DE202012104559U1

DE202012104559U1 - Faserverbundhybridbauteil

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Publication number: DE202012104559U1
Application number: DE202012104559.1U
Authority: DE
Original assignee: Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: WO2014079855A1

Abstract

Faserverbundhybridbauteil mit in einer Kunststoffmatrix (11) aufgenommenen, Verstärkungsfasern (9, 9') und mit mindestens einem metallischen Verbindungselement (10, 24), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements (10, 24) in Auszugsrichtung formschlüssig in Verstärkungsfasern (9, 9') eingebettet ist und mindestens ein weiterer Teilbereich des metallischen Verbindungselements (10, 24) als Anbindefortsatz (6, 6', 16, 19) aus dem Bereich der Verstärkungsfasern heraus ragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundhybridbauteil mit in einer Kunststoffmatrix aufgenommenen Verstärkungsfasern und mit mindestens einem metallischen Verbindungselement.
In vielen Bereichen der Technik werden zunehmend Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, der auch als Faserverbundkunststoff (FVK) bezeichnet wird, eingesetzt. Derartige Bauteile ermöglichen die Erzielung an den jeweiligen Anwendungszweck angepasster mechanischer Eigenschaften, beispielsweise hohe Festigkeit bei geringem Gewicht. Hierdurch können viele Strukturelemente in Leichtbauweise ausgeführt werden. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich werden Bauteile aus Faserverbundkunststoff, die auch als Faserverbundhybridbauteile oder im Folgenden auch kurz als Hybridbauteile bezeichnet werden, in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt.
Ein Faserverbundkunststoff besteht aus Verstärkungsfasern und einer diese umgebenden und diese durchdringenden Kunststoffmatrix. Die Verstärkungsfasern sind beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern. Als Matrix kommen typischerweise thermoplastische Kunststoffe auf Polyamid(PA)- oder Polypropylen(PP)-Basis zum Einsatz. Die Verstärkungsfasern sind hierbei zu einer Fasermatte gewebt. Ein Halbzeug aus einer zugeschnittenen ein- oder mehrlagigen, insbesondere gewebten Fasermatte mit einer Kunststoffmatrix kann durch Erwärmen und Pressen geformt werden, ähnlich wie ein herkömmliches Blech aus Metall beim Tiefziehen. Derartige endlos verstärkte Halbzeuge werden daher auch als Organobleche bezeichnet.
Häufig ist es notwendig, ein Faserverbundhybridbauteil mit einem anderen Strukturbauteil, insbesondere mit einem metallischen Strukturbauteil, zu verbinden. Hierzu ist es bekannt, Faserverbundhybridbauteile stoffschlüssig über einen Klebstoff an Metallstrukturen anzubinden. Ein stoffschlüssiges Verbinden durch Klebstoff ist in der Regel jedoch mit relativ hohen Kosten verbunden, da einerseits der Klebstoff selbst Kosten verursacht und andererseits durch den Klebeprozess ein beträchtlicher Aufwand entsteht, beispielsweise durch zusätzliche mechanische Verbindungen, die erforderlich sind, um die miteinander zu verbindenden Bauteile beim Kleben in ihrer Position zu halten, oder eine notwendige Erwärmung vorzunehmen, damit der Klebstoff aushärtet. Außerdem müssen hierfür Klebeflansche an dem Hybridbauteil vorgesehen werden.
Ferner ist es bekannt, Faserverbundhybridbauteile formschlüssig über metallische Verbindungselemente, etwa Schrauben oder Nieten, an Metallstrukturen anzubinden. So ist in DE 101 35 847 A1 offenbart, zur Herstellung eines Außenhautteils einer Kraftfahrzeugkarosserie aus einem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff ein plattenförmiges Halbzeug bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen und in einer Presse, in die auf eine Aufnahme eine Gewindebuchse aus Stahl eingelegt worden ist, umzuformen. Dabei legt sich das Halbzeug mit der Kohlefaserverstärkung um die Gewindebuchse herum. Die hierdurch ermöglichten Anbindungen sind jedoch eng begrenzt, insbesondere ist die Herstellung einer kostengünstigen Schweißverbindung nicht möglich. Ferner werden durch das halsartige Umgreifen der Gewindebuchse die Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt sowie die Festigkeit des Bauteils verringert. Zudem ist eine Faltenbildung des Gewebematerials bei dem halsartigen Umgreifen zu befürchten.
