DE102022106625A1

DE102022106625A1 - Verfahren zum Festlegen eines Funktionsbauteils an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils und solchermaßen erzeugtes Strukturbauteil

Info

Publication number: DE102022106625A1
Application number: DE102022106625.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Henning; Jonathan Haas; Ingo Anschütz; Björn Beck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zum formschlüssigen Festlegen eines Funktionsbauteils an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst:(a) Bereitstellen eines Funktionsbauteils mit einem endständigen Befestigungsabschnitt, welcher einen konkaven Umfangsabschnitt aufweist;(b) Einführen des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils in das Hohlprofil;(c) lokales Umformen des den endständigen Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgebenden Umfangsabschnittes des Hohlprofils gegen den konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils; und(d) Ausbilden eines Halterings an dem dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils entgegengesetzten Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils.Die Erfindung betrifft ferner ein solchermaßen hergestelltes Strukturbauteil, welches ein an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils formschlüssig festgelegtes Strukturbauteil umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum formschlüssigen Festlegen eines Funktionsbauteils an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils sowie ein insbesondere mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes Strukturbauteil, umfassend wenigstens ein Funktionsbauteil, welches formschlüssig an wenigstens einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils festgelegt ist.
Mit Endlosfasern verstärkte Polymer-Formteile finden für vielerlei Anwendungszwecke, wie beispielsweise in der Automobil- und Flugzeugindustrie, z.B. für Stoßfänger, Sitzstrukturen, Karosserieteile, wie Frontendträger oder dergleichen, bis hin zu kompletten Karosserien oder Rahmenstrukturen, oder allgemein überall dort, wo eine gezielte Verstärkung des Polymer-Formteils in Richtung einwirkender Lasten erwünscht ist, verbreitet Verwendung. Im Gegensatz zu Polymer-Formteilen, welche mit Kurz- und/oder Langfasern mit statistischer Einmischung der Fasern in die Polymermatrix verstärkt sind, bieten Endlosfasern den Vorteil einer möglichen Anordnung in Richtung einwirkender Lasten - so z.B. in Richtung einer einwirkenden Zugbelastung - so dass das Polymer-Formteil vor einem Versagen im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung der Endlosfasern oder auch vor einem Einknicken im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Endlosfasern weitestgehend bewahrt wird. Folglich ist mittels einer aus Endlosfasern gebildeten Faserverstärkungsstruktur eine richtungsabhängige Verstärkung des jeweiligen Bauteils und im Hinblick auf das gegenüber Metall geringere Gewicht von Kunststoffen eine Ausführung des Bauteils in Leichtbauweise möglich. Aufgrund der hohen Festigkeit und Steifigkeit von mit Endlosfasern verstärkten Polymer-Formteilen können diese, z.B. für den Einsatz in Rahmen- oder Tragstrukturen, ferner insbesondere als Hohlprofile ausgeführt werden, um für eine weitere Massenreduzierung zu sorgen.
Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen ist eine Vielzahl an Verfahren bekannt, wobei insbesondere Pressverfahren sowie - im Falle des Einsatzes von plastifizierbaren, thermoplastischen oder thermoelastischen Polymeren - Spritzgießverfahren zur Anwendung kommen. Dabei werden die Endlosfasern, welche mit plastifizierten Polymeren oder mit zu Polymeren - seien sie thermoplastisch, seien sie duroplastisch oder seien sie elastisch - aushärtbaren Flüssigharzen, wie z.B. in Form von polymerisierbaren Mono-, Di- oder Oligomeren, imprägniert worden sind, zunächst entsprechend der gewünschten Orientierung der Endlosfasern in dem zu erzeugenden Polymer-Formteil ausgerichtet und wird die hieraus resultierende Faserverstärkungsstruktur in dem Formraum eines Form- bzw. Presswerkzeugs unter Anwendung eines hinreichenden Formdruckes zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil geformt. Darüber hinaus lassen sich endlosfaserverstärkte Polymer-Formteile in Form von Hohlprofilen, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangen, insbesondere mittels Pultrudieren erzeugen, indem die z.B. von entsprechenden Spindeln abgewickelten Endlosfasern kontinuierlich mit einem Imprägnierpolymer oder mit zu einem solchen aushärtbaren Flüssigharzen imprägniert und mittels einer oder mehrerer Formstationen kontinuierlich zu einem Endloshohlprofil geformt werden, welches schließlich unter Bildung der Hohlprofile abgelängt werden kann.
