EP3704397A1 - BAUTEIL ZUR ABSORPTION VON STOßENERGIE - Google Patents

BAUTEIL ZUR ABSORPTION VON STOßENERGIE

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Publication number
EP3704397A1
EP3704397A1 EP18796873.0A EP18796873A EP3704397A1 EP 3704397 A1 EP3704397 A1 EP 3704397A1 EP 18796873 A EP18796873 A EP 18796873A EP 3704397 A1 EP3704397 A1 EP 3704397A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
fiber
bundles
wall
carbon fibers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18796873.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Wohlmann
Christian Hunyar
Markus Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teijin Carbon Europe GmbH
Original Assignee
Teijin Carbon Europe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teijin Carbon Europe GmbH filed Critical Teijin Carbon Europe GmbH
Publication of EP3704397A1 publication Critical patent/EP3704397A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members
    • F16F7/124—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members characterised by their special construction from fibre-reinforced plastics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
    • C08J5/042—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with carbon fibres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/003—One-shot shock absorbers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/24—Arrangements for mounting bumpers on vehicles
    • B60R19/26—Arrangements for mounting bumpers on vehicles comprising yieldable mounting means
    • B60R19/34—Arrangements for mounting bumpers on vehicles comprising yieldable mounting means destroyed upon impact, e.g. one-shot type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2363/00—Characterised by the use of epoxy resins; Derivatives of epoxy resins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0241—Fibre-reinforced plastics [FRP]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2234/00—Shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2236/00—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements
    • F16F2236/04—Compression

Definitions

  • the invention relates to a three-dimensional, formed as a body member made of a fiber composite material for arrangement between a first shock element and a second shock element and for the absorption of impact energy due to an acting between the first and second impact element impact stress.
  • the protection of vehicle occupants of a motor vehicle as well as the protection of persons and objects located in the vicinity of the vehicle in collision cases is an important aspect in the design and manufacture of a motor vehicle. It is important in a safe design of a motor vehicle in the event of a collision that a vehicle deceleration or a force acting on the vehicle occupants, while occupant restraint systems develop their effect, do not exceed certain thresholds in the course of the collision.
  • Such a deformation element for example, between a bumper cross member and a frame side member of the
  • Body structure including a body structure carrier or
  • Body structure support failed at an adjusted strength level.
  • Body structure or deformation elements are often designed so that they fail collision energy absorbing in the collision load case of the motor vehicle.
  • Body structural support made of metallic materials are designed so that they deform plastically suitable at a certain level of force over a designated route.
  • pipes made of aluminum provide a strong connection between the bumper cross member and the vehicle.
  • the specific energy absorption (kJ / kg) of metal tubes when compressed is not particularly high.
  • the initial force required for a metal tube to be compressed longitudinally may be too large for many situations.
  • Carbon fiber reinforced plastic or other fiber reinforced plastic hollow sections have been proposed, for example
  • EP 1366960 B1 discloses components for energy absorption or absorption of impact energy from fiber composite materials, in particular composite materials based on carbon fibers.
  • Body structure supports or deformation elements can be produced, for example, by braiding, pultrusion or winding or, as described in EP 1366960 B1, by laminating together several fiber layers, for example multiple layers of fabric, preferably starting from continuous fibers.
  • components for energy absorption have z.T. a layered structure or laminate structure, but can also be prepared from discontinuous fibers according to DE 102014016024 A1 or contain areas with arbitrarily oriented fibers, as described in EP 1366960 B1. Overall, the components described in the aforementioned documents have a complex component structure.
  • JP 06-264949 has a cylindrical shape, wherein the wall of a cylindrical portion is designed so that the wall thickness increases from one end to another end. In the examples, JP 06-264949 goes over
  • Injection molding process prepared elements with a polypropylene matrix were mixed in the glass fibers with a fiber length of 3 mm and in a concentration of 30 wt .-%.
  • EP 3104036 A1 describes structures of fiber composite materials with a thermoplastic matrix for shock absorption or for energy absorption.
  • the structures are usually designed as hollow profiles and may comprise bündiförmige reinforcing fibers.
  • the fibers may be carbon fibers embedded in the thermoplastic matrix.
  • the fibers may preferably be oriented two-dimensionally randomly in a surface plane.
  • reinforcing fibers can be cut, then opened and the opened reinforcing fibers then mixed with a fibrous or particulate thermoplastic.
  • thermoplastic semifinished product a fiber-reinforced thermoplastic semifinished product.
  • One or more such semi-finished layers are stacked on top of each other to form the hollow profile.
  • the layered structure when impacted in a direction parallel to the layers, may result in delamination of the layers, associated with the detachment of large contiguous areas of material, which significantly reduces the specific impact energy impartation, or associated with the buckling of so weakened areas of the component , which leads to the sudden failure of the component and a very low impact energy consumption.
  • the present invention has for its object to provide a structurally simple and easy to manufacture component for absorbing energy in the event of impact load.
  • the component should have a high specific impact load
  • the object is achieved by a three-dimensional, formed as a body member made of a fiber composite material based on carbon fibers for the arrangement between a first shock element and a second shock element and for the absorption of impact energy due to an acting between the first and second shock element impact stress having an impact direction having the component
  • the bundles are distributed substantially uniformly over the wall thickness, when viewed in a direction perpendicular to the first and / or second surface are substantially isotropically aligned and viewed parallel to the first and / or second surface (8, 9), the bundle angle of intersection form with a part of the first and / or second surface (8, 9), wherein the bundles are distributed parallel to the first and / or second surface (8, 9) within the component so that the majority of the cutting angles is within a range , in which the angles of intersection in the West are evenly distributed between 0 ° and 90 ° up to predominantly present
  • the fiber volume fraction of the carbon fibers in the wall is in the range between 35% by volume and 70% by volume
  • the bundles of carbon fibers have a length in the range between 3 mm and 100 mm and
  • the component being obtainable by a process comprising producing a fiber preform from the bundles of carbon fibers, and optionally by subsequently introducing a matrix system into the fiber
  • Fiber preform by injection, infusion infiltration or pressing.
  • the component should be designed as a body in a viewing direction parallel to the longitudinal extent.
  • the term body includes both a profile, semi-profiles or other geometries whose cross-section may vary along the longitudinal axis.
  • the body may be hollow, solid and / or partially filled and / or its longitudinal extent may be subdivided by means of intermediate pieces. Furthermore, the body may have different wall thicknesses, include reinforcing elements and / or have recesses.
  • the body that forms the component may be constructed in one piece (in one piece) or from a plurality of partial bodies.
  • the part bodies may also have different cross sections, be hollow, solid and / or partially filled and different
  • the component can also be referred to as a deformation element.
  • the bundles of carbon fibers may also be referred to as carbon fiber bundles, reinforcing fiber bundles, or bundles only.
  • the component can also be formed without the subsequent incorporation of the components of a matrix system (eg a thermosetting matrix resin).
  • a matrix system eg a thermosetting matrix resin
  • Matrix material (a matrix system) for component manufacturing is not required.
  • the component for example, by activating the
  • Components of the polymer matrix are produced by means of pressure and heat.
  • the polymer matrix (in which the fiber bundles are embedded) consists for the most part of one or more crosslinked polymers. To a lesser extent, the polymer matrix may also comprise partially crosslinked polymers.
  • the polymer matrix can be a predominant proportion of a fully crosslinkable duromer and a small proportion of a thermoplastic
  • Resin system and / or additives.
  • Resin system and / or additives.
  • thermoplastic behaving thermosets used.
  • thermosets used.
  • the polymer matrix consists of a conglomerate of epoxy with thermoplastic portions.
  • Polymer matrix system which consists for the most part of one or more crosslinked polymers (for example, a thermosetting matrix resin).
  • the matrix system preferably hardens.
  • the matrix system (optionally in addition to
  • Part manufacturing can be added) for the most part of one or more crosslinked polymers.
  • the matrix system may comprise fully or at least partially crosslinked polymers.
  • the matrix system can have a predominant proportion of a fully crosslinkable duromer and a small proportion of a thermoplastic resin system and / or additives. It is also possible to use thermoplastically behaving thermosets. In a further embodiment The matrix system consists of a conglomerate of epoxy with thermoplastic components.
  • the component over a wide temperature range advantageously approximately constant
  • the majority of the bundles between the first and / or second surface forms so-called cutting angles with the first and / or second Surface off.
  • the cutting angles of the fiber bundles are in a range in which the cutting angles in the West are uniformly distributed between 0 ° and 90 ° up to an arrangement of the fiber bundles, in which the cutting angles predominantly an angle of greater than 1 °, preferably greater than 2 ° and more preferably greater than 3 °.
  • angles of intersection In the case of a distribution of the fiber bundles, which is predominantly isotropic when considered parallel to the first and / or second surface, the angles of intersection essentially all have a value between 0 ° and 90 °, wherein no value is to be represented much more frequently or less frequently. Lying the
  • the fiber bundles are isotropic in the component and also
  • the wall thickness of the component is is isotropic with respect to the surfaces if the fibers of the fiber bundles have a short length and, in addition, the wall thickness of the component is greater than the fiber length.
  • An example of this could be the use of fiber lengths of 3 mm for a component with a wall thickness of 5 mm.
  • the extension of the component in the longitudinal direction is greater than its extension perpendicular to the longitudinal direction.
  • the component according to the invention leads to a uniform absorption behavior, which can be recognized by the force curve over the deformation path, wherein the peak loads in the initial phase of an impact load are comparatively low.
  • a high specific energy absorption (kJ / kg) can be realized with the component according to the invention in comparison to components or deformation elements made of metallic materials.
  • the component according to the invention thus provides a solution which enables a defined energy absorption to a constant level over an adjustable long deformation distance.
