DE102020211066A1

DE102020211066A1 - Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung von mindestens einem Profil mit einem weiteren Bauelement

Info

Publication number: DE102020211066A1
Application number: DE102020211066.2A
Authority: DE
Inventors: David Löpitz; Carsten Lies; Anne Laue
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Bei dem Verfahren wird in einem Schritti) - ein textiles Gebilde, dessen Fasern in einer nicht ausgehärteten Matrix aus einem mittels erhöhter Temperatur aushärtbaren oder vernetzbaren Kunststoff eingebettet oder damit imprägniert sind, undin einem Schrittii) - während oder im Anschluss an die Umformung erste Oberflächenbereiche des so erhaltenen mindestens einen Profils lokal definiert erwärmt werden, so dass der Kunststoff dort ausgehärtet oder vernetzt wird, wohingegen der Kunststoff in den anderen zweiten Oberflächenbereichen nicht oder nur teilweise ausgehärtet oder vernetzt wird undim Anschluss daran in einem Schrittiii) - das so erhaltene mindestens eine Profil in einen Hohlraum eines Bauelements oder ein Bereich eines Bauelements in das Innere des mindestens einen Profils passgenau eingeführt wird, wobeiin einem Schrittiv) - zweite Oberflächenbereiche des mindestens einen Profils und Oberflächenbereiche des Bauelements in berührenden Kontakt gebracht und die stoffschlüssige Verbindung durch ein Verpressen und gleichzeitige Erwärmung ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung von mindestens einem Profil mit einem weiteren Bauelement, die die aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind. Bevorzugt ist das Profil ein Hohlprofil es kann sich aber auch um ein anders gestaltetes Profil, wie z.B. ein U-Profil handeln. Ein Bauelement kann ebenfalls ein Profil, insbesondere ein Knotenelement sein.
Solche Verbindungen werden häufig dazu genutzt, um verschiedene Hohlprofile, die beispielsweise eine tragende Struktur einer Karosserie oder eines Fachwerks sein können, miteinander zu verbinden.
Dem stetigen Drang nach effizienteren Lösungen in einer Vielzahl an Branchen kann unter anderem mit innovativen Leichtbaulösungen begegnet werden.
Vor allem den Faserverbundwerkstoffen kann dabei aufgrund der hohen mechanischen Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Masse eine besondere Rolle zugerechnet werden. Solche ultraleichten Strukturen können in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Diese Werkstoffe werden auch zunehmend in der Automobilindustrie, dem Anlagenbau sowie der Bauindustrie eingesetzt.
Neben flächigen Strukturen, die hauptsächlich durch Infiltrations- und Pressprozesse hergestellt werden, spielen auch Profilstrukturen eine immer größere Rolle. Dabei wird z.B. auf das sehr wirtschaftliche Verfahren Pultrusion (Strangziehen) zurückgegriffen.
Nach aktuellem Stand der Technik lassen sich flächige Strukturen individuell entsprechend der Hauptbelastungsrichtungen z.B. mit Hilfe der sogenannten Tapelege-Verfahren herstellen. Dabei werden unidirektional verstärkte Kunststoffbänder - mit duroplastischer Matrix, die als Towpregs bezeichnet werden - über Legeköpfe Lastpfadgerecht appliziert. Anschließend werden diese Preforms im Autoklav- oder Pressverfahren zur endgültigen Form und Festigkeit verarbeitet. Ein Einbringen von zusätzlichen Funktionselementen kann dabei relativ einfach umgesetzt werden und durch die Verwendung von matrixkompatiblen Werkstoffen auch stoffschlüssig erfolgen. Trotz dieser Vorteile bieten diese Verfahren nicht die Möglichkeit komplexe Profilstrukturen umzusetzen. Mit erhöhtem Aufwand sind lediglich offene Profile durch starkes Umformen der 2D-Preforms realisierbar. Im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Verfahren lassen sich im Pultrusionsprozess (Strangziehen) zum aktuellen Stand der Technik nur gleichförmige Profilstrukturen herstellen. Dies kann von flächigen Platten bis hin zu komplexen Mehrkammerhohlprofilen ermöglicht werden. Die Verbindung solcher Profile wird anschließend hauptsächlich durch Kleben, Schrauben oder Stecken bzw. Kombinationen daraus realisiert. Im Vergleich zum Tapelegen lassen sich aufgrund der vollständigen Matrixaushärtung (duroplastische Vernetzungsreaktion) keine strukturübergreifenden stoffschlüssigen Funktionselemente nachträglich applizieren. Es ist lediglich ein Formschluss möglich.
