DE102018203724A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils und faserverstärktes Kunststoffbauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils und faserverstärktes Kunststoffbauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem ein die Faserverstärkung (2) bildendes Faserhalbzeug, wenigstens ein Befestigungselement (4) und ein Matrixmaterial (3) in einem Werkzeug (10) zusammengebracht und unter Erhärten des Matrixmaterials (3) zu dem faserverstärkten Bauteil geformt werden, mit den Schritten:
- Einlegen des Befestigungselements (4), welches einen Befestigungsabschnitt (5) und einen Fußabschnitt (6) aufweist, der gegenüber dem Befestigungsabschnitt (5) verbreitert ist, in eine dafür vorgesehene Aussparung (14) in einer Formhälfte (12) des Werkzeugs (10) derart, dass der Fußabschnitt (6) des Befestigungselements (4) einer der Form des herzustellenden Bauteils nachempfundenen Kavität (13) des Werkzeugs (10) zugewandt ist,
- Einlegen des Faserhalbzeugs in die Kavität (13) und Schließen des Werkzeugs (10), so dass der Fußabschnitt (6) benachbart zu aber außerhalb des Faserhalbzeugs (2) angeordnet ist,
- Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials in die Kavität (13), wobei die Aussparung (14) in der Formhälfte (12) des Werkzeugs (10) und/oder der Fußabschnitt (6) des Befestigungselements (4) ein von einer Vertiefung (6A, 18) gebildetes Formschlusselement aufweist, in das Matrixmaterial (3) eindringt und darin zu einer Formschlussstruktur (7) aushärtet. Weiterhin wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil (1) angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils und ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, insbesondere mit integriertem Befestigungselement.
  • Als faserverstärkte Kunststoffbauteile werden Bauteile bezeichnet, bei denen eine Faserverstärkung in Form einer oder mehrerer Lagen von Verstärkungsfasern in eine Kunststoffmatrix eingebunden ist. Faserverstärkte Bauteile finden insbesondere im Fahrzeugbau im Rahmen des Leichtbaus zunehmend Verwendung. Gerade im Fahrzeugbau ist es jedoch notwendig, an den faserverstärkten Bauteilen weitere Bauteilen, wie z.B. Anbauteile, Nebenaggregate oder Leitungen zu befestigen.
  • Es ist bekannt, Gewindebolzen als Anbindungspunkte an den bereits fertiggestellten faserverstärkten Bauteilen anzukleben. Hierzu muss das Bauteil zunächst gereinigt werden um anschließend die Bolzen in einem separaten Prozess mit diesem zu verkleben. Die Klebebolzen sind zudem auch anfällig für hohe Querbelastungen. Es muss ein hoher Aufwand getrieben werden, damit derart hergestellte Anbindungspunkte den Festigkeitsanforderungen genügen.
  • Weiterhin ist es aus der Druckschrift DE 10 2013 009 931 A1 bekannt, hülsenförmige Verbindungselemente bereits bei der Herstellung in ein Faserverbundbauteil zu integrieren. Hierzu wird bereits vor der Harzinjektion eine Öffnung in den Faserlagen erzeugt und das hülsenförmige Verbindungselement hindurchgesteckt. Nach der Aushärtung des Harzes ist das Verbindungselement formschlüssig im Bauteil eingebunden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der zusätzliche Arbeitsschritt zum Ausbilden der Durchgangsöffnung, sowie die mit der Unterbrechung der Faserlagen einhergehende verringerte Festigkeit des Bauteils.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit anzugeben, wie die Herstellung von Bauteilen mit Anbindungspunkten verbessert werden kann, welche den mechanischen Festigkeitsanforderungen genügen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Bauteil nach Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es wird ein Verfahren angegeben zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem ein die Faserverstärkung bildendes Faserhalbzeug, wenigstens ein Befestigungselement und ein Matrixmaterial in einem Werkzeug zusammengebracht und unter Erhärten des Matrixmaterials zu dem faserverstärkten Bauteil geformt werden. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
    • - Einlegen des Befestigungselements, welches einen Befestigungsabschnitt und einen Fußabschnitt aufweist, der gegenüber dem Befestigungsabschnitt verbreitert ist, in eine dafür vorgesehene Aussparung in einer Formhälfte des Werkzeugs derart, dass der Fußabschnitt des Befestigungselements einer der Form des herzustellenden Bauteils nachempfundenen Kavität des Werkzeugs zugewandt ist,
    • - Einlegen des Faserhalbzeugs in die Kavität und Schließen des Werkzeugs, so dass der Fußabschnitt benachbart zu aber außerhalb des Faserhalbzeugs angeordnet ist,
    • - Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials in die Kavität, wobei die Aussparung in der Formhälfte des Werkzeugs und/oder der Fußabschnitt des Befestigungselements ein von einer Vertiefung gebildetes Formschlusselement aufweist, in das Matrixmaterial eindringt und darin aushärtet.