Als Endlosfasern können je nach Einsatzzweck beliebige bekannte Verstärkungsfasern, z.B. synthetische Fasern, wie Carbon-, Glas-, Metall-, Aramidfasern oder dergleichen, natürliche Fasern mit einer hinreichenden Festigkeit, wie Cellulose, Hanffasern etc., oder auch Hybridfasern, z.B. Mischungen aus Polymer- und Verstärkungsfasern, in der jeweils gewünschten Form, z.B. in Form von Bändern, sogenannten Tapes, oder Garnen, sogenannten Rovings, eingesetzt werden. Zur Erzeugung des endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils können die Endlosfasern entweder bereits mit einem plastifizierbaren Polymer oder einem zu der gewünschten Polymermatrix des Formteils aushärtbaren Flüssigharz vorimprägniert sein, welches anlässlich der Verarbeitung zu dem Polymer-Formteil in einen schmelzflüssigen bzw. viskosen Zustand überführt oder ausgehärtet wird, was z.B. mittels entsprechender Heizkammern geschieht, durch welche die z.B. von einer Spindel abgewickelten Endlosfasern hindurchgeführt werden, oder die rohen Endlosfasern werden unter Anhaften des jeweiligen Imprägnierpolymers oder des jeweiligen Flüssigharzes durch eine Schmelze oder eine Vorlage desselben hindurchgeführt.
Wie bereits erwähnt, kommen zur Erzeugung von Trag- oder Rahmenstrukturen, wie z.B. von Trag- oder Rahmenstrukturen von Fahrzeugen, Flugzeugen einschließlich Drohnen oder Teilen derselben, insbesondere aufgrund einer bestmöglichen Leichtbauweise bei sehr hoher Festigkeit und Steifigkeit häufig endlosfaserverstärkte Polymer-Formteile in Form von Hohlprofilen zum Einsatz, wobei insbesondere mit unidirektional endlosfaserverstärkten Hohlprofilen, welche mittels Pultrusionsverfahren der oben genannten Art erzeugt werden können, bei geringem und somit sehr kostengünstigem Materialaufwand und minimaler Masse hervorragende mechanische Eigenschaften erreicht werden können. Um aus derartigen endlosfaserverstärkten Polymer-Formteilen in Form von Hohlprofilen zwei oder dreidimensionale Trag- oder Rahmenstrukturen zu erzeugen, müssen mehrere solcher Hohlprofile miteinander und/oder mit anderen Bauteilen verbunden werden, wobei die Verbindungsstellen auch als „Knoten“ bezeichnet werden. Zu diesem Zweck werden an den Hohlprofilen häufig Funktionsbauteile festgelegt, welche mit Befestigungselementen, wie Haken, Ösen, Schlaufen, Löchern oder dergleichen versehen sind und auf diese Weise zu der mehrdimensionalen Trag- oder Rahmenstruktur miteinander verbunden werden können. Das Funktionsbauteil muss dabei nicht notwendigerweise seinerseits aus endlosfaserverstärkten Polymeren gebildet sein, sondern kann je nach Anwendung auch aus beliebigen anderen Materialen einschließlich Metall, Keramik etc. gefertigt sein. Die Befestigung eines solchen Funktionsbauteils an dem aus einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil gebildeten Hohlprofil gestaltet sich indes als schwierig, da einerseits eine Schädigung der Endlosfasern des Hohlprofils gerade an der Verbindungsstelle, die in der Regel zugleich zur Einleitung von Kräften in das Hohlprofil dient, vermieden werden muss, andererseits eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen dem Hohlprofil und dem Funktionsbauteil sichergestellt werden muss.
Die DE 10 2014 019 724 A1 beschreibt ein Verfahren zum stoffschlüssigen Festlegen eines Funktionselementes auf ein thermoplastisches Polymer-Formteil in Form eines endlosfaserverstärkten Hohlprofils, indem das Funktionselement an den Außenumfang des Hohlprofils angespritzt wird. Um die Stabilität der Verbindung zu erhöhen, wird dabei im Innern des Hohlprofils eine Hülse mit einem konkaven Umfangsabschnitt angeordnet, so dass beim Anspritzen des Funktionselementes das bereichsweise plastifizierte thermoplastische Kunststoffmaterial des Hohlprofils infolge des Spritzdruckes gegen den konkaven Umfangsabschnitt der Hülse umgeformt wird. Indes erfordert das bekannte Verfahren zwingend ein thermoplastisches endlosfaserverstärktes Hohlprofil und besteht das Funktionselement seinerseits ebenfalls zwingend aus thermoplastischen Polymermaterialien. Darüber hinaus ist die Formgebung des Funktionselementes auf spritzfähige Formen beschränkt und eine Anordnung des Funktionselementes am endständigen Bereich des Hohlprofils, wie es für viele Anwendungszwecke erwünscht ist, nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum formschlüssigen Festlegen eines Funktionsbauteils an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches auf einfache und kostengünstige Weise unter Gewährleistung einer dauerhaften und sicheren Verbindung sowie unter Vermeidung einer Beschädigung der Endlosfasern des Hohlprofils die Befestigung von praktisch beliebigen Funktionsbauteilen an dem Hohlprofil ermöglicht, welches sowohl aus einem thermoplastischen als auch aus einem duroplastischen oder elastischen, endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil gebildet sein kann. Sie ist ferner auf ein insbesondere mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes Strukturbauteil der eingangs genannten Art gerichtet, welches wenigstens ein formschlüssig an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils festgelegtes Funktionsbauteil umfasst.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen eines Funktionsbauteils mit wenigstens einem endständigen Befestigungsabschnitt, welcher wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt aufweist;
(b) Einführen des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils in das Hohlprofil;
(c) lokales Umformen des den endständigen Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgebenden Umfangsabschnittes des Hohlprofils gegen den konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils; und
(d) Ausbilden eines Halterings an dem dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils entgegengesetzten Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils.

In erzeugnistechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Strukturbauteil der eingangs genannten Art ferner vor, dass das Funktionsbauteil wenigstens einen endständigen Befestigungsabschnitt mit wenigstens einem konkaven Umfangsabschnitt aufweist, welcher im Innern des hierzu komplementär lokal umgeformten Hohlprofils formschlüssig festgelegt ist, wobei an dem dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils entgegengesetzten Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils ein Haltering ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung stellt eine hoch belastbare und stabile Verbindung zwischen dem Funktionsbauteil und dem als Hohlprofil ausgestalteten endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil sicher, welches - wie nachfolgend noch näher erläutert - sowohl aus thermoplastischen als auch duroplastischen Polymeren gefertigt sein kann, indem der wenigstens eine konkave Umfangsabschnitt des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils formschlüssig in dem hierzu komplementär lokal umgeformten Hohlprofil formschlüssig festgelegt wird. Das Funktionsbauteil kann dabei eine beliebige Form besitzen und aus einem beliebigen Material gefertigt sein, wie beispielsweise seinerseits aus endlosfaserverstärkten Polymermaterialien, Metall, Keramik oder dergleichen. Aufgrund der insbesondere keinerlei scharfe Kanten aufweisenden, sich stetig verjüngenden bzw. erweiternden Konkavität des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils werden beim lokalen Umformen des Hohlprofils etwaige mechanische Schädigungen der Endlosfasern des Hohlprofils zuverlässig vermieden. Der an dem Außenumfang des Hohlprofils im Bereich des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils ausgebildete Haltering gewährleistet überdies eine größtmögliche Dauerhaftigkeit der Verbindung auch unter hoher statischer oder dynamischer Lasteinwirkung.
Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlprofil und dem Funktionsbauteil stellt dabei eine ideale Übertragung von Druck- und Zugkräften sicher, wohingegen Torsionskräfte zwischen dem Funktionsbauteil und dem Hohlprofil praktisch nicht übertragen werden, wie es in den meisten Anwendungsfällen von gattungsgemäßen Strukturbauteilen erwünscht ist, so dass eine Torsionsbeanspruchung nicht zu hohen Spannungen bis hin zu einem Versagen des Strukturbauteils führt. Sofern eine Aufnahme von Torsionsmomenten in gewissem Maße erwünscht ist, kann der Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils zur Modifizierung des Formschlusses z.B. mit geeigneten Oberflächenstrukturen versehen und beispielsweise gerieft, gerändelt, aufgeraut, z.B. sandgestrahlt, porös, z.B. mikro- oder nanoporös, oder dergleichen ausgestaltet sein. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss demnach auch die rotatorische Ausrichtung des Funktionsbauteils in Bezug auf das Hohlprofil nicht beachtet werden und vermag bei der Erzeugung einer Rahmen- oder Tragstruktur mit mehreren erfindungsgemäßen Strukturbauteilen als Freiheitsgrad zu dienen. Ein solchermaßen erzeugtes Strukturbauteil besitzt folglich eine hohe Festigkeit und Steifigkeit insbesondere im Bereich der „Knoten“, welche z.B. in Form von Haken, Ösen, Schlaufen, Löchern oder beliebigen anderen Befestigungs- oder Verbindungselementen des Funktionsbauteils gebildet sein können und beispielsweise in Axialrichtung aus dem Hohlprofil herausragen, so dass aus derartigen Strukturbauteilen mehrdimensionale Rahmen- oder Tragstrukturen mit praktisch beliebiger Form erzeugt werden können.
