DE102020105090A1

DE102020105090A1 - Fügehilfsteil, faserverstärktes Kunststoffbauteil mit Fügehilfsteil, Bauteilanordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102020105090A1
Application number: DE102020105090.9A
Authority: DE
Inventors: Dominik Schittenhelm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügehilfsteil mit einem metallischen Schichtverbundkörper, der eine erste Deckschicht (2) und eine zweite Deckschicht (3) aufweist sowie eine zwischen den Deckschichten (2, 3) angeordnete, poröse Zwischenschicht (4). Weiterhin werden ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem derartigen Fügehilfsteil, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie eine Bauteilanordnung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügehilfsteil, ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit Fügehilfsteil, eine Bauteilanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.
Im Rahmen des Leichtbaus und der Individualisierung werden vermehrt faserverstärkte Kunststoffbauteile, wie z.B. CFK-Bauteile, in der Karosserie verbaut. Hierbei stellt sich die Aufgabe die faserverstärkten Kunststoffbauteile mit Metallbauteilen der Karosserie zu verbinden. Aktuell werden CFK-Bauteile im Karosseriebau mit dem Rest der Karosserie verklebt. Hierzu ist ein aufwändiger Prozess notwendig, der eine vorgelagerte Aktivierung der CFK-Oberfläche, ein Aufheizen der Kontaktfläche an der Karosserie, sowie einen speziellen Klebstoff erfordert. In Summe ist der Prozess zum Verbau von faserverstärkten Kunststoffbauteilen in der Karosserie mit hohen Kosten und hohem Aufwand verbunden.
Zur Verbindung artungleicher Bauteile ist bereits die Verwendung von Fügehilfsteilen bekannt. So zeigt z.B. die DE 10 2016 213 578 A1 butzenförmige Elemente, die in ein Bauteil eingepresst werden und an denen dann ein weiteres Bauteil angeschweißt werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine weitere Möglichkeit anzugeben, wie Kunststoffbauteile, insbesondere faserverstärkte Kunststoffbauteile, mit Metallbauteilen verbunden werden können. Insbesondere soll eine kostengünstige Lösung angegeben werden, mit der dennoch hohe Verbindungsfestigkeiten erreichbar sind.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Fügehilfsteil nach Patentanspruch 1, ein Kunststoffbauteil nach Patentanspruch 4, eine Bauteilanordnung nach Patentanspruch 9 und ein Verfahren nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Fügehilfsteil angegeben mit einem metallischen Schichtverbundkörper, der eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht aufweist sowie einer zwischen den Deckschichten angeordneten porösen Zwischenschicht.
Weiterhin wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil angegeben mit einer Faserverstärkung, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist und bei dem mindestens ein Fügehilfsteil in einer Aussparung in der Faserverstärkung angeordnet ist, wobei dessen Deckschichten jeweils freiliegen und dessen poröse Zwischenschicht von dem Matrixmaterial durchdrungen ist.
Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einem Fügehilfsteil angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:

- Anordnen mindestens eines Fügehilfsteils in einer Aussparung in einem Faserhalbzeug, wobei das Fügehilfsteil einen metallischen Schichtverbundkörper aufweist, mit einer erste Deckschicht und einer zweiten Deckschicht sowie einer zwischen den Deckschichten angeordneten, porösen Zwischenschicht,
- Infiltrieren des Faserhalbzeugs mit einem Matrixmaterial, wobei die Zwischenschicht des Fügehilfsteils mit dem Matrixmaterial durchtränkt wird und Aushärten bzw. Konsolidieren des Matrixmaterials.

