DE102016211370A1 - Method for producing a vehicle structure and vehicle structure - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugtragstruktur (10), insbesondere einer Fahrgastzelle, mit den Schritten: – Bereitstellen eines ein- oder mehrteiligen Kerns (11), – Erzeugen einer Faserstruktur durch Umwickeln des Kerns (11) mit Verstärkungsfasern (12), wobei die Verstärkungsfasern (12) nur auf vorbestimmte Bereiche einer äußeren Oberfläche (13) des Kerns (11) abgelegt werden, – Beaufschlagen der Faserstruktur mit Druck und/oder Temperatur, zur Aushärtung einer die Verstärkungsfasern umgebenden Matrix, wobei der Kern (11) die Endkontur der Fahrzeugstruktur (10) im Wesentlichen wiedergibt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Fahrzeugtragstruktur.The invention relates to a method for producing a vehicle support structure (10), in particular a passenger compartment, comprising the following steps: - providing a mono- or multi-part core (11), - producing a fiber structure by wrapping the core (11) with reinforcing fibers (12), wherein the reinforcing fibers (12) are deposited only on predetermined areas of an outer surface (13) of the core (11), - applying pressure and / or temperature to the fibrous structure to cure a matrix surrounding the reinforcing fibers, the core (11) forming the Substantially reproduces the final contour of the vehicle structure (10). Moreover, the invention relates to a vehicle support structure.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Fahrzeugstruktur gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 10. The present invention relates to a method for producing a vehicle structure according to the preamble of patent claim 1 and to a vehicle structure according to the preamble of
Um das Gesamtgewicht von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, die üblicherweise größtenteils aus metallischen Komponenten bestehen, hat es sich seit geraumer Zeit etabliert, die Metallmaterialien durch Kunststoffe zu substituieren. Aktuelle Karosseriekonzepte, welche aus faserverstärkten Kunststoffen bestehen, werden meist in Kleinstserien handlaminiert oder halbautomatisiert laminiert. Sie bestehen meistens aus imprägnierten oder technischen Textilien, welche in einem Autoklaven ausgehärtet werden. In order to reduce the overall weight of motor vehicles, which are usually made mostly of metallic components, it has long been established to replace the metal materials with plastics. Current body concepts, which consist of fiber-reinforced plastics, are usually hand-laminated or semiautomatically laminated in very small series. They usually consist of impregnated or technical textiles, which are cured in an autoclave.
Um die Stückzahlen einer Großserienproduktion zu erreichen, werden zurechtgeschnittene Gelege oder Gewebe verwendet, welche durch Nasspressen oder im Resin-Transfer-Molding-Prozess (RTM) infiltriert, in die endgültige geometrische Form gebracht und anschließend ausgehärtet werden. Die auf diese Weise erzeugten, einzelnen Schalenelemente werden anschließend zu einer Gesamtkarosserie im Allgemeinen durch Kleben gefügt. In order to achieve the quantities of a large-scale production, trimmed fabrics or fabrics are used, which are infiltrated by wet pressing or in the resin transfer molding process (RTM), brought into the final geometric shape and then cured. The individual shell elements produced in this way are then joined to an overall body generally by gluing.