  • Die Herstellung des faserverstärkten Bauteils erfolgt in einem Werkzeug, das üblicherweise zwei gegeneinander schließbare Formhälften aufweist. Im geschlossenen Werkzeug verbleibt zwischen den Formhälften eine Kavität, welche im Wesentlichen eine Negativform des herzustellenden Bauteils bildet. Das Faserhalbzeug sowie das oder die in das Bauteil zu integrierenden Befestigungselemente werden in der Kavität angeordnet, das Werkzeug wird geschlossen und es wird eine fließfähige Kunststoffmatrix in die Kavität eingebracht. Diese dringt in die Hohlräume im Werkzeug ein und infiltriert die Faserverstärkung. Unter Druck und ggf. bei erhöhter Temperatur erhärtet die Kunststoffmatrix, wodurch das faserverstärkte Kunststoffbauteil gebildet wird.
  • Weiterhin wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil angegeben, das insbesondere mit dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil beinhaltet eine Faserverstärkung mit mindestens einer Faserlage, eine Kunststoffmatrix, in welche die Faserverstärkung eingebunden ist, und ein Befestigungselement mit einem Befestigungsabschnitt und einem gegenüber dem Befestigungsabschnitt verbreiterten Fußabschnitt. Das Befestigungselement ist erfindungsgemäß außerhalb der Faserverstärkung angeordnet und mit seinem Fußabschnitt in die Kunststoffmatrix eingebunden ist, wobei die Kunststoffmatrix eine Formschlussstruktur aufweist, welche den Fußabschnitt formschlüssig fixiert.
  • Das Befestigungselement weist einen Befestigungsabschnitt sowie einen gegenüber dem Befestigungsabschnitt verbreiterten Fußabschnitt auf. Der Fußabschnitt kann z.B. einen Durchmesser haben, der größer ist als der Durchmesser des Befestigungsabschnitts, vorzugsweise um ein Vielfaches größer, z.B. um mindestens einen Faktor 3. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass das Befestigungselement in eine dafür vorgesehene Aussparung in einer Formhälfte derart eingelegt wird, dass der Fußabschnitt der Kavität zugewandt ist. Mit anderen Worten weist der Fußabschnitt in Richtung Kavität, während der Befestigungsabschnitt in der Aussparung in der Werkzeughälfte aufgenommen wird. Das Befestigungselement wird nun mit seinem Fußabschnitt formschlüssig in die Kunststoffmatrix eingebettet, bleibt jedoch außerhalb der Faserverstärkung. Mit anderen Worten wird das Befestigungselement von außen an die Faserverstärkung angesetzt und durch die Kunststoffmatrix mit der Faserverstärkung verbunden und in das Bauteil integriert.
  • Durch die Anordnung des verbreiterten Fußabschnitts in der Matrixstruktur wird eine hochfeste Anbindung des Befestigungselements an das faserverstärkte Bauteil erreicht. Da das Befestigungselement außerhalb des Faserhalbzeugs bzw. der Faserverstärkung angeordnet ist, können die Verstärkungsfasern völlig unabhängig von dem Befestigungselement orientiert werden. Es ist weder ein Umlenken von Fasern noch eine Faserunterbrechung notwendig, was jeweils eine Schwächung des Bauteils bedeuten würde. Vielmehr können die Fasern der Faserverstärkung auch im Bereich des Befestigungselements lastpfadgerecht angeordnet sein.
