DE102020206058A1

DE102020206058A1 - Verbindungselement, Bauteil aus einem Kompositwerkstoff und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff

Info

Publication number: DE102020206058A1
Application number: DE102020206058.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baranowski; Maik Broda; Markus FRANZEN; Pascal Rebmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-11-18
Also published as: US20210354354A1; CN113665127A

Abstract

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verbindungselement (1), das zur Positionierung eines Stabilisierungsmittels bei der Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff geeignet ist, wobei das Verbindungselement (1) Öffnungen (3) aufweist, in die eine Schmelzmasse in geschmolzenem Zustand hineinfließen kann, und wobei das Verbindungselement (1) mindestens ein Positionierungsmittel zur Positionierung des Stabilisierungsmittels an dem Verbindungselement (1) aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil aus einem Kompositwerkstoff mit einer zusammenhängenden, ausgehärteten Schmelzmasse, mit dem vorangehend beschriebenen Verbindungselement und mit mindestens einem Stabilisierungsmittel, wobei das Verbindungselement (1) und das Stabilisierungsmittel in die Schmelzmasse eingebettet sind, wobei die Schmelzmasse durch die Öffnungen (3) des Verbindungselements (1) in das Verbindungselement (1) hineinreicht, und wobei das Stabilisierungsmittel an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements (1) positioniert ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement, das zur Positionierung eines Stabilisierungsmittels bei der Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff geeignet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteil aus einem Kompositwerkstoff und ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff.
Der Einsatz von Leichtbauteilen hat in diversen Technologiefeldern eine steigende Bedeutung. Dies trifft insbesondere auf die Automobilindustrie zu. Es werden Werkstoffe benötigt, die sich durch ein geringes Gewicht auszeichnen und großen mechanischen Belastungen standhalten können.
Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von Kompositwerkstoffen bekannt. In einem Kompositwerkstoff sind unterschiedliche Werkstoffe stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Zum Beispiel können in eine Schmelzmasse Stabilisierungsmittel eingebettet werden. Bei den Stabilisierungsmitteln kann es sich um Fasertapes handeln. Der Kompositwerkstoff kann somit größeren Zugkräften in Längsrichtung der Fasertapes standhalten. Mit Hilfe solcher Stabilisierungsmittel lassen sich folglich leichtgewichtige und stabile Kompositwerkstoffe herstellen. Fasertapes werden durch eine Vielzahl von Fasern gebildet, wobei die Fasern mittels eines Kunststoffmaterials miteinander verbunden sind. Bei den Fasern kann es sich beispielsweise um Kohlenstofffasern oder Glasfasern handeln. In der Regel sind die Fasern des Fasertapes kunststoffimprägniert. Dies bedeutet, dass eine Imprägniermasse aus einem Kunststoff die Fasern aufnimmt und miteinander verbindet. Bei einem unidirektionalen Fasertape handelt es sich um ein Fasertape, bei dem die Fasern des Fasertapes zueinander parallel ausgerichtet sind.
Es sind verschiedene Herstellungsverfahren für Kompositwerkstoffe mit Fasertapes bekannt. Gemäß der Druckschrift US 2011/0111168 A1 werden mehrere unidirektionale Fasertapes in unterschiedlicher Ausrichtung aufeinandergelegt und miteinander verpresst, wodurch eine Matte aus Fasertapes gebildet wird. Die Matte wird anschließend zerschnitten, um Bauteile zu erhalten, die im Anschluss weiterverarbeitet werden können. Die Druckschrift US 2017/0001383 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs, bei dem die Verbindung von Fasern und die Formgebung des Kompositwerkstoffs mittels Heißprägung erfolgt. Die Druckschrift DE 102015 217 404 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs. Dabei werden mehrere Lagen von Fasertapes miteinander durch Befestigungsmittel verbunden. Bei den Befestigungsmitteln handelt es sich ebenso um Fasertapes, die zwischen den Lagen von Fasertapes angeordnet und mit diesen verschweißt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei der Herstellung von Bauteilen aus Kompositwerkstoffen die Verbindung eines Stabilisierungsmittels wie eines Fasertapes mit einer Schmelzmasse zu verbessern. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Bauteil aus einem Kompositwerkstoff mit einer Schmelzmasse und einem Stabilisierungsmittel bereitzustellen, bei dem eine besonders gute Verbindung zwischen der Schmelzmasse und dem Stabilisierungsmittel gegeben ist.
Die Aufgaben werden gelöst durch die Bereitstellung eines Verbindungselements gemäß Anspruch 1, eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff gemäß Anspruch 11 und eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff gemäß Anspruch 13.
