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Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil, eine Kraftfahrzeugkomponente und ein Verfahren zum Herstellen des Faserverbundbauteils.
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Aus dem Stand der Technik sind Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt. Derartige Faserverbundbauteile dienen üblicherweise der Reduzierung des Gewichts einer Komponente, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Faserverbundbauteil eine Kunststoffmatrix und eine Mehrzahl von in der Kunststoffmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern aufweist. Dabei sind die Verstärkungsfasern üblicherweise in Form von mehreren, parallel zueinander angeordneten und in der Kunststoffmatrix eingebetteten Faserschichten ausgeführt und dienen einer ausreichenden Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils.
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Um ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff an einem anderen Bauteil zu befestigen, werden üblicherweise Befestigungsaussparungen in das Bauteil gebohrt oder gefräst, wobei bei der Herstellung der Befestigungsaussparungen die Faserschichten und die Kunststoffmatrix teilweise herausgeschnitten werden. Derartige Befestigungsaussparungen erhöhen die Gefahr einer Delamination, d.h. eines Ablösens einzelner Faserschichten, wobei die Delamination insbesondere vom Grund der Befestigungsaussparung ausgeht und sich ins Bauteilinnere erstreckt. Der Grund für die Delamination ist, dass das Bauteil in dem Bereich der Befestigungsaussparung eine Schälbeanspruchung erfährt, wenn die stehengebliebenen und die Befestigungsaussparung begrenzenden Schenkel entgegengesetzt zueinander und quer zu den Faserschichten, d.h. normal zu der Fläche einer Faserschicht, belastet werden. Das Auseinanderdrücken der Schenkel führt zu einem Zwischenfaserbruch, wobei die Kunststoffmatrix zwischen zwei Faserschichten versagt.
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Um die Gefahr einer Delamination zu reduzieren, werden üblicherweise sogenannte Inserts aus einem anderen Werkstoff eingesetzt. Die Inserts sind üblicherweise metallische Elemente, insbesondere Aluminiumbauteile, welche an dem Bauteil stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig befestigt sind und über welche das Bauteil mit anderen, angrenzenden Bauteilen kraftübertragend verbunden werden kann. Dabei dienen die Inserts dazu, über eine große Übertragungsoberfläche Kräfte in das Bauteil einzuleiten, damit dieses nicht durch örtliche Überbeanspruchung überlastet wird und eine Delamination auslöst.
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Ein derartiges Bauteil mit metallischen Inserts ist beispielsweise aus der
DE 32 43 897 A1 bekannt, wobei das Bauteil ein zweiarmiger Kipphebel für einen Hochgeschwindigkeitsmotor ist, welcher aus einem mit Kohlefasern verstärkten Harz hergestellt ist, wobei in der Harzmasse eine metallische Lagerbuchse als Insert eingebettet ist.
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Nachteilig an derartigen Faserverbundbauteilen mit mindestens einem Insert zur Befestigung des Faserverbundbauteils an einem anderen Bauteil ist, dass der Herstellungsprozess zeit- und kostenintensiv ist, da das separate, metallische Insert in einem zusätzlichen Herstellungsprozess hergestellt werden muss und in das Faserverbundbauteil eingefügt werden muss.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Faserverbundbauteil bereitzustellen, welches auf eine einfache und kostengünstige Weise hergestellt und mit einem anderen Bauteil verbunden werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Faserverbundbauteil gemäß Anspruch 1.
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Das Faserverbundbauteil umfasst einen monolithischen, d.h. einstückigen, Grundkörper, welcher ein Organoblech bildet. Der Grundkörper weist eine Kunststoffmatrix und mehrere, schichtweise angeordnete und in der Kunststoffmatrix eingebettete Faserschichten auf. Die Kunststoffmatrix ist vorzugsweise ein Harz, d.h. ein Duromer. Alternativ kann die Kunststoffmatrix auch aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt sein. Ob eine duroplastische oder eine thermoplastische Kunststoffmatrix verwendet wird, hängt von den geforderten mechanischen Eigenschaften, dem Temperatureinsatzbereich, der Medienbeständigkeit, der Strahlungsbeständigkeit und dem Langzeitverhalten, insbesondere der Kriech- und Relaxationseigenschaft, des Bauteils ab.
