DE102015224388A1

DE102015224388A1 - Faserverstärktes Plastikelement für Fahrzeuge und Verfahren zum Herstellen von diesem

Info

Publication number: DE102015224388A1
Application number: DE102015224388.5A
Authority: DE
Inventors: Jeong Min CHO; Chi Hoon Choi; Hae Hoon Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-12-08
Also published as: US20170001418A1; KR20170005256A; CN106314545B; DE102015224388B4; KR101714164B1; US10052851B2; CN106314545A

Abstract

Das faserverstärkte Plastikelement umfasst eine kontinuierliche Variationsschicht, die ein synthetisches Harz, das eine Basis bildet, und eine Vielzahl von in dem synthetischen Harz eingebetteten Verstärkungsfasern umfasst, und eine Verstärkungsschicht, die an der kontinuierlichen Variationsschicht angebracht ist, um das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug zu bilden, und ist aus einem synthetischen Harz, das die Basis bildet, und einer Vielzahl von Verstärkungsfasern gebildet. Insbesondere ist die Vielzahl von Verstärkungsfasern in der kontinuierlichen Variationsschicht so angeordnet, dass sie in Bezug auf eine Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug geneigt sind und sich Winkel der Verstärkungsfasern in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements progressiv entlang der Längsrichtung verändern und die Vielzahl von Verstärkungsfasern in der Verstärkungsschicht in dem synthetischen Harz eingebettet sind und einander in einem netzartigen Muster schneiden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen von diesem. Das faserverstärkte Plastikelement kann die Anforderung für unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten erfüllen, um die Kollisionssicherheitseigenschaften einer Fahrzeugkarosserie zu verbessern, das Gewicht der Fahrzeugkarosserie zu verringern und die Effizienz des Herstellungsprozesses zu verbessern.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen sind faserverstärkte Plastikelemente in Fahrzeugen als strukturelle Objekte verwendet worden, die Fahrzeugkarosserien bilden. Faserverstärkte Plastikelemente sind im Wesentlichen verwendet worden, um die Energie von externen Stößen zu absorbieren, um die Sicherheit von Passagieren im Fahrzeuginneren im Fall einer Kollision bzw. eines Unfalls sicherzustellen und um unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten aufzuweisen, um die Beschädigung auszuhalten, die von Stößen verursacht wird.
Demzufolge sind Technologien zum Erfüllen der Anforderung für Eigenschaften, die sich dem Gebiet nach unterscheiden, extensiv verwendet worden und sind dadurch gekennzeichnet worden, dass Metallelemente verwendet werden, die durch eine lokale Erweichung, ein Heißprägeverfahren oder dergleichen hergestellt bzw. vorbereitet sind.
Die Anforderung an eine Fahrzeugkarosserie, um unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten aufzuweisen und leichtgewichtig zu sein, kann dadurch erreicht werden, dass ein faserverstärktes Plastikverbundmaterial, bestehend aus synthetischem Harz und in dem synthetischen Harz eingebettete Verstärkungsfasern, angewendet wird, welches eine höhere Festigkeit in der Richtung aufweisen kann, in der sich die Verstärkungsfasern erstrecken, und leichter als allgemeine Metalle ist, oder indem das faserverstärkte Plastikverbundmaterial an eine Metallelement gebondet (gebunden) bzw. geklebt wird, um ein Verbundelement mit einer gewünschten Form zu realisieren.
Das allgemeine faserverstärkte Plastikverbundmaterial, bestehend aus Verstärkungsfasern, kann durch einen Harztransfer-Formungs-(Resin Transfer Molding; RTM-)Prozess hergestellt werden. Der RTM-Prozess wird in einer derartigen Weise ausgeführt, dass Fasergitterplatten, die vorher vorbereitet worden sind, in einer Metallform angeordnet werden und die Gitterplatten mit synthetischem Harz imprägniert werden, wodurch ein faserverstärktes Plastikverbundmaterial gebildet wird. Alternativ kann der RTM-Prozess in einer derartigen Weise ausgeführt werden, dass Fasergitterplatten, die mit synthetischem Harz imprägniert sind, aufeinandergeschichtet werden.
Für den Fall der Herstellung eines faserverstärkten Plastikverbundmaterials mit Verstärkungsfasern durch einen RTM-Prozess kann die Anforderung, unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten bereitzustellen, dadurch erfüllt werden, dass Fasergitterplatten derart orientiert werden, dass Verstärkungsfasern der orientierten Fasergitterplatten die erforderlichen Festigkeiten ausüben können, oder indem die Anzahl von Verstärkungsfaser-Gitterplatten in jeweiligen Gebieten bzw. Regionen eingestellt wird.
In einem bestimmten Beispiel hat ein koreanischer Stand der Technik ein Verfahren zum Erzeugen eines Querelements für ein kommerzielles Fahrzeug offenbart.
Jedoch kann unter derartigen Prozessen zum Herstellen eines faserverstärkten Plastikverbundmaterials der Prozess zum Aufschichten von Verstärkungsfaser-Gitterplatten derart, dass die Richtungen der jeweiligen Verstärkungsfaser-Gitterplatten zueinander unterschiedlich sind, Nachteile aufweisen. Beispielsweise ist es schwierig, progressiv die Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten je nach Anforderung zu verändern, und eine effiziente Übertragung von mechanischen Spannungen kann als Folge der Anwesenheit von nicht verbundenen Abschnitten zwischen Verstärkungsfasern nicht realisiert werden. Demzufolge muss die Anzahl von Verstärkungsfaser-Gitterplatten erhöht werden, um die erforderlichen Festigkeiten zu erfüllen, was ineffizient ist. Da ferner eine Imprägnierung der Verstärkungsfaser-Gitterplatten, die in einer Form angeordnet sind, mit synthetischem Harz durch eine zusätzliche Prozedur erfüllt werden muss, kann die Anzahl von Prozessen in nachteiliger Weise erhöht werden.