Wie bereits angedeutet, kann gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass ein Hohlprofil aus wenigstens einem endlosfaserverstärkten thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer-Formteil verwendet wird, welches anlässlich des Umformens gemäß Schritt (c) im Bereich seines den endständigen Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgebenden Umfangsabschnittes zumindest teilweise plastifiziert wird, wonach es wieder erstarrt wird. Zur lokalen Plastifizierung des endlosfaserverstärkten thermoplastischen Hohlprofils kann dieses auf beliebige bekannte Weise erwärmt werden, z.B. konvektiv mittels Kontaktbeheizung, Anströmen mit Heißgas oder dergleichen, oder mittels Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise im Infrarot, Ultraviolett- und/oder Mikrowellenspektrum.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Hohlprofil in Form eines Halbzeugs aus mit zu wenigstens einem duroplastischen oder elastomeren Polymer aushärtbaren Harzen, insbesondere Flüssigharzen, imprägnierten Endlosfasern bereitgestellt wird, in welches der endständige Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils gemäß Schritt (b) eingeführt wird, wonach der den endständigen Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgebende Umfangsabschnitt des Hohlprofils gegen den konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils gemäß Schritt (c) umgeformt wird und die Imprägnierharze des Halbzeugs vollständig zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil ausgehärtet werden. Die Imprägnierharze des nach Art eines sogenannten Prepregs ausgestalteten Halbzeugs können dabei insbesondere vorgehärtet werden, um dem Halbzeug eine gewisse Formbeständigkeit bei der Handhabung bei gleichzeitiger Verformbarkeit zu verleihen, wobei die Imprägnierharze nach dem lokalen Umformungsschritt (c) vollständig ausgehärtet bzw. vernetzt werden. Letzteres kann je nach verwendeten Imprägnierharzen wiederum auf beliebige bekannte Weise geschehen, wie beispielsweise thermisch und/oder unter mittels Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung im Aktivierungsspektrum der Imprägnierharze.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass gemäß Schritt (a) ein Funktionsbauteil mit wenigstens einem endständigen Befestigungsabschnitt bereitgestellt wird, dessen wenigstens ein konkaver Umfangsabschnitt eine stetig differenzierbare Oberflächenform aufweist, d.h. der konkave Umfangsabschnitt des Befestigungsabschnittes ist im Wesentlichen frei von Kanten oder Vorsprüngen, welche anlässlich des lokalen Umformens gemäß Schritt (c) zu einer mechanischen Schädigung der Endlosfasern des Hohlprofils führen könnten. Der endständige Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils kann dabei vorzugsweise in Axialrichtung sich stetig verringernde bzw. sich stetig vergrößernde Krümmungsradien besitzen und z.B. wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt aufweisen, welcher im Wesentlichen die Form eines Katenoides oder eines einschaligen Hyperboloides besitzt.
Bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil kann demnach vorgesehen sein, dass der endständige Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt mit einer - im mathematischen Sinne - stetig differenzierbaren Oberflächenform aufweist, wobei der endständige Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils z.B. wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt aufweisen kann, welcher im Wesentlichen die Form eines Katenoides oder eines einschaligen Hyperboloides besitzt. Darüber hinaus sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils selbstverständlich auch zwei oder mehr in Axialrichtung des Befestigungsabschnittes hintereinander angeordnete konkave Umfangsabschnitte aufweisen kann, welche aus den vorgenannten Gründen vorzugsweise stetig differenzierbare Oberflächenformen besitzen.
Während der Umformungsschritt (c) grundsätzlich in einer beliebigen, als solchen bekannten Weise geschehen kann, wie beispielsweise durch Anlegen eines auf den den Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgebenden Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils einwirkenden Fluiddruckes, mittels eines zum Außenumfang des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils im Wesentlichen komplementären Presswerkzeugs oder dergleichen, kann im Hinblick auf eine faserschonende lokale Umformung des endlosfaserverstärkten Hohlprofils vorzugsweise vorgesehen sein, dass der den endständigen Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgebende Umfangsabschnitt des Hohlprofils gemäß Schritt (c) mittels wenigstens einer rotierenden Umformwalze gegen den wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils umgeformt wird. Hierbei kann eine oder können insbesondere mehrere, um den Außenumfang des mit dem Funktionsbauteil versehenen endlosfaserverstärkten Hohlprofils verteilt angeordnete Umformwalzen zum Einsatz gelangen, wobei das Hohlprofil während des Umformens seinerseits insbesondere um seine Längsachse gedreht werden kann, oder die rotierende(n) Umformwalze(n) wird bzw. werden um den Außenumfang des Hohlprofils konzentrisch zu dessen Längsachse herum bewegt. Je nach Polymermaterial des endlosfaserverstärkten Hohlprofils können die Umformwalzen aus verschiedenen Materialien, wie aus relativ weichen, elastisch nachgiebigen Materialien, z.B. Silikon, Gummi etc., bis hin zu relativ harten Kunststoff-, wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Metall- oder Keramikmaterialien gefertigt sein.
Um für eine besonders faserschonende Umformung des endlosfaserverstärkten Hohlprofils gegen den wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils zu sorgen, sollte zweckmäßigerweise eine Umformwalze mit einem konvexen Außenquerschnitt verwendet werden, wobei der Krümmungsradius des konvexen Außenquerschnittes der Umformwalze insbesondere kleinergleich dem Krümmungsradius des konkaven Umfangsabschnittes des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils beträgt.
In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass die Drehachse(n) der Umformwalze(n) im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils angeordnet wird bzw. werden. Alternativ oder insbesondere zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Drehachse(n) der Umformwalze(n) jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Flächennormalen des konkaven Umfangsabschnittes des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils, aber unter einem Winkel größer 0° in Bezug auf die Längsachse des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils angeordnet wird bzw. werden, was zu einer Straffung der Endlosfasern des Hohlprofils im Bereich seiner formschlüssigen Verbindung mit dem Funktionsbauteil sowie der Vermeidung einer Bildung von Falten beizutragen vermag.
