DE19834772A1 - Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit Inserts - Google Patents
Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit InsertsInfo
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Abstract
Um Kräfte werkstoffgerecht in ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil einleiten zu können werden geometrisch angepaßte Inserts an die tragende Verstärkungsstruktur angenäht. Der Insert (1) wird zwischen Einzelverstärkungslagen (3) eingelegt. Die Einzelverstärkungslagen werden miteinander vernäht, wobei die Nadel durch die im Flansch (7) des Insert (1) vorgesehenen Löcher/Bohrungen (8) hindurchsticht und so der Insert durch den Nähfaden (9) fixiert und kraftschlüssig mit den Einzelverstärkungslagen verbunden, also angenäht wird. Das Annähen kann sich nur auf einen Teil der Verstärkungslagen beziehen (Fig. 1b) oder die gesamte Laminathöhe umfassen (Fig. 1c). Das Annähen bewirkt eine kraftschlüssige Klammerfunktion zwischen den das Insert umgebenden Einzelverstärkungslagen, so daß der Insert zwischen den Verstärkungslagen kraftschlüssig gehalten wird. Die Delaminationsgefahr wird eliminiert, da die verstärkten Nähfäden (9) in Richtung der Kraft, also senkrecht zu den vernähten Einzelverstärkungslagen liegen und so die eingeleiteten Kräfte optimal aufnehmen können.
Description
Die Erfindung betrifft die Ausbildung und Herstellung von mit Inserts
versehenen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Kunststoffbauteile mit Endlosfaserverstärkung haben sich heute fest in der
Entwicklung von mechanisch hochbeanspruchten Bauteilen etabliert. Speziell
im Bereich der Anwendung von Leichtbaustrukturen, zum Beispiel im
Fahrzeugbau und vor allem in der Luft- und Raumfahrt, sind diese
Faserkunststoffverbunde nicht mehr wegzudenken. Sie überzeugen durch ihr
geringes Gewicht bei guten mechanischen Eigenschaften.
Gerade in dem für den klassischen Maschinenbau und die Zulieferindustrie sehr
bedeutenden Stückzahlbereich von Kleinserien bis zu exklusiven Sonderserien
mit bis zu einigen 10.000 Einheiten pro Jahr, hat sich die Harzinjektionstechnik
(Resin-Transfer-Moulding, RTM) als sehr flexibles, mit wenig
Investitionsvolumen auskommendes und damit gerade für die klein- und
mittelständische Industrie als sehr interessantes Fertigungsverfahren etabliert.
RTM steht hier als Oberbegriff für eine ganze Reihe innovativer Varianten der
Harzinjektionstechnologie, die jedoch alle nach dem gleichen Schema arbeiten.
Entscheidend ist, daß die Verstärkung, also die kontinuierlichen Fasern, erst im
geschlossenen Werkzeug mit dem Kunststoff in Berührung kommen. Dies
ermöglicht eine Vorfertigung der Verstärkungsstruktur, da diese außerhalb des
Werkzeugs noch keinen Kontakt zum Kunststoff hatte und somit als normale
textile Struktur angesehen und auch so verarbeitet werden kann.
Die Verbindungstechnik von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffbauteilen
(Endlosfasern, Gewebe, Wirrfasermatten, Gelege, Gewirke, usw.) mit
duromeren Matrizes (vernetzend aushärtende und damit nicht mehr
aufschmelzbare Polymere) zu anderen Bauteilen (in der Regel metallische
Strukturen) ist nur ungenügend ausgebildet. Es kann gebohrt, genietet,
geschraubt oder geklebt werden, wobei es sich hier in keinem Fall um eine
werkstoffgerechte Verbindungstechnik handelt. So können zum Beispiel hohe
Lochleibungsbelastungen bei Bolzenverbindungen ein Kriechen der
Kunststoffmatrix zur Folge haben. Die eingesetzten Verstärkungsfasern werden
durch das Einbringen von Bohrungen durchtrennt und verlieren so wesentlich
an Wirkung, da die Kräfte durch Schubbelastung über die verbleibende
Kunststoffmatrix auf ungeschädigte Fasern übertragen werden müssen. Da
nicht wie bei rein metallischen oder thermoplastischen Bauteilen das
Schweißen als Verbindungstechnik zur Verfügung steht, wird als
Lösungsansatz auf die Integration von Anbindungselementen wie
schraubfähigen Einsätzen, Buchsen, Durchgangslöcher oder Lagerstellen in die
noch nicht imprägnierte Verstärkungsstruktur zurückgegriffen (vgl. Fig. 2b).
