-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, welches aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 9.
-
Bauteile, die aus Kunststoff bestehen, gewinnen aufgrund ihrer relativ kostengünstigen Herstellung, ihres reduzierten Gewichts im Vergleich zu metallischen Bauteilen, und gleichzeitig ihrer hohen Festigkeit vor Allem in der Automobilindustrie aber auch in der Luft- und Raumfahrt immer mehr an Bedeutung. Solche Kunststoffbauteile weisen nicht nur eine hochwertige Oberfläche auf, die leicht behandelt werden kann, sondern sind geeignet, den hohen mechanischen Beanspruchungen und Anforderungen an solchen Bauteilen zu genügen.
-
In neueren Zeiten werden vermehrt Faserverbundwerkstoffe für die Herstellung von solchen Bauteilen verwendet. Ein Faserverbundwerkstoff als Mehrphasen- oder Mischwerkstoff besteht bekannter Weise hautsächlich aus zwei Hauptkomponenten, nämlich aus einer bettenden Matrix und verstärkenden Fasern, so dass der Faserverbundwerkstoff durch die Mischung dieser beiden Komponenten hochwertige Eigenschaften erhält.
-
In der
DE 101 43 564 A1 ist ein Hohlprofilverbundbauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Solche Hohlprofilverbundbauteile werden als Deckelemente oder Dachlamellen in einem Dachmodul, Motorhaube, Heckklappe, Türbeplankung oder Serviceklappe verwendet. Solche Hohlprofilverbundbauteile werden aus Kunststoffmaterialien sowie deren Mischungen hergestellt und weisen darauf angebrachte umlaufende Rippen auf, die auch als Stege bezeichnet werden können. Die Rippen können separat hergestellt werden und nachträglich über bekannte Verbindungstechniken, wie Kleben, z.B. mit Polyurethan- oder Epoxidklebern, oder mittels bekannter Schweißtechniken wie Vibrations-, Ultraschall-, Heizelement- oder Laserschweißen, mit dem Kunststoffformköper verbunden werden. Der Kunststoffkörper und die Rippen können aber auch über gängige Verfahren, wie das Spritzgießen hergestellt werden, wobei die U-förmigen Rippen mit verbreiterten Rippenenden unmittelbar beim Spritzgießen des Kunststoffformkörpers mit hergestellt werden. Dabei ist der Rippenkantenverlauf bzw. die Rippenkontur dem Verlauf der hinterspritzten Kunststoffmaterialschicht an der jeweiligen Fügefläche nachgeformt.
-
Es ist allgemein bekannt, zur Versteifung in Entformungsrichtung des Bauteils trapezförmige Rippen zu platzieren. Für Bauteile, die aus Kunststoff, welcher faserverstärkte Materialien enthält, hergestellt werden, besteht jedoch die Gefahr, dass beim Fertigungsprozess die Rippen nicht vollständig und homogen gefüllt werden oder die Fasern nicht korrekt ausgerichtet sind.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauteil, welches aus Kunststoff besteht und Verstärkungsrippen aufweist, sowie ein Verfahren zur dessen Herstellung bereitzustellen, mittels welchen ein besonders einfach aufgebautes Bauteil mit niedrigem Gewicht, hoher Steifigkeit und möglichst geringem Kostenaufwand bereitgestellt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil, das aus einem Kunststoffmaterial, welches Fasern enthält, besteht, sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein verbessertes Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff, welches mit wenigstens einer Rippe, die zur Versteifung oder Verstärkung des Bauteils ausgebildet ist, dadurch bereitgestellt werden kann, dass die wenigstens eine Rippe als eine wellenförmige Rippe ausgebildet wird. Dabei wird erreicht, dass die geforderte Konstruktionshöhe des Bauteils in der Entformungsrichtung realisiert werden kann, indem das Bauteil mit Rippen versehen ist. Dadurch, dass die Rippen wellig ausgebildet sind, können sie während des Fertigungsprozesses vollständig und homogen gefüllt werden, was besonders wichtig bei der Herstellung von dünnen Rippen ist, deren Spitzen bei einer Ausführung als konventionellen Rippen nicht vollständig oder nicht regelmäßig mit Kunststoff ausgefüllt werden können.
