DE102019005369A1 - Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff - Google Patents

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Abstract

Ein neues Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff soll so ausgebildet sein, dass Wirkungen einer Schlagbeanspruchung reduziert sind.Hierzu weist das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) aus einem faserverstärkten Kunststoff folgende Merkmale auf:a) das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) weist in Einbaulage eine Außenseite (2), die im Betrieb einer Gefährdung durch eine Stoßbelastung ausgesetzt ist, und eine der Außenseite (2) gegenüberliegende Innenseite (3) auf,b) das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) weist mehrere Innenlagen (20, 30, 40) aus jeweils einem faserverstärkten Kunststoff auf, die der Innenseite (3) zugewandt sind,c) die mehreren Innenlagen (20, 30, 40) sind durch eine der Außenseite (2) zugewandte Abstandslage (10) aus einem faserverstärkten Kunststoff geschützt, derart, dass die Abstandslage (10) Kammern (11) aufweist, die mit einem dilatanten Fluid (12) gefüllt sind.Das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) kann ein Bauteil sein, das zur Herstellung eines Tragflügels eines Flugzeuges verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff. Unter einem Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil ist ein Fahrzeug-Bauteil zu verstehen, das in Einbaulage einen Abschnitt einer Außenhaut eines Fahrzeuges bildet. Unter Fahrzeug-Bauteile fallen beispielsweise Flugzeug-Bauteile.
  • Bauteile aus einem faserverstärkten Kunststoff sind empfindlich auch gegenüber einer schwachen Schlagbeanspruchung. Schwache Schlagbeanspruchungen sind mit bloßem Auge kaum zu erkennen, setzen aber die mechanische Festigkeit herab. Dieser Sachverhalt ist unter dem Begriff „barely visible impact damages“ bekannt. Wird auf ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff eine Schlagbeanspruchung ausgeübt, so bildet sich nicht nur wie bei Metallen eine Einbeulung, sondern es kommt zusätzlich zu Delaminationen im Inneren des Bauteils. Bei einer Delamination sind einzelne Faserlagen voneinander getrennt und es kann keine Kraft zwischen den Faserlagen übertragen werden.
  • Aus der US 2011/0039087 A1 ist eine Emulsion mit dilatanten Eigenschaften bekannt. Mit der Emulsion können Gewebe und Stoffe beschichtet werden. Mit der Beschichtung werden äußere Stöße abgeschwächt.
  • Aus der US 2015/0323291 A1 ist ein ballistisches Schutzbauteil bekannt. Zwischen Schichten aus faserverstärktem Kunststoff und/oder einem Metallwerkstoff ist eine Zwischenschicht angeordnet. In der Zwischenschicht ist ein ballistisches Material angeordnet. Das ballistische Material ist ein dilatantes Material, wahlweise in Kombination mit einem Faserflächenmaterial.
  • Aus der US 2012/0189808 A1 ist ein ballistisches Laminat-Material bekannt. Das Laminat-Material weist eine erste Schicht aus einer dilatanten Zusammensetzung, ferner eine zweite Schicht aus einem Keramik-Material und darüber hinaus eine dritte Schicht aus einem Strike-Face-Material auf.