  • the actual energy level can be due to the geometric design of the component (especially by the
  • the layered structure of layers of a laminated one another is compared to deformation elements made of fiber composites. Also compared to deformation elements made of fiber composites, the layered structure of layers of a laminated one another
  • Deformation elements with a layered structure in the event of a failure, at least in part result in a delamination of the layers, ie a peeling or breaking apart of the layers from one another, accompanied by a lower resultant force level.
  • a failure in the present component or deformation element can not take place, as viewed in a direction perpendicular to the thickness of the wall or parallel to the first and / or second surface of the component of the predominant Part of the bundles between an isotropic alignment and an alignment, in the bundles are arranged substantially not a cutting angle greater than 1 ° to the first and / or second surface of the component. This means that there is no layered structure, but a penetration of different levels of the wall of the component by the bundles, so a
  • the bundle and in particular its substantially isotropic distribution, is substantially uniform over the wall thickness
  • the component according to the invention is constructed, at least for the most part, from bundles of carbon fibers, and the orientation of the fiber bundles required according to the invention is the cause of a high specific energy absorption.
  • the impact energy from the continuously acting impact force is dissipated in the failure zone initiated in this way in such a way that it is dissipated
  • the high fiber volume fraction of the carbon fibers in the wall in the range between 35 vol .-% to and 70 vol .-% is the cause of a high specific energy absorption of the component under impact load. It should be noted that at fiber volume fractions below 35 vol .-% the
  • Failure behavior of the component is under shock load dominated by matrix failure, i.
  • the failure behavior is determined by a break or crack in the matrix and thus by an inter-fiber break.
  • Fiber volume fractions above 35% by volume the failure behavior is primarily due to failure at the interface between fiber and matrix, i. determined by a fiber break.
  • the higher failure forces of the latter two failure modes compared to the first failure form generate a high density of degradation energy and thus a high specific dissipated energy and thus a high specific energy absorption in the material.
  • Sufficient distribution of the matrix in the component and wetting on the filament surfaces of the fiber bundles can no longer be guaranteed.
  • the fiber volume fraction is limited by the filament geometry at very high values, since with circular filament cross sections a densest circular packing in the cross-sectional plane along the fiber direction in the fiber bundle can not be exceeded.
  • the fiber volume fraction of the carbon fibers in the wall of the component is in the range from 45% by volume to 65% by volume.
  • the bundles of carbon fibers i. the
  • Carbon fiber filaments and have a length between 3 mm and 100 mm.
  • the length is in the range of 5 mm to 70 mm, and more preferably in the range of 10 mm to 50 mm.
  • the wall of the component according to the invention has a plurality of groups of reinforcing fiber bundles with mutually different lengths, so that overall the length of the reinforcing fiber bundles has a distribution.
  • reinforcing fiber bundles having a length of 20 mm, 30 mm and 50 mm may be combined with each other.
  • the bundles of carbon fibers i. the reinforcing fiber bundles may be made of conventional carbon fiber filament yarns having e.g. 500 to 50,000 fiber filaments exist. However, it is advantageous if each reinforcing fiber bundle consists of 500 to 24,000 reinforcing fiber filaments. To achieve the most homogeneous possible distribution of the reinforcing fiber bundles in the component wall and to achieve the highest possible fiber volume fractions, the number of filaments in the bundles is particularly preferably in the range 500 to 6,000 and most preferably in the range of 1 .000 to 3,000.
  • a multifilament reinforcing yarn may be used as
  • Carbon fiber yarn having a tenacity of at least 5000 MPa measured according to JIS-R-7608 and a tensile modulus of at least 260 GPa measured according to JIS-R-7608.
  • the bundles constituting the wall of the component according to the invention preferably have one Width in the range of 1 mm to 20 mm and more preferably a width in the range of 1 mm and 10 mm. Likewise, it is high for achieving
  • Packing densities of the bundles i. to achieve high fiber volume fractions in the component wall of above 45 vol .-%, further advantageous if the bundles as flat as possible a cross section perpendicular to the extension of
  • the bundles are ribbon-shaped and have a ratio of bundle width to bundle thickness of at least 25.
  • the ratio of bundle width to bundle thickness is particularly preferably in the range from 30 to 150.
  • Ratio of bundle width to bundle thickness, in terms of their length and in terms of the number of reinforcing fiber filaments can be realized particularly high packing densities of the reinforcing fiber bundles and thus particularly high fiber volume fractions in the component wall.
  • the bundles arranged in the wall of the component have different lengths and different numbers of filaments in addition to a flat cross-section. This leads to particularly high fiber volume fractions in the wall of the component.
  • Impact energy i. As a deformation or crash element, a uniform material behavior over as large a range as possible
  • thermoplastics with higher glass transition temperatures for example thermoplastics of the PAEK family, such as e.g. Polyether ether ketones (PEEK), etc.
  • PEEK Polyether ether ketones
  • the high processing temperatures due to the high melting temperatures mean considerable consequential costs.
  • Thermoplastics with a melting point above 250 ° C are not suitable.
  • the bundles are embedded in the component and the carbon fibers constituting the bundles in a polymer matrix, which consists for the most part of one or more partially or fully crosslinked polymers.
  • the polymer matrix preferably comprises at least 60% by volume, based on the matrix fraction, and particularly preferably at least 75% by volume, of one or more partially or fully crosslinked polymers.
  • Other constituents of the polymer matrix may be, for example, thermoplastics in order to increase the impact strength of the component or other additives, for example the
  • the polymer matrix has a matrix material based on acrylate or methacrylate.
  • the carbon fibers are included in the wall of the component
  • the wall is at least predominantly composed of bundles of carbon fibers, within which the carbon fibers
  • constituent carbon fiber filaments are arranged parallel to each other, wherein the bundles and the carbon fibers constituting the bundles are embedded in a polymer matrix, which consists for the most part of one or more crosslinked polymers. This means that in fact the bundle structure is preserved in the finished component.
  • the carbon fibers are stretched in the bundles, whereby a high level of Drucksteif ig values for the component according to the invention can be achieved.
  • This property of the component according to the invention is in the application of advantage, since at a shock load of the component or the deformation element, which is a failure of the component to form a crash zone, the material lying below the crash zone must withstand the compressive forces and must not fail.
  • This high pressure stiffness is necessary, since it keeps the deformation in the support zone, which has not yet been damaged by failure (crushing), and thus prevents premature failure of the component by kinking or buckling. If the compressive stiffness in relation to the crash failure stress is comparatively low, otherwise the component would have to be made very thick or, in the worst case, it always fails due to kinking or buckling.
  • a stretched configuration of the carbon fibers in the component is understood to mean that the carbon fibers are not curled or bent on their own and a change in the
  • Reinforcing fibers were oriented and undulated by the flow of the viscous matrix during the manufacture of the SMC component during the filling process.
  • the fiber bundles are not aligned along a straight line, but have in comparison to a significant curvature.
  • the strong flow of the matrix and fibers during the filling process creates an inhomogeneous fiber distribution.
  • the carbon fiber bundles according to the invention are distributed homogeneously over the component cross-section. Homogeneous distribution is understood here to mean that the fluctuation of the fiber volume fraction is less than ⁇ 10% by volume for each sample of the component having a size of at least half the fiber bundle length of the component (eg for a cylindrical sample of 25 mm diameter and 2 mm Thickness with a component wall thickness of 2 mm and a fiber bundle length of 50 mm).
  • the bundles are already deposited in the production of the preform essentially in the final geometry. During the injection and infusion process, only the flowable components will be added to the polymer matrix. A shift in the Carbon fiber bundle is excluded due to the fixation of the preform. Over this, the carbon fiber bundles retain their stretched orientation. This achieves high compressive stiffness values and avoids undesired failure at weak points, such as resin-rich zones or particularly severely deformed areas of the component.
  • the component can be produced in a simple manner by first producing from the bundles of carbon fibers a fiber preform, often also referred to as a preform.
  • the already near-net shape fiber preform is inserted into a tool which has the negative or positive near net shape of the component. If the reinforcing fiber bundles already have enough matrix material, the addition of further matrix material is not necessary.
  • the matrix material can be activated, for example, for component production with pressure and heat.
  • additional matrix material matrix system
  • the matrix material i. the not fully or partially cured matrix resin, are introduced into the tool and thus in the fiber preform via infusion, infiltration, injection or pressing. Subsequently, with full or partial crosslinking of the polymeric matrix material (for example by curing a thermosetting matrix resin), the component is formed.
  • the production of the fiber preform can be carried out inexpensively and in a simple manner according to the method, as described, for example, in EP 2727693 B1, to the relevant disclosure of which reference is expressly made.
  • the method of EP 2727693 B1 comprises the following steps:
  • Carbon fibers are used, in which the carbon fibers are provided with a binder.
  • This binder is a material by means of which e.g. by a heat activation and subsequent cooling of the
  • Fiber preform can be brought into a stable state, the one
  • the binder may then be a fiber preparation commonly applied to the filaments of the carbon fibers to provide improved processability and fiber closure, ie at least partially bonding the filaments together.
  • Preparations are often based on epoxy resins or polyurethane resins.
  • the polymer matrix (in which the fiber bundles are embedded) preferably represents the binder or the preparation for the carbon fiber bundles.
  • an increased content is required for producing the fiber preform for the component according to the invention, preferably in the range of 2 Wt .-% to 14% by weight and particularly preferably in the range of 3 wt .-% to 7 wt .-%, based on the total weight of the binder provided with carbon fiber yarn.
  • Suitable binders here are thermoplastic or unhardened or partially cured thermoset polymers or even polymer compositions of these polymers.
  • thermoplastic polymers are, for example, polyethyleneimine, polyetherketone, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone, polyether ether sulfone, aromatic polyhydroxyethers, thermoplastic polyurethane resins or mixtures of these polymers.
  • uncured or partially cured thermoset polymers come from any suitable thermoplastic polymers.