-
Durch die besondere Ausbildung des Bauteils, welches mit den wellenförmigen Rippen versehen ist, und die Herstellung in einem Pressverfahren aus einem faserverstärktem Kunststoff, bei welchem die Ausrichtung und die Orientierung der Fasern sowie ihre Menge besonders wichtig ist, ist von besonderer Bedeutung, dass die Fasern in diesem Teil des Bauteils, welcher mit Rippen versehen ist, korrekt orientiert sind und keine Anhäufung oder Fasermangel im Bereich der Rippen entsteht, da dieser Bereich einer größeren Belastung als die anderen Bereiche des Bauteils ausgesetzt werden kann.
-
Vorzugsweise werden die wellenförmigen Rippen in Entformungsrichtung des faserverstärkten Bauteils geformt, so dass eine genügende Versteifung und ausreichende Stabilität in Entformungsrichtung gewährleistet ist.
-
Als besonders bevorzugt wird angesehen, wenn das Bauteil mit der wellenförmigen oder invertierten Rippe oder Rippen in einem Pressverfahren, insbesondere ein FKV-Pressverfahren oder einem Spritzgussverfahren herstellbar ist. Bei diesen Verfahren wird der faserverstärkte Kunststoff in einfacher Weise geformt, wobei das fertige Produkt eine ausreichende Stabilität und Festigkeit aufweist. Das Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffs kann aus einem Thermoplast oder aus einem Duroplast ausgebildet sein.
-
Vorzugsweise erstreckt bzw. erstrecken sich die wellenförmige oder invertierte Rippe bzw. Rippen entlang des Bauteils hin und somit in der Längsrichtung des Bauteils. Durch diese Erstreckung der Rippe werden eine hohe Stabilität und eine erhöhte Steifigkeit des Bauteils erzielt.
-
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils sieht vor, das faserverstärkte Bauteil als ein Faser-Kunststoff-Verbund-Pressbauteil auszubilden, wobei das Fasermaterial des faserverstärkten Kunststoffs aus Glasfasern, Kohlenfasern, Basalt, Polyethylen oder Aramidfasern besteht.
-
Wenn das Bauteil in Form einer Konsole ausgebildet ist, wird besonders bevorzugt, wenn sich die wenigstens eine invertierte Rippe derart in Längserstreckungsrichtung der Konsole hin erstreckt, dass die Fasern regelmäßig verteilt und im Wesentlichen parallel zueinander in Längserstreckungsrichtung ausgerichtet sind.
-
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Konsole zur Aufnahme von Funktionselementen vorgesehen ist, wobei die Konsole an ihren Enden Durchgangsöffnungen zum Verbinden mit den Funktionselementen sowie Bohrungen zum Befestigen der Konsole aufweist, wobei sich die wenigstens eine invertierte Rippe zwischen den Durchgangsöffnungen und den Bohrungen in Längsrichtung der Konsole hin erstreckt.
-
Das erfindungsgemäße faserverstärkte Bauteil kann vorzugsweise Verbindungsstege aufweisen, die am unteren Teil des Bauteils angeordnet sind und zur Verbindung mit anderen Konstruktionsteilen dienen, wobei die invertierten oder wellenförmigen Rippen im Bereich der Verbindungsstege durch Materialanhäufung ausgebildet sind. Zusätzlich können Verbindungsstege zwischen der Rippe ebenfalls Wellenförmig analog zu der hier beschriebenen ausgeführt werden, um z.B. das Torsions-Widerstandsmoment um die Längsachse der Rippe zu erhöhen.
-
In einer Ausführung weist die Rippe zwei Teilrippen auf, wobei die zwei Teilrippen über einen mittleren Verbindungssteg verbunden sind, und wobei insbesondere die Teilrippen und der mittlere Verbindungssteg im Wesentlichen eine U-Form bilden.
-
In einer weiteren Ausführung weist der mittlere Verbindungssteg eine größere Wanddicke als die zwei Teilrippen aufweist, wobei insbesondere die zwei Teilrippen eine gleiche Wanddicke aufweisen.
-
In einer Ausführung sind die zwei Teilrippen über weitere Verbindungsstege jeweils mit einer Seitenwand des Bauteils verbunden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, welches aus einem mit Fasern versehenen Kunststoffmaterial besteht und mit wenigstens einer Rippe versehen ist, wird die wenigstens eine Rippe als eine wellenförmige oder invertierte Rippe ausgebildet.
