DE19930000A1

DE19930000A1 - Faserverbundformteil oder -Halbzeug, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE19930000A1
Application number: DE1999130000
Authority: DE
Inventors: Bernd Lischo
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-01-04

Abstract

Ein Faserverbundformteil oder -Halbzeug weist eine Thermoplast-Matrix (5) auf, in die textile Flächengebilde (3, 4) aus metallischen Verstärkungsfasern und textile Flächengebilde (1, 2) aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern eingebettet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Faserverbundformteil oder -Halbzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formteils bzw. Halbzeugs sowie dessen Verwendung zum Gegenstand.

Derartige Formteile bzw. derartiges Halbzeug ist in den un terschiedlichsten Ausbildungen bekannt. Die Verstärkungsfa sern bestehen dabei im allgemeinen aus Kohlenstoff- oder Glasfasern. Daneben kommen synthetische Polymerfasern, wie Aramidfasern, aber auch natürliche Fasern, wie Hanffasern, zum Einsatz. Das textile Flächengebilde kann ein Gewebe, Ge strick, Gewirke, Vlies, Filz oder dgl. sein.

Zur Herstellung solcher Formteile bzw. eines solchen Halb zeugs ist es bekannt, textile Flächengebilde einzusetzen, die neben den Verstärkungsfasern auch Fasern aus thermoplasti schem Material enthalten. Mehrere solche Flächengebilde wer den aufeinander gelegt und unter Erwärmung miteinander ver presst, wodurch die thermoplastischen Fasern aufschmelzen, um die Matrix zu bilden.

Derartige Formteile bzw. aus diesem Halbzeug hergestellte Bauteile besitzen in Bezug auf Festigkeit, Gewicht, Formge bung und Kosten deutliche Vorteile. Als tragende Bauteile nehmen sie punktuell eingeleitete Kräfte jedoch schlecht auf. So besteht beispielsweise bei Schrauben, Nieten oder dgl. Verbindungselementen, die z. B. in eine Bohrung des Faserver bundteils eingreifen, die Gefahr des Ausknüpfens durch Aus weiten der Bohrung. Dem versucht man zwar durch eine flächige Krafteinleitung mit Verstärkungsplatten aus Metall im Boh rungsbereich abzuhelfen, jedoch wird dadurch der Gewichtsvor teil des Faserverbundbauteils teilweise wieder zunichte ge macht. Zudem entstehen am Rand solcher Platten oder dgl. die Kraft flächig verteilenden Elementen Kerben, die das Bauteil schwächen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Faserverbundbauteil bereitzustellen, das ohne Gewichtserhöhung in der Lage ist, punktuell eingeleitete Kräfte aufzunehmen.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeich neten Faserverbundformteil bzw. Halbzeug erreicht. In den An sprüchen 2 bis 4 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen Formteils bzw. Halbzeugs wiedergegeben. Im An spruch 5 wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formteils bzw. Halbzeugs angegeben, das durch den Anspruch 6 weiter ausgestaltet wird, und im An spruch 7 eine bevorzugte Verwendung desselben.

Das erfindungsgemäße Formteil bzw. Halbzeug weist damit so wohl wenigstens textiles Flächengebilde aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern, wie wenigstens ein textiles Flächengebil de aus metallischen Verstärkungsfasern auf. Durch die Ver stärkungsfasern besitzt es damit die bekannten Eigenschaften solcher Faserverbundwerkstoffe, d. h., insbesondere eine hohe Kraftaufnahme in Faserrichtung. Durch das textile Flächenge bilde aus metallischen Fasern in der Thermoplastmatrix wird eine flächige Krafteinleitung sichergestellt.

Das erfindungsgemäße Formteil bzw. Halbzeug kann deshalb ins besondere für tragende Bauteile verwendet werden, an denen Anbauteile mit Schrauben, Nieten oder dgl. punktuell kraft einleitenden Verbindungselementen befestigt sind, beispiels weise für tragende Automobilkarosserieteile.

Zur Gewichts- und Kosteneinsparung kann das wenigstens eine textile Flächengebilde aus metallischen Verstärkungsfasern nur im Bereich der Krafteinleitung im Bauteil vorgesehen sein.

Das Halbzeug kann z. B. eine Platte, Rohr, Stange, Profil oder dgl. sein, aus dem das betreffende Bauteil herstellt werden kann. Das Formteil wird vorzugsweise durch Heißpressen herge stellt, wie nachstehend näher beschrieben.

Das textile Flächengebilde aus nichtmetallischen Verstär kungsfasern und das textile Flächengebilde aus metallischen Verstärkungsfasern kann ein Gewebe, Gestricke, Gewirke, Vlies, Filz oder ein anderes textiles Flächengebilde sein.

Die metallischen Verstärkungsfasern können beispielsweise aus Stahl bestehen. Die nichtmetallischen Verstärkungsfasern kön nen die üblichen Verstärkungsfasern wie Kohlenstoff- oder Glasfasern sein oder synthetische Polymerfasern, wie Aramid fasern, oder natürliche Fasern, beispielsweise Hanffasern.