In Bezug auf die Ausbildung des Halterings gemäß Schritt (d) kann gemäß einer in höchstem Maße sicheren, festen und dauerhaften Verbindung vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Haltering dadurch ausgebildet wird, indem der dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils entgegengesetzte Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils mit Endlosfasern umwickelt wird, welche

- mit wenigstens einem plastifizierten thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer imprägniert sind, wonach das thermoplastische oder thermoelastische Polymer zu dem Haltering erstarrt wird; oder
- mit zu wenigstens einem duroplastischen oder elastomeren Polymer aushärtbaren Harzen imprägniert sind, wonach die Harze zu dem Haltering ausgehärtet werden.

Der Haltering kann auf diese Weise - insoweit in weitgehend entsprechender Weise wie das endlosfaserverstärkte Hohlprofil - aus endlosfaserverstärkten Polymermaterialien gebildet werden, wobei die sich in Umfangsrichtung des Hohlprofils erstreckenden Endlosfasern für eine sehr hohe Festigkeit, Steifigkeit und Dauerhaftigkeit der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Hohlprofil und dem Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils sorgen. Darüber hinaus lässt sich auf diese Weise eine stoffschlüssige Verbindung des Halterings mit dem Hohlprofil erzeugen, wobei z.B. im Falle eines Hohlprofils mit einer endlosfaserverstärkten thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix für den Haltering gleichfalls mit thermoplastischen oder thermoelastischen Polymere imprägnierte Endlosfasern eingesetzt werden können, so dass es zu einer Schmelzverbindung des Polymermaterials des Hohlprofils mit dem Imprägnierpolymer des Halterings kommt. In Bezug auf die Erwärmung der imprägnierten Endlosfasern zum Zwecke deren Plastifizierung gilt das oben in Bezug auf die Umformung eines thermoplastischen oder thermoelastischen Hohlprofils gesagte. Sofern das Hohlprofil stattdessen eine duroplastische oder elastische Polymatrix besitzen soll, können die mit zu wenigstens einem duroplastischen oder elastomeren Polymer aushärtbaren Harzen imprägnierten Endlosfasern beispielsweise um das nach Art einer Prepregs ausgestaltete Halbzeug des gemäß Schritt (c) umgeformten Hohlprofils, dessen Imprägnierharze vorzugsweise vorgehärtet, aber noch nicht vollständig ausgehärtet worden ist, herumgewickelt werden, wonach sowohl die Imprägnierharze der Endlosfasern des Hohlprofils als auch die Imprägnierharze des Halterings gemeinsam vollständig ausgehärtet bzw. vernetzt werden, was wiederum zu einer stoffschlüssigen Verbindung des Hohlprofils mit dem Haltering führt. Je nach verwendeten Imprägnierharzen kann dies wiederum auf beliebige bekannte Weise geschehen, wie z.B. thermisch und/oder mittels Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung im Aktivierungsspektrum der Imprägnierharze. Indes muss die Verbindung zwischen dem Hohlprofil und dem Haltering nicht notwendigerweise stoffschlüssig sein, sondern können die imprägnierten - sei es mit plastifizierbaren Polymeren oder sei es mit aushärtbaren Flüssigharzen - Endlosfasern des Haltering z.B. auch auf das gegen den Befestigungsabschnitt des Funktionsbauteils umgeformte und vollständig ausgehärtete Hohlprofil aufgebracht werden, so dass es zu einer vornehmlich formschlüssigen Verbindung kommt.
Stattdessen kann gemäß einer sehr einfachen und kostengünstigen Ausführungsform beispielsweise vorgesehen sein, dass der Haltering gemäß Schritt (d) dadurch ausgebildet wird, indem auf den dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils entgegengesetzte Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils wenigstens ein mechanisches Klemmelement aufgebracht wird, insbesondere in Form einer Rohrschelle, Kabelbinder oder dergleichen, um für eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung des Halterings mit dem endlosfaserverstärkten Hohlprofil zu sorgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil kann demnach vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Haltering

- aus wenigstens einem endlosfaserverstärkten Polymer - sei es thermoplastisch oder thermoelastisch oder sei es duroplastisch oder elastisch - gebildet ist, oder
- wenigstens ein mechanisches Klemmelement umfasst, wie insbesondere in Form einer Rohrschelle, Kabelbinder oder dergleichen.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils mit einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils, an welchem ein Funktionsbauteil unter Anwendung eines Halterings formschlüssig festgelegt ist;
2 einen schematischen Teilschnitt durch das Strukturbauteil gemäß der 1;
3 eine schematische Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils mit einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils, an welchem ein Funktionsbauteil unter Anwendung eines Halterings formschlüssig festgelegt ist;
4 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils, bei welchem zwei endlosfaserverstärkte Polymer-Formteile in Form von Hohlprofilen an einem Funktionsbauteil unter Anwendung je eines Halterings formschlüssig festgelegt sind;
5 einen schematischen Teilschnitt durch ein Strukturbauteil ähnlich jenem gemäß der 4;
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils, bei welchem vier endlosfaserverstärkte Polymer-Formteile in Form von Hohlprofilen an einem Funktionsbauteil unter Anwendung je eines Halterings formschlüssig festgelegt sind; und
7 eine schematische perspektivische Ansicht eines endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils in Form eines Hohlprofils, in welches der endständige Befestigungsabschnitt eines Funktionsbauteils eingeführt worden ist, während des lokalen Umformens gemäß Schritt (c) einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz von Umformwalzen.

