DE102016111468A1

DE102016111468A1 - Faserbauteil mit verbundenen Faserstäben

Info

Publication number: DE102016111468A1
Application number: DE102016111468.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Wehrkamp-Richter; Reinhard Glasner; Roland Hinterhölzl; Roland Blank; Thomas Hogger; Oleg Konrad; Frank Koschnick; Lidia Wensel
Original assignee: Eckerle GmbH; Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserbauteil gebildet aus mindestens zwei geformten Faserstäben mit jeweils sich in Axialrichtung durchgängig erstreckenden Fasern, wobei die Faserstäbe jeweils eine Kunststoffmatrix aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die geformten Faserstäbe an einer Verbindungsstelle kreuzen, wobei die geformten Faserstäbe zumindest an der Verbindungsstelle miteinander verpresst sind und die Kunststoffmatrix der Faserstäbe an der Verbindungsstelle stoffschlüssig verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserbauteil mit verbundenen Faserstäben.
Faserstäbe werden in der Technik von Faserverbundbauteilen eingesetzt und unterscheiden sich von Faserlagen dadurch, dass sie durch eine Vielzahl von durchgehenden Fasern geformt sind, d. h. durch die Fasern in eine vorbestimmte Stabform gebracht sind. Als Stabquerschnittsform werden hierbei zumeist runde, viereckige oder sechseckige Stäbe mit einem Höhen-Breitenverhältnis von größer oder gleich 1/10 verwendet. Bei geringeren Höhen-Breitenverhältnissen handelt es sich nicht um einen geformten Faserstab.
Faserverstärkte Kunststoffe besitzen ein hohes Leichtbaupotenzial und können im Vergleich zu anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Metallen oder unverstärkten Kunststoffen, durch die eingearbeiteten Fasern hohe Zugkräfte aufnehmen. Dabei sind die gewichtsspezifischen Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen am besten nutzbar, wenn die Fasern im Matrixmaterial lastpfadgerecht ausgelegt sind, was eine belastungsgerechte Konstruktion des Werkstoffs voraussetzt. Deshalb ist es wünschenswert Faserstäbe nicht nur in einer Lastrichtung einsetzen zu können, sondern innerhalb einer Gitterstruktur auch Richtungswechsel von Faserstäben realisieren zu können, um ein multiaxial belastetes Bauteil zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Faserbauteil bereit zu stellen, das Lastpfade in unterschiedliche Richtungen aufnehmen kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Es wird ein Faserbauteil gebildet aus mindestens zwei geformten Faserstäben mit jeweils sich in Axialrichtung durchgängig erstreckenden Fasern vorgestellt, bei dem die Faserstäbe jeweils eine Kunststoffmatrix aufweisen. Erfindungsgemäß kreuzen sich die geformten Faserstäbe an einer Verbindungsstelle, wobei sie zumindest an der Verbindungsstelle miteinander verpresst bzw. verquetscht sind, so dass die Kunststoffmatrix der Faserstäbe an der Verbindungsstelle eine stoffschlüssige Verbindung ausbildet.
Das Verpressen der geformten Faserstäbe erfolgt in einem Presswerkzeug, das vorzugsweise auf eine Temperatur von 80–100°C aufgewärmt ist. Als Kunststoffmatrix wird eine duroplastische Matrix oder thermoplastische Matrix eingesetzt. Die Kunststoffmatrix der Faserstäbe wird zumindest an der Verbindungsstelle beim Verpressen auf ihre Schmelztemperatur oder darüber hinaus erhitzt. Der Einsatz thermoplastischer Matrix wird bevorzugt, wobei die Faserstäbe beim Einlegen in das Werkzeug zum Verpressen zumindest an der Verbindungsstelle auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix aufgeheizt sind, beim Verpressen innerhalb des Werkzeugs stoffschlüssig verbunden werden, abkühlen und sich die Matrix dabei verfestigt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens zwei geformten Faserstäbe jeweils in einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung eine konstante Faserstabquerschnittfläche aufweisen, und eine Querschnittfläche der Verbindungsstelle gegenüber der mittleren Faserstabquerschnittfläche um weniger als 5%, weiter bevorzugt weniger als 2% abweicht. Im Bereich der Verbindungsstelle ist vor dem Verpressen Fasermaterial der mindestens zwei sich kreuzenden Faserstäbe vorhanden. Durch das Verpressen der Faserstäbe an der Verbindungsstelle wird die aufbauende Höhe reduziert und eine stoffschlüssige Verbindung entsteht, deren Gesamtquerschnittsfläche nur geringfügig größer ist als die mittlere Faserstabquerschnittfläche außerhalb der Verbindungsstelle. Vorteilhaft ist ferner eine Ausführung, bei der die Faserstabquerschnittflächen aller Faserstäbe gleich groß sind.
