DE10253300A1

DE10253300A1 - Fiber reinforced composite material for highly loaded structural elements incorporates at least in certain sections a layer of carbon fibers running parallel to the load paths

Info

Publication number: DE10253300A1
Application number: DE10253300A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Boettcher; Andreas Hermann; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Ilzhöfer; Patrick Dr. Kim
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2004-06-03

Abstract

The fiber reinforced composite material for highly loaded structural elements (5), in particular, bodywork elements of vehicles and aircraft incorporates at least in certain sections a layer of carbon fibers which run parallel to the load paths depending on the element configuration (1). Independent claims are also included for (a) (a) a structural element consisting of a fiber reinforced plastic material (b) (b) a method for producing structural elements, in particular, highly loaded bodywork elements of a motor vehicle

Description

Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Verbundkunststoff zur Herstellung von hochbelastbaren Strukturbauteilen, insbesondere von Karosseriebauteilen im Fahrzeug- und Flugzeugbau, Strukturbauteile, die aus einem derartigen Verbundwerkstoff hergestellt sind sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to a fiber-reinforced composite plastic for the production of heavy duty structural components, in particular of car body components in vehicle and aircraft construction, structural components, which are made of such a composite material and a process for their preparation.

Die Herstellung von Strukturbauteilen, worunter insbesondere hochbelastbare Teile mit einer im Wesentlichen flächigen, jedoch zumindest bereichsweise strukturierten, das heißt dreidimensionalen Form zu verstehen sind, erfordert bisher das Verwenden von aufwändigen Herstellungstechniken und relativ teuren Materialien. So sind beispielsweise Leichtmetalle für die Herstellung von derartigen Bauteilen bekannt wie zum Beispiel Magnesium, die über Gießverfahren in die entsprechende Form gebracht werden.The production of structural components, including in particular heavy-duty parts with a substantially scale, However, at least partially structured, that is three-dimensional shape To understand, so far requires the use of complex manufacturing techniques and relatively expensive materials. For example, light metals for the Production of such components known as for example magnesium, the over casting process be brought into the appropriate form.

Es besteht bei solchen Bauteilen ein Zielkonflikt zwischen einem möglichst geringen Gewicht und einer möglichst hohen, mechanischen Steifigkeit und Festigkeit entsprechend den jeweiligen Belastungsanforderungen. Die hierfür üblicherweise verwendeten Leichtmetalle oder Leichtmetalllegierungen sind kostenintensiv nicht nur hinsichtlich der verwendeten Materialien, sondern auch aufgrund der Metall-Gusswerkzeuge. Es besteht daher ein erhebliches Bedürfnis, hochbelastbare Struk turbauteile bei geringeren Kosten als bisher herstellen zu können.It consists of such components a conflict of interests between the lowest possible weight and one preferably high, mechanical rigidity and strength according to the respective load requirements. The light metals commonly used for this purpose or light metal alloys are costly not only in terms of the materials used, but also because of the metal casting tools. There is therefore a considerable need for heavy duty structural components to produce at a lower cost than before.

Bemühungen in dieser Hinsicht haben dazu geführt, dass Faserverbundwerkstoffe zur Herstellung von Strukturbauteilen eingesetzt wurden. Faserverbundwerkstoffe, wie zum Beispiel thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe, die mit Glasfasergelegen verstärkt sind, werden seither verwendet, um belastungsoptimierte Bauteile bei einem relativ geringen Gewicht auf möglichst einfache Weise herzustellen. Beispielsweise Stoßfänger oder Ersatzradmulden von Kraftfahrzeugen werden so aus willkürlich orientierten oder gerichteten Endlosfasermatten und thermoplastischen Kunststoffen hergestellt. Die Ausrichtung bzw. Orientierung der Verstärkungsglasfasern im Endprodukt kann hier jedoch nur geringfügig kontrolliert werden, denn die Art und Weise der Bereitstellung von Glasfasern in Form von Glasfasergelegen oder Gewirken erschwert eine gerichtete bzw. spezifisch orientierte Einbringung der jeweiligen Verstärkungsfasern in den Kunststoff.Have efforts in this regard led to, that fiber composites for the production of structural components were used. Fiber composites, such as thermoplastic or thermosetting plastics reinforced with fiberglass have since been used to load-optimized components in a relatively low weight on possible easy way to make. For example, bumpers or Ersatzradmulden of Motor vehicles are thus made of arbitrarily oriented or directed Endlosfasermatten and thermoplastic materials produced. The orientation or orientation of the reinforcing glass fibers in the final product but can only slightly be controlled, because the way of providing Glass fibers in the form of Glasfasergelegen or knitted difficult a directed or specifically oriented introduction of the respective reinforcing fibers in the plastic.