Darüber hinaus ist zur Herstellung von Hohlprofilen das Wickelverfahren bekannt. Nach diesem Verfahren werden unter anderem auch Drucktanks in der Luft- und Raumfahrtindustrie hergestellt, wobei ein oder mehrere Faserrowings über einen Kunststoffkörper oder Metallkörper, dem sogenannten Liner, gewickelt werden. Aus der
Die aus dem Stand der Technik bekannten Fahrzeugstrukturen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Schalenelemente bzw. die Hohlprofile einzeln miteinander gefügt werden, um die Fahrzeugstruktur zu bilden. An diesen Fügestellen ergeben sich Festigkeits- und Steifigkeitssprünge, so dass die Materialeigenschaften des Gesamtaufbaus stark variieren bzw. sinken. However, the known from the prior art vehicle structures have the disadvantage that the shell elements or the hollow sections are individually joined together to form the vehicle structure. At these joints, strength and stiffness jumps result, so that the material properties of the overall structure vary greatly or decrease.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugtragstruktur anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Fahrzeugtragstruktur herstellbar ist, die sich durch einen möglichst homogenen Verlauf ihrer mechanischen Eigenschaften auszeichnet. Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide a method for producing a vehicle support structure which overcomes the disadvantages of the prior art. It is a particular object of the invention to provide a method with which a vehicle support structure can be produced, which is characterized by the most homogeneous possible course of its mechanical properties.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugtragstruktur vor. Hierzu wird zuerst ein ein- oder mehrteiliger Kern bereitgestellt und durch Umwickeln des Kerns mit Verstärkungsfasern eine Faserstruktur erzeugt. Während des Umwickelns des Kerns werden die Verstärkungsfasern nur auf vorbestimmte Bereiche einer äußeren Oberfläche des Kerns abgelegt. Bevorzugt werden die Verstärkungsfasern als Roving lastorientiert über den Kern gewickelt, wobei die Faserorientierung in verschiedenen Ausrichtungen von –90° bis +90° möglich ist. Mit anderen Worten, in den vorbestimmten Bereichen der Oberfläche des Kerns werden die Verstärkungsfasern so positioniert und ausgerichtet, dass sie im Fall einer Crashbelastung der Fahrzeugtragstruktur größtmögliche Kräfte in Längsrichtung des Faserverlaufs aufnehmen können. Die Verstärkungsfasern bzw. die Rovings können über jegliche Geometrieform gewickelt werden, wobei sie mit einer vordefinierten Faserspannung abgelegt werden. In einer ersten Variante der Erfindung können die Verstärkungsfasern mit einem Harzmaterial vorimprägniert sein. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Rovings in trockenem Zustand auf den Kern gewickelt und danach mit einer Matrix imprägniert. In beiden Varianten wird nach der Erzeugung der Faserstruktur, die aus gewickelten Fasern ausgebildet ist, diese mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt und so die Matrix, welche die Verstärkungsfasern umgibt, ausgehärtet. Die äußere Form des Kerns bzw. des Liners entspricht im Wesentlichen der Endkontur der fertigen Fahrzeugstruktur. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nach der Aushärtung der Matrix keine Umformschritte mehr notwendig sind, bei denen die Geometrie der Fahrzeugstruktur geändert wird. Selbstverständlich können durch Beschnitt bzw. fräsende Bearbeitung oder Bohrungen noch Ausschnitte in der Fahrzeugtragstruktur vorgesehen werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass eine einstückige Fahrzeugtragstruktur hergestellt werden kann, die keine Verbindungsstellen, beispielsweise Klebe-, Nietstellen, Verschrauben oder dergleichen, aufweist, und sich dadurch durch hohe Festigkeit und Steifigkeitswerte auszeichnet. Der Kern ist dabei bevorzugt drehbar und/oder schwenkbar gelagert und wird während der Umwicklung mit Verstärkungsfasern um mindestens eine Achse gedreht und/oder geschwenkt. Dadurch kann beim Ablegen der Fasern der Kern so geschwenkt werden, dass eine möglichst exakte Ablage unter Beibehaltung einer vorbestimmten Faserspannung erreicht wird. Somit können die Fasern, die von einem oder mehreren Ringwickelköpfen oder einem oder mehreren Wickelköpfen auf den Kern aufgebracht werden, exakt auf die vorbestimmten Bereiche positioniert werden. Die Anzahl der Rotations- bzw. Schwenkachsen bestimmt somit die Ablagegenauigkeit der Fasern und somit auch die Qualität der Fahrzeugtragstruktur. Um auch Fahrzeugtragstrukturen mit komplexen Geometrien umwickeln