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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, welches wenigstens in einem Teilbereich durch einen textilen Einleger verstärkt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein mit diesem Verfahren hergestelltes Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, wobei es sich insbesondere um einen im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs montierbaren Montagerahmen für bspw. wenigstens einen Wärmetauscher oder ähnliches handelt.
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Die
DE 10 2012 010 768 A1 beschreibt ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere in Form eines im Front- oder Heckbereich des Fahrzeuges montierbaren Montageträgers, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Strukturbauteil besteht aus Kunststoff und ist als ein Formteil gefertigt und weist wenigstens in Teilbereichen zwei oder mehrere Gewebelagen (GF, CF) auf, welche mit einem thermoplastischen Kunststoff (KU) umspritzt sind. Insbesondere wird auch auf den in der
DE 10 2012 010 768 A1 beschriebenen Stand der Technik hingewiesen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren betreffender Art anzugeben, mit dem sich in einfacher Weise leichte und belastbare Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile herstellen lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend Patentanspruch 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäß hergestelltes Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte auf:
- – Anfertigen wenigstens eines Verstärkungsfasern enthaltenden bzw. aus Verstärkungsfasern, insbesondere Lang- oder Endlosfasern, gebildeten textilen Einlegers, der eine netzartige Basisverstärkung und wenigstens eine daran befestigte lokale Zusatzverstärkung umfasst bzw. aufweist; und
- – Platzieren des Einlegers in der Kavität eines Spritzgießwerkzeugs, Schließen des Werkzeugs bzw. der Kavität und Ausführen eines Spritzgießprozesses durch Einspritzen eines Kunststoffmatrixmaterials in die geschlossene Kavität, wobei der Einleger vollständig in das eingespritzte Kunststoffmatrixmaterial eingebettet wird.
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Nach dem Aushärten des eingespritzten Kunststoffmatrixmaterials kann das Werkzeug geöffnet und das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil entnommen werden. Das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil ist für gewöhnlich verbaufertig, d. h., weitere Nachbearbeitungsschritte sind eigentlich nicht vorgesehen.
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Bevorzugt werden alle Schritte und Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest teilautomatisiert und insbesondere vollautomatisiert ausgeführt.
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Unter einer netz- oder auch gitterartigen Basisverstärkung wird ein aus Verstärkungsfasern, insbesondere Lang- oder Endlosfasern, oder Faserrovings gebildetes, mehr oder weniger grob- bzw. großmaschiges textiles Flächengebilde mit gleichmäßigen oder auch ungleichmäßigen Maschen bzw. Öffnungen verstanden, das in dem betreffenden Bauteilbereich eine Basisverstärkung bildet. Bei diesen Verstärkungsfasern handelt es sich bspw. um Glas- oder Kohlenstofffasern, wobei prinzipiell auch andere organische sowie anorganische Fasern möglich sind. Bevorzugt handelt es sich um rhombische, quadratische oder rechteckige Maschen, die eine Maschenweite von 3 mm bis 7 mm, vorzugsweise von 4 mm bis 6 mm und insbesondere von ca. 5 mm. aufweisen können. Die Maschenweite ist der in der Mitte einer Masche bzw. Öffnung gemessene lichte Abstand zwischen den Netzsträngen bzw. -fäden. Das Flächengewicht beträgt bspw. nur 50 bis 100 g/m^2.
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In besonders belasteten Bauteilbereichen (häufig sind dies typische Versagenszonen, die bspw. in Versuchen oder Simulationen eruiert werden können), sind an dieser gitterartigen Basisverstärkung ebenfalls aus Verstärkungsfasern, insbesondere Lang- oder Endlosfasern, gebildete Zusatzverstärkungen angebracht, wie nachfolgend noch näher erläutert. Bei diesen Verstärkungsfasern handelt es sich um organische oder anorganische Fasern, bspw. um Glas-, Kohlenstoff-, Kunst- oder Naturfasern.
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Sowohl bei der netzartigen Basisverstärkung als auch bei der wenigstens einen daran angebrachten Zusatzverstärkung handelt es sich bevorzugt um trockene, d. h. nicht mit einem Matrixmaterial vorimprägnierte Fasermaterialien. Das trockene Fasermaterial kann allerdings mit einer sogenannten Schlichte versehen sein, die die spätere Imprägnierung mit Kunststoffmatrixmaterial erleichtert bzw. den erreichbaren Imprägnierungsgrad verbessert. Die Einbettung der Fasermaterialien erfolgt in einem Spritzgießprozess bzw. -vorgang, bei dem das Kunststoffmatrixmaterial direkt in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird, ohne dass ein vorgeschalteter Vorwärmprozess nötig ist. Der wenigstens eine Einleger kann in an und für sich bekannter Weise z. B. mittels Dornen oder Stiften in der Kavität fixiert werden. Bei dem Kunststoffmatrixmaterial handelt es sich insbesondere um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial. Das insbesondere thermoplastische Kunststoffmatrixmaterial kann mit Kurzfasern angereichert sein. Bei diesen Kurzfasern handelt es sich bspw. um Glas- oder Kohlenstofffasern, wobei prinzipiell auch andere organische sowie anorganische Kurzfasern möglich sind. Der Faservolumenanteil kann bis zu 30 % und mehr betragen.
