DE102018117472A1

DE102018117472A1 - Faserverbundbauteil für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich sowie Verfahren und Wickelvorrichtung zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102018117472A1
Application number: DE102018117472.1A
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
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: DE102018117472B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, bestehend aus einer Anzahl von Einzelfilamenten (26), die in einer Werkstoffmatrix (28) eingebettet sind, wobei mindestens eine Anschlussöffnung (6, 8, 10, 12, 14) zur Befestigung an einem oder für ein Bauteil vorgesehen ist, wobei Funktionsorgane (16, 18, 20, 22, 24) zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen (6, 8, 10, 12, 14) als Einlegeteile vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Anschlussöffnung (6, 8, 10, 12, 14) unter axialer und/oder radialer Vorspannung ausgebildet ist, wobei mindestens ein Einlegeteil Außenkonturflächenteile (60, 65, 66, 78, 80, 86, 88, 94, 96, 102, 104) aufweist, die bei Raumtemperatur eine radiale und/oder axiale Vorspannung auf die Anschlussöffnungen(6, 8, 10, 12, 14) ausbildende Einzelfilamente (26) im montierten Zustand ausüben. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren sowie eine Wickelvorrichtung (2) 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, wobei Funktionsorgane zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen als Einlegeteile vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils sowie eine Wickelvorrichtung 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 Einlegeteilen 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.
Im montierten Zustand, beispielsweise als Lagerbock für eine Brennkraftmaschine, ist das Faserverbundbauteil jedoch hohen thermische Belastungen ausgesetzt, was zu einer unterschiedlichen Ausdehnung der das Faserverbundbauteil bildenden Materialien führt und damit zu einer Instabilität der Lagerfunktion führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den oben genannten Nachteil auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine Anschlussöffnung unter axialer und/oder radialer Vorspannung ausgebildet ist, wobei mindestens ein Funktionsorgan Außenkonturflächenteile aufweist, die bei Raumtemperatur eine radiale und/oder axiale Vorspannung auf die Anschlussöffnungen ausbildende Einzelfilamente im montierten Zustand ausüben. Hierdurch ist es auf einfache und damit kostengünstige Weise möglich, die Anschlussöffnungen des Faserverbundbauteiles unter Vorspannung zu montieren, wodurch eine Instabilität der Lagerfunktion aufgrund einer hohen thermischen Belastung im Betriebszustand ausgeschlossen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Einlegeteile zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen eine Durchgangsöffnung auf, die einerseits mit Aufnahmeorganen einer Wickelvorrichtung zusammenwirken und andererseits die Montage erleichtern.
Hierbei können Einlegeteile aus einem beliebigen Material wie z.B. Stahl, Aluminium, Kunststoff oder Faserkunststoffverbund hergestellt sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Einlegeteil im Querschnitt T-Förmig ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, mittels einer einteiligen Einlegeteils eine Vorspannung in der Anschlussöffnung dadurch zu erzeugen, dass die Anschlussöffnung sich über ein dem Querschenkel gegenübergelegenes Ende erstreckt, wodurch im montierten Zustand eine axiale Vorspannkraft in die Anschlussöffnung zu leiten ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Einlegeteil zweiteilig ausgeführt, wobei die radiale und/oder axiale Vorspannung in der Anschlussöffnung dadurch erzeugbar ist, dass Einlegeteilstücke in axialer Richtung des Einlegeteils verschiebbar zueinander ausgeführt sind. Hierbei können die Einlegeteilstücke über eine Führung miteinander verbunden sein. In besonders vorteilhafter Weise sind die Einlegeteilstücke T-förmig, halbkugelförmig, konkavförmig oder mit zueinander gerichteten, angewinkelten Außenkonturflächenteilen ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Einlegeteil als Einlegegrundkörper ausgebildet, an dem Außenkonturflächenteile für die Anschlussöffnungen angeordnet sind, derart, dass die Anschlussöffnungen sich in einer Abwicklung kreuzende Längsachsen aufweisen.
Auch ist es möglich, dass die Anschlussöffnungen in unterschiedlicher Drehrichtung durch die Filamentanordnungen ausgebildet sind. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise die Auswirkungen der thermischen Belastung auf die Anschlussöffnungen zu minimieren.
In besonders vorteilhafter Weise sind die Einzelfilamente zu Filamentanordnungen, sogenannten Rovings, zusammengefasst. Hierbei können die Filamentanordnungen gebündelt hergestellt, beispielsweise verdrillt oder verzwirnt sein. 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.