zu können, haben Versuche ergeben, dass die Schwenkbarkeit des Kerns um vier Achsen optimal ist. Die Ablagegenauigkeit kann zusätzlich erhöht werden, beispielsweise durch eine robotergestützte Ablagenführung der Ringwickelköpfe bzw. der Wickelköpfe. This object is achieved with the features of the independent claims. The dependent claims represent advantageous embodiments of the invention. To achieve this object, the invention proposes a method for producing a vehicle support structure. For this purpose, a mono- or multi-part core is first provided and a fiber structure is produced by wrapping the core with reinforcing fibers. During wrapping of the core, the reinforcing fibers are deposited only on predetermined areas of an outer surface of the core. Preferably, the reinforcing fibers are wound as a load-oriented roving over the core, wherein the fiber orientation in different orientations of -90 ° to + 90 ° is possible. In other words, in the predetermined areas of the surface of the core, the reinforcing fibers are positioned and aligned so that they can absorb maximum forces in the longitudinal direction of the fiber flow in the event of a crash load of the vehicle support structure. The reinforcing fibers or rovings can be wound over any geometry shape, wherein they are deposited with a predefined fiber tension. In a first variant of the invention, the reinforcing fibers may be preimpregnated with a resin material. According to a second embodiment of the invention, the rovings are wound on the core in a dry state and then impregnated with a matrix. In both variants, after the formation of the fiber structure, which is formed from wound fibers, these are subjected to pressure and / or temperature and thus the matrix, which surrounds the reinforcing fibers, cured. The outer shape of the core or of the liner essentially corresponds to the final contour of the finished vehicle structure. Essentially in this context means that after the curing of the matrix, no forming steps are necessary, in which the geometry of the vehicle structure is changed. Of course, cutouts in the vehicle support structure can still be provided by trimming or milling machining or drilling. This method has the advantage that a one-piece vehicle support structure can be produced, which has no joints, for example, adhesive, riveting, screwing or the like, and is characterized by high strength and rigidity. The core is preferably rotatable and / or pivotally mounted and is rotated during wrapping with reinforcing fibers around at least one axis and / or pivoted. As a result, when depositing the fibers, the core can be pivoted in such a way that the most exact possible deposition is achieved while maintaining a predetermined fiber tension. Thus, the fibers applied to the core by one or more hoop winding heads or one or more end turns can be accurately positioned to the predetermined areas. The number the rotation or pivot axes thus determines the storage accuracy of the fibers and thus also the quality of the vehicle support structure. In order to be able to wrap vehicle support structures with complex geometries, experiments have shown that the pivotability of the core around four axes is optimal. The storage accuracy can also be increased, for example by a robot-supported storage guide the ring winding heads or the winding heads.
Vor dem Umwickeln des Kerns kann mindestens ein Einsatz auf oder in einen vorbestimmten Bereich des Kerns gebracht werden. Durch diesen Einsatz wird verhindert, dass in diesem zweiten vorbestimmten Bereich Verstärkungsfasern abgelegt werden. Der Einsatz fungiert somit als Blende für vorbestimmte Bereiche, die verstärkungsfaserfrei bleiben sollen. Bei der Ablage der Verstärkungsfasern wird dieser Einsatz nicht durch die Fasern abgedeckt. Solche Bereiche, die verstärkungsfaserfrei bleiben sollen, sind insbesondere Fensterausschnitte, Türen, Anbindungsbereiche sowie sonstige Durchbrüche, die in der zu erzeugenden Faserstruktur frei bleiben sollen. Before wrapping the core, at least one insert may be placed on or in a predetermined area of the core. This insert prevents reinforcing fibers from being deposited in this second predetermined region. The insert thus acts as a diaphragm for predetermined areas which are to remain free of reinforcing fibers. When depositing the reinforcing fibers, this insert is not covered by the fibers. Such areas, which should remain free of reinforcing fibers, are in particular window cut-outs, doors, connection areas and other openings which should remain free in the fiber structure to be produced.