Die in diesem Abschnitt offenbarte Information dient lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollte nicht als eine Würdigung oder irgendeine Form von Vorschlag betrachtet werden, dass die Aspekte aus dem verwandten Sachstand für einen Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet bereits bekannt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In bevorzugten Aspekten stellt die vorliegende Erfindung ein faserverstärkte Plastikelement (bzw. Kunststoffelement bzw. im allgemeinen ein plastisches Element) für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen von diesem bereit. Somit kann das faserverstärkte Plastikelement die Anforderung für unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten erfüllen, um die Kollisionssicherheitseigenschaften einer Fahrzeugkarosserie zu verbessern, und kann ferner das Gewicht der Fahrzeugkarosserie verringern und die Effizienz des Herstellungsprozesses verbessern.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug eine kontinuierliche Variationsschicht und eine Verstärkungsschicht umfassen. Insbesondere kann eine kontinuierliche Variationsschicht ein synthetisches Harz, das eine Basis bildet, und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, die in dem synthetischen Harz eingebettet sind, umfassen, die Vielzahl von Verstärkungsfasern kann so angeordnet sein, dass sie in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug geneigt sind, und die Winkel der Verstärkungsfasern können in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements progressiv entlang der Längsrichtung variieren. Insbesondere kann ferner die Verstärkungsschicht an der kontinuierlichen Variationsschicht angebracht sein, um das faserverstärkte Plastikelement für en Fahrzeug zu bilden, und kann ein synthetisches Harz, das die Basis bildet, und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern umfassen. Die Vielzahl von Verstärkungsfasern in der Verstärkungsschicht kann in dem Synthetikharz eingebettet sein und kann sich miteinander in einem netzartigen Muster schneiden.
Vorzugsweise kann die Verstärkungsschicht an der Schicht mit kontinuierlicher Variation durch Anwenden einer thermischen Kompressionsbondung, einem Klebemittel oder dergleichen angebracht werden.
Die Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht können eine erste Gruppe von Fasern und eine zweite Gruppe von Fasern umfassen. Vorzugsweise kann die erste Gruppe von Fasern angeordnet sein, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht, die auf einer Seite der kontinuierlichen Variationsschicht angeordnet sind, zu schneiden, und die zweite Gruppe von Fasern kann angeordnet sein, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht, die auf einer anderen Seite der kontinuierlichen Variationsschicht angeordnet sein, zu schneiden, und die ersten und zweiten Gruppen von Fasern können angeordnet sein, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden.
Die kontinuierliche Variationsschicht (nachstehend auch als Schicht mit kontinuierlicher Variation bezeichnet bzw. dargestellt) und die Verstärkungsschicht können eine Säule für ein Fahrzeug bilden. Vorzugsweise können die Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht in der Säule für ein Fahrzeug in der anteroposterioren Richtung des Fahrzeugs an dem unteren Ende der Säule angeordnet sein und können in der vertikalen Richtung des Fahrzeugs an dem oberen Ende der Säule angeordnet sein.
Die Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht können eine erste Gruppe von Fasern und eine zweite Gruppe von Fasern umfassen. Vorzugsweise kann die erste Gruppe von Fasern angeordnet sein, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht an dem unteren Ende der Säule zu schneiden, und die zweite Gruppe von Fasern kann angeordnet sein, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht an dem oberen Ende der Säule zu schneiden. Ferner können die ersten und zweiten Gruppen von Fasern angeordnet werden, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden.
Das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug kann ferner eine Metallschicht, die an der kontinuierlichen Variationsschicht und der Verstärkungsschicht geschichtet ist, umfassen, wobei die kontinuierliche Variationsschicht, die Verstärkungsschicht und die Metallschicht aufeinandergeschichtet sein können, um eine Plattenform zu bilden, und können einem Wärmedruckprozess ausgesetzt werden, woraus sich das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug ergibt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug vorgesehen, welches die folgenden Schritte umfassen kann: Wickeln einer Verstärkungsfaser, die mit synthetischem Harz imprägniert ist, um einen Dorn in einer derartigen Weise, dass sich der Winkel der Verstärkungsfaser progressiv entlang der Länge des Dorns verändert, so dass eine röhrenförmige kontinuierliche Variationsschicht gebildet wird; Abflachen der röhrenförmigen kontinuierlichen Variationsschicht in eine flache Platte; Aufschichten der flachen plattenförmigen kontinuierlichen Variationsschicht und einer Verstärkungsschicht, die ein synthetisches Harz umfasst, und einer Vielzahl von in dem synthetischen Harz eingebetteten Verstärkungsfasern, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden; und integrales Drücken bzw. Pressen von beiden Schichten in das faserverstärkte Plastikelement hinein durch eine Wärmedruckprozess.
Beim Aufwickeln der Verstärkungsfaser kann der Winkel der Verstärkungsfaser der kontinuierlichen Variationsschicht durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Dorns verändert werden.
Beim Aufwickeln der Verstärkungsfaser kann der Winkel der Verstärkungsfaser der kontinuierlichen Variationsschicht verändert werden, indem die Bewegungsgeschwindigkeit des Dorns in der Längsrichtung des Dorns eingestellt wird.
Beim Aufwickeln der Verstärkungsfaser kann der Winkel der Verstärkungsfaser der kontinuierlichen Variationsschicht durch Einstellen der Bewegungsgeschwindigkeit einer Faserpositioniereinrichtung, die dafür ausgelegt ist, um die Faser an den Dorn zu führen, in der Längsrichtung des Dorns verändert werden.
Bei der Aufschichtung und der Formung können die flache plattenartige kontinuierliche Variationsschicht und die Verstärkungsschicht, die ein synthetisches Harz und eine Vielzahl von in dem synthetischen Harz eingebetteten Verstärkungsfasern, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden, umfassen können, auf einer Metallschicht aufgeschichtet werden, und die drei aufgeschichteten Schichten können integral in das faserverstärkte Plastikelement durch den Wärmedruckprozess gedrückt werden.
Weiter ist ein Fahrzeug vorgesehen, das das faserverstärkte Plastikelement, wie hier beschrieben, umfassen kann.