  • Aus der US 2012/0024138 A1 ist eine Panzerungsplatte bekannt. Die Panzerungsplatte weist mindestens eine feste Absorbierungsschicht und eine hochfeste Begrenzungsschicht auf, die die feste Absorbierungsschicht umgibt. Die feste Absorbierungsschicht weist eine Mehrzahl von streifenförmigen Schutzelementen auf, die aneinandergeklebt sind. Die feste Absorbierungsschicht kann aus einem Glaskeramik-Material gebildet sein. Es wird ein dilatantes Verhalten der festen Absorbierungsschicht angenommen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff so auszubilden, dass Wirkungen einer Schlagbeanspruchung reduziert sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass bei einem Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff Schäden einer Schlagbeanspruchung reduziert sind. Die Schadenstoleranz und die Zuverlässigkeit des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils sind erhöht. Die Ausfallrate des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils ist erniedrigt. Das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil weist in Einbaulage eine Außenseite, die im Betrieb einer Gefährdung durch eine Stoßbelastung ausgesetzt ist, und eine der Außenseite gegenüberliegende Innenseite auf. Das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil weist mehrere Innenlagen aus jeweils einem faserverstärkten Kunststoff auf, die der Innenseite zugewandt sind. Die mehreren Innenlagen sind durch eine der Außenseite zugewandte Abstandslage aus einem faserverstärkten Kunststoff geschützt, derart, dass die Abstandslage Kammern aufweist, die mit einem dilatanten Fluid gefüllt sind. Bei einer Schlagbelastung wird das dilatante Fluid schlagartig fest. Die Energie der Schlagbelastung verteilt sich über eine größere Fläche. Dadurch wird die Energie pro Fläche geringer und die Delaminationsneigung der zu schützenden Innenlage nimmt ab. Die Abstandsschicht stellt nicht nur die Kammern zur Verfügung, sondern erhöht auch wesentlich die Biegefestigkeit. Das dilatante Fluid ist normalerweise flüssig bis knetartig. Dies bedingt, dass trotz einem Schutz vor Schlagbelastungen das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil elastisch bleibt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kammern der Abstandslage als Längskammern ausgebildet. Auf der vorgenannten Ausgestaltung aufbauend, sind die Längskammern nebeneinanderliegend angeordnet. Wiederum auf der vorgenannten Ausgestaltung aufbauend, weisen die Längskammern ein Rechteckprofil auf. Aufgrund der überaus vorteilhaften Ausbildung der Kammern als nebeneinanderliegende Längskammern mit Rechteckprofil können kostengünstige Abstandsgewebe als Ausgangsmaterial für die Abstandslage verwendet werden. Bei einem Abstandsgewebe sind zwei Gewebedecklagen aus Fasern durch Stegfäden auf Abstand gehalten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abstandslage durch Laminierung mit den Innenschichten verbunden. Hierbei stellt eine Kunststoffmatrix die Verbindung sicher. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist die Abstandslage durch Verklebung mit den Innenschichten verbunden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet die Abstandslage die Außenseite des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil mindestens eine Außenlage aus einem faserverstärkten Kunststoff auf, welche die Außenseite bildet und durch Verklebung oder Laminierung mit der Abstandslage verbunden ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils als Prinzipskizze:
    • 1 ein Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil, als 3-dimensionale Ausschnitts-Schnittdarstellung;
    • 2 das in 1 dargestellte Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil, als 3-dimensionale Ausschnitts-Schnittdarstellung entlang des in 1 eingezeichneten Schnittverlaufs II-II.
  • Die 1 zeigt zusammen mit der 2 ein Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 aus einem faserverstärkten Kunststoff. Das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 weist in Einbaulage eine Außenseite 2, die im Betrieb einer Gefährdung durch eine Stoßbelastung ausgesetzt ist, und eine der Außenseite 2 gegenüberliegende Innenseite 3 auf. Das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 weist mehrere Innenlagen 20, 30 und 40 aus jeweils einem faserverstärkten Kunststoff auf, die der Innenseite 3 zugewandt sind. Die mehreren Innenlagen 20, 30, 40 sind durch eine der Außenseite 2 zugewandte Abstandslage 10 aus einem faserverstärkten Kunststoff geschützt. Die Abstandslage 10 weist Kammern 11 auf, die mit einem dilatanten Fluid 12 gefüllt sind.
  • Das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 weist ferner eine Außenlage 60 aus einem faserverstärkten Kunststoff auf, welche die Außenseite 2 bildet und durch Laminierung mit der Abstandslage 10 verbunden ist. Eine Verklebung käme auch in Frage. Alternativ können statt einer Außenlage 60 auch mehrere Außenlagen vorliegen. Ebenso alternativ kann die Abstandslage 10 die Außenseite 2 des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils 1 bilden, wenn man auf die gezeigte Außenlage 60 verzichtet.