  • Fiber preform ie usually at room temperature, prevail, are not sticky. However, at elevated temperatures the binder (s) should be tacky and result in good adhesion of the fiber bundles made therefrom.
  • Such reinforcing fiber yarns or Strands of reinforcing fibers are described, for example, in WO 2005/095080, the disclosure of which is expressly referred to here.
  • the local filament yarns are infiltrated with a binder composed of several different epoxy resins, these epoxy resins differ in a defined manner with respect to their properties such as epoxy value and molecular weight and with respect to their concentration.
  • WO 2013/017434 the disclosure of which is incorporated herein by reference, describes prepreg impregnated with a binder
  • the polymer matrix used in the component and / or the matrix system used a fracture toughness, which increases by a maximum of 100% at a
  • the polymer matrix used in the component may be the polymer matrix of the reinforcing fiber bundles and / or the matrix system optionally additionally added for the production of the component.
  • the component is, as stated, in a viewing direction parallel to
  • the training as a body is a self-supporting and against buckling loads stable structure. In this way, the impact energy over the deformation can be uniformly dissipated and a buckling of the component, creating another
  • the body when viewed parallel to the longitudinal direction of the component to a profile, more preferably to a
  • Wave profile, a zig-zag profile, an angle profile or a profile, which has a mixture of the aforementioned profiles act. However, it can also be any, even irregular profiles.
  • the inner and / or outer cross-section of the body has a wave shape, a zig-zag shape, an angle shape, a curve or a mixture of the aforementioned shapes.
  • the component may have as a body a closed hollow profile, which has a cavity extending between the first and second ends, wherein the first end and the second end are connectable to the first and the second impact element, and wherein the hollow profile has an outer and an inner cross-section and the first surface facing away from the cavity and the second surface facing the cavity.
  • hollow profiles are preferred in which the inner and / or the outer cross section has a circular, elliptical, square or rectangular contour or a polygonal contour. Examples of such hollow profiles are as in EP 3104036 A1 or in the
  • the component may have more than a first and a second end.
  • the component may have three or more ends.
  • Simplification is reported below from a first and a second end, without restricting the component to it.
  • the wall thickness of the component according to the invention over the extension in the longitudinal direction is constant (see Figure 2c). In a further preferred embodiment, the wall thickness of the component increases from the first to the second end of the component (see Figure 2d).
  • a hollow profile as the body of the component can preferably the inner and / or the outer Cross section along the extension to be constant in the longitudinal direction.
  • the inner and / or outer cross-section may increase in a region between the first and second ends from the first to the second end of the composite component.
  • a wall is obtained with a wall thickness constant from the first to the second end of the component.
  • the cross-sectional area of the wall over the extension of the component in the longitudinal direction is constant.
  • a constant wall thickness can be obtained if the inner and outer cross-sections increase in the same way from the first to the second end along the longitudinal extension. In this case, however, the cross-sectional area of the wall increases over the extension of the component in the longitudinal direction from the first to the second end of the component.
  • Further advantageous embodiments of the component according to the invention are those in which the wall thickness increases in a region between the first and the second end from the first to the second end of the component.
  • the wall of the component is made thicker and / or thinner only in some areas.
  • Subregions whose wall is thicker within the subregion may have ribs, for example.
  • Subregions whose wall is thinner within the subregion can be, for example, trigger regions which can be used to introduce force.
  • the component is constructed from a plurality of partial bodies.
  • the component may consist of two body shells that
  • the component can be used individually or with several components as an absorption element for impact energy.
  • the components used may be the same or different and / or in Row next to each other, one above the other and / or arranged concentrically around a center.
  • this component in the case that the component is a closed hollow profile as a body, this component is constructed from two partial profiles, which are interconnected in the longitudinal direction to form the hollow profile.
  • Such sub-profiles for example in the form of half-shells, are in a particularly simple manner via a process for producing a
  • the sub-profiles in the longitudinal direction on the side flanges, via which the sub-profiles are interconnected.
  • the connection can preferably be effected by means of an adhesive, for example by means of a 2-component construction adhesive.
  • the connection can also be effected by means of a clamping, screwing, welding and / or riveting surrounding the flanges on the outside, or by means of an auxiliary construction enclosing the flanges, as described for example in EP 3104036 A1.
  • the sub-profiles are positively and / or non-positively connected.
  • the component has a region for initiating the impact energy at its at least first and / or second end.
  • the impact force or impact energy in the often referred to as a crash element component is first introduced into a located at the end of the crash element area for initiating the impact energy, the so-called trigger area, for example, a chamfer the cross-sectional area (chamfer) can be.
  • the trigger area for example, a chamfer the cross-sectional area (chamfer) can be.
  • the exact geometric design of this area has proven to be less important. He does, however, have one Reduction of the wall thickness or the cross-sectional area of the wall include and is primarily a breaking point for a targeted failure.
  • an increased tension acts, as the same force acts on less material in the area of the bevelled tips, and the material fails.
  • the wall of the present component is composed at least predominantly of bundles of carbon fibers, within which the carbon fiber filaments constituting the carbon fibers are arranged parallel to one another.
  • the wall may additionally comprise at least one layer of unidirectionally oriented long fibers, wherein the at least one layer on at least one of
  • Surfaces or inside the wall can be arranged and extend between the first and the second end of the component.
  • Layers of unidirectionally oriented long fibers can be achieved in the application, for example, a further stabilization of the component against buckling.
  • the long fibers extend from the first to the second end of the component. At more than two ends extend the
  • Long fibers preferably between at least two ends of the component. Such long fibers preferably have fibers with a length of more than 10 mm and a width of more than 3 mm.
  • the wall has on the first and / or second surface reinforcing elements which extend in the direction of the longitudinal direction of the component.
  • Reinforcement elements may e.g. have the shape of ribs or lamellae which are applied to the surface, for example by adhering separately produced elements (see also Figure 2).
  • the reinforcing elements may also be made of fiber composite material, but they may also be elements of, for example, metallic materials. In the case that the reinforcing elements made of fiber composite material, the
  • Reinforcement also integral with the component or the wall of the component connected and made together with the wall.
  • tapes of unidirectional fibers such as unidirectional prepregs, may be laminated to the wall of the fiber preform and cured after injection of the matrix material together with the matrixed fiber preform to the component.
  • the reinforcing elements consist of the same bundles of carbon fibers, which were also used for the formation of the wall of the component.
  • a permanently bearing element is integrated into the component, which is connectable to the first and the second impact element. This permanently bearing element is not destroyed in the event of a shock load together with the component, but
  • the permanently supporting element may be a steel tube which is telescopically displaced in the component in the event of a crash or in the event of a shock load. It is also possible that several permanently supporting elements are integrated into the component.
  • FIG. 1 schematically shows a comparison of the voltage-path curves between components not according to the invention and an exemplary embodiment of the component according to the invention in a crash.
  • FIGS. 2, 2a, 2b, 2c and 2d schematically illustrate possible embodiments of the component.
  • FIGS. 1 and 3 to 11 show various crash data in curves for exemplary embodiments of the component.
  • the x-axis represents the distance measured in mm.
  • the y-axis indicates the force measured in kN.
  • FIG. 1 shows a comparison of the pressure or stress-displacement characteristics of an aluminum component (curve A) in comparison to components made of fiber-reinforced plastics.
  • the X-axis describes the path in mm, the Y-axis the pressure or the stress in MPa.
  • Fiber-reinforced plastics is a non-inventive example of a thermoplastic with carbon fibers (curve B) and a component, according to an embodiment of the invention (curve C), wherein the carbon fibers having a mean cutting length of the fiber bundles of 50 mm in an isotropic fiber bundle distribution in the component templates.
  • Both components made of fiber-reinforced plastic had the same geometry and were constructed from half-shells.
  • the aluminum component consisted of a tube with a 66 mm inner diameter and 2 mm wall thickness. The geometries of the components were coordinated so that the results are comparable. It can be seen that the amplitude variation with respect to the path of the aluminum component is much greater than that of the
  • the initial voltage amplitude of the failing component according to an embodiment of the invention is substantially lower. This has the consequence that at lower initial forces already kinetic energy in
  • Deformation energy is converted and so, for example, the following
  • Vehicle structures or vehicle occupants are protected against the action of high forces.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a component 1 which is used for
  • the component 1 has a first end E1 and a second end E2 and, for example, a semicircular Cross-section, wherein the cross section changes along the longitudinal direction L.
  • the component 1 may have a rib 2 (or a plurality of ribs), which may be provided on a first surface 8, for example.
  • the rib can be made in one piece from the component 1 or attached as a further element on the component 1.
  • the rib 2 can be formed by the deposition of one or more slivers on the component 1.
  • the component 1 may further preferably have recesses 3, such as holes. Through these recesses 3, advantageously, the weight of the component 1 can be reduced, without the length or width of the
  • the component flaps or covers 5 may be provided which divide the component 1 in its longitudinal extent L.
  • the cover 5 can be designed so that they extend from one wall to the other wall and thus form a closure or they can extend only within the component 1, without the cover 5 has a contact with the other (opposite) wall side.
  • the lid or flaps 5 can advantageously stabilize the component 1 and, for example, prevent kinking of the body 1 in the event of a shock.
  • the body 1 has a half-round profile 7, wherein the first end E1 has a smaller diameter than the second end E2.
  • the component 1 can be connected to other parts.
  • the other parts may, for example, be further components 1 for the absorption of impact energy (of the same type or another type) or impact elements.
  • the component 1 can be brought into positive and / or non-positive connection with the other parts, wherein an irreversible connection is preferred.
  • FIG. 2 a shows an embodiment of the component 1 as used for example 1.