Andere Aspekte der Erfindung werden nachstehend aufgeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich näher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine beispielhafte Kopplungsbeziehung zwischen einer beispielhaften kontinuierlichen Variationsschicht und einer beispielhaften Verstärkungsschicht eines faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 die Schicht mit kontinuierlicher Variation (die kontinuierliche Variationsschicht) und die Verstärkungsschicht, die in 1 gezeigt sind, so wie sie auf eine beispielhafte Säule eines Fahrzeugs angewendet sind;
3 eine beispielhafte Kopplungsbeziehung zwischen einer beispielhaften kontinuierlichen Variationsschicht, einer beispielhaften Verstärkungsschicht und einer beispielhaften Metallschicht des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 einen beispielhaften Prozess zum Herstellen der kontinuierlichen Variationsschicht, die in 1 gezeigt ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 einen beispielhaften Prozess zum Herstellen des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck einer Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen und ist nicht als Beschränkung der Erfindung gedacht. Wie hier verwendet, sollen die singularen Formen ”einer”, ”eine”, ”eines” und ”der”, ”die”, ”das” die pluralen Formen genauso umfassen, außer der Kontext zeigt dies deutlich anders an. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke ”umfasst” und/oder ”umfassend” oder ”schließt ein” und/oder ”einschließlich”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Regionen, Zahlen, Schritte, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung von ein oder mehreren anderen Merkmalen, Regionen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Außer wenn dies speziell angegeben ist oder aus dem Kontext ersichtlich ist, bedeutet der Ausdruck ”ungefähr”, so wie er hier verwendet wird, einen Bereich einer normalen Toleranz in dem technischen Gebiet, z. B. innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwerts. ”Ungefähr” versteht sich als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des Nennwerts (angegebenen Werts). Außer wenn sich dies anders aus dem Kontext ergibt, werden sämtliche numerischen Werte, die hier eingeführt werden, mit dem Ausdruck ”ungefähr” modifiziert.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”fahrzeuggebunden” oder irgendwelche anderen ähnlichen Ausdrücke, so wie sie hier verwendet werden, Motorfahrzeuge im Allgemeinen, beispielsweise Passagierautomobile einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen umfassen und hybride Fahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-hybride elektrische Fahrzeuge, Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge und Fahrzeug mit anderem alternativem Brennstoff, z. B. Kraftstoff, der aus anderen Ressourcen außer Petroleum gewonnen wird, umfassen. Wie hier erwähnt, ist ein hybrides Fahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Nun wird mit näheren Einzelheiten auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
1 zeigt die Kopplungsbeziehung zwischen einer kontinuierlichen Variationsschicht 100 und einer Verstärkungsschicht 200 des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine kontinuierliche Variationsschicht 100 (auch als Schicht mit kontinuierlicher Variation bezeichnet) und die Verstärkungsschicht 200, die in 1 gezeigt ist, so wie sie auf eine Säule angewendet werden. 3 zeigt die Kopplungsbeziehung zwischen einer kontinuierlichen Variationsschicht 100, einer Verstärkungsschicht 200 und einer Metallschicht 300 des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt den Prozess zum Herstellen der kontinuierlichen Variationsschicht 100, die in 1 gezeigt ist. 5 illustriert den Prozess zum Herstellen des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, kann das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Schicht 100 mit kontinuierlicher Variation umfassen, die ein synthetisches Harz 110, das die Basis bildet, und eine Vielzahl von Verstärkungselementen 120, die in dem synthetischen Harz 110 eingebettet sind, umfassen kann. In der kontinuierlichen Variationsschicht kann die Vielzahl von Verstärkungsfasern 120 in Bezug zu der Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements unter einer Neigung angeordnet sein, und die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die Längsrichtung können sich progressiv entlang der Längsrichtung ändern. Ferner kann eine Verstärkungsschicht 200 an der kontinuierlichen Variationsschicht 100 angebracht sein, um das faserverstärkte Plastikelement zu bilden, und kann ein synthetisches Harz 210, das die Basis und die Vielzahl von Verstärkungsfasern bildet, die in dem synthetischen Harz 210 eingebettet sein können und einander in einem netzartigen Muster schneiden, umfassen.
Das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die kontinuierliche Variationsschicht 100 und die Verstärkungsschicht 200 umfassen, in denen die jeweiligen synthetischen Harze in geeigneter Weise verschiedene unterschiedliche Typen, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern, sein.
Bislang wird normalerweise ein ineffizientes Verbundmaterial verwendet, welches ein allgemeines Metallelement verwendet, welche ein exzessiv hohes Gewicht aufweist und nicht unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten umfasst. Das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die kontinuierliche Variationsschicht 100, die progressiv sich verändernde Festigkeiten in der Längsrichtung aufweist, die die Anforderungen, dass sich die Festigkeit progressiv nach dem Gebiet ändert und das Gewicht des faserverstärkten Plastikelements verringert wird, umfassen.
Da ferner das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die an die kontinuierliche Verstärkungsschicht 100 geschichtete Verstärkungsschicht 200 umfassen kann, weist die vorliegende Erfindung Vorteile hinsichtlich der Erhöhung der Festigkeit des faserverstärkten Plastikelements und einer Verbesserung der Haltbarkeit davon durch Verhinderung der Trennung zwischen Fasern auf.
Insbesondere kann die kontinuierliche Variationsschicht 100 eine flache Platte aufweisen, die das synthetische Harz 110, das als die Basis dient, und die Vielzahl von Verstärkungsfasern 120, die in dem synthetischen Harz 110 eingebettet sind, umfassen kann. Die erforderliche Festigkeit und Belastung kann durch Einstellen der Dicke der flachen Platte, die die Verstärkungsfasern 120 einschließt, oder Aufstapeln einer Vielzahl von kontinuierlichen Veränderungsschichten 100 gesteuert werden.
Insbesondere können die Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Variationsschicht 100 in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements unter einer Neigung angeordnet sein, so dass die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die Längsrichtung sich progressiv entlang der Längsrichtung verändern können.