Grundsätzlich ist es möglich die Faserstäbe an der Verbindungsstelle mit ihren Außenflächen aufeinander zu legen und zu verpressen. In einer günstigen Ausführungsvariante der Erfindung wird jedoch vorgesehen, dass die geformten Faserstäbe an der Verbindungsstelle durch einander gesteckt sind, d. h. mindestens ein Faserstab ist durch einen anderen, kreuzenden Faserstab gesteckt, um an der Verbindungstelle einen Sandwichaufbau zu realisieren. Dies ist durch eine lokale Aufteilung des zu durchsteckenden Faserstabs entlang seiner einzelnen Fasern ermöglicht. In einer Weiterbildung durchdringt ein erster Faserstab einen zweiten Faserstab mittig, so dass an der Verbindungsstelle nach außen gerichtet zu allen Seiten ausschließlich der erste Faserstab zum Verpresswerkzeug weist. Bei einer solchen Ausführung kann vorgesehen werden, den zweiten Faserstab, der den ersten Faserstab durchdringt, mit einer geringeren Faserzahl bzw. geringerer Faserstabquerschnittfläche auszubilden.
Eine weiter vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass das Faserbauteil an der Verbindungsstelle einen symmetrischen abwechselnden Lagenaufbau der Faserstäbe aufweist. Hierzu ist vorgesehen, dass sich die Faserstäbe an der Verbindungsstelle gegenseitig durchdringen, wobei die Fasern der Faserstäbe an der Verbindungsstelle den symmetrisch wechselnden Lagenaufbau bilden, bei dem sich die einzelnen Lagen der Faserstäbe abwechselnd kreuzen. In einer Schnittansicht der Verbindungsstelle ist bei diesem Sandwichaufbau abwechselnd eine Lage des ersten Faserstabs und eine Lage des den ersten Faserstab kreuzenden zweiten Faserstabs zu erkennen. Alternativ ist diese Ausführung durch mehrere abwechselnd und sich jeweils kreuzend aufeinander gelegte Faserstäbe realisierbar, deren jeweilige Faserzahl entsprechend reduziert ist. Als bevorzugte Aufbauten haben sich solche mit 1 × 2, 2 × 3 oder 3 × 4 Lagen der jeweiligen Faserstäbe gezeigt. Dieser symmetrische Aufbau der Verbindungsstelle erfährt beim Verpressen eine geringere immanent auftretende Schädigung im Vergleich zu einem Aufbau mit aufeinander gelegten, sich kreuzenden Faserstäben. Zudem ist die Steifigkeit erhöht.
In einem Ausführungsbeispiel wird an der Verbindungstelle ein Durchgangsloch als Befestigungsaufnahme für das zu bildende Bauteil ausgebildet, um das sich die Fasern der Faserstäbe in Umfangsrichtung herum erstrecken. Das Durchgangsloch kann beispielsweise durch ein die Verbindungsstelle durchdringendes bolzenartiges Element realisiert werden, das nach dem Aushärten der Matrix entnommen wird.
Als Materialien für die Fasern der Faserstäbe kommen vorzugsweise Karbonfasern zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch auch mit Glasfaserstäben ausführbar.
