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Position fQX 6 Autokarosserieteil aus chemiefaserverstärktem Kunststoff
Gegenstand der Erfindung ist ein Karosserieteil, vorzugsweise ein KotflUgel,eines
Kraftfahrzeuges, das aus Kunststoff besteht, der mit Chemiefasern, insbesondere
Synthesefasern, verstärkt ist.
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Bisher werden bekanntlich praktisch alle Karosserieteile,die im Fahrzeugbau
verwendet werden, aus Metallblech hergestelLt. lediglich die Karosserieteile, die
eine Sicht möglich maschen sollen, werden aus anderen Werkstoffen, wie zum Beispiel
Glas oder Plexiglas, her gestellt. Den Karasserieteilen aus Blech haftet jedoch
der Nachteil an, daß sie, da sie sehr häufig der Witterung ausgesetzt sind, relativ
schnell korrodieren. Man begegnet dieser Korrosion, $indem man diese Teile insbesondere
an der Außenseite lackiert. Diese Lack schicht schützt natUrlioh nur solange sie
unverletzt ist. Außerdem unterliegt sie selbst einer gewissen Korrosion, so daß
sie hin und wieder erneuert werden muß, was mit einem gewissen Aufwand verbunden
ist. Ein wesentlioh sohwerwiegender Nachteil der Bleohkarosserie besteht darin,
daß sie nur ein geringes Arbeitsaufnahmevermdgen be sitzt und sich sehr leicht bleibend
verformt. Dies bedeutet, daß im Zelle eines Unfalles, wenn zum Beispiel das Fahrzeug
gegen eine Wand, einen Baum oder ein anderes Fahrzsug prallt, die Karosserieteile
in dem Innenraum des Fahrzeuges aufgrund ihres geringen Wider standes gegen Verformung
gedrückt werden und auf diese Weise den Wagenführer und die im Wageninneren befindlichen
Insassen gefährden0 Außerdem spielt auoh das Gewicht der Karosserie eine entscheidende
Rolle. Besonders bei Nutzfahrzugen,die eine größere Nutzlast trans portieren Scllen,
ist daß Eigengewicht des Famrzeuges ein wichtiger Faktor. Vor allem bei Lastkraftwagen
mit einer Tragfähigkeit von 10 bis 20 Tonnen ist es besonders vorteilhaft, zu Gunsten
der zu tragenden Last das Eigengewioht des Lastfahrzeuges so niedrig wie möglich
zu halten, um auf diese Weise die Motorleistung vorzugsweise
fUr
den Transport der Last auszunutzen.
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Man hat verschiedentlich versucht die Blechkarosserieteile duroh solche
aus Kunststoffen zu ersetzen. Die meisten derzeitigen Kunst stoffe sind Jedoch den
Anforderungen, die Im Karosseriebau gestellt werden, nicht gewachsen, so daß sie
in diesem Sektor noch keine technische Bedeutung erlangen konnten. Lediglich glasfaserverstärkte
Kunststoffe eignen sich mit einigen Einschränkungen für diesen Ein Satz. Sie haben
daher auch in einem sehr beschränkten Naße Eingang in diesen Einsatzbereich gefunden,
Glasfaserverstärkte Kunststof£e verhalten sich im Bezug auf ihre Arbeitsaufnahme
günstiger als Metallbleche, da sie eine höhere Arbeitsaufnahme besitzen als Metall
bleeh. Sie stellen daher eine gewisse Verbesserung im Vergleich zum Ueblichen Metallbleoh
dar. Ihr Nachteil besteht Jedoch darin, daß sie beim Zerbrechen in unangenehmer
Weise zersplittern und dabei scharfe und fUr die menschliche Haut gefährliche Kanten
bilden, die im Falle eines Unfalles zu erheblichen Verletzungen fUhren können.