Die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 können in Anbetracht der Beziehung mit der longitudinalen Mittellinie L des faserverstärkten Plastikelements bestimmt werden und können sich in Übereinstimmung mit den benötigen Festigkeiten für jeweilige Gebiete verändern. Die Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 können nur eine erste Gruppe von Fasern 120, die in einer einzelnen Richtung orientiert sind, umfassen oder können die erste Gruppe von Fasern 120 und eine zweite Gruppe von Fasern, die unterschiedliche Winkel in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements aufweisen, umfassen.
Das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug erfordert Festigkeiten, die in unterschiedlichen Gebieten unterschiedlich sind, weil die ausgeübten Belastungen oder Stöße in jedem Gebiet unterschiedlich sind. Demzufolge können die Verstärkungsfasern, die eine hohe Festigkeit in ihrer Längsrichtung aufweisen, in der Richtung der Übertragung einer Last oder eines Stoßes angeordnet sein, um so die Festigkeit des faserverstärkten Plastikelements zu verbessern, oder die Verstärkungsfasern können in einer anderen Richtung angeordnet werden, um eine Flexibilität zu erhöhen, während die Festigkeit verringert wird.
Die benötigten Festigkeiten, die in jeweiligen Gebieten des faserverstärkten Plastikelements unterschiedlich sind, können sich entlang der Richtung einer Last- oder Stoßübertragung kontinuierlich verändern. Um die unterschiedlichen benötigten Festigkeiten des faserverstärkten Plastikelements zu erfüllen, können somit die Verstärkungsfasern 120 derart angeordnet werden, dass die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements sich progressiv verändern.
In Übereinstimmung mit einer herkömmlichen Lösung, die den RTM-Prozess umfasst, werden netzartige Schichten, die Verstärkungsfasern einschließen, die sich untereinander schneiden, unterschiedlich geschnitten und orientiert und in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Gebieten des faserverstärkten Plastikelements in Anbetracht der Winkel der Verstärkungsfasern in Bezug auf die Richtung der Lastanwendung und der Stoßübertragung geschichtet. Jedoch ist es schwierig, die Orientierung der Verstärkungsfasern bei unterschiedlichen Winkeln zu realisieren, um die Anforderung sich progressiv verändernder Festigkeiten zu erfüllen. Da ferner zwischen den netzartigen Schichten getrennte bzw. nicht verbundene Abschnitte vorhanden sind, kann die Übertragung der mechanischen Spannungen ineffizient sein, und somit können die Festigkeitseigenschaften verschlechtert werden.
Da im Gegensatz dazu das faserverstärkte Plastikelement gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung derart konstruiert sein kann, dass die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die longitudinale Mittellinie L des faserverstärkten Plastikelements sich progressiv verändern, ist es möglich, zuverlässig die benötigten Festigkeiten des faserverstärkten Plastikelements, die in jeweiligen Gebieten unterschiedlich sind, zu erfüllen. Da kein diskontinuierlicher Abschnitt in den jeweiligen Verstärkungsfasern 120 in dem faserverstärkten Plastikelement vorhanden ist, kann ferner ein faserverstärktes Plastikelement mit verbesserten Festigkeitseigenschaften mit Hilfe der effizienten Übertragung der mechanischen Spannungen bereitgestellt werden.
Die Verstärkungsschicht 200, die eine flache Platte aufweisen kann, kann an der kontinuierlichen Variationsschicht 100 in einer Oberflächenkontaktweise angebracht sein, um so das faserverstärkte Plastikelement zu bilden. Die Verstärkungsschicht 200 kann die gleiche Festigkeit in sämtlichen Richtungen mit Hilfe der Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweisen, die in dem synthetischen Harz 210, das als die Basis dient, eingebettet sein können, so dass sie einander schneiden, um ein netzartiges Muster zu bilden.
Verstärkungsfasern, die miteinander gekoppelt sein können, können typischerweise als Folge eines darauf angewendeten Stoßes eine Trennung aufweisen. Die Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht 200 gemäß den beispielhaften Ausführungsformen können jedoch in einem netzartigen Muster angeordnet sein, um so dazu zu dienen, die Trennung zwischen Verstärkungsfasern sowie die Trennung zwischen den Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Verstärkungsschicht 100, die auf die Verstärkungsschicht 200 aufgeschichtet ist, zu verhindern, so dass die gesamte Haltbarkeit des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug verbessert wird.
Mit anderen Worten, die Verstärkungsschicht 200 kann dazu dienen, die Trennung zwischen den Verstärkungsfasern 120, die ansonsten in verschiedenen Kopplungsrichtungen der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Variationsschicht 100 als Folge der verschiedenen Winkel α der Verstärkungsfasern 120 auftreten kann, zu verhindern.
Im Gegensatz zu der kontinuierlichen Variationsschicht 100, die eine erhöhte Festigkeit in einer spezifischen Richtung aufzeigt, kann die Verstärkungsschicht 200 gleichmäßig die Festigkeit des faserverstärkten Plastikelements in sämtlichen Richtungen verstärken, so dass eine Erhöhung der Gesamtfestigkeit des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug ermöglicht wird.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, können die Verstärkungsfasern, die die Verstärkungsschicht 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden, eine erste Gruppe von Fasern 220 und eine zweite Gruppe von Fasern 230 umfassen. Die erste Gruppe von Fasern 220 kann angeordnet sein, um die Verstärkungsfasern 120 zu schneiden, die auf einer Seite der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 angeordnet sind, und die zweite Gruppe von Fasern 230 kann angeordnet sein, um die Verstärkungsfasern 120 zu schneiden, die auf einer anderen Seite der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 angeordnet sind. Demzufolge können die erste Gruppe von Fasern 220 und die zweite Gruppe von Fasern 230 angeordnet sein, um einander zu schneiden, um so ein netzartiges Muster zu bilden.
Da sich die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Variationsschicht 100 in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements progressiv verändern können, kann der Winkel α einer Verstärkungsfaser 120, die auf einer Seite des faserverstärkten Plastikelements angeordnet ist, unterschiedlich zu demjenigen einer Verstärkungsfaser 120, die auf einer anderen Seite des faserverstärkten Plastikelements angeordnet ist, sein. Die Anordnung der Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht 200, die einander schneiden, um ein netzartiges Muster zu bilden, kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Beziehung mit der Orientierung der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 bestimmt werden.
