DE102017201834A1 - Semi-finished product with different properties - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug (1, 1', 1", 1'", 1"", 1'"", 1""") umfassend mindestens eine metallische Schicht (2, 3, 3', 3", 3"') mit mindestens einer stoffschlüssig angebundenen Schicht (4) aus einem Faser-Polymerverbundsystem, welches eine Dicke (h, H), Breite (B) und Länge (L) aufweist, wobei das Halbzeug (1, 1', 1", 1"', 1"",1'"", 1""") über seine Dicke (h, H), Breite (B) und/oder Länge (L) zumindest bereichsweise unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere in der Einzelschichtdicke, Festigkeit und/oder Steifigkeit aufweist.The present invention relates to a semifinished product (1, 1 ', 1 ", 1'", 1 "", 1 "", 1 "" ") comprising at least one metallic layer (2, 3, 3 ', 3", 3 "') with at least one cohesively bonded layer (4) made of a fiber-polymer composite system, which has a thickness (h, H), width (B) and length (L), wherein the semifinished product (1, 1', 1", 1 "', 1" ", 1'" ", 1" "") over its thickness (h, H), width (B) and / or length (L) at least partially different properties, in particular in the single layer thickness, strength and / or stiffness.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Halbzeug mit unterschiedlichen Eigenschaften.The invention relates to a semi-finished product with different properties.
Technischer HintergrundTechnical background
Aus dem Stand der Technik sind Werkstoffverbunde, insbesondere Hybridwerkstoffe mit mindestens einer metallischen Lage und mindestens einer Lage aus einem faserverstärkten Polymer zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils für Fahrzeuge, welches ein möglichst geringes Gewicht und gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Energieaufnahme im Crashfall sowie Festigkeit, aufweist, insbesondere aus der deutschen Offenlegungsschrift
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Halbzeug weiterzubilden, das belastungsgerecht und individuell ausgelegt werden kann.The invention is therefore based on the object to develop a semi-finished, which can be designed to load and individual.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Halbzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a semi-finished product having the features of
Gemäß einem ersten Aspekt ist erfindungsgemäß ein Halbzeug vorgesehen, welches mindestens eine metallische Schicht mit mindestens einer stoffschlüssig angebundenen Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem umfasst, welches eine Dicke, Breite und Länge aufweist, wobei das Halbzeug über seine Dicke, Breite und/oder Länge zumindest bereichsweise unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere in der Einzelschichtdicke, Festigkeit und/oder Steifigkeit aufweist.According to a first aspect, a semifinished product is provided according to the invention, which comprises at least one metallic layer with at least one cohesively bonded layer of a fiber-polymer composite system which has a thickness, width and length, wherein the semifinished product at least over its thickness, width and / or length partially different properties, in particular in the single layer thickness, strength and / or stiffness.
Mit der Erfindung kann über die bereichsweise variierenden Eigenschaften vorzugsweise hinsichtlich der Einzelschichtdicke, der Festigkeit und/oder der Steifigkeit in dem Halbzeug eine bessere Anpassung an die Anforderungen im herzustellenden Bauteil, insbesondere wird eine belastungsgerechte Auslegung ermöglicht, bereitgestellt werden und damit verbunden kann auch eine Gewichtsreduzierung, insbesondere durch Materialeinsparung einhergehen, beispielsweise bei der Reduzierung der Einzelschichtdicke(n). Die metallische Schicht ist vorzugsweise einlagig respektive lagenförmig aus einem metallischen Material gebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem metallischen Material um ein Blech aus einer Stahllegierung, insbesondere einer Kohlenstoff-Stahllegierung, einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung oder einer Edelstahllegierung. Bei Verwendung einer Stahllegierung kann das Blech mit einer Korrosionsschutzschicht zumindest einseitig beschichtet sein.With the invention, a better adaptation to the requirements in the component to be produced, in particular a load-compatible design is made possible over the region-varying properties preferably in terms of single-layer thickness, strength and / or stiffness in the semifinished, and this can also be associated with a weight reduction , Especially accompanied by material savings, for example, in reducing the single-layer thickness (s). The metallic layer is preferably single-layered or layer-formed from a metallic material. Preferably, the metallic material is a sheet of a steel alloy, in particular a carbon-steel alloy, an aluminum alloy, a magnesium alloy or a stainless steel alloy. When using a steel alloy, the sheet may be coated with a corrosion protection layer at least on one side.