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Die gitterartige Basisverstärkung ermöglicht eine gute Durchtränkung mit dem Kunststoffmatrixmaterial, selbst dann, wenn dieses mit Kurzfasern angereichert ist. Dadurch können belastbare Bauteile mit dünnen Wandstärken und geringem Gewicht hergestellt werden, wobei in besonders belasteten Bereichen eine zusätzliche Verstärkung erfolgt, so dass in diesen Bereichen quasi eine doppelte Verstärkung besteht. Potentielle Versagenszonen werden also partiell verstärkt. Durch eine solche zielgerichtete Verstärkung können Leichtbaupotentiale besser ausgeschöpft und synergetische Effekte zwischen Fasern und Matrix besser genutzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also in einem einfachen Prozessdurchlauf leichte und belastbare Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile hergestellt werden, die auch hohe Sicherheitsanforderungen (bspw. bei Crash-Belastung) erfüllen.
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Als Zusatzverstärkung des Einlegers kann wenigstens ein Roving bzw. Faserroving (im Folgenden auch als Rovingfaden bezeichnet) verwendet werden. Unter einem Faserroving wird ein Bündel aus einzelnen Verstärkungsfasern bzw. -filamenten, insbesondere aus Glas-, Kohlenstoff-, Kunst- oder Naturfasern (oder auch anderen organischen sowie anorganische Fasern), verstanden. Insbesondere handelt es sich um einen trockenen (s. o.) Faserroving. Der Verlauf eines Faserrovings ist prinzipiell frei wählbar und die individuelle Positionierung beanspruchungsgerecht anpassbar. Ein oder mehrere Faserrovings können dabei auch über Kreuz oder mit Schlaufen angeordnet werden. Optimale Verläufe können bspw. durch Simulation und/oder Versuche ermittelt werden. Es können auch mehrere hinsichtlich Material und/oder Dimensionierung unterschiedliche Faserrovings verwendet werden. Ein Faserroving kann bspw. mittels Heftfaden an der netzartigen Basisverstärkung fixiert werden (s. u.). Ebenso ist denkbar, einen Faserroving mittels Nadel, Schiffchen oder dergleichen in die netzartige Basisverstärkung einzuarbeiten, bspw. einzuweben.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass mit dem wenigstens einen Faserroving ein flächiges Verstärkungsgebilde erzeugt wird. Damit ist gemeint, dass der eindimensionale Faserroving bzw. Rovingfaden in dem betreffenden Bereich so auf der netzartigen Basisverstärkung angeordnet bzw. abgelegt wird, dass eine zweidimensionale Verstärkungsstruktur, die als Zusatzverstärkung fungiert, entsteht.
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Als Zusatzverstärkung kann auch ein Faserhalbzeugzuschnitt (Patch) verwendet werden. Faserhalbzeuge sind Verstärkungsfasern, insbesondere Lang- oder Endlosfasern, enthaltende Gewebe, Gelege, Vliese und dergleichen, die insbesondere ein höheres Flächengewicht als das für die netzartige Basisverstärkung verwendete textile Flächengebilde aufweisen. Das Flächengewicht beträgt bspw. 200 bis 300 g/m^2. Bevorzugt handelt es sich um ein trockenes Faserhalbzeug. Eine optimale Zuschnittsgröße und -form können bspw. durch Simulation und/oder Versuche ermittelt werden. An einer netzartigen Basisverstärkung können mehrere Faserhalbzeugzuschnitte befestigt werden, die gleiche oder verschiedene Zuschnittsformen haben und die aus demselben Faserhalbzeug oder unterschiedlichen Faserhalbzeugen erzeugt sind.
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Die vorausgehend erläuterten Möglichkeiten zur Anfertigung bzw. Erzeugung eines Einlegers bzw. Verstärkungseinlegers mit einer Basisverstärkung und mit wenigstens einer daran befestigten lokalen Zusatzverstärkung können im Rahmen der Erfindung auch miteinander kombiniert werden. D. h., ein zur Verstärkung des herzustellenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils verwendeter Einleger kann mehrere Zusatzverstärkungen aufweisen, die auch unterschiedlich ausgebildet bzw. erzeugt sein können.