In vielen Bereichen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen im Karosseriebereich, ist das Schweißen die gängigste Fügemethode, da hierdurch mit geringem Kosten- und Zeitaufwand langlebige Verbindungen geschaffen werden können. Eine Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die miteinander zu verbindenden Werkstoffe gleich oder weitgehend gleich sind.
Aus DE 10 2010 034 183 A1 ist bekannt, dass in ein aus einem faserverstärktem Kunststoff bestehendes Bauteil Schweißniete aus Stahl eingesetzt werden. Diese sind formschlüssig an dem Bauteil gehalten und können durch Punktschweißen mit einem aus Stahl bestehenden weiteren Bauteil verbunden werden. Die Nietelemente sind jedoch relativ klein und können den Faserverlauf im Bauteil unterbrechen und daher leicht ausscheren. Ferner ist beim Schweißvorgang durch die Anlagefläche der Nietelemente an dem Kunststoffbauteil eine übermäßige Erwärmung desselben zu befürchten, was zu einer Beschädigung oder sogar zu einer Zerstörung des Kunststoffmaterials führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Faserverbundhybridbauteil der eingangs genannten Art dergestalt weiterzubilden, damit mit diesem eine verbesserte und kostengünstigere Verbindung mit einem metallischen Strukturbauteil möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Faserverbundhybridbauteil gelöst, bei dem zumindest ein erster Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements in Auszugsrichtung formschlüssig in Verstärkungsfasern eingebettet ist und mindestens ein weiterer Teilbereich des metallischen Verbindungselements als Anbindefortsatz aus dem Bereich der Verstärkungsfasern heraus ragt.
Ein erfindungsgemäßes Faserverbundhybridbauteil umfasst in einer Kunststoffmatrix aufgenommene Verstärkungsfasern und mindestens ein metallisches Verbindungselement. Das Hybridbauteil weist eine Matrix beispielsweise auf Polyamid(PA)- oder Polypropylen(PP)-Basis auf. Die Verstärkungsfasern können insbesondere zu einem Gewebe verarbeitet sein und beispielsweise in Form eines aus Endlosfasern herstellten Fasergewebes oder Fasergeleges vorliegen, das mit der Kunststoffmatrix getränkt ist und auf eine geeignete Größe zugeschnitten ist. Das Gewebe kann etwa nach Art eines Leinwand-, Köper- oder Atlas-Gewebes gewebt sein. Dabei können eine oder mehrere Gewebelagen vorhanden sein. Insbesondere kann das Faserverbundhybridbauteil nach Art eines sogenannten Organobleches ausgebildet sein. Die Verstärkungsfasern können aber auch ein Vlies bilden; das Faserverbundbauteil ist in diesem Fall zumindest teilweise nach Art einer GMT-Matte (Glasefasermatten-Thermoplast, Glass Mat Thermoplastic) ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein erster Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements formschlüssig zwischen Verstärkungsfasern des Faserverbundhybridbauteils eingebettet, indem das Fasergewebe oder -vlies um den ersten Teilbereich des Verbindungselementes herum gelegt ist. Das metallische Verbindungselement ist dadurch formschlüssig in den Faser-Kunststoff-Verbund des Faserverbundhybridbauteils eingebettet. Mindestens ein zweiter Teilbereich des metallischen Verbindungselements ist als Anbindefortsatz ausgebildet, insbesondere zum Anbinden an ein beispielsweise metallisches Strukturbauteil, und ragt zu diesem Zweck aus der Matrix heraus. Es können ein oder mehrere Verbindungselemente, die jeweils erste und zweite Teilbereiche umfassen, vorhanden sein. Das bzw. die Verbindungselemente können weitere Teilbereiche mit unterschiedlichen Funktionalitäten umfassen.