Die Unteransprüche betreffen verschiedene voneinander unabhängige, vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung, deren Merkmale vom Fachmann im Rahmen des technisch Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Dies gilt insbesondere auch über die Grenzen der verschiedenen Anspruchskategorien hinaus.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verbindungselement vorgeschlagen, das zur Positionierung eines Stabilisierungsmittels bei der Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff geeignet ist. Das Verbindungselement weist Öffnungen auf, in die eine Schmelzmasse in geschmolzenem Zustand hineinfließen kann. Ferner weist das Verbindungselement mindestens ein Positionierungsmittel zur Positionierung des Stabilisierungsmittels an dem Verbindungselement auf. An die Öffnungen können sich erfindungsgemäß Hohlräume in dem Verbindungselement anschließen, die prinzipiell eine beliebige Form aufweisen können. Unter einem Positionierungsmittel soll ein Abschnitt des Verbindungselements verstanden werden, der sich zur Anbringung eines Stabilisierungsmittels eignet. Bei dem Stabilisierungsmittel kann es sich erfindungsgemäß um ein Fasertape handeln. Es kann sich aber dabei auch um ein sonstiges Stabilisierungsmittel handein, zum Beispiel um einen Draht, insbesondere einen Stahldraht. Bei der Schmelzmasse kann es sich erfindungsgemäß um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial handeln oder um ein sonstiges Material, das einen festen und einen flüssigen Aggregatzustand annehmen kann.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement eignet sich zur Positionierung von Komponenten innerhalb eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff bei dessen Herstellung. So kann das Verbindungselement bei der Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff mittels eines Spritzgussverfahrens verwendet werden. Das Fasertape kann zum Beispiel an dem mindestens einen Positionierungsmittel des Verbindungselements positioniert werden, wobei anschließend das Fasertape und das Verbindungselement mit einem Spritzgusswerkstoff aus einem Kunststoffmaterial umspritzt werden. Das Verbindungselement bildet einen Teil des auf diese Weise hergestellten Bauteils. Die Schmelzmasse wird durch den Spritzgusswerkstoff gebildet. Bei vielen Anwendungen ist eine spezifische Positionierung des Fasertapes innerhalb des Bauteils notwendig, damit das Bauteil in einer Belastungsrichtung verstärkt wird. Das Verbindungselement stellt eine gewünschte Positionierung innerhalb des Bauteils bei der Durchführung des Spritzgussverfahrens sicher. Der Spritzgusswerkstoff dringt in die Öffnungen ein. Nachdem der Spritzgusswerkstoff ausgehärtet ist, besteht eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff und dem Verbindungselement.
Gemäß einer anderen Anwendung kann das Verbindungselement zur Verbindung von mehreren Fasertapes verwendet werden. So ist es denkbar, dass das Verbindungselement zwischen zwei Fasertapes angeordnet wird. Die Fasertapes werden erhitzt und eine Imprägniermasse, mit der Fasern der Fasertapes imprägniert sind, schmilzt und dringt in die Öffnungen des Verbindungselements ein, sodass nach dem Aushärten der Imprägniermasse eine feste Verbindung zwischen den beiden Fasertapes mittels des Verbindungselements besteht. Hier bildet folglich die Imprägniermasse die Schmelzmasse. Gemäß einem weiteren Anwendungsgebiet kann das Verbindungselement bei der Herstellung drahtverstärkter Gusselemente verwendet werden. Auch sonstige Anwendungsgebiete sind für das erfindungsgemäße Verbindungselement denkbar.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass sich an die Öffnungen des Verbindungselements Kanäle anschließen, die in dem Verbindungselement verlaufen. Die Kanäle können teilweise oder vollständig durch das Verbindungselement hindurchgeführt sein. Gemäß einer Variante der Erfindung ist es möglich, dass mehrere Kanäle miteinander verbunden sind. Parameter wie beispielsweise ein Durchmesser und eine Länge der Kanäle beeinflussen, wie stark eine Verbindung zwischen dem Verbindungselement und einer Schmelzmasse, die in die Kanäle eindringt, ist. Eine Ausrichtung der Kanäle beeinflusst, in welcher Richtung die auf diese Weise geschaffene Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der Schmelzmasse besonders belastbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Kanäle eine Gitterstruktur bilden. Wenn die Kanäle eine Gitterstruktur bilden, dann weisen sie zueinander regelmäßige Abstände auf. Bevorzugt sind zumindest einige der Kanäle zueinander parallel ausgerichtet. Das Verbindungselement kann erfindungsgemäß mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt sein. Eine Möglichkeit hierfür ist das als Fused Filament Fabrication bekannte Verfahren, bei dem ein Kunststofffilament aufgeschmolzen wird. Eine dabei erhaltene geschmolzene Kunststoffmasse bildet ein Ausgangsmaterial für das Verbindungselement. Ein Druckkopf extrudiert die Kunststoffmasse und baut das Verbindungselement schichtweise auf. Dies ermöglicht es beispielsweise, ein einstückiges Verbindungselement bereitzustellen, das die gewünschte Gitterstruktur aufweist. Das erfindungsgemäße Verbindungselement kann jedoch auch aus mehreren, unabhängig voneinander gefertigten Teilen bestehen. Die Gitterstruktur in dem Verbindungselement kann alternativ mittels eines materialabtragenden Verfahrens erzeugt werden. So können beispielsweise in einen Materialrohling Bohrungen eingebracht werden, um das Verbindungselement zu erhalten.
Es ist vorteilhaft, wenn die Gitterstruktur das Verbindungselement vollständig durchsetzt. Je nach Anwendungsgebiet des mittels des Verbindungselements hergestellten Bauteils kann das Verbindungselement jedoch auch nur teilweise von der Gitterstruktur durchsetzt sein. Es ist bevorzugt, wenn das Positionierungsmittel durch eine äußere Oberfläche des Verbindungsmittels gebildet wird. So kann ein Stabilisierungsmittel wie ein Fasertape beispielsweise an einer äußeren Oberfläche des Verbindungselements entlanggeführt sein. Es ist denkbar, aber in vielen Anwendungsfällen nicht notwendig, dass das Stabilisierungsmittel an der äußeren Oberfläche durch ein Haltemittel wie eine Schraube, einen Nagel, eine Klammer oder einen Klebstoff fixiert wird.