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Ein Faserroving oder ein Faserhalbzeugzuschnitt kann durch Heften mittels Heftfaden an der netzartigen Basisverstärkung befestigt werden, bspw. durch Häkelmaschen oder dergleichen. Als Heftfaden kommt insbesondere ein Polymerfaden in Betracht. Der Heft- bzw. Polymerfaden dient der temporären Fixierung bis zum Aushärten des eingespritzten Kunststoffmatrixmaterials und kann sich je nach Auslegung auflösen oder beständig in den Verbund eingehen.
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Das mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte erfindungsgemäße Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und in wenigstens einem Teilbereich mit einem vollständig in Kunststoffmatrixmaterial eingebetteten, aus Verstärkungsfasern gebildeten textilen Einleger verstärkt, wobei der textile Einleger eine netzartige Basisverstärkung und wenigstens eine daran befestigte lokale Zusatzverstärkung aufweist, wie vorausgehend beschrieben. Unter einer vollständigen Einbettung wird verstanden, dass der Einleger im Wesentlichen überall, d. h. an allen Stellen von Kunststoffmatrixmaterial umgeben und somit idealerweise unsichtbar ist, insbesondere bei Verwendung eines intransparenten Kunststoffmatrixmaterials.
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Bevorzugt handelt es sich um einen, insbesondere einstückigen, Montagerahmen für wenigstens einen im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs anzuordnenden Wärmetauscher (ein solcher Rahmen kann auch als Kraftfahrzeugmontagerahmen oder als Wärmetauschermontagerahmen für Kraftfahrzeuge bezeichnet werden), wobei die Seitenteile bzw. Seitengurte dieses Montagerahmens mit jeweils einem textilen Einleger, die eine netzartige Basisverstärkung und wenigstens eine daran befestigte lokale Zusatzverstärkung aufweisen, verstärkt sind. Auch andere Rahmenteile (bspw. der Obergurt, der Untergurt oder die Eckbereiche) können mit wenigstens einem solchen textilen Einleger verstärkt sein. Bevorzugt weisen die mittels textilem Einleger verstärkten Rahmenteile nur eine Wanddicke zwischen 2 mm und 3 mm auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
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1 zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten Montagerahmen.
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2 zeigt ausschnittsweise einen textilen Einleger, der zur Verstärkung des Montagerahmens aus 1 verwendet wird.
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3 zeigt analog zu 2 eine andere Ausführungsmöglichkeit für einen textilen Einleger.
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1 zeigt einen rahmenartigen Montageträger bzw. Montagerahmen 100, der im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet wird und zur Aufnahme wenigstens eines Wärmetauschers (Kühler) vorgesehen ist. Am Montagerahmen 100 können außerdem weitere Teile, wie bspw. Scheinwerfer, Sensoren, Kabelbäume und dergleichen befestigt werden. Der einstückige Montagerahmen 100 weist ein oberes Rahmenteil bzw. einen Obergurt 110, ein unteres Rahmenteil bzw. einen Untergurt 120 und seitliche Rahmenteile bzw. Seitenteile 130 und 140 auf.
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Der Montagerahmen 100 ist ein aus einem Faser-Kunststoff-Verbund gebildetes Spritzgussteil und dadurch leicht und belastbar. Das verwendete Kunststoffmaterial, wobei es sich insbesondere um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial handeln kann, ist mit Kurzfasern versetzt. Als Kunststoffmaterial wird vorzugsweise Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyethylen (PE) oder ein anderes geeignetes Thermoplast verwendet. Zusätzlich sind in den bei einem Auffahrunfall besonders belasteten Seitenteilen 130 und 140 textile Einleger 200 (siehe auch 2 und 3) verarbeitet, wodurch diese Seitenteile 130 und 140 ohne zusätzliche Aufdickung besonders stabil sind. Die Seitenteile 130 und 140 weisen bspw. eine Wanddicke von nur 2 mm bis 3 mm auf. In analoger Weise kann auch das obere Rahmenteil bzw. der Obergurt 110 und/oder das untere Rahmenteil bzw. der Untergurt 120 mit wenigstens einer solchen Verstärkung ausgebildet sein.