  • Das Befestigungselement wird in die Aussparung eingelegt, wobei die Position durch die Form der Aussparung vorgegeben wird. Vorzugsweise weist die Aussparung eine Anlageschulter auf. Beim Einlegen gelangt das Befestigungselement insbesondere mit seinem Fußabschnitt in Anlage mit der Anlageschulter, wodurch die Position des Befestigungselements in Richtung der Werkzeugschließachse definiert wird.
  • Zur Erzielung einer abdichtenden Wirkung ist es vorteilhaft, wenn die Analgeschulter eine ringförmige Fläche ist, welche um ein den Befestigungsabschnitt aufnehmendes Sackloch verläuft. Eine derart ausgebildete Anlageschulter verhindert bzw. verringert, dass Matrixmaterial an den Befestigungsabschnitt gelangt. Vorteilhafter Weise kann bei einer derart ausgebildeten Anlageschulter auf eine zusätzliche Dichtung, wie z.B. eine elastischen Dichtring, verzichtet werden. Eine derartige Anordnung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Befestigungsabschnitt ein Gewindebolzen mit Außengewinde ist.
  • In einer Ausgestaltung kann es von weiterem Vorteil sein, wenn die Aussparung derart gestaltet ist, dass das in die Aussparung eingelegte Befestigungselement bündig mit der an die Aussparung angrenzenden Kavitätswand abschließt. Hierdurch wird während des Herstellungsprozesses die aufgelegte Faserlage durch den Fußabschnitt des Befestigungselements zusätzlich unterstützt. Zudem wird ein gleichmäßiger und stufenfreier Verlauf der Faserverstärkung im Bereich des Befestigungselements ermöglicht.
  • Zur Realisierung der formschlüssigen Fixierung des Befestigungselementes durch das Matrixmaterial kann die Aussparung in der Formhälfte des Werkzeugs ein durch eine Vertiefung gebildetes Formschlusselement aufweisen. Mit anderen Worten gesagt, nimmt die Aussparung nicht nur das Befestigungselement auf, sondern weist eine zusätzliche Vertiefung auf, in die Matrixmaterial eindringen kann. Die zusätzliche Vertiefung ist dabei derart ausgestaltet, dass darin ausgehärtetes Matrixmaterial eine Formschlussstruktur bildet, welche das Befestigungselement formschlüssig fixiert. Der Formschluss fixiert das Befestigungselement sowohl quer zur Bauteiloberfläche als auch entlang der Bauteiloberfläche. Durch die Formschlussstruktur wird der Fußabschnitt formschlüssig an der Faserverstärkung fixiert.
  • Zur Erzielung einer besonders stabilen Anbindung ist in einer Ausgestaltung die Vertiefung derart gestaltet, dass das Matrixmaterial, welches die Vertiefung füllt, bzw. die resultierende Formschlussstruktur den Fußabschnitt umgreift und sich bis auf eine Seite des Fußabschnitts erstreckt, welche der Faserverstärkung abgewandt ist. Hierdurch ist der Fußabschnitt hinterschnittig in die Kunststoffmatrix integriert.
  • Alternativ oder ergänzend kann auch im Fußabschnitt eine Vertiefung vorgesehen sein, in die Matrixmaterial eindringt und dort eine Formschlussstruktur bildet. Die Vertiefung im Fußabschnitt kann sich z.B. seitlich von außen in den Fußabschnitt hineinerstrecken. Es können auch mehr als eine Vertiefung vorgesehen sein.
  • In einer Ausgestaltung wird durch die Formschlussstruktur zusätzlich eine Verdrehsicherung des Befestigungselementes gebildet. Die Verdrehsicherung verhindert ein Mitdrehen des Befestigungselements, wenn auf den Befestigungsabschnitt ein Drehmoment aufgebracht wird, wie dies z.B. der Fall ist, wenn der Befestigungsabschnitt als Gewindebolzen ausgebildet ist und eine Mutter auf diesen aufgeschraubt wird. Die Vertiefung im Fußabschnitt kann z.B. quer zur Längsachse des Befestigungsabschnitts angeordnet sein. Es können mehrere Aussparungen umfangsseitig am Fußabschnitt verteilt sein. Ebenso kann der Fußabschnitt mit einer Rändelung versehen sein.