Weiterhin hat sich bei diesen auch als GFK bezeichneten, glasfaserverstärkten Kunststoffen als nachteilig erwiesen, dass der maximalen Belastbarkeit von Strukturbauteilen aus derartigem Verbundkunststoff relativ enge Grenzen gesetzt sind.Furthermore, with these too as fiberglass designated, glass fiber reinforced plastics as disadvantageous proved that the maximum load capacity of structural components relatively narrow limits are set from such composite plastic.

Die Erfindung hat demgegenüber zur Aufgabe, einen Verbundkunststoff, ein Strukturbauteil aus einem derartigen faserverstärkten Kunststoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, welche das Realisieren von hinsichtlich ihrer Belastbarkeit optimierten kunststoffbasierten, faserverstärkten Bauteilen ermöglichen, bei gleichzeitiger Reduzierung der Herstellungskosten.The invention has in contrast to Task, a composite plastic, a structural component of a such fiber reinforced To provide plastic and a method for its production, which the realization of optimized in terms of their resilience plastic-based, fiber-reinforced Allow components, while reducing the manufacturing cost.

Diese Aufgabe wird durch einen faserverstärkten Verbundwerkstoff mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, ein Strukturbauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.This task is accomplished by a fiber reinforced composite material with the features according to claim 1, a structural component with the features according to claim 7 and by a Method with the steps according to claim 8 solved. Advantageous embodiments and developments are the subject the respective subclaims.

Gemäß der Erfindung ist der faserverstärkte Verbundkunststoff zur Herstellung von Strukturbauteilen mit einer gegebenen Bauteilstruktur mit einem Matrixmaterial auf Kunststoffbasis versehen, welches mit anorganischen Fasern, insbesondere Glasfasern oder Kohlefasern verstärkt ist und mindestens bereichsweise eine Schicht von Kohlenstofffasern aufweist, wobei die Kohlenstofffasern parallel zu den Lastpfaden des Bauteils entsprechend der jeweiligen Bauteilstruktur ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird eine kombinierte Faserverstärkung mit Glasfasern unter spezifischer Einbringung von Kohlenstofffasern bereitgestellt: Die anorganischen Fasern, welche willkürlich orientiert sein können oder nicht, werden gezielt mit den kostenintensiven Kohlenstofffasern in mehreren Verstärkungsschichten derart kombiniert, dass die Kohlenstofffasern zum einen ausgerichtet sind entlang bzw. parallel zu den Hauptbelastungspfaden oder Lastpfaden eines Bauteils, das heißt den Hauptbelastungsrichtungen einer mechanischen Belastung. Andererseits werden sie so lediglich bereichsweise im erforderlichen Ausmaß eingebracht.According to the invention, the fiber-reinforced composite plastic for the production of structural components with a given component structure provided with a matrix material based on plastic, which with inorganic fibers, in particular glass fibers or carbon fibers is reinforced and at least partially has a layer of carbon fibers, wherein the carbon fibers are parallel to the load paths of the component are aligned according to the respective component structure. On this way, a combined fiber reinforcement with glass fibers under specific contribution of carbon fibers provided: The inorganic fibers which may be randomly oriented or not, be targeted with the costly carbon fibers in several reinforcement layers combined so that the carbon fibers aligned to one are along or parallel to the main load paths or load paths a component, that is the main load directions of a mechanical load. on the other hand they are thus introduced only partially in the required extent.

In der Regel werden die anorganischen Fasern aus Kostengründen in Form von Glasfasern eingesetzt werden, weshalb im Folgenden in diesem Zusammenhang vereinfachend von Glasfasern gesprochen wird.In general, the inorganic ones Fibers for cost reasons be used in the form of glass fibers, which is why in the following in In this context is spoken simplistic of glass fibers.