Die Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht 200 können in die erste Gruppe von Fasern 220 und die zweite Gruppe von Fasern 230 in Abhängigkeit von der Orientierung klassifiziert werden.
Die erste Gruppe von Fasern 220 kann überall an der Verstärkungsschicht 200 derart angeordnet werden, dass sie die Verstärkungsfasern 120, die auf einer Seite der kontinuierlichen Variationsschicht 100 angeordnet sind, so schneiden, dass effizient die Trennung zwischen den Verstärkungsfasern 120, die auf der einen Seite der kontinuierlichen Variationsschicht 100 angeordnet sind, verhindert wird.
Die zweite Gruppe von Fasern 230 kann überall an der Verstärkungsschicht 200 derart angeordnet werden, dass sie die Verstärkungsfasern 120, die auf einer anderen Seite der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 angeordnet sind, so schneiden, dass effizient die Trennung zwischen den Verstärkungsfasern 120, die auf der anderen Seite der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 angeordnet sind, verhindert wird.
Demzufolge können sich die erste Gruppe von Fasern 220 und die zweite Gruppe von Fasern 230, die überall an der Verstärkungsschicht 200 in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein können, untereinander schneiden, um ein netzartiges Muster zu bilden. Der Kopplungswinkel β zwischen den ersten und zweiten Gruppen von Fasern 220 und 230, die das netzartige Muster aufweisen, und spezifischen Konfigurationen davon können in Abhängigkeit von den Winkeln α der Verstärkungsfasern 120, die auf einer Seite und einer anderen Seite der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 angeordnet sind, bestimmt werden.
Wie in 2 gezeigt, wenn das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Säule bildet, dann können die Verstärkungsfasern 120, die die kontinuierliche Variationsschicht 100 bilden, an dem unteren Ende der Säule in der anteroposterioren Richtung des Fahrzeugs angeordnet sein und können an dem oberen Ende des Filters in der vertikalen Richtung des Fahrzeugs angeordnet sein.
Das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf verschiedene Fahrzeugsäulen angewendet werden, wie beispielsweise eine A-Säule, eine B-Säule, eine C-Säule und eine D-Säule. Von den verschiedenen Säulen zeigt die 2 eine beispielhafte B-Säule.
Beispielsweise kann die B-Säule in der vertikalen Richtung zwischen der vorderen Tür und der hinteren Tür eines Fahrzeugs vorgesehen sein. In diesem Fall kann es sein, dass die B-Säule an oberen und unteren Enden davon in Anbetracht der Richtung einer Anwendung eines Aufschlags oder einer Last, die an dem Fahrzeug erzeugt werden können, unterschiedliche Festigkeitseigenschaften und Orientierungen von Verstärkungsfasern benötigt.
Demzufolge können die Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 an dem oberen Ende der B-Säule in der vertikalen Richtung angeordnet sein, und an dem unteren Ende der B-Säule können sie in der anteroposterioren Richtung angeordnet sein. Mit anderen Worten, die Verstärkungsfasern 120 können in Übereinstimmung mit der Richtung einer Ausübung eines Aufschlags oder einer Belastung an dem oberen und unteren Ende der B-Säule so angeordnet werden, dass sie die erforderlichen Festigkeiten für die jeweiligen Gebiete erfüllen.
Wie in 2 gezeigt, können die Verstärkungsfasern, die die Verstärkungsschicht 200 des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden, die als eine Säule dient, die erste Gruppe von Fasern 220 und die zweite Gruppe von Fasern 230 umfassen. Die erste Gruppe von Fasern 220 kann in der Richtung quer zu den Verstärkungsfasern 120, die in der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 des unteren Endes der Säule eingebettet sind, orientiert sein, und die zweite Gruppe von Fasern 230 kann in der Richtung quer zu den Verstärkungsfasern 120, die in der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 des oberen Endes der Säule eingebettet sind, orientiert sein. Infolgedessen können die erste Gruppe von Fasern 220 und die zweite Gruppe von Fasern 230, die angeordnet sein können, so dass sie sich schneiden, ein netzartiges Muster bilden.
Insbesondere kann die erste Gruppe von Fasern 220 der Verstärkungsschicht 200, die überall an der Verstärkungsschicht 200 der B-Säule angeordnet sind, an dem unteren Ende der B-Säule in der vertikalen Richtung eines Fahrzeugs angeordnet werden, so dass sie die Verstärkungsfasern 120, die in der anteroposterioren Richtung des Fahrzeugs angeordnet sind, so schneiden, dass eine Trennung zwischen den Verstärkungsfasern 120 des unteren Endes der kontinuierlichen Variationsschicht 100 verhindert wird.
Die zweite Gruppe von Fasern 230 der Verstärkungsschicht 200, die überall an der Verstärkungsschicht 200 der B-Säule angeordnet sind, kann an dem oberen Ende der B-Säule in der anteroposterioren Richtung eines Fahrzeugs derart angeordnet sein, dass sie die Verstärkungsfasern 120, die in der vertikalen Richtung des Fahrzeugs angeordnet sind, schneiden können, um so eine Trennung zwischen den Verstärkungsfasern 120 des oberen Endes der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 zu verhindern.
Demzufolge können sich die erste Gruppe von Fasern 220, die überall an der Verstärkungsschicht 200 eingebettet sind, und in der vertikalen Richtung eines Fahrzeugs angeordnet sind, und die zweite Gruppe von Fasern 230, die in der anteroposterioren Richtung des Fahrzeugs angeordnet sind, einander in den anteroposterioren und vertikalen Richtungen des Fahrzeugs schneiden, so dass ein netzartiges Muster gebildet wird.
Wie in 3 gezeigt, kann ein faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Metallschicht 300 umfassen, die zusammen mit der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 und der Verstärkungsschicht 200 geschichtet sind. Die kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die Verstärkungsschicht 200 und die Metallschicht 300, die eine Plattenform aufweisen, können aufeinandergeschichtet sein, und können dann in das faserverstärkte Plastikelement durch einen Wärmedruckbeaufschlagungsprozess geformt werden.
