanteil der Verstärkungsfasern größer ist als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich des Bauteils (1 ). - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in dem Einbettungsschritt die Verstärkungsfasern in Form eines Faserhalbzeuges ausgebildet werden und das Faserhalbzeug an einem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt mit den zusätzlichen Verstärkungsfasern (
2 ) derart versehen wird, dass nach Einbetten des mit den zusätzlichen Verstärkungsfasern (2 ) versehenen Faserhalbzeuges in den Kunststoff-Matrixwerkstoff der Volumenanteil der Verstärkungsfasern in dem Montagebereich größer ist als in dem an den Montagebereich angrenzenden Bereich. - Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Faserhalbzeug durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern (
2 ) dadurch versehen wird, dass Nähte in dem Faserhalbzeug ausgebildet werden. - Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Faserhalbzeug durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern (
2 ) dadurch versehen wird, dass die zusätzlichen Verstärkungsfasern (2 ) durch Tuften an dem Faserhalbzeug angebracht werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei in dem Einbettungsschritt das Faserhalbzeug an dem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt auf einer dem Montagekörper bestimmungsgemäß abgewandten Seite mit einer Korrosionsschutzschicht (
4 ) versehen wird, indem die Korrosionsschutzschicht durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern (2 ) befestigt wird. - Verfahren nach Anspruch 5, wobei in dem Einbettungsschritt das Faserhalbzeug an dem dem Montagebereich entsprechenden Abschnitt auf beiden Seiten mit einer Korrosionsschutzschicht (
4 ) versehen wird, indem beide Korrosionsschutzschichten (4 ) durch die zusätzlichen Verstärkungsfasern (2 ) befestigt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Korrosionsschutzschicht (
4 ) eine Glasfaserschicht ist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Montagebereich eine Durchgangsöffnung (
3 ) ausgebildet wird, durch die bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils eine Schraube oder ein Niet geführt werden kann. - Anordnung aus einem ersten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (
1 ) und einem zweiten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (1' ), die durch eine bevorzugt unmittelbar auf Kunststoff-Matrixwerkstoffe der Bauteile wirkende Schrauben- oder Nietverbindung aneinander befestigt sind, wobei beide Bauteile in einem Montagebereich, an dem die Schrauben- oder Nietverbindung ausgebildet ist, einen höher Volumenanteil an Verstärkungsfasern aufweisen als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich. - Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (
1 ), welches Verstärkungsfasern aufweist, die in einen Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet sind, wobei das Bauteil (1 ) einen Montagebereich aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Montage des Bauteils (1 ) gegen eine Oberfläche eines Montagekörpers gepresst wird, und die Verstärkungsfasern derart in den Kunststoff-Matrixwerkstoff eingebettet sind, dass ein Volumenanteil der Verstärkungsfasern in dem Montagebereich des Bauteils (1 ) größer ist als in einem an den Montagebereich angrenzenden Bereich.
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