Dabei werden als Krafteinleitungselemente dienende Inserts (1) in bzw.
zwischen die einzelnen Verstärkungslagen (3) gelegt. Nach der Harzinjektion
entsteht durch das Aushärten des Harzes (Matrix) das Faser-Kunststoff-
Verbund-Bauteil. Hierbei treten beim Übergang vom Anbindungselement in die
Faserverbundstruktur matrixreiche Zonen (5) auf, was zu Problemen führt. Fig.
2b zeigt, daß in diesen matrixreichen Zonen bei entsprechender Belastung
Spannungsspitzen entstehen, die zur Mikrorißbildung führen und letztendlich
Delaminationen (6), also ein Trennen der Verstärkungslagen voneinander zur
Folge haben, was sich in unbefriedigenden Festigkeitswerten widerspiegelt (B.
Ferret, M. Anduze, C. Nardari: Metal inserts in structural composite materials
manufactured by RTM. Composites Part A 29A S. 693-700, 1998).
Setzt man kontinuierlich faserverstärkte Materialien ein (z. B. Gewebe, Gelege,
Gewirke, Matten usw.), so ergibt sich zwangsläufig ein geschichteter Aufbau,
also ein Laminat aus Einzelverstärkungslagen bzw. Verstärkungstextilien. Hier
hat der Einsatz der konventionellen Inserttechnologie deutliche Nachteile (vgl.
Fig. 2b und Fig. 2c):
- - die Inserts (1) wirken als Fremdkörper, da diese um einen Faktor 4 bis 10 dicker sind als die Einzelverstärkungslagen (3);
- - es bilden sich Matrixanhäufungen (5) aus, in denen sich Mikrorisse bilden, die dann zu Delaminationen führen;
- - es herrscht ein extremer Steifigkeitssprung von dem in der Regel metallischen Insert zu der umgebenden Faserverbundstruktur;
- - der Kraftfluß vom Insert in das Bauteil ist nicht optimal, da dieser zu einem großen Teil durch Schub übertragen werden muß;
- - bei einer Momenteneinleitung (M) entstehen Kräfte senkrecht zu den Einzelverstärkungslagen (3), die von der deutlich schwächeren Matrix (4) aufgenommen werden müssen und so die Gefahr der Mikrorißbildung mit anschließender Delamination (6) erhöhen;
- - da die Inserts zwischen die Verstärkungslagen eingebracht werden müssen, entsteht ein hoher Handlingaufwand und somit sehr hohe Werkzeugbeschickungszeiten, was wiederum eine geringe Ausbringung an Bauteilen pro Werkzeug zur Folge hat;
- - die Qualität der Positionierung des Inserts innerhalb der Verstärkungsstruktur und somit auch innerhalb des Bauteils ist durch ein manuelles Einlegen nicht sehr hoch.