In diesem Fall kann die Aufschichtungssequenz der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100, der Verstärkungsschicht 200 und der Metallschicht 300 und die Anzahl davon in verschiedener Weise verändert werden, und die Metallschicht 300 kann aus verschiedenen Metallmaterialien gebildet sein. Für den Formungsvorgang durch den Wärmebeaufschlagungsprozess kann das synthetische Harz der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 und der Verstärkungsschicht 200 ein wärmeaushärtendes synthetisches Harz sein.
Wenn ein oder mehrere Schichten der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100, der Verstärkungsschicht 200 und der Metallschicht 300 getrennt ausgeformt und miteinander gekoppelt werden, kann eine zusätzliche Bondungsprozedur benötigt werden, und die Bondungskraft dazwischen kann verringert werden, so dass diese Prozesse nicht effizient sein können.
Durch Aufschichten der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100, der Verstärkungsschicht 200 und der Metallschicht 300 und durch integrales Formen von diesen durch einen Druckbeaufschlagungsprozess kann das faserverstärkte Plastikelement gemäß beispielhafter Ausführungsformen deshalb Vorteile einer Beseitigung einer zusätzlichen Bondungsprozedur, einer Erhöhung der Bondungsfestigkeit als Folge der Regulierung der Formen von jeweiligen Schichten und eine Verbesserung der Formungsgenauigkeit aufweisen.
Wie in 4 und 5 gezeigt, kann ein Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Wicklungsvorgang zum Aufwickeln von Verstärkungsfasern 120, die mit synthetischem Harz 110 imprägniert bzw. getränkt sind, um einen Dorn 440 in einer derartigen Weise, dass sich der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 progressiv entlang der Länge des Dorns 440 verändert, so dass eine rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 gebildet wird (S100), einen Abflachungsvorgang zum Abflachen der rohrförmigen kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 in eine flache Platte (S200), und einen Formungsvorgang zum Aufschichten der flachen plattenförmigen kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 auf einer Verstärkungsschicht 200, die ein synthetisches Harz 210 und eine Vielzahl von in dem synthetischen Harz 210 eingebetteten Verstärkungsfasern umfasst, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden, und ein integrales Drücken von beiden Schichten 100 und 200 in ein faserverstärktes Plastikelement über einen Wärmebeaufschlagungsprozess (S300) umfassen.
In dem Formungsvorgang S300 können die Verstärkungsfasern 120, die von einer Faserzuführungseinheit zugeführt worden sind, unmittelbar durch eine Imprägnierungseinrichtung 420 geleitet werden. Demzufolge kann ein zusätzlicher Imprägnierungsvorgang von dem Prozess zur Herstellung der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 weggelassen werden, und somit kann der gesamte Prozess vereinfacht werden, und die Herstellungszeit kann verringert werden. Die Imprägnierung bzw. Tränkung der Verstärkungsfasern 120 mit dem synthetischen Harz 110 kann in vielerlei anderen Vorgehensweisen implementiert werden, zum Beispiel durch direktes Anwenden des synthetischen Harzes 110 auf den Dorn 440, um den die Verstärkungsfasern 120 gewickelt sind, zusätzlich zu der Anwendung durch die Imprägnierungseinrichtung 420.
Der Dorn 440, der eine zylindrische Form aufweisen kann, kann dazu dienen, die Verstärkungsfasern 120 darauf zu wickeln. An diesem Punkt können die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 durch Einstellen des Winkels der Verstärkungsfasern 120, die um den Dorn 440 gewickelt werden, in Bezug auf die Längsrichtung de Dorns 440 kontrolliert bzw. gesteuert werden. Wie in 4 gezeigt, kann sich der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die Längsrichtung des Dorns 440 verändern, während die Verstärkungsfasern 120 um den Dorn 440 gewickelt werden.
Demzufolge kann die kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die auf dem Dorn 440 gebildet wird, eine Rohrform in Übereinstimmung mit der Oberfläche des Dorns (z. B. einer Spindel) 440 aufweisen.
Bei dem Abflachungsvorgang S200 kann die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die in dem Wicklungsvorgang S100 gebildet wird, von dem Dorn 440 entfernt werden und kann in eine flache Platte ausgeformt werden.
Um die kontinuierliche Veränderungsschicht 100 in die flache Platte auszuformen, kann die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 longitudinal an einer Seite davon geschnitten und dann in eine flache Platte abgeflacht werden, oder die Umfangsoberfläche der rohrförmigen kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 kann diametral in eine flache Platte gedrückt werden.
Wenn die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 longitudinal an einer Seite davon geschnitten wird und in die flache Platte abgeflacht wird, dann kann die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 in Abhängigkeit von der Größe und der Form des Dorns 440 oder dem Typ des sich ergebenden faserverstärkten Plastikelements auf einer Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten davon geschnitten werden. In dieser Weise kann die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 in verschiedener Weise im Hinblick auf die Schnittform und die Anzahl von Schnitten geschnitten werden. Da die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die auf der Seite davon geschnitten worden ist, in dem Zustand ist, in dem sie nicht ausgehärtet worden ist, kann die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 leicht in die flache Platte ausgeformt werden.
Wenn die rohrförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100 diametral an der Seite davon in eine flache Platte gedrückt wird, kann die Schneideprozedur weggelassen werden und der Herstellungsprozess kann vereinfacht werden. Da ferner die gedrückte kontinuierliche Veränderungsschicht doppelte flache Platten, die miteinander überlappen, aufweist, kann die Anzahl von Windungen der Verstärkungsfasern 120 reduziert werden, und somit kann die Herstellungszeit verkürzt werden.
Bei dem Formungsvorgang S300 kann die kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die die Form der flachen Platte aufweist, auf die flache Verstärkungsschicht 200 aufgeschichtet werden, oder kann mit der Verstärkungsschicht 200 über einen Wärmedruckbeaufschlagungsprozess integral gebildet werden. An diesem Punkt kann ein thermisches Pressen der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 und der Verstärkungsschicht 200, die in dem Zustand sind, in dem sie nicht ausgehärtet worden sind, im Hinblick auf Verbesserungen der Bondungsfähigkeit zwischen den Schichten und der Ausführungsgenauigkeit vorteilhaft sein.