Eine derartige Herstellung kann beispielsweise im RTM-Verfahren oder im Nasspressverfahren erfolgen. In beiden Fällen wird das Faserhalbzeug mit dem Fügehilfsteil „bestückt“ in ein Formwerkzeug eingelegt und dort unter Druck in die Form des herzustellenden Bauteils gepresst. Im RTM-Verfahren wird das Matrixmaterial in die Kavität des geschlossenen Formwerkzeugs eingepresst und infiltriert dort das Faserhalbzeug. Beim Nasspressen wird das Matrixmaterial vor dem Schließen des Formwerkzeugs auf das Faserhalbzeug aufgebracht und anschließend im geschlossenen Werkzeug in das Faserhalbzeug eingepresst.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus ein Fügehilfselement zu schaffen, dass an den Oberflächen mit herkömmlichen Schweißverfahren, insbesondere dem Widerstandspunktschweißen verschweißbar ist und gleichzeitig eine besonders haltbare und stabile Anbindung an das Kunststoffbauteil ermöglicht. Hierbei spielt die poröse Zwischenschicht eine zentrale Rolle. Das Matrixmaterial verteilt sich im Faserhalbzeug und fließt dabei auch in die poröse Zwischenschicht. Zusätzlich zu einer so geschaffenen formschlüssigen Verbindung ist je nach Belastungszustand ein zusätzlicher Auftrag eines Haftvermittlers auf das Fügehilfselement denkbar, welcher zusätzlich eine stoffschlüssige Anbindung des Fügehilfselements an das Matrixmaterial ermöglicht. Nach dem Aushärten bzw. Konsolidieren des Kunststoffmaterials hat sich eine Kunststoffstruktur in der Zwischenschicht gebildet, welche das Fügehilfsteil sicher und stabil in der Kunststoffmatrix und damit im Kunststoffbauteil verankert. Gegenüber einem nachträglichen Einpressen oder Einkleben wird eine deutlich höhere Verbindungsfestigkeit erzielt. Zudem kann die Integration bereits bei der Bauteilherstellung erfolgen, wodurch zusätzliche Bearbeitungsschritte und damit Kosten eingespart werden können.
Das Fügehilfsteil wird in einer Aussparung im Faserhalbzeug angeordnet. Die Aussparung kann im Faserhalbzeug z.B. durch Stanzen oder Schneiden eines Loches mit passender Größe ausgebildet werden. In diesem Fall wird das Fügehilfsteil in die Aussparung eingelegt bzw. eingedrückt. Es ist ebenso denkbar, das Fügehilfsteil direkt bei der Herstellung des Faserhalbzeugs mit in dieses einzuweben oder einzuflechten. Die Form der Aussparung und auch des Fügehilfsteils ist geometrisch nicht limitiert, diese können in der Draufsicht z.B. eine runde, eckige oder schlangenförmige Form aufweisen. So können für geplantes Widerstandspunktschweißen münzförmige Fügehilfsteile zum Einsatz kommen und für ein angedachtes Schutzgasschweißen längliche Fügehilfsteile um das Schweißen von Bahnen zu ermöglichen.
Das Fügehilfsteil wird vorzugsweise so angeordnet, dass seine Deckschichten im Faserhalbzeug freiliegen. Bei der Weiterverarbeitung zum Kunststoffbauteil kann durch geeignete Abdichtungen im Werkzeug sichergestellt werden, dass die Deckschichten auch im fertigen Kunststoffbauteil freiliegen, und damit z.B. für die Elektroden einer Widerstandspunktschweißzange zugänglich sind. Alternativ können die Deckschichten auch zunächst mit Kunststoffmatrix bedeckt und nachträglich freigelegt werden. Die Deckschichten sind vorzugsweise im Wesentlichen bündig mit der Oberfläche des Kunststoffbauteils angeordnet, d.h. sie stehen um weniger als 1 mm gegenüber der Oberfläche des Kunststoffbauteils vor oder sind um weniger als 1 mm zurückversetzt.
Der metallische Schichtverbundkörper des Fügehilfsteils ist aus mindestens drei metallischen Schichten aufgebaut, die aufeinander angeordnet und miteinander verbunden sind, vorzugsweise stoffschlüssig. Als Metalle kommen grundsätzlich alle schweißbaren Metalle in Frage, wobei die unterschiedlichen Schichten aus demselben oder unterschiedlichen Metallen aufgebaut sein können. Für die miteinander kombinierten Schichten werden vorzugsweise Metalle verwendet, die miteinander verschweißbar sind. Soll das faserverstärkte Kunststoffbauteil später mit einem Stahlbauteil verschweißt werden, so kann es vorteilhafte sein, wenn das Fügehilfsteil oder zumindest die Deckschichten ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff ausgebildet sind.