Die Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem kann ein- oder mehrlagig ausgeführt sein, wobei bei einer mehrlagigen Ausführung mindestens eine der Lagen auch faserfrei ausgeführt sein kann. Das Faser-Polymerverbundsystem umfasst eine Polymermatrix und Fasern, insbesondere in der Polymermatrix gelagerte Fasern. Als Material für die Polymermatrix sind insbesondere Thermoplaste, wie z. B. Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polyphenylsulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polypropylen (PP), Polyurethan (PU) oder deren Mischungen, sowie Duroplaste, wie z. B. Epoxidharz, Elastomere und thermoplastische Elastomere verwendbar. Als Fasern sind insbesondere Karbonfasern, Glasfasern, Naturfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, Metallfasern, Keramikfasern, mineralische Fasern, recycelte Fasern oder deren Mischungen verwendbar. Hierbei ist ferner der Einsatz als Kurzfaser, Langfaser und/oder als Endlosfaser vorstellbar. Insbesondere können die Fasern als Roving, Matte, Gewebe, Vlies, Tape und/oder Gelege bereitgestellt werden.The layer of a fiber-polymer composite system can be designed in one or more layers, wherein in a multilayer design at least one of the layers can also be designed fiber-free. The fiber-polymer composite system comprises a polymer matrix and fibers, in particular fibers stored in the polymer matrix. As a material for the polymer matrix in particular thermoplastics, such as. As polyamide (PA), polyethylene (PE), polyphenylsulfide (PPS), polysulfone (PSU), polypropylene (PP), polyurethane (PU) or mixtures thereof, and thermosets, such as. As epoxy resin, elastomers and thermoplastic elastomers used. In particular, carbon fibers, glass fibers, natural fibers, aramid fibers, polymer fibers, metal fibers, ceramic fibers, mineral fibers, recycled fibers or mixtures thereof can be used as the fibers. Here, the use as short fiber, long fiber and / or endless fiber is also conceivable. In particular, the fibers may be provided as roving, mat, fabric, nonwoven, tape and / or scrim.
Zur Bildung respektive Bereitstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs sind die metallische Schicht und die Schicht aus dem Faser-Polymerverbundsystem stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei die Schicht des Faser-Polymerverbundsystems vorzugsweise vollflächig oder nur partiell in einem oder mehreren Bereichen auf der metallischen Schicht angeordnet sein kann. Zur Erhöhung der Haftung zwischen den beiden Schichten kann auch eine Zwischenschicht in Form eines Haftvermittlers zwischen Metall und Faser-Polymerverbundsystem berücksichtigt werden.In order to form or provide the semifinished product according to the invention, the metallic layer and the layer of the fiber-polymer composite system are bonded together in a material-locking manner, wherein the layer of the fiber-polymer composite system can preferably be arranged over the entire surface or only partially in one or more regions on the metallic layer. To increase the adhesion between the two layers, an intermediate layer in the form of an adhesion promoter between metal and fiber-polymer composite system can also be considered.