Das Positionierungsmittel wird vorzugweise durch einen Durchgang in dem Verbindungselement gebildet, durch den das Stabilisierungsmittel hindurchgeführt werden kann. Der Durchgang verläuft innerhalb des Verbindungselements. Er weist bevorzugt einen Eingang auf, durch den zum Beispiel ein Fasertape eingeführt werden kann, sowie einen Ausgang, aus dem das Fasertape austreten kann. Ein solcher Durchgang ermöglicht eine genaue Positionierung des Fasertapes an dem Verbindungselement. In Abhängigkeit von einer Größe des Durchgangs und davon, ob das Fasertape straffgezogen wird, kann sich eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Fasertape einstellen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Verbindungselement mehrere Positionierungsmittel auf, die Durchgänge in dem Verbindungselement bilden, durch die das Stabilisierungsmittel hindurchgeführt werden kann, wobei die Durchgänge auf einer Oberfläche des Verbindungselements Schlitze bilden, die zueinander parallel ausgerichtet sind. Zum Beispiel kann ein als Stabilisierungsmittel eingesetztes Fasertape durch sämtliche Durchgänge hindurchgeführt werden. Dadurch kann sich eine form- und oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Fasertape einstellen. Bevorzugt weisen die Schlitze eine übereinstimmende Breite auf und sind zueinander fluchtend angeordnet. Dies verhindert ein Verrutschen des Fasertapes in einer Längsrichtung der Schlitze, wenn das Fasertape eine mit der Breite der Schlitze übereinstimmende Breite aufweist. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Schlitze voneinander gleichmäßig beabstandet sind. Alternativ können die Schlitze jedoch auch voneinander unregelmäßig beabstandet sein.
Der Durchgang kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zwischen einem Öffnungsabschnitt des Verbindungselements und einem Wandungsabschnitt des Verbindungselements gebildet werden, wobei in dem Öffnungsabschnitt die Öffnungen des Verbindungselements angeordnet sind und wobei der Wandungsabschnitt keine Öffnungen aufweist. Vorzugsweise bilden der Wandungsabschnitt und der Öffnungsabschnitt ein einstückiges Verbindungselement.
Bei dem Wandungsabschnitt kann es sich alternativ jedoch auch um ein zusätzliches Element handeln, das mit dem Öffnungsabschnitt verbunden wird.
Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen kann der Durchgang eine beliebige Form aufweisen, insbesondere kann er gerade oder gekrümmt ausgebildet sein. Der Durchgang kann in dem Verbindungselement bei der Fertigung mittels eines 3D-Druck-Verfahrens erzeugt worden sein. Der Durchgang kann alternativ mittels eines materialabtragenden Verfahrens geschaffen worden sein.
Es ist vorteilhaft, wenn das Positionierungsmittel durch einen Vorsprung gebildet wird, um den das Stabilisierungsmittel herumgeführt werden kann oder auf den das Stabilisierungsmittel aufgesteckt werden kann. Der Vorsprung kann erfindungsgemäß eine Auskragung aufweisen, sodass das Stabilisierungsmittel zwischen der Auskragung und einer Oberfläche des Verbindungselements, aus welcher der Vorsprung hervorragt, angeordnet werden kann. Gemäß einer Variante der Erfindung ist der Vorsprung spitz zulaufend, sodass er das Stabilisierungsmittel durchdringt, wenn eine flache Seite des Stabilisierungsmittels auf den Vorsprung gedrückt wird. Zum Beispiel kann ein Fasertape auf den Vorsprung aufgesteckt und somit genau positioniert werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Vorsprung eine erste Gitterstruktur aufweist, wobei ein Abschnitt des Verbindungselements, aus dem der Vorsprung hervorragt, eine zweite Gitterstruktur aufweist, und wobei sich die erste Gitterstruktur von der zweiten Gitterstruktur unterscheidet. Die Gitterstrukturen können erfindungsgemäß durch Öffnungen und/oder Kanäle in dem Verbindungselement gebildet werden. Die erste Gitterstruktur kann sich erfindungsgemäß von der zweiten Gitterstruktur im Hinblick auf die Ausrichtung von Kanälen innerhalb des Verbindungselements, die Durchmesser von Kanälen oder Öffnungen der Gitterstrukturen, Abstände der Kanäle untereinander, oder im Hinblick auf sonstige Eigenschaften der Gitterstrukturen unterscheiden. So kann zum Beispiel die erste Gitterstruktur weniger Kanäle pro Fläche aufweisen oder Kanäle mit einem geringeren Durchmesser aufweisen als die zweite Gitterstruktur, sodass der Vorsprung durch die Kanäle nicht zu stark destabilisiert wird.
Vorangehend wurden unterschiedliche Arten von Positionierungsmitteln beschrieben. Es ist erfindungsgemäß möglich, dass mehrere unterschiedliche Positionierungsmittel bei einem Verbindungselement zum Einsatz kommen, zum Beispiel sowohl Durchgänge als auch Vorsprünge. Es können auch mehrere Positionierungsmittel der gleichen Art an einem Verbindungsmittel vorgesehen sein. Beliebige Kombinationen sind möglich.