Dem Stand der Technik entsprechend, werden faserverstärkte Kunststoffprofilstrukturen hauptsächlich mittels Schrauben, Kleben oder Stecken bzw. einer Kombination daraus gefügt.
Verschraubungen haben durch deren Reversibilität und geringen Montageaufwand einige Vorteile. Dennoch ist diese Art von Verbindungslösungen im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe aufgrund der lokalen Faserschädigung nicht optimal. Die tragenden Fasern werden durch die Bohrungen geschädigt, was mit einer wesentlichen Beeinträchtigung der Belastbarkeit einhergeht. Dies muss mit zusätzlichen Verstärkungen und gleichzeitig mehr Masse kompensiert werden.
Großflächige Klebverbindungen sind bereits seit langer Zeit Stand der Technik und bieten mit weiterentwickelten Klebstoffen und der korrekten Auslegung eine sehr hohe Tragfähigkeit ohne eine Strukturschwächung. Bei hochbelasteten Strukturen ist jedoch die zur Verfügung stehende Klebefläche meist gering bzw. es kommen Aspekte wie Temperaturbeständigkeit oder Alterung zum Tragen.
Stecklösungen sind ebenfalls eine beliebte Verbindungsart bei Profilstrukturen. Dabei wird meist auf metallische Knotenelemente zurückgegriffen. Diese werden z.B. für die Eckverbindung von zwei Profilen angewendet und meist zusätzlich verschraubt oder verklebt. Die zuvor aufgeführten Nachteile sind somit auch bei dieser Lösung vorhanden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine einfache Herstellung von sicheren, langlebigen, festen und steifen Verbindungen von Elementen, die mit faserverstärktem Kunststoff gebildet sind und bei denen eine Schädigung der Faserstruktur vermieden sowie eine Massereduzierung erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die zuvor aufgeführten Nachteile können mit der vorliegenden Erfindung wesentlich verbessert werden. Bevorzugtes Ziel des Gesamtprozesses ist die Herstellung eines stoff- und ggf. auch formschlüssigen Knotenelements mit direkt integrierten Hohlprofilstrukturen.
Mit dem Verfahren wird eine Fügeverbindung von mindestens einem Profil mit einem Bauelement, die aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind, hergestellt.
Dabei wird in einem ersten Schritt
i) - mindestens ein bandförmiges mit Fasern gebildetes textiles Gebilde, dessen Fasern in einer nicht ausgehärteten Matrix aus einem mittels erhöhter Temperatur aushärtbaren oder vernetzbaren Kunststoff eingebettet oder damit imprägniert sind, so umgeformt wird, dass das textile Gebilde mit dem Kunststoff in die Form des jeweiligen Profils gebracht wird.
Dabei kann man das mindestens eine bandförmige textile Gebilde mit dem Kunststoff auch als Towpreg bezeichnen. Solch Towpregs werden bereits für andere Anwendungen und in anderer Form für die Herstellung von Elementen aus faserverstärktem Kunststoff eingesetzt.
In einem zweiten Schritt
ii) - werden während oder im Anschluss an die Umformung erste Oberflächenbereiche des so erhaltenen mindestens einen Profils in Abhängigkeit des jeweiligen Kunststoffs lokal definiert erwärmt, so dass der Kunststoff in diesen ersten Oberflächenbereichen ausgehärtet oder vernetzt wird, wohingegen der Kunststoff in den anderen zweiten Oberflächenbereichen nicht oder nur teilweise ausgehärtet oder vernetzt wird und eine Konsistenz oder Eigenschaften beibehält, die für eine Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung weiterhin geeignet ist/sind.