Hierdurch können die Kohlenstofffasern entsprechend einer spezifischen Aufgabe, nämlich der lokalen Verstärkung lediglich an den erforderlichen Stellen, verwendet werden. Die relativ kostenintensiven Kohlenstofffasern werden so optimal eingesetzt. Die Glasfasern, welche gleichermaßen als Verstärkungsmaterial in dem Verbundkunststoff eingebracht sind, sind ebenfalls zur Verstärkung des Bauteils vorgesehen, jedoch in einem geringeren Ausmaß als die Kohlenstofffasern. Die Glasfasern haben des Weiteren die Aufgabe, die Kohlenstofffasern. an ihrem vorbestimmten Ort innerhalb der Struktur zu halten. Des Weiteren dienen sie einer letztendlichen Formgebung des Verbundkunststoffes zur Herstellung der Bauteile. Gegenüber vorbekannten derartigen Strukturbauteilen aus gegossenem Leichtmetall, wie zum Beispiel Aluminium, Magnesium oder Magnesiumlegierungen, ist ein derartiger faserverstärkter Verbundkunststoff weniger kostenintensiv. Dennoch können hohe Belastungen, wie sie beispielsweise bei Karosseriebauteilen im Kraftfahrzeugbau, wie Seitenaufprallschutzstreben oder dergleichen, erforderlich sind, realisiert werden. Die kombinierte Verwendung von im Wesentlichen willkürlich orientierten Glasfasern und gezielt ausgerichteten bzw. orientierten Kohlenstofffasern in ein und demselben Kunststoffmaterial bzw. Matrixmaterial ermöglicht eine Optimierung hinsichtlich der Belastungsgrenzen von Bauteilen.As a result, the carbon fibers can be used according to a specific task, namely, local reinforcement only in the required places. The relatively expensive carbon fibers are optimally used. The glass fibers, which are equally incorporated as reinforcing material in the composite plastic, are also provided to reinforce the component, but to a lesser extent than the carbon fibers. The glass fibers also have the task of carbon fibers. to hold at their predetermined location within the structure. Furthermore, they serve a final shaping of the composite plastic for the production of components. Compared to previously known such Struk cast aluminum, magnesium or magnesium alloy turbine components, such fiber reinforced composite plastic is less expensive. Nevertheless, high loads, such as those required for example in the case of body components in motor vehicle construction, such as side impact protection struts or the like, can be realized. The combined use of substantially randomly oriented glass fibers and selectively oriented or oriented carbon fibers in one and the same plastic material or matrix material enables optimization with regard to the load limits of components.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Glasfasern im Wesentlichen als willkürlich orientierte, mattenartige Struktur vorgesehen und die Kohlenstofffasern in Form von gezielt orientierten Streifen von Kohlenstofffasern zur Verstärkung der mechanischen Belastbarkeit. Faserstrukturen aus Glasfasern, die im Wesentlichen willkürlich orientiert sind, können in sogenannten Matten oder Pressmassen als mit Harz imprägnierte Halbzeuge bereitgestellt werden, die aufgrund ihrer vielfältigen Verwendung in der Kunststofftechnologie kostengünstig sind. Derartige Glasfaserstrukturen werden daher im Folgenden vereinfachend Glasfaser genannt.According to an advantageous embodiment invention, the glass fibers are essentially randomly oriented, mat-like structure provided and the carbon fibers in shape of deliberately oriented strips of carbon fibers to reinforce the mechanical load capacity. Fiber structures made of glass fibers, the essentially arbitrarily oriented are, can in so-called mats or molding compounds impregnated with resin Semi-finished products are made available due to their varied use are inexpensive in plastics technology. Such fiberglass structures are therefore referred to in the following simplifying glass fiber.

Die im Verhältnis dazu recht kostenintensiven Kohlenstofffasern werden vorzugsweise in Form von gezielt orientierten Streifen bereitgestellt, wodurch möglichst wenig Kohlenstofffasern für eine maximale Verstärkungswirkung verwendet werden. Auch sie können als gegebenenfalls mit Harz imprägnierte Halbzeuge in einer bestimmten Einheitsform bereitgestellt werden. Die zur Imprägnierung verwendeten, mit Füllern und Zusatzstoffen versehenen Harze können so formuliert sein, dass sie miteinander kompatibel sind, d. h. insbesondere sich.. miteinander verbinden. Die kostenmäßige und gewichtsbezogene Optimierung von Strukturbauteilen ist somit verbessert.The relatively expensive in relation to this Carbon fibers are preferably oriented in the form of targeted Provided strips, reducing as little carbon fibers for one maximum amplification effect be used. They too can as optionally impregnated with resin Semi-finished products are provided in a specific unit form. The impregnation used, with fillers and additives provided resins may be formulated such that they are compatible with each other, d. H. especially .. with each other connect. The cost and weight-related optimization of structural components is thus improved.