  • FIG. 2b schematically shows a section of the component 1. Shown is a part of a wall of the component 1 with the first surface 8. Fiber bundles for Formation of the component 1 are substantially isotropic when viewing a perpendicular S to the first surface 8. Furthermore, the fiber bundles when viewing a parallels W to the first surface 8 cut angle to the surfaces 8, 9th
  • FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • an external cross section 1 1 of FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner.
  • FIG. 2d schematically shows a further embodiment of the component 1 in a simplified manner. In this embodiment remains the
  • FIG. 12 shows an X-ray image of a component with stretched fiber bundles.
  • the component should preferably be at least 20% of the fiber bundles in FIG. 12
  • a body according to an embodiment of the invention as a crash component as shown in Figure 2a, produced.
  • the component was tested in a dynamic impact test.
  • preforms were first produced so-called preforms.
  • a carbon fiber yarn (Tenax HTS40 X030 12k 800 tex) with disability (according to the writings WO 2005/095080, WO 2013/017434) was divided into fiber bundles in the transverse and longitudinal direction. The fiber bundles were given a length of 50 mm and a width between 1 mm and 5 mm.
  • Fiber bundles were formed into near-net shape preforms.
  • the fiber bundles are applied to a preform tool, which already for the most part depicts the geometry of the end component.
  • the method of application (manually or by means of a controlled track, e.g., a robot) is of minor importance as long as a uniform application of the bundles is produced.
  • a fiber order is set to a
  • the preform tool can be designed with many small holes, which are acted upon by a suction flow. In this way, the fiber bundles are sucked in and fixed at the respective point.
  • this structure is heated and the binder unfolds its adhesive effect. Under certain circumstances, the structure can be compacted by an additional force perpendicular to the respective surface. After the binder has cooled again, the entire preform but also the individual fiber bundles are fixed at their local locations.
  • the preforms were fixed in a steel mold by a resin infusion process (Resin
  • Trigger introduced in the form of a circumferential 45 ° bevel.
  • the component thus fabricated was attached to a flat, non-compliant steel baffle plate so that the longitudinal axis was perpendicular to the plate and the force application point faced outward. Subsequently, a carriage, which had a mass of 61 kg and a flat steel baffle plate in the direction of the component, so at 10 m / s on the component driven that it was destroyed along its longitudinal axis.
  • Comparative Example 1 of Table 1 is a component of carbon fibers with a cut length of 50 mm, wherein the component was produced according to the description of Example 1, with the difference that polyamide 6 was used as the matrix material.
  • a component has the disadvantage that the initial amplitude is substantially higher than for a component according to an exemplary embodiment of the invention.
  • thermoplastic matrix systems show a temperature-dependent crash behavior, which is not desirable.
  • components with a high proportion of thermoplastics tend to absorb water, which reduces the life of such components due to swelling of the components. It can easily be seen that the shortening of the service life, especially at the end of the life cycle, influences and reduces the crash properties of the component.
  • thermoplastic matrix The temperature dependence of components with a thermoplastic matrix is shown in FIG. 11.
  • the X-axis of Figure 1 1 describes the path in mm
  • the Y-axis describes the force in kN.
  • the curve D describes the crash behavior of a component constructed according to Comparative Example 1 at -30 ° C.
  • the curve E describes the crash behavior of a component constructed according to Comparative Example 1 at -20 ° C, the F curve at 50 ° C and the G curve at 90 ° C.
  • Such a temperature range is common especially for components as crash elements in the automotive sector.
  • a consistent failure behavior which is largely independent of the temperature, can therefore with thermoplastics as the main
  • Matrix material can not be achieved.
  • Comparative Example 2 of Table 1 is an aluminum tube, as it was already used for the experiment of Figure 1.
  • Example 2 is an aluminum tube, as it was already used for the experiment of Figure 1.
  • Example 2 a component was made from preforms containing fiber bundles of length 25 mm and width of 1 mm to 5 mm. In contrast to Example 1, consequently fiber lengths of 25 mm were used instead of 50 mm.
  • the wall thickness of the component corresponded to that of
  • Example 1 The component was destroyed as indicated in Example 1. This resulted in a force curve shown similar to Figure 3 with a force plateau at (55 +/- 5) kN. The absorbed energy per mass of the component material was 72 J / g. The course of the force-displacement curve and the specific
  • Example 1 components were made from preforms containing fiber bundles of length 50 mm and width of 1 mm to 5 mm. Unlike in Example 1, however, two components were manufactured, the one
  • Wall thickness of 3 mm or 4 mm had.
  • the components were destroyed as indicated in Example 1 and the results worked up as indicated in Example 1.
  • the absorbed energy per mass of the component material was 70 J / g for 3 mm wall thickness and 73 J / g for 4 mm wall thickness.
  • Example 1 components were made from preforms containing fiber bundles of length 50 mm and width of 1 mm to 5 mm with a wall thickness of 2 mm. The components were as in Example 1
  • Example 1 components were made from preforms, which fiber bundles of length 50 mm and the width of 1 mm to 5 mm at a Wall thickness of 2 mm had.
  • the fiber volume fraction of the components according to Example 5 was once 40% and once 45%.
  • the components were destroyed as described in Example 1 and the data prepared as described for Example 1.
  • the force profiles of the curves were shown in FIG. 9 for 40% fiber volume fraction and FIG. 10 with 45% fiber volume fraction with a force plateau at (45 +/- 10) kN for a fiber volume fraction of 40% and at (45 +/- 5) kN for a fiber volume fraction of 45%.
  • the energy absorbed per mass of the component material was 64 J / g for a fiber volume fraction of 40% and 61 J / g for a fiber volume fraction of 45%. While at 40% fiber volume fraction, the fluctuations in the plateau region of the force-displacement curve were still relatively large, 45% already formed

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Abstract

Es wird ein Bauteil als Crash-Element aus einem Faserverbundmaterial vorgeschlagen, dessen Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut ist. Innerhalb der Faserbündel liegen die Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel vor und die Bündel sind in einer Polymermatrix eingebettet. Innerhalb der Wand des Bauteils sind die Bündel gleichmäßig verteilt und bei Betrachtung senkrecht zu einer ersten und/oder zweiten Oberfläche im Wesentlichen isotrop ausgerichtet.

Description

Bauteil zur Absorption von Stoßenergie
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales, als Körper ausgebildetes Bauteil aus einem Faserverbundmaterial zur Anordnung zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement und zur Absorption von Stoßenergie infolge einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung.
Der Schutz von Fahrzeuginsassen eines Kraftfahrzeugs sowie der Schutz von sich in der Umgebung des Fahrzeugs befindenden Personen und Gegenständen in Kollisionsfällen ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion und Fertigung eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist es bei einer sicheren Auslegung eines Kraftfahrzeugs für den Kollisionsfall wichtig, dass eine Fahrzeugverzögerung bzw. eine Kraft, die auf die Fahrzeuginsassen wirkt, während Insassenrückhaltesysteme ihre Wirkung entfalten, bestimmte Schwellwerte im Lauf der Kollision nicht überschreiten.
Bei einer Kollision des Kraftfahrzeugs besteht ein Zusammenhang zwischen einer wirksamen Masse des kollidierenden Fahrzeugs, einer Verzögerung des kollidierenden Fahrzeugs und einer Kraft, bei der ein Karosseriestrukturträger, der häufig in diesem Zusammenhang auch Crashstruktur oder Deformationselement genannt wird, durch plastische, elastische Verformung oder Sprödbruch
fortschreitend versagt. Ein solches Deformationselement kann beispielsweise zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Rahmenlängsträger des
Kraftfahrzeugs angebracht sein.
Ein durch das Deformationselement möglicher Abbau der Kollisionsenergie wird dabei durch einen Kraftverlauf über einen zur Verfügung stehenden
Verformungsweg bestimmt. Zu Beginn einer Kollision ist eine hohe Geschwindigkeit des Fahrzeugs wirksam, so dass eine verhältnismäßig hohe kinetische Kollisionsenergie oder Stoßenergie abzubauen ist und die
Karosseriestruktur einschließlich eines Karosseriestrukturträgers bzw.
Deformationselements derart ausgelegt sein muss, dass der
Karosseriestrukturträger bei einem angepassten Kraftniveau versagt.
Karosseriestrukturträger bzw. Deformationselemente werden oftmals derart ausgelegt, dass sie in dem Kollisionslastfall des Kraftfahrzeugs Kollisionsenergie absorbierend versagen. Karosseriestrukturträger aus metallischen Werkstoffen sind dabei derart ausgelegt, dass sie sich bei einem bestimmten Kraftniveau über eine dafür vorgesehene Strecke geeignet plastisch verformen.
Verbreitet sind Karosseriestrukturträger, die Metallrohre verwenden, die bei einem Stoß in Längsrichtung zusammengedrückt werden. Die Metallrohre,
beispielsweise Rohre aus Aluminium, sorgen für eine starke Verbindung zwischen dem Stoßfängerquerträger und dem Fahrzeug. Die spezifische Energieabsorption (kJ/kg) von Metallrohren, wenn sie zusammengedrückt werden, ist jedoch nicht besonders hoch. Ferner ist die Anfangskraft, die benötigt wird, damit ein Metallrohr in Längsrichtung zusammengedrückt wird, möglicherweise für viele Situationen zu groß.