Dadurch, dass der erste Teilbereich des Verbindungselements formschlüssig zwischen den Verstärkungsfasern aufgenommen ist, ist erreicht, dass das Verbindungselement durch den erzielten Formschluss fest und sicher mit dem Faser-Kunststoff-Verbund des Faserverbundhybridbauteils verbunden ist. Weiterhin kann dadurch, dass der zweite Teilbereich des metallischen Verbindungselements als Anbindefortsatz ausgebildet ist, erreicht werden, dass das Faserverbundhybridbauteil in einer durch die jeweiligen Anforderungen bestimmten Weise mit einem weiteren Strukturbauteil, insbesondere mit einem metallischen Strukturbauteil, verbunden werden kann, insbesondere verschweißt werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Faserverbundhybridbauteil eine Mehrzahl an Gewebelagen, die in die Matrix eingebettet sind und wobei der erste Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements zwischen zwei Faserschichten angeordnet ist. Aus Gründen der Festigkeit werden Organobleche vorzugsweise mit mehreren Gewebelagen hergestellt und Faserverbundhybridbauteile mit mehreren Faserschichten ausgebildet. Durch die Einbettung des ersten Teilbereichs des Verbindungselements zwischen die miteinander verbundenen Faserschichten kann auf einfache Weise ein formschlüssiger und besonders sicherer und fester Verbund zwischen dem metallischen Verbindungselement, den Verstärkungsfasern und der Matrix erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements mittig zwischen die Mehrzahl an Faserschichten bzw. Gewebelagen eingebettet. Hierdurch kann die Festigkeit der Verbindung zwischen dem metallischen Verbindungselement und dem Faser-Kunststoff-Verbund weiter erhöht werden.
Die Faserschichten können das metallische Verbindungselement symmetrisch oder asymmetrisch umgeben. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, dass die auf der einen Seite des metallischen Verbindungselements verlaufende, mindestens eine Faserschicht im Wesentlichen flach, d.h. im Wesentlichen in einer Ebene, an dem metallischen Verbindungselement vorbei gelegt ist, während auf der anderen Seite des metallischen Verbindungselements die Faserschicht bzw. Faserschichten um das metallische Verbindungselement herumgeführt ist bzw. sind. Hierdurch wird ein nach einer Seite des Faserverbundhybridbauteils hervortretender Wulst gebildet, der den ersten Teilbereich des metallischen Verbindungselements einschließt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Steifigkeit des Hybridbauteils im Bereich der Verbindung mit dem metallischen Verbindungselement weitgehend ungeschwächt ist.
Die Festigkeit der Verbindung zwischen dem metallischen Verbindungselement und dem Faser-Kunststoff-Verbund des Faserverbundhybridbauteils wird dadurch erzielt, dass die mehreren Faserschichten bzw. Gewebelagen unter Wärmezugabe durch Verpressen geformt und miteinander in besonders enge Verbindung gebracht worden sind. Ferner werden hierdurch die Faserschichten besonders eng um den ersten Teilbereich des metallischen Verbindungselements herum geformt. Ein Ausreißen des metallischen Verbindungselements aus dem Hybridbauteil unter Last kann hierdurch besonders sicher verhindert werden, wobei die erzielbare Ausreißkraft in der Regel mit dem beim Verpressen angewandten Druck zunimmt und durch Wahl eines u.a. von den verwendeten Organoblechen und der Geometrie des metallischen Verbindungselements abhängigen optimalen Drucks optimiert werden kann.
Die Verstärkungsfasern können zumindest zum Teil ein Gewebe, können aber auch zumindest zum Teil ein Vlies bilden. In besonders bevorzugter Weise ist das wenigstens eine metallische Verbindungselement in einen Organoblech-GMT-Organoblech-Verbund eingebettet. Dabei wird zwischen wenigstens zwei Organobleche mit jeweils mindestens einer Gewebeschicht aus Verstärkungsfasern eine GMT-Matte eingebettet. Die GMT-Matte ermöglicht einen weiter verbesserten Formschluss mit dem in den Organoblech-GMT-Verbund eingebetteten mindestens einen Verbindungselement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das mindestens eine metallische Verbindungselement zumindest teilweise aus Stahl. Hierdurch wird nicht nur eine besonders hohe Festigkeit des Verbindungselements erzielt, sondern auch die Verbindung mit einem Strukturbauteil aus Stahl vereinfacht.
Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine metallische Verbindungselement einstückig mit dem Strukturbauteil ausgebildet. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise eine besonders feste Verbindung zwischen dem Faserverbundhybridbauteil und dem Strukturbauteil ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das metallische Verbindungselement als ein Drahtbügel mit mindestens einem endseitigen Anbindefortsatz ausgebildet. Ein solcher Drahtbügel ist einfach und kostengünstig herzustellen und bei der Einbettung zwischen die Verstärkungsfasern des Faserverbundhybridbauteils leicht zu handhaben.