Die drehbare Lagerung des Kerns erfolgt in Bereichen, die verstärkungsfrei bleiben. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden Einsätze verwendet, die selbst drehbar gelagert sind. Durch das Aufbringen der Einsätze in den vorbestimmten Bereichen des Kerns, die verstärkungsfaserfrei bleiben sollen, ist somit der Kern ebenfalls um die Drehachse des jeweiligen Einsatzes drehbar. Dies bietet den Vorteil, dass nach dem Entfernen der Einsätze keine zusätzlichen Arbeitsschritte notwendig sind, um die Aufnahmen für Drehachsen von dem Kern bzw. von der erzeugten Faserstruktur zu entfernen. The rotatable support of the core takes place in areas that remain free of reinforcement. In other words, inserts are used, which are themselves rotatably mounted. By applying the inserts in the predetermined areas of the core, which should remain free of reinforcing fibers, thus the core is also rotatable about the axis of rotation of the respective insert. This offers the advantage that after removal of the inserts no additional steps are necessary to remove the recordings for axes of rotation of the core or of the fiber structure produced.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann der Kern nach der Beaufschlagung der Faserstruktur mit Druck und/oder Temperatur aus der Faserstruktur entfernt werden. Dabei kann der Kern aus einem Thermoplasten oder einem Schaum ausgebildet sein, der als verlorene Form dient und nach dem Aushärten der Matrix aus der Faserstruktur entnommen wird. Alternativ dazu kann der Kern auch aus einem Multi-Materialmix mit Thermoplast und wärmeisolierendem Schaum bzw. einer Wabenstruktur ausgebildet sein und in der fertigen Fahrzeugtragstruktur verbleiben. According to a first embodiment of the invention, the core may be removed from the fibrous structure after the fibrous structure has been subjected to pressure and / or temperature. In this case, the core may be formed from a thermoplastic or a foam, which serves as a lost mold and is removed from the fiber structure after curing of the matrix. Alternatively, the core can also be formed of a multi-material mix with thermoplastic and heat-insulating foam or a honeycomb structure and remain in the finished vehicle support structure.
Die erzeugte Faserstruktur kann ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass durch mehrfaches Abwickeln von Verstärkungsfasern auf den Kern lokale Verstärkungen mit idealem Materialeinsatz an vorbestimmten Stellen der Faserstruktur erzeugt werden. The fiber structure produced can be formed in one or more layers. This offers the advantage that by multiple unwinding of reinforcing fibers on the core local reinforcements with ideal material use at predetermined locations of the fiber structure are produced.
Weiterhin kann auf die erzeugte Faserstruktur in einem vorbestimmten Bereich ein Innenteil aufgebracht werden und die Faserstruktur mit daran angeordneten Innenteil mit weiteren Verstärkungsfasern umwickelt werden. Furthermore, an inner part can be applied to the fiber structure produced in a predetermined area and the fiber structure with inner part arranged thereon can be wrapped with further reinforcing fibers.
Als Innenteil kann insbesondere ein Abstandshalter, wie beispielsweise ein Wabenkern, verwendet werden. Als Kernmaterialien eignen sich insbesondere sogenannte Honeycomb-Kerne oder Aramid-Waben und dergleichen. As the inner part, in particular a spacer, such as a honeycomb core, can be used. Particularly suitable core materials are so-called honeycomb cores or aramid honeycombs and the like.