Die unterschiedlichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbzeugs werden insbesondere durch die Eigenschaften der mindestens einen metallischen Schicht und/oder der mindestens einen Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem bestimmt.The different properties of the semifinished product according to the invention are determined in particular by the properties of the at least one metallic layer and / or the at least one layer of a fiber-polymer composite system.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des Halbzeugs weist die metallische Schicht zumindest bereichsweise variierende geometrische und/oder mechanische Eigenschaften auf. Die metallische Schicht respektive das Blech kann bereichsweise unterschiedliche Dicken und/ oder Materialien aufweisen, vorzugsweise als Tailored Product ausgeführt sein. Bei unterschiedlichen Dicken kann ein monolithisches Material als flexibel gewalztes Blech, auch tailored rolled blank oder strip genannt, oder ein aus zwei Blechen mit unterschiedlicher Dicke aus einem Material, beispielsweise artgleiches Material, z. B. einer Stahllegierung mit gleicher Zusammensetzung, oder aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise artgleiche Materialien, z. B. Stahllegierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung, oder artungleiche Materialien, z. B. eine Stahllegierung und eine Aluminiumlegierung, miteinander verbundenen Blechen, auch tailored „welded“ blank oder strip genannt, verwendet werden. Auch ein dreidimensional geformtes Blech, welches nicht eben (plan) ausgebildet ist, kann als metallische Schicht verwendet werden. Des Weiteren kann das Blech auch zumindest bereichsweise Öffnungen und/oder Aussparungen aufweisen, insbesondere als Lochblech ausgeführt sein. Die Eigenschaften, wie z. B. Steifigkeit, Festigkeit, Wärmeaufnahme und/oder Impactverhalten, des Halbzeugs respektive des herzustellenden Bauteils können dadurch gezielt positiv beeinflusst werden.According to a first embodiment of the semifinished product, the metallic layer has at least regionally varying geometric and / or mechanical properties. The metallic layer or the sheet metal can be partially have different thicknesses and / or materials, preferably be designed as a tailored product. At different thicknesses, a monolithic material as flexible rolled sheet, also called tailored rolled blank or strip, or one of two sheets of different thickness of a material, for example, similar material, such. As a steel alloy with the same composition, or of different materials, such as similar materials, eg. As steel alloys with different composition, or dissimilar materials, eg. As a steel alloy and an aluminum alloy, interconnected sheets, also called tailored "welded" blank or strip used. Also, a three-dimensionally shaped sheet, which is not flat (plan) is formed, can be used as a metallic layer. Furthermore, the sheet may also at least partially openings and / or recesses, in particular be designed as a perforated plate. The properties, such. As rigidity, strength, heat absorption and / or impact behavior of the semifinished product or the component to be produced can be selectively positively influenced.