-
Es ist aber auch möglich, für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils, eine Metalleinlage vorzusehen, die mittels des faserverstärkten Kunststoffmaterials bei der Herstellung des Bauteils umspritzt oder umpresst werden kann. Der faserverstärkte Kunststoff kann mit der zumindest einen Metalleinlage dann verklebt werden.
-
Das Herstellungsverfahren kann vorzugsweise ein Pressverfahren oder ein Spritzgussverfahren sein, wobei die wellenförmige oder invertierte Rippe oder Rippen in einem Verfahrensschritt geformt und einstückig ausgebildet ist bzw. sind. Als besonders bevorzugte Verfahren werden Resin Transfer Moulding (RTM), Sheet Molding Compound (SMC) und Bulkmolding Compount (BMC) Verfahren eingesetzt, um das erfindungsgemäße Bauteil herzustellen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind, nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
In der Zeichnung zeigen:
-
1:eine perspektivische Darstellung eines Bauteils nach dem Stand der Technik;
-
2:eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
-
3A, 3B:eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
In 1 ist ein Bauteil 10 gezeigt, welches aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht und in einem Pressverfahren hergestellt wird. Das Bauteil 10 ist einstückig geformt und weist einen ersten gebogenen Abschnitt 20 auf, in welchem eine Durchgangsöffnung 24 zum Befestigen des Bauteils vorgesehen ist. Des Weiteren, ist ein zweiter Abschnitt 22 ausgebildet, welcher sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten gebogenen Abschnitt 20 hin erstreckt. Der zweite Abschnitt 22 weist einen sich im Wesentlichen zylinder- und kegelförmig erstreckenden Teil 26 auf, der zwischen zwei Seitenwänden 34, 35 angeordnet ist. In der Entformungsrichtung des kegelförmigen Teils 26 sind Rippen 14 vorgesehen, die parallel zueinander ausgebildet sind und zur Verstärkung des Bauteils 10 dienen. Die Rippen 14 erstrecken sich entlang des kegelförmigen Abschnitts in seiner Längsrichtung und weisen eine Tiefe auf, die nicht über die angrenzenden äußeren Ränder des zweiten Abschnitts 22 hinausragen.
-
Das Bauteil 10 mit den Rippen 14 ist aus einem faserverstärkten Bauteil ausgebildet in einem Pressverfahren oder einem Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei weisen die Rippen 14 spitze Ränder auf und sind vergleichsweise relativ dünn, so dass die Fasern nicht homogen und auch nicht korrekt ausgerichtet werden können, um die geforderte Steifigkeit gerade bei den sich in die Längsrichtung und in die Breite des Bauteils 10 zu gewährleisten. Durch die besondere Anbringung der Rippen sind diese jedoch einer hohen Kraftbeanspruchung ausgesetzt, so dass die richtige Kunststoffzusammensetzung von besonderer Bedeutung gerade bei der Ausformung der Rippen ist. Diese klassischen Rippen sind somit bruchanfällig, so dass das ganze Bauteil die hohen Anforderungen an Steifigkeit und Beständigkeit nicht erfüllt kann und nach kurzer Zeit ausgetauscht werden muss.
-
2 zeigt ein Bauteil 10, welches auf dem zylindrischen Teil 26 des zweiten Abschnitts 22 eine wellenartige Rippe 14 aufweist. Die Rippe 14 weist zwei Teilrippen 31, 32 auf, die über einen mittleren Verbindungssteg 33 miteinander verbunden sind. Die zwei Teilrippen 31, 32 sind jeweils über einen Verbindungssteg 30 mit einem unteren Teil 28 einer Seitenwand 34, 35 des zweiten Abschnittes 22 verbunden. Zudem sind die Teilrippen 31, 32 und der mittlere Verbindungssteg seitlich an dem Teil 26 angeformt. Somit weist die Rippe 14 wenigstens eine U-Form oder eine abgerundete V-Form im Querschnitt auf. Die Teilrippen 31, 32 gehen jeweils in einem Biegeabschnitt in den mittleren Verbindungssteg 33 über. Die Teilrippen 31, 32 und der mittlere Verbindungssteg 33 haben eine vorgegebene Wanddicke. Zudem gehen die Teilrippen über Biegeabschnitte in die Verbindungsstege 30 über. Abhängig von der gewählten Ausführung weisen die Verbindungsstege 30 und/oder der mittlere Verbindungssteg 33 eine größere Wanddicke als die Teilrippen 31, 32 auf. Beispielsweise kann die Wanddicke der Verbindungsstege 30, 33 um mindestens 10%, insbesondere um mindestens 20% oder mehr dicker ausgebildet sein als die Teilrippen 31, 32. Dadurch wird eine bessere Verteilung der Fasern in den Verbindungsstegen 30, 33 und in den Teilrippen 31, 32 erreicht.