In der Schrift EP 0 594 131 A1 wird die Herstellung eines faserverstärkten
Kunststoffkörpers geoffenbart, bei dem aus Stahl bestehende Inserts integriert
werden. Die im wesentlichen U-förmigen Inserts weisen quer abstehende
Laschen auf, mit denen sie auf mit Fiberbändern zu umwickelnde Holme
aufgesteckt werden. Nachdem die Inserts durch ein weiteres Fiberband am
jeweiligen Holm befestigt wurden, werden Halbschalen angebracht und das so
vorbereitete Werkstück in eine Form eingesetzt, wo es mit aushärtbarem
Kunststoff getränkt wird. Die Umwicklung der Inserts mit den Fiberbänder soll
die Festigkeit bestimmter Stellen des fertigen Kunststoffkörpers erhöhen und
die auf die Inserts einwirkenden Kräfte aufnehmen. Hingegen sollen die
Fiberbänder die Inserts vor dem Tränken mit Kunststoff nicht unverrückbar
festhalten, sondern geringe Bewegungen zulassen, da die exakte
Positionierung der Inserts in Bezug auf einen Schaumstoffkörper und die
Halbschalen mit Hilfe von Zentrierstiften erfolgt. Die Fiberbänder können in
Wirkrichtung des zu erwartenden Kraftangriffs ausgerichtet werden. Die
hierdurch erhöhte Festigkeit der Inserts innerhalb des Kunststoffkörpers wird
erst nach Fertigstellung, d. h. nach dem Tränken und Aushärten des
Kunststoffes erzielt. Da die Fiberbänder eine Bewegung der Inserts zulassen
müssen um deren Positionierung mit Zentrierstiften zu ermöglichen, können
diese einer möglichen Delamination nicht entgegenwirken. Zudem ist der
Einsatz von Positionierhilfen wie Zentrierstiften werkzeugtechnisch sehr
aufwendig. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß das
Umwickeln mit Bändern nur an holmartigen Strukturen erfolgen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile
mit innerhalb der Faserverstärkungsstruktur eingesetzten Inserts zu schaffen,
bei denen am Insert angreifende Kräfte werkstoffgerecht, d. h. ohne die Gefahr
der Delamination in die Faserverbundstruktur eingeleitet werden können. Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Sachanspruches 1 und
des Verfahrensanspruches 8 gelöst.
Der Insert wird zwischen Einzelverstärkungslagen eingelegt und zusammen mit
den Einzelverstärkungslagen vernäht. Die Nadel sticht durch die in dem
Flansch des Inserts vorgesehenen Löcher bzw. Bohrungen hindurch. Der Insert
wird durch den Nähfaden fixiert und kraftschlüssig mit den
Einzelverstärkungslagen verbunden, also angenäht. Das Annähen kann sich
nur auf einen Teil der Verstärkungslagen beziehen oder die gesamte
Laminathöhe umfassen. Der Insert kann auch zwei gelochte, gegenseitig
beabstandete Flansche aufweisen, so daß die Flansche die
Verstärkungsstruktur umgreifen und diese durch die Löcher der Flansche
angenäht wird. Das Annähen bewirkt eine kraftschlüssige Klammerfunktion
zwischen den das Insert umgebenden Verstärkungstextilien, so daß der Insert
zwischen den Verstärkungslagen kraftschlüssig gehalten wird. Die
Delaminationsgefahr wird eliminiert, da die verstärkenden Nähfäden in Richtung
der Kraft, also senkrecht zu den vernähten Verstärkungstextilien liegen und so
die eingeleiteten Kräfte optimal aufnehmen können. Verstärkt wird dieser Effekt,
wenn Verstärkungsfäden, vorzugsweise aus Kohlenstoff-, Glas- oder
Aramidfasern bestehend, als Nähfäden eingesetzt werden. Die Inserts können
aus beliebigem Material, vorzugsweise Metall, Kunststoff oder Keramik gefertigt
sein.
Ein weiterer Vorteil kann durch eine Optimierung hinsichtlich einer
anwendungsbezogenen geometrischen Ausbildung des Insert erreicht werden,
indem zum Beispiel der Fuß des Insert in Kraftrichtung verlängert wird, um so
einen besseren Hebelarm zur Kraftaufnahme zu erlangen.
Der Insert kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen bzw.
einzuleitenden Kräfte mit einem Gewinde versehen sein, eine innere
geometrische Ausbildung, z. B. Bohrung mit oder ohne Konus, besitzen oder
einen massiven Block bilden.
Der Flansch des Insert kann je nach Anwendung als massives Teil mit
Bohrungen oder durch eine gitterartige Struktur hergestellt sein.
Das Annähen eines Inserts kann so ausgeführt werden, daß ein optimierter
Kraftfluß von dem Insert in das Laminat erfolgt. Hierzu bilden die Nähfäden den
Kraftfluß im Bauteil nach. Zudem kann die Kraftableitung in die
Verstärkungsstruktur durch über den Rand des Insert bzw. der Flansche
hinausgehende Nahtabschnitte verbessert werden.
Durch Wahl des Nahttyps kann sowohl die Menge des eingebrachten Näh- bzw.
