DE102017113111A1 - Faserverbundmaterial für ein Bauteil mit Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung zur gezielten Leitung des Körperschalls und Erhöhung der Dämpfung - Google Patents

Faserverbundmaterial für ein Bauteil mit Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung zur gezielten Leitung des Körperschalls und Erhöhung der Dämpfung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundmaterial (161) aufweisend in eine Matrix (18) eingebrachte Fasern (17), wobei die Faser-Matrix-Haftung in einem vorbestimmten Bereich (21) gegenüber einem dem vorbestimmten Bereich umgebenden Bereich reduziert ist, um gezielt die Leitung des Körperschalls in dem Faserverbundmaterial zu beeinflussen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundmaterial aufweisend in eine Matrix eingebrachte Fasern und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundmaterial aufweisend in eine Matrix eingebrachte Fasern.
  • Eine angreifende Kraft, Impuls oder harmonische Schwingungen breiten sich in Festkörpern in Form von Wellen aus, dem sogenannten Körperschall. Diese Wellen, insbesondere Biegewellen, erzeugen wiederrum Oberflächenschwingungen, die in Form von Luftschall hörbar werden. Bei Bauteilen, insbesondere bei Bauteilen für Kraftfahrzeuge, ist man daher stets bestrebt die Körperschallausbreitung in Festkörpern zu minimieren, zu verhindern, bzw. so umzuleiten, sodass der aus dem Körperschall resultierende Luftschall reduziert wird oder durch Personen nicht als störend wahrgenommen wird. Die Körperschallleitung kann bei isotropen Werkstoffen durch Steifigkeitssprünge (Impedanzsprünge) in Form von Streben, Sicken, Dickensprüngen, sowie Löchern beeinflusst werden. Weitere Möglichkeiten sind viskoelastische Zwischenschichten oder Zusatzmassen, die als Tilger funktionieren. Diese Lösungen führen jedoch meist zu einem höheren Massen, einem größeren Bauraum bzw. zu einer Schwächung der Struktur hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit.
  • In der Automobilindustrie finden der Leichtbaugedanke und der damit einhergehende Einsatz von Faserverbundwerkstoffen immer mehr Beachtung. Im Stand der Technik offenbart die DE 10 2009 052 263 A1 ein Faserverbundmaterial, wobei ein Teil des Liniengebildes ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen aufweist. Ein Nachteil dieser Lösung besteht in dem aufwändigen Aufbau, da zumindest zwei unterschiedliche Liniengebilde benötigt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Faserverbundmaterial anzugeben, welches ein gezieltes Dämpfungsverhalten hat und einen einfachen Aufbau aufweist.
  • Diese Aufgabe wird von einem Faserverbundmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Faserverbundmaterials mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
  • Demnach ist ein Faserverbundmaterial aufweisend in eine Matrix eingebrachte Fasern vorgesehen, wobei die Faser-Matrix-Haftung in einem vorbestimmten Bereich gegenüber einem dem vorbestimmten Bereich umgebenden Bereich reduziert ist. Durch die Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung kann gezielt die Körperschallleitung beeinflusst werden bzw. die Dämpfung des Körperschalls in dem Faserverbundmaterial erhöht werden.
  • Bevorzugt ist einer oder mehrerer dieser Bereiche mit reduzierter Faser-Matrix-Haftung an Stellen angeordnet, in denen ohne derartige Bereiche mit reduzierter der Faser-Matrix-Haftung sich im Wellenbild maximale Amplituden ausbilden würden.
  • Weiter können derartige Bereich mit mit reduzierter Fasermatrixhaftung an Stellen im Bauteil ausgebildet werden, die direkt im Schallweg zwischen einer Schallquelle und einem gut Resonanzen ausbildendem Bereich liegt. Hier kann es sich beispielsweise in einem Kraftfahrzeug um den Schalleintrag durch einen Antriebsmotor und der Resonanz in der Fahrzeugkarosserie handeln. So können solche Bereiche in Anbindungspunkte für den Antriebsmotor ausgebildet werden.
  • Die Länge der reduzierten Faserhaftung beträgt bevorzugt weniger als 100mm und bevorzugt mehr als 5mm. Mehr zu bevorzugen sind Längen von derartigen Bereichen die weniger als 50mm betragen.
  • Bevorzugt kann das Faserverbundmaterial für Bauteile eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Das Faserverbundmaterial kann jedoch auch für Bauteile in anderen Vorrichtungen zum Einsatz kommen.
  • Bevorzugt weist das Faserverbundmaterial eine lokale Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung auf, die die gezielte Leitung des Körperschalls beeinflusst.