Gemäß einer solchen Ausführungsform ist das mindestens eine metallische Verbindungselement als Drahtbügel mit zwei endseitig angeordneten, insbesondere abgekröpften Anbindefortsätzen ausgebildet, wobei der erste Teilbereich des Verbindungselements ein mittlerer Bereich des Drahtbügels ist, der zwischen die Verstärkungsfasern eingebettet ist. Der Drahtbügel kann beispielsweise im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein, wobei die Enden der Schenkel abgewinkelt sein können und die Anbindefortsätze ausbilden, während der mittlere Bereich sowie die daran anschließenden Teilbereiche der Schenkel zwischen die Fasern und in die Matrix des Faserverbundhybridbauteils eingebettet sind.
In vorteilhafter Weise sind die Anbindefortsätze als Anschlussfahnen für Fügeverfahren, insbesondere als Schweißanschlussfahnen, ausgebildet. Der Drahtbügel kann somit in üblicher Weise an das Strukturbauteil angeschweißt werden. Die Anschlussfahnen sind vorzugsweise abgeflacht und können eine an die Form des Strukturbauteils, mit dem das Faserverbundhybridbauteil zu verbinden ist, angepasste Oberflächengestaltung aufweisen. Hierdurch wird die Anbindung des Hybridbauteils an das Strukturbauteil weiter verbessert.
Bei einer Ausgestaltung der Anbindefortsätze als Schweißanschlussfahnen kann darüber hinaus der besondere Vorteil ausgenutzt werden, dass beim Schweißen der Faser-Kunststoff-Verbund des Faserverbundhybridbauteils nicht soweit erwärmt wird, dass dieser zerstört oder beschädigt würde, da in aller Regel die Wärmeaufnahme eines metallischen Strukturbauteils, an welches die Schweißanschlussfahnen angeschweißt werden, aufgrund des größeren Materialquerschnitts und der damit verbundenen größeren Masse höher ist als die Wärmeaufnahme des metallischen Verbindungselements. Daher wird die beim Schweißen eingebrachte Wärme somit weit überwiegend in das Strukturbauteil abgeleitet. Ferner ist zum Schweißen aufgrund der sehr kurzzeitigen Erhitzung und der geringen thermischen Masse der Schweißanschlussfahnen nur ein geringer Wärmeeintrag notwendig. Die Ausbildung der Anbindefortsätze als Schweißanschlussfahnen hat den weiteren Vorteil, dass auch bei kleinen zur Verfügung stehenden Anbindungsflächen des Strukturbauteils, die beispielsweise für eine Verklebung zu wenig Fläche bieten, eine feste Verbindung realisiert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Faserverbundhybridbauteil in einem dem ersten Bereich des Verbindungselements benachbarten Bereich wellenförmig ausgebildet, wobei die Wellen vorzugsweise zumindest abschnittsweise parallel zu einer Längserstreckung des ersten Teilbereichs des Verbindungselements gerichtet sind. Dabei ist vorgesehen, dass der wellenförmig ausgebildete Bereich in Auszugsrichtung des Verbindungselementes benachbart zu dem eingebetteten ersten Teilbereich desselben angeordnet ist. Ist beispielsweise das Verbindungselement als Drahtbügel ausgebildet, so verlaufen die Wellen in dem dem ersten Teilbereich des Drahtbügels benachbarten Bereich des Faser-Kunststoff-Verbunds zumindest abschnittsweise parallel zur Längsrichtung des Drahts. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Wellen, d.h. eine Mehrzahl von Wellenbergen und Wellentälern, vorgesehen, es kann aber auch beispielsweise eine einzige Welle mit einem einzigen Wellenberg oder einem einzigen Wellental ausreichend sein. Durch diese Maßnahme ist gerade in den wellenförmig ausgebildeten Bereich eine besonders innige Verbindung zwischen den Gewebelagen gegeben, so dass durch eine solche Maßnahme die Ausreißfestigkeit des Verbindungselementes nochmals gesteigert werden kann.