Wie in 4 gezeigt, können in dem Wicklungsvorgang S100 die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 dadurch gesteuert werden, dass die Drehgeschwindigkeit des Dorns 440 gesteuert wird.
Insbesondere können die Winkel α der Verstärkungsfasern 10 durch Einstellen des Verhältnisses der Drehgeschwindigkeit des Dorns 440, um den die Verstärkungsfasern gewickelt sind, zu der Bewegungsgeschwindigkeit einer Faserpositioniereinrichtung 430, die dafür ausgelegt ist, um die mit dem synthetischen Harz 110 getränkten Verstärkungsfasern an den Dorn 440 zu liefern, eingestellt werden. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Dorns 440 verringert wird, dann können die Verstärkungsfasern 120, die um den Dorn 440 gewickelt sind, in Richtung auf die Längsrichtung des Dorns 440 geneigt werden, d. h. der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die Längsrichtung des Dorns 440 kann verkleinert werden. Im Gegensatz dazu, wenn die Drehgeschwindigkeit des Dorns 440 erhöht wird, dann können die Verstärkungsfasern 120, die um den Dorn 440 gewickelt werden, in Richtung auf die diametrale Richtung des Dorns 440 geneigt werden, d. h. der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 in Bezug auf die Längsrichtung des Dorns (der Spindel) 440 kann erhöht werden.
Ferner können in dem Wicklungsvorgang S100, wie in 4 gezeigt, die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 auch dadurch gesteuert werden, dass die Längsbewegungsgeschwindigkeit des Dorns 440 angepasst wird.
Wenn sich der Dorn 440 dreht und horizontal bewegt, während die Faserpositioniereinrichtung 430 stationär gehalten wird, die dafür ausgelegt ist, um die mit dem synthetischen Harz 110 getränkten bzw. imprägnierten Verstärkungsfasern an den Dorn 440 zu führen, kann eine Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit des Dorns 440 bewirken, dass die Verstärkungsfasern 120 in Richtung auf die Längsrichtung des Dorns 440 hin geneigt werden, d. h. bewirken, dass der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 verringert wird. Zusätzlich kann eine Verkleinerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Dorns 440 bewirken, dass die Verstärkungsfasern 120 in Richtung auf die diametrale Richtung des Dorns 440 hin geneigt werden, d. h. bewirken, dass der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 vergrößert wird.
Bei dem Wicklungsvorgang S100, wie in 4 gezeigt, können ferner die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 durch Einstellen der Bewegungsgeschwindigkeit der Faserpositioniereinrichtung 430, die dafür ausgelegt ist, um die Verstärkungsfasern 120 in Richtung auf den Dorn 440 hin zu führen, in der Längsrichtung des Dorns 440 gesteuert werden.
Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Faserpositioniereinrichtung 430 zum Führen der mit dem synthetischen Harz 110 imprägnierten Verstärkungsfasern erhöht wird, dann können die Verstärkungsfasern 120 in Richtung auf die longitudinale Richtung des Dorns 440 geneigt werden, d. h. der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 kann verkleinert werden. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Faserpositioniereinrichtung 430 verkleinert wird, dann können die Verstärkungsfasern 120 in Richtung auf die diametrale Richtung des Dorns 440 hin geneigt werden, d. h. der Winkel α der Verstärkungsfasern 120 kann vergrößert werden.
Wie voranstehend beschrieben, können die Winkel α der Verstärkungsfasern 120 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 durch die relativen Werte zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit des Dorns 440 und der Bewegungsgeschwindigkeit der Faserpositioniereinrichtung 430 bestimmt werden. Verschiedene Kombinationen der Geschwindigkeiten können als jeweilige Ausführungsformen realisiert werden, und andere Ausführungsformen, in denen sämtliche Geschwindigkeiten verändert werden, sind auch möglich.
Wie in 3 oder 5 gezeigt, kann in dem Ausformungsvorgang S300 die flache plattenförmige kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die Verstärkungsschicht 200 und die Metallschicht 300 aufeinander aufgeschichtet werden, und können integral miteinander durch den Wärmebeaufschlagungsprozess ausgebildet werden, so dass sich das abschließende faserverstärkte Plastikelement ergibt.
In dieser Ausführungsform kann die Aufschichtungssequenz und die Anzahl von kontinuierlichen Veränderungsschichten 100, Verstärkungsschichten 200 und Metallschichten 300 in verschiedener Weise verändert werden, und die Metallschicht 300 kann aus verschiedenen Metallmaterialien gebildet werden. Für die Ausführung durch den Wärmebeaufschlagungsprozess kann das synthetische Harz 210 der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100 und der Verstärkungsschicht 200 ein wärmeaushärtendes synthetisches Harz sein.
Wenn ein oder mehrere Schichten der kontinuierlichen Veränderungsschicht 100, der Verstärkungsschicht 200 und der Metallschicht 300 getrennt vorbereitet werden und diese aneinander gebondet bzw. geklebt werden, erfordern diese Prozesse eine zusätzliche Bondungsprozedur, und ferner kann die Bondungskraft zwischen den Schichten verringert werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die kontinuierliche Veränderungsschicht 100, die Verstärkungsschicht 200 und die Metallschicht 300 aufeinander aufgeschichtet werden, und sie können integral miteinander über einen Wärmedruckbeaufschlagungsprozess gebildet werden. Demzufolge kann eine zusätzliche Bondungsprozedur weggelassen werden, und eine Erhöhung der Bondungsfestigkeit (der Anhaftungsfestigkeit), die der Formregulierung zwischen den Schichten zurechenbar ist, und eine Verbesserung in der Formungsgenauigkeit können realisiert werden.
Wie hier beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen von diesem bereit und realisiert somit unterschiedliche Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten, was benötigt wird, um die Kollisionssicherheitseigenschaften einer Fahrzeugkarosserie zu verbessern. Zusätzlich kann das Gewicht der Fahrzeugkarosserie verringert werden, und die Effizienz des Herstellungsprozesses kann verbessert werden.