  • Bevorzugt sind die Matrix aus Kunstharz und/oder die Fasern aus Glas (GF), Aramid- oder Kohlenstoff gebildet.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel kann zur Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung die Faser mit einem Pulver-Binder beschichtet sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Trennfolie zwischen den Schichten des Lagenaufbaus des faserverstärkten Verbundwerkstoffs eingearbeitet ist.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Faser mit einer hydrophoben Oberflächenbehandlung zur Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung behandelt.
  • Zur Optimierung der Bearbeitungszeit erfolgt die hydrophobe Oberflächenbehandlung bevorzugt durch automatisierte Plasmabehandlung.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Plasmabehandlung ungesättigte fluorierte Monomere oder Octafluorcyclobutan C4F8 umfasst.
  • Vorzugsweise ist ein Chassis (Fahrwerk oder Fahrgestell) oder eine Karosserie für ein Kraftfahrzeug mindestens teilweise aus dem Faserverbundmaterial hergestellt.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug mit einer in einer Lenkspindellagereinheit um eine Längsachse drehbar gelagerten Lenkspindel und mit einem Halteteil, das dazu ausgebildet ist, die Verbindung der Lenkspindellagereinheit mit einer Karosserie des Kraftfahrzeuges auszubilden, so herstellt sind, dass mindestens ein Bauteil der Lenksäule mindestens teilweise aus dem Faserverbundmaterial hergestellt ist. Der Bereich der reduzierten Faser-Matrix-Haftung wird dabei eingesetzt, um eine Ausbreitung des Körperschalls so in dem Bauteil zu beeinflussen, dass für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs Störgeräusche vermieden werden können.
  • Vorzugsweise ist das mindestens teilweise aus dem Faserverbundmaterial hergestellte Bauteil das Halteteil oder die Lenkspindellagereinheit. Es ist ebenfalls denkbar und möglich, dass die Lenkspindel aus dem Faserverbundmaterial hergestellt ist.
  • Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, aus einem Faserverbundmaterial aufweisend in eine Matrix eingebrachte Fasern vorgesehen, das folgende Schritte umfasst:
    • • Teilweises Beschichten der Faser mit einer hydrophoben Oberflächenbehandlung zur Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung in einem vorbestimmten Bereich des Bauteils,
    • • Aufbringen der Matrix auf die teilweise beschichtete Faser.
  • Die Beschichtung verhindert eine Verbindung der Faser mit der Matrix, wodurch die Faser-Matrix-Haftung deutlich verringert werden kann, was die Dämpfung des Körperschalls in dem Bauteil erhöht.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Faser ein flächiges Halbzeug in Form eines CF- oder GF- Geleges oder Gewebes bildet, das mit der hydrophoben Oberflächenbehandlung versehen wird.
  • Vorzugsweise erfolgt die Beschichtung der Faser durch eine automatisierte Plasmabehandlung der trockenen Faser, wobei bevorzugt ungesättigte fluorierte Monomere C8 oder Octafluorcyclobutan C4F8 verwendet werden.
  • Die Oberflächenbehandlung der Faser kann Teil eines Preformprozesses oder eines Pultrusionsprozesses sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
    • 1: eine räumliche Darstellung einer Lenksäule mit einem Halteteil aus einem Faserverbundmaterial,
    • 2: eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Faserverbundmaterials,
    • 3: eine schematische Darstellung eines Faserverbundmaterials mit lokaler Modifikation der Faser-Matrix-Haftung,
    • 4: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit aus erfindungsgemäßem Faserverbundmaterial gefertigter Karosserie, sowie
    • 5: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Faserverbundmaterials mit lokaler Modifikation der Faser-Matrix-Haftung.
  • 1 veranschaulicht eine Lenksäule 1 eines Kraftfahrzeuges, die eine Lenkspindel 2 umfasst, die um ihre Drehachse drehbar in einer Lenkspindellagereinheit 3, aufweisend ein Mantelrohr 4, gelagert ist. Das Mantelrohr 4 ist in einer Führungsklammer 5 entlang der Längsachse der Lenkspindel 2 verschiebbar geführt. Die Führungsklammer 5 ist um eine Schwenkachse 61 in einem Halteteil 6 schwenkbar gelagert. Das Halteteil 6 kann in Befestigungspunkten 7 an der nicht dargestellten Karosserie befestigt werden. Die von einem Fahrer über ein (nicht dargestelltes) Lenkrad in die Lenkspindel 2 eingebrachte Drehbewegung wird über ein Kardangelenk 8 und weitere Lenkwellenteile 9 in das nicht dargestellte Lenkgetriebe eingebracht. Zur Erhöhung des Komforts des Fahrers kann die Lenksäule 1 in ihrer Höhe in die Verstellrichtung 10 und in ihrer Länge in die Verstellrichtung 11 verstellt werden. Hierzu ist ein Fixiermechanismus 12 vorgesehen, der einen im Stand der Technik bekannten Spannapparat 13 umfasst. Durch Drehen eines Spannhebels 14 des Spannapparates 13 kann das Fixiersystem 12 wahlweise in eine geöffnete Stellung oder eine geschlossene Stellung umgeschaltet werden. In der geöffneten Stellung kann die Lenkspindel 2, beziehungsweise das daran befestigte Lenkrad (nicht dargestellt) in ihrer Position verstellt werden, insbesondere in der Längsrichtung 11 und der Höhen- oder Neigungsrichtung 10 verschoben werden. In der geschlossenen Stellung des Fixiersystems 12 ist die Lenksäule 1 in ihrer Position fixiert. In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform kann das Mantelrohr 4 gegenüber dem Halteteil 6 mittels eines motorischen, bevorzugt elektrischen, Antriebs verstellt werden.
