DE102018117471A1

DE102018117471A1 - Faserverbundbauteil für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102018117471A1
Application number: DE102018117471.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Döring; Philipp Berendes; Bernhard Wiedemann; Jan David Schmitz-Hübsch
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Faserverbundbauteil für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, bestehend aus einer Anzahl von Einzelfilamenten (6, 8), die in einer Werkstoffmatrix (10) eingebettet sind, wobei mindestens eine Anschlussöffnung (14, 16, 18, 20, 42, 44) zur Befestigung an einem oder für ein Bauteil vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfilamenten (6, 8) zu Filamentanordnungen (2), sogenannten Rovings, zusammengefasst sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, bestehend aus einer Anzahl von Einzelfilamenten, die in einer Werkstoffmatrix eingebettet sind, wobei mindestens eine Anschlussöffnung zur Befestigung an einem oder für ein Bauteil vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils.
Um trotz der hohen Anforderungen an Festigkeit und Stabilität des Kraftfahrzeuges ein Kraftfahrzeug möglichst leicht herstellen zu können, werden zunehmend Faserverbundbauteile aus kohlefaserverstärkten oder glasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz gebracht. Um insbesondere bei drei-dimensionalen Bauteilen Anschlussöffnungen vorzusehen, die eine ausreichende Belastung im Kraftfahrzeugbereich gewährleisten, ist es beispielsweise aus der WO 01/64570 A1 bekannt, Funktionsorgane in Form von Spulen bei der Herstellung des Faserverbundbauteiles zu verwenden. Hierdurch sollen insbesondere die Krafteinleitungspunkte in das Faserverbundbauteil ausreichend verstärkt werden, wobei alle sonstigen Flächen durch Faserfilamente hergestellt sind, um eine möglichst große Gewichtseinsparung zu erreichen.
Auch wenn das Faserverbundbauteil bei der Herstellung durch die Verwendung von Funktionsorganen wesentlich vereinfacht worden ist, so weist ein gattungsgemäßes Faserbundbauteil noch stets den Nachteil auf, dass zusätzliche Bauteile, die einerseits zu einer Gewichtserhöhung führen und andererseits den Herstellungsprozess komplizierter gestalten, verwendet werden. Darüber hinaus sind die Rovings/Filamente nur durch die Matrix und nicht geometrisch verbunden. Je nach erforderlichen Lastpfadquerschnitt müssen außerdem sehr viele Rovingwicklungen erfolgen, was zu einer langen Taktzeit führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einzelfilamente zu Filamentanordnungen, sogenannten Rovings, zusammengefasst sind. In besonders vorteilhafter Weise sind die Filamentanordnungen gebündelt hergestellt, beispielsweise verdrillt oder verzwirnt. Hierbei ist die Richtung und Anzahl der Drehungen variabel und entsprechend der mechanischen Anforderungen einstellbar. Darüber hinaus ist es auch möglich, verdrillte und unverdrillte Filamentanordnungen zu kombinieren. Hierdurch ist es auf einfache und damit kostengünstige Weise möglich, grundsätzlich bei der Herstellung Anschlussöffnungen zu schaffen, ohne hierzu Funktionsorgane zwingend verwenden zu müssen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die Anschlussöffnungen sich in einer Abwicklung kreuzende Längsachsen auf. Die Anschlussöffnungen können auch in unterschiedlicher Drehrichtung durch die Filamentanordnungen ausgebildet sind. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise stabile Anschlussöffnungen zu schaffen, wobei die Anschlussöffnungen des fertig gestellten Faserverbundbauteiles dazu geeignet sind, im Betriebszustand unterschiedliche Belastungen in verschiedenen Richtungen auf zu nehmen.
Bei einer besonders starken zu erwartenden Belastung der Anschlussöffnungen können zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen Funktionsorgane als Einlegeteile vorgesehen sein. Hierbei können die Funktionsorgane als Halbzeuge ausgebildet sein, die aus einem Leichtmetall, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt sein können. Hierbei sind die Halbzeuge in vorteilhafter Weise als Spulenorgan mit einer zentralen Bohrung ausgeführt, wobei die Filamentanordnungen um die Spulenorgane geführt sind. Hierbei können die Spulenorgane als Scheibenspulen mit seitlichen Begrenzungsflächen ausgebildet sein.
Die Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteiles gelöst, wobei