Da die kontinuierliche Veränderungsschicht, in der die Verstärkungsfasern unter einer Neigung in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements angeordnet sind und bei denen die Winkel der Faser in Bezug auf die Längsrichtung sich progressiv entlang der Längsrichtung verändern, auf die Verstärkungsschicht aufgeschichtet werden können, die darin in einem netzartigen Muster angeordnete Verstärkungsfasern enthält, ist es möglich, die Anforderungen nach unterschiedlichen Festigkeiten in unterschiedlichen Gebieten zu erfüllen und das Gewicht der Fahrzeugkarosserie zu verringern.
Da eine Prozedur zum Imprägnieren bzw. Tränken der Verstärkungsfasern mit synthetischem Harz weggelassen werden kann, ist es ferner möglich, ökonomische Aspekte und eine Verarbeitungseffizienz zu verbessern.
Obwohl die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für illustrative Zwecke beschrieben worden sind, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom dem Schutzumfang und dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, so wie sie in den folgenden Ansprüchen offenbart sind.

Claims

Faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug, umfassend: eine kontinuierliche Variationsschicht, die ein synthetisches Harz, das eine Basis bildet, und eine Vielzahl von in dem synthetischen Harz eingebetteten Verstärkungsfasern umfasst, wobei die Vielzahl von Verstärkungsfasern so angeordnet sind, dass sie in Bezug zu einer Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug geneigt sind und sich Winkel der Verstärkungsfasern in Bezug auf die Längsrichtung des faserverstärkten Plastikelements progressiv entlang der Längsrichtung verändern; und eine Verstärkungsschicht, die an der kontinuierlichen Variationsschicht angebracht ist, um das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug zu bilden, und ein synthetisches Harz, das die Basis bildet und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern umfasst, wobei die Vielzahl von Verstärkungsfasern in dem synthetischen Harz eingebettet sind und einander in einem netzartigen Muster schneidet.
Faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht eine erste Gruppe von Fasern und eine zweite Gruppe von Fasern umfassen, wobei die erste Gruppe von Fasern angeordnet ist, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht, die auf einer Seite der kontinuierlichen Variationsschicht angeordnet sind, zu schneiden, und die zweite Gruppe von Fasern angeordnet ist, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht, die auf einer anderen Seite der kontinuierlichen Variationsschicht angeordnet sind, zu schneiden, und wobei die erste und die zweite Gruppe von Fasern angeordnet sind, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden.
Faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die kontinuierliche Variationsschicht und die Verstärkungsschicht eine Säule für ein Fahrzeug bilden, und wobei die Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht in einer anteroposterioren Richtung eines Fahrzeugs an einem unteren Ende der Säule angeordnet sind und in einer vertikalen Richtung des Fahrzeugs an einem oberen Ende der Säule angeordnet sind.
Faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Verstärkungsfasern der Verstärkungsschicht eine erste Gruppe von Fasern und eine zweite Gruppen von Fasern umfassen, wobei die erste Gruppe von Fasern angeordnet ist, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht an einem unteren Ende der Säule zu schneiden, und die zweite Gruppe von Fasern angeordnet ist, um Verstärkungsfasern der kontinuierlichen Variationsschicht an einem oberen Ende der Säule zu schneiden, und wobei die erste und die zweite Gruppe von Fasern angeordnet sind, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden.
Faserverstärktes Plastikelement für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Metallschicht, die zusammen mit der kontinuierlichen Variationsschicht und der Verstärkungsschicht aufgeschichtet ist, wobei die kontinuierlichen Variationsschicht, die Verstärkungsschicht und die Metallschicht miteinander in einer Plattenform aufgeschichtet sind und einem Wärmedruckbeaufschlagungsprozess ausgesetzt sind, so dass das faserverstärkte Plastikelement für ein Fahrzeug gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Plastikelements für ein Fahrzeug, umfassend die folgenden Schritte: Aufwickeln einer Verstärkungsfaser, die mit synthetischem Harz getränkt ist, auf einen Dorn in einer derartigen Weise, dass sich ein Winkel der Verstärkungsfaser progressiv entlang einer Länge des Dorns verändert, so dass eine rohrförmige kontinuierliche Variationsschicht gebildet wird; Abflachen der rohrförmigen kontinuierlichen Variationsschicht in eine flache Platte; Aufschichten der flachen plattenförmigen kontinuierlichen Variationsschicht und einer Verstärkungsschicht, umfassend ein synthetisches Harz und eine Vielzahl von in dem synthetischen Harz eingebetteten Verstärkungsfasern, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden; und integrales Pressen von beiden Schichten in das faserverstärkte Plastikelement über einen Wärmedruckbeaufschlagungsprozess.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei sich bei der Aufwicklung der Verstärkungsfaser der Winkel der Verstärkungsfaser der kontinuierlichen Variationsschicht durch Einstellen einer Drehgeschwindigkeit des Dorns verändert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei sich beim Aufwickeln der Verstärkungsfaser der Winkel der Verstärkungsfaser der kontinuierlichen Variationsschicht durch Einstellen einer Bewegungsgeschwindigkeit des Dorns in einer Längsrichtung des Dorns verändert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei sich beim Aufwickeln der Verstärkungsfaser der Winkel der Verstärkungsfaser der kontinuierlichen Variationsschicht durch Einstellen einer Bewegungsgeschwindigkeit einer Faserpositioniereinrichtung, die dafür ausgelegt ist, um die Faser an den Dorn zu führen, in einer Längsrichtung des Dorns verändert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei bei dem Aufschichten und der Formausbildung die flache plattenförmige kontinuierliche Variationsschicht und die Verstärkungsschicht, umfassend das synthetische Harz und die Vielzahl von in dem synthetischen Harz eingebetteten Verstärkungsfasern, um einander in einem netzartigen Muster zu schneiden, auf eine Metallschicht aufgeschichtet werden, und die drei aufgeschichteten Schichten in das faserverstärkte Plastikelement durch den Wärmebeaufschlagungsprozess integral gepresst werden.
Fahrzeug, umfassen ein faserverstärktes Plastikelement nach Anspruch 1.