Die Glasfasern und die Kohlenstofffaserstreifen können beide mit Harz (gegebenenfalls zusätzlich mit Füllstoff und Zusatzstoffen) imprägniert sein. Als Glasfasermaterial kann ein SMC-Material (sheet molding compount) oder GMT-Material (Glas material reinforced thermoplastic) herangezogen werden.The glass fibers and the carbon fiber strips can both with resin (optionally with additional filler and additives) his. As fiberglass material, an SMC material (sheet molding compount) or GMT material (glass material reinforced thermoplastic) be used.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kohlenstofffasern in dem Verbundkunststoff bereichsweise und gezielt entsprechend den späteren Belastungen des Bauteils eingebettet. Ähnlich zu gerippeartigen Bauweisen, wie sie in der Natur und insbesondere in der Botanik bekannt sind, kann so über streifenweise Kohlenstofffaserverstärkungen ein Strukturbauteil gezielt entsprechend den jeweiligen Belastungsanforderungen verstärkt werden. Die Verwendung des relativ teuren Kohlenstoffmaterials ist auf ein Minimum reduziert.After a further advantageous Embodiment of the invention are the carbon fibers in the composite plastic partially embedded and targeted according to the later loads of the component. Similar to ribbed constructions, as they are in nature and in particular in botany, so can over strip-wise carbon fiber reinforcements a structural component targeted according to the respective load requirements reinforced become. The use of the relatively expensive carbon material is reduced to a minimum.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Schichten von Glasfasern vorgesehen, welche die Kohlenstofffasern zwischen sich einschließen. Dieser sandwichartige Aufbau des Verbundkunststoffwerkstoffes ermöglicht eine sichere Fixierung der gezielt ausgerichteten Kohlenstofffasern, da die beidseitig sie einschließenden Glasfaserschichten schon einen gewissen Halt bieten. Die beidseitige Umschließung der ausgerichteten Kohlenstofffasern mit Glasfasern weist auch Vorteile hinsichtlich der Formstabilität der Strukturbauteile auf. Die Glasfasern haben nämlich die Eigenschaft, eine gewisse Formstabilität nach Warmpress-Formgebungsverfahren beizubehalten. Hierdurch wird die Beibehaltung der äußeren Form des Strukturbauteils sicher gewährleistet.After a further advantageous Embodiment of the invention, two layers of glass fibers are provided which sandwich the carbon fibers between them. This Sandwich-like construction of the composite plastic material allows a secure fixation of the targeted carbon fibers, because the two-sided enclosing them Fiberglass layers already provide a certain grip. The two-sided enclosure The oriented carbon fibers with glass fibers also has advantages in terms of dimensional stability of the structural components. The glass fibers have namely the property, a certain dimensional stability after hot-press molding process maintain. This will maintain the outer shape safely ensured the structural component.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausrichtung und die Anordnung der Kohlenstofffasernentsprechend von biologischen Wachstumsprinzipien zur Verstärkung der Strukturbauteile mit minimalem Einsatz von Kohlenstofffasern realisiert. Unter biologischen Wachstumsprinzipien ist die spannungsoptimierte Formgebung von Strukturen, wie zum Beispiel Verästelungen von Versteifungen in Blättern oder bei Gerippen von Lebewesen, zu verstehen. Die Kohlenstofffasern sind demnach entsprechend von spezifischen Belastungssituationen oder -pfaden angeordnet und in ihrem Verlauf ausgerichtet. Die Verwendung von Kohlenstofffasern ist auf ein Minimum reduziert.After a further advantageous Embodiment of the invention are the orientation and the arrangement carbon fibers according to biological growth principles for reinforcement the structural components with minimal use of carbon fibers realized. Among biological growth principles is the stress-optimized Shaping structures, such as stiffening stiffeners in leaves or skeletons of living things. The carbon fibers are therefore corresponding to specific stress situations or paths arranged and aligned in their course. The usage of carbon fibers is reduced to a minimum.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Matrixmaterial ein duroplastischer Kunststoff, ein Harz, wie zum Beispiel ein Polyester- oder Epoxydharz, oder ein thermoplastischer Kunststoff. Die Verwendung von auf kontrollierte Weise fließfähigen Kunststoffmaterialien weist Vorteile hinsichtlich ihrer Verbindung bzw. Einbettung der Verstärkungsschichten aus Glasfasern und Kohlenstofffasern auf.According to another embodiment invention, the matrix material is a thermosetting plastic, a resin, such as a polyester or epoxy resin, or a thermoplastic material. The use of on controlled Way flowable plastic materials has advantages in terms of their connection or embedding the reinforcing layers made of glass fibers and carbon fibers.