a. Führungselemente an einer Wickelvorrichtung vorgesehen werden,
b. Einzelfilamente zu Filamentanordnungen zusammengefasst werden,
c. Filamentanordnungen um die Führungselemente gewickelt werden,
d. die gewickelten Filamentanordnungen mit der Werkstoffmatrix getränkt werden,
e. das Faserverbundbauteil durch Aushärten der Werkstoffmatrix fertiggestellt wird, und
f. das Faserverbundbauteil aus der Wickelvorrichtung entnommen wird.

Hierbei können im Schritt b. die Filamentanordnungen in vorteilhafter Weise gebündelt werden. Auch kann es vorteilhaft sein, wenn im Schritt a. Führungselemente mit im Faserverbundbauteil verbleibenden Funktionsorganen vorgesehen werden. Hierbei können die Funktionsorgane in Form von Halbzeugen ausgebildet werden. Hierdurch ist es möglich in der Betriebssituation vorhandene Verformungen des Faserverbundbauteiles, insbesondere im Bereich der Anschlussöffnungen, aufgrund einer Temperaturänderung zu kompensieren.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Funktionsorgane als Spulenorgane ausgebildet werden, wobei die Filamentanordnungen um einen Kernbereich des Spulenorgans gewickelt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Filamentanordnung, und
2 eine Darstellung einer Wickelvorrichtung zur Herstellung eines F aserverbundbauteiles.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Filamentanordnung 2, die bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteiles 4, siehe hierzu 2, verwendet wird. Beispielhaft ist die hier dargestellte Filamentanordnung 2, auch Roving genannt, aus zwei oder mehreren Einzelfilamenten 6, 8 bzw. Rovings oder Filamentbündeln verdrillt hergestellt. Die Richtung und Anzahl der Drehungen ist hierbei variabel und entsprechend der mechanischen Anforderungen einstellbar. Hierbei ist auch die Verwendung von unterschiedlichen Einzelfilamenten möglich. Bei der Herstellung des Faserverbundbauteiles 4 ist es auch möglich, gebündelte Filamentanordnungen 2 mit nicht gebündelten Filamentanordnungen zu kombinieren. Das Ausbilden eines Faserverbundbauteiles 4 von Filamentanordnungen 2 ermöglicht ein besonders einfaches und belastbares Verbinden von Einzelfilamenten zusätzlich durch eine geometrische Anordnung. Beim herkömmlichen Stand der Technik findet diese Verbindung allein durch eine Werkstoffmatrix 10 statt. Außerdem wird durch das Bündeln erreicht, dass gleichzeitig mehrere Filamente/Rovings abgelegt werden können. Dies reduziert die Taktzeiten bei der Fertigung.
2 zeigt eine Wickelvorrichtung 12 mit einem Faserverbundbauteils 4, das sich noch in der Wickelvorrichtung befindet. Zur Ausbildung von Anschlussöffnungen 14, 16, 18 und 20 sind Führungselemente 22, 24, 26, 28 vorgesehen, um die die Filamentanordnungen 2 gewickelt werden. Des Weiteren sind Funktionsorgane in Form von Scheibenspulen 30, 32 vorgesehen, die auf Führungselemente 34, 36 aufgeschoben sind und jeweils durch eine Mutter 38, 40 gesichert sind. Diese Funktionsorgane 30, 32 verbleiben im Faserverbundbauteil 4 und sorgen für eine besonders belastbare Ausführung der hierdurch hergestellten Anschlussöffnungen 42, 44. In vorteilhafter Weise weisen die Anschlussöffnungen 14, 16, 18, 20, 42, 44 sich in einer Abwicklung kreuzende Längsachsen auf, wobei die Anschlussöffnungen 14, 16, 18, 20, 42, 44 in unterschiedlicher Drehrichtung durch die Filamentanordnungen ausgebildet sind. Die Funktionsorgane 30, 32 sind als Scheibenspulen in Form von Halbzeugen aus Aluminium mit seitlichen Begrenzungsflächen 46, 48 ausgebildet.
Das Faserverbundbauteil 4 kann in besonders vorteilhafter Weise wie folgt hergestellt werden. An einer Wickelvorrichtung 12 sind Führungselemente 22, 24, 26, 28 vorgesehen. Des Weiteren sind Führungselemente 34, 36 vorgesehen, auf denen Scheibenspulen 30, 32 angeordnet sind. Diese Funktionsorgane 30, 32 übernehmen bei der Herstellung des Faserverbundbauteils 4 die Funktion der Führungselemente. Parallel zur Ausbildung der Wickelvorrichtung 12 werden Filamentanordnungen 2 aus Einzelfilamenten 6, 8 gebündelt hergestellt. Die Filamentanordnungen 2 werden dann um die Führungselemente 22, 24, 26, 28 sowie um die Führungselemente 34, 36 gewickelt, wobei die Filamentanordnungen 2 unter Vorspannung gewickelt werden können. In einem weiteren Schritt werden dann die gewickelten Filamentanordnungen 2 mit der Werkstoffmatrix 10 getränkt und das Faserverbundbauteil 4 durch Aushärten der Werkstoffmatrix 10 fertiggestellt. Anschließend kann das Faserverbundbauteil 4 aus der Wickelvorrichtung 12 entnommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 0164570 A1 [0002]