Bei einem Karosseriestrukturträger bzw. Deformationselement aus
kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder einem anderen faserverstärkten Kunststoff sind beispielsweise Hohlprofile vorgeschlagen worden, die
beispielsweise ein rechteckiges Profil aufweisen. Ein derartiges Hohlprofil aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff versagt dabei durch sogenanntes „crushing". Beim Versagensmechanismus„crushing" erfolgt eine mehr oder weniger vollständige Desintegration (Pulverisierung bzw. Fragmentierung oder auch Zersplitterung genannt) des Karosseriestrukturträgers vorrangig im
Sprödbruch. Dieser Versagensmechanismus funktioniert insbesondere bei einem frontalen Aufprall, bei welchem die Kraft auf den Träger senkrecht zu einem Trägerquerschnitt steht. Der bei diesem Versagensmechanismus auftretende Kraftbetrag pro Fläche des Deformationsprofils-Querschnitts in der Ebene senkrecht zur Kraftrichtung wird als Crash-Versagensspannung bezeichnet. In den Schriften DE 102012019923 A1 , DE 102014016024 A1 ,
DE 102014206610, oder EP 1366960 B1 werden Bauteile zur Energieabsorption bzw. zur Absorption von Stoßenergie aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Verbundwerkstoffen auf Basis von Kohlenstofffasern, offenbart. Diese
Karosseriestrukturträger oder Deformationselemente können beispielsweise durch Flechten, Pultrudieren oder Wickeln oder, wie dies in der EP 1366960 B1 beschrieben wird, durch Aufeinanderlaminieren mehrerer Faserschichten, beispielsweise mehrerer Gewebelagen hergestellt werden, wobei vorzugsweise von Endlosfasern ausgegangen wird. Die in den genannten Schriften
beschriebenen Bauteile zur Energieabsorption weisen z.T. einen schichtförmigen Aufbau oder Laminataufbau auf, können aber gemäß der DE 102014016024 A1 auch aus diskontinuierlichen Fasern hergestellt sein oder Bereiche mit willkürlich ausgerichteten Fasern enthalten, wie dies in der EP 1366960 B1 beschrieben wird. Insgesamt weisen die in den zuvor genannten Schriften beschriebenen Bauteile eine komplexe Bauteilstruktur auf.
Auch in der US 2005/0147804 A1 werden Elemente zur Energieabsorption beschrieben, wobei diese Elemente einen schichtförmigen Aufbau von Faserlagen aus bündeiförmigen Filamentgarnen aufweisen. Dabei sind die Fasern so angeordnet, dass ihre Erstreckungsrichtung parallel oder schräg zur
Druckbelastung infolge des Stoßes ist, d.h., dass die Fasern eine Komponente in Richtung der Stoßbelastung haben. Darüber hinaus erhöht sich in den Elementen zur Energieabsorption der US 2005/0147804 A1 die Dichte der Fasern von einem Ende des Elements zum anderen. Die JP 06-264949 beschreibt Elemente zur Energieabsorption, die aus
faserverstärkten Kunstharzen aufgebaut sind, in die Kurzfasern eingemischt sind. Die Elemente zur Energieabsorption der JP 06-264949 weisen eine zylinderförmige Form auf, wobei die Wand eines zylindrischen Abschnitts so ausgeführt ist, dass die Wanddicke von einem Ende zu einem anderen Ende zunimmt. In den Beispielen geht die JP 06-264949 von über ein
Spritzgießverfahren hergestellten Elementen mit einer Polypropylenmatrix aus, in die Glasfasern mit einer Faserlänge von 3 mm und in einer Konzentration von 30 Gew.-% eingemischt wurden.
In der EP 3104036 A1 werden Strukturen aus Faserverbundmaterialien mit einer Thermoplastmatrix zur Schockabsorption bzw. zur Energieabsorption beschrieben. Die Strukturen sind zumeist als Hohlprofile ausgebildet und können bündeiförmige Verstärkungsfasern aufweisen. Bei den Fasern kann es sich um Kohlenstofffasern handeln, die in der Thermoplastmatrix eingebettet sind. Die Fasern können vorzugsweise zweidimensional zufällig in einer Oberflächenebene orientiert sein. Zur Herstellung der Faserverbundmaterialien können Verstärkungsfasern geschnitten, anschließend geöffnet und die geöffneten Verstärkungsfasern dann mit einem faser- oder partikelförmigen Thermoplast gemischt werden.
Anschließend wird die Mischung unter Druck und Hitze zu einem faserverstärkten thermoplastischen Halbzeug verpresst. Eine oder mehrere solcher Halbzeuglagen werden schichtförmig zur Ausbildung des Hohlprofils aufeinandergelegt.
Wegen der hohen Viskositäten von thermoplastischen Matrices kann sich bei der Verarbeitung die gleichmäßige Imprägnierung der Fasern mit der
thermoplastischen Matrix und die homogene Verteilung der Fasern in der Matrix als Grundlage für gleichmäßige mechanische Eigenschaften schwierig gestalten. Darüber hinaus kann der schichtförmige Aufbau bei einer Stoßbelastung in einer Richtung parallel zu den Schichten zu einer Delamination der Schichten führen, verbunden mit der Ablösung großer zusammenhängender Materialbereiche, was die spezifische Aufnahme von Stoßenergie wesentlich absenkt, oder verbunden mit dem Einknicken so geschwächter Bereiche des Bauteils, was zum plötzlichen Versagen des Bauteils und einer äußerst geringen Stoßenergieaufnahme führt. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein strukturell einfaches und einfach herzustellendes Bauteil zur Energieabsorption bei Stoßbelastung zur Verfügung zu stellen. Das Bauteil soll bei Stoßbeanspruchung eine hohe spezifische
Energieabsorption aufweisen. Darüber hinaus sollen bei dem Bauteil im Falle einer Stoßbeanspruchung anfängliche Spitzenbelastungen, wie sie insbesondere bei Deformationselementen aus metallischen Werkstoffen zu beobachten sind, vermindert sein und bestimmte Schwellwerte im Lauf der
Kollision/Stoßbeanspruchung nicht überschritten werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein dreidimensionales, als Körper ausgebildetes Bauteil aus einem Faserverbundmaterial auf Basis von Kohlenstofffasern zur Anordnung zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement und zur Absorption von Stoßenergie infolge einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung, welche eine Stoßrichtung aufweist, wobei das Bauteil aufweist
- mindestens ein erstes Ende und ein zweites Ende,
- eine sich zwischen den Enden erstreckende Längsrichtung, welche im
Wesentlichen in Stoßrichtung angeordnet werden kann,
- eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche und eine sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckenden Wand mit einer Wanddicke,
- wobei die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von
Kohlenstofffasern aufgebaut ist, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind, - wobei die Bündel und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet sind, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren besteht,
- wobei die Bündel über die Wanddicke im Wesentlichen gleichförmig verteilt sind, bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche im Wesentlichen isotrop ausgerichtet sind und bei Betrachtung parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) die Bündel Schnittwinkel mit einem Teil der ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) bilden, wobei die Bündel parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) innerhalb des Bauteils so verteilt sind, dass der überwiegende Anteil der Schnittwinkel in einem Bereich liegt, bei dem die Schnittwinkel im Westlichen gleichmäßig zwischen 0° und 90° verteilt sind bis hin zu überwiegend vorliegenden
Schnittwinkeln, die größer als 1 °sind.
- wobei der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich zwischen 35 Vol.-% und 70 Vol.-% liegt,
- wobei die Bündel von Kohlenstofffasern eine Länge im Bereich zwischen 3 mm und 100 mm haben und
- wobei das Bauteil erhältlich ist durch ein Verfahren umfassend die Herstellung eines Faservorformlings (Preform) aus den Bündeln von Kohlenstofffasern, und optional durch anschließendes Einbringen eines Matrixsystems in den
Faservorformling durch Injektion, Infusion Infiltration oder Pressen.
Das Bauteil soll bei einer Betrachtungsrichtung parallel zur Längserstreckung als Körper ausgestaltet sein. Der Begriff Körper umfasst sowohl ein Profil, Halbprofile oder andere Geometrien, deren Querschnitt sich entlang der Längsachse ändern kann. Der Körper kann hohl, massiv und/oder teilgefüllt sein und/oder seine Längserstreckung kann mittels Zwischenstücken unterteilt sein. Weiterhin kann der Körper unterschiedliche Wanddicken aufweisen, Verstärkungselemente beinhalten und/oder Aussparungen aufweisen. Der Körper, der das Bauteil bildet, kann aus einem Stück (einstückig) oder aus einer Mehrzahl von Teilkörpern aufgebaut sein. Die Teilkörper können ebenfalls verschieden Querschnitte aufweisen, hohl, massiv und/oder teilgefüllt sein sowie unterschiedliche
Wanddicken und/oder Geometrien aufweisen.
Das Bauteil kann auch als Deformationselement bezeichnet werden.
Die Bündel aus Kohlenstofffasern können auch als Kohlenstofffaserbündel, Verstärkungsfaserbündel oder nur als Bündel bezeichnet werden. Das Bauteil kann auch ohne die anschließende Einbringung der Komponenten eines Matrixsystems (z.B. eines duromeren Matrixharzes) gebildet werden. In dieser Ausführungsform weisen die Faserbündel und somit das Bauteil selbst bereits so viel Polymermatrix auf, dass eine zusätzliche Einbringung von
Matrixmaterial (eines Matrixsystems) zur Bauteilherstellung nicht erforderlich ist. In einem solchen Fall kann das Bauteil beispielsweise durch Aktivierung der
Komponenten der Polymermatrix mittels Drucke und Hitze hergestellt werden.
Die Polymermatrix (in der die Faserbündel eingebettet sind) besteht zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren. Zu einem geringeren Anteil kann die Polymermatrix auch teilvernetzte Polymere aufweisen.
Beispielsweise kann die Polymermatrix einen überwiegenden Anteil an einem vollvernetzbaren Duromer und einen geringen Anteil eines thermoplastischen
Harzsystems und/oder Additiven aufweisen. Vorzugsweise werden
thermoplastisch sich verhaltende Duromere verwendet. In einer weiteren
Ausführungsform besteht die Polymermatrix aus einem Konglomerat aus Epoxid mit thermoplastischen Anteilen.