-
Die wellenförmige Rippe 14 stellt eine Versteifungsstruktur für das Teil 26 dar. Die zwei Teilrippen 31, 32 können parallel oder in einem Winkel geneigt zueinander von bis zu 45° oder mehr angeordnet sein. Die Rippe 14 ist im Querschnitt wellenartig ausgebildet. Die Rippe 14 weist wenigstens die zwei Teilrippen 31, 32 und den mittleren Verbindungssteg 33 auf. Die zwei Verbindungsstege 30 können abhängig von der Form und Ausführung zum zweiten Abschnitt 22 oder zur Rippe 14 gezählt werden. Der Querschnitt ist senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Rippe 14 angeordnet. Dabei wird die Rippe 14 durch Materialanhäufung in den Verbindungsstegen 30, 33 während des Herstellungsprozesses hergestellt, so dass die Ausrichtung der Fasern im Faser-Kunststoff-Verbund leichter realisiert werden kann, als bei den dünnen Rippen, wie in 1 gezeigt. Es sind keine dünnen Rippen mehr vorhanden, die sehr präzise geformt werden müssen und auch keine spitzen Ränder und Ecken, so dass sie wesentlich genauer hergestellt werden können, im Vergleich zu denen, die aus dem Stand der Technik bekannten.
-
Die 3A und 3B zeigen eine zweite Ausführungsform eines Bauteils, welches in Form einer Konsole 12 ausgebildet ist. 3A zeigt die Konsole 12 in einer Vorderansicht und 3B zeigt die Konsole 12 in ihrer Rückansicht. Die Konsole 12 ist L-förmig ausgebildet, wobei zwischen den Durchgangsöffnungen 16, die an die jeweiligen Enden der Konsole 12 vorgesehen sind, wellenförmige Rippen 14 ausgebildet sind. Die Rippen 14 erstrecken sich zwischen den Außenrändern der Konsole 12 in der Längsrichtung der Stege derart hin, dass einerseits die geforderte Konstruktionshöhe der Konsole 12 erreicht wird, und andererseits, die im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Rippen 14 wellenförmig ausgebildeten Rippen 14 vollständig bei der Herstellung im Pressverfahren ausgefüllt worden sind, wobei die Fasern im Kunststoffverbund ihre Ausrichtung und ihre Dichte beibehalten können.
-
Demnach wird eine Konsole aus einem faserverstärkten Kunststoff in einem günstigen Pressverfahren und auf eine einfache Weise hergestellt, wobei die hohen Anforderungen hinsichtlich Stabilität sowie Korrosionsbeständigkeit erfüllt sind.
-
Die Konsole oder das Bauteil können als Halter für elektrische, elektronische oder andere Bauteile insbesondere an einem Fahrzeug dienen. Beispielsweise kann die Konsole zur Halterung eines Schiebenwischersystems vorgesehen sein. Zudem kann das Bauteil als Träger für eine elektrische Schaltung, insbesondere für ein Steuergerät vorgesehen sein.
-
Durch die Einführung von extrem dünnen Fasern in die bettende Matrix, welche einen Durchmesser von einigen µm aufweisen können, wird der Effekt der spezifischen Festigkeit genutzt, nämlich dass ein Werkstoff in Faserform in Faserrichtung eine vielfach größere Festigkeit aufweist, als dasselbe Material in einer anderen Form. Da die Fasern je nach Beanspruchung ausgerichtet und in ihrer Dichte, d.h. Anzahl pro Fläche, angepasst werden können, können mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens verbesserte Bauteile hergestellt werden, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind.