Claims

Faserverbundbauteil für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, bestehend aus einer Anzahl von Einzelfilamenten (6, 8), die in einer Werkstoffmatrix (10) eingebettet sind, wobei mindestens eine Anschlussöffnung (14, 16, 18, 20, 42, 44) zur Befestigung an einem oder für ein Bauteil vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfilamenten (6, 8) zu Filamentanordnungen (2), sogenannten Rovings, zusammengefasst sind.
Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentanordnungen (2) gebündelt, beispielsweise verdrillt, verzwirnt oder verflochten hergestellt sind.
Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussöffnungen (14, 16, 18, 20, 42, 44) sich in einer Abwicklung kreuzende Längsachsen aufweisen.
Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussöffnungen (14, 16, 18, 20, 42, 44) in unterschiedlicher Drehrichtung durch die Filamentanordnungen ausgebildet sind.
Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass Funktionsorgane (30, 32) zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen (42, 44) als Einlegeteile vorgesehen sind.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsorgane (30, 32) aus einem beliebigen Material wie z.B. Stahl, Aluminium, Kunststoff oder einem Faserkunststoffverbund hergestellt sind.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsorgane (30, 32) als Spulenorgan mit einer zentralen Bohrung ausgeführt sind, wobei die Filamentanordnungen (2) um die Funktionsorgane (30, 32) geführt sind.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsorgane (30, 32) als Scheibenspulen mit seitlichen Begrenzungsflächen (46, 48) ausgebildet sind.
Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsorgane (30, 32) als Halbzeuge ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet, dass a. Führungselemente (22, 24, 26, 28 , 34, 36) an einer Wickelvorrichtung (12) vorgesehen werden, b. Einzelfilamente zu Filamentanordnungen (2) zusammengefasst werden, c. Filamentanordnungen (2) um die Führungselemente (22, 24, 26, 28 , 34, 36) gewickelt werden, d. die gewickelten Filamentanordnungen (2) mit der Werkstoffmatrix (10) getränkt werden, e. das Faserverbundbauteil (4) durch Aushärten der Werkstoffmatrix (10) fertiggestellt wird, und f. das Faserverbundbauteil (4) aus der Wickelvorrichtung (12) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b. die Filamentanordnungen (2) gebündelt, verdrillt, verflochten oder verzwirnt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a. Führungselemente mit im Faserverbundbauteil (4) verbleibenden Funktionsorganen (30, 32) vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsorgane (30, 32) als Spulenorgane ausgebildet werden, wobei die Filamentanordnungen (2) um einen Kernbereich des Funktionsorgans (30, 32) gewickelt werden.