Das Verbindungselement weist bevorzugt mindestens ein auskragendes Rückhalteelement auf, das sich aus einer Oberfläche des Verbindungselements erstreckt. Wenn das Rückhalteelement zum Beispiel von einem Spritzgusswerkstoff umschlossen wird, dann sorgt das Rückhalteelement für eine besonders starke Verankerung des Verbindungselements in dem Spritzgusswerkstoff. Das Rückhalteelement kann erfindungsgemäß einen pilz- oder hakenförmigen Querschnitt aufweisen. Das Rückhalteelement sollte so an dem Verbindungselement angeordnet werden, dass es Kräften entgegenwirken kann, die auf ein mit dem Verbindungselement hergestelltes Bauteil beim bestimmungsgemäßen Gebrauch einwirken. Das Rückhalteelement kann einstückig mit anderen Abschnitten des Verbindungselements ausgebildet sein und beispielsweise mittels eines 3D-Druck-Verfahrens erzeugt werden. Das Rückhalteelement kann alternativ als eine separate Komponente vorgesehen werden, die zum Beispiel an dem Öffnungsabschnitt oder an dem Wandungsabschnitt des Verbindungselements befestigt wird. Das Rückhalteelement kann erfindungsgemäß aus dem gleichen oder aus einem anderen Material hergestellt sein als der Öffnungsabschnitt beziehungsweise der Wandungsabschnitt des Verbindungselements.
Das Verbindungselement ist bevorzugt zumindest teilweise oder vollständig aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Besonders bevorzugt ist das Kunststoffmaterial ein flexibles und/oder elastisches Kunststoffmaterial. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich erfindungsgemäß um thermoplastisches Polyurethan handeln. Durch die Verwendung eines thermoplastischen Polyurethans als Ausgangsmaterial ist ein lange haltbares und gleichzeitig elastisches Verbindungselement erhältlich. Das Verbindungselement kann alternativ aus einem anderen Material hergestellt sein, zum Beispiel aus einem Metall, insbesondere aus einem Leichtmetall, oder aus einer Metalllegierung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil aus einem Kompositwerkstoff vorgeschlagen, mit einer zusammenhängenden, ausgehärteten Schmelzmasse, mit dem vorangehend beschriebenen Verbindungselement und mit mindestens einem Stabilisierungsmittel, wobei das Verbindungselement und das Stabilisierungsmittel in die Schmelzmasse eingebettet sind, wobei die Schmelzmasse durch die Öffnungen des Verbindungselements in das Verbindungselement hineinreicht, und wobei das Stabilisierungsmittel an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements positioniert ist. Es besteht vorzugsweise eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen der Schmelzmasse und dem Verbindungselement. Das Stabilisierungsmittel ist bei dem erfindungsgemäßen Bauteil an dem Positionierungsmittel positioniert. Hierunter ist zu verstehen, dass das Stabilisierungsmittel an und/oder in dem Positionierungsmittel angeordnet und/oder befestigt ist. Bei der Schmelzmasse kann es sich erfindungsgemäß um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial handeln oder um ein sonstiges Material, das einen festen und einen flüssigen Aggregatzustand annehmen kann.
Vorzugsweise ist die Schmelzmasse ein Spritzgusswerkstoff und das Stabilisierungsmittel ist ein Fasertape. Das Fasertape kann erfindungsgemäß Fasern und eine Imprägniermasse aufweisen, in welche die Fasern eingebettet sind. Bei den Fasern kann es sich erfindungsgemäß um Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Fasern aus einem sonstigen Material handeln. Bei der Imprägniermasse kann es sich um eine Kunststoffmasse handeln. Es ist erfindungsgemäß ferner möglich, dass das Fasertape ein unidirektionales Fasertape ist.
Der Spritzgusswerkstoff schließt das Fasertape und das Verbindungselement zumindest teilweise ein. Das Fasertape kann vollständig innerhalb des Spritzgusswerkstoffs angeordnet sein, wenn es ausschließlich diesen stabilisieren soll. Das Fasertape kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch aus dem Spritzgusswerkstoff herausgeführt sein, sodass es gegebenenfalls mit weiteren Bauteilen verbunden werden kann. Das Verbindungselement kann auch zur Positionierung des Fasertapes relativ zu dem Spritzgusswerkstoff bei der Herstellung des Bauteils dienen. Da der Spritzgusswerkstoff in geschmolzenem Zustand in die Öffnungen des Verbindungselements eindringt, wird eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff und dem Verbindungselement hergestellt. Somit ergibt sich eine besonders widerstandsfähige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Spritzgusswerkstoff.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist die Schmelzmasse eine Imprägniermasse, die zwei Fasertapes zugehörig ist. Die Fasertapes werden zur Herstellung des Bauteils erhitzt, wobei die Imprägniermasse der Fasertapes schmilzt. Das Verbindungselement wird zwischen den Fasertapes angeordnet. Die geschmolzene Imprägniermasse dringt in die Öffnungen des Verbindungselements ein und bildet nach dem Aushärten eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem Verbindungselement. Das Verbindungselement dient bei dieser Variante zur Positionierung der Fasertapes relativ zueinander und verbindet die Fasertapes darüber hinaus fest miteinander.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Stabilisierungsmittel um einen Metalldraht, insbesondere einen Stahldraht. Gemäß anderer Ausführungsformen können aber auch andere Ausgangsstoffe für die Schmelzmasse und andere Stabilisierungsmittel gewählt werden.