  • Das Halteteil 6 ist aus einem erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundwerkstoff gebildet. Faserverbundwerkstoffe sind Materialien aus Verstärkungsfasern, die in eine Matrix eingebunden sind, wodurch der Werkstoff extrem leicht ausgebildet ist. Die Matrix ist bevorzugt aus Kunstharz und die Fasern können aus Glas (GF), Aramid- oder Kohlenstoff (CF) bestehen. Das Faserverbundmaterial weist eine lokale Modifizierung bzw. Reduzierung der Faser Matrix-Haftung auf. Dadurch wird eine Relativ-Bewegung zwischen Faser und Matrix zugelassen, wodurch eine innere Reibung erzeugt wird und somit die Dämpfung erhöht ist. Des Weiteren stellt die lokale Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung eine Veränderung des Elastizitätmoduls dar, was zu einer Veränderung der mechanischen Impedanz führt, die wiederum zur gezielten Leitung des Körperschalls genutzt werden kann. Somit können verbesserte Schwingungseigenschaften erzielt werden.
  • 2 zeigt ein Beispiel für einen Körperschallverlauf 15 in einem herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten faserverstärkten Verbundwerkstoff 16, bestehend aus Fasern 17 und Matrix 18. Ausgehend von einem Anregungspunkt 19 breitet sich der Körperschall 15 aus. Dabei entsteht ein Bereich mit einer großen Körperschallintensität 20, der z. B. vom Fahrer als störend wahrgenommen wird.
  • 3 zeigt ein Beispiel für einen Körperschallverlauf 151 in einem faserverstärkten Verbundwerkstoff 161 nach der erfindungsgemäßen Modifikation der Faser-Matrix-Haftung. Der Körperschall 151 breitet sich vom Anregungspunkt 19 aus und wird durch eine lokale Modifizierung 21 der Faser-Matrix-Haftung beeinträchtigt. Der Bereich der maximalen Intensität 22 lässt sich dadurch in einen unkritischen Bereich verschieben, der von dem Fahrer nicht wahrgenommen werden kann.
  • 4 zeigt die Verwendung des modifizierten faserverstärkten Verbundwerkstoffs 161 in einer Karosserie 23 eines Kraftfahrzeuges. Bevorzugt kann ein Unterboden der Karosserie 23 aus dem modifizierten faserverstärkten Verbundwerkstoff 161 gebildet sein.
  • Die Modifikation kann auch, wie in 5 gezeigt ist, verwendet werden. Dabei triff der Körperschall, ausgehend vom Anregungspunkt 19, auf die lokale Modifizierung 21 der Faser-Matrix-Haftung, und der Körperschall wird von der Modifizierung 21 ausgehend abgeleitet.
  • Die Reduzierung bzw. Modifikation der Faser-Matrix-Haftung kann auf unterschiedliche Wege erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Faser mit einer hydrophoben und daher unpolaren Oberflächenbehandlung bearbeitet. Diese Oberflächenbehandlung führt dazu, dass in dem nachfolgenden Schritt des Aufbringens der Matrix, diese auf der beschichteten Faser nicht oder nur gering haftet und somit die Faser-Matrix-Haftung stark minimiert wird.
  • Die Oberflächenbehandlung kann eine automatisierte Plasmabehandlung (z. B. Edelgasplasma mit einem Perfluormonomer) sein, die auf die trockenen Halbzeuge (z. B. Fasergewebe, Fasergeflecht) angewendet wird. Durch diese Plasmabehandlung wird die Faser umgebende Schlichte so modifiziert, dass die Faser-Matrix-Haftung im entsprechenden Bereich reduziert wird. Für die Plasmabehandlung werden bevorzugt ungesättigte fluorierte Monomere C8 oder Octafluorcyclobutan C4F8 verwendet.