Die poröse Zwischenschicht ist offen-porös ausgebildet, d.h. das ungehärtete Matrixmaterial kann in die Hohlräume in der Zwischenschicht einfließen und diese zumindest teilweise füllen. Die Porosität der Zwischenschicht kann hierbei entsprechend den Fließeigenschaften des Matrixmaterials optimiert sein.
In einer Ausgestaltung ist es beispielsweise vorgesehen, die Zwischenschicht als Metallgitter bzw. Drahtgitter auszubilden. Hierbei wird das Gitter so gestaltet, dass das Matrixmaterial zwischen den Deckschichten quer durch die Zwischenschicht fließen kann. Das Metallgitter kann z.B. durch Metallstrukturen gebildet sein, die in zwei oder mehr Ebenen übereinander liegen und zueinander verdreht angeordnet sind.
Die Deckschichten, welche die Ober- bzw. Unterseite des Fügehilfsteils bilden, sind vorzugsweise als durchgängige Schichten ausgebildet. Sie dienen als Schweißfläche für das Anschweißen eines Metallbauteils. Die Deckschichten können z.B. jeweils aus einem Blech ausgebildet sein, was eine einfache und kostengünstige Herstellung des Fügehilfsteils ermöglicht.
Das Fügehilfsteil kann z.B. hergestellt werden, indem zwei Deckschichten aus einem Blech mit einer Zwischenschicht, z.B. in Form eines Drahtgitters, verschweißt werden und anschließend die Fügehilfsteile aus diesem Schichtverbundkörper ausgestanzt oder ausgeschnitten werden. Der Schichtverbundkörper bzw. die einzelnen Fügehilfsteile können ebenso z.B. durch ein generatives Verfahren hergestellt werden, wie z.B. durch Sintern.
Das Fügehilfsteil kann in ein faserverstärktes Kunststoffbauteil integriert werden und dient dort als Anbindungspunkt bzw. -fläche, insbesondere als Schweißfläche, zur Verbindung mit einem metallischen Bauteil. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil beinhaltet eine Faserverstärkung, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist. Die Faserverstärkung kann eine oder mehrere Lagen von Verstärkungsfasern aufweisen. Diese können z.B. als Gelege, Geflecht, Gewebe oder Vlies oder als Kombination hiervon vorliegen. Als Verstärkungsfasern können alle Arten von bekannten Verstärkungsfasern, wie z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern eingesetzt werden. Zur Erzielung hoher Bauteilfestigkeiten kann es in einer Ausgestaltung vorteilhaft sein, wenn die Faserverstärkung eine oder mehr Lagen von Kohlenstofffasern aufweist.
Bei dem Matrixmaterial kann es sich um ein duromeres oder um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial handeln.
Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann vorzugsweise ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs sein.
Das voranstehend beschriebene faserverstärkte Kunststoffbauteil mit mindestens einem Fügehilfsteil kann mit herkömmlichen Schweißverfahren mit weiteren Metallbauteilen gefügt werden. Dies ermöglicht es, die faserverstärkten Kunststoffbauteile in bereits existierenden Fertigungslinien mit zu verarbeiten und Kosten einzusparen.
Zur Herstellung einer derartigen Bauteilanordnung wird das Metallbauteil an dem faserverstärkten Kunststoffbauteil angeordnet und eine Schweißverbindung, vorzugsweise eine Widerstandspunktschweißung, zwischen dem Fügehilfsteil und dem Metallbauteil ausgebildet. Entsprechend wird eine Bauteilanordnung hergestellt, mit einem wie voranstehend beschriebenen Kunststoffbauteil und einem Metallbauteil, wobei das Metallbauteil an dem zumindest einen Fügehilfsteil mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil verschweißt ist. Eine derartige Bauteilanordnung kann vorzugsweise Teil einer Fahrzeugkarosserie sein.