Der Thermoplast, aus dem die Matrix besteht, kann irgendein bekannter zur Herstellung der Matrix vom Faserverbundwerk stoff geeigneter Thermoplast sein, beispielsweise Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyethylenterephtha lat (PET), Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat (PC) oder ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeres (ABS) oder Mischungen dieser Thermoplasten, wie PC/ABS oder PA/PE.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formteils oder Halb zeugs werden wenigstens ein textiles Flächengebilde aus den metallischen Verstärkungsfasern und wenigstens ein textiles Flächengebilde aus den nichtmetallischen Verstärkungsfasern, die jeweils zusätzlich Fasern aus thermoplastischem Material enthalten, aufeinander gelegt und in der Wärme unter Auf schmelzen der Fasern aus thermoplastischem Material ver presst, wodurch die Thermoplastmatrix gebildet wird, in die das textile Flächengebilde aus nichtmetallischen Verstär kungsfasern und das textile Flächengebilde aus metallischen Verstärkungsfasern eingebettet ist.

Die Menge der thermoplastischen Fasern in dem textilen Flä chengebilde aus metallischen Verstärkungsfasern bzw. nichtme tallischen Verstärkungsfasern ist dabei so bemessen, dass sich eine einwandfreie Thermoplastmatrix ausbilden kann. Da das thermoplastische Material im wesentlichen nur die Aufgabe hat, eine solche Matrix zu bilden, wird es im allgemeinen in entsprechend geringer Menge eingesetzt.

Das textile Flächengebilde aus metallischen Verstärkungsfa sern kann als Streifen oder Flecken eingesetzt und nur dort angeordnet werden, wo die Kräfte in das Bauteil eingeleitet werden sollen.

Die thermoplastischen Fasern in dem textilen Flächengebilde aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern und die thermopla stischen Fasern in dem textilen Flächengebilde aus metalli schen Verstärkungsfasern können dabei aus unterschiedlichen thermoplastischen Materialien bestehen. Erforderlich ist le diglich, dass die jeweiligen thermoplastischen Materalien miteinander ohne weiteres mischbar sind. So können beispiels weise die thermoplastischen Verstärkungsfasern in dem einen textilen Flächengebilde aus Polycarbonat oder Polyamid und die thermoplastischen Fasern in dem anderen textilen Flächen gebilde aus ABS oder Polyethylen bestehen.

Im einzelnen kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Formteils beispielsweise so vorgegangen werden, dass die die thermoplastischen Fasern enthaltenden textilen Flächengebilde aufeinander gelegt und durch Vorpressen unter Erwärmen, z. B. mit einer Walze, zunächst aneinander fixiert werden, um eine Platine zu bilden, die sich gut handhaben läßt. Die Platine wird dann in einen Spannrahmen eingesetzt und dort unter Er wärmung auf die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Materials mit einem Ober- und einem Unterstempel zu dem be treffenden Formteil verpresst.

Die metallischen Verstärkungsfasern und die nichtmetallischen Verstärkungsfasern besitzen unterschiedliche Temperaturaus dehnungskoeffizienten. Um zu verhindern, dass sich das Form teil bei Temperaturänderung wölbt oder in anderer Weise ver zieht, werden das oder die textilen Flächengebilde aus metal lischen Verstärkungsfasern bzw. das oder die textilen Flä chengebilde aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern zur Schichtmittelebene des Formteils oder Halbzeugs symmetrisch angeordnet.

Das heißt, von der Mitte der Schicht aus, aus der das Form teil bzw. Halbzeug besteht, sind die textilen Flächengebilde aus nichtmetallischen Fasern und die textilen Flächengebilde aus metallischen Fasern auf jeder Seite in gleicher Reihen folge angeordnet, also beispielsweise in der Mitte eine oder zwei textile Fasergebilde aus nichtmetallischen Verstärkungs fasern oder eine bzw. zwei textile Flächengebilde aus metal lischen Verstärkungsfasern, gefolgt von einer oder mehreren textilen Flächengebilden aus metallischen Verstärkungsfasern oder einem oder mehreren textilen Flächengebilden aus nicht metallischen Verstärkungsfasern usw. auf jeder Seite der Schichtmittelebene.

Thermoplastischer Kunststoff aber auch Verstärkungsfasern aus nichtmetallischem Material besitzen einen geringen Haftrei bungsbeiwert gegenüber Metall. Um beispielsweise bei Schraub verbindungen mit Beilagscheiben einen hohen Haftreibungsbei wert sicherzustellen, liegt das textile Flächengebilde aus metallischen Verstärkungsfasern daher vorzugsweise an der be treffenden Außenseite des Formteils bzw. des aus dem Halbzeug herstellten Bauteils, oder auf beiden Außenseiten.