Das Faserbauteil ist alleine verwendbar oder mit weiteren Faserstäben oder entsprechenden Faserbauteilen zu einer Art Gitter kombinierbar, wobei das Faserbauteil oder das Gitter in einer Spritzgussmaschine mit Kunststoff umspritzt wird. Das Faserbauteil oder Gitter dient dabei im Wesentlichen als Versteifungsskelett.
Faserstäbe gemäß der Erfindung weisen beispielsweise einen Querschnitt von 5 mm × 5 mm bis 20 × 20 mm auf. Die Kreuzung der Faserstäbe erfolgt zudem in einem Winkel zwischen den Faserstäben von 5–90°.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ausführung eines Ausführungsbeispiels eines Faserbauteils;
2 eine Draufsicht auf das Faserbauteil aus 1;
3 eine Schnittansicht A-A zu 2;
4 eine Schnittansicht B-B zu 2,
5 eine perspektivische Ausführung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Faserbauteils;
6 eine Draufsicht auf das Faserbauteil aus 5;
7 eine Schnittansicht A-A zu 5;
8 eine Schnittansicht B-B zu 5.
Die Figuren zeigen beispielhaft schematisch Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen stets gleiche Teile benennen.
In 1 ist eine perspektivische Ausführung eines Ausführungsbeispiels des Faserbauteils 1 gezeigt, wobei das Faserbauteil 1 aus zwei geformten Faserstäben 2, 3 mit jeweils sich in Axialrichtung durchgängig erstreckenden Fasern gebildet ist. Die Axialrichtung verläuft jeweils entlang der Stabmittelachse. Die geformten Faserstäbe 2, 3 weisen jeweils eine identische quadratische Querschnittsform auf und kreuzen sich an der Verbindungsstelle 4, an der sie miteinander verpresst sind. Das Faserbauteil 1 weist an der Verbindungsstelle 4 einen symmetrischen Lagenaufbau von mehreren Faserstäben 2, 3 auf. Die jeweils auf die Verbindungsstelle 4 zulaufenden Abschnitte der Faserstäbe 2, 3 werden durch das Verpressen bzw. Verquetschen bezüglich ihrer Querschnittsfläche reduziert. Die Verbindungsstelle 4 weist hingegen die im Wesentlichen identische Querschnittsfläche der Faserstabquerschnittflächen auf und ist um weniger als 2% vergrößert. Insbesondere verläuft die Verbindungsstelle 4 im Wesentlichen parallel zu den Außenflächen der Faserstäbe 2, 3, da auch die Aufbauhöhe im Bereich der Verbindungsstelle 4 um weniger als 2% gegenüber der Höhe der Faserstäbe 2, 3 größer ist. Durch das Verpressen der Faserstäbe 2, 3 verbindet sich die Kunststoffmatrix der Faserstäbe 2, 3 an der Verbindungsstelle 4 stoffschlüssig.
Bezugnehmend auf die 2 bis 4 ist das Faserbauteil 1 aus 1 in einer Draufsicht und in Schnittansichten A-A und B-B gezeigt. Gemäß der Schnitte A-A und B-B ist zu erkennen, dass die geformten Faserstäbe 2, 3 an der Verbindungsstelle 4 durch einander gesteckt sind, wobei in dem gezeigten Ausführung der Faserstab 3 durch den Faserstab 2 in mittiger Höhe hindurchgeführt ist. Durch das Verpressen verändert sich die Querschnittsform der Faserstäbe 2, 3 an der Verbindungsstelle 4 von einer quadratischen in eine flache, oval-ähnliche Form.
