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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundwerkstoffbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils, gemäß dem Oberbegriff der jeweiligen Hauptansprüche.
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Bei der Entwicklung von Fahrzeug-Strukturen in Faserverbundbauweise, beispielsweise CFK, spielen Flechtprofile aus den eingesetzten Fasern eine große Rolle. Mittels Flechtprofilen können die gegebenen Lastpfade effizient abgedeckt werden.
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Nachdem ein Preform über einen Kern geflochten wurde, wird dieser mit einer Kunststoffmatrix ausgehärtet und kann im Anschluss nachbearbeitet und verbaut werden.
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Den größten Gewichtsreduzierungsbeitrag kann man dadurch erhalten, dass der Kern nach dem Herstellungsprozess entfernt wird, sodass ein Hohlprofil erhalten wird. Dies kann unter anderem durch einen aufblasbaren Kunststoffkern erfolgen, welcher nach dem Flechten vollständig aus dem Bauteil gezogen wird. Von großer Bedeutung ist die Lasteinleitungsstelle, an der Lasten in ein derartiges hohles Flechtbauteil eingeleitet werden. Während die Betriebslasten innerhalb des Flechtbauteils optimal und fasergerecht durch die Kohlefasern abgeleitet werden können, erzeugt die Lasteinleitungsstelle meist eine ungewollte Belastungsspitze. Solche Lasteinleitungsstellen sind beispielsweise Bohrungen für Anschraubpunkte. Eine derartige Lasteinleitungsstelle kann aufgrund von sich ergebenden Belastungsspitzen zu einem Versagen des Bauteils führen.
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Wenn es sich um ein Hohlprofil handelt, kann eine Lasteinleitungsstelle meist erst nach dem Entfernen des Kerns durch mechanische Nacharbeit erzeugt werden, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen. Dies trennt aber großflächig die Kohlefasern, welche den Lastpfad abdecken, und schwächt somit das Gesamtbauteil. Neben den mechanischen Eigenschaften ist eine nachträgliche Bearbeitung des CFK-Bauteils immer mit sehr hohen Kosten verbunden. Der Verschleiß der Werkzeuge ist hoch, und für jeden Bearbeitungsschritt ist möglicherweise eine spezielle Vorrichtung erforderlich.
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Es wäre daher wünschenswert, dass bei Faserverbundwerkstoffbauteilen mit einer Hohlprofilstruktur geeignetere Lasteinleitungsstellen verfügbar sind und dennoch weiterhin ein leichtes und wirtschaftliches Hohlprofil verwendet werden kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Faserverbundwerkstoffbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass ein leichtes und wirtschaftliches Faserverbundwerkstoffbauteil, insbesondere ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit einem Hohlprofil hergestellt werden kann, wobei Lasteinleitungsstellen vorgesehen sind, die bei vertretbarem Kostenaufwand eine belastungsgerechte Lasteinleitung ermöglichen und zugleich leichtbauend sind. Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung ein Faserverbundwerkstoffbauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem die Lasteinleitungsstellen besonders fest mit dem Faserverbundwerkstoffbauteil verbunden sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausführungsformen des Bauteil oder des Verfahrens sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Faserverbundwerkstoffbauteil kann ein Mantelteil aufweisen, das eine Vielzahl von Fasern und ein Matrixmaterial umfasst, in dem die Fasern des Mantelteils eingebettet sind. Darüber hinaus kann das Faserverbundbauteil ein Lasteinleitungsbauteil, das zwischen den Fasern des Mantelteils angeordnet ist, und das in einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt ist. Lasteinleitungsbauteile, die mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens hergestellt werden, bieten von sich aus eine hohe Oberflächenrauheit, die eine besonders gute Verankerung in der Faserstruktur bzw. dem Laminat und damit letztlich im fertigen Bauteil ermöglicht. Darüber hinaus bieten Rapid-Prototyping-Verfahren eine maximale Gestaltungsfreiheit bei der Geometrie des Lasteinleitungsbauteils, so dass dieses belastungsgerecht ausgelegt werden kann.