Die Thermoplastmatrix kann dazu an der oder den Außenseiten, entfernt werden, beispielsweise durch Sandstrahlen, um das textile Flächengebilde aus metallischen Verstärkungsfasern freizulegen.

Durch die Erfindung wird eine bessere Krafteinleitung in Fa serverbundstrukturen ohne Einschränkung bei Bauraum oder Ge wicht erreicht. Es erfolgt eine ideale Einbindung der Ver stärkung in den Thermoplastverbund. Auch sind durch Vorkon fektion mit den Erfordernissen angepasste Verstärkungen mög lich.

Nachstehend sind zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserverbundformteils sowie ein Anwendungsbeispiel eines sol chen Formteils anhand der Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch einen Schnitt durch ein Faserverbundform teil mit unterschiedlich angeordneten Geweben aus me tallischen bzw. nichtmetallischen Fasern;

Fig. 3 schematisch eine Ansicht des Türkörpers einer Kraft fahrzeugtür; und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 durch den Scharnierbereich der Tür.

Gemäß Fig. 1 besteht das Formteil aus einem Gewebe 1 aus nichtmetallischem Material, beispielweise einem Kohlenstoff- oder Glasfasergewebe, das in der Mittelschichtebene M des Formteils angeordnet ist und zwei dazu planparallelen Geweben 3 und 4 aus metallischen Verstärkungsfasern beiderseits des Gewebes 1 bzw. der Mittelschichtebene M, wobei alle Gewebe 1, 3 und 4 in die Thermoplastmatrix 5 eingebettet sind.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 nur dadurch, dass im Inneren der Schicht 2 Gewebe 1, 2 aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern symmetrisch zur Mittelschichtebene M angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt schematisch den Türkörper 6 einer Kraftfahrzeug tür mit dem Scharnierbereich 7 und dem Schlossbereich 6. Der Türkörper 6 besteht aus einem Faserverbundformteil, das im Scharnierbereich 7 und im Schlossbereich 8 einen Aufbau, z. B. gemäß Fig. 1 oder 2 mit einem Gewebe 3 und 4 aus metallischen Verstärkungsfasern aufweist. Außerhalb des Scharnierbereichs 7 und des Schlossbereichs 8 oder dgl. Verstärkungsbereiche besteht der Türkörper 6 jedoch lediglich aus dem oder den in der Thermoplastmatrix eingebetteten Geweben 1, 2 aus nichtme tallischem Material.

Wie in Fig. 4 dargestellt, ist an dem Verstärkungsbereich 7 das Scharnier 9 mit einer Schraube 10 und einer Mutter 11 mit einer Unterlegscheibe 12 befestigt. Mit 13 ist die Außenhaut der Tür bezeichnet.

Claims

1. Faserverbundformteil oder -Halbzeug mit einer Ther moplast-Matrix und darin eingebetteten aufeinander ge schichteten textilen Flächengebilden aus Verstärkungsfa sern, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens ein tex tiles Flächengebilde (3, 4) aus metallischen Verstär kungsfasern und wenigstens ein textiles Flächengebilde (1, 2) aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern aufweist.

2. Formteil oder Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das textile Flächengebilde (3, 4) aus me tallischen Verstärkungsfasern an der Außenseite des Form teils bzw. Halbzeugs liegt.

3. Formteil oder Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere textile Flächengebilde (3, 4) aus metallischen Verstärkungsfasern und/oder mehrere textile Flächengebilde (1, 2) aus nichtmetallischen Ver stärkungsfasern vorgesehen sind und die textilen Flächen gebilde (3, 4) aus metallischen Verstärkungsfasern und die textilen Flächengebilde (1, 2) aus nichtmetallischen Verstärkungsfasern zur Schichtmittelebene (M) des Form teils bzw. Halbzeugs symmetrisch angeordnet sind.

4. Formteil oder Halbzeug nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetalli schen Verstärkungsfasern Kohlenstoff-, Glas- oder natür liche Fasern oder Fasern aus synthetischen Polymeren sind.

5. Verfahren zur Herstellung des Formteils oder Halbzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenig stens eine textile Flächengebilde (3, 4) aus metallischen Verstärkungsfasern und das wenigstens eine textile Flä chengebilde (1, 2) aus nichtmetallischen Verstärkungsfa sern, die jeweils zusätzlichen Fasern aus thermoplasti schem Material enthalten, in der Wärme unter Aufschmelzen der Fasern aus thermoplastischem Material zur Ther moplastmatrix (5) verpresst werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung eines Formteils oder Halbzeugs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Matrix (5) entfernt wird, um das textile Fasergebilde (3, 4) aus metallischen Verstär kungsfasern an der Außenseite des Formteils bzw. Halb zeugs freizulegen.

7. Verwendung des Formteils oder Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für tragende Bauteile, an denen Anbau teile mit Schrauben oder dgl. punktuell krafteinleitenden Verbindungselementen befestigt sind.