Zum Herstellen eines solchen Faserverbundhybridbauteils wird mindestens ein Organoblech bereitgestellt, das mindestens eine gewebte Faserschicht in einer Kunststoffmatrix enthält. Das mindestens eine Organoblech wird so gelegt, dass zwei Bereiche des Organoblechs einander überlappen, etwa indem ein Bereich des Organoblechs über den anderen geklappt wird; es können auch mehrere separate Organobleche einander überlappen. Die mehreren Organobleche bzw. Organoblechbereiche werden in ein Presswerkzeug einer Presse eingelegt. Mindestens ein metallisches Verbindungselement wird zwischen den mindestens zwei Organoblechen bzw. Organoblechbereichen angeordnet, so dass mindestens ein erster Teilbereich des Verbindungselements in einem Zwischenraum zwischen den beiden Organoblechen bzw. -bereichen angeordnet ist und mindestens ein zweiter Teilbereich des Verbindungselements, der als Anbindefortsatz zum Anbinden an ein metallisches Strukturbauteil ausgebildet ist, aus dem Zwischenraum herausragt. Die mindestens zwei Organobleche bzw. -bereiche werden auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Kunststoffmatrix erwärmt und in dem Presswerkzeug in eine gewünschte Form gepresst. Dieser Vorgang kann einschrittig durchgeführt werden. Beim Verpressen wird der erste Teilbereich des Verbindungselements zwischen die beiden Organobleche bzw. -bereiche, insbesondere zwischen zwei Faserschichten, eingebettet, während der zweite Teilbereich und damit der mindestens eine Anbindefortsatz aus dem Verbund der beiden Organobleche bzw. -bereiche herausragt. Der Verbund aus den beiden Organoblechen und/oder Organoblechbereichen und dem mindestens einem Verbindungselement wird somit in einem Schritt mit dem Formen und Verpressen der Organobleche bzw. -bereiche erzeugt. Hierdurch wird nicht nur eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht, es kann durch das Verpressen auch eine besonders sichere Verbindung zwischen dem ersten Teilbereich des Verbindungselements und den diesen umgebenden Fasern erreicht werden, so dass das Verbindungselement besonders sicher mit dem Faser-Kunststoff-Verbund des Faserverbundhybridbauteils verbunden ist. Das auf diese Weise hergestellte Faserverbundhybridbauteil ermöglicht eine kostengünstige und sichere Verbindung mit einem metallischen Strukturbauteil. In besonderer Weise werden bei diesem Verfahren die formbaren Eigenschaften von Organoblechen genutzt, insbesondere auch, falls gewünscht, die vorbeschriebenen wellenförmig strukturierten Bereiche zu erstellen.
Vor dem Hintergrund, dass die Verbindungselemente bereits während des formgebenden Prozesses des Organobleches bzw. der Organoblechbereiche mit eingearbeitet werden, sind für die Einbindung der Verbindungselemente keine zusätzlichen Verfahrensschritte erforderlich.
In besonders vorteilhafter Weise kann ein Verbund aus mindestens zwei einander überlappenden Organoblechen bzw. Organoblechbereichen mit mindestens einer GMT-Matte gebildet werden, wobei die Kunststoffmatrix der GMT-Matte die gleiche wie die des bzw. der Organobleche ist. Beim Einlegen in das Presswerkezug wird die GMT-Matte zwischen den Organoblechen bzw. Organoblechbereichen eingebettet; im Übrigen verläuft das Verfahren wie oben beschrieben. Ein derartiger Organoblech-GMT-Organoblech-Verbund ermöglicht einen noch besseren Formschluss und eine noch sicherere Verbindung mit dem Verbindungselement und daher mit dem Strukturbauteil.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1: Einen Ausschnitt aus einem Faserverbundhybridbauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2: einen mikroskopischen Teilschnitt des Faserverbundhybridbauteils gemäß 1 in der Ebene A-B,
3: einen Drahtbügel zur Anbindung eines Faserverbundhybridbauteils an ein Strukturbauteil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
4: die Anbindung eines Faserverbundhybridbauteils an ein Strukturbauteil gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
5: einen mikroskopischen Teilschnitt eines Faserverbundhybridbauteils mit einem Organoblech-GMT-Organoblech-Verbund und
6: ein metallisches Strukturbauteil mit einstückig mit diesem ausgebildeten Verbindungselementen.