Bevorzugt wird das Innenteil auf die bereits harzgetränkte Faserstruktur aufgebracht. Bei der Beaufschlagung der Faserstruktur mit Druck und/oder Temperatur zur Aushärtung des Matrixwerkstoffs verbindet sich das Material des Innenteils mit dem Matrixmaterial. In einem folgenden Arbeitsschritt wird die ausgehärtete Faserstruktur mit damit verbundenem Innenteil mit weiteren Verstärkungsfasern umwickelt. Alternativ dazu wird vor der Aushärtung die noch nicht ausgehärtete Faserstruktur mit daran angeordnetem Innenteil mit Fasern umwickelt. Bei einer nachträglichen Aushärtung verbindet sich das Material des Innenteils mit dem Harz der Fasern, welche die Faserstruktur bilden, und gleichzeitig auch mit den Einzelfasern, welche die Faserstruktur und das Innenteil umwickeln. Somit weist die fertige Fahrzeugtragstruktur einen sandwichartigen Aufbau auf. Dieser Sandwichaufbau kann vollständig sein, so dass die gesamte Fahrzeugtragstruktur als Sandwich ausgebildet ist, oder nur abschnittsweise in bestimmten Bereichen, in denen entsprechende Materialeigenschaften gefordert sind, ausgebildet sein. Preferably, the inner part is applied to the already resin-impregnated fiber structure. When the fiber structure is subjected to pressure and / or temperature for hardening the matrix material, the material of the inner part combines with the matrix material. In a subsequent step, the cured fiber structure is wrapped with associated inner part with other reinforcing fibers. Alternatively, before curing, the not yet cured fiber structure with inner part disposed thereon is wrapped with fibers. In the case of subsequent curing, the material of the inner part combines with the resin of the fibers which form the fiber structure and at the same time with the individual fibers which wrap around the fiber structure and the inner part. Thus, the finished vehicle support structure has a sandwich structure. This sandwich structure can be complete, so that the entire vehicle support structure is formed as a sandwich, or only partially in certain areas in which appropriate material properties are required to be formed.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Fahrzeugstruktur, insbesondere eine Fahrgastzelle, mit einer Faserstruktur aus gewickelten Verstärkungsfasern, wobei die Fahrzeugtragstruktur einstückig ausgebildet ist. Wie bereits oben erwähnt, bietet eine einstückige Fahrzeugtragstruktur Vorteile dahingehend, dass keine Verbindungsstellen notwendig sind und sich dadurch höhere Festigkeit und Steifigkeitswerte in der gesamten Fahrzeugtragstruktur ergeben. Darüber hinaus werden auch Gewichts- und Kostenersparnisse durch den Entfall der Fügeverbindungen realisiert. In another aspect, the invention relates to a vehicle structure, in particular a passenger compartment, with a fiber structure of wound reinforcing fibers, wherein the vehicle support structure is integrally formed. As already mentioned above, a one-piece vehicle support structure offers advantages in that no joints are necessary and thereby results in higher strength and stiffness values throughout the vehicle support structure. In addition, weight and cost savings are realized by eliminating the joints.
Weiterhin kann die Fahrzeugstruktur zumindest abschnittsweise mehrlagig ausgebildet sein, mit einer inneren Lage aus faserverstärktem Kunststoff und einer äußeren Lage aus faserverstärktem Kunststoff, wobei zwischen den beiden Lagen ein Innenteil angeordnet ist. Furthermore, the vehicle structure may be formed in several layers at least in sections, with an inner layer of fiber-reinforced plastic and an outer layer of fiber-reinforced plastic, wherein an inner part is arranged between the two layers.
Bevorzugt kann das Innenteil als Wabenkern ausgebildet sein. Preferably, the inner part may be formed as a honeycomb core.
Nachfolgend sollen die Vorteile der Erfindung zusammengefasst dargelegt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Verstärkungsfasern mit belastungsgerechter Faserorientierung auf den Kern aufgewickelt werden, so dass sich eine sehr faserverbundgerechte Konstruktion und Auslegung ergibt, verglichen mit dem quasi isotropen Aufbau der aus dem Stand der Technik durch die Verwendung von Preforms bekannt ist. Darüber hinaus kann auf die Verwendung von Nähfäden oder Stützfasern verzichtet werden, wie sie bei der Verarbeitung von Gelegen notwendig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren bildet einen sehr kontinuierlichen Prozess, in dem sehr wenige Einzelteile zu fügen sind, wodurch auch deutlich weniger Fasermaterial zum Einsatz kommt. Damit kann der Fertigungsprozess rationalisiert werden und eine sehr hohe Gewichtsersparnis im Bereich von bis zu 50% gegenüber dem aktuellen Stand der Technik erzielt werden. The advantages of the invention are summarized below. By According to the method of the invention, the reinforcing fibers can be wound onto the core with a load-oriented fiber orientation so that a very fiber-composite-compatible construction and design results compared to the quasi-isotropic structure known from the prior art through the use of preforms. In addition, it is possible to dispense with the use of sewing threads or supporting fibers, as they are necessary in the processing of opportunities. The process according to the invention forms a very continuous process in which very few individual parts are to be joined, as a result of which significantly less fiber material is used. Thus, the manufacturing process can be streamlined and a very high weight savings in the range of up to 50% compared to the current state of the art can be achieved.