Gemäß einer kumulativen oder alternativen Ausführungsform des Halbzeugs weist die Schicht aus Faser-Polymerverbundsystem zumindest bereichsweise variierende geometrische und/ oder mechanische Eigenschaften auf. Die Schicht aus Faser-Polymerverbundsystem kann bereichsweise unterschiedliche Dicken und/oder Materialien aufweisen. Unterschiedliche Materialien in der Schicht aus dem Faser-Polymerverbundsystem können in der Dicke, Breite und/oder Länge hinsichtlich der verschiedenen Polymermatrix- und/oder Fasermaterialien (z. B. Karbon-, Glasfasern etc.) nebeneinander und/oder übereinander variieren. Des Weiteren können bereichsweise die Faserarten (z. B. Gelege, Gewebe, Vlies etc.) und/oder die Anordnung der Fasern (z. B. Atlas-, Köper-, Leinwandbindung etc.) und/oder der Ausrichtungswinkel der Fasern, insbesondere der Faservolumenanteil respektive die Faserdichte variieren. Kumulativ kann die Schicht aus dem Faser-Polymerverbundsystem zumindest bereichsweise einen Füllstoff aufweisen. Als Füllstoffe können insbesondere organische und/oder anorganische Partikel, Karbon-Nanotubes, Graphene-Nanoplatelets, Füllkugeln, Hohlkugeln oder deren Mischungen, insbesondere bereichsweise zur Erhöhung der Festigkeit, verwendet werden. Insbesondere können auch bereichsweise faserfreie Bereiche in dem Faser-Polymerverbundsystem vorgesehen sein. Die Eigenschaften, wie z. B. Steifigkeit, Festigkeit und/oder Impactverhalten, des Halbzeugs respektive des herzustellenden Bauteils können dadurch kumulativ oder alternativ zu der variierenden Ausführung der metallischen Schicht gezielt positiv beeinflusst werden.According to a cumulative or alternative embodiment of the semifinished product, the layer of fiber-polymer composite system has at least regionally varying geometric and / or mechanical properties. The layer of fiber-polymer composite system may have regions of different thicknesses and / or materials. Different materials in the layer of the fiber-polymer composite system may vary in thickness, width and / or length side by side and / or over each other with respect to the various polymer matrix and / or fibrous materials (eg, carbon, glass, etc.). Furthermore, the types of fibers (eg, scrim, fabric, nonwoven, etc.) and / or the arrangement of the fibers (eg, atlas, twill, plain weave etc.) and / or the orientation angle of the fibers, in particular the fiber volume proportion or the fiber density vary. Cumulatively, the layer of the fiber-polymer composite system at least partially have a filler. In particular, organic and / or inorganic particles, carbon nanotubes, graphene nanoplatelets, filler spheres, hollow spheres or mixtures thereof, in particular in regions for increasing the strength, can be used as fillers. In particular, fiber-free regions may also be provided in some regions in the fiber-polymer composite system. The properties, such. As rigidity, strength and / or impact behavior of the semifinished product or the component to be produced can be selectively positively influenced cumulatively or alternatively to the varying embodiment of the metallic layer.