  • In 2 ist der Vorgang einer Schlagbelastung illustriert. Dargestellt ist ein Aufschlagkörper 90, der von der Außenfläche 2 des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils 1 zurückfedert. Durch die Schlagbelastung wird das dilatante Fluid schlagartig fest. Die Energie der Schlagbelastung verteilt sich über eine größere Fläche der Abstandslage 10. Dadurch wird die Energie pro Fläche der Abstandslage 10 geringer und die Delaminationsneigung der zu schützenden Innenlagen 40, 30 und 20 nimmt ab. Eine dargestellte Delamination 61 in der Außenschicht 60 wird konstruktiv vom Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 verkraftet, weil dies bei der Auslegung des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils 1 berücksichtigt wurde.
  • Die Abstandslage 10 stellt nicht nur die Kammern 11 zur Verfügung, sondern erhöht auch wesentlich die Biegefestigkeit. Das dilatante Fluid 12 ist je nach Material flüssig bis knetartig. Dies bedingt, dass trotz einem Schutz vor Schlagbelastungen das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 elastisch bleibt.
  • Die Kammern 11 der Abstandslage 10 sind als Längskammern 11a ausgebildet. Die Längskammern 11a sind nebeneinanderliegend angeordnet. Die Längskammern 11a weisen ein Rechteckprofil auf. Die Längskammern 11a sind an gegenüberliegenden Stirnseiten mit Stopfen 13 verschlossen. Je nach der Viskosität des dilatanten Fluids kann auf die Stopfen 13 verzichtet werden, wenn das dilatante Fluid knetartig ist und nicht aus den Stirnöffnungen der Längskammern 11a heraustritt.
  • Die Abstandslage 10 ist durch eine Laminierung mit den Innenschichten 20, 30 und 40 verbunden. Alternativ kann die Abstandslage 10 auch durch eine Verklebung mit den Innenschichten 20, 30 und 40 verbunden sein.
  • Erstes Beispiel einer Herstellung eines in den 1 und 2 dargestellten Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils 1:
    • Ausgangsmaterialien:
      • • Für die Innenlage 20, 30 und 40 und die Außenlage 60: Jeweils Gewebelage HexForce® G0939 (Fa. Hexcel) aus Kohlenstofffasern.
      • • Für die Abstandslage: Abstandsgewebe TriGlas B3D8 (Fa. Lage und Ritter).
      • • Epoxidharz: Epikote Resin EP L20 (Fa. Hexion).
      • • Dilatantes Fluid: Dow Corning® 3179 Dilatant Compound.
    • Herstellungsschritte:
      • • Zuschnitt der einzelnen Gewebelagen sowie des Abstandsgewebes.
      • • Einbringen des Epoxidharzes in eine erste Gewebelage zur Ausbildung einer Innenlage 10. Schichtweiser weiterer Laminataufbau durch abwechselndes Auflegen einer Gewebelage und Auftragen eines Harzes. Dadurch erhält man die weiteren Innenlagen 20 und 30.
      • • Dann positioniert man das Abstandsgewebe und versetzt es mit Harz. Bei dem Abstandsgewebe sind zwei Gewebedecklagen aus Glasfasern durch senkrechte Stegfäden auf Abstand gehalten. Nach dem Tränken mit dem Epoxidharz stellt sich das TriGlass®-Abstandsgewebe selbstständig unter Erhalt der Abstandslage 10 auf. Es ist darauf zu achten, dass die erhaltenen Längskammern 11a frei von Harz sind.
      • • Anschließend wird eine weitere Gewebelage aufgelegt und Harz aufgetragen. Dadurch erhält man die Außenlage 60.
      • • Anschließend erfolgt eine Nachbearbeitung der Ränder.
      • • Die Längskammern 11a werden anschließend mit dem dilatanten Fluid gefüllt. Dies erfolgt durch ein Hineinpressen von Hand.
      • • Dann verschließt man die Längskammern 11a mit Stopfen 13. Man erhält das dargestellte Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1. Auf Grund der hohen Viskosität des verwendeten knetartigen, dilatanten Fluids kann beim Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil 1 alternativ auf die Stopfen 13 verzichtet werden.
      • • Im Ausführungsbeispiel sind die Gewebelagen aus Kohlenstofffasern gefertigt und das Abstandsgewebe aus Glasfasern. Andere Fasermaterialien, wie beispielsweise Aramidfasern, können auch eingesetzt werden.