Verstärkungsfadens, als auch die Lage des Verstärkungsfadens, z. B.
gestreckte Lage des Nadelfadens auf der Materialoberseite beeinflußt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, daß durch das Annähen
die Positioniergenauigkeit wesentlich erhöht wird und durch einen
automatisierten Annähvorgang auch die für Strukturbauteile unabdingbare
Reproduzierbarkeit gewährleistet wird. Das gesamte Verstärkungstextil kann als
komplexer Vorformling (Preform, Verstärkungstextil mit angenähten Inserts) in
das Werkzeug eingelegt werden, was zu deutlich kürzeren Zykluszeiten und
damit einer deutlich erhöhten Wirtschaftlichkeit führt.
Ein Qualitätssicherungssystem kann den erfolgreichen Annähvorgang mit allen
wesentlichen Parametern (Anzahl der Stiche, Fadenkräfte usw.)
dokumentieren, wodurch auch der Einsatz dieser Technik bei
sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen möglich wird.
Die Erfindung ist anhand dreier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem
angenähten Insert gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 1b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 1a mit einer ersten
Variante zur Ausbildung der Fadennähte;
Fig. 1c eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 1a mit einer zweiten
Variante zur Ausbildung der Fadennähte;
Fig. 2a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem
eingelegten Insert gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 2a mit matrixreichen
Zonen;
Fig. 2c eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 2a mit einem
Delaminationsriß, ausgehend von den matrixreichen Zonen;
Fig. 3a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem
angenähten Insert gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 3a mit einer ersten
Variante zur Ausbildung der Fadennähte und des Insertfußes;
Fig. 3c eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 3a mit einer zweiten
Variante zur Ausbildung der Fadennähte und des Insertfußes;
Fig. 4a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem
angenähten Insert gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 4a mit einer Variante
zur Ausbildung der Fadennähte, speziell des Nadelfadens;
Fig. 5a eine Draufsicht auf eine erste Insertvariante;
Fig. 5b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 5a;
Fig. 5c eine Draufsicht auf eine geometrische Variante der Fig. 5a;
Fig. 6a eine Draufsicht auf eine zweite Insertvariante;
Fig. 6b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 6a;
Fig. 6c eine Draufsicht auf eine geometrische Variante der Fig. 6a;
Fig. 7a eine Draufsicht auf eine dritte Insertvariante;
Fig. 7b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 7a;
Fig. 7c eine Draufsicht auf eine geometrische Variante der Fig. 7a.
In den Fig. 1a, 1b und 1c ist ein Insert (1) mit Sackgewinde mit Fußplatte, in
einem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, welches aus Einzelverstärkungslagen
(3) und einer Kunststoffmatrix (4) besteht dargestellt. Der Insert ist
erfindungsgemäß vor dem Bauteilherstellungsprozeß (Harzinjektionsverfahren)
mit Hilfe einer Faden naht (9) kraftschlüssig mit den Einzelverstärkungslagen
verbunden worden. Die Fadennaht (9) wird zweckmäßiger Weise durch Nähen
hergestellt, wobei die Nadel zum einen in Löcher (8) des Insertflansches (7) und
zum anderen außerhalb des Inserts in die Einzelverstärkungslagen einsticht
und so eine Klammer um die mit dem Insert vernähten Einzelverstärkungslagen
bildet. Fig. 1b zeigt, daß das Annähen nur einen Teil der
Einzelverstärkungslagen einbezieht oder, daß wie Fig. 1c zeigt, der Insert an
alle Verstärkungslagen angenäht wird.
Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung in der ein
Teilbereich des Insertflansches (7) so verlängert wird, daß die durch das Insert
aufzunehmenden Kräfte und Momente durch einen verlängerten Hebelarm (10)
in den Fadennähten kleinere Spannungen erzeugen.
Die Fig. 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem die
Fadennähte entlang der Kraftflußlinien im Bauteil ausgerichtet sind. Durch die
Wahl entsprechender Nähprozeßparameter beim an nähen des Insert kann eine
gestreckte Lage eines Nähfadens (12) erzwungen werden.
Die Fig. 5a bis 5c, 6a bis 6c und 7a bis 7c zeigen weitere Ausführungen bzw.
Varianten von annähbaren Inserts. In den Fig. 5a bis 5c ist ein Insert (13)
dargestellt, welcher über zwei beabstandete Flansche (14) verfügt, so daß die
Einzelverstärkungslagen zwischen diesen Flanschen angenäht werden können.