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 zeigt:

1 eine Seitenansicht eines beispielhaften Fügehilfsteils,
2 eine Draufsicht auf das Fügehilfsteil aus 1,
3 eine Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Fügehilfsteil,
4 eine Draufsicht auf ein beispielhaftes faserverstärktes Kunststoffbauteil,
5 eine Schnittansicht des Kunststoffbauteils auf 4,
6 eine Schnittansicht einer beispielhaften Bauteilanordnung,
7 eine Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes faserverstärktes Kunststoffbauteil,
8 eine Schnittansicht des Kunststoffbauteils aus 7 und
9 eine Schnittansicht einer weiteren beispielhaften Bauteilanordnung.

Das in 1 gezeigte beispielhafte Fügehilfsteil 1 hat einen metallischen Schichtverbundkörper mit zwei Deckschichten 2 und 3, zwischen denen eine offen-poröse Zwischenschicht 4 angeordnet ist. Die Deckschichten 2, 3 sind jeweils als durchgängige Metallschichten ausgebildet. Die Schichten 2, 3, 4 des Schichtverbundkörpers sind vorzugsweise fest miteinander verbunden, z.B. miteinander verschweißt oder das Fügehilfsteil 1 ist als monolithisches Teil in einem generativen Herstellungsverfahren hergestellt.
Das Fügehilfsteil 1 wird in ein faserverstärktes Kunststoffbauteil integriert und formschlüssig in diesem verankert. Die Deckschichten 2, 3 des Fügehilfsteils 1 dienen als Schweißflächen um daran ein Metallbauteil festzuschweißen. Entsprechend dieser Funktion werden die Maße und die Form des Fügehilfsteils 1 gewählt. Für eine Punktverschweißung, z.B. mittels Widerstandpunktschweißen kann eine münzenförmige Ausgestaltung vorteilhaft sein. Die Grundfläche des Fügehilfsteils 1 kann dann z.B. kreisförmig ausgestaltet sein, siehe die Draufsicht in 2. Für andere Schweißaufgaben, z.B. das Erstellen einer länglichen Schweißnaht, kann das Fügehilfsteil auch andere Formen, wie z.B. eine längliche Streifenform oder jede beliebige andere Form aufweisen. Das in 3 gezeigte Fügehilfsteil 1A stimmt, abgesehen von seiner rechteckigen Grundfläche, in seinem Aufbau mit dem Fügehilfsteil 1 überein.
4 und 5 zeigen ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 10, in das das Fügehilfsteil 1 aus 1 integriert ist. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 10 beinhaltet eine Faserverstärkung 12, die in eine Kunststoffmatrix 14 eingebettet ist. Die Faserverstärkung 12 weist vorzugsweise eine oder mehr Lagen von Verstärkungsfasern auf, die z.B. als Gelege, Geflecht, Gewebe, Vlies oder in Kombination davon vorliegen können. Als Verstärkungsfasern kommen z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern oder andere übliche Verstärkungsfasern in Frage. Das Matrixmaterial kann ein duromeres oder thermoplastisches Matrixmaterial sein.
Zur Herstellung des Bauteils 10 wird zunächst die Faserverstärkung in Form eines Faserhalbzeugs bereitgestellt. Das Fügehilfsteil 1 wird in eine Aussparung in das Faserhalbzeug eingebracht, so dass die Deckschichten jeweils oben und unten aus dem Faserhalbzeug herausschauen. Die Aussparungen werden vorzugsweise in Bereichen angeordnet, die im verbauten Zustand des Kunststoffbauteils nicht mehr sichtbar sind. Das mit dem Fügehilfsteil 1 „bestückte“ Faserhalbzeug wird dann mit Matrixmaterial infiltriert, in einem Formwerkzeug gepresst und ausgehärtet bzw. konsolidiert. Dies kann z.B. im RTM- oder Nasspressverfahren erfolgen. Hierbei dringt das fließfähige Matrixmaterial 14 in die poröse Zwischenschicht 4 vor, füllt die Hohlräume in der Zwischenschicht zumindest teilweise auf und erstarrt dort. Die poröse Zwischenschicht 4 kann z.B. durch ein Drahtgitter realisiert sein, wobei die Anzahl der Maschen im Gitter auf eine bestmögliche Verankerung und/oder Infiltration ausgelegt sein kann. Das Fügehilfsteil 1 wird durch das Matrixmaterial 14 fest in das Kunststoffbauteil 10 integriert und formschlüssig in diesem verankert.
