DE3934555A1

DE3934555A1 - Faserverstaerktes sandwichlaminat fuer hochbeanspruchbare, hochsteife, flaechige strukturbauteile, insbesondere karosserieteile von kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE3934555A1
Application number: DE19893934555
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Ing Schaeper; Hans-Guenther Dip Haldenwanger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1991-04-18
Also published as: DE3934555C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Sandwichlaminat nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der Stand der Technik kennt unterschiedlich aufgebaute Sandwichlaminate, die den jeweiligen Verwendungszwecken angepaßt sind und hierfür auch entsprechende Armierungen aufweisen. Allerdings ist ihr Kern relativ dick und besteht aus Waben, Balsaholz oder Schaumkunststoff. Nachteilig haben sich jedoch bei den vorbekannten Sandwichlaminaten verschie dene Faktoren bemerkbar gemacht, so z. B. ihre ungenügende Mißbrauchtauglichkeit, die nach Automobilmaßstäben unzu reichende Lackierfähigkeit, sowie ihre thermische Insta bilität bei im Bandablauf der Automobilindustrie auftre tenden Prozeßtemperaturen. Darüberhinaus haben sich Nach teile bezüglich der Verbindungstechnik beim Schrauben, Klemmen und Nieten wegen der geringen ertragbaren Flächen pressungen ergeben. Weiterhin hat ihre hohe Gesamtdicke von beispielsweise 5 mm und darüber zu Schwierigkeiten bei der Integration in die Karosserie geführt. Schließlich hat sich herausgestellt, daß auch die geforderte dynamische Belast barkeit nicht gegeben war, da Deckschichtablösungen zu einem vollständigen Steifigkeits-und Festigkeitsverlust auf Grund von Wassereintritt führten. Auch trugen die üblichen Kälte- und Wärmezyklen zu einer übermäßig schnellen Zerstörung des Laminates bei. Schließlich bleibt zu erwähnen, daß hand werklich gefertigte Kompaktlaminate mit Kunststoff- Faserarmierung, wie sie beispielsweise beim AUDI-Sport QUATTRO Verwendung finden, fertigungstechnisch sehr auf wendig und deshalb relativ teuer sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte faserverstärkte Sandwichlaminat unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik derart zu verbessern, daß es möglichst dünn ist und trotzdem eine hohe Steifigkeit und Mißbrauchtauglichkeit aufweist. Darüberhinaus sollte das Sandwichlaminat thermisch belastbar und lackierfähig sein, sowie den übrigen Anforderungen in der Automobilindustrie möglichst weitgehend entsprechen. Es soll für Fertigungsstückzahlen tauglich sein, die der handwerklichen Technik nicht zugänglich sind.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete, faserverstärkte Sandwichlaminat gelöst.

Überraschenderweise besitzt das erfindungsgemäße Sandwich laminat nicht nur eine hervorragende Biegefestigkeit, wie etwa halb so dicke Stahlbleche, sondern auch durch die Kombination der mittigen Schicht mit einer Kunststoffaserverstärkung, die hochdehnfähig gewählt werden kann und der Tragschichten mit hochsteifer Carbonfaserverstärkung, deren Dehnfähigkeit gering ist, die gewünschte hohe Steifigkeit und Mißbrauchtauglichkeit. Darüberhinaus ist ihre thermische und mechanische Belastbarkeit so gut, daß in fertigungstechnischer Hinsicht alle Anforderungen erfüllt werden. Gerade die Abstimmung der äußerst unterschiedlich dehnfähigen Faserverstärkungen, ermöglicht zudem die Steuerung der Festigkeitseigenschaften in einem breiten Rahmen, wobei die Herstellungskosten im Vergleich zu den vorbekannten Laminaten gering sind.

Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten faserverstärk ten Sandwichlaminatteils;

Fig. 2 schematische Darstellungen eines noppenar tigen Aufbaus der mittigen Schicht; und

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht des noppenartigen Aufbaus der mittigen Schicht mit Hohlkugeln in den Freiräumen.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße faserverstärkte Sandwichlaminat allgemein mit 10 bezeichnet. Es besteht aus neun verschiedenen Lagen bzw. Schichten a bis e, nämlich einer mittigen Schicht c, die auf ihrer Oberseite mit drei Tragschichten b1, b0, b2 und auf ihrer Unterseite ebenfalls mit drei Tragschichten d0, d1, d2, versehen ist. An die oberste Tragschicht b2 grenzt ein Glasfaserfeingewebe a an, während an die unterste Tragschicht d2 ein ähnliches Ober flächenvlies e angrenzt. Im vorliegenden Fall weisen die Oberflächenvliese a und e ein Flächengewicht von 26 g/m² auf, während die jeweils dreischichtigen Carbonfasergelege b und d jeweils 200 g/m² aufweisen. Die mittige Schicht c wird durch ein Polyesterfaservlies gebildet, das ein Flächen gewicht von 210 g/m² aufweist. Diese übereinander angeord neten Lagen werden geschichtet in ein Werkzeug (nicht ge zeigt) eingelegt, das dann geschlossen wird. Die Wand temperatur des Werkzeugs beträgt ca. 80°. Anschließend werden ca. 1150 g Expoxidharz für jeden m² Laminat injiziert und nach 30 Minuten entformt, wobei sich das erfindungs gemäße hochsteife Laminat ausbildet, welches ein Flächen gewicht von 2,2 kg/m² aufweist. Seine Biegesteifigkeit entspricht in etwa der eines 0,8 mm dicken Stahlblechs. Die Gesamtdicke ergibt sich zu 1,8 mm, wobei die mittige oder Zentralschicht 1 mm umfaßt, während sämtliche anderen acht Schichten a, b0 bis b2, d0 bis d2 und e jeweils 0,1 mm dick sind. Es dürfte jedoch einleuchten, daß die Anzahl der Schichten, deren Dicke und ihr Flächengewicht, nicht un bedingt auf diese Werte beschränkt sind, sondern in einem relativ breiten Rahmen variiert werden können. So können beispielsweise nur zwei oder auch mehr als drei Tragschich ten auf jeder Seite der mittigen Schicht c vorgesehen wer den. Statt der Gelege können auch Vliese, Gewebe und Kombi nationen eingesetzt werden. Auch können die Oberflächen vliese a oder e entfallen. Ferner dürfte einleuchten, daß die Kunststoff-Faserarmierung der mittigen Schicht c unter einer Vielzahl von Kunststoffen ausgewählt werden kann.

Hinsichtlich der Gesamtdicke werden Werte von 0,75 bis ca. 2 mm als geeignet angesehen, wobei das Ausführungsbeispiel mit einer Dicke von 1,8 mm und jeweils drei Tragschichten be sonders vorteilhaft ist. Im Ausführungsbeispiel weisen die Tragschichten b0 und d0 zur Längsachse keine Abweichung auf, während die Tragschichten b1 und b2 einerseits und d1 und d2 andererseits jeweils einen Winkel von -60° bzw. +60° zur Längsachse besitzen. Hierdurch werden etwaige Zug- und Dehnkräfte geeignet aufgefangen. Andere Verstärkungsaus richtungen sind jedoch auch geeignet.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die einzelnen Tragschichten leicht angeschmirgelt worden, um die inter laminare Festigkeit und den Verbund zur mittigen Schicht b und untereinander zu verbessern. Die Glasfaserfeingewebe a und e sind vorgesehen, um eine gewisse Schleifbarkeit im Reparaturfall vorzusehen.

Ferner dürfte einleuchten, daß die Armierung in den einzelnen Schichten leitfähig gemacht werden kann, um eine Verbesserung der elektrostatischen Lackierbarkeit vorzusehen, falls dieses gewünscht wird.

Zur Gewichtsverringerung des erfindungsgemäßen faserver stärkten Sandwichlaminates kann die mittige Schicht c be sonders ausgebildet werden und Hohlräume einschließen. Dieses ist in den Fig. 2 und 3 näher gezeigt. In Fig. 2 wird eine vorgeformte mittige Schicht c gezeigt, die noppenförmige Deformierungen aufweist, die durch Vertiefungen und Erhebungen gekennzeichnet sind.

In Fig. 3 (Schnitt durch die Linie A-A der Fig. 2) ist dann gezeigt, wie die zwischen den Vertiefungen und Erhebungen entstandenen Freiräume mit Hohlkugeln 11 ausgefüllt sind, die aus Phenolharz bestehen.