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Der Grundkörper weist einen aufgedickten Bereich auf, welcher eine vergleichsweise zu den anderen Bereichen des Grundkörpers größere Wandstärke aufweist. Der aufgedickte Bereich dient der Befestigung des Faserverbundbauteils an einem anderen Bauteil. Daher ist an dem aufgedickten Bereich des Grundkörpers eine Befestigungsaussparung vorgesehen, welche insbesondere einer formschlüssigen Verbindung mit dem anderen Bauteil dient.
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Erfindungsgemäß weist der aufgedickte Bereich eine aufgerollte Faserschicht auf, wobei die aufgerollte Faserschicht und die die aufgerollte Faserschicht aufnehmende Kunststoffmatrix den aufgedickten Bereich bilden.
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Dabei wird ein Streifen aus einer Faserschicht zu einem im Wesentlichen zylindrischen bzw. spiralförmigen Körper aufgerollt und auf die obererste Faserschicht der schichtweise angeordneten Faserschichten gepresst. Die aufgeschichteten Faserschichten weisen vorzugsweise eine Mulde zur Aufnahme der aufgerollten Faserschicht auf, wodurch der Übergang zwischen den geschichteten Faserschichten und der aufgerollten Faserschicht verbessert wird. Anschließend erfolgt die Aushärtung der Kunststoffmatrix. Der Kunststoff der Kunststoffmatrix kann in Form einer Imprägnierung der Faserschichten vorliegen. Anderenfalls kann der Kunststoff der Kunststoffmatrix erst in einer Herstellungsform hinzugefügt werden. Nach der Aushärtung des Faserverbundbauteils wird eine Befestigungsaussparung in dem aufgedickten Bereich hergestellt, wobei die Befestigungsaussparung vorzugsweise in Richtung der Längsachse in den Grundkörper eingefräst wird.
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Durch die Ausbildung des aufgedickten Bereichs durch eine aufgerollte Faserschicht kann eine Delamination des Faserverbundbauteils zuverlässig verhindert werden. Bei der Herstellung der Befestigungsaussparung wird ein Teil der aufgerollten Faserschicht zwar herausgeschnitten, jedoch verbleibt am Grund der Befestigungsaussparung eine umlaufende Faserschicht. Die umlaufende Faserschicht bewirkt, dass auch bei einer hebelartigen Belastung an dem stehengebliebenen und die Befestigungsaussparung begrenzenden Abschnitt eine Schälbeanspruchung vermieden wird und dadurch keine Delamination entsteht. Dabei wird Belastung durch die stehengebliebenen und die Befestigungsaussparung begrenzenden Abschnitte, welche radial zur Längsachse der aufgerollten Faserschicht und senkrecht zu den aufgeschichteten Faserschichten wirkt, durch die Kunststoffmatrix und die aufgerollte Faserschicht aufgenommen und nicht ausschließlich durch die Kunststoffmatrix.
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Vorzugsweise ist die Befestigungsaussparung eine Nut. Im montierten Zustand greift in die Nut ein Vorsprung ein, welcher an einem angrenzenden Bauteil ausgebildet ist, wobei der Vorsprung und die Nut eine Formschlussverbindung bilden. Dadurch kann das Faserverbundbauteil einfach und mit einem geringen Zeitaufwand mit dem angrenzenden Bauteil verbunden werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Faserschichten aus Kohlefasern hergestellt, so dass das Faserverbundbauteile ein Kohlefaserverbundbauteil ist. Die Kohlefaserverbundbauteile haben den entscheidenden Vorteil, dass diese ein geringes Gewicht bei einer relativ hohen Festigkeit aufweisen. Dadurch kann das Gewicht eines Kraftfahrzeugs erheblich reduziert werden.
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Vorzugsweise sind die Faserschichten als Gewebe oder Gelege ausgeführt. Die Gewebe sind durch die rechtwinkelige Verkreuzung der beiden Fadensysteme gekennzeichnet. Die Art und Weise, wie sich diese Fäden kreuzen, wird Bindung genannt. Zusammen mit der Anzahl der Fäden pro cm und dem eingesetzten Faserstoff bestimmt die Bindung die Eigenschaften der Gewebe. Bei den Gelegen werden die Fasern nicht miteinander verwebt, sondern durch ein Haftfadengitter oder einen Nähfaden gehalten. Die einzelnen Fasern liegen flach, gerade und parallel und können so exakt in Lastrichtung verlegt werden. Damit ergeben sich saubere Kraftverläufe, bei denen keine Knickbrüche auftreten können. Sowohl bei den Geweben als auch bei den Gelegen werden Lang- oder Endlosfasern eingesetzt. Die Faserverbundbauteile mit Faserschichten in Form von Geweben oder Gelegen weisen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf.