  • Vorteilhaft an der Plasmabehandlung ist der Grad der Automatisierung und die Möglichkeit die Modifizierung lokal einzusetzen. Die Position und Größe der Modifikation muss abhängig von dem Körperschallfluss, der Geometrie des Halbzeuges und der Anregungsart definiert werden. Dies kann zum Beispiel in einer Strukturintensitätsanalyse sichtbar gemacht werden.
  • Auch die Anwendung der Plasmabehandlung in Preformprozessen ist möglich, wie z. B. Flechten oder der Tailored Fibre Placement (TFP) Technologie mit nachgeschaltetem Druck-Harzinjektionsverfahren RTM (Resin Transfer Moulding).
  • Auch die Anwendung im Pultrusionsprozess zur Herstellung von Profilen ist vorgesehen. Dabei werden Glas-, Kohlestoff-, Metall- oder Naturfaser in eine Polymermatrix eingearbeitet. Durch den Pultrusionsprozess werden die Einzelfasern der Faserstränge imprägniert. Es wird eine dauerhafte homogene Verbindung von Trägerpolymer und Einzelfaser hergestellt. Die Aufbereitung der Polymere erfolgt in einem Extruder. Da die Geschwindigkeit der für den Pultrusionsprozess vorgesehenen Anlage konstant ist, kann eine lokale Modifikation der Fasern mit Plasmabeschichtung, bevor sie mit Harz imprägniert werden, erfolgen. Die Position der Modifizierung kann bis zum Zuschnitt auf Länge, am Ende der Anlage, mitverfolgt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Position der Modifikation im finalen Bauteil auch an der gewünschten Stelle ist.
  • Es kann in anderen Ausführungsformen auch vorgesehen sein, die Faser-Matrix-Haftung zu minimieren, durch Beschichtung der Faser mit einem Pulver-Binder und/oder Verwendung einer Trennfolie, die in den Lagenaufbau des faserverstärkten Verbundwerkstoffs zwischen den Schichten eingearbeitet wird.
  • 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
    • DE 102009052263 A1 [0003]

Claims (16)

  1. Ein Faserverbundmaterial (161) aufweisend in eine Matrix (18) eingebrachte Fasern (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Matrix-Haftung in einem vorbestimmten Bereich (21) gegenüber einem dem vorbestimmten Bereich umgebenden Bereich reduziert ist.
  2. Faserverbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung (21) gezielt die Leitung des Körperschalls beeinflusst.
  3. Faserverbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) aus Kunstharz und/oder die Fasern (17) aus Glas (GF), Aramid- oder Kohlenstoff (CF) sind.
  4. Faserverbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (17) mit einem Pulver-Binder beschichtet ist.
  5. Faserverbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennfolie zwischen den Schichten des Lagenaufbaus des faserverstärkten Verbundwerkstoffs (161) eingearbeitet ist.
  6. Faserverbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (17) mit einer hydrophoben Oberflächenbehandlung zur Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung behandelt ist.
  7. Faserverbundmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Oberflächenbehandlung durch automatisierte Plasmabehandlung erfolgt ist.
  8. Faserverbundmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung ungesättigte fluorierte Monomere oder Octafluorcyclobutan C4F8 umfasst.
  9. Ein Chassis oder eine Karosserie (23) für ein Kraftfahrzeug, das mindestens teilweise aus einem Faserverbundmaterial (161) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
  10. Eine Lenksäule (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer in einer Lenkspindellagereinheit (3) um eine Längsachse drehbar gelagerten Lenkspindel (2) und mit einem Halteteil (6), das dazu ausgebildet ist, die Verbindung der Lenkspindellagereinheit (3) mit einer Karosserie des Kraftfahrzeuges auszubilden, wobei mindestens ein Bauteil der Lenksäule (1) mindestens teilweise aus einem Faserverbundmaterial (161) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
  11. Lenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens teilweise aus dem Faserverbundmaterial (161) hergestellte Bauteil das Halteteil (6) oder die Lenkspindellagereinheit (3) ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (6, 23) aus einem Faserverbundmaterial (161) aufweisend in eine Matrix (18) eingebrachte Fasern (17), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Teilweises Beschichten der Faser (17) mit einer hydrophoben Oberflächenbehandlung zur Reduzierung der Faser-Matrix-Haftung in einem vorbestimmten Bereich des Bauteils, • Aufbringen der Matrix (18) auf die teilweise beschichtete Faser (17).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (17) ein flächiges Halbzeug in Form eines CF- oder GF- Geleges oder Gewebes bildet.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Faser (17) durch eine automatisierte Plasmabehandlung der trockenen Faser (17) erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung ungesättigte fluorierte Monomere oder Octafluorcyclobutan C4F8 umfasst.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung der Faser (17) Teil eines Preformprozesses oder eines Pultrusionsprozesses ist.
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