Strukturbauteile mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 haben den Vorteil, dass sie gegenüber den bisher bekannten Bauteilen aus Leichtmetall erhebliche Kosteneinsparungspotentiale bereitstellen. Nicht nur die Einsparung bei der Herstellung für derartige Bauteile ist aufgrund der niedrigeren Werkzeugkosten erheblich, sondern auch die gezielte Optimierung von belastungsbezogenen Eigenschaften dieser Bauteile ermöglicht vollständig neue Konzepte in der Realisierung von belastungskritischen Teilen, beispielsweise im Fahrzeugbau bei einem Seitenaufprallschutz innerhalb der Fahrzeugtür. Weitere Anwendungen sind beispielsweise versteifenden Bauteile wie Kofferraummulden oder Kofferraum- bzw. Tanktrennwände. Die Bauweise aus Verbundwerkstoffen auf der Basis von kohlenfaser- und glasfaserverstärkten Kunststoffen bietet hier erhebliche Vorteile auch hinsichtlich der Formgebung und der Wiederverwertbarkeit der Materialien.Structural components with the features according to claim 7 have the advantage that they compared to the previously known components from light metal provide significant cost saving potential. Not only the savings in the production of such components is due the lower tooling costs significantly, but also the targeted Optimization of load-related properties of these components allows Completed new concepts in the realization of stress-critical parts, for example in vehicle construction with side impact protection inside the vehicle door. Further Applications are, for example, stiffening components such as trunk wells or trunk or tank partitions. The construction method of composite materials based on carbon fiber and glass fiber reinforced plastics offers here considerable advantages also in terms of shaping and the recyclability of the materials.

Das Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Strukturbauteilen aus einem Kunststoffverbundwerkstoff gemäß den Schritten des Anspruchs 8 sieht das Verwenden eines Kunststoff-Matrixmaterials vor, welches durch Glasfasern verstärkt ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bereichsweise gezielt ausgerichtete Kohlenstofffasern verwendet werden, die entsprechend von Lastpfaden des Bauteils im belasteten Zustand ausgerichtet sind. Hierdurch können die Glasfasern eine generelle Versteifung des Bauteils bewirken, wohingegen die spezifische Belastungserhöhung, das heißt die mechanische Widerstandsfähigkeit gegen ein Verformen, spezifisch an den entsprechenden Bauteilbereichen durch die Kohlenstofffaserverstärkung, die mittels ausgerichteter Kohlenstofffasern verwirklicht ist, realisiert werden.The process for the production of heavy duty structural components from a Kunststoffver Cement material according to the steps of claim 8 provides for the use of a plastic matrix material which is reinforced by glass fibers. The method is characterized in that at least partially targeted aligned carbon fibers are used, which are aligned according to load paths of the component in the loaded state. As a result, the glass fibers can cause a general stiffening of the component, whereas the specific load increase, that is, the mechanical resistance to deformation, specifically on the respective component areas by the carbon fiber reinforcement, which is realized by aligned carbon fibers realized.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die ausgerichteten Kohlenstofffasern zwischen zwei Schichten von im Wesentlichen willkürlich ausgerichteten Glasfaserschichten eingebettet. Die Ausrichtung, Anordnung und der Halt der Kohlenstofffasern werden hierdurch auch im Verlaufe des Formgebungsprozesses gewährleistet, indem die Kohlenstofffasern durch ein kontrolliertes Fließen im Wesentlichen parallel zu den C-Fasern der willkürlich ausgerichteten Glasfaserschicht in der gewollten Position gehalten werden. Die Bauteilformgebung unter Verwendung eines kunststoffbasierten Matrixmaterials ist optimiert, da das fließfähige glasfaserverstärkte Material den Formgebungsprozess, z. B. zur Bildung von Rippen oder anderen geometrischen Merkmalen beidseitig der Kohlenstoffverstärkungsstrebe begünstigen.According to an advantageous embodiment of inventive method are the aligned carbon fibers between two layers of essentially arbitrary embedded fiberglass layers embedded. The alignment, Arrangement and the hold of the carbon fibers are thereby also ensured in the course of the shaping process by the carbon fibers through a controlled flow essentially parallel to the C-fibers of the randomly oriented Glass fiber layer are held in the desired position. The Component molding using a plastic-based matrix material is optimized because the flowable glass fiber reinforced material the shaping process, z. B. to form ribs or other geometric features on both sides of the carbon reinforcement strut favor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden streifenförmige Kohlenstofffasern parallel zu den Hauptbelastungspfaden des jeweiligen Bauteils bzw. der jeweiligen Bauteilstruktur eingelegt. Die Verwendung von streifenförmigen Kohlenstofffasern, welche entlang der Längsrichtung der Streifen ausgerichtete Kohlenstofffasern aufweisen, ermöglicht es, die Kosten der Herstellung zu reduzieren. Die Streifen können in Form von mit Matrixmaterialimprägnierten Halbzeugen vorab hergestellt werden und müssen lediglich auf eine entsprechende Länge geschnitten und in die jeweilige Form eines Formpresswerkzeuges eingelegt werden.According to an advantageous embodiment of the inventive method become strip-shaped Carbon fibers parallel to the main load paths of each Component or the respective component structure inserted. The usage of stripe Carbon fibers having carbon fibers aligned along the longitudinal direction of the strips, allows it to reduce the cost of manufacturing. The stripes can be in Form of matrix material impregnated semi-finished products be prepared in advance and only need to an appropriate length cut and in the particular shape of a compression molding tool be inserted.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Glasfasern und die Kohlenstofffasern durch Formpressen umformt. Nach dem Einlegen der jeweiligen Verstärkungsfaserstrukturen kann so durch einen einzigen Herstellungsschritt das Strukturbauteil in seiner Form und mit optimierter mechanischer Verstärkung hergestellt werden. Das Fließverhalten des Glasfasermaterials (beispielsweise SMC) kann das Ausformen komplexer Geometrien, beispielsweise Rippen begünstigen.After a further advantageous Embodiment of the invention, the glass fibers and the carbon fibers formed by compression molding. After inserting the respective reinforcing fiber structures Thus, by a single manufacturing step, the structural component manufactured in its shape and with optimized mechanical reinforcement become. The flow behavior fiberglass material (eg, SMC) can be used to shape complex geometries, favor ribs, for example.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Glasfasermaterial zugeschnitten im Wesentlichen entsprechend der Bauteilform, das heißt dem Bauteilumfang, anschließend werden streifenförmige, ausgerichtete Kohlenstofffasern entlang dem Hauptbelastungspfad des herzustellenden Bauteils eingelegt, anschließend wird eine zweite Schicht von Glasfasern mit der Zuschnittsform des herzustellenden Bauteils eingelegt, die gesamte sandwichartige Faserverstärkungsstruktur (Preform, umfassend Glasfasermaterial und Kohlenstoffstreifen) wird in der Form zusammengepresst (Formpressen).According to a further advantageous Embodiment of the invention, the glass fiber material is cut essentially according to the component shape, that is to say the component circumference, subsequently become strip, aligned carbon fibers along the main load path of the component to be produced, then a second layer of glass fibers with the blank shape of the component to be produced loaded, the entire sandwich-type fiber reinforcement structure (preform, comprising Fiberglass material and carbon strip) is compressed in the mold (Molding).