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Rapid-Prototyping-Verfahren im Sinne der Erfindung sind insbesondere generative Schichtbauverfahren, wie das Fused Deposition Modeling (FDM), das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Andererseits bieten sich auch das Laminated Object Moulding, das Laserauftragsschweißen, das Multi Jet Modeling, das selektive Lasersintern, oder die Stereolithographie zur Erzeugung des Lasteinleitungsbauteils an.
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Als Material für das Lasteinleitungsbauteil eignen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe, die im Rapid Prototyping Verfahren Anwendung finden können. In Verbindung mit CFK ist Edelstahl, Stahl mit entsprechender Beschichtung oder Aluminium mit entsprechender Beschichtung besonders geeignet. Die Beschichtung ist dabei so zu wählen, dass eine elektrische Isolation zwischen dem Grundwerkstoff Stahl bzw. Aluminium erzeugt wird, um Korrosionseffekte an dem Lasteinleitungsbauteil zu vermeiden. Alternativ kann das Lasteinleitungsbauteil aus (CF-SMC) Langfaser-Verbund-Werkstoff (Sheet-Moulded-Compound), hier mit Kohlefaser (CF) ausgebildet sein (CF-SMC).
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In dem Mantelteil bzw. in der Ummantelung können die Fasern als Faserstruktur in Form eines Geflechts, Geleges und/oder Gewebes angeordnet sein. Weiterhin kann die Faserstruktur auch als Faserwicklung ausgebildet sein. Um eine besonders stabile Faserwicklung zu erzeugen, können die gewickelten Fasern in mehreren Lagen, deren Wickelrichtungen sich unterscheiden, ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch den Einsatz eines Lasteinleitungsbauteiles eine Lasteinleitungsstelle geschaffen werden kann, die eine belastungsgerechte Lasteinleitung ermöglicht, wobei gleichzeitig keine großflächige Auftrennung und Zerstörung von Fasern notwendig ist. Eine Schwächung des Faserverbundwerkstoffbauteils wird somit vermieden. Durch vorsehen der Rauheit an der Oberfläche des Lasteinleitungsbauteil kann diese besonders fest mit dem Mantelteil bzw. mit der Faserstruktur verbunden werden.
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Zudem wird es durch den Einsatz des Lasteinleitungsbauteiles möglich, die spätere Lasteinleitung direkt innerhalb des Faserverbundwerkstoffbauteils anzuordnen.
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Darüber hinaus ist in der Regel nur eine minimale Nacharbeit notwendig. Die Lasten der Lasteinleitungsstelle können somit großflächig in das Faserverbundwerkstoffbauteil eingeleitet werden. Das Lasteinleitungsbauteil kann dadurch in das Profilteil aus Fasern eingeflochten werden, dass in der Herstellung des Profilteils Bereiche ausgebildet werden, die mit einem Lasteinleitungsbauteil belegt und dann überflochten oder umwickelt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Lasteinleitungsbauteil von den Fasern des Mantelteils umflochten oder umwickelt und hierdurch gehalten wird. Folglich ist der Lastpfad vom Lasteinleitungsbauteil in das Profilteil mit wenig Spannungsspitzen versehen, da die über das Lasteinleitungsbauteil in die Struktur des Faserverbundwerkstoffbauteils eingeleiteten Lasten großflächig vom Lasteinleitungsbauteil in die das Lasteinleitungsbauteil umgebenden Bereiche eingeleitet werden können.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Lasteinleitungsbauteil aus einem hochfesten Kunststoff oder aus Metall besteht. Hierdurch wird eine hohe Stabilität des Lasteinleitungsbauteils erreicht.
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Weiterhin kann das Lasteinleitungsbauteil eine mittlere Oberflächenrauheit im Bereich von Ra 5 bis Ra 40, bevorzugt im Bereich von Ra 7 bis Ra 35 und besonders bevorzugt Ra 10 bis Ra 30 aufweisen.