In 1 ist ein Ausschnitt aus einem Faserverbundhybridbauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht dargestellt. Das Faserverbundhybridbauteil 1 umfasst einen Faser-Kunststoff-Verbund 2 sowie einen mit diesem verbundenen Drahtbügel 3. Der Faser-Kunststoff-Verbund 2 besteht aus einer Mehrzahl von miteinander verpressten Organoblechen bzw. übereinander gelegten Bereichen eines Organoblechs, wobei jedes Organoblech mindestens eine Gewebelage aus Verstärkungsfasern aufweist, und einer diese umgebenden Kunststoffmatrix. Die Kunststoffmatrix stützt die Verstärkungsfasern und schützt diese gegen Beschädigung von außen. Der Faser-Kunststoff-Verbund 2 kann auch eine oder mehrere GMT-Matten umfassen. Vor dem Verpressen der Gewebelagen bzw. der faserverstärkten Matten ist zwischen diese der Drahtbügel 3 eingelegt worden. Ein erster Teilbereich des Drahtbügels 3 ist in den Faser-Kunststoff-Verbund 2 eingebettet (Einbettungsbereich 4); in diesem Bereich sind die oberen Gewebelagen mit der sie umgebenden Matrix in Form eines Wulstes 5 über den Drahtbügel 3 aufgewölbt. Der Drahtbügel 3 weist einen zweiten und einen dritten Teilbereich auf, die als Anbindefortsätze 6, 6' ausgebildet sind und aus dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 des Faserverbundhybridbauteils 1 herausragen. Das Faserverbundhybridbauteil 1 kann mit den Anbindefortsätzen 6, 6' an ein insbesondere metallisches Strukturelement angebunden werden.
Der Drahtbügel 3 ist mit seinem Einbettungsbereich 4 fest in den Faser-Kunststoff-Verbund 2 eingebettet und in diesem, wie aus der 1 erkennbar, in Auszugsrichtung formschlüssig gehalten. Kräfte, die von einem mit den Anbindefortsätzen 6, 6' verbundenen, in 1 nicht dargestellten Strukturbauteil, an das das Faserverbundhybridbauteil 1 angeschweißt ist, auf das Faserverbundhybridbauteil 1 ausgeübt werden, werden über die Anbindefortsätze 6, 6' und den Einbettungsbereich 4 des Drahtbügels 3 in den Faser-Kunststoff-Verbund 2 des Faserverbundhybridbauteils 1 eingeleitet oder umgekehrt. Durch die U-förmige Ausbildung des Drahtbügels 3 und den Einschluss von Bereichen der Schenkel in den Faser-Kunststoff-Verbund 2 wird der Drahtbügel 3 auch gegen seitliche Kräfte fest in diesem gehalten.
Um die Übertragung besonders hoher Kräfte zu ermöglichen, ohne dass der Drahtbügel 3 aus dem Faser-Kunststoff-Verbund 2 ausreißt, ist ein besonders guter Stoff- und Formschluss notwendig. Dazu wird vorgeschlagen, den dem Einbettungsbereich 4 des Drahtbügels 3 in Auszugsrichtung benachbarten Teilbereich des Faser-Kunststoff-Verbunds 2 als Wellenbereich 7 auszubilden. Der Wellenbereich 7 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Wellen 8, 8' auf, deren Kämme bzw. Täler parallel zum mittleren Teil des Drahtbügels 3 verlaufen. Auf der in 1 nicht erkennbaren Rückseite des Faserverbundhybridbauteils 1 entspricht einem vorderseitigen Wellenkamm ein Wellental und umgekehrt. Durch die wellenförmige Gestaltung des dem Einbettungsbereich 4 benachbarten Bereichs wird eine formschlüssige Verbindung zwischen den Verstärkungsfasern geschaffen bzw. verbessert. Hierdurch wird die Ausreißsicherheit gegen ein Ausreißen des Drahtbügels 3 in der senkrecht zu den Wellen 8, 8' stehenden Richtung weiter erhöht.