Eine Schicht eines Faser-Polymerverbundsystems auf Basis einer thermoplastischen Polymermatrix kann auf drei Arten hergestellt werden. Die erste Art betrifft ein kontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem einzelne Lagen durch Druck und Wärme, beispielsweise in einem kontinuierlichen Laminierprozess, insbesondere über eine Doppelbandpresse oder über Laminierrollen zu einer Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem ausgebildet werden. Vorzugsweise werden (trockene) Fasern als Endlos-Material und eine Polymermatrix in Form einer oder mehreren Folien bereitgestellt und im Laminierprozess mittels Wärme und Druck zu einer Schicht konsolidiert. Insbesondere kann die bereichsweise unterschiedlichen Eigenschaften beispielsweise über die Breite der zu erstellenden Schicht variieren, indem beispielsweise unterschiedliche Fasermaterialien nebeneinander platziert werden. Beispielsweise können die Eigenschaften alternativ entlang der Länge der zu erstellenden Schicht variieren, indem beispielsweise durch alternierende Zuführung der Fasern, wobei durchaus Bereiche in Längsrichtung faserfrei ausgeführt werden können. Alternativ können bereits vorgefertigte (konsolidierte), faserverstärkte Polymermaterialien, insbesondere in Form von Organoblechen oder Organofolien bereitgestellt werden, wobei vorzugsweise mehrere, unterschiedliche vorgefertigte, faserverstärkte Polymermaterialien dem Laminierprozess zugeführt werden, so dass eine Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem mit über die Dicke, Breite und/ oder Länge variierende Eigenschaften hergestellt werden kann. Die zweite Art betrifft ein diskontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem einzelne Lagen durch Druck und Wärme, insbesondere über eine Plattenpresse zu einer Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem ausgebildet werden kann. Vorzugsweise werden (trockene) Fasern als Zuschnitte und eine Polymermatrix in Form einer oder mehrerer Zuschnitte bereitgestellt und im Laminierprozess mittels Wärme und Druck zu einer Schicht konsolidiert. Insbesondere kann die bereichsweise unterschiedlichen Eigenschaften beispielsweise über die Breite der zu erstellenden Schicht variieren, indem beispielsweise unterschiedliche Fasermaterialien nebeneinander platziert werden oder die Ausrichtungswinkel der Fasern verschieden ausgerichtet werden. Beispielsweise können die Eigenschaften alternativ entlang der Länge der zu erstellenden Schicht variieren, wobei durchaus Bereiche in Längsrichtung faserfrei ausgeführt werden können. Alternativ können bereits vorgefertigte, faserverstärkte Polymermaterialien, insbesondere in Form von Organoblechen oder Organofolien als Zuschnitt bereitgestellt werden, wobei vorzugsweise mehrere, unterschiedliche vorgefertigte, faserverstärkte Polymermaterialien dem Laminierprozess zugeführt werden, so dass eine Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem mit über die Dicke, Breite und/oder Länge variierende Eigenschaften hergestellt werden kann. Die dritte Art betrifft ein semi-kontinuierliches Herstellungsverfahren, welches die Vorteile der kontinuierlichen Herstellung durch Bereitstellung von EndlosMaterialien mit einem diskontinuierlichen Laminierprozess, z. B. durch eine mitlaufende Plattenpresse, vereint, wodurch über einen längeren Zeitraum im Vergleich zum kontinuierlichen Herstellungsverfahren vorteilhaft ein höher Druck und Wärme auf die zu erstellende Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem einwirken kann.A layer of a thermoplastic polymer matrix based fiber-polymer composite system can be prepared in three ways. The first type relates to a continuous production process in which individual layers are formed by pressure and heat, for example in a continuous lamination process, in particular via a double belt press or lamination rolls to form a layer of a fiber-polymer composite system. Preferably, (dry) fibers are provided as an endless material and a polymer matrix in the form of one or more films and consolidated in the lamination process by means of heat and pressure to form a layer. In particular, the area-wise different properties can vary, for example, over the width of the layer to be created, for example by placing different fiber materials next to one another. For example, the properties may alternatively vary along the length of the layer to be created, for example, by alternately feeding the fibers, whereby areas in the longitudinal direction can be made fiber-free. Alternatively, prefabricated (consolidated) fiber-reinforced polymer materials, in particular in the form of organo sheets or organofilms, may be provided, wherein preferably several, different prefabricated, fiber-reinforced polymer materials are fed to the lamination process, such that a layer of a fiber-polymer composite system of thickness, width and / or length varying properties can be produced. The second type relates to a discontinuous production process in which individual layers can be formed by pressure and heat, in particular via a platen press to form a layer of a fiber-polymer composite system. Preferably, (dry) fibers are provided as blanks and a polymer matrix in the form of one or more blanks and consolidated in the lamination process by means of heat and pressure to form a layer. In particular, the area-wise different properties can vary, for example, across the width of the layer to be created, for example by placing different fiber materials next to one another or by aligning the alignment angles of the fibers differently. For example, the properties may alternatively vary along the length of the layer to be created, with areas in the longitudinal direction being able to be made fiber-free. Alternatively, prefabricated, fiber-reinforced polymer materials, in particular in the form of organo sheets or organo-foils can be provided as a blank, wherein preferably several, different prefabricated, fiber-reinforced polymer materials are fed to the lamination process, so that a layer of a fiber-polymer composite system across the thickness, width and / or length varying properties can be produced. The third type relates to a semi-continuous manufacturing process, which has the advantages of continuous production by providing continuous materials with a discontinuous lamination process, e.g. B. by a rotating plate press, united, which over a longer period compared to the continuous production process advantageously a higher pressure and heat can act on the layer to be created from a fiber-polymer composite system.