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Das Lasteinleitungsbauteil kann geometrisch derart ausgebildet sein, dass es Hinterschnitte aufweist. Durch diese geometrische Ausgestaltung kann eine gute Einbindung des Lasteinleitungsbauteils in das Mantelteil bzw. die Faserstruktur oder in einen gegebenenfalls vorhandenen Kern realisiert werden. Dadurch wird das Lasteinleitungsbauteil besonders gut in dem Mantelteil oder in Kern verankert.
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Das Lasteinleitungsbauteil kann dabei stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit einem Kern verbunden werden. Auch hierdurch kann eine besonders gute Anbindung des Lasteinleitungsbauteils an den Kern generiert werden.
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Ferner ist möglich, dass das Lasteinleitungsbauteil wenigstens eine Bohrung oder wenigstens eine Gewindebohrung aufweist. Hierdurch wird eine notwendige Nacharbeit deutlich vereinfacht, da im Rahmen der Nacharbeit die bereits vorhandene Bohrung oder Gewindebohrung nur noch freigelegt werden muss.
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Außerdem ist denkbar, dass das Lasteinleitungsbauteil z.B. bezogen auf den Längsquerschnitt zumindest teilweise L-förmig oder U-förmig oder O-förmig ist. Ein derartiges Profil unterstützt die Stabilität des gesamten Faserverbundwerkstoffbauteils im Bereich des Lasteinleitungsbauteils.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Lasteinleitungsbauteil mit abgeschrägten oder abgerundeten Kanten versehen ist. Abgeschrägte oder abgerundete Kanten erleichtern das Anordnen des Lasteinleitungsbauteils zwischen den Fasern des Profilteils. Insbesondere ist dies bei einem Umflechten des Lasteinleitungsbauteils mit Fasern von Vorteil, weil z.B. ein Knicken oder Abgleiten der Fasern an den Kanten vermieden werden kann. Außerdem werden Lastspitzen am Übergang zum Faserverbundwerkstoffteil vermieden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Lasteinleitungsbauteil zumindest eine Abschrägung aufweist. Eine derartige Abschrägung weist den Vorteil auf, dass hierdurch ein weicher Übergang von den das Lasteinleitungsbauteil umgebenden Bereichen des Profilteils ermöglicht wird. Die lokale Verstärkung durch das Lasteinleitungsbauteil stellt, in Längsrichtung eines Hohlprofils betrachtet, grundsätzlich einen Hinterschnitt dar, der das Entfernen eines Kerns behindert. Die Abschrägungen führen dazu, dass der Kern beim Entfernen leichter durch Bereiche mit Querschnittsverringerungen gleitet. Außerdem werden weiche Übergänge geschaffen und eine Stufenbildung vermieden, wodurch Belastungsspitzen und hierdurch ein mögliches Versagen des Bauteils verhindert werden können.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Abschrägung einen Winkel aus dem Winkelbereich zwischen ca. 5° bis 30° aufweist. Der Querschnitt z.B. in der Seitenansicht der Abschrägung kann derart ausgebildet sein, dass er sich von einer ersten Seite des Lasteinleitungsbauteils zu einer zweiten Seite des Lasteinleitungsbauteils erstreckt und wobei die Höhe der Abschrägung kleiner ist als ihre Länge. Hierdurch wird es möglich, besonders weiche Übergänge zu schaffen und Belastungsspitzen zu vermeiden.