In 2 ist ein mikroskopischer Teilschnitt in der Ebene A-B durch das Faserverbundhybridbauteil 1 im Bereich des in 1 dargestellten Wulstes 5 gezeigt, wobei die Schnittebene senkrecht zur Zeichenebene der 1 steht. Wie in 2 zu erkennen ist, verlaufen einige Verstärkungsfasern 9 oberhalb des metallischen Verbindungselements 10 des Drahtbügels 3, während weitere Verstärkungsfasern 9' unterhalb des Verbindungselements 10 verlaufen. Die unterhalb des Verbindungselements 10 angeordneten Verstärkungsfasern 9' verlaufen weitgehend flach, wohingegen die oberhalb des Verbindungselements 10 verlaufenden Verstärkungsfasern 9 um das Verbindungselement 10 herum gelegt sind. Hierdurch ist das Verbindungselement 10 formschlüssig zwischen die Verstärkungsfasern 9, 9' eingebettet. Zwischen den Verstärkungsfasern 9, 9' ist die Kunststoffmatrix 11 zu erkennen. Durch Verpressen ist hierbei eine enge Verbindung zwischen den durch die Verstärkungsfasern 9, 9' gebildeten Faserschichten bewirkt worden. Ein teilweiser unvollständiger Einschluss des Verbindungselements 10, wie dies in 2 an dem Hohlraum 12 zu erkennen ist, ist für die feste Verbindung des Verbindungselements mit dem Faser-Kunststoff-Verbund nicht schädlich. Der Hohlraum 12 kann durch ein entsprechendes Kalibrieren der Presse verringert oder nahezu vollständig vermieden werden. Bei einem Organoblech-GMT-Organoblech-Verbund kann der Formschluss weiter verbessert werden (s. 5). Das metallische Verbindungselement 10 ist in dem in 2 gezeigten Beispiel asymmetrisch zwischen den Verstärkungsfasern 9, 9' eingebettet, kann aber auch symmetrisch zwischen den Verstärkungsfasern 9, 9' angeordnet sein. Die in 1 gezeigten Wellen 8, 8' sind in 2 nicht dargestellt.
In 3 ist ein Drahtbügel 13 zur Anbindung eines Faserverbundhybridbauteils an ein Strukturbauteil 14 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Wie in 3 zu erkennen ist, ist der Drahtbügel 13 zur Anbindung an das Strukturbauteil 14 an dessen Oberflächenform angepasst. Der Drahtbügel 13 weist einen ersten Teilbereich auf, der als U-förmiger Einbettungsbereich 15 ausgebildet ist, einen zweiten Teilbereich, der als Anbindefortsatz 16 ausgebildet ist, sowie weitere Teilbereiche, die als anliegender Abstützbereich 17, als weiterer U-förmiger Einbettungsbereich 18 und als weiterer Anbindefortsatz 19 ausgebildet sind. Die Anbindefortsätze 16, 19, die als Schweißanschlussfahnen ausgebildet sind, können durch Schweißen fest mit dem Strukturbauteil 14 verbunden werden. Ist das Strukturbauteil 14 aus Stahl ausgeführt, so besteht auch der Drahtbügel 13 vorzugsweise aus Stahl. Der Abstützbereich 17 kann ebenfalls mit dem Strukturbauteil 14 verbunden werden, dies ist je nach Art und Richtung der auf den Drahtbügel 13 wirkenden Last jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Wie in 4 gezeigt, ist der Drahtbügel 13 mit seinen U-förmigen Einbettungsbereichen 15, 18 in den Faser-Kunststoff-Verbund 20 des Faserverbundhybridbauteils 21 ähnlich wie zu 2 erläutert eingebettet. Die Anbindefortsätze 16, 19 sowie der Abstützbereich 17 ragen aus dem Faser-Kunststoff-Verbund 20 heraus. Durch Verschweißen der als Schweißanschlussfahnen ausgebildeten Anbindefortsätze 16, 19 mit dem Strukturbauteil 14 kann eine leichte und dennoch hoch belastbare Struktur aus dem Strukturbauteil 14 und dem Faserverbundhybridbauteil 21 geschaffen werden.
5 ist beispielhaft ein mikroskopischer Teilschnitt eines Faserverbundhybridbauteils mit einem Organoblech-GMT-Organoblech-Verbund gezeigt. Wie in 5 zu erkennen ist, kann durch die Einbettung einer GMT-Matte zwischen zwei Organobleche oder zwei übereinander gelegte Bereiche eines Organoblechs mit ein Gewebe bildenden Verstärkungsfasern 9, 9‘ das Entstehen von Hohlräumen weitestgehend vermieden werden. Das GMT-Material ist in 5 mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet. Im Übrigen gelten die zu 2 gegebenen Erläuterungen.
In 6 ist ein metallisches Strukturbauteil 23 mit einstückig mit diesem ausgebildeten Verbindungselementen 24 gezeigt. Bei einem solchen Strukturbauteil 23 ist es nicht notwendig, ein metallisches Verbindungselement zunächst in ein Faserverbundhybridbauteil einzubetten und dieses sodann stoffschlüssig an ein weiteres Strukturelement anzubinden. Stattdessen werden die einstückig mit dem Strukturbauteil 23 ausgebildeten Verbindungselemente 24 mit Faserverbundmatten, insbesondere einem oder mehreren Organoblechen bzw. Organoblechbereichen und/oder GMT-Matten, umpresst.