Die Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteiles gelöst, wobei

a. Einlegteile an Aufnahmeorganen einer Wickelvorrichtung vorgesehen werden,
b. Einzelfilamente oder Filamentanordnungen um die Einlegeteile gewickelt werden, wobei die Einlegeteile Außenkonturflächenteile zur radialen und/oder axialen Vorspannung der Einzelfilamente oder Filamentanordnungen aufweisen
c. die gewickelten Einzelfilamente oder Filamentanordnungen mit der Werkstoffmatrix getränkt werden,
d. das Faserverbundbauteil durch Aushärten der Werkstoffmatrix fertiggestellt wird, und
e. das Faserverbundbauteil aus der Wickelvorrichtung entnommen wird.

Hierbei können im Schritt a. Führungselemente zur bauraumoptimierten Ausbildung des Faserverbundbauteils an der Wickelvorrichtung vorgesehen werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn Einzelfilamente im Schritt b. zunächst zu Filamentanordnungen zusammengefasst werden. Diese können dann ebenfalls im Schritt b. gebündelt werden.
Auch wird die Aufgabe durch eine Wickelvorrichtung gelöst, die einen mehrteiligen Wickelgrundkörper mit Führungselementen und Aufnahmeorganen für die Einlegeteile aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer Wickelvorrichtung mit einem fertig gestellten Faserverbundbauteil,
2 eine schematischen Ansicht eines Details des Faserverbundbauteiles aus 1 im montierten Zustand unter einer thermischen Belastung,
3a - 3e unterschiedliche Seitenschnittansichten von Einlegeteilen des Faserverbundbauteiles, und
4 zeigt nun in schematischer Ansicht einen Einlegerundkörper.

1 zeigt eine Wickelvorrichtung 2 mit einem Faserverbundbauteils 4 in einer perspektivischen Ansicht, das sich noch in der Wickelvorrichtung 2 befindet. Das Faserverbundteil 4 stellt im Ausführungsbeispiel einen Lagerbock für eine nicht weiter dargestellte Brennkraftmaschine dar. Zur Ausbildung von Anschlussöffnungen 6, 8, 10, 12, 14 sind als Einlegeteile ausgebildete Funktionsorgane 16, 18, 20, 22, 24 vorgesehen, um die Einzelfilamente 26 oder Filamentanordnungen 27 gewickelt werden, wobei diese in eine Werkstoffmatrix 28 auf bekannte Weise eingebettet sind, auf. Diese Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 verbleiben im Faserverbundbauteil 4 und sorgen für eine besonders belastbare Ausführung der hierdurch hergestellten Anschlussöffnungen 6, 8, 10, 12, 14. In 1 sind die Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 der Übersicht halber lediglich als schematische, einstückige Einlegeteile dargestellt. Die 3a - 3e zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Einlegeteilen, die bei einem Faserverbundbauteil 4 zum Einsatz kommen können.
Um einer nicht-definierten Krafteinleitung im montierten Zustand des Lagerbocks 4 aufgrund einer thermischen Belastung während des Betriebs der Brennkraftmaschine entgegen zu wirken, weisen hierbei die Einlegeteile Außenkonturflächenteile (siehe hierzu insbesondere die 2, 3a - 3e) auf, die bei Raumtemperatur eine radiale und/oder axiale Vorspannung auf die Anschlussöffnungen 6, 8, 10, 12, 14 ausbildende Einzelfilamente 26 und damit auch auf Filamentanordnungen 27 im montierten Zustand ausüben und somit einer nicht-definierten Krafteinleitung entgegen wirken. Die Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 sind im vorliegenden Fall aus Aluminium hergestellt.
Die Wickelvorrichtung 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen mehrteiligen Wickelgrundkörper 30 auf, der die Grundform des herzustellenden Faserverbundbauteiles 4 abbildet. Der Wickelgrundkörper 30 weist Aufnahmeorgane 32, 34, 36, 38, 40 mit einem Gewinde auf, an denen die Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 mittels einer Schraube 42, die durch eine Durchgangsöffnung 44 der Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 reicht, befestigt werden. Die Einlegeteile 16, 20, 22, 24 werden zusätzlich durch eine Konterscheibe 46 gesichert. Um das Faserverbundbauteil 4 bauraumoptimiert herzustellen zu können, weist die Wickelvorrichtung 2 des Weiteren Führungselemente 48, 50, 52 auf.
Das Faserverbundbauteil 4 kann in besonders vorteilhafter Weise wie folgt hergestellt werden. Am Grundkörper der Wickelvorrichtung 2 werden Führungselemente 48, 50, 52 und Aufnahmeorgane 32, 34, 36, 38, 40 vorgesehen. An den Aufnahmeorganen 32, 34, 36, 38, 40 werden Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 mittels der Schrauben 42 befestigt. Im nächsten Schritt werden die Einzelfilamente 26 zu Filamentanordnungen 27 zusammengefasst und um die Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 gewickelt. Die gewickelten Filamentanordnungen 27 werden dann mit der Werkstoffmatrix 28 getränkt. Danach wird das Faserverbundbauteil 4 durch Aushärten der Werkstoffmatrix 28 fertiggestellt und aus der Wickelvorrichtung 2 entnommen.