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Denkbar ist auch, dass das Profil in den Bereichen, in denen Befestigungsstellen oder Befestigungsmittel angebracht, angeordnet oder beispielsweise eingeschraubt werden, die maximale Höhe aufweist und in den daran angrenzenden Bereichen mit entsprechenden Abschrägungen versehen ist, die die maximale Höhe des Lasteinleitungsbauteils wieder auf das Niveau der Basisfläche herabführen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Lasteinleitungsstelle eine ausreichende Materialstärke aufweist. Zugleich wird aber eine Stufenbildung vermieden, da die Materialstärke mittels der Abschrägungen vorzugsweise zu allen Seiten hin mit einem sanften Übergang versehen ist. Insbesondere ergibt sich ein homogener Verlauf der Kraftlinien von der Lasteinleitungsstelle in das geflochtene oder gewickelte Profil.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Lasteinleitungsbauteils geringer ist als seine Breite. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Lasteinleitungsbauteil nach dem Einflechten in das Profilteil nicht zu Stufenbildung oder abrupten Querschnittsänderungen führt. Auch hierdurch werden sanfte Übergänge erreicht.
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Besonders bevorzugt ist, dass das Profilteil ein Hohlprofilteil ist. Hohlprofilteile ermöglichen leichtbauende und zugleich stabile Strukturen. Sie können daher vorteilhafterweise als lasttragende Strukturen im Karosseriebau eingesetzt werden. Insbesondere in diesem Zusammenhang ermöglichen die sanften Querschnittsübergänge ein erleichtertes Entfernen eines Kerns zur Erzeugung des Hohlprofils an der Stelle, an der das Lasteinleitungsbauteil in das Profilteil eingeflochten ist.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial ein thermoplastisches oder duroplastisches Material ist. Diese Materialien ermöglichen einen stabilen und festen Verbund mit den Fasern des Profilteils. Ein thermoplastisches oder ein duroplastisches Matrixmaterial ist vorteilhafterweise hervorragend geeignet, ein Profilteil aus Fasern mit einem Einsetzbauteil wie beispielsweise ein Lasteinleitungsbauteil, das in den Profilteil eingeflochten ist, entsprechend zu verbinden bzw. zu vernetzen.
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Es ist möglich, dass die Fasern Kohlefasern sind. Der Einsatz von Kohlefasern weist den Vorteil auf, dass diese hervorragend geeignet sind, leichtbauende Strukturen mit hoher Festigkeit zu erzeugen.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils. Danach ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils derart vorgegangen wird, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- – es wird ein Lasteinleitungsbauteil bereitgestellt,
- – das Lasteinleitungsbauteil wird mit einem Kern verbunden,
- – der Kern wird mit Fasern belegt, zur Ausbildung einer Faserstruktur bzw. eine Mantelteils, wobei auch das Lasteinleitungsbauteil zumindest abschnittsweise mit Faser belegt wird,
- – die Fasern werden in ein Matrixmaterial eingebettet, wobei
- – das Lasteinleitungsbauteil in einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt wird.
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Grundsätzlich können dieselben Merkmale und Vorteile, wie vorstehend beschrieben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteil auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils vorgesehen sein bzw. erzielt werden. In der auf diese Weise erzeugte Faserstruktur sind die Faser als Gewebe, Geflecht, Gelege angeordnet wie bereits im Vorhergehenden beschrieben. Durch die Herstellung des Lasteinleitungsbauteils in einem Rapid-Prototyping-Verfahren kann eine Kostenreduktion insbesondere bei der Herstellung von kleinen und mittleren Stückzahlen erzielt werden. Darüber hinaus bieten diese Verfahren große Änderungsmöglichkeiten verbunden mit geringen Änderungskosten.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Kern ein geschäumter Kern ist. Als Material für das Kernmaterial eignen sich insbesondere Polyethylenterephthalat, Polymethacrylimid, Polyurethan.
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Das Lasteinleitungsbauteil kann mit schaumfähigen Material umschäumt werden, wobei zeitgleich der Kern gebildet wird und dieser auch mit dem Lasteinleitungsbauteil verbunden wird. Dies bietet einerseits den Vorteil einer reduzierten Taktzeit und andererseits den Vorteil einer sehr guten geometrischen Einbindung des Lasteinleitungsbauteils in den Kern.