-
Um die Festigkeit in verschiedenen Richtungen zu beeinflussen, können statt einzelner Fasern, Gewebe oder Gelege verwendet werden, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden. Die hochwertigen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffes werden aber erst durch das Zusammenspiel beider Komponenten, der Matrix und den Fasern sowie einer diese beiden Komponenten verbindenden Grenzschicht erreicht, wobei die Matrix dem Faserverbundwerkstoff die äußere Struktur gibt und die Fasern die notwendige Festigkeit. Bei solchen Faserverbundwerkstoffen, kann neben der Zugfestigkeit, für den Fall, dass der Werkstoff auf Druck beansprucht wird, auch die Biegefestigkeit eine große Rolle spielen. Dabei dient die Grenzschicht der Spannungsübertragung zwischen diesen beiden Komponenten.
-
Am häufigsten verwendete Fasertypen sind die Glasfasern, da sie relativ günstig in der Beschaffung sind. Es können aber auch bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen auch Kohlestofffasern, Keramikfasern, Naturfasern, Nylonfasern, Stahlfasern verwendet werden. Je nach dem, was für ein Material für die Herstellung der Matrix verwendet wurde, können die sogenannten Faser-Kunststoff-Verbunde, bekannt auch als verstärkter Kunststoff oder faserverstärkter Kunststoff, hergestellt werden. Als Matrix werden Polymere eingesetzt, nämlich Duromere, wie Kunstharze und Duroplast, sowie Elastomere und Thermoplaste.
-
Die Bauteile, die aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, können kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Typische Fasern, die zur Verstärkung verwendet werden, können dabei z.B. 11 µm dick und 300 µm lang sein. Ein anders Herstellungsverfahren ist das Spritzpressen oder auch Resin Transfer Moulding (RTM) genannt. Bei diesem Verfahren können trockene Fasern in eine Form eingelegt werden und anschließend mit flüssigem Harz unter Druck umströmt werden. Durch Wärme wird dann das Harz ausgehärtet. Die Faserorientierung kann dabei durch Näh- und Stickverfahren im Vorformling durch gezieltes Ablegen den Lastfällen angepasst werden. Ein anderes Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe ist das sogenannte Sheet Molding Compound (SMC) oder BMC Verfahren, bei welchem plattenförmige teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen, wie Polyester- oder Vinylesterharze, und Glasfasern/Kohlenstofffasern verwendet werden, um Faser-Kunststoff-Verbunden herzustellen. Dabei liegen alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt und fertig zur Verarbeitung vor. Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in beheizten Werkzeugen im Pressverfahren. Die Harzmatte wird, je nach Bauteilgröße und -geometrie, in genau definierte Größen zerschnitten und nach einem definierten Einlegeplan im Werkzeug platziert. Beim Schließen der Presse wird die Harzmatte im gesamten Werkzeug verteilt. Hierbei sinkt die vorher während der Reifezeit erreichte Viskositätserhöhung fast wieder auf das Niveau der Halbzeugfertigung.
-
Das Fließen der Harzmatte im Werkzeug hat aber zur Folge, dass es an den Ecken des Werkzeuges (auch an Verstärkungsrippen und Domen) zu einem Aufeinandertreffen von verschiedenen Fließfronten kommen kann. Bei nicht ausreichender Durchdringung der Fließfronten, kommt es dann zu sogenannten Bindenähten. An diesen Bindenähten sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils teilweise deutlich reduziert gegenüber dem übrigen Bauteil. Des Weiteren fließen die leichteren und feineren Bestandteile der Harzmatte (Harze, Additive etc.) schneller als die größeren Bestandteile (Glasfasern, Füllstoffe). Der Vorteil dieser Werkstoffklasse liegt jedoch in der leichten Darstellung dreidimensionaler Geometrien und Wanddickenunterschieden in nur einem Arbeitsschritt.
-
Die endgültige Bauteilform wird durch die Kavität eines mindestens zweiteiligen Werkzeugs gegeben und zeigt üblicherweise beidseitig glatte, optisch ansprechende Oberflächen. Nach einer entsprechenden Aushärtezeit, die von der Bauteildicke und dem verwendeten Reaktionssystem abhängt, kann das fertige Bauteil aus der Form entnommen werden. Dabei ist zu bemerken, dass SMC-Bauteile sind – aufgrund der größeren Faserlänge als bei der BMC-Bauteile in der Regel höher belastbar sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