Das Matrixsystem ist in der optionalen Ausführungsform vorzugsweise ein
Polymermatrixsystem, welches zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren (beispielsweise einem duromeren Matrixharz) besteht. Zur Bauteilherstellung härtet das Matrixsystem vorzugsweise aus.
Bevorzugt besteht auch das Matrixsystem (das optional zusätzlich zur
Bauteilherstellung zugegeben werden kann) zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren. Zu einem geringeren Anteil kann das Matrixsystem voll- oder zumindest teilvernetzte Polymere aufweisen.
Beispielsweise kann das Matrixsystem einen überwiegenden Anteil an einem vollvernetzbaren Duromer und einen geringen Anteil eines thermoplastischen Harzsystems und/oder Additiven aufweisen. Es können auch thermoplastisch sich verhaltende Duromere verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Matrixsystem aus einem Konglomerat aus Epoxid mit thermoplastischen Anteilen.
Durch die Wahl der Polymermatrix und des Matrixsystems weist das Bauteil über eine großen Temperaturbereich vorteilhafterweise etwa gleichbleibende
Eigenschaften auf. Temperaturabhängige Schwankungen in der
Energieabsorption (wie sie beispielsweise bei der Verwendung von Thermoplasten vorkommen) können vorteilhafterweise vermieden werden. Betrachtet man eine theoretische geradlinige Verlängerung der Faserbündel über die erste und/oder zweite Oberfläche des Bauteils hinaus, so bildet diese Linie Winkel mit der ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils. Bei einer
Betrachtung eines hinreichend kleinen und ebenen Bereichs der ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils (Teil der ersten und/oder zweiten Oberfläche), bildet der überwiegende Teil der Bündel zwischen der ersten und/oder zweiten Oberfläche sogenannte Schnittwinkel mit der ersten und/oder zweiten Oberfläche aus. Die Schnittwinkel der Faserbündel liegen in einem Bereich, in dem die Schnittwinkel im Westlichen gleichmäßig zwischen 0° und 90° verteilt sind bis hin zu einer Anordnung der Faserbündel, bei der die Schnittwinkel überwiegend einen Winkel von größer als 1 °, vorzugsweise größer als 2° und besonders bevorzugt größer als 3° haben. Bei einer Verteilung der Faserbündel, die parallel zu der ersten und/oder zweiten Oberfläche betrachtet überwiegend isotrop ist, weisen die Schnittwinkel im Wesentlichen alle einen Wert zwischen 0° und 90° auf, wobei kein Wert wesentlich häufiger oder seltener vertreten sein soll. Liegen die
Faserbündel relativ parallel zu der ersten und/oder zweiten Oberfläche vor, weist der überwiegende Anteil der Faserbündel Schnittwinkel auf, die größer sind als 1 °. Folglich liegt der überwiegende Teil der Faserbündel im Wesentlichen nicht exakt parallel zu den Oberflächen des Bauteils im Bauteil vor. Es soll deutlich werden, dass die Faserbündel jede Anordnung innerhalb des definierten Bereichs annehmen können, wobei innerhalb des Bauteils allerdings der überwiegende Teil der Faserbündel die gewählte Anordnung aufweist. Als„überwiegender Anteil" soll ein Anteil von etwa 70 % bis 100 %, vorzugsweise von 80 % bis 95 % und besonders bevorzugt von 85 % bis 90 % verstanden werden.
Mit dem Ausdruck„im Wesentlichen alle" ist gemeint, dass dies für 80 % bis 100 %, vorzugsweise 85 % bis 95 % gilt.
Die Faserbündel liegen beispielsweise dann isotrop im Bauteil und auch
hinsichtlich der Oberflächen isotrop vor, wenn die Fasern der Faserbündel eine geringe Länge besitzen und zudem die Wanddicke des Bauteils größer als die Faserlänge ist. Ein Beispiel hierfür könnte die Verwendung von Faserlängen von 3 mm für ein Bauteil mit einer Wanddicke von 5 mm sein. Eine nicht isotrope Verteilung der Schnittwinkel zwischen den Bündeln aus Kohlenstofffasern und den Oberflächen des Bauteils, bei der die Schnittwinkel des überwiegenden Anteils der Bündel größer als 1 ° sind, ergibt sich insbesondere dann, wenn die Faserlänge der Bündel im Verhältnis zu der Wanddicke relativ groß ist, beispielsweise bei einer Faserlänge von 50 mm und einer Wanddicke von 2 mm. Da das Bauteil verschiedene Bündel mit verschiedenen Faserlängen aufweisen kann und zudem verschiedene Wanddicken innerhalb eines Bauteils oder auch bei verschiedenen Bauteilen denkbar sind, schwankt die Anordnung der Bündel parallel zu den Oberflächen zwischen diesen beiden Möglichkeiten.
Vorzugsweise ist die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung größer als seine Erstreckung senkrecht zur Längsrichtung.
Das erfindungsgemäße dreidimensionale, als Körper ausgebildete Bauteil aus einem Faserverbundmaterial kann zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement, also beispielsweise zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Rahmenlängsträger eines Kraftfahrzeugs, eingebaut werden und im Falle einer Kollision bzw. einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung Stoßenergie absorbieren. Dabei zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Bauteil zu einem gleichmäßigen Absorptionsverhalten führt, was anhand des Kraftverlaufs über dem Verformungsweg erkennbar ist, wobei die Spitzenbelastungen in der Anfangsphase einer Stoßbelastung vergleichsweise gering sind. Gleichzeitig kann mit dem erfindungsgemäßen Bauteil eine im Vergleich zu Bauteilen bzw. Deformationselementen aus metallischen Werkstoffen hohe spezifische Energieabsorption (kJ/kg) realisiert werden. Das erfindungsgemäße Bauteil stellt damit eine Lösung zur Verfügung, die über eine einstellbar lange Deformationsstrecke eine definiert Energieabsorption auf möglichst konstantem Niveau ermöglicht. Das tatsächliche Energieniveau kann u.a. durch die geometrische Gestaltung des Bauteils (vor allem durch die
Wandstärke) eingestellt werden. Darüber hinaus bietet die isotrope
Materialstruktur des Bauteils auch bei Stoßbelastungen, die nicht axial zur Längenausdehnung des Bauteils verlaufen, eine definierte, konstante
Energieaufnahme.
Auch im Vergleich zu Deformationselementen aus Faserverbundwerkstoffen, die einen schichtförmigen Aufbau aus aufeinander laminierten Lagen eines
Faserverbundmaterials aufweisen, zeigt sich ein vergleichbares oder höheres Niveau der spezifischen Energieabsorption. Bei Bauteilen bzw.
Deformationselementen mit schichtförmigem Aufbau findet im Versagensfall zumindest zum Teil eine Delamination der Schichten, d.h. ein Abschälen oder Auseinanderbrechen der Schichten voneinander statt, einhergehend mit einem geringeren resultierenden Kraftniveau. Im Unterschied zu solchen Bauteilen bzw. Deformationselementen mit schichtförmigem Aufbau kann eine solches Versagen bei dem vorliegenden Bauteil bzw. Deformationselement nicht stattfinden, da bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur Dickenerstreckung der Wand bzw. parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils der überwiegende Teil der Bündel zwischen einer isotropen Ausrichtung und einer Ausrichtung, in der die Bündel im Wesentlichen einen Schnittwinkel größer 1 ° zur ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils nicht unterschreiten, angeordnet sind. Dies bedeutet, dass kein schichtförmiger Aufbau vorliegt, sondern eine Durchdringung verschiedener Ebenen der Wand des Bauteils durch die Bündel, also eine
Verschränkung der Faserstrukturen vorliegt.
Schließlich wird durch die über die Wanddicke im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Bündel und insbesondere deren im Wesentlichen isotrope
Ausrichtung bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche dafür Sorge getragen, dass bei Stoßbelastung ein
gleichförmiges Versagen ohne Spitzenbelastungen in der Anfangsphase einer Stoßbelastung stattfindet.
Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass die Tatsache, dass das Faserverbundmaterial und damit die Wand des
erfindungsgemäßen Bauteils zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut ist, und die erfindungsgemäß geforderte Orientierung der Faserbündel ursächlich für eine hohe spezifische Energieabsorption ist. Im Falle einer Stoßbelastung und einem hierdurch verursachten Versagen des Bauteils wird in der dabei initiierten Versagenszone die Aufprallenergie aus der fortwährend wirkenden Aufprallkraft dadurch so dissipiert, dass sie in
Degradationsenergie zum Erzeugen neuer Oberflächen zwischen Fasern und Matrix umgewandelt wird. Durch die erfindungsgemäße Verstärkungsfaserstruktur des Faserverbundmaterials, welche nicht nur parallel zur Bauteiloberfläche eine Isotropie aufweist, sondern auch durch die Dicke hindurch eine starke
Verschränkung der Faserbündel gewährleistet, kann beim Fortschreiten der Versagenszone über das gesamte Bauteilvolumen eine hohe
Degradationsenergie-Dichte und damit eine hohe spezifische Energieabsorption gewährleistet werden. Ebenso ist auch der hohe Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich zwischen 35 Vol.-% bis und 70 Vol.-% ursächlich für eine hohe spezifische Energieabsorption des Bauteils bei Stoßbelastung. Dabei ist festzustellen, dass bei Faservolumenanteilen unterhalb von 35 Vol.-% das
Versagensverhalten des Bauteils bei Stoßbelastung vom Matrixversagen dominiert wird, d.h. das Versagensverhalten wird durch einen Bruch oder Riss in der Matrix und damit durch ein Zwischen-Faser-Bruch bestimmt. Bei
Faservolumenanteilen oberhalb von 35 Vol.-% wird das Versagensverhalten vornehmlich durch ein Versagen an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix, d.h. durch ein Faserbruch bestimmt. Die im Vergleich zur ersten Versagensform höheren Versagenskräfte der letzteren beiden Versagensformen erzeugen eine hohe Degradationsenergie-Dichte und damit eine hohe spezifische dissipierte Energie und damit eine hohe spezifische Energieabsorption im Material. Oberhalb von 70 Vol.-% hingegen kann eine ausreichende Verteilung der Matrix im Bauteil und eine Benetzung auf den Filamentoberflächen der Faserbündel nicht mehr gewährleistet werden. Es wird auch vermutet, dass der Faservolumenanteil bei sehr hohen Werten durch die Filamentgeometrie begrenzt ist, da bei kreisförmigen Filamentquerschnitten eine dichteste Kreispackung in der Querschnittsebene entlang der Faserrichtung im Faserbündel nicht überschritten werden kann. Diese Mechanismen sorgen oberhalb von 70 Vol.-% Faservolumenanteil für eine schlechte Faser-Matrix-Anbindung und damit für eine niedrige spezifische
Energiedissipation im Bauteil. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils liegt der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand des Bauteils im Bereich von 45 Vol.-% bis 65 Vol.-%.