Eine Schicht eines Faser-Polymerverbundsystems auf Basis einer duroplastischen Polymermatrix kann in analoger Art und Weise, wie auf Basis einer thermoplastischen Polymermatrix hergestellt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass wenn ein nachträgliches Formen des Halbzeuges gewährleistet werden soll, ein Aushärten der duroplastischen Polymermatrix (z. B. Harz und Härter) während der Herstellung des Halbzeugs weitestgehend verhindert wird, da ein vollständiges Aushärten kein Formen ermöglicht und dadurch das Halbzeugs nur als ein im Wesentlichen Flachmaterial eingesetzt werden kann. Zur Sicherstellung der Möglichkeit eines nachträglichen Formens nach der Herstellung des Halbzeugs verbleibt die Schicht aus Faser-Polymerverbundsystem in einem vorimprägnierten oder nicht final ausreagierten respektive polymerisierten Zustand (Bi-Stage-System) und wird daher erst später beim Weiterverarbeitungsprozess respektive Formen in Verbindung mit mindestens einer metallischen Schicht im geformten Halbzeug respektive Bauteil durch z. B. thermische, chemische und/oder photolytische Aktivierung ausgehärtet.A layer of a fiber-polymer composite system based on a thermosetting polymer matrix can be prepared in an analogous manner, such as on the basis of a thermoplastic polymer matrix, but with the difference that if a subsequent forming of the semifinished product is to be ensured, hardening of the thermosetting polymer matrix (z B. resin and hardener) is prevented as much as possible during the production of the semifinished product, since a complete curing does not allow molding and thereby the semifinished product can only be used as a substantially flat material. To ensure the possibility of subsequent shaping after the production of the semifinished product, the layer of fiber-polymer composite system remains in a pre-impregnated or not fully reacted or polymerized state (Bi-Stage system) and will therefore only later in the further processing process or forms in conjunction with at least one Metallic layer in the formed semifinished product or component by z. B. cured thermal, chemical and / or photolytic activation.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Halbzeugs umfasst das Halbzeug mindestens eine weitere metallische Schicht und/oder eine weitere Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem, die insbesondere vollflächig oder partiell angeordnet zu den anderen Schichten in dem Halbzeug vorliegen und stoffschlüssig miteinander verbunden sind. So sind neben einem erfindungsgemäßen Halbzeug, das in der einfachsten Ausführung eine metallische Schicht stoffschlüssig verbunden mit einer Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem aufweist, unterschiedliche Ausgestaltungen möglich, insbesondere was den Aufbau insbesondere der Schichten anbelangt. Vorzugsweise umfasst das Halbzeug zwei metallischen Schichten mit einer dazwischen angeordneten Schicht aus einem Faser-Polymerverbundsystem, was einem Sandwich-Halbzeug entspricht. Das Halbzeug kann auch mehr als drei Schichten umfassen, je nach Bedarf und Anforderung an das Halbzeug respektive das daraus herzustellende Bauteil. So können auch Halbzeuge mit einem alternierenden Aufbau (Blech/Faser-Polymerverbundsystem) bereitgestellt werden, insbesondere auch nur ein Blech als Zwischenschicht mit auf beiden Seiten des Blechs lokal oder vollflächig verbundenen Faser-Polymerverbundsystemen.According to a further embodiment of the semifinished product, the semifinished product comprises at least one further metallic layer and / or a further layer of a fiber-polymer composite system, which in particular are arranged over the entire surface or partially arranged relative to the other layers in the semifinished product and are connected to one another in a material-locking manner. Thus, in addition to a semifinished product according to the invention, which in the simplest embodiment has a metallic layer cohesively connected to a layer of a fiber-polymer composite system, different embodiments are possible, in particular as regards the structure of the layers in particular. The semifinished product preferably comprises two metallic layers with a layer of a fiber-polymer composite system arranged therebetween, which corresponds to a sandwich semifinished product. The semifinished product can also comprise more than three layers, depending on requirements and requirements of the semifinished product or the component to be produced therefrom. Thus, it is also possible to provide semi-finished products with an alternating structure (sheet-metal / fiber-polymer composite system), in particular also only one sheet as intermediate layer with fiber-polymer composite systems locally or on all sides connected on both sides of the sheet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Halbzeugs weist die metallische Schicht eine Dicke zwischen 0,1 und 0,6 mm und die Schicht aus Faser-Polymerverbundsystem eine Dicke zwischen 0,2 und 1,5 mm auf.According to a further embodiment of the semifinished product, the metallic layer has a thickness of between 0.1 and 0.6 mm, and the layer of fiber-polymer composite system has a thickness of between 0.2 and 1.5 mm.