2 zeigt nun in einer schematischen Ansicht ein Detail des Lagerbocks 4 im montierten Zustand unter einer thermischen Belastung. Ein Zylinderkopfdeckel 54 ist hierbei durch eine durch die Durchgangsöffnung 44 des Einlegeteils 16 reichende Schraube 56 an einem Karosserieteil 56 befestigt. Im Ausgangszustand bei Raumtemperatur liegt das Einlegeteil 16 mit der Unterseite eines Schenkels 58 an dem Zylinderkopfdeckel 54 an, wobei auf die Filamentanordnungen 27 mittels eines Außenkonturflächenteiles 60 des Einlegeteils 16 eine axiale Vorspannung aufgebracht wurde. Im Betriebszustand bei mehreren 100°C entsteht zwischen dem Einlegeteil 16 und dem Zylinderkopf 54 ein Spalt 62. Die Kraftübertragung ist jedoch durch die weiterhin anliegenden Filamentanordnungen 27 gewährleistet.
Nachfolgend sollen mögliche Ausführungsbeispiele für Einlegeteile 16, 18, 20, 22, 24 anhand des Einlegteils 16 näher erläutert werden. Alle Ausführungsbeispiele weisen Außenkonturflächenteile 60, 65, 66, 78, 80, 86, 88, 94, 96, 102, 104 auf, die eine axiale und/oder radiale Vorspannung ermöglichen. In schematischer Form werden diese nun dargestellt:
3a zeigt das aus 2 bereits bekannte Einlegeteil 16, das im Wesentlichen T-förmig ausgebildet ist und einen vertikalen Schenkel 58 und einen horizontal dazu angeordneten Schenkel 60 aufweist, wobei dieser Schenkel 60 das Außenkonturflächenteil ausbildet, das im montierten Zustand des Fahrzeugverbundbauteils 4 eine axiale Vorspannung in die Filamentanordnungen 27 einbringen kann.
3b zeigt nun ein zweiteilig ausgebildetes Einlegeteil 16 mit Einlegeteilstücken 63, 64, die hier beide T-förmig ausgebildet sind und Außenkonturflächenteile 65, 66 aufweisen. Die Einlegeteilstücke 63, 64 besitzen über ein an den jeweiligen vertikal verlaufenden Schenkeln 68, 70 eine Führung 72, über die die Einzelteilstücke 63, 64 in Form eine Gleitpassung miteinander verbunden sind. Hierbei wird, wie auch bei den 3e, 3d und 3e die axiale bzw. radiale Vorspannung schon während der Herstellung des Faserbundbauteils 4 in die Filamentanordnungen 27 eingebracht.
3c betrifft ebenfalls ein aus zwei Einlegeteilstücken 74, 76 ausgebildetes Einlegeteil 16, wobei die Einlegeteilstücke 74, 76 halbkugelförmig ausgebildet sind und dementsprechend Außenkonturflächenteile 78, 80, wobei diese über eine geeignete Führung miteinander verbunden sein können. Hierbei ist das Aufbringen einer axialen und radialen Vorspannung in eine Filamentanordnung 27 möglich.
3d zeigt ein Einlegeteil 16 mit zwei Einzelteilstücken 82, 84, die jeweils konkav ausgebildet sind mit entsprechenden Außenkonturflächenteilen 86, 88, die ebenfalls das Aufbringen einer axialen und radialen Vorspannung ermöglichen.
3e zeigt nun ein Einlegeteil 16, dessen Einlegeteilstücke 90, 92 schräg zueinander gerichtete Außenkonturflächenteile 94, 96 aufweisen, die eine schräg verlaufende Nut 98 ausbilden, die ebenfalls eine axiale als auch radiale Vorspannung ermöglichen.
4 zeigt nun in schematischer Ansicht einen Einlegegrundkörper 100 als Einlegeteil 16, an dem Außenkonturteilflächen 102, 104 angeordnet sind, so dass sich Anschlussöffnungen 6, 8, 10, 12, 14 mit sich in der Abwicklung kreuzenden Längsachsen 106, 108 ausbilden können. Auch hierdurch ist das Aufbringen einer Vorspannung möglich. Zudem ist es möglich, dass die Anschlussöffnungen 6, 8, 10, 12, 14 durch Einzelfilamente 26 oder Filamentanordnungen 27 in unterschiedlicher Drehrichtung ausgebildet sind.