In den 1 und 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 schematisch wiedergegeben, welches ein (auf der linken Seite jeweils abgebrochen dargestelltes) endlosfaserverstärktes Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils 2, wie z.B. im Wesentlichen in Form eines Rohres, aufweist. Bei dem Hohlprofil 2 kann es sich beispielsweise um ein unidirektional endlosfaserverstärktes Hohlprofil mit einer thermoplastischen bzw. thermoelastischen oder mit einer duroplastischen Polymermatrix handeln, welches mittels eines Pultrusionsverfahrens erzeugt worden ist. An dem endlosfaserverstärkten Hohlprofil 2 ist ein Funktionsbauteil 3 formschlüssig festgelegt, welches aus beliebigen Materialien gefertigt sein kann und einen in das in den 1 und 2 rechte Ende des Hohlprofils 2 eingeführten endständigen Befestigungsabschnitt 3a (vgl. die 2) aufweist, während es an seinem entgegengesetzten, in den 1 und 2 rechten Ende beispielsweise mit einem aus dem Hohlprofil 2 herausragenden Befestigungselement 3b versehen ist, wie im vorliegenden Fall in Form einer Öse. An seinem in das Hohlprofil 2 eingeführten Befestigungsabschnitt 3a besitzt das Funktionsbauteil 3 einen konkaven Umfangsabschnitt, welcher im Wesentlichen frei von scharfen Kanten und Vorsprüngen ist und im mathematischen Sinne eine stetig differenzierbaren Oberflächenform aufweist, wie z.B. etwa in Form eines einschaligen Hyperboloides.
Um den Befestigungsabschnitt 3a des Funktionsbauteils 3 formschlüssig an dem endlosfaserverstärkten Hohlprofil 2 festzulegen, ist letzteres an seinem den Befestigungsabschnitt 3a des Funktionsbauteils 3 umgebenden Axialabschnitt komplementär zu dessen konkavem Umfangsabschnitt lokal nach innen umgeformt. An dem dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes 3a des Funktionsbauteils 3 entgegengesetzten Außenumfangsabschnitt des endlosfaserverstärkten Hohlprofils 2 ist ferner ein Haltering 4 ausgebildet, welcher im vorliegenden Fall ebenfalls aus einem endlosfaserverstärkten Polymer gebildet ist, dessen Endlosfasern sich in Umfangsrichtung des Hohlprofils 2 erstrecken. Wie weiter oben im Einzelnen erläutert, kann der Haltering 4 dabei insbesondere stoffschlüssig mit dem Hohlprofil 2 verbunden sein, indem

- ein thermoplastisches oder thermoelastisches Imprägnierpolymer seiner Endlosfasern mit der thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermatrix des endlosfaserverstärkten Hohlprofils 2 verschmolzen ist, oder
- zu einem duroplastischen oder elastomeren Polymer aushärtbare Flüssigharze seiner Endlosfasern gemeinsam mit der duroplastischen oder elastischen Polymermatrix des endlosfaserverstärkten Hohlprofils 2 ausgehärtet worden und hiermit vernetzt sind.

In der 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 schematisch dargestellt, wobei funktionsgleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind und keiner nochmaligen Erörterung bedürfen. Das Funktionsbauteil 3 ist auf der in der 3 rechten Seite abgebrochen wiedergegeben und kann ein oder mehrere den 1 und 2 entsprechende oder andersartige Befestigungselemente 3b besitzen. Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von jener gemäß den 1 und 2 vornehmlich dadurch, dass der Haltering 4 in Form eines separaten mechanischen Klemmelementes, wie beispielsweise in Form einer Rohrschelle, eines Kabelbinders oder dergleichen, auf den Außenumfang des endlosfaserverstärkten Hohlprofils 2 aufgebracht ist, um eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung des Halterings 4 mit dem Hohlprofil 2 zu gewährleisten. Der Haltering 4 weist zu diesem Zweck bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen zu dem konkav umgeformten Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils 2 im Wesentlichen komplementären konvexen Querschnitt auf, um für eine möglichst gleichmäßige Flächenpressung unter Vermeidung einer Beschädigung der Endlosfasern des Hohlprofils 2 zu sorgen.