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Es bestand daher die Notwendigkeit, ein Karosserieteil zu entwickeln
das diese beschriebenen Nachteile nicht besitzt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß die Karosserieteile aus Metall blech. oder glasfaserverstärktem
Kunststoff durch Karosserieteile aus chemiefaserverstärktem Kunststoff ersetzt werden.
Hierbei erden unter Chemiefasern alle Faserarten verstanden, die auf synthetischem
Wege gewonnen werden einschließlich der Regeneratzellulose. Wegen ihres geringen
Feuchtigkeitsaufnahmevermögens sind Jedoch besonders Synthesefasern auf Polyester-
und Polyamidbasis als Verstärkungsma terial für den Kunststoff geeignet. Von den
Synthesefasern haben sich besonders Polyesterfasern bewährt. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß sie sich aufgrund ihrer chemischen Konstitution gut in die Kunststoffe einarbeiten
lassen und hierin gut haften und daß sie im unteren Dchnungsbereich eine hohe Formstabilität
besitzen, d.h. bei Kraftbeanspruchungen im unteren Dehnungsbereich weichen sie nur
sehr wenig in Dehnung aus, um die Kraft aufzunehmen. Bei dem Kunststoff, der mit
diesen Fasern verstärkt wird, handelt es sich in den meisten Fällen um ein ungesättigtes
Polyesterharz auf Basis Maleinsäure, Styrol und Xthylenglykol. Es kannen Jedoch
auoh Epoxidharze
oder Metacrylatharze verwendet werden. Ebenso eignen
sich Alkyd harze und Pnenolharze als Harzkomponente. Der Verstärkungseffekt durch
die. Fasern hängt sehr stark ab von ihrer Konzentration im Marz. Versuche haben
ergeben, daß sich der Prozentsatz des Faseranteils in engen Grenzen zu bewegen hat.
Hierbei wurde als Ver stärktuigsoptimum ein Zusatz von 50 bis 35 ç Fasern bezogen
auf die gesamte Verbundkörpermenge gefunden. Ein höherer Faseranteil als 35 % kann
nicht in <las Harz eingebracht werden, da dieHarzmenge in diesem Falle gegenüber
der Fasermenge so klein ist, daß sie nicht mehr in der Lage ist, das gesamte Fasermaterial
zu umhUllen. Vielmehr bleiben Teile der Fasern, vielfach in Form von Nestern, harztrei
und stellen somit Fehlstellen im Verbundkörper dar. Genau wie bei der Begrenzung
des Faserprozentsatzes nach oben besteht auoh eine Begrenzung des Faseranteils in
Hinsicht auf die optimalen Eigenschaften des Verbundkörpers nach unten. Da bei diesem
erfindungsgemäßen Verbundkörper besonderer Wert auf seine hohe Schlagzähigkeit gelegt
wird und bekanntlich die Schlagzähigkeit des reinen Harzes relativ niedrig liegt.
muß der Faseranteil mindestens 25 % wiegen um noch eine ausreichende Verstärkung
auf das Kunstharz in Hinsicht auf die Schlagzähigkeit des Verbundkörpers zu ergeben
Bereits bei einem Faseranteil von nur 20 % bezogen auf die Masse des gesamtenVerbundkörpersnähert
sich der Wert der Schlagzähigkeit schon sehr stark dem des reinen Harzes, da bei
diesem Prozentsatz an Fasern schon sehr viel unverstärktes Harz sich im Verbundkörper
befindet, was sich naturgemäß auf die Schlagzähigkeit des Verbundkörpers ungünstig
auswirkt. Aus den nachstehend aufgefUhrten Zahlen geht hervor, in welchem Maße die
Schlagzähigkeit durch die Faser verbessert wird. Zum Vergleich wird auch der glasfaser
verstärkte Kunststoff herangezogen, um zu verdeutlichen, wie die Chemlefaser der
Glasfaser überlegen ist.
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Unverstärktes, ungesättigtes 2 kp x cm/cm³ Polyesterharz (Leguval
N 30) Polyesterharz mit 30 % Glasfasern 7 kp x cm/cm³ Polyesterharz mit 30 % Polyesterfasern
60 kp x cm/cm³.