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Halbzeugs kann mindestens ein Inlay zumindest bereichsweise innerhalb des Faser-Polymerverbundsystems angeordnet sein. Besteht das Inlay vorzugsweise aus einem metallischen und/oder graphitähnlichen Material, kann dadurch die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Faser-Polymerverbundsystems erhöht werden, wodurch beispielsweise ein Bereich mit einer verbesserten Anbindung respektive Verbindung mit anderen Teilen respektive Bauteilen bereitgestellt werden kann, insbesondere für das in der Fahrzeugindustrie etablierte Widerstandspunktschweißen. Zudem kann metallisches Material bei der Formgebung, je nach Polymermatrix, vorzugsweise bei Verwendung einer thermoplastischen Polymermatrix, die Erwärmung des Halbzeugs begünstigen, z. B die Heizbarkeit verbessern. Abhängig vom Material des Inlays können auch Abschirmungs- und Dämpfungseigenschaften im Halbzeug respektive im herzustellenden Bauteil verbessert ggf. gewährleistet werden, beispielsweise bei Verwendung von Elektroblech. Das Inlay kann auch aus einem polymeren Material bestehen. In vorteilhafter Weise können dadurch Halbzeuge mit lokal, definiert integrierten Funktionalitäten bereitgestellt werden.According to a further embodiment of the semifinished product, at least one inlay can be arranged at least partially within the fiber-polymer composite system. If the inlay preferably consists of a metallic and / or graphite-like material, the electrical conductivity within the fiber-polymer composite system can thereby be increased, whereby, for example, an area with an improved connection or connection with other parts or components can be provided, in particular for the Vehicle industry established resistance spot welding. In addition, metallic material in the shaping, depending on the polymer matrix, preferably when using a thermoplastic polymer matrix, promote the heating of the semifinished product, for. B improve the heatability. Depending on the material of the inlay, shielding and damping properties in the semi-finished product or in the component to be produced can also be improved if necessary, for example when using electrical steel. The inlay can also consist of a polymeric material. Advantageously, semifinished products with locally defined, integrated functionalities can thereby be provided.
Im Vergleich zu den Halbzeugen aus dem Stand der Technik kann in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Halbzeug
- - bei gleicher mechanischer Performance das Gewicht reduziert werden,
- - bei gleichem Gewicht die Performance gesteigert werden,
- - die Verwendung von hochwertigen Materialien in weniger relevanten oder in nachträglich zum Verschnitt zugehörigen Bereichen reduziert werden,
- - ein zusätzliches Funktionsspektrum, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit und/oder Heizbarkeit lokal, definiert integriert werden,
- - ökologische und ökonomische Aspekte besser berücksichtigt werden.
- - the weight is reduced with the same mechanical performance,
- - increase the performance at the same weight,
- - Reducing the use of high quality materials in less relevant or retrospective areas
- - An additional range of functions, such. B. electrical conductivity and / or heatability locally, be integrated, defined
- - better take into account ecological and economic aspects.
Außerdem können durch einen definierten Aufbau des erfindungsgemäßen Halbzeugs das elastische und das plastische Verformungsverhalten sowie das Versagensverhalten im herzustellenden bzw. hergestellten Bauteil bezogen auf unterschiedliche äußere mechanische und thermische Belastungen gezielt beeinflussen werden.In addition, by a defined structure of the semifinished product according to the invention, the elastic and the plastic deformation behavior as well as the failure behavior in the component to be produced or produced can be based on different external mechanical and thermal loads are targeted influence.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Halbzeugs, insbesondere nach einem Formen des Halbzeugs zu einem Bauteil, als Bauteil für Fahrzeuge, insbesondere für straßen- und schienengebundene Fahrzeuge sowie Fahrzeuge der Luft und Raumfahrt. Vorzugsweise kommt das Bauteil als axial- und lateral-crashbelastetes Strukturbauteil, insbesondere als B-Säule oder als steifigkeitsoptimiertes Bauteil in Fahrzeugen zum Einsatz.According to a second aspect, the invention relates to a use of the semifinished product according to the invention, in particular after shaping the semifinished product into a component, as a component for vehicles, in particular for road and rail vehicles and vehicles of the aerospace industry. The component is preferably used as an axial and lateral crash-loaded structural component, in particular as a B-pillar or as a stiffness-optimized component in vehicles.
Das Formen des erfindungsgemäßen Halbzeugs zu einem Bauteil kann mittels Tiefziehen, Rollprofilieren, Biegen, Abkanten oder einer Kombination daraus durchgeführt werden.The molding of the semifinished product according to the invention into a component can be carried out by deep drawing, roll profiling, bending, folding or a combination thereof.