Ein erfindungsgemäßes Faserverbundhybridbauteil ist beispielsweise geeignet, um Halter und Stützen, etwa eine Tunnelstrebe, an einen Cross-Car-Beam anzubinden, es lässt sich hierdurch aber auch eine Vielzahl weiterer Anbindungen insbesondere im Bereich des Karosseriebaus realisieren. Das Problem der hohen Verbindungskosten bei Hybridstrukturen im Leichtbau wird durch die erfindungsgemäße Lösung beseitig, indem beispielsweise durch Schweißen kostengünstige Hybridstrukturen hergestellt werden können. Insbesondere ist dabei auch der Vorteil erzielbar, dass kein Aufschmelzen in einem Übergangsbereich des Faserverbundhybridbauteils während des Schweißvorgangs erfolgt.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungen, die Erfindung verwirklichen zu können, welche Ausgestaltungen ebenfalls zum Offenbarungsgehalt dieser Ausführungen zählen, ohne dass diese explizit beschrieben werden müssten.
Bezugszeichenliste

1: Faserverbundhybridbauteil
2: Faser-Kunststoff-Verbund
3: Drahtbügel
4: Einbettungsbereich
5: Wulst
6, 6': Anbindefortsatz
7: Wellenbereich
8, 8': Welle
9, 9': Verstärkungsfaser
10: Verbindungselement
11: Kunststoffmatrix
12: Hohlraum
13: Drahtbügel
14: Strukturbauteil
15: Einbettungsbereich
16: Anbindefortsatz
17: Abstützbereich
18: Einbettungsbereich
19: Anbindefortsatz
20: Faser-Kunststoff-Verbund
21: Faserverbundhybridbauteil
22: GMT-Material
23: Strukturbauteil
24: Verbindungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10135847 A1 [0005]
DE 102010034183 A1 [0007]

Claims

Faserverbundhybridbauteil mit in einer Kunststoffmatrix (11) aufgenommenen, Verstärkungsfasern (9, 9') und mit mindestens einem metallischen Verbindungselement (10, 24), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements (10, 24) in Auszugsrichtung formschlüssig in Verstärkungsfasern (9, 9') eingebettet ist und mindestens ein weiterer Teilbereich des metallischen Verbindungselements (10, 24) als Anbindefortsatz (6, 6', 16, 19) aus dem Bereich der Verstärkungsfasern heraus ragt.
Faserverbundhybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundhybridbauteil (1) eine Mehrzahl von Faserschichten umfasst, wobei der erste Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements (10, 24) wenigstens zwischen zwei Faserschichten eingebettet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich des mindestens einen metallischen Verbindungselements (10, 24) mittig oder zumindest weitestgehend mittig zwischen die Mehrzahl von Faserschichten eingebettet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Seite des ersten Teilbereichs des mindestens einen metallischen Verbindungselements (10, 24) verlaufende mindestens eine Faserschicht im Wesentlichen flach und die auf der anderen Seite verlaufende mindestens eine Faserschicht aufgewölbt ausgebildet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Faserschichten miteinander verpresst sind.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht von Verstärkungsfasern zu einem Gewebe verarbeitet sind.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht von Verstärkungsfasern ein Vlies bilden.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine metallische Verbindungselement (10, 24) in einen Organoblech-GMT-Organoblech-Verbund eingebettet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine metallische Verbindungselement (10, 24) zumindest teilweise aus Stahl besteht.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine metallische Verbindungselement (24) einstückig mit dem Strukturbauteil (23) ausgebildet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine metallische Verbindungselement (10) als Drahtbügel (3, 13) mit mindestens einem endseitigen Anbindefortsatz (6, 6', 16, 19) ausgebildet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtbügel (3) zwei endseitige Anbindefortsätze (6, 6') aufweist und mit einem mittleren Bereich zwischen die Verstärkungsfasern (9, 9') eingebettet ist.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindefortsätze (6, 6', 16, 19) als Anschlussfahnen für ein Fügeverfahren ausgebildet sind, insbesondere als Schweißanschlussfahnen.
Faserverbundhybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem ersten Bereich des Verbindungselements (10, 24) in Auszugsrichtung des Verbindungselementes aus seiner Einbettungsanordnung benachbarten Bereich das Faserverbundhybridbauteil (1) wellenförmig geformt ist.