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 (26), die in einer Werkstoffmatrix (28) eingebettet sind, wobei mindestens eine Anschlussöffnung (6, 8, 10, 12, 14) zur Befestigung an einem oder für ein Bauteil vorgesehen ist, wobei Funktionsorgane (16, 18, 20, 22, 24) zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen (6, 8, 10, 12, 14) als Einlegeteile vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Anschlussöffnung (6, 8, 10, 12, 14) unter axialer und/oder radialer Vorspannung ausgebildet ist, wobei mindestens ein Einlegeteil Außenkonturflächenteile (60, 65, 66, 78, 80, 86, 88, 94, 96, 102, 104) aufweist, die bei Raumtemperatur eine radiale und/oder axiale Vorspannung auf die Anschlussöffnungen(6, 8, 10, 12, 14) ausbildende Einzelfilamente (26) im montierten Zustand ausüben.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteile (16, 18, 20, 22, 24) zur Ausbildung einzelner Anschlussöffnungen (6, 8, 10, 12, 14) eine Durchgangsöffnung (44) aufweisen.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteile (16, 18, 20, 22, 24) aus Stahl, Aluminium, Kunststoff oder einem Faserkunststoffverbund hergestellt sind.
Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (16, 18, 20, 22, 24) im Querschnitt T-Förmig ausgebildet ist.
Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (16, 18, 20, 22, 24) zweiteilig ausgeführt ist, wobei die radiale und/oder axiale Vorspannung in der Anschlussöffnung (6, 8, 10, 12, 14) dadurch erzeugbar ist, dass Einlegeteilstücke (63, 64, 74, 76, 82, 84, 90, 92) in axialer Richtung des Einlegeteils (16, 18, 20, 22, 24) verschiebbar zueinander ausgeführt sind.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteilstücke (63, 64, 74, 76, 82, 84, 90, 92) über eine Führung (72) miteinander verbunden sind.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegestücke (16, 18, 20, 22, 24) T-förmig, halbkugelförmig, konkavförmig oder mit zueinander gerichteten, angewinkelten Außenkonturflächenteilen (65, 66, 78, 80, 86, 88, 94, 96) ausgebildet sind.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (16, 18, 20, 22, 24) als Einlegegrundkörper (100) ausgebildet ist, an denen Außenkonturflächenteile (102, 104) für die Anschlussöffnungen (6, 8, 10, 12, 14) angeordnet sind, derart, dass die Anschlussöffnungen (6, 8, 10, 12, 14) sich in einer Abwicklung kreuzende Längsachsen aufweisen.
Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussöffnungen (6, 8, 10, 12, 14) durch Einzelfilamente (26) in unterschiedlicher Drehrichtung ausgebildet sind.
Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfilamente (26) zu Filamentanordnungen (27), sogenannten Rovings, zusammengefasst sind.
Faserverbundbauteil nach der Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentanordnungen (27) gebündelt, beispielsweise verdrillt oder verzwirnt, hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass a. Einlegeteile (16, 18, 20, 22, 24) an Aufnahmeorganen (32, 34, 36, 38, 40) einer Wickelvorrichtung (2) vorgesehen werden, b. Einzelfilamente (26) oder Filamentanordnungen (27) um die Einlegeteile (16, 18, 20, 22, 24) gewickelt werden, wobei die Einlegeteile (16, 18, 20, 22, 24) Außenkonturflächenteile (60, 65, 66, 78, 80, 86, 88, 94, 96, 102, 104) zur radialen und/oder axialen Vorspannung der Einzelfilamente (26) oder Filamentanordnungen (27) aufweisen, c. die gewickelten Einzelfilamente (26) oder Filamentanordnungen (27) mit der Werkstoffmatrix (28) getränkt werden, d. das Faserverbundbauteil (4) durch Aushärten der Werkstoffmatrix (28) fertiggestellt wird, und e. das Faserverbundbauteil (4) aus der Wickelvorrichtung (2) entnommen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a. Führungselemente (44, 46, 48) zur bauraumoptimierten Ausbildung des Faserverbundbauteils (4) an der Wickelvorrichtung (2) vorgesehen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelfilamente (26) im Schritt b. zunächst zu Filamentanordnungen (27) zusammengefasst werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b. die Filamentanordnungen (27) gebündelt werden.
Wickelvorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelvorrichtung (2) einen mehrteiligen Wickelgrundkörper (30) mit Führungselementen (48, 50, 52) und Aufnahmeorganen (32, 34, 36, 38, 40) für die Einlegeteile (16, 18, 20, 22, 24) aufweist.