Erfindungsgemäß bestehen die Bündel von Kohlenstofffasern, d.h. die
Verstärkungsfaserbündel, aus parallel zueinander ausgerichteten
Kohlenstofffaser-Filamenten und haben eine Länge zwischen 3 mm und 100 mm. Vorzugsweise liegt die Länge im Bereich von 5 mm bis 70 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 50 mm. Mit Blick auf die erreichbaren Faservolumenanteile an Kohlenstofffasern in der Wand des Bauteils, insbesondere zur Erzielung von Anteilen oberhalb von 45 Vol.-%, ist es von Vorteil, wenn die Wand des erfindungsgemäßen Bauteils mehrere Gruppen von Verstärkungsfaserbündel mit voneinander verschiedenen Längen aufweist, so dass insgesamt die Länge der Verstärkungsfaserbündel eine Verteilung aufweist. Beispielsweise können Verstärkungsfaserbündel mit einer Länge von 20 mm, 30 mm und 50 mm miteinander kombiniert sein.
Die Bündel von Kohlenstofffasern, d.h. die Verstärkungsfaserbündel, können aus üblichen Kohlenstofffaser-Filamentgarnen mit z.B. 500 bis 50.000 Faserfilamenten bestehen. Es ist aber von Vorteil, wenn jedes Verstärkungsfaserbündel aus 500 bis 24.000 Verstärkungsfaserfilamenten besteht. Zur Erzielung einer möglichst homogenen Verteilung der Verstärkungsfaserbündel in der Bauteilwand und zur Erzielung möglichst hoher Faservolumenanteile liegt die Anzahl der Filamente in den Bündeln besonders bevorzugt im Bereich 500 bis 6.000 und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1 .000 bis 3.000.
In einer Ausführungsform kann ein Multifilamentverstärkungsgarn als
Kohlenstofffasergarn mit einer Festigkeit von mindestens 5000 MPa gemessen nach JIS-R- 7608 und einem Zugmodul von mindestens 260 GPa, gemessen nach JIS-R- 7608 verwendet werden.
Zur Erzielung hoher Faservolumenanteile in der Bauteilwand, insbesondere zur Erzielung von Anteilen von Kohlenstofffasern oberhalb von 45 Vol.-%, hat es sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Wand mehrere Gruppen von Verstärkungsfaserbündel mit voneinander verschiedenen Anzahlen von
Filamenten aufweist, da sich damit hohe Packungsdichten der Bündel in der Wand realisieren lassen. Beispielsweise können Verstärkungsfaserbündel mit 3.000, 6.000 und 12.000 Filamenten kombiniert werden. Zur Erzielung der geforderten Faservolumenanteile in der Wand haben die die Wand des erfindungsgemäßen Bauteils aufbauenden Bündel vorzugsweise eine Breite im Bereich von 1 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt eine Breite im Bereich von 1 mm und 10 mm. Ebenso ist es für die Erzielung hoher
Packungsdichten der Bündel, d.h. zur Erzielung hoher Faservolumenanteile in der Bauteilwand von oberhalb von 45 Vol.-%, des Weiteren von Vorteil, wenn die Bündel einen möglichst flachen Querschnitt senkrecht zur Erstreckung der
Kohlenstofffaser-Filamente im Bündel aufweisen. Vorzugsweise liegen die Bündel bändchenförmig vor und weisen ein Verhältnis von Bündelbreite zu Bündeldicke von mindestens 25 auf. Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis von Bündelbreite zu Bündeldicke im Bereich 30 bis 150.
Durch geeignete Auswahl von Verstärkungsfaserbündeln hinsichtlich ihres
Verhältnisses von Bündelbreite zu Bündeldicke, hinsichtlich ihrer Länge sowie hinsichtlich der Anzahl der Verstärkungsfaserfilamente lassen sich besonders hohe Packungsdichten der Verstärkungsfaserbündel und damit besonders hohe Faservolumenanteile in der Bauteilwand realisieren. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform des Bauteils weisen die in der Wand des Bauteils angeordneten Bündel neben einem flachen Querschnitt unterschiedliche Längen und unterschiedliche Anzahlen an Filamenten auf. Dies führt zu besonders hohen Faservolumenanteilen in der Wand des Bauteils.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils zur Absorption von
Stoßenergie, d.h. als Deformations- oder Crash-Element, ist ein gleichförmiges Materialverhalten über einen möglichst großen Bereich an
Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Feuchtigkeit erforderlich. Für Anwendungen im Automobil gelten je nach Hersteller und Einsatzgebiet verschiedene Dauereinsatztemperaturen. Es hat sich ein Temperaturfenster von - 40 °C bis 120 °C für Anwendungen in Motor- oder Abgasstrang nahen Bereichen etabliert. Die Glasübergangstemperaturen der meisten Thermoplaste, die für den Automobilbau relevant sind, liegen in diesem Temperaturbereich. Zum Beispiel liegen die Glasübergangstemperaturen der im Automobilsektor vielfach
verwendeten Polyamide im Bereich von ca. 35 °C und 60 °C. Solche Thermoplaste sind folglich schlecht in einem Bauteil zur Absorption von
Stoßenergie mit gleichbleibenden Eigenschaften einsetzbar.
Natürlich existieren auch Thermoplaste mit höheren Glasübergangstemperaturen, beispielsweise Thermoplaste der PAEK-Familie, wie z.B. Polyether-Ether-Ketone (PEEK) usw. Allerdings sind diese Matrixwerkstoffe für Anwendungen in der Großserie der Automobilindustrie zu teuer. Zum einen sind die Kosten der
Werkstoffe zu hoch, zum anderen bedeuten die hohen Verarbeitungstemperaturen infolge der hohen Schmelztemperaturen erhebliche Folgekosten. Thermoplaste mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C (vorzugsweise 220 °C) sind nicht geeignet. Darüber hinaus sind alle Matrixwerkstoffe, die eine Wasseraufnahme von größer als 5 Gew.-%, vorzugsweise von größer als 3 Gew.-%, besitzen, ungeeignet für Strukturbauteile in einem Fahrzeug. Mit zunehmender
Wasseraufnahme quellen die Bauteile und die mechanische Leistungsfähigkeit nimmt ab. Gleichbleibende Eigenschaften, beispielsweise gleichbleibende
Energieabsorptionswerte, bei sich ändernden Umweltbedingungen sind folglich nicht zu erreichen.
Vorzugsweise sind daher die Bündel im Bauteil und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren teil- oder vollvernetzten Polymeren besteht.
Vorzugsweise besteht die Polymermatrix zu mindesten 60 Vol.-%, bezogen auf den Matrixanteil, und besonders bevorzugt zu mindestens 75 Vol.-% aus einem oder mehreren teil- oder vollvernetzten Polymeren. Weitere Bestandteile der Polymermatrix können beispielsweise Thermoplaste sein, um die Schlagzähigkeit des Bauteils zu erhöhen oder andere Additive, die beispielsweise die
Verarbeitbarkeit oder die Lebensdauer des Bauteils beeinflussen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Polymermatrix ein Matrixmaterial basierend auf Acrylat oder Methacrylat auf. Darüber hinaus können
Polyesterharze, Vinylesterharze oder Phenol-Formaldehydharze in der
Polymermatrix enthalten sein. Vorzugsweise liegen die Kohlenstoffasern in der Wand des Bauteils bei
Betrachtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche der Wand gestreckt vor (siehe Figur 12).
Wie ausgeführt, ist die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern
aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Bündel und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet sind, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren besteht. Das bedeutet, dass tatsächlich die Bündelstruktur im fertigen Bauteil erhalten ist. Vorteilhafterweise liegen dabei die Kohlenstofffasern in den Bündeln gestreckt vor, wodurch sich ein hohes Niveau der Drucksteif ig keitswerte für das erfindungsgemäße Bauteil erreichen lässt.
Diese Eigenschaft des erfindungsgemäßen Bauteils ist in der Anwendung von Vorteil, da bei einer Stoßbelastung des Bauteils bzw. des Deformationselements, durch die ein Versagen des Bauteils unter Ausbildung einer Crashzone erfolgt, das unterhalb der Crashzone liegende Material den Druckkräften standhalten muss und nicht versagen darf. Hierfür ist diese hohe Druck-Steif ig keit notwendig, da sie die Verformung in der noch nicht durch Versagen (Crushing) geschädigten Stütz-Zone gering hält und damit das vorzeitige Versagen des Bauteils durch Knicken oder Beulen verhindert. Ist die Drucksteifigkeit im Verhältnis zur Crash- Versagensspannung vergleichsweise niedrig, müsste ansonsten das Bauteil sehr dick gebaut werden oder es versagt im ungünstigsten Fall immer durch Knickoder Beulvorgänge.