Nach der Fertigstellung des Kunststoffbauteils 10 liegen die Deckschichten 2, 3 des Fügehilfsteils 1 frei und können als Schweißflächen für das nachfolgende Anschweißen eines Metallbauteils 20 verwendet werden.
6 zeigt eine Bauteilanordnung, bei der das faserverstärkte Kunststoffbauteil 10 aus 4 und 5 mit einem Metallbauteil 20 verschweißt worden ist. Die Schweißverbindung 30 wird zwischen dem Fügehilfsteil 1 und dem Metallbauteil 20 ausgebildet.
7 zeigt eine Draufsicht und 8 eine Schnittansicht eines Kunststoffbauteils 10, in das das Fügehilfsteil 1A aus 3 integriert ist. Das Kunststoffbauteil 10 entspricht in seinem Lagenaufbau und seiner Herstellung dem Kunststoffbauteil 10 aus 4. Das längliche Fügehilfsteil 1A wird in dieser Ausgestaltung z.B. verwendet, um das Kunststoffbauteil 10 mittels einer länglichen Schweißnaht mit dem Metallbauteil 20 zu verbinden. Eine entsprechende Bauteilanordnung 100A, bei der das Metallbauteil 20 mittels Stirnkehlnaht 30A mit dem in das Kunststoffbauteil 10 integrierten Fügehilfsteil 1A verschweißt ist, ist in 9 gezeigt.
Bezugszeichenliste

1, 1A: Fügehilfsteil
2,3: Deckschichten
4: poröse Zwischenschicht
10: faserverstärktes Kunststoffbauteil
12: Faserverstärkung
14: Kunststoffmatrix
20: Metallbauteil
30, 30A: Schweißverbindung
100. 100A: Bauteilanordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016213578 A1 [0003]

Claims

Fügehilfsteil mit einem metallischen Schichtverbundkörper, der eine erste Deckschicht (2) und eine zweite Deckschicht (3) aufweist sowie eine zwischen den Deckschichten (2, 3) angeordnete, poröse Zwischenschicht (4).
Fügehilfsteil nach Patentanspruch 1, bei dem die poröse Zwischenschicht (4) durch ein Metallgitter ausgebildet ist.
Fügehilfsteil nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Deckschichten (2, 3) jeweils als durchgängige Metallschichten ausgebildet sind.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil (10) mit einer Faserverstärkung (12), die in eine Kunststoffmatrix (14) eingebettet ist, und mindestens einem Fügehilfsteil (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das in einer Aussparung in der Faserverstärkung (12) angeordnet ist, wobei die Deckschichten (2, 3) des Fügehilfsteils (1) jeweils freiliegen und dessen poröse Zwischenschicht (4) von dem Matrixmaterial durchdrungen ist.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Patentanspruch 4, bei dem die Faserverstärkung (12) ein Gelege, Geflecht, Gewebe oder Vlies aufweist.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Patentanspruch 4 oder 5, bei dem das Matrixmaterial ein duromeres oder thermoplastisches Kunststoffmaterial ist.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der Patentansprüche 4 bis 6, bei dem das Faserverstärkung (12) eine oder mehrere Schichten von Kohlenstofffasern beinhaltet.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der Patentansprüche 4 bis 7, das ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs ist.
Bauteilanordnung (100) mit: einem faserverstärkten Kunststoffbauteil (10) nach einem der Patentansprüche 4 bis 8 und einem Metallbauteil (20), wobei das Metallbauteil (20) an dem zumindest einen Fügehilfsteil (1, 1A) mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil (10) verschweißt ist.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (10), insbesondere eines Kunststoffbauteils nach einem der Ansprüche 4 bis 8, mit den Schritten: - Anordnen mindestens eines Fügehilfsteils (1, 1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Aussparung in einem Faserhalbzeug, - Infiltrieren des Faserhalbzeugs mit einem Matrixmaterial, wobei die Zwischenschicht (4) des Fügehilfsteils (1) mit dem Matrixmaterial durchtränkt wird und Aushärten bzw. Konsolidieren des Matrixmaterials.