Auf diese Weise kann eine beliebige Bauteilgeometrie mit optimierten Faserverstärkungen hergestellt werden. Die derart hergestellten Bauteile weisen relativ hohe Belastungsgrenzen auf, ähnlich zu denjenigen, welche durch umständliche und kostenintensive Metallgießverfahren mit Leichtmetallen bzw. Leichtmetalllegierungen bisher hergestellt werden.This way can be any Component geometry can be produced with optimized fiber reinforcements. The components produced in this way have relatively high load limits on, similar to those who through complicated and costly metal casting processes produced with light metals or light metal alloys so far become.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.Further advantages and features of Invention can be found in the following description, in which the invention with reference to the illustrated in the accompanying drawings embodiment described in more detail and explained is.

In den 1 bis 3 sind die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung vereinfacht dargestellt.In the 1 to 3 the steps of an embodiment of a manufacturing method according to the invention are shown simplified.

In einem ersten Schritt wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Zuschnitt aus Glasfasern 3 im Wesentlichen entsprechend der späteren Bauteilgeometrie 1 des herzustellenden Strukturbauteils 5 bereitgestellt. Die letztendliche Bauteilstruktur 1 ist in 1 mit gestrichelten Linien dargestellt, und die Glasfasern 3 sind in Form eines Zuschnittes vorgesehen, der etwas kleiner in den Außenabmessungen ist als das letztendlich herzustellende Bauteil 1.In a first step, according to the present invention, a blank of glass fibers 3 substantially corresponding to the later component geometry 1 of the structural component to be produced 5 provided. The final component structure 1 is in 1 shown with dashed lines, and the glass fibers 3 are provided in the form of a blank which is slightly smaller in outer dimensions than the final component to be produced 1 ,