Wie aus der 4 hervorgeht, kann das Funktionsbauteil 3 auch mehrere endständige Befestigungsabschnitte 3a aufweisen, welche jeweils zumindest einen konkaven Umfangsabschnitt besitzen, um an einem jeweiligen Befestigungsabschnitt 3a des Funktionsbauteils 3 je ein endlosfaserverstärktes Hohlprofil 2 in der vorbeschriebenen Art formschlüssig festlegen zu können. Dabei können die endständigen Befestigungsabschnitte 3a des Funktionsbauteils 3 beispielsweise über ein Verbindungselement 3c in Form eines Flachprofils miteinander verbunden sein, so dass das Strukturbauteil 1 als Teil einer Rahmen- oder Tragstruktur zum Einsatz gelangen kann.
Wie in der 5 angedeutet, kann das Funktionsbauteil 3 stattdessen auch nur einen endständigen Befestigungsabschnitt 3a besitzen (vgl. in der 5 rechts), um es in der vorbeschriebenen Weise an dem in der 5 rechten Hohlprofil 2 aus einem endlosfaserverstärktem Polymermaterial festzulegen. An der in der 5 linken Seite ist das Verbindungselement 3c des Funktionsbauteils 3, welches im vorliegenden Fall durch Umformen eines etwa rohrförmigen Hohlprofils erhalten worden ist, zwischen einer Versteifungshülse 7, welche einen konkaven Umfangsabschnitt ähnlich jenem des (rechten) Befestigungsabschnittes 3a des Funktionsbauteils 3 aufweist, und dem in der 5 linken Hohlprofil 2 aus einem endlosfaserverstärkten Polymermaterial formschlüssig befestigt, indem der (linke) rohrförmige Endabschnitt des Funktionsbauteils 3 zwischen der Versteifungshülse 7 und dem (linken) Hohlprofil 2 aufgenommen ist (vgl. den ausgebrochen dargestellten rohrförmigen Endabschnitt des Funktionsbauteils in der 5 links). Am Außenumfang des (linken) Hohlprofils 2 ist dabei wiederum ein Haltering 4 entsprechend dem in der 5 rechten Haltering 4 ausgebildet.
Bei dem Strukturbauteil 1 gemäß der 6 sind z.B. vier endständige (in ein jeweiliges Hohlprofil 2 eingebrachte und somit nicht erkennbare) Befestigungsabschnitte eines Funktionsbauteils 3 an je einem endlosfaserverstärkten Hohlprofil 2 in der vorbeschriebenen Weise formschlüssig befestigt, wobei die endständigen Befestigungsabschnitte des Funktionsbauteils 3 z.B. wiederum über ein Verbindungselement 3c in Form von Flachprofilen miteinander verbunden, so dass das Strukturbauteil 1 gleichfalls als Teil einer Rahmen- oder Tragstruktur Verwendung finden kann. Das Funktionsbauteil 3 gemäß der 6 kann dabei beispielsweise auch aus zwei Strukturbauteilen 1, wie im vorliegenden Fall solchen entsprechend der 4 oder 5, gebildet sein, welche an ihrem zentralen Abschnitt in beliebiger Weise aneinander befestigt sind, wie z.B. mittels einer Hülse 8, welche durch Umwickeln der Flachprofile mit Endlosfasern, die mit einem Imprägnierpolymer oder mit zu einem Polymer aushärtbaren Harzen imprägniert worden sind, erzeugt worden ist.
Die 7 zeigt schließlich eine schematische Ansicht eines endlosfaserverstärkten Polymer-Formteils in Form eines Hohlprofils 2, in welches der endständige Befestigungsabschnitt 3a eines (auf der rechten Seite der 7 abgebrochen dargestellten) Funktionsbauteils 3 eingeführt worden ist, zur Veranschaulichung des lokalen Umformens gemäß Schritt (c) einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz von Umformwalzen 5a, 5b. Wie aus der 7 ersichtlich, können hierbei eine oder insbesondere mehrere, z.B. um den Außenumfang des mit dem Funktionsbauteil 3 versehenen endlosfaserverstärkten Hohlprofils 2 verteilt angeordnete, stationär gelagerte Umformwalzen 5a, 5b Verwendung finden, wobei das Hohlprofil 2 während des Umformens beispielsweise um seine Längsachse gedreht werden kann, oder die Anordnung aus den rotierenden Umformwalzen 5a, 5b wird um den Außenumfang des Hohlprofils 2 konzentrisch zu dessen Längsachse herum bewegt. Die Umformwalzen 5a, 5b weisen mit Vorteil einen konvexen Außenquerschnitt auf, dessen Krümmungsradius kleinergleich dem Krümmungsradius des konkaven Umfangsabschnittes des endständigen Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils beträgt, um für eine faserschonende Umformung des endlosfaserverstärkten Hohlprofils 2 gegen den konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes 3a des Funktionsbauteils 3 zu sorgen. Hierbei können einerseits die Drehachsen einiger Umformwalzen 5a im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Befestigungsabschnittes des Funktionsbauteils angeordnet werden (vgl. in der 7 unten), während andererseits die Drehachsen weiterer Umformwalzen 5b jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Flächennormalen des konkaven Umfangsabschnittes des Befestigungsabschnittes 3a des Funktionsbauteils 3, aber demgegenüber unter einem Winkel größer 0° angeordnet werden können (vgl. in der 7 oben), was zu einer Straffung der Endlosfasern des Hohlprofils 2 im Bereich seiner formschlüssigen Verbindung mit dem Funktionsbauteil 3 sowie der Vermeidung einer Bildung von Falten beizutragen vermag.