Die Realisierung der Fahrzeugtragstruktur als Sandwichbauteil bietet den Vorteil einer steiferen Struktur durch ein erhöhtes Flächenträgheitsmoment. Durch das Innenteil bzw. durch geeignete Wahl des Kernmaterials, welches das Innenteil bildet, können zusätzliche Geräuschisolation und Wärmedämmung erreicht werden. Aufgrund der höheren Flächenträgheitsmomente bzw. der höheren mechanischen Eigenschaften, die in einer Sandwichbauweise erzielbar sind, kann die Fasermenge in den Decklagen reduziert werden. Bei Verwendung leichter Kernmaterialien ergibt sich somit eine weitere Gewichtsersparnis. The realization of the vehicle support structure as a sandwich component offers the advantage of a stiffer structure due to an increased area moment of inertia. By the inner part or by a suitable choice of the core material, which forms the inner part, additional noise insulation and thermal insulation can be achieved. Due to the higher area moments of inertia or the higher mechanical properties that can be achieved in a sandwich construction, the amount of fiber in the cover layers can be reduced. When using lightweight core materials thus results in a further weight savings.
Durch die gewickelte Struktur ergibt sich insgesamt ein geringerer Verschnitt im Vergleich zu Laminier- und Pressverfahren. Die faserverbundgerechte Konstruktion ergibt sich durch Verwendung von unidirektionalen und quasi endlos Fasern, die in Lastrichtung verlegt werden. Due to the wound structure, the overall result is a smaller waste compared to laminating and pressing processes. The fiber-composite design results from the use of unidirectional and quasi-continuous fibers that are laid in the load direction.
Fahrzeugtragstrukturen im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Fahrgastzellen. Selbstverständlich können derartige Fahrgastzellen auch zusätzliche Längs- und Querträger umfassen, an denen Fahrwerks- und Antriebskomponenten sowie weitere Karosserieelemente angebunden werden. Kern der Erfindung ist der Gedanke, diese Fahrzeugtragstruktur einstückig, d. h. in Monocoque-Bauweise, auszubilden. Unter Monocoque versteht man im Allgemeinen einen einteiligen, meist hohlen Körper. Im Unterschied zu einer traditionellen Rahmenkonstruktion aus einzelnen Profilen oder Rohren, können die flächigen Schalen des Monocoques höhere Kräfte aufnehmen, wodurch eine hohe Steifigkeit bei geringer Masse möglich ist. Vor allem im Crashfall können dadurch höhere Kräfte bzw. höhere Energiewerte abgebaut werden. Vehicle support structures in the sense of this invention are in particular passenger compartments. Of course, such passenger compartments may also include additional longitudinal and transverse beams to which suspension and drive components and other body elements are connected. The core of the invention is the idea of this vehicle support structure in one piece, d. H. in monocoque construction, to train. Monocoque is generally understood to mean a one-piece, mostly hollow body. In contrast to a traditional frame construction made of individual profiles or tubes, the monocoque's flat shells can absorb higher forces, which makes high rigidity possible at low mass. Especially in the event of a crash, higher forces or higher energy values can be reduced.