Das Fügen des erfindungsgemäßen Halbzeugs kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, vorzugsweise mittels Nieten, Kleben, Schrauben, Krimpen, Bördeln etc..The joining of the semifinished product according to the invention can be carried out in different ways, preferably by means of riveting, gluing, screwing, crimping, flanging etc.
Beispielhafte Einsatzgebiete und Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Halbzeugs wären:
- - Flächige Bauteile in Fahrzeugen mit Anforderungen an Crashdeformationswiderstand, zum Beispiel Bodenblech, Stirnwand etc.
- - Längliche Bauteile in Fahrzeugen mit Anforderungen an Crashdeformationswiderstand, zum Beispiel Stoßfänger-Querträger, Seitenaufprallträger etc.
- - Bauteilanwendungen für Panzerung, insbesondere in Fahrzeugen als Bodenblech, als seitlich angeordnete Panzerplatten und im Dach
- - Rumpfschalen und Tragflächenelementen in Flugzeugen
- - Crashboxen für Schienenfahrzeuge, insbesondere durch Variation von metallischer Schicht und/oder Faser-Polymerverbundsystem kann gezielt das Falten im Crash gesteuert werden.
- - Sheet-like components in vehicles with requirements for crash deformation resistance, for example bottom plate, end wall, etc.
- - Elongated components in vehicles with requirements for crash deformation resistance, for example bumper cross members, side impact beams, etc.
- - Component applications for armor, especially in vehicles as floor pan, as laterally arranged armor plates and in the roof
- - Fuselage shells and wing elements in aircraft
- - Crash boxes for rail vehicles, in particular by varying the metallic layer and / or fiber-polymer composite system can be specifically controlled folding in a crash.
Figurenlistelist of figures
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
-
1 : einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs, -
2 : einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs, -
3 : einen schematischen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs, -
4 : einen schematischen Schnitt durch eine vierte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs und -
5 : einen schematischen Schnitt durch eine fünfte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs.
-
1 FIG. 1 shows a schematic section through a first embodiment of a semifinished product according to the invention, FIG. -
2 FIG. 2: a schematic section through a second embodiment of a semifinished product according to the invention, FIG. -
3 FIG. 2 is a schematic section through a third embodiment of a semifinished product according to the invention, FIG. -
4 a schematic section through a fourth embodiment of a semifinished product according to the invention and -
5 FIG. 2: a schematic section through a fifth embodiment of a semifinished product according to the invention. FIG.
Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDescription of the preferred embodiment
In
In
In
In
In
In
In
Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere ist die Anzahl der Schichten nicht auf drei beschränkt. Insbesondere können auch noch weitere Schichten aus Faser-Polymerverbundsystemen und metallischen Schichten vorgesehen werden. Auch andere Materialien hinsichtlich Fasern und Matrix sind verwendbar. Des Weiteren können die Bleche (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1',1", 1'", 1""1, 1 ', 1 ", 1'", 1 ""
- HalbzeugWorkpiece
- 22
- erste metallische Schicht, Blechfirst metallic layer, sheet metal
- 3, 3', 3", 3"'3, 3 ', 3 ", 3"'
- zweite metallische Schicht, Blechsecond metallic layer, sheet metal
- 3"'.1, 3"'.23 "'1, 3"' 2
- Bleche unterschiedlicher Zusammensetzung/MaterialienSheets of different composition / materials
- 3"'.3. 3 ' "3
- FügeverbindungRetaining compound
- 44
- Faser-PolymerverbundsystemFiber-polymer composite system
- 4.1, 4.2, 4.34.1, 4.2, 4.3
- Bereiche mit unterschiedlichem FaseranteilAreas with different fiber content
- 55
- Inlayinlay
- d, Dd, D
- Dicke der metallischen SchichtThickness of the metallic layer
- h, Hh, H
- Dicke des HalbzeugsThickness of the semifinished product
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2018-02-06 WO PCT/EP2018/052881 patent/WO2018141982A1/en active Application Filing
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