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Die umrandeten Bereiche B sind crashbelastete Bereiche, in denen Crashsensoren zur Auslösung von Airbags befestigt werden. Etwaige Bauteilbrüche in diesen Bereichen stören die Crashsignalübertragung. Diese Bauteilbereiche B müssen daher besonders stabil sein, was durch entsprechende Ausgestaltung der Einleger 200 bewerkstelligt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verstärkungskonzept handelt es sich um eine strukturelle, d. h. in die Bauteilstruktur eingebundene Faserverstärkung mit bereichsweise ausgebildeter zusätzlicher Faserverstärkung, was sich grundlegend von nachträglich aufgebrachten Verstärkungselementen, wie bspw. Blechverstärkungen aus Stahl- oder Aluminiumblech, unterscheidet. Mit der Erfindung wird die Crashsignalübertragung optimal gewährleistet, aber möglichst wenig Bauteilgewicht dafür aufgewendet. Es werden nur dort viele Verstärkungsfasern eingesetzt, wo diese auch benötigt werden (gezielter Einsatz von Verstärkungsfasern). Material, Gewicht und Kosten werden eingespart.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines textilen Einlegers 200. Der Einleger 200 umfasst eine netzartige Basisverstärkung 210, die relativ grobmaschig ist und die bandartig im Wesentlichen das komplette Seitenteil 130 bzw. 140 durchstreckt. Bevorzugt handelt es sich um ein Glasfasergitter bzw. -netz, das bspw. eine Maschenweite von 5 mm × 5 mm aufweist. Solche netzartigen Flächengebilde sind als Halbzeuge erhältlich oder können gegebenenfalls auch selbst hergestellt werden (bspw. durch Bandweben mit entsprechenden Abständen zwischen Kett- und Schussfäden). Der Einleger 200 umfasst ferner eine aus mehreren einzelnen Rovings bzw. Rovingfäden 220 gebildete lokale Zusatzverstärkung, die in dem besonders belasteten Bereich B an der Basisverstärkung 210 befestigt ist. Die einzelnen Rovings 220 können einen eingeleiteten Crashimpuls aufnehmen. Die Rovings sind bspw. aus Glas-, Kohlenstoff-, Kunst- oder Naturfasern gebildet. Bevorzugt ist allerdings ein faserhomogener Aufbau, bei dem nur Verstärkungsfasern einer Sorte verwendet werden.
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Die Rovings- bzw. Rovingfäden 220 können mit Hilfsmitteln 300, wobei es sich bspw. um Nadeln oder Webschiffchen handelt, in die Netzstruktur der Basisverstärkung 210 eingefädelt bzw. eingewebt oder gegebenenfalls auch aufgehäkelt werden, was üblicherweise automatisiert erfolgt. Die Faserzusatzverstärkung ist belastungsgerecht ausgelegt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rovings 220 so angeordnet werden, dass sich ein flächiges Verstärkungsgebilde 230 ergibt, wie mit der strichlinierten Umrisslinie dargestellt. Anstatt mehrerer Rovings 220 kann auch nur ein einzelner Roving bzw. Rovingfaden 220 vorgesehen sein, der einem definierten Kurvenzug folgt. In analoger Weise können an der Basisverstärkung 210 weitere Zusatzverstärkungen angebracht werden, bspw. an den Verbindungspunkten zu einem karosserieseitigen Querträger (nicht dargestellt).
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3 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit des textilen Einlegers 200, bei der die Zusatzverstärkung im Bereich B durch einen Faserhalbzeugzuschnitt 240 gebildet ist. Der Faserhalbzeugzuschnitt 240 ist bspw. mit Hilfe eines Polymer-Heftfadens an der netzartigen Basisverstärkung 210 befestigt. Einzelne Heftstellen der Heftung sind mit dem Bezugszeichen 250 bezeichnet.
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Bei beiden in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsmöglichkeiten kann die netzartige Basisverstärkung 210 mit einer variablen Maschengröße ausgebildet sein, worunter insbesondere verstanden wird, dass die Maschen in wenigstens einem Zusatzverstärkungsbereich B kleiner bzw. enger ausgebildet sind als in den übrigen Bereichen, so dass sich in diesem Bereich B eine spinnennetzartige Maschenstruktur ergibt.
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Zur Herstellung des Montagerahmens 100 aus 1 werden gemäß 2 und/oder 3 vorbereitete Einleger 200 in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und in an und für sich bekannter Weise mit einem kurzfaserhaltigen Kunststoffmatrixmaterial umspritzt. Dieser Herstellprozess ist einfach und kostenvorteilig. Außerdem können die gitterartigen Strukturen der Basisverstärkungen 210 vollständig durchspritzt werden, wobei eine sehr gute Durchdringung der Einleger 200 mit dem kurzfaserhaltigen Kunststoffmatrixmaterial ermöglicht wird. Die Einleger 200 werden vollständig in das Kunststoffmatrixmaterial eingebettet und sind hinterher nicht mehr sichtbar. Außerdem können in an und für sich bekannter Weise Funktionselemente, wie bspw. eine Verrippung, mit angespritzt und/oder als Krafteinleitungspunkte dienende Inserts integriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Montagerahmen (Bauteil)
- 110
- oberes Rahmenteil
- 120
- unteres Rahmenteil
- 130
- Seitenteil
- 140
- Seitenteil
- 200
- Einleger
- 210
- Basisverstärkung
- 220
- Roving
- 230
- Verstärkungsgebilde
- 240
- Faserhalbzeugzuschnitt
- 250
- Heftung
- 300
- Hilfsmittel
- B
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012010768 A1 [0002, 0002]