Verpresst sind die jeweils eine thermoplastische Kunststoffmatrix aufweisenden und über den Schmelzpunkt der Kunststoffmatrix aufgeheizte Faserstäbe 2, 3 zumindest an der Verbindungstelle 4 durch ein geeignetes Presswerkzeug, das auf ca. 100°C vortemperiert ist und einen Druck auf die Faserstäbe 2, 3 ausübt, der ausreichend hoch ist, die Aufbauhöhe der Verbindungsstelle 4 auf das vorstehend beschriebene Verhältnis zur Aufbauhöhe der Faserstäbe 2, 3 im Bereich außerhalb der Verbindungsstelle 4 zu gewährleisten. Der Druck variiert je nach verwendeter Faserstabsquerschnittsfläche. Bei ca. 100°C kühlt das Faserbauteil 1 im Presswerkzeug aus und verfestigt die stoffschlüssige Verbindung der Matrix.
Die 5–8 zeigen eine alternative Ausführungsvariante des Faserbauteils 1, wobei die 7 und 8 die Schnittansichten A-A und B-B der Verbindungstelle 4 betreffen. Das Faserbauteil 1 weist an der Verbindungsstelle 4 einen unsymmetrischen abwechselnden Lagenaufbau von mehreren Faserstäben auf. Die Faserstäbe kreuzen sich an der Verbindungsstelle 4 gegenseitig und bilden an der Verbindungsstelle 4 den unsymmetrisch wechselnden Lagenaufbau. Im Übrigen entspricht das Faserbauteil 1 desjenigen aus 1. Auch wenn die 5–8 lediglich jeweils zwei Faserstäbe 2, 2' und 3, 3' verwenden, sind weitere Ausführungsbeispiele von der Erfindung mitumfasst, selbst wenn sie nicht ausdrücklich gezeigt sind, beispielsweise Aufbauten von zwei und drei Faserstäben, drei und drei Faserstäben, drei und vier Faserstäben, vier und vier Faserstäben usw.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise ist die Querschnittsform der Faserstäbe nicht festgelegt. Auch wenn das Ausführungsbeispiel quadratische Querschnittsflächen verwendet, können auch rechteckige, runde oder ovale Querschnittsformen eingesetzt werden.

Claims

Faserbauteil gebildet aus mindestens zwei geformten Faserstäben mit jeweils sich in Axialrichtung durchgängig erstreckenden Fasern, wobei die Faserstäbe jeweils eine Kunststoffmatrix aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die geformten Faserstäbe an einer Verbindungsstelle kreuzen, wobei die geformten Faserstäbe zumindest an der Verbindungsstelle miteinander verpresst sind und die Kunststoffmatrix der Faserstäbe an der Verbindungsstelle stoffschlüssig verbunden ist.
Faserbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei geformten Faserstäbe jeweils in einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung eine konstante Faserstabquerschnittfläche aufweisen, und eine Querschnittfläche der Verbindungsstelle gegenüber der Faserstabquerschnittfläche um weniger als 5% abweicht.
Faserbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Verbindungsstelle gegenüber der Faserstabquerschnittsfläche um weniger als 2% abweicht.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geformten Faserstäbe an der Verbindungsstelle durch einander gesteckt sind.
Faserbauteil nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verbindungsstelle ein erster Faserstab einen zweiten Faserstab mittig durchdringt.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faserstäbe an der Verbindungsstelle gegenseitig durchdringen, wobei die Fasern der Faserstäbe an der Verbindungsstelle jeweils einen symmetrisch wechselnden Lagenaufbau bilden, bei dem sich die einzelnen Lagen der Faserstäbe abwechselnd kreuzen.
Faserbauteil nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen der Faserstäbe durch jeweils einzelne Faserstäbe gebildet sind.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verbindungstelle ein Durchgangsloch ausgebildet ist, um das sich die Fasern der Faserstäbe herum erstrecken.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix der sich kreuzenden Faserstäbe an der Verbindungsstelle verschmolzen ist.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix der Faserstäbe zumindest an der Verbindungsstelle beim Verpressen auf Schmelztemperatur erhitzt ist.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstäbe Karbonfaserstäbe oder Glasfaserstäbe sind.
Faserbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche gebildet aus drei sich jeweils an der Verbindungsstelle kreuzenden Faserstäben.