Die Erfindung schafft also ein extrem dünnes Sandwich laminat, das leicht ist und trotzdem eine hohe Steifigkeit aufweist, so daß es als dynamisch hochbelastbar bezeichnet werden kann. Im übrigen ist es ferner mißbrauchtauglich bei hoher Oberflächenqualität. Es kann ferner derart ausgerüstet werden, daß es eine gute elektrostatische Lackierbarkeit aufweist, da die sog. EMI-Abschirmung integriert ist.

Es ist insofern kostengünstig, als daß nur geringe Mengen an Carbonfasern eingesetzt werden, während die übrigen Fasern ohnehin preiswert sind. Ebenso wie der übrige Stand der Technik lassen sich die erfindungsgemäßen Sandwichlaminate einfach durch Schrauben, Nieten oder Klemmen und Verkleben einbauen.

Claims

1. Faserverstärktes Sandwichlaminat für hochbean spruchbare, hochsteife flächige Strukturbauteile, insbesondere Karosserieteile von Kraftfahrzeugen, aus Kunststoff, gekennzeichnet durch einen maximal ca. 2 mm dicken Aufbau, umfassend:

a. eine mittige Schicht (c) mit einer durchgehenden Kunst stoff-Faserarmierung aus Polyester-, Polyamid-, Poly ethylen-, Polypropylen-, Polyurethan-, Methacrylat-, und/oder Aramid-Fasern in Form von Geweben, Gelegen, Vliesen, Filz- und/oder Gestrick,
b. mindestens zwei jeweils auf der Ober- und Unterseite der mittigen Schicht (c) angeordnete Tragschichten (b und d) mit einer Carbon-Faserarmierung.

2. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei jeweils dreischichtige Tragschich ten (b und d).

3. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbon-Faserarmierung in Form von Geweben, Gelegen, Matten und/oder Vliesen in den Tragschichten vorgesehen sind.

4. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbon-Faserarmierungen im wesentlichen oberflächenparallel ausgerichtet sind.

5. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbon-Faserarmierungen in den beiden dreischichtigen Tragschichten jeweils Verstärkungsrichtungen von etwa -60°, ±0°, +60°, aufweisen.

6. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mittigen Schicht (c) und den Tragschichten (b und d) jeweils eine Metallfolie eingesetzt ist oder ein Metallfaser-Vlies, -Gewebe, -Gestrick, -Geflecht, -Gelege.

7. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Tragschichten (b und d) vor dem Zusammenfügen zur Verbesserung der Übertragung von interlaminaren Kräften geschmirgelt sind.

8. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch jeweils ein Oberflächenvlies (a, e) für die Unter- und Oberseite des Sandwichlaminates, wobei anstelle des Oberflächenvlieses auch ein Fein-Gewebe, -Gestrick, -Gewirk, -Gelege, -Geflecht eingesetzt wird.

9. Faserverstärktes Sandwichlaminat gekennzeichnet durch ein Gesamtflächengewicht von etwa 2 kg/m², von dem die Faserarmierungen ca. 1/3 bis 1/2 und der injizierte Kunst stoff 2/3 bis 1/2 des Flächengewichtes umfassen.

10. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine noppenförmige Deformierung der mittigen Schicht (c), bei der die Freiräume mit Hohl kugeln, insbesondere Phenolharz-Mikroballons, aufgefüllt sind.

11. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbon-Faserarmierung der Tragschichten (b und d) elektrisch leitend durch die mittige Schicht (c) hindurch verbunden sind, so daß ein elektrisch leitendes Raumgitter mit vielen Käfigen entsteht.

12. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mittige Schicht (c) zur Abschirmwirkung gegen elektromagnetische Störwellen einen etwa 1- bis 10%igen Anteil an leitfähigen oder leitfähig beschichteten Fasern und/oder metallisierte Schaumstoff flocken oder metallisierte Hohlkugeln umfaßt.

13. Faserverstärktes Sandwichlaminat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtaufbau der Faser armierung in Dickenrichtung mit leitfähigen Fäden (wie eine Steppnaht) durchzogen ist, deren Durchstichlänge größer als die endgültige Dicke im ausgehärteten Zustand ist.