  • Das Faserhalbzeug, welches im Bauteil die Faserverstärkung bildet, kann ein oder vorzugsweise mehrere Faserlagen aufweisen. Die Faserlagen können z.B. als Gewebe, Geflecht und/oder Gelege ausgebildet sein. Zusätzliche Faserlagen in Form eines Vlieses können ebenso vorgesehen sein. Die Faserlagen können als trockene Lagen oder in vorimprägnierter Form bei der Herstellung verwendet werden.
  • Das Faserhalbzeug ist vorzugsweise aus Lang- oder Endlosfasern gebildet. Besonders bevorzugt ist wenigstens eine Faserlage aus Endlosfasern gebildet, wobei insbesondere mehrere Lagen aus Endlosfasern in geschichteter Form vorliegen können. Unter Endlosfasern werden in diesem Zusammenhang Fasern mit einer Länge von mehr als 50 mm verstanden. Vorzugsweise reichen die Endlosfasern über die gesamte Länge bzw. Breite des Bauteils.
  • Als Verstärkungsfasern können alle bekannten Verstärkungsfasern, wie z.B. Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern u.ä. verwendet werden. Die Verwendung eines Faserhalbzeugs, das Kohlenstofffasern enthält oder aus diesen besteht, ermöglicht die Erzielung besonders hoher Bauteilfestigkeiten. Die Verwendung von Natur- oder Metallfasern ist ebenfalls denkbar.
  • Die Faserverstärkung ist in einer Kunststoffmatrix eingebunden. Als Matrixmaterial kann ein thermoplastischer Kunststoff verwendet werden, welcher z.B. in einem Spritzgießprozess in das Faserhalbzeug eingebracht wird. Vorzugsweise wird jedoch ein duromeres Matrixsystem, wie z.B. ein Harz, verwendet. Für die Herstellung solcher Faserverbundteile sind mehrere Verfahren bekannt, wie beispielsweise Resin Transfer Moulding (RTM), Vacuum Assisted Process (VAP), oder Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI).
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das faserverstärkte Kunststoffbauteil ein CFK-Bauteil ist mit einer Faserverstärkung aus Kohlenstofffasern, welche in ein Harz, wie z.B. Epoxydharz, eingebunden sind. Für die Herstellung derartiger Bauteile wird bevorzugt das RTM-Verfahren verwendet.
  • Das Befestigungselement dient der Befestigung eines weiteren Bauteils am faserverstärkten Kunststoffbauteil, vorzugsweise der Befestigung eines Anbauteils, eines Hilfsaggregats, wie z.B. eines Steuergeräts, oder auch der Befestigung von Kabeln. Hierzu ist der Befestigungsabschnitt des Befestigungselements derart ausgebildet, dass er ein Anbringen von Bauteilen ermöglicht. Der Befestigungsabschnitt kann beispielsweise ein Bolzen, ein Clip oder ein Rastelement sein. Vorzugsweise weist das Befestigungselement einen als Gewindebolzen mit Außengewinde ausgebildeten Befestigungsabschnitt auf, der gegenüber dem Fußabschnitt vorsteht. Dies ermöglicht eine gute Zugänglichkeit sowie eine direkte Verschraubung mit weiteren Bauteilen.
  • Das Befestigungselement kann einstückig, z.B. aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein. Zur Erzielung hoher Haltekräfte kann es vorteilhaft sein, wenn der Befestigungsabschnitt, insbesondere in Form eines Gewindebolzens, aus Metall ausgebildet ist. Um die Gefahr von Kontaktkorrosion zwischen einem metallischen Befestigungsabschnitt und der Faserverstärkung auszuschließen, kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn zwar der Befestigungsabschnitt aus Metall, der Fußabschnitt jedoch aus Kunststoff ausgebildet ist. Der Fußabschnitt kann z.B. an den Befestigungsabschnitt angegossen oder angeklebt sein. Vorzugsweise wird für den Fußabschnitt ein Kunststoff verwendet, der eine ausreichend hohe Temperaturstabilität aufweist, damit der Fußabschnitt während der Integration in das Bauteils nicht durch die dort herrschenden Prozesstemperaturen geschädigt wird.
  • Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann vorzugsweise ein Karosseriebauteil sein. Besonders vorteilhaft lassen sich mit dem Verfahren flächige Schalenbauteilen, wie z.B. eine Stirnwand, mit einem oder mehreren integrierten Befestigungselementen herstellen.
  • Die voranstehend beschriebene Lösung macht ein nachträgliches Anbringen von Anbindungspunkten überflüssig. Reinigungs- und Klebeprozesse können entfallen. Die Integration der Befestigungselemente ist auf einfache Art und Weise durch Anpassung der Formwerkzeuge möglich. Die Prozesszeit zur Herstellung des Bauteils wird reduziert und die Bauteile erreichen bessere mechanische Kennwerte. Die Befestigungselemente zeigen insbesondere eine bessere Zugfestigkeit und ein höheres Anziehdrehmoment als angeklebte Befestigungselemente.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
    • 1 ein beispielhaftes faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem Befestigungselement und
    • 2 bis 4 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Herstellverfahrens für das Bauteil aus 1.
  • 1 zeigt ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 1, das eine Faserverstärkung 2 aufweist, welche in ein Matrixmaterial 3 eingebunden ist. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich vorzugsweise um eine duromere Kunststoffmatrix, wie z.B. ein Epoxydharz, die Faserverstärkung 2 ist aus mehreren aufeinander geschichteten Faserlagen (beispielhaft dargestellt Faserlagen 2A bis 2E) gebildet, bei denen es sich jeweils z.B. um ein Gewebe, Geflecht und/oder Gelege handeln kann. Zusätzliche Faserlagen in Form eines Vlieses können ebenso vorgesehen sein. Wenigstens eine Faserlage 2A ist aus Endlosfasern gebildet, wobei vorzugsweise mehrere Lagen aus Endlosfasern gebildet sind. Als Verstärkungsfasern können alle bekannten Verstärkungsfasern verwendet werden, wobei insbesondere die Endlosfasern vorzugsweise Kohlenstofffasern sind. Das Bauteil 1 kann insbesondere ein Karosseriebauteil sein.
  • In das faserverstärkte Bauteil 1 ist wenigstens ein Befestigungselement 4 integriert. Das Befestigungselement 4 weist einen Befestigungsabschnitt 5 in Form eines Gewindebolzens mit Außengewinde auf, sowie einen mit dem Befestigungsabschnitt verbundenen Fußabschnitt 6. Der Fußabschnitt 6 ist von außen an die Faserverstärkung 2 angesetzt und in das Matrixmaterial 3 formschlüssig eingebunden.
  • Wie in 1 zu erkennen, bildet das Matrixmaterial 3 im Bereich des Fußabschnitts 6 eine Formschlussstruktur 7 aus, welche den Fußabschnitt 6 umfangsseitig umgreift und sich bis auf eine Oberseite 8 des Fußabschnitts 6 erstreckt, welche der Faserverstärkung 2 abgewandt ist. Hierdurch ist der Fußabschnitt 6 hinterschnittig in das Matrixmaterial 3 integriert.
  • Weiterhin kann in dem Fußabschnitt eine Vertiefung 6A vorgesehen sein, die sich z.B. von der Seite radial in Richtung auf die Mittenachse des Befestigungselements 4 erstreckt. In diese Vertiefung 6A greift die Formschlussstruktur 7 ein und bildet eine zusätzliche Verdrehsicherung aus.
  • Der Fußabschnitt 6 ist tellerförmig ausgebildet und hat einen Durchmesser D, der gegenüber dem Durchmesser DB des Gewindebolzens vergrößert ist, wodurch sich eine bessere Anbindung an das Bauteil 1 und eine geringere Flächenlast im Belastungsfall ergibt.
  • Das Befestigungselement 4 kann aus einem einzigen Material, wie z.B. einem Kunststoff oder einem Metall ausgebildet sein. Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion weist das Befestigungselement 4 jedoch vorzugsweise einen Fußabschnitt 6 aus Kunststoff und einen Befestigungsabschnitt 5 aus Metall auf, welche stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
  • 2 bis 4 zeigen verschiedene Stadien bei der Herstellung des faserverstärkten Bauteils zur Erläuterung einer Herstellung in einem RTM-Verfahren.