Das Stabilisierungsmittel ist in dem Bauteil bevorzugt an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements positioniert, an diesem entlang- bzw. durch dieses hindurchgeführt und/oder an dem Positionierungsmittel mittels eines Haltemittels wie einer Schraube, einem Nagel, einer Klammer oder dergleichen befestigt. Es ist bevorzugt, wenn das Stabilisierungsmittel mit dem Positionierungsmittel unmittelbar kraft- und oder formschlüssig verbunden ist. Eine kraftschlüssige Verbindung kann sich beispielsweise durch einen Reibschluss ergeben.
Das Bauteil kann erfindungsgemäß beliebig dimensioniert und geformt sein. Das Stabilisierungsmittel und/oder das Verbindungselement können teilweise in die Schmelzmasse eingebettet sein, also teilweise von dieser umschlossen sein, oder vollständig in die Schmelzmasse eingebettet sein, also vollständig von dieser umschlossen sein. Das Bauteil kann erfindungsgemäß ein oder mehrere Stabilisierungsmittel aufweisen, ferner können in dem Bauteil ein oder mehrere Verbindungselemente angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff vorgeschlagen, mit den Schritten Bereitstellung mindestens eines Verbindungselements, wobei das Verbindungselement wie vorangehend beschrieben ausgebildet ist, Bereitstellung einer Positionierungsanordnung umfassend das Verbindungselement und ein Stabilisierungsmittel, indem das Stabilisierungsmittel an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements positioniert wird, und Fixierung der Positionierungsanordnung mittels einer Schmelzmasse, indem die Schmelzmasse geschmolzen wird, sodass die Schmelzmasse in die Öffnungen des Verbindungselements hineinfließt und eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem Verbindungselement und dem Stabilisierungsmittel herstellt.
Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens ist die Schmelzmasse ein Spritzgusswerkstoff und das Stabilisierungsmittel ist ein Fasertape. Die Fixierung der Positionierungsanordnung erfolgt mittels der Schritte Schmelzen des Spritzgusswerkstoffs und Überspritzung der Positionierungsanordnung mit dem Spritzgusswerkstoff in einem Spritzgießwerkzeug. Sobald der Spritzgusswerkstoff ausgekühlt ist, kann das Bauteil aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen werden.
Bei dieser Variante des Verfahrens wird zunächst ein Verbindungselement bereitgestellt. An dem Verbindungselement wird das mindestens eine Fasertape positioniert. Dies kann erfindungsgemäß automatisch erfolgen, beispielsweise mittels einer Legevorrichtung für das Fasertape wie einem Legeroboter. Das Fasertape kann alternativ aber auch manuell an dem Verbindungselement positioniert werden. Das Fasertape wird bevorzugt so an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements befestigt, dass eine form- und oder reibschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Fasertape entsteht. Beispielsweise kann das Fasertape durch einen engen Durchgang des Verbindungselements hindurchgeführt werden, an einer äußeren Oberfläche des Verbindungselements entlanggeführt und straffgezogen werden oder um einen oder mehrere Vorsprünge des Verbindungselements herumgeführt werden und straffgezogen werden. Ferner kann das Fasertape auf einen Vorsprung des Verbindungselements aufgesteckt werden. Es ist auch möglich, dass das Fasertape gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren an dem Positionierungsmittel mittels eines Haltemittels wie einer Schraube, einem Nagel, einer Klammer oder eines Klebstoffs befestigt wird. Beim Schritt der Fixierung dringt der Spritzgusswerkstoff in die Öffnungen des Verbindungselements ein. Dabei entsteht in Abhängigkeit von einer Geometrie und einem Material des Verbindungsmittels und des Spritzgusswerkstoffs eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Spritzgusswerkstoff. Ferner umgibt dabei der Spritzgusswerkstoff auch das Fasertape, sodass auch dieses in seiner Position fixiert wird. Die Fixierung wird letztendlich dadurch abgeschlossen, dass der Spritzgusswerkstoff abkühlt und somit aushärtet.
Der Spritzgusswerkstoff wird somit geschmolzen, also zumindest auf seine Schmelztemperatur gebracht. Die Positionierungsanordnung wird in einem Spritzgießwerkzeug umspritzt. Der Spritzgusswerkstoff wird also in das Spritzgießwerkzeug hineingespritzt, sodass er die Positionierungsanordnung zumindest teilweise umschließt. Ein durch das Spritzgießwerkzeug gebildeter Hohlraum kann eine Form und eine Oberflächenstruktur des mit dem Verfahren hergestellten Bauteils bestimmen. Das Bauteil wird durch den Spritzgusswerkstoff, das Fasertape, das Verbindungselement und gegebenenfalls weitere Elemente gebildet. Das Verbindungselement wird fest mit dem Spritzgusswerkstoff verbunden, da der Spritzgusswerkstoff bei dem Überspritzungsvorgang in die Öffnungen des Verbindungselements eindringen und dieses somit durchsetzen kann. Bei dem Überspritzungsvorgang dient das Verbindungselement zur Positionierung des Fasertapes innerhalb des Spritzgießwerkzeugs, sodass das Fasertape eine gewünschte Position in dem hergestellten Bauteil annimmt.
In Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsmaterialien des Fasertapes und des Verbindungselements kann der Spritzgusswerkstoff mit dem Fasertape und/oder dem Verbindungselement ferner eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. So ist es vorteilhaft, wenn der Spritzgusswerkstoff einen ersten Schmelzpunkt aufweist und ein Ausgangsmaterial des Verbindungselements einen zweiten Schmelzpunkt aufweist, wobei der erste Schmelzpunkt und der zweite Schmelzpunkt so nahe beieinander liegen, dass bei der Überspritzung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff und dem Verbindungselement entsteht. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Spritzgusswerkstoff einen ersten Schmelzpunkt aufweist und eine Imprägniermasse des Fasertapes einen zweiten Schmelzpunkt aufweist, wobei der erste Schmelzpunkt und der zweite Schmelzpunkt so nahe beieinander liegen, dass bei der Überspritzung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff und der Imprägniermasse des Fasertapes entsteht. Gemäß anderer Varianten des Verfahrens kann zusätzlich eine nachträgliche Verschweißung des Bauteils erfolgen. Dabei wird das Bauteil an Schweißpunkten erhitzt, um eine stoffschlüssige Verbindung des Spritzgusswerkstoffs mit dem Verbindungselement beziehungsweise des Spritzgusswerkstoffs mit dem Fasertape herbeizuführen. Um beim Überspritzen sicherzustellen, dass die Positionierungsanordnung ihre Position beibehält, werden das Verbindungselement und/oder das Fasertape vorzugsweise an dem Spritzgießwerkzeug befestigt.
Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens wird das Verbindungselement dazu verwendet, zwei oder mehr Fasertapes miteinander zu verbinden, wobei das Verbindungselement zwischen den Fasertapes angeordnet wird. Erfindungsgemäß werden dabei die Fasertapes erhitzt, sodass eine Imprägniermasse der Fasertapes mit dem Verbindungselement eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung eingeht. Gemäß einer anderen Variante der Erfindung wird als Stabilisierungsmittel ein Draht, vorzugsweise ein Stahldraht verwendet.
Zur Bereitstellung des mindestens einen Verbindungselements wird bevorzugt ein 3D-Druck-Verfahren verwendet, bei dem zumindest ein Abschnitt des Verbindungselements, in dem die Öffnungen angeordnet sind, mittels des 3D-Druck-Verfahrens hergestellt wird. Bei dem 3D-Druck-Verfahren kann es sich um ein beliebiges additives Fertigungsverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte handeln. Gemäß anderen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Bereitstellung des Verbindungselements ein Kunststoffrohling verwendet werden, in den die Öffnungen und gegebenenfalls eine Gitterstruktur nachträglich mittels eines Bearbeitungsverfahrens eingebracht werden. Als Ausgangsmaterial für das Verbindungselement wird bei dessen Herstellung bevorzugt ein Kunststoff, besonders bevorzugt thermoplastisches Polyurethan, verwendet.
Aspekte der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements mit einem Vorsprung,
2 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements mit mehreren Vorsprüngen,
3 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements mit mehreren Durchgängen in einer Schnittansicht,
4 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements mit mehreren Durchgängen in einer Draufsicht,
5 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements, bei dem ein Durchgang gebildet wird zwischen einem Öffnungsabschnitt und einem Wandungsabschnitt des Verbindungselements,
6 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements mit mehreren Rückhalteelementen und
7 eine schematische Darstellung eines Bauteils aus einem Kompositwerkstoff in einer Schnittansicht, wobei das Bauteil ein Verbindungselement, ein Fasertape und einen Spritzgusswerkstoff aufweist.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 1 mit einem Vorsprung 2. Das Verbindungselement 1 ist aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Das Verbindungselement 1 weist eine Vielzahl von Öffnungen 3 auf, an die sich innerhalb des Verbindungselements 1 verlaufende Kanäle anschließen, die eine Gitterstruktur 4 bilden. Das Verbindungselement 1 kann mit einem Spritzgusswerkstoff umspritzt werden, der durch die Öffnungen 3 in die Kanäle eindringen kann, sodass eine starke form- und/oder materialschlüssige Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff und dem Verbindungselement 1 entsteht. Der Spritzgusswerkstoff dient dann als eine Schmelzmasse. Der Vorsprung 2 bildet ein Positionierungsmittel des Verbindungselements 1. Um den Vorsprung 2 kann beispielsweise ein Fasertape herumgeführt werden, das als ein Stabilisierungsmittel des Bauteils dient. Gemeinsam mit dem Fasertape und dem Spritzgusswerkstoff kann das Verbindungselement 1 ein Bauteil bilden, in dem das Verbindungselement 1 eine verlässliche Verbindung zwischen dem Fasertape und dem Spritzgusswerkstoff herstellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 1 mit mehreren Vorsprüngen 2. Abschnitte des Verbindungselements 1, die die Vorsprünge 2 bilden, weisen eine erste Gitterstruktur 5 auf. Ein Abschnitt des Verbindungselements 1, aus dem die Vorsprünge 2 hervorragen, weist eine zweite Gitterstruktur 6 auf. Die erste Gitterstruktur 5 unterscheidet sich von der zweiten Gitterstruktur 6 im Hinblick auf die Größe von Öffnungen 3 in den Gitterstrukturen 5 und 6 und im Hinblick auf deren Ausrichtung. Das Verbindungselement 1 ist auf diese Weise speziell an Anforderungen an Verbindungskräfte zwischen dem Verbindungselement 1 und einem Spritzgusswerkstoff, mit dem das Verbindungselement 1 überspritzt werden kann, angepasst.