Anschließend werden, wie es in 2 dargestellt ist, Verstärkungsstreifen aus Kohlenstofffasern 4 eingelegt, die bereichsweise entsprechend den jeweiligen Belastungen des herzustellenden Strukturbauteils 5 vorgesehen werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Streifen von ausgerichteten, das heißt gezielt orientierten Kohlenstofffasern 4 in einer Längsrichtung vorgesehen, die durch einen im Wesentlichen rechtwinklig dazu angeordneten dritten Streifen von Verstärkungs-Kohlenstofffasern 4 kreuzförmig überlagert werden. Die Hauptbelastungspfade dieses Strukturbauteils 4 sind demnach entlang der beiden Längsstreifen von Kohlenstofffasern 4 und in geringerem Ausmaße im rechten Winkel dazu entlang dem quer verlaufenden Streifen von Kohlenstofffasern 4. Während die Glasfasern 3 beispielsweise in Form eines Geleges mit im Wesentlichen willkürlich orientierten Glasfasern (beispielsweise ein SMC-Material) bereitgestellt werden, sind die Streifen von Kohlenstofffasern 4 mit Fasern versehen, welche im Wesentlichen parallel zueinander, das heißt gezielt ausgerichtet, orientiert sind. Die Glasfaserstruktur, welche in Form eines Geleges, eines Gewirkes oder einfach in einer mattenförmigen Endlosware bereitgestellt werden kann, dient der generellen Verstärkung des Strukturbauteils 5 und einer Einbindung bzw. Lagefixierung der streifenförmigen Kohlenstofffasern 4.Then, as it is in 2 is shown, reinforcing strips of carbon fibers 4 inserted in areas according to the respective loads of the structural component to be produced 5 be provided. In the illustrated embodiment, two strips of oriented, that is targeted oriented carbon fibers 4 provided in a longitudinal direction through a substantially perpendicular thereto arranged third strip of reinforcing carbon fibers 4 be superimposed cross-shaped. The main load paths of this structural component 4 are therefore along the two longitudinal strips of carbon fibers 4 and to a lesser extent at right angles thereto along the transverse strip of carbon fibers 4 , While the glass fibers 3 for example, in the form of a sheet of substantially randomly oriented glass fibers (eg, an SMC material), are the strips of carbon fibers 4 provided with fibers which are substantially parallel to each other, that is targeted aligned, oriented. The fiberglass structure, which in the form of a Geleges, egg nes knitted fabric or simply can be provided in a mat-shaped endless goods, serves the general reinforcement of the structural component 5 and an integration or position fixation of the strip-shaped carbon fibers 4 ,

Des Weiteren dienen die Glasfasern bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu, eine letztendliche Formgebung und Formstabilität dem Strukturbauteil 5 zu bieten. Anschließend zu dem in 2 dargestellten Zustand wird eine entsprechend der 1 zugeschnittene zweite Glasfasermatte 3 auf die eingelegten Streifen von Kohlenstofffasern 4 aufgelegt. Dies ergibt eine sandwichartige Verstärkungsstruktur, die beispielsweise in einer – in der Figur nicht dargestellten – Pressform bereitgestellt wird. Die letztendliche Formgebung des Strukturbauteils erfolgt vorzugsweise durch Zusammenpressen von zwei Formhälften, zwischen welchen der so gebildete Verbundwerkstoff gepresst wird. Es ergibt sich ein Strukturbauteil, wie es in 3 schematisch in einer Draufsicht dargestellt ist. Die Hauptbelastungspfade bzw. -richtungen des beispielhaft in den Figuren dargestellten Strukturbauteils 5 sind in 3 mittels der Pfeile eingezeichnet. Die streifenförmigen Kohlenstofffasern sind entsprechend diesen Hauptbelastungspfaden des Bauteils 5 angeordnet. Selbstverständlich können die Kohlenstofffasern auch in Form von flächigen Verstärkungsbereichen oder über eine gesamte Längsausdehnung eines jeweiligen Strukturbauteils auf einem Seitenbereich vorgesehen sein. Das in 3 dargestellte Strukturbauteil 5 ist in Form einer sandwichartigen Verstärkungsstruktur aus einer Schicht Glasfasern 3, drei jeweiligen Streifen von Kohlenstofffasern 4 und einer darüber wiederum aufgelegten Schicht von Glasfasern 3 bereitgestellt, die beispielsweise durch einen duromeren oder thermoplastischen Kunststoff 2 vorimprägniert oder umgossen werden. Die gesamte derart geformte Verbundstruktur wird in einem entsprechenden Formwerkzeug beispielsweise unter Formpressen in die gewünschte Bauteilstruktur 1 gebracht und nach einem Aushärten der Kunsstoffmatrix herausgenommen.Furthermore, in the method according to the invention, the glass fibers serve for a final shaping and dimensional stability of the structural component 5 to offer. Subsequently to the in 2 shown state is a corresponding to the 1 tailored second fiberglass mat 3 on the inserted strips of carbon fibers 4 launched. This results in a sandwich-type reinforcing structure which is provided, for example, in a compression mold (not shown in the figure). The final shaping of the structural component is preferably carried out by compressing two mold halves, between which the composite material thus formed is pressed. It results in a structural component, as in 3 is shown schematically in a plan view. The main load paths or directions of the structural component exemplified in the figures 5 are in 3 drawn by the arrows. The strip-shaped carbon fibers are corresponding to these main load paths of the component 5 arranged. Of course, the carbon fibers may also be provided in the form of areal reinforcement areas or over an entire longitudinal extent of a respective structural component on a side area. This in 3 illustrated structural component 5 is in the form of a sandwich-type reinforcing structure of one layer of glass fibers 3 , three respective strips of carbon fibers 4 and an overlying layer of glass fibers 3 provided, for example, by a duromer or thermoplastic 2 pre-impregnated or poured over. The entire composite structure thus formed is in a corresponding mold, for example under compression molding in the desired component structure 1 brought and taken out after curing of Kunsstoffmatrix.