  • Zunächst wird ein RTM-Werkzeug 10 bereitgestellt mit zwei Formhälften 11 und 12, die entlang einer Schließachse S gegeneinander öffenbar und schließbar sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität 13 einschließen. Die Kavität hat im Wesentlichen die Form des herzustellenden Bauteils 1. In der Werkzeugwand der Formhälfte 12 ist eine Aussparung 14 vorgesehen. Die Aussparung 14 ist zur Aufnahme des Befestigungselements 4 und zur Positionierung desselben in der Formhälfte 12 eingerichtet. Hierzu weist die Aussparung 14 ein Sackloch 15 auf, in das der Befestigungsabschnitt 5 des Befestigungselementes 4 einführbar ist. Weiterhin weist die Aussparung eine Anlageschulter 16 auf. Wird das Befestigungselement 4 mit dem Befestigungsabschnitt 5 in das Sackloch 15 gelegt, so gelangt der Fußabschnitt 6 in Anlage mit der Anlageschulter 16, siehe 3. Hierdurch wird die Position des Befestigungselements 4 in Richtung der Schließachse S vorgegeben, durch das Sackloch 15 wird die Position des Befestigungselements 4 quer zur Schließachse S definiert. Vorzugsweise ist die Anlageschulter gegenüber der Kavitätswand 17 soweit zurückversetzt, dass das eingelegte Befestigungselement 4 bündig mit der an die Aussparung 14 angrenzenden Kavitätswand 17 abschließt.
  • Nun wird die Faserverstärkung 2 als trockenes Faserhalbzeug in die Kavität 13 eingelegt und das Werkzeug 10 geschlossen, siehe 4. Dabei wird die Faserverstärkung 2 auf das Befestigungselement 4 gelegt, wodurch es dieses unterbrechungsfrei überdeckt. Nun wird ein nicht dargestelltes fließfähiges Matrixmaterial in die Kavität 13 injiziert, wo es das Faserhalbzeug infiltriert und in eine Vertiefung 18 der Aussparung 14 fließt. Die Vertiefung 18 ist dabei derart gestaltet, dass das Matrixmaterial außen um den Fußabschnitt 6 herum bis zur Anlageschulter 16 fließt, wodurch der Fußabschnitt 6 von dem Matrixmaterial hinterschnittig umgriffen wird. Weist das Befestigungselement 4 die optionale Vertiefung 6A auf, so dringt auch in diese Matrixmaterial ein. Es bildet sich die in 1 gezeigte Formschlussstruktur 7.
  • Die Anlageschulter 16 wirkt weiterhin als Dichtfläche während der Herstellung des Bauteils. Wird das Matrixmaterial in die Kavität injiziert, so drückt der Innendruck den Fußabschnitt 6 gegen die Anlageschulter 16. Hierdurch wird - ohne dass eine zusätzliche elastische Dichtung vorgesehen wird - eine gute Abdichtwirkung erzielt. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Sacklochs nur unwesentlich größer als der Außendurchmesser des Gewindebolzens, so dass nur ein schmaler Spalt zwischen Sackloch und Gewinde vorliegt. Damit kann Matrixmaterial, das eventuell dennoch in den Spalt gelangt, problemlos nach der Aushärtung und der Entformung des Bauteils entfernt werden.
  • Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Insbesondere ist es nicht notwendig, dass die Matrixstruktur den Fußabschnitt umgreift. Es ist ebenso denkbar, dass das Befestigungselement ausschließlich durch in Vertiefungen im Fußabschnitt eingreifende Harzstrukturen befestigt wird. Weitere Abwandlungen der Formschlusselemente sind denkbar.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    faserverstärktes Kunststoffbauteil
    2
    Faserverstärkung
    2A bis 2E
    Faserlagen
    3
    Matrixmaterial
    4
    Befestigungselement
    5
    Befestigungsabschnitt
    6
    Fußabschnitt
    6A
    Vertiefung
    7
    Formschlussstruktur
    8
    Oberseite des Fußelements
    10
    Werkzeug
    11, 12
    Formhälften
    13
    Kavität
    14
    Aussparung
    15
    Sackloch
    16
    Anlageschulter
    17
    Kavitätswand
    18
    Vertiefung
    D, DB
    Durchmesser
    S
    Schließachse
  • 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 102013009931 A1 [0004]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem ein die Faserverstärkung (2) bildendes Faserhalbzeug, wenigstens ein Befestigungselement (4) und ein Matrixmaterial (3) in einem Werkzeug (10) zusammengebracht und unter Erhärten des Matrixmaterials (3) zu dem faserverstärkten Bauteil geformt werden, mit den Schritten: - Einlegen des Befestigungselements (4), welches einen Befestigungsabschnitt (5) und einen Fußabschnitt (6) aufweist, der gegenüber dem Befestigungsabschnitt (5) verbreitert ist, in eine dafür vorgesehene Aussparung (14) in einer Formhälfte (12) des Werkzeugs (10) derart, dass der Fußabschnitt (6) des Befestigungselements (4) einer der Form des herzustellenden Bauteils nachempfundenen Kavität (13) des Werkzeugs (10) zugewandt ist, - Einlegen des Faserhalbzeugs in die Kavität (13) und Schließen des Werkzeugs (10), so dass der Fußabschnitt (6) benachbart zu aber außerhalb des Faserhalbzeugs (2) angeordnet ist, - Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials in die Kavität (13), wobei die Aussparung (14) in der Formhälfte (12) des Werkzeugs (10) und/oder der Fußabschnitt (6) des Befestigungselements (4) ein von einer Vertiefung (6A, 18) gebildetes Formschlusselement aufweist, in das Matrixmaterial (3) eindringt und darin zu einer Formschlussstruktur (7) aushärtet.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem das Befestigungselement (4) beim Einlegen in die Aussparung (14) mit dem Fußabschnitt (6) in Anlage mit einer Anlageschulter (16) der Aussparung (14) gelangt.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 2, bei dem die Anlageschulter (16) eine ringförmige Fläche ist, welche um ein den Befestigungsabschnitt (5) aufnehmendes Sackloch (15) verläuft.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das eingelegte Befestigungselement (4) bündig mit einer an die Aussparung angrenzenden Kavitätswand (17) abschließt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Formschlussstruktur (7) den Fußabschnitt (6) umgreift und sich bis auf eine Oberseite (8) des Fußabschnitts (6) erstreckt, welche der Faserverstärkung (2) abgewandt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Formschlussstruktur (7) zusätzlich eine Verdrehsicherung des Befestigungselementes (4) bildet.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Faserverstärkung wenigstens eine Faserlage (2A) aus Endlosfasern aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Faserverstärkung (2) aus Kohlenstofffasern besteht oder diese enthält.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, das als RTM-Verfahren durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Befestigungselement (4) als Befestigungsabschnitt (5) einen Gewindebolzen mit Außengewinde aufweist, der gegenüber dem Fußabschnitt (6) vorsteht.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Befestigungselement (4) einen Befestigungsabschnitt (5) aus Metall und einen Fußabschnitt (6) aus Kunststoff aufweist.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das faserverstärkte Kunststoffbauteil (1) ein Karosseriebauteil ist.
  13. Faserverstärktes Kunststoffbauteil mit: einer Faserverstärkung (2) mit mindestens eine Faserlage (2A), einer Kunststoffmatrix (3), in welche die Faserverstärkung (2) eingebunden ist, und einem Befestigungselement (4) mit einem Befestigungsabschnitt (5) und einem gegenüber dem Befestigungsabschnitt (5) verbreiterten Fußabschnitt (6), wobei das Befestigungselement (4) außerhalb der Faserverstärkung (2) angeordnet und mit seinem Fußabschnitt (6) in die Kunststoffmatrix (2) eingebunden ist, wobei die Kunststoffmatrix (3) eine Formschlussstruktur (7) aufweist, welche den Fußabschnitt (6) formschlüssig fixiert.
  14. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Patentanspruch 13 hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 12.
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Title
Schievenbusch Florian: Beitrag zu hochbelasteten Krafteinleitungselementen für Faserverbundbauteile. Von der Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Chemnitz. Chemnitz : Technischen Universität Chemnitz, 11. August 2003. 141 Seiten. *

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