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Neben der Sohlagzähigkeit ist auch das Arbeitsaufnahmevermögen des
chemiefaserverstärkten Kunstharzes nennenswert höher als das des glasfaserverstärkten
Kunststoffes sowie des reinen Kunstharzes.
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Hierbei verhält sich das Arbeitsaufnahmevermögen von reinem Harz zu
glas,faserverstärktem Harz zu polyesterfaserverstärktem Harz wie 1 t 10 : 100. Weiterhin
ist die Dauerschlagbeständigkeit des chemie faserverstärkten Kunststoffes ungleich
besser als die des glasfaser verstärkten Kunststoffes sowie die des reinen Harzes.
Bringt man beispielsweise mittels eines Dauerpendelsohlaggerätes auf Prüflinge die
Energie auf, die etwa 5 % der Energie ausmacht, die notwendig ist um den PrUfllng
in einem Schlag zu durchschlagen, dann ergibt sich daß das reine Harz nach 3 bis
5 Schlägen in 2 Teile zerteilt wird, der glasfaserverstärkte Kunststoff wird nach
2 bis 3000 Schlägen in 2 Teile zerlegt und der chemiefaserverstärkte Kunststoff
wird dagegen erst in 200 000 Schlägen zerschlagen. Dieser Versuch beweist deutlich,
daß die dynamische Belastbarkeit des chemiefaserverstärkten Kunststoffes wesentlich
höher ist als die des glasfaserverstärkten Kunst stoffes sowie des reinen Harzes.
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Zur Herstellung von Formteilen, die als Karosserieteile dienen können,
geht man in folgender Weise vor: Man stellt aus der Faser nach dem Blas- oder Krempelprinzip
eine Matte her mit einem Gewicht von etwa 300 g/qm. Diese Matte wird nach dem Umkehrverfahren
mit dem Kunstharz, das bereits Härter und Beschleu nigungsmittel enthält, getränkt
in der Weise, daß in der getränkten Matte 30 S Faseranteile und 70 % Kunstharzanteile
sich befinden.
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Das Aufbringen flach dem sogenannten Umkehrverfahren bedeutet hierbei,
daß die notwendige Harzmenge auf eine Begleitfolie auf gestrichen wird und auf diese
bestrichene Folie das Vlies zuläuft und angepresst wird. In den meisten Fällen arbeitet
man mit 2 Folien die Jeweils mit der Hälfte der notwendigen Harzmenge berakelt werden
und gleichzeitig von beiden Seiten auf das vlies auflaufen und angepresst werden.
dieses Vlies, das mit Harz imprägniert ist und das man Prepreg nennt,wird nach einer
bestimmten Lagerungszeit auf, die den Formteilen entsprechende Größe zugeschnitten
oder gestanzt und nach entfernen der oben und unten befindlichen Polyäthylen-Folie
in eine Presse eingelegt und mit einem Flächendruck von 30 bis 50 kp/cm² bei einer
Temparatur von 120 bis 170 c verpresst. Nach wenigen Minuten hat der Preßling seine
endgültige Form erhalten und kann aus der Presse entfernt und abgekühlt werden.
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Preßlinge aus chemiefaserverstärktem Kunstharz können durch Zugabe
von Farbstoff zum Kunßtharz gefärbt werden und eignen sioh hervor ragend zur Herstellung
von Autokarosserieteilen, zum Bespiel Kotflügel. Aufgrund ihrer hohen Schlagzähigkeit
und ihres großen Arbeitsaufnahmevermögens verhalten sie sich besonders günstig beim
Auffahren des Kraftfahrzeuges auf harte Gegenstände. Hierbei verwan dem sie die
Energie des Fahrzeuges aufgrund ihres großen Arbeitsaufnahmevermögens in Wärme und
Schwingung und haben somit eine Bremsenwirkung, woduroh der Aurtahruntall in seiner
Wirkung gemildert wird. Bei leichterem Auffahren des Kraftfahrzeuges auf harte Gegen
stände geht das chemiefaserverstärkte Autokarosserieteil in den meisten Fällen wieder
in seine ursprüngliche Form zurUok und zeigt praktisch keinerlei Deformation, so
daß das Kraftfahrzeug seine Fahrt nach einem Auffahren unbehindert fortsetzen kann.