Unter einer gestreckten Konfiguration der Kohlenstoffasern im Bauteil wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Kohlenstofffasern aus sich heraus nicht gewellt oder geknickt sind und eine Änderung der
Längserstreckung der Kohlenstoffasern lediglich durch die Geometrie des Bauteils bedingt ist. Die Faserbündel weisen somit weder in Längserstreckung noch quer zur Längserstreckung Knicke oder Wellungen auf, die nicht durch die Geometrie des Bauteils bedingt wären. In konventionellen Faserverbundwerkstoffen, wie z.B. solcher auf Basis von Geweben, Vliesen oder bei Sheet Molded Compounds (SMC), liegen die Fasern gekrümmt oder wellenförmig vor, so dass die Steif ig keitswerte (E-Modul) für Zug- und insbesondere für Druckbelastungen reduziert werden. Diese reduzierten Eigenschaften sind sowohl bei statischen als auch bei dynamischen Belastungen nachteilig. Solche gekrümmten oder wellenförmigen Anordnungen der Fasern können beispielsweise über Röntgenuntersuchungen sichtbar gemacht werden. Beispielsweise werden im Handbuch der Faserverbundwerkstoffe/Composites, Springer Verlag, 2014, 4. Auflage, Seite 253 in Abbildung 154 oder Seite 270 in Abbildung 270 die Röntgenaufnahmen eines SMC-Bauteils gezeigt. Die
Verstärkungsfasern wurden bei der Herstellung des SMC-Bauteils während des Füllvorgangs durch den Fluss der viskosen Matrix orientiert und onduliert. Die Faserbündel sind nicht entlang einer Geraden ausgerichtet, sondern weisen im Vergleich dazu eine deutliche Krümmung auf. Darüber hinaus erzeugt der starke Fluss der Matrix und der Fasern während des Füllvorgangs eine inhomogene Faserverteilung.
Im Vergleich dazu sind die Kohlenstofffaserbündel entsprechend der Erfindung homogen über den Bauteilquerschnitt verteilt. Unter einer homogenen Verteilung wird vorliegend verstanden, dass die Schwankung des Faservolumenanteils kleiner als ±10 Vol.-% für jede Probe des Bauteils mit einer Größe von mindestens der halben Faserbündellänge des Bauteils ist (Z.B. für eine zylinderförmige Probe von 25 mm Durchmesser und 2 mm Dicke bei einer Bauteil-Wandstärke von 2 mm und einer Faserbündellänge von 50 mm). Darüber hinaus sind die Bündel bereits bei der Herstellung der Preform im Wesentlichen in der Endgeometrie abgelegt. Während des Injektions- und Infusionsvorgangs werden nur die fließfähigen Komponenten der Polymermatrix zugeben. Eine Verschiebung der Kohlenstofffaserbündel ist aufgrund der Fixierung der Preform ausgeschlossen. Darüber behalten die Kohlenstofffaserbündel ihre gestreckte Ausrichtung. Auf diese Weise werden hohe Drucksteif ig keitswerte erreicht und ein ungewünschtes Versagen an Schwachstellen, etwa harzreiche Zonen oder besonders stark verformte Bereiche des Bauteils, vermieden.
Das Bauteil lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem zunächst aus den Bündeln von Kohlenstofffasern ein Faservorformling, oft auch als Preform bezeichnet, hergestellt wird. Der bereits endkonturnahe Faservorformling wird in ein Werkzeug, welches die negative oder positive endkonturnahe Form des Bauteils besitzt, eingelegt. Weisen die Verstärkungsfaserbündel bereits genug Matrixmaterial auf, ist die Zugabe weiteren Matrixmaterials nicht notwendig. In einem solchen Fall kann das Matrixmaterial beispielsweise zur Bauteilherstellung mit Druck und Wärme aktiviert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass mittels üblicher Verfahren dem Faservorformling zusätzliches Matrixmaterial (Matrixsystem) zugeführt wird. Beispielweise kann das Matrixmaterial, d.h. das noch nicht voll- bzw. teilgehärtete Matrixharz, in das Werkzeug und damit in den Faservorformling über Infusion, Infiltration, Injektion oder Pressen eingebracht werden. Anschließend erfolgt unter Voll- oder Teilvernetzung des polymeren Matrixmaterials (z.B. durch Aushärtung eines duromeren Matrixharzes) die Ausbildung des Bauteils.
Die Herstellung des Faservorfornnlings kann dabei kostengünstig und auf einfache Weise nach dem Verfahren erfolgen, wie es beispielsweise in der EP 2727693 B1 beschrieben wird, auf deren diesbezügliche Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. Das Verfahren der EP 2727693 B1 umfasst dabei die folgenden Schritte:
Zuführen mindestens eines endlosen bändchenförmigen Strangs von mit einem Binder versehenen Verstärkungsfasern von einer Vorlage auf einen Ablagekopf, wobei der mindestens eine Strang eine Strangbreite von mindestens 5 mm, und eine Konzentration des Binders im Bereich von 2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, alternativ von 15 Gew.-% bis 75 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des bändchenförmigen Strangs, aufweist.
Breitlegen des mindestens einen endlosen bändchenförmigen Strangs in einer auf dem Ablagekopf angeordneten Breitlegeeinheit und Fördern des mindestens einen Strangs in Förderrichtung mittels einer auf dem Ablagekopf angeordneten ersten Fördereinrichtung zu einer auf dem Ablagekopf angeordneten Längstrennvorrichtung,
dabei Stabilisieren des mindestens einen Strangs in der Richtung quer zur Förderrichtung,
- Schneiden des mindestens einen Strangs in der Längstrennvorrichtung
entlang seiner Längserstreckung mittels mindestens eines Trennelements in zwei oder mehr Teilstränge,
Fördern der Teilstränge in Förderrichtung mittels einer auf dem Ablagekopf angeordneten zweiten Fördereinrichtung zu einer auf dem Ablagekopf angeordneten Ablängeinheit,
Schneiden der Teilstränge mittels der Ablängeinheit in
Verstärkungsfaserbündel definierter Länge und
Ablegen der Verstärkungsfaserbündel auf einer Oberfläche und/oder auf der Oberfläche abgelegten Verstärkungsfaserbündeln und Fixieren der
Verstärkungsfaserbündel auf der Oberfläche und/oder auf der Oberfläche abgelegten Verstärkungsfaserbündeln zur Ausbildung des Faservorformlings, wobei zwischen Ablagekopf und Oberfläche eine Relativbewegung zur belastungsgerechten Ablage der Verstärkungsfaserbündel auf der Oberfläche eingestellt wird.
Zur Herstellung des Faservorformlings werden vorzugsweise Bündel von
Kohlenstofffasern eingesetzt, bei denen die Kohlenstofffasern mit einem Binder versehen sind. Bei diesem Binder handelt es sich um ein Material, mittels dessen z.B. durch eine Hitzeaktivierung und anschließende Abkühlung der
Faservorformling in einen stabilen Zustand gebracht werden kann, die eine
Handhabung des Faservorformlings in nachfolgenden Prozessschritten erlaubt. Bei dem Binder kann es sich dann um eine Faserpräparation handeln, wie sie üblicherweise auf die Filamente der Kohlenstofffasern aufgetragen wird, um eine verbesserte Verarbeitbarkeit und einen guten Faserschluss zu erreichen, d.h. ein zumindest teilweises Verbinden der Filamente untereinander. Derartige
Präparationen basieren häufig auf Epoxidharzen oder Polyurethanharzen.
Bevorzugt stellt die Polymermatrix (in der die Faserbündel eingebettet sind) den Binder beziehungsweise die Präparation für die Kohlenstofffaserbündel dar. Für das Herstellen des Faservorformlings für das erfindungsgemäße Bauteil ist jedoch ein gegenüber den üblicherweise verwendeten Konzentrationen der Präparation erhöhter Gehalt erforderlich, vorzugsweise im Bereich von 2 Gew.-% bis 14 Gew.- % und besonders bevorzugt im Bereich von 3 Gew.-% bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mit Binder versehenen Kohlenstofffasergarns. Als Binder kommen hierbei thermoplastische oder ungehärtete oder teilweise gehärtete duromere Polymere oder auch Polymerkompositionen aus diesen Polymeren in Frage. Geeignete thermoplastische Polymere sind beispielsweise Polyethylenimin, Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherethersulfon, aromatische Polyhydroxyether, thermoplastische Polyurethanharze oder Mischungen dieser Polymere. Als ungehärtete oder teilweise gehärtete duroplastische Polymere kommen
beispielsweise Epoxide, Isocyanate, Phenolharze oder ungesättigte Polyester in Frage. Dabei ist es von Vorteil, wenn die mit Binder versehenen Kohlenstofffasern bzw. die Kohlenstofffaser-Bündel bei Verarbeitungstemperaturen, wie sie zur
Herstellung des Faservorformlings, also bei der Ablage der Bündel zum
Faservorformling, d.h. in der Regel bei Raumtemperatur, herrschen, nicht klebrig sind. Bei erhöhten Temperaturen sollte der Binder bzw. sollten die mit dem Binder versehenen Kohlenstofffasern jedoch klebrig sein und zu einer guten Haftung der daraus hergestellten Faserbündel führen. Derartige Verstärkungsfasergarne bzw. Stränge von Verstärkungsfasern werden beispielsweise in der WO 2005/095080 beschrieben, auf deren Offenbarung sich an dieser Stelle ausdrücklich bezogen wird. Die dortigen Filamentgarne sind mit einem aus mehreren unterschiedlichen Epoxidharzen zusammengesetzten Binder infiltriert, wobei diese Epoxidharze sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Epoxidwert und Molekulargewicht sowie hinsichtlich ihrer Konzentration zueinander in definierter Weise unterscheiden. Auch die WO 2013/017434, auf deren diesