DE102017220966A1 - Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils sowie Fahrwerksbauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteil s, das zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht, mit den Schritten: Bereitstellen wenigstens einer Endlosfasereinheit, Herstellen einer Wickelstruktur aus einem Teil der Endlosfasereinheit, wobei die Wickelstruktur zumindest teilweise die Außenkontur des Fahrwerksbauteils abbildet, und Herstellen einer Verfestigungsstruktur aus einem weiteren Teil der Endlosfasereinheit.
Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrwerksbauteil.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils, das zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht.
  • Es ist bekannt, bei der Herstellung von Fahrwerksbauteilen faserverstärkten Kunststoff zu verwenden. Dabei wird üblicherweise die Oberfläche des Fahrwerksbauteils durch eine Flechtstruktur nachgebildet.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils anzugeben, mittels dessen sich das Fahrwerksbauteil kostengünstiger und gleichzeitig mit vergrößerter Belastbarkeit herstellen lässt.
  • Zur Lösung dieses Problems ist es ein Verfahren vorgesehen, mit den Schritten:
    • - Bereitstellen wenigstens einer Endlosfasereinheit,
    • - Herstellen einer Kraftleitstrukturstruktur aus einem Teil der Endlosfasereinheit, wobei die Kraftleitstruktur zumindest teilweise die Außenkontur des Fahrwerksbauteils abbildet, und
    • - Herstellen einer Verfestigungsstruktur aus einem weiteren Teil der Endlosfasereinheit.
  • Eine Endlosfasereinheit kann entweder eine einzelne Endlosfaser, ein Roving oder eine auch mittels Endlosfasern hergestellte Platte sein. Diese wird verwendet, um eine Kraftleitstruktur herzustellen. Die Kraftleitstruktur kann bspw. als Wickelstruktur oder Flechtstruktur ausgebildet sein.
  • Zusätzlich zu dieser in Kraftwirkungsrichtung angeordneten Komponente wird aus der Endlosfaser zusätzlich eine Versteifungskomponente in Form einer Verfestigungsstruktur gebildet.
  • Bevorzugt werden ausschließlich die beschriebenen Komponenten, also die Kraftleitstruktur und die Versteifungskomponente, aus der Endlosfasereinheit gebildet.
  • Bevorzugt ist die Kraftleitstruktur als Wickelstruktur ausgebildet. Im Gegensatz zur Flechtstruktur, bei der mehrere Endlosfasern miteinander verwoben werden, wird bei der Wickelstruktur eine einzige Endlosfasereinheit verwendet. Eine Flechtstruktur zeichnet sich durch einen gitterartigen Aufbau und sich regelmäßig wiederholende Kreuzungsstellen der Fasern aus. Bei einer Wickelstruktur kann die Endlosfaser zwar auch über Kreuz gelegt werden, jedoch wird dabei kein engmaschiges Gitter gebildet. Auch gibt es Wickel- oder Fixpunkte, um die gewickelt wird. Diese werden für Richtungsänderungen benötigt. Die Fasern einer Flechtstruktur behalten dagegen ihre Richtung bei.
  • Bei der Wickelstruktur lässt sich die Verfestigungsstruktur einfacher neben der Kraftleitstruktur ausbilden, weswegen diese Ausgestaltung der Kraftleitstruktur bevorzugt ist.
  • Zur Fertigung des Fahrwerksbauteils wird vorzugsweise Prepreg-Compression Moulding, auch PCM abgekürzt, verwendet. Alternativ kann auch Duroplast-Spritzguß genutzt werden.
  • Vorteilhafterweise verlaufen die Hauptrichtung oder die Hauptrichtungen der Wicklung in Richtung der auf das Fahrwerksbauteil im Betrieb laufenden Kraftlinien. Üblicherweise ist ein Fahrwerksbauteil nicht isotrop belastet, somit kommt es zu Hauptbeanspruchungsrichtungen bzw. Kraftrichtungen, in denen hauptsächlich Kraft auf das Fahrwerksbauteil ausgeübt wird. Die Wicklungen, die insbesondere auch aus einer einzigen Endlosfaser oder einem einzelnen Roving gebildet werden können, verlaufen genau in diesen Kraftrichtungen, um eine Stabilisierung des Fahrwerksbauteils genau in Kraftrichtung zu erreichen.
  • Der Teil des Fahrwerksbauteils, der die Endlosfasereinheit enthält kann aufgrund seiner Funktion auch Kraftleitelement genannt werden. Um dem Fahrwerksbauteil eine größere Stabilität zu verleihen ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest ein weiteres Fasern enthaltenes Stabilisierungselement aus Kunststoff mit dem Kraftleitelement verbunden wird. Dabei kann das Stabilisierungselement vor, während oder nach der Zugabe des Klebers oder Bindemittels mit dem Kraftleitelement verbunden werden.