Neben dieser großen Verbesserung in Hinsicht auf die Unfallminderung besitzt das
chemiefaserverstärkte Autokarosserieteil auch
eine wesentlich bessere
Korrosion und Witterungsbeständigkeit als die bisher gebräuchlichen Werkstoffe.
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In Figur eins ist ein Autokarosserieteil in Form eines Kotflügels
in mehreren Ansichten schematisch dargestellt, Hierbei ist: 1 Vorderansicht.
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2 Einsparung für Lampeneinsatz..
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3 Seitenansicht von außen.
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4 Seitenansicht von innen.
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5 Einsparung rur Befestigung.
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Eine zweite Sorte von Preßlingen aus chemiefaserverstärktem Kunststoff
besteht darin, daß man die Fasern nicht in Matten- oder Vliesform verwendet sondern
als Stapelfaser, sogenannte Flocke. Hierbei wird das Kunstharz in einem Mischer,
der einen relativ langsam laufenden, starken Mischarm enthält die entsprechende
Menge Kunstharz mit Beschleuniger und Härtungsmittel vorgelegt und die Flocke hierin
allmählich eingerthrt. Beim Einrühren der Flocke ist eine gewisse Vorsicht geboten,
da sich bei zu raschem Eintragen mit Harz noch nicht genetzte Flooke zwischen dem
RUhrwerkboden und dem -arm setzt und hiermit das RUhrwerk zum Stillstand gebracht
werden kann, wobei leicht Defekte auftreten können. Bei langsamem gleichmäßigen
Eintragen der Flocke in das vorgelegte Kunstharz entsteht allmählich ein Kunstharz-Fasergemisch,
das ein relativ trockenes und sauerkrautartiges Aussehen besitzt und Prerix genannt
wird. Dieses Premix kann man anstelle des gebräuchlichen Preprege in die Preßform
einbringen und ganau wie den Prepreg zu einem Formling verpressen. Vor allem bei
der Herstellung von komplizierten kleineren Formlingen oder Preßlingen ist das Arbeiten
mit Premix vorteilhaft, da das Premix durchweg eine bessere Fließfähigkeit in der
Preßform besitzt als ein Prepreg und damit die Form in allen ittren Teilen besser
ausfüllt und auf diese Weise Leerstellen oder Fehlerhafte Stellen im Preßling vermieden
werden. Bei der Verwendung von Premix ist die Stapellänge der eingesetzten Faser
bedeutend kUrzer als bei der Verwendung von Prepregs. Zur Herstellung von Matten
fUr die Prepregs setzt man Fasern mit einer Schnittlänge von 20 mm und höher ein,
vorzugsweise wird eine Stapellänge von etwa 50 mm verwendet. Bei der Herstellung
von Premlt kann man dagegen nicht von einem so langen Stapel der einzumischenden
Faser ausgehen, da sich die langen Fasern um den Arm des Rührwerkes wickeln und
allmählich ein Rühren unmöglich machen. rne Stapellänge der bei Premix verwendeten
Fasern beträgt daher nur 10 bis maximal 20 mm. dies hat zur Folge, daß auch die
Festigkeitswerte der hieraus hergestellten Formteile etwas ungünstiger liegen als
die mittels Prepreg hergestellten. Jedoch ist der Unterschied nicht so gravierend,
daß hierdurch das Premix-Verfahren undiskutabel wäre. Beide Verfahren sind zur Herstellung
von ohemiefaserverstärkten Autokarosserieteilen geeignet.