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Darüber hinaus ist denkbar, dass das das Lasteinleitungsbauteil mit dem Kern formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden wird. Dies erfolgt insbesondere durch zusätzliches Verkleben des Lasteinleitungsbauteils mit dem Kern. Eine stoffschlüssige Verbindung kann sich auch dadurch ergeben, dass der Kern und das Lasteinleitungsbauteil aus ähnlichen oder gleichen Materialien ausgebildet sind. Durch das Fixieren des Lasteinleitungsbauteils in den Kern vor dem Überflechten kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Lasteinleitungsbauteil während des Überflechtens nicht verrutscht und somit positionstreu ist und eine ausreichende Handlingsfestigkeit für Folgeprozesse aufweist. Hierdurch kann eine höhere Fertigungsgenauigkeit erreicht werden.
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Die Verstärkungsfasern bzw. Fasern 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.
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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).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigt:
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1 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoffbauteil in einer schematischen Schnittdarstellung.
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1 zeigt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteils 10.
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Das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 weist ein Mantelteil 40 bzw. eine Ummantelung 20 auf, das in ein Matrixmaterial 30 eingebettet ist.
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Das Mantelteil 20 ist aus Fasern 25 gebildet. Die Fasern 25 wiederum sind im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung Kohlefasern. Grundsätzlich ist aber denkbar, dass jegliche Art von geeigneten Fasern, z.B. Glasfasern, für das Profilteil verwendet werden.
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Das Matrixmaterial 30 ist hier ein thermoplastisches Material. Denkbar ist aber auch, dass das Matrixmaterial ein duroplastisches Material ist.
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Zur Verstärkung der Struktur des Faserverbundwerkstoffbauteils 10 ist an einer Lasteinleitungsstelle ein Lasteinleitungsbauteil 40 vorgesehen. Das Lasteinleitungsbauteil 40 besteht aus einem hochfesten Kunststoff oder aus Metall und ist mit abgeschrägten oder abgerundeten Kanten versehen.
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Die Höhe des Lasteinleitungsbauteils 40 ist geringer als seine Breite. Das Lasteinleitungsbauteil 40 weist Hinterschitte 42 auf. Ein figürlich oberer Hinterschnitt steht dabei mit dem Kern 50 in formschlüssiger Verbindung. Ein figürlich unterer Hinterschnitt steht mit dem Mantelteil 20 in formschlüssiger Verbindung. Die Hinterschnitte 42 können als umlaufende Kragen oder als hervorstehende Flügel oder Laschen ausgebildet sein.
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Um das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 herzustellen, wird zunächst das Lasteinleitungsbauteil 40 mit einem schäumfähigen Material umschäumt, zur Ausbildung des Kerns 50. Durch die hinterschnittige Geometrie des Lasteinleitungsbauteils 40 ist dieses mit dem Kern 50 zumindest temporär fixiert.
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Dann wird der Kern 50 mit dem daran fixierten Lasteinleitungsbauteil 40 mit Fasern 25 umflochten oder umwickelt. Dabei wird das Lasteinleitungsbauteil 40 in die Faserstruktur 25 bzw. das Fasergeflecht 25 integriert.
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Sodann wird das Mantelteil 20 mit dem darin eingeflochtenen Lasteinleitungsbauteil 40 mit einem Matrixmaterial 30 umspritzt, sodass Profilteil 20 und Lasteinleitungsbauteil 40 von dem Matrixmaterial 30 verbunden werden und in das Matrixmaterial 30 eingebettet sind.
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Der Kern 50 kann hierauf entfernt werden, in dem er beispielsweise chemisch oder physikalisch aufgelöst und aus dem Faserverbundbauteil 10 ausgespült wird. Alternativ dazu kann der Kern 50 jedoch auch im Faserverbundbauteil 10 verbleiben.
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Wie in 1 ersichtlich, ist das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 ein Hohlprofil, das dadurch erzeugt wird, dass bei der Herstellung des Profils ein Kern 50 in das Hohlprofil eingesetzt wird, der nachträglich wieder entfernt wird.