Im Anschluss daran wird in einem dritten Schritt
iii) - das so erhaltene mindestens eine Profil in einen Hohlraum eines Knotenelements oder ein Bereich eines Bauelements, insbesondere eines Knotenelements in das Innere des mindestens einen als Hohlprofils ausgebildeten Profils passgenau eingeführt.
Danach werden in einem vierten Schritt
iv) - zweite Oberflächenbereiche des mindestens einen Profils und Oberflächenbereiche des Bauelements in berührenden Kontakt gebracht und die stoffschlüssige Verbindung wird durch ein Verpressen und gleichzeitige Erwärmung, die zu einer vollständigen Aushärtung oder Vernetzung des Kunststoffs in den zweiten Oberflächenbereichen führt, ausgebildet.
Beim Verpressen können Druckkräfte über den Umfang der zu fügenden Oberflächen auf diese wirken. Für die letztendliche vollständige Aushärtung oder Vernetzung des Kunststoffs können Heizelemente am/im jeweiligen Presswerkzeug vorhanden sein.
Bevorzugt werden zweite Oberflächenbereiche an einer Oberfläche des mindestens einen Profils ausgebildet, die in Richtung der Oberfläche des Bauelements angeordnet sind, mit der die stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden soll. Die Erwärmung erfolgt dabei an der Oberfläche des Profils, die der Oberfläche, die zum Fügen des Profils mit dem Bauelement genutzt wird, gegenüberliegend angeordnet ist. Dabei kann eine gradierte Temperaturverteilung und damit eine entsprechend gradierte Aushärtung oder Vernetzung ausgehend von der erwärmten Oberfläche des Profils und insbesondere entlang der Dicke der Wand eines Hohlprofils von einer Seite bis zur gegenüberliegenden Seite des faserverstärkten noch nicht vollständig ausgehärteten oder vernetzten faserverstärkten Kunststoffs erreicht werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass man allein oder zusätzlich zu der unmittelbar vorab genannten Alternative erste Oberflächenbereiche neben zweiten Oberflächenbereichen, bevorzugt in Form eines Schachbrettmusters oder spiralförmig auszubilden. Dementsprechend gibt es an der zum fügen genutzten Oberfläche dann sowohl erste, wie auch zweite Oberflächenbereiche.
Die zur teilweisen Aushärtung oder Vernetzung führende Erwärmung kann durch Kontakterwärmung in mindestens einem Werkzeug oder durch Wärmestrahlung durchgeführt werden. Dabei kann man beispielsweise die Verfahrensschritte i) und ii) in einem Werkzeug, das zwei Werkzeughälften aufweist, die eine Matrize und eine Patrize bilden, durchführen. Dabei kann man dann eine der Werkzeughälften beheizen, wohingegen die andere Werkzeughälfte nicht erwärmt oder sogar gekühlt wird. In diesem Fall kann an der Oberfläche des Profils, die an der Oberfläche des beheizten Werkzeugs anliegt einen ersten Oberflächenbereich und an der gegenüberliegend angeordneten Oberfläche einen zweiten Oberflächenbereich erhalten.
Eine Kühlung einer Werkzeughälfte kann man beispielsweise mittels Kühlkanälen, durch die ein geeignetes Fluid strömen kann, ausbilden. So kann man aber auch kalte Luft beispielsweise durch Öffnungen in einer Werkzeughälfte oder Düsen auf zu kühlende Oberflächenbereiche richten.
Eine lokal definierte Ausbildung erster Oberflächenbereiche kann man aber auch durch lokal definierte Bestrahlung mit geeigneter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-, Infrarot- oder Laserstrahlung erreichen.
Nach der Durchführung des Schrittes ii) sollten maximal 80 Vol.-% des Kunststoffs ausgehärtet oder vernetzt worden sein. Dadurch kann man ein Halbzeug erhalten, dessen Stabilität und Festigkeit eine gute Handhabbarkeit aufweist. So kann das eigentliche Fügen mit einem Knotenelement erleichtert durchgeführt werden.