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014019724 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum formschlüssigen Festlegen eines Funktionsbauteils (3) an einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils (2), umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen eines Funktionsbauteils (3) mit wenigstens einem endständigen Befestigungsabschnitt (3a), welcher wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt aufweist; (b) Einführen des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) in das Hohlprofil (2) ; (c) lokales Umformen des den endständigen Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) umgebenden Umfangsabschnittes des Hohlprofils (2) gegen den konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3); und (d) Ausbilden eines Halterings (4) an dem dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) entgegengesetzten Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils (2) .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlprofil (2) aus wenigstens einem endlosfaserverstärkten thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer-Formteil verwendet wird, welches anlässlich des Umformens gemäß Schritt (c) im Bereich seines den endständigen Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) umgebenden Umfangsabschnittes zumindest teilweise plastifiziert wird, wonach es wieder erstarrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlprofil (2) in Form eines Halbzeugs aus mit zu wenigstens einem duroplastischen oder elastomeren Polymer aushärtbaren Harzen imprägnierten Endlosfasern bereitgestellt wird, in welches der endständige Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) gemäß Schritt (c) eingeführt wird, wonach der den endständigen Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) umgebende Umfangsabschnitt des Hohlprofils (2) gegen den konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) gemäß Schritt (c) umgeformt wird und die Imprägnierharze des Halbzeugs vollständig zu dem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil ausgehärtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Schritt (a) ein Funktionsbauteil (3) mit wenigstens einem endständigen Befestigungsabschnitt (3a) bereitgestellt wird, dessen wenigstens ein konkaver Umfangsabschnitt eine stetig differenzierbare Oberflächenform aufweist, wobei der endständige Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) insbesondere wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt aufweist, welcher im Wesentlichen die Form eines Katenoides oder eines einschaligen Hyperboloides besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den endständigen Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) umgebende Umfangsabschnitt des Hohlprofils (2) gemäß Schritt (c) mittels wenigstens einer rotierenden Umformwalze (5a, 5b) gegen den wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umformwalze (5a, 5b) mit einem konvexen Außenquerschnitt verwendet wird, wobei der Krümmungsradius des konvexen Außenquerschnittes der Umformwalze (5a, 5b) insbesondere kleinergleich dem Krümmungsradius des konkaven Umfangsabschnittes des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Umformwalze (5a, 5b) - im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3), und/oder - im Wesentlichen senkrecht zur Flächennormalen des konkaven Umfangsabschnittes des Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (4) gemäß Schritt (d) dadurch ausgebildet wird, indem der dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) entgegengesetzte Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils (2) mit Endlosfasern umwickelt wird, welche - mit wenigstens einem plastifizierten thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer imprägniert sind, wonach das thermoplastische oder thermoelastische Polymer zu dem Haltering (4) erstarrt wird; oder - mit zu wenigstens einem duroplastischen oder elastomeren Polymer aushärtbaren Harzen imprägniert sind, wonach die Harze zu dem Haltering (4) ausgehärtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (4) gemäß Schritt (d) dadurch ausgebildet wird, indem auf den dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) entgegengesetzte Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils (2) wenigstens ein mechanisches Klemmelement aufgebracht wird, insbesondere in Form einer Rohrschelle, Kabelbinder oder dergleichen.
Strukturbauteil (1), umfassend wenigstens ein Funktionsbauteil (3), welches formschlüssig an wenigstens einem endlosfaserverstärkten Polymer-Formteil in Form eines Hohlprofils (2) festgelegt ist, insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil (3) wenigstens einen endständigen Befestigungsabschnitt (3a) mit wenigstens einem konkaven Umfangsabschnitt aufweist, welcher im Innern des hierzu komplementär lokal umgeformten Hohlprofils (2) formschlüssig festgelegt ist, wobei an dem dem konkaven Umfangsabschnitt des endständigen Befestigungsabschnittes (3a) des Funktionsbauteils (3) entgegengesetzten Außenumfangsabschnitt des Hohlprofils (2) ein Haltering (4) ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der endständige Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt mit einer stetig differenzierbaren Oberflächenform aufweist, wobei der endständige Befestigungsabschnitt (3a) des Funktionsbauteils (3) insbesondere wenigstens einen konkaven Umfangsabschnitt aufweist, welcher im Wesentlichen die Form eines Katenoides oder eines einschaligen Hyperboloides besitzt.
Strukturbauteil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (4) - aus wenigstens einem endlosfaserverstärkten Polymer gebildet ist, oder - wenigstens ein mechanisches Klemmelement umfasst, insbesondere in Form einer Rohrschelle, Kabelbinder oder dergleichen.