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Vorzugsweise weist der Grundkörper einen glasfaserverstärkten Bereich auf, wobei der glasfaserverstärkte Bereich aus in der Kunststoffmatrix eingebetteten Glasfasern hergestellt ist. Der glasfaserverstärkte Bereich dient der Aufnahme von relativ geringeren Belastungen. Dadurch kann das Faserverbundbauteil kostengünstig hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der glasfaserverstärkte Bereich mindestens ein Befestigungsmittel auf.
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Die Aufgabe wird außerdem durch eine Kraftfahrzeugkomponente mit einem Faserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gelöst. Dabei kann die Kraftfahrzeugkomponente beispielsweise ein Luftleitelement oder ein Teil eines Luftleitelements, insbesondere eine Unterschale eines Heckspoilers, sein.
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Zu den Vorteilen wird auf die vorhergehenden Absätze verwiesen.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Faserverbundbauteils nach Anspruch 1 bis 7 gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Einlegen von mehreren, schichtweise angeordneten Faserschichten in eine Herstellungsform,
- - Aufrollen einer Faserschicht,
- - Einlegen der aufgerollten Faserschicht in die Herstellungsform,
- - Aushärten einer die Faserschichten umgebenden Kunststoffmatrix, und
- - Herstellen der Befestigungsaussparung am aufgedickten Bereich.
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Durch ein derartiges Faserverbundbauteil und durch ein derartiges Verfahren kann das Faserverbundbauteil kostengünstig hergestellt werden und eine Delamination zuverlässig verhindert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine Kraftfahrzeugkomponente in einer Draufsicht,
- 2 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts der Kraftfahrzeugkomponente aus 1, und
- 3 zeigt schematisch die Verläufe mehrere Faserschichten innerhalb der Kraftfahrzeugkom ponente.
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Die 1 zeigt eine Kraftfahrzeugkomponente 10, welche ein Teil eines Heckspoilers eines Kraftfahrzeugs ist. Die Kraftfahrzeugkomponente 10 ist ein Faserverbundbauteil und umfasst einen monolithischen Grundkörper 30. Der Grundkörper 30 weist einen glasfaserverstärkten Bereich 32, welcher in 1 schraffiert dargestellt ist, und einen kohlefaserverstärkten Bereich 34 auf. Der glasfaserverstärkte Bereich 32 umfasst eine Vielzahl von Glasfasern, welche in einer Kunststoffmatrix 70 eingebettet sind. Die Kunststoffmatrix 70 des glasfaserverstärkten Bereichs 32 bildet auch die Kunststoffmatrix 70 des kohlefaserverstärkten Bereichs 34, wobei die Kunststoffmatrix 70 vorzugsweise ein Duromer ist. Der kohlefaserverstärkte Bereich 34 umfasst eine Mehrzahl von Kohlefasern, welche als Endlosfasern oder Langfasern ausgeführt sind und zu mehreren, in 3 gezeigten und im Wesentlichen schichtweise angeordneten Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58, 60 in Form von Gewebe oder Gelege zusammengefügt sind.
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Dadurch, dass die den glasfaserverstärkten Bereich 32 bildenden Glasfasern und die den kohlefaserverstärkten Bereich 34 bildenden Kohlefasern in einer gemeinsamen Kunststoffmatrix 70 eingebettet sind, ist der Grundkörper 30 einstückig ausgeführt.
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Der monolithischen Grundkörper 30 weist außerdem mehrere aufgedickte Bereiche 12, 14, 16, 18, 20, 22 auf. An den aufgedickten Bereichen ist jeweils eine Befestigungsaussparung 13, 15, 17, 19, 21, 23 ausgebildet, wobei die Befestigungsaussparungen 13, 15, 17, 19, 21, 23 der Befestigung der Kraftfahrzeugkomponente 10 an einem anderen, angrenzenden und in der Figur nicht dargestellten Bauteil dient. Dabei sind die Befestigungsaussparungen 13, 15, 17, 19, 21, 23, wie in 2 gezeigt, nutartig ausgeführt, wobei im endmontierten Zustand der Kraftfahrzeugkomponente 10 jeweils ein an dem anderen Bauteil vorgesehener Vorsprung in die nutartigen Befestigungsaussparungen 13, 15, 17, 19, 21, 23 eingreift. Dadurch wird die Kraftfahrzeugkomponente 10 zumindest in Fahrzeughochrichtung formschlüssig an dem anderen Bauteil befestigt. Weiterhin sind am glasfaserverstärkten Bereich 32 zwei Bohrungen 26, 28 vorgesehen, über welche die Kraftfahrzeugkomponente 10 an dem anderen, angrenzenden Bauteil verschraubt wird.
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Derartige Befestigungsaussparungen 13, 15, 17, 19, 21, 23 erhöhen üblicherweise die Gefahr einer Delamination, d.h. ein Versagen der Kunststoffmatrix 70 zwischen zwei Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58, 60. Der Grund für die Delamination ist, dass das Bauteil in dem Bereich der Befestigungsaussparung eine Schälbeanspruchung erfährt, wenn die stehengebliebenen und die Befestigungsaussparung 13, 15, 17, 19, 21, 23 begrenzenden Schenkel entgegengesetzt zueinander und quer zu den Faserschichten, d.h. normal zu der Fläche einer Faserschicht, belastet werden. Das Auseinanderdrücken der Schenkel führt zu einem Zwischenfaserbruch, wobei die Kunststoffmatrix 70 zwischen zwei Faserschichten versagt.
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Erfindungsgemäß weisen die aufgedickten Bereiche 12, 14, 16, 18, 20, 22 jeweils eine aufgerollte Faserschicht 60, 62, 64 auf, welche beispielhaft an den angedickten Bereichen 16, 18, 20 in 3 dargestellt sind. Die Faserschichten 60, 62, 64 sind aus Kohlefasern und in Form eines Gewebes oder Geleges ausgeführt und in der Kunststoffmatrix 70 eingebettet, in welcher auch die schichtweise angeordneten Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58 und die Glasfasern des glasfaserverstärkten Bereichs eingebettet sind. Die Faserschichten 60, 62, 64 weisen eine Längsachse auf, welche parallel zu der Ausrichtung der Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58 ausgerichtet ist. Die Befestigungsaussparungen 17, 19, 21 werden in Richtung der Längsachse der aufgerollten Faserschichten 60, 62, 64 am aufgedickten Bereich 16, 18, 20 eingebracht, insbesondere gefräst.
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Bei der Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils 10 werden zunächst die Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, welche in Form von Gelegen oder Geweben vorliegen, mit dem als Duromer ausgeführten Kunststoffmatrix 70 imprägniert. Anschließend werden mehrere Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58, 60 schichtweise in eine Herstellungsform eingelegt und mehrerer Faserschichten 60, 62, 64 aufgerollt. Die aufgerollten Faserschichten 60, 62, 64 werden in die Herstellungsform eingelegt und die Herstellungsform geschlossen, wobei im geschlossenen Zustand der Herstellungsform die aufgerollten Faserschichten 60, 62, 64 auf die oberste Faserschicht 58 der schichtweise angeordneten Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64 gepresst werden. Abschließend erfolgt ein Aushärtungsvorgang der Kunststoffmatrix 70, wodurch die Faserschichten 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64 untrennbar miteinander verbunden werden. In einem anschließenden Schritt werden die Befestigungsaussparungen 13, 15, 17, 19, 21, 23 durch Abtragen, insbesondere Fräsen, an den aufgedickten Bereichen 12, 14, 16, 18, 20, 22 hergestellt.
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Dadurch, dass die die Befestigungsaussparungen aufweisende aufgedickten Bereich 12, 14, 16, 18, 20, 22 im Wesentlichen durch eine aufgerollte Faserschicht 60, 62, 64 gebildet wird, kann eine Delamination des Faserverbundbauteils 10 verhindert werden, da die hebelartige Belastung durch die stehengebliebenen und die Befestigungsaussparung begrenzenden Abschnitte, welche radial zur Längsachse der aufgerollten Faserschicht und senkrecht zu den aufgeschichteten Faserschichten wirkt, durch die Kunststoffmatrix und die aufgerollte Faserschicht aufgenommen wird und nicht ausschließlich durch die Kunststoffmatrix.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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