Selbstverständlich können auch mehrere Schichten von Kohlenstofffasern 4, die entsprechend Belastungs- oder Beanspruchungsrichtungen ausgerichtet sind, sowie mehrere Schichten von Glasfasern oder lediglich eine einzige Schicht von Glasfasern vorgesehen sein.Of course, you can also use several layers of carbon fibers 4 , which are aligned according to load or stress directions, and be provided as multiple layers of glass fibers or only a single layer of glass fibers.

Grundsätzlich ist es auch möglich Glasfasern und Kohlefasern (im Wesentlichen frei von Harz und Füllstoffen) entsprechend der 1 bis 3 in einem Formgebungswerkzeug anzuordnen und anschließend bei geschlossenem Werkzeug mit Harz zu imprägnieren. Dies geschieht analog dem an sich bekannten RTM-Verfahren (resin-transfer-molding)Basically, it is also possible glass fibers and carbon fibers (essentially free of resin and fillers) according to the 1 to 3 to arrange in a forming tool and then impregnated with resin when the tool is closed. This is done analogously to the known RTM process (resin transfer molding)

Alle in der vorhergehenden Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Erfindungsmerkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger technischer Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the previous description and the following claims illustrated inventive features can both individually and in arbitrary technical combination essential to the invention his.

Claims

Fiber-reinforced composite plastic for the production of heavy-duty structural components ( 5 ), in particular of body components in vehicle and aircraft construction, of a given component structure ( 1 ) with a matrix material ( 2 ) based on plastic, which with inorganic fibers, in particular glass fibers or carbon fibers ( 3 ) is reinforced. characterized in that at least partially a layer of carbon fibers ( 4 ) and that the carbon fibers ( 4 ) parallel to load paths of the component corresponding to the respective component structure ( 1 ) are aligned.

Composite plastic according to claim 1, characterized in that the glass fibers ( 3 ) are provided as a substantially randomly oriented, mat-like structure and that the carbon fibers ( 4 ) are provided in the form of targeted aligned strips of carbon fibers to enhance the mechanical strength.

Composite plastic according to claim 1 or 2, characterized in that the carbon fibers ( 4 ) in certain areas in the plastic ( 2 ) are embedded according to the later loads of the component ( 5 ).

Composite plastic according to one of the preceding claims, characterized in that at least two layers of glass fibers ( 3 ) are provided, which the carbon fibers ( 4 ) between them.

Composite plastic according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement and orientation of the carbon fibers ( 4 ) according to biological growth principles for reinforcement of the component ( 5 ) with minimal use of carbon fibers ( 4 ) are realized.

Composite plastic according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix material ( 2 ) is a thermosetting plastic, a resin or a thermoplastic material.

Structural component made of fiber-reinforced plastic, characterized by a composite plastic according to one of claims 1 to 6th

Process for the production of structural components ( 5 ), in particular of heavy-duty body components of a motor vehicle, with a plastic matrix material ( 2 ), which by glass fibers ( 3 ), characterized by the provision, at least in regions, of specifically oriented carbon fibers ( 4 ) according to load paths of the component ( 5 ) in the loaded condition.

Method according to claim 8, characterized by embedding the oriented carbon fibers ( 4 ) between two layers of substantially randomly oriented glass fiber structures ( 3 ).

Method according to claim 8 or 9, characterized that the glass fiber structures in the form of SMC materials or GMT materials designed are.

Method according to one of claims 8 to 10, characterized by inserting strip-shaped carbon fibers ( 4 ) parallel to the main stress paths of the respective component ( 5 ).

Method according to one of claims 8 to 11, characterized by forming the glass fibers ( 3 ) and the carbon fibers ( 4 ) by compression molding.

Method according to one of claims 8 to 12, characterized by cutting the glass fiber structure ( 3 ), substantially according to the component shape of the structural component to be produced ( 5 ); Application of strip-shaped, purpose-oriented carbon fibers ( 4 ) on or between at least one glass fiber structure to a sandwich-like preform, inserting the preform into a mold; Pressing the preform for component molding.