Es kann ein duroplastischer auch ein mehrkomponenten Kunststoff eingesetzt werden, der unter den häufig genutzten Begriff „Hotmeltsystem“ fällt. Der jeweilige Kunststoff bzw. das Kunststoffsystem sollte bei normaler Raum- oder niedrigeren Temperatur eine Lagerstabilität, bei der ohne weiteres Zutun keine wesentliche Aushärtung oder Vernetzung in einem Lagerbehältnis erfolgt, aufweisen. Dies sollte über einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen der Fall sein. Bevorzugt ist der Einsatz eines Epoxidharzsystems.
Ein Bauelement-kann analog mit den Schritten i) und ii) des Verfahrens nach Anspruch 1 vorbereitet werden, bevor die Schritte iii) und iv) durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, dass zweite Oberflächenbereiche mindestens eines Profils und des Bauelements, an Oberflächen vorhanden sind, die direkt miteinander stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn erste Oberflächenbereiche und zweite Oberflächenbereiche an jeweils einer der entsprechenden Oberflächen des mindestens einen Profils und des Bauelements versetzt so zueinander angeordnet sind, dass erste Oberflächenbereiche des jeweiligen Profils mit zweiten Oberflächenbereichen, die am Bauelement vorhanden sind, beim Fügen in direkten Kontakt gebracht werden können und dadurch eine von zwei gegenüberliegenden Seiten ausgehende stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden kann.
Bauelemente können mindestens ein flanschförmiges Element aufweisen, das an einem Grundkörper vorhanden ist. Ein flanschförmiges Element sollte eine Außenkontur aufweisen, die komplementär zu einer Innenkontur des jeweiligen Profils ist, so dass das jeweilige Profil beim Fügen außen auf das flanschförmige Element passgenau aufgeschoben werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein flanschförmiges Element mit einer Innenkontur ausgebildet ist, in die ein Profil mit komplementärer Außenkontur passgenau vor der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung einführbar ist.
Die lokal definierte Erwärmung im Schritt ii) kann beispielsweise zeitgesteuert erfolgen, indem man beispielsweise eine Heizquelle innerhalb bestimmter Zeitintervalle ein und dann wieder ausschaltet.
Im Schritt ii) kann aber auch eine geregelte Erwärmung durchgeführt werden. Dazu kann man die Temperatur bevorzugt an lokal definierten Positionen bestimmt und anhand dieser Temperatur(en) eine Heizquelle regelt. So kann man die Temperatur dazu bevorzugt an Positionen bestimmen, die einem zweiten Oberflächenbereich zugeordnet werden.
Die Umformung des mindestens einen bandförmigen mit Fasern und unausgehärtetem Kunststoff gebildeten textilen Gebildes mittels Pultrusion, wie sie auf diesem Gebiet der Technik bereits eingesetzt wird und/oder mit zwei Formwerkzeughälften, zwischen denen das mindestens eine bandförmige textile Gebilde angeordnet wird, erreichen.
Es können auch mehrere bandförmige textile Gebilde, deren Fasern in einer nicht ausgehärteten Matrix aus einem mittels erhöhter Temperatur aushärtbaren oder vernetzbaren Kunststoff eingebettet oder damit imprägniert sind, in mehreren Lagen übereinander angeordnet und dann mit den Schritten des Verfahrens bearbeitet werden.
Durch entsprechende Oberflächenkonturierung oder die Anordnung mindestens eines Einlegers zwischen mehreren bandförmigen textilen Gebilden oder zwischen Profil und Bauelement im Bereich der stoffschlüssigen Fügung vor der vollständigen Aushärtung oder Vernetzung des Kunststoffes kann die stoffschlüssige Verbindung durch einen Formschluss verstärkt werden. Einleger können auch als Verstärkungselemente genutzt werden, mit denen die Steifigkeit und Festigkeit der mit Profil(en) und Bauelement gebildeten Struktur erhöht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer verbesserten Verbundfestigkeit in den meist kritischen Verbindungsstellen, weist eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit sowie eine höhere Nachhaltigkeit aufgrund des gezielten Materialeinsatzes und der geringeren Masse auf.
Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Profil und Bauelement kann ohne zusätzlichen Klebstoff ausgebildet werden. Es ist kein weiterer zusätzlicher Verfahrensschritt notwendig. Des Weiteren kommt es im Vergleich zu Verschraubungen zu keiner Faserschädigung durch das dabei erforderliche Bohren.
Leichtbau ist eine der Schlüsseltechnologien zukünftiger, effizienzoptimierter und emissionsarmer Fahrzeugkonzepte. Faser-Kunststoff-Verbunde erhalten im Leichtbau einen immer höheren Stellenwert. Die Möglichkeit zur Reduzierung der Bauteilmasse bei weitestgehend vergleichbaren bzw. verbesserten Materialeigenschaften ist für viele fahrzeugtechnische Anwendungen von hohem Interesse. Den positiven Eigenschaften stehen bislang die für Serienanwendungen hohen Material- und Fertigungskosten sowie hohen Anforderungen an Verbindungs- und Fügetechniken entgegen. An dieser Stelle soll das geplante Vorhaben anknüpfen.
Die Erfindung sieht die Realisierung einer effizienten und wirtschaftlichen Herstellungstechnologie für faserverstärkte Leichtbau-Fahrzeugstrukturen in einem modifizierten Pultrusionsverfahren in Kombination mit einem lastpfadgerecht verstärkten Recycling-SMC-Formgebungsprozess vor.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung von mindestens einem Profil mit einem Bauelement, die aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind, bei dem in einem ersten Schritt i) - das mindestens ein bandförmiges mit Fasern gebildetes textiles Gebilde, dessen Fasern in einer nicht ausgehärteten Matrix aus einem mittels erhöhter Temperatur aushärtbaren oder vernetzbaren Kunststoff eingebettet oder damit imprägniert sind, so umgeformt wird, dass das textile Gebilde mit dem Kunststoff in die Form des jeweiligen Profils gebracht wird und in einem zweiten Schritt ii) - während oder im Anschluss an die Umformung erste Oberflächenbereiche des so erhaltenen mindestens einen Profils in Abhängigkeit des jeweiligen Kunststoffs lokal definiert erwärmt werden, so dass der Kunststoff in diesen ersten Oberflächenbereichen ausgehärtet oder vernetzt wird, wohingegen der Kunststoff in den anderen zweiten Oberflächenbereichen nicht oder nur teilweise ausgehärtet oder vernetzt wird und eine Konsistenz oder Eigenschaften beibehält, die für eine Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung weiterhin geeignet ist/sind und im Anschluss daran in einem dritten Schritt iii) - das so erhaltene mindestens eine Profil in einen Hohlraum eines Bauelements oder ein Bereich eines Bauelements in das Innere des mindestens einen Profils passgenau eingeführt wird, wobei in einem vierten Schritt iv) - zweite Oberflächenbereiche des mindestens einen Profils und Oberflächenbereiche des Bauelements in berührenden Kontakt gebracht und die stoffschlüssige Verbindung durch ein Verpressen und gleichzeitige Erwärmung, die zu einer vollständigen Aushärtung oder Vernetzung des Kunststoffs in den zweiten Oberflächenbereichen führt, ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Oberflächenbereiche an einer Oberfläche des mindestens einen Profils ausgebildet werden, die in Richtung der Oberfläche des Bauelements angeordnet sind, mit der die stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Oberflächenbereiche neben zweiten Oberflächenbereichen, bevorzugt in Form eines Schachbrettmusters oder spiralförmig ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur teilweisen Aushärtung oder Vernetzung führende Erwärmung durch Kontakterwärmung in mindestens einem Werkzeug oder durch Wärmestrahlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Oberflächenbereiche während der Aushärtung oder Vernetzung des Kunststoffs in ersten Oberflächenbereichen gekühlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein duroplastischer Kunststoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement analog mit den Schritten i) und ii) des Verfahrens nach Anspruch 1 vorbereitet wird, bevor die Schritte iii) und iv) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt ii) maximal 80 Vol.-% des Kunststoffs ausgehärtet oder vernetzt werden.