      • • Im Ausführungsbeispiel wurde das Abstandsgewebe TriGlas B3D8 (Fa. Lage und Ritter) verwendet, welches eine Steghöhe von max. 8 mm aufweist. Das flächenmäßig recht große Rechteckprofil erleichtert das Hineinpressen des dilatanten, knetartigen Fluids. Andere Abstandsgewebe, bei dem das Rechteckprofil der Längskammern eine maximale Höhe von 5 mm oder 3 mm aufweist, können alternativ eingesetzt werden. Diese Abstandsgewebe sind von der Fa. Lange und Ritter unter der Bezeichnung TriGlas B3D5 oder TriGlas B3D3 erhältlich.
  • Zweites Beispiel einer Herstellung eines in den 1 und 2 dargestellten Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils 1:
    • Ausgangsmaterialien:
      • Wie zuvor, jedoch wird zusätzlich noch der Klebstoff Hysol® EA9396 verwendet. Herstellungsschritte:
        • • Herstellen eines ersten Vorproduktes bestehend aus den Innenlagen 20, 30 und 40. Das erste Vorprodukt wurde nach dem zuvor aufgeführten Prinzip des schichtweisen Laminataufbaus erhalten.
        • • Herstellen eines zweiten Vorproduktes bestehend aus der Außenlage 60 und der Abstandslage 10. Das zweite Vorprodukt wurde ebenfalls nach dem zuvor aufgeführten Prinzip des schichtweisen Laminataufbaus erhalten.
        • • Verklebung des ersten Vorproduktes und des zweiten Vorproduktes mit Hilfe des zuvor genannten Klebstoffes.
        • • Hineinpressen des dilatanten, knetartigen Fluids. Verschluss der Längskammern 11a mit Stopfen 13.
        • • Erhalt des dargestellte Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils 1.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil
    2
    Außenseite
    3
    Innenseite
    10
    Abstandslage
    11
    Kammern
    11a
    Längskammern
    12
    dilatantes Fluid
    13
    Stopfen
    20, 30, 40
    jeweils eine Innenlage
    60
    Außenlage
    61
    Delamination
    90
    Aufschlagkörper
  • 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
    • US 2011/0039087 A1 [0003]
    • US 2015/0323291 A1 [0004]
    • US 2012/0189808 A1 [0005]
    • US 2012/0024138 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) aus einem faserverstärkten Kunststoff, mit folgenden Merkmalen: a) das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) weist in Einbaulage eine Außenseite (2), die im Betrieb einer Gefährdung durch eine Stoßbelastung ausgesetzt ist, und eine der Außenseite (2) gegenüberliegende Innenseite (3) auf, b) das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) weist mehrere Innenlagen (20, 30, 40) aus jeweils einem faserverstärkten Kunststoff auf, die der Innenseite (3) zugewandt sind, c) die mehreren Innenlagen (20, 30, 40) sind durch eine der Außenseite (2) zugewandte Abstandslage (10) aus einem faserverstärkten Kunststoff geschützt, derart, dass die Abstandslage (10) Kammern (11) aufweist, die mit einem dilatanten Fluid (12) gefüllt sind.
  2. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach Anspruch 1, bei dem die Kammern (11) der Abstandslage (10) als Längskammern (11a) ausgebildet sind.
  3. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach Anspruch 2, bei dem die Längskammern (11a) nebeneinanderliegend angeordnet sind.
  4. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach Anspruch 3, bei dem die Längskammern (11a) ein Rechteckprofil aufweisen.
  5. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Abstandslage (10) durch Laminierung mit den Innenschichten (20, 30, 40) verbunden ist.
  6. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Abstandslage (10) durch Verklebung mit den Innenschichten (20, 30, 40) verbunden ist.
  7. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Abstandslage (10) die Außenseite (2) des Außenhaut-Fahrzeug-Bauteils (1) bildet.
  8. Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Außenhaut-Fahrzeug-Bauteil (1) mindestens eine Außenlage (60) aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist, welche die Außenseite (2) bildet und durch Verklebung oder Laminierung mit der Abstandslage (10) verbunden ist.
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