Bei der Sandwichbauweise im Sinne dieser Erfindung werden Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften in Schichten zu einem Bauteil oder Halbzeug zusammengesetzt. Als Konstruktionsweise bezeichnet die Sandwichbauweise eine Form des Leichtbaus, bei der die Bauteile aus kraftaufnehmenden, festen Decklagen ausgebildet sind, die durch einen relativ weichen, meist leichten Kernwerkstoff bzw. ein Innenteil voneinander beabstandet sind. Bauteile, die in Sandwichbauweise hergestellt sind, weisen bei geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit auf. Das Kernmaterial kann aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, wobei meistens Papierwaben, Schaumstoffe (Hartschaum), Mineralwolle oder Balsaholz verwendet werden. Das Kernmaterial überträgt auftretende Schubkräfte auf die Deckschichten und stützt diese ab. Als Deckschichten werden bevorzugt Faserverbundwerkstoffe genutzt. In the sandwich construction in the context of this invention, materials with different properties are assembled in layers to form a component or semifinished product. As a construction method, the sandwich design refers to a form of lightweight construction, in which the components are formed of force-absorbing, solid cover layers, which are spaced from each other by a relatively soft, usually lightweight core material or an inner part. Components manufactured in sandwich construction have a high rigidity with low weight. The core material can consist of various materials, with paper honeycomb, foam (hard foam), mineral wool or balsa wood being used in most cases. The core material transfers occurring shear forces to the cover layers and supports them. Fiberglass materials are preferably used as cover layers.
Die Verstärkungsfasern können organische oder anorganische Verstärkungsfasern sein. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff; englisch „Carbon-Fiber-Reinforced Plastic“, CFRP) genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein CFK- Bauteil. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise auch Glasfasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen glasfaserverstärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein GFK-Bauteil. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Verstärkungsfasern können z. B. auch Aramidfasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, PMMA-Fasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern und/oder Naturfasern sein. The reinforcing fibers may be organic or inorganic reinforcing fibers. The reinforcing fibers may be, for example, carbon fibers. These form with the plastic matrix a carbon fiber reinforced plastic, also called CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP). The associated FRP component is then a CFRP component. The reinforcing fibers can also be glass fibers, for example. These form with the plastic matrix a glass fiber reinforced plastic, also called GRP. The associated FRP component is then a GRP component. However, the invention is not limited thereto, and the reinforcing fibers may, for. Example, aramid fibers, polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, PMMA fibers, basalt fibers, boron fibers, ceramic fibers, silica fibers, steel fibers and / or natural fibers.
Das Material der Kunststoffmatrix mag insbesondere ein oder mehrere thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) und/oder duroplastische Kunststoffe (Duroplaste) aufweisen. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich beispielsweise: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE). Faserverstärkte Kunststoffe mit einer duroplastischen Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe bzw. Matrix können z. B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF). The material of the plastic matrix may in particular comprise one or more thermoplastics (thermoplastics) and / or duroplastic plastics (thermosetting plastics). Fiber-reinforced plastics with a thermoplastic matrix have the advantage that they can be subsequently reshaped or welded. Suitable thermoplastics include, for example: polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI) and / or polytetrafluoroethene (PTFE). Fiber-reinforced plastics with a thermosetting matrix can not be reshaped after curing or crosslinking of the matrix. They advantageously have a high temperature range of use. This is especially true for hot-curing systems that cure under high temperatures. Fiber-reinforced plastics with duroplastic matrix usually have the highest strengths. As thermosetting plastics or matrix z. The following resins are used: epoxy resin (EP), unsaturated polyester resin (UP), vinyl ester resin (VE), phenol-formaldehyde resin (PF), diallyl phthalate resin (DAP), methacrylate resin (MMA), Polyurethane (PUR), amino resins, melamine resin (MF / MP) and / or urea resin (UF).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Figuren, die Ansprüche sowie die Beschreibung umfassen eine Vielzahl von Merkmalen, die ein Fachmann auch in anderer Kombination in Erwägung ziehen würde, um die Erfindung an entsprechende Anwendungen anzupassen. The invention will be explained in more detail with reference to the description of the figures. The figures, the claims and the description encompass a multiplicity of features which a person skilled in the art would also consider in a different combination in order to adapt the invention to corresponding applications.
Es zeigt in schematischer Darstellung: It shows in a schematic representation:
In
Die Verstärkungsfasern
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6206458 B1 [0004] US 6206458 B1 [0004]
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