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 1 mit mehreren Durchgängen 7 in einer Schnittansicht. Die Durchgänge bilden Positionierungsmittel des Verbindungselements 1. Das Verbindungselement 1 weist ferner eine Gitterstruktur 4 auf. Ein Fasertape 8 ist durch die Durchgänge 7 hindurchgeführt und auf diese Weise an dem Verbindungselement 1 positioniert. Das Fasertape 8 verläuft alternierend entlang einer Oberseite 9 und einer Unterseite 10 des Verbindungselements 1. Ein solches Verbindungselement 1 kann mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt werden. Dabei können sowohl die Gitterstruktur 4 als auch die Durchgänge 7 bereits bei der Fertigung in dem Verbindungselement 1 angelegt werden. Es ist allerdings auch möglich, dass die Durchgänge 7 erst nachträglich, beispielsweise mittels eines materialabtragenden Verfahrens, in das Verbindungselement 1 eingebracht werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 1 mit mehreren Durchgängen 7 in einer Draufsicht. Das Verbindungselement 1 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist mit einer Gitterstruktur 4 versehen. Ein Fasertape 8 ist durch die Durchgänge 7 hindurchgeführt und verläuft alternierend entlang einer Oberseite 9 und einer nicht sichtbaren Unterseite des Verbindungselements 1. Die Durchgänge 7 bilden auf der Oberseite 9 des Verbindungselements 1 Schlitze 11. Die Schlitze 11 weisen eine übereinstimmende Breite auf und sind zueinander fluchtend angeordnet. Wenn dieses Verbindungselement 1 mit einem Spritzgusswerkstoff umspritzt wird, dann bildet das Verbindungselement 1 gemeinsam mit dem Spritzgusswerkstoff und dem Fasertape 8 ein Bauteil aus einem Kompositwerkstoff, der insbesondere in Pfeilrichtung 12 großen Kräften widerstehen kann. Durch die Anordnung des Fasertapes 8 in den Durchgängen 7 wird eine starke Verankerung hergestellt. Dies wird dadurch unterstützt, dass der Spritzgusswerkstoff auch in die Durchgänge 7 eindringen kann, wo er das Fasertape 8 einschließt und somit an dem Verbindungselement 1 fixiert.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 1, bei dem ein Durchgang 7 gebildet wird zwischen einem Öffnungsabschnitt 13 und einem Wandungsabschnitt 14 des Verbindungselements 1. Das Verbindungselement 1 weist eine Gitterstruktur 4 auf, die sich ausschließlich in dem Öffnungsabschnitt 13 befindet. Das Verbindungselement 1 kann vollständig mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt sein, es ist allerdings auch möglich, dass der Wandungsabschnitt 14 ein zusätzliches Element ist, das nachträglich auf den Öffnungsabschnitt 13 aufgesetzt worden ist. Ein Fasertape 8 ist durch den Durchgang 7 des Verbindungselements 1 hindurchgeführt. Der Öffnungsabschnitt 13 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Verbindungselement 1 dient zur Positionierung des Fasertapes 8, wenn dieses mit einem Spritzgusswerkstoff umspritzt wird. Da der Spritzgusswerkstoff in Öffnungen 3 in dem Öffnungsabschnitt 13 eindringen kann, bildet sich eine außerordentlich belastbare Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff, dem Verbindungselement 1 und dem Fasertape 8.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 1 mit mehreren Rückhalteelementen 15. Wie vorangehend beschrieben kann durch die Öffnungen 3 des Verbindungselements 1 bei einem Überspritzungsvorgang ein Spritzgusswerkstoff in das Verbindungselement 1 eindringen. Sobald der Spritzgusswerkstoff ausgehärtet ist, besteht eine material- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkstoff und dem Verbindungselement 1. Es kann aber notwendig sein, das Verbindungselement 1 zusätzlich in dem Spritzgusswerkstoff zu verankern, insbesondere dann, wenn auf das Fasertape 8 Zugkräfte ausgeübt werden. Zu diesem Zweck sind an dem Verbindungselement 1 auskragende Rückhalteelemente 15 angeordnet. Diese dienen als Anker in dem ausgehärteten Spritzgusswerkstoff. Wird auf das Fasertape 8 eine Kraft in Pfeilrichtung 12 ausgeübt, dann wird diese Kraft von dem Fasertape 8 auf das Verbindungselement 1 übertragen, welches wiederum mittels der Rückhalteelemente 15 sicher in dem Spritzgusswerkstoff verankert ist.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauteils 16 aus einem Kompositwerkstoff in einer Schnittansicht, wobei das Bauteil ein Verbindungselement 1, ein Fasertape 8 und einen Spritzgusswerkstoff 17 aufweist. Das vorliegend verwendete Verbindungselement 1 wurde vorangehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Das Fasertape 8 ist durch einen Durchgang 7 des Verbindungselements 1 hindurchgeführt. Der Spritzgusswerkstoff 17 umschließt das Fasertape 8 und das Verbindungselement 1. Das Bauteil 16 ist insbesondere gegenüber Zugkräften in Pfeilrichtung 12 sehr widerstandsfähig. Das Verbindungselement 1 verankert das Fasertape 8 sicher in dem Spritzgusswerkstoff 17. Darüber hinaus hat das Verbindungselement 1 bei der Herstellung des Bauteils 16, insbesondere bei der Überspritzung des Fasertapes 8 mit dem Spritzgusswerkstoff 17, eine gewünschte Positionierung des Fasertapes 8 innerhalb des Bauteils 16 sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungselement
2: Vorsprung
3: Öffnung
4: Gitterstruktur
5: Erste Gitterstruktur
6: Zweite Gitterstruktur
7: Durchgang
8: Fasertape
9: Oberseite
10: Unterseite
11: Schlitz
12: Pfeilrichtung
13: Öffnungsabschnitt
14: Wandungsabschnitt
15: Rückhalteelement
16: Bauteil
17: Spritzgusswerkstoff

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 2011/0111168 A1 [0004]
US 2017/0001383 A1 [0004]
DE 102015217404 A1 [0004]

Claims

Verbindungselement (1), das zur Positionierung eines Stabilisierungsmittels bei der Herstellung eines Bauteils (16) aus einem Kompositwerkstoff geeignet ist, wobei das Verbindungselement (1) Öffnungen (3) aufweist, in die eine Schmelzmasse in geschmolzenem Zustand hineinfließen kann, und wobei das Verbindungselement (1) mindestens ein Positionierungsmittel zur Positionierung des Stabilisierungsmittels an dem Verbindungselement (1) aufweist.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Öffnungen (3) Kanäle anschließen, die in dem Verbindungselement (1) verlaufen.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle eine Gitterstruktur (4) bilden.
Verbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungsmittel durch einen Durchgang (7) in dem Verbindungselement (1) gebildet wird, durch den das Stabilisierungsmittel hindurchgeführt werden kann.
Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) mehrere Positionierungsmittel aufweist, die Durchgänge (7) in dem Verbindungselement (1) bilden, durch die das Stabilisierungsmittel hindurchgeführt werden kann, wobei die Durchgänge (7) auf einer Oberfläche des Verbindungselements (1) Schlitze (11) bilden, die zueinander parallel ausgerichtet sind.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (11) eine übereinstimmende Breite aufweisen und zueinander fluchtend angeordnet sind.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (7) gebildet wird zwischen einem Öffnungsabschnitt (13) des Verbindungselements (1) und einem Wandungsabschnitt (14) des Verbindungselements (1), wobei in dem Öffnungsabschnitt (13) die Öffnungen (3) des Verbindungselements (1) angeordnet sind und wobei der Wandungsabschnitt (14) keine Öffnungen (3) aufweist.
Verbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungsmittel durch einen Vorsprung (2) gebildet wird, um den das Stabilisierungsmittel herumgeführt werden kann oder auf den das Stabilisierungsmittel aufgesteckt werden kann.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (2) eine erste Gitterstruktur (5) aufweist, wobei ein Abschnitt des Verbindungselements (1), aus dem der Vorsprung (2) hervorragt, eine zweite Gitterstruktur (6) aufweist, und wobei sich die erste Gitterstruktur (5) von der zweiten Gitterstruktur (6) unterscheidet.
Verbindungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) mindestens ein auskragendes Rückhalteelement (15) aufweist, das sich aus einer Oberfläche des Verbindungselements (1) erstreckt.
Bauteil (16) aus einem Kompositwerkstoff mit einer zusammenhängenden, ausgehärteten Schmelzmasse, mit einem Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und mit mindestens einem Stabilisierungsmittel, wobei das Verbindungselement (1) und das Stabilisierungsmittel in die Schmelzmasse eingebettet sind, wobei die Schmelzmasse durch die Öffnungen (3) des Verbindungselements (1) in das Verbindungselement (1) hineinreicht, und wobei das Stabilisierungsmittel an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements (1) positioniert ist.
Bauteil (16) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzmasse ein Spritzgusswerkstoff (17) ist und dass das Stabilisierungsmittel ein Fasertape (8) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (16) aus einem Kompositwerkstoff, mit den Schritten: - Bereitstellung mindestens eines Verbindungselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 - Bereitstellung einer Positionierungsanordnung umfassend das Verbindungselement und ein Stabilisierungsmittel, indem das Stabilisierungsmittel an dem Positionierungsmittel des Verbindungselements (1) positioniert wird, und - Fixierung der Positionierungsanordnung mittels einer Schmelzmasse, indem die Schmelzmasse geschmolzen wird, sodass die Schmelzmasse in die Öffnungen (3) des Verbindungselements (1) hineinfließt und eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem Verbindungselement (1) und dem Stabilisierungsmittel herstellt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzmasse ein Spritzgusswerkstoff (17) ist und dass das Stabilisierungsmittel ein Fasertape (8) ist, wobei die Fixierung der Positionierungsanordnung folgende Schritte umfasst: - Schmelzen des Spritzgusswerkstoffs (17) und - Überspritzung der Positionierungsanordnung mit dem Spritzgusswerkstoff (17) in einem Spritzgießwerkzeug.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung des mindestens einen Verbindungselements (1) ein 3D-Druck-Verfahren verwendet wird, bei dem zumindest ein Abschnitt des Verbindungselements (1), in dem die Öffnungen (3) angeordnet sind, mittels des 3D-Druck-Verfahrens hergestellt wird.