  • Vorteilhafterweise enthält das Stabilisierungselement Kurzfasern oder Langfasern. Bei dieser Ausgestaltung enthält das Fahrwerksbauteil also zumindest zwei Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, von denen eines eine Endlosfasereinheit und das andere Kurzfasern oder Langfasern enthält. Durch die Kombination der unterschiedlichen Fasern kann eine Optimierung der Bauteileigenschaften des Fahrwerksbauteil s erreicht werden. Während das Stabilisierungselement das Fahrwerksbauteil grundsätzlich mit Stabilität versieht ist das Kraftleitelement so ausgestaltet, dass es gegenüber äußeren Kräften wirkt. Während bei herkömmlichen Fahrwerksbauteil en versucht wird, beide Funktionen mittels der beschriebenen Flechtstruktur zu realisieren wird nunmehr eine Funktionentrennung vorgenommen.
  • Vorteilhafterweise kann das Stabilisierungselement zumindest teilweise oder vollständig aus Sheet Moulding Compound, auch SMC abgekürzt, bestehen. Alternativ kann das Stabilisierungselement teilweise oder vollständig aus Bulk Moulding Compund, auch BMC genannt, bestehen. Weiter alternativ kann es auch zumindest teilweise oder vollständig aus Duroplast-Spritzguß bestehen. Es kann auch aus einer Mischung zweier oder aller der genannten Materialien bestehen.
  • Vorzugsweise kann zumindest ein Sensor in das Fahrwerksbauteil eingebunden werden. Weiterhin kann zumindest ein Lagerelement und/oder Gelenk in das Fahrwerksbauteil eingebunden werden.
  • Weiterhin kann wenigstens ein Elastomerelement in das Fahrwerksbauteil eingebunden werden. Dieses kann die akustischen Eigenschaften des Fahrwerksbauteils verbessern und auch als Splitterschutz wirken.
  • In einer Ausgestaltung kann aber auch die Verfestigungsstruktur als Verrippungsstruktur oder Wabenstruktur oder Gitterstruktur ausgebildet sein. Das heißt, dass ein Teil der Endlosfaser oder des Rowing dazu verwendet wird, einen Teil der Leerflächen zwischen den oder innerhalb der Wickelarme zu füllen. Dies führt zu keiner Schwächung der Wickelstruktur, da weiterhin der größte Teil der Endlosfasern in Kraftrichtung verläuft.
  • Vorteilhafterweise kann die Wickelstruktur zumindest einen Wickelstrang, insbesondere wenigstens zwei Wickelstränge, aufweisen. Unter einem Wickelstrang wird verstanden, dass mehrere Abschnitte der Endlosfasereinheit in dieser Richtung verlaufen und dabei parallel angeordnet sind. Die Anordnung der Endlosfasereinheiten ist bevorzugt „übereinander“ parallel und nicht „nebeneinander“ parallel. „Übereinander“ bezieht sich dabei auf die erste Richtung senkrecht zur Längsachse des Wickelstrangs, und zwar in der Richtung senkrecht durch die Wickelstränge aufgespannten Ebene. Die Anordnung parallel nebeneinander ist dann in der aufgespannten Ebene.
  • Weiterhin kann wenigstens ein Wickelarm vorhanden sein. Dieser weist wenigstens zwei zumindest teilweise parallele Wickelstränge auf. Die Wickelstränge sind dabei „nebeneinander“ parallel, wobei sie durch mehrere „übereinander“ parallele Abschnitte der Endlosfasereinheit gebildet werden.
  • Vorzugsweise kann die Wickelstruktur dreidimensional ausgebildet ist. Durch das Anordnen der Abschnitte der Endlosfasereinheit übereinander entsteht automatisch die Dreidimensionalität.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrwerksbauteil. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Wickelstruktur aufweist.
  • Insbesondere kann das Fahrwerksbauteil mit dem Verfahren wie beschrieben hergestellt sein.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass es ein Fahrwerksbauteil wie beschrieben aufweist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
    • 1 das Herstellungsverfahren eines Fahrwerksbauteils in einer Ablaufbebilderung,
    • 2 eine Endlsofasereinheit,
    • 3 einen 3-Punkt-Lenker,
    • 4 einen Wickelstrang, und
    • 5 ein Ablaufschema eines Herstellungsverfahrens.
  • 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils 1, insbesondere eines 3-Punkt-Lenkers 2, 3 oder 4. In einem ersten Schritt werden die Komponenten bereitgestellt. Dabei ist die Herstellung einer Wickelstruktur 5 mit Verfestigungsstruktur notwendig. Weiterhin kann wenigstens ein Stabilisierungselement 6, zumindest ein Gelenk 7, wenigstens ein Sensor 8 und wenigstens eine Elastomerschicht 9 bereitgestellt werden. Die vorbereiteten Komponenten werden in ein Werkzeug 10 eingelegt und dann ein Kleber oder Binder 12 hinzugegeben, woraufhin bei einem Pressvorgang ein Aushärten des Materials und dadurch ein festes Verbinden aller Komponenten erreicht wird. Das fertige Bauteil 14 kann dann dem Werkzeug 10 entnommen werden.
  • Dieses Verfahren bietet gegenüber bekannten Verfahren folgende Besonderheiten:
  • Zum einen wird keine Flechtstruktur sondern eine Wickelstruktur 5 verwendet. Es handelt sich hierbei zum einen um eine 3D-Wickelstruktur, die eine Endlosfasereinheit umfasst. Bei der Endlosfasereinheit kann es sich um eine einzelne Faser oder einen Roving handeln. Durch die Wicklung verschiedener Wickelarme 16, 18 und 20 entsteht insbesondere durch die räumliche Anordnung der Wickelarme 16, 18 und 20 eine dreidimensionale Wickelstruktur 5. Diese kann dabei völlig unterschiedliche Formen annehmen, im Gegensatz zu einer Flechtstruktur werden aber bevorzugt und vor allem die beanspruchten Kraftrichtungen abgedeckt und keine Zwischenbereiche.
  • Vorzugsweise weisen die Wickelarme der Wickelstruktur 5 zwei im Wesentlichen parallele Hauptstränge oder Wickelstränge 22 auf. Die Wickelstruktur wird durch Umwicklungen von Fixelementen erzielt, durch ein Umfahren dieser Fixelemente werden dabei die parallelen Wickelstränge 22 gebildet. Dabei kann die in 1 gezeigte Wickelstruktur 5 mit einer einzigen Endlosfaser oder einem einzigen Roving erzielt werden.
  • Die Wickelarme 16, 18 und 20 spannen eine Ebene auf, ein geringer Höhenversatz der Wickelarme 16, 18 und 20 kann dabei vernachlässigt werden. Die Anordnung der Abschnitte der Endlosfaserstruktur in den Wickelsträngen 22 ist dabei senkrecht zu der von den Wickelarmen 16, 18 und 20 aufgespannten Ebene und somit „übereinander“, wodurch eine dreidimensionale Struktur im Gegensatz zu einer zweidimensionalen Flechtstruktur erzeugt wird.
  • Je nach Art des Werkzeuges 10 und des Pressvorgangs können die Gelenke 7 vor oder nach dem Aushärten eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn alle Komponenten in einem einzigen Schritt zusammengefügt werden. Dabei ist es unerheblich ob die 3D Wickelstruktur 5 bereits durch einen Kleber verfestigt wurde oder nicht. Die Zugabe des Klebers oder allgemeiner Bindemittels kann also sowohl vor als auch nach dem Einlegen in das Werkzeug 10 erfolgen, der Pressvorgang zur Herstellung des fertigen Fahrwerksbauteils 14 kann auch mit einem vorgefertigten Kraftleitelement erfolgen.
  • 2 zeigt die Endlosfasereinheit 24, die neben der als Wickelstruktur 5 ausgebildeten Kraftleitstruktur auch eine Verfestigungsstruktur 26 aufweist. Die Verfestigungsstruktur 26 umfasst drei Wabenstrukturen 28, 30 und 32, wobei die Wabenstrukturen 28, 30 und 32 und die Wickelstruktur 5 aus der gleichen Endlosfasereinheit entstanden sind.
  • 3 zeigt einen 3-Punkt-Lenker 2 in Detail. Dabei ist das Stabilisierungselement 6, das Kurzfasern oder Langfasern enthält und aus Kunststoff besteht, mit einer Rippenstruktur versehen, um den 3-Punkt-Lenker 2 Stabilität zu verleihen. Die 3D-Wickelstruktur 5 ist die Kraftleitstruktur des Kraftleitelements 34.
  • 4 zeigt einen Wickelstrang 22. Dieser wird dadurch gebildet, dass eine Endlosfasereinheit 24 mehrmals an den Wickelpunkten in die gleiche Richtung gewickelt wird, wodurch Abschnitte 36 der Endlosfasereinheit 24 übereinander parallel angeordnet werden. Dies wird auch durch das in den 2 und 3 dargestellte Koordinatensystem veranschaulicht.
  • 5 zeigt einen Ablaufplan zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils 1. In Schritt S1 wird eine Endlosfasereinheit 24 bereitgestellt. Hierbei kann es sich um eine Endlosfaser oder einen Roving handeln.
  • In Schritt S2 werden hieraus eine Wickelstruktur 5 und eine Verfestigungsstruktur 26 erzeugt. Parallel hierzu werden in Schritt S3 die weiteren Komponenten bereitgestellt. Hierbei kann es sich um ein Stabilisierungselement 6, Gelenke 7, Sensoren 8 und Elastomerschichten 9 handeln. Diese werden in Schritt S4 in ein Werkzeug 10 gelegt.
  • In Schritt S5, der auch direkt nach Schritt S2 und damit vor Schritt S4 erfolgen kann wird ein Binder hinzugegeben, um das Matrixmaterial für das Kraftleitelement 34 zu bilden.
  • Im anschließenden Schritt S6 wird das Fahrwerksbauteil 1 erzeugt. Dabei härtet der Kleber oder Binder endgültig aus, insbesondere kann durch den Pressvorgang eine Verbindung aller Komponenten, die in das Werkzeug 10 gelegt wurden, erreicht werden. An und für sich kann das fertige Fahrwerksbauteil 14 dem Werkzeug dann entnommen werden, gegebenenfalls müssen nach der Entnahme noch Gelenke 7 oder Sensoren 8 eingefügt werden. Bevorzugt ist es aber, alle Komponenten in einem einzigen Schritt zu einem Fahrwerksbauteil 1 zusammen zu fügen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrwerksbauteil
    2
    3-Punkt-Lenker
    3
    3-Punkt-Lenker
    4
    3-Punkt-Lenker
    5
    Wickelstruktur
    6
    Stabilisierungselement
    7
    Gelenk
    8
    Sensor
    9
    Elastomerschicht
    10
    Werkzeug
    12
    Kleber
    14
    fertiges Fahrwerksbauteil
    16
    Wickelarm
    18
    Wickelarm
    20
    Wickelarm
    22
    Wickelstrang
    24
    Endlosfasereinheit
    26
    Verfestigungsstruktur
    28
    Wabenstruktur
    30
    Wabenstruktur
    32
    Wabenstruktur
    34
    Kraftleitelement
    36
    Abschnitt

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Fahrwerksbauteils (1, 2, 3, 4), das zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff besteht, mit den Schritten: - Bereitstellen wenigstens einer Endlosfasereinheit (24), - Herstellen einer Kraftleitstruktur (5), insbesondere Wickelstruktur, aus einem Teil der Endlosfasereinheit (24), wobei die Kraftleitstruktur (5) zumindest teilweise die Außenkontur des Fahrwerksbauteils (1, 2, 3, 4) abbildet, und - Herstellen einer Verfestigungsstruktur (26) aus einem weiteren Teil der Endlosfasereinheit (24).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Endlosfasereinheit ein Kraftleitelement (36) gebildet wird und zur Herstellung des Fahrwerksbauteils (1, 2, 3, 4) zumindest ein weiteres Fasern enthaltendes Stabilisierungselement (6) aus Kunststoff mit dem Kraftleitelement (36) verbunden wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungselement (6) Kurzfasern oder Langfasern enthält.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisierungselement (6) eine Rippenstruktur oder Wabenstruktur aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsstruktur als Rippenstruktur oder Wabenstruktur (28, 30, 32) oder Gitterstruktur ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (8) in das Fahrwerksbauteil (1, 2, 3, 4) eingebunden wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lagerelement und/oder Gelenk (7) in das Fahrwerksbauteil (1, 2, 3, 4) eingebunden wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelstruktur (5) durch Zugabe eines Klebers oder eines Bindemittels verfestigt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, insbesondere alle, weiteren Bauteile (6, 7, 8, 9) des Fahrwerksbauteils (1, 2, 3, 4) bei dem Schritt der Zugabe des Klebers oder des Bindemittels eingebunden werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelstruktur (5) zumindest einen Wickelarm (16, 18, 20), insbesondere wenigstens zwei Wickelarme (16, 18, 20), aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelarm (16, 18, 20) zwei zumindest teilweise parallele Wickelstränge (22) aufweist.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelstruktur (5) dreidimensional ausgebildet ist.
  13. Fahrwerksbauteil (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
  14. Fahrwerksbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksbauteil (1, 2, 3, 4) als Lenker, insbesondere 3-Punkt-Lenker (2, 3, 4), oder als Hinterachsgetriebequerträger oder als Federbeinradträger oder als 2-Punkt-Lenker oder als Antriebskomponente ausgestaltet ist.
  15. Kraftfahrzeug mit einem Fahrwerksbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrwerksbauteil (1, 2. 3, 4) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 ausgestaltet ist.
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