Die Flansche können entsprechend den Ausführungen zu Fig 3a beide oder
einzeln lokale Verlängerungen (16) aufweisen. Um äußere Kräfte in die Inserts
einleiten zu können, kann der Insert (13; 17; 21) über ein Innengewinde (Fig. 5b),
eine einfache Bohrung, eventuell um einen Konus erweitert (Fig. 6b), oder aber
auch einfach massiv (Fig. 7b) ausgebildet sein.
Claims (13)
1. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit innerhalb der Faserverstär
kungsstruktur (2) eingesetzten, als Lasteinleitungselemente dienenden
Inserts (1; 13; 17; 21), dadurch gekennzeichnet, daß die Inserts
(1; 13; 17; 21) durch Fadennähte (9; 12) mit der aus Einzelverstärkungs
lagen (3) bestehenden Verstärkungsstruktur (2) fest verbunden sind.
2. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die
Inserts (1; 13; 17; 21) einen seitlich abstehenden Flansch (7; 18; 22) auf
weisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (7; 18, 22) zwischen
den Einzelverstärkungslagen (3) angeordnet ist und Löcher (8; 19; 23)
zur Aufnahme der Nähfäden (9; 12) aufweist.
3. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die
Inserts (13) zwei gegenseitig beabstandete Flasche (14) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (14) die Außenseiten der
Verstärkungsstruktur (2) umgreifen und Löcher (15) zur Aufnahme der
Nähfäden aufweisen.
4. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flansche (7; 14; 18; 22) zur besseren Moment
aufnahme im Bereich der größten Beanspruchung einen Ansatz
(10; 16; 20; 24) aufweisen.
5. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach einem oder mehreren der
Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche
(7; 10; 14; 16; 18; 20; 22; 24) gitterartig ausgebildet sind.
6. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahtabschnitte
(9; 12) zur besseren Ableitung der über die Inserts (1; 13; 17; 21) einge
leiteten Kräfte parallel zum Kraftfluß angeordnet sind.
7. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Kraft
ableitung in die Verstärkungstruktur (2) zusätzliche, über den Rand der
Inserts (1; 13; 17; 21) bzw. der Flansche (7; 10; 14; 16; 18; 20; 22; 24) hin
ausgehende Nahtabschnitte (12) gebildet sind.
8. Verfahren zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inserts (1; 13; 17; 21)
in einem dem Bauteilherstellungsprozeß vorgeschalteten Arbeitsschritt
an die Verstärkungsstruktur (2) angenäht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ver
wendung von Inserts (1; 17; 21) mit einem seitlich abstehenden Flansch
(7; 10; 18; 20; 22; 24) dieser zwischen den Einzelverstärkungslagen (3)
plaziert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ver
wendung von Inserts (13) mit zwei gegenseitig beabstandeten Flan
schen (14) die Verstärkungsstruktur (2) zwischen den Flanschen (14)
angeordnet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeich
net, daß zur besseren Ableitung der über das Insert (1; 13; 17; 21) ein
geleiteten Kräfte die Nahtrichtung derart gewählt wird, daß die parallel
zur Ebene der Verstärkungsstruktur (2) verlaufenden Nahtabschnitte
(9; 12) parallel zum Kraftfluß ausgerichtet sind.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nahtabschnitte (9; 12) zur besseren Kraft
ableitung in die Verstärkungsstruktur (2) über den Rand des Inserts
(1; 13; 17; 21) bzw. der Flansche (7; 10; 14; 16; 18; 20; 22; 24) hinaus verlän
gert werden.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß durch ein angepaßtes Naht-Dokumentations-
System alle nährelevanten Parameter überprüft werden können und
somit ein sicherheitsrelevanter Strukturaufbau ermöglicht wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19834772A DE19834772C2 (de) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit Inserts |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19834772A DE19834772C2 (de) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit Inserts |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19834772A1 true DE19834772A1 (de) | 2000-02-10 |
DE19834772C2 DE19834772C2 (de) | 2002-10-17 |
Family
ID=7876133
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19834772A Expired - Lifetime DE19834772C2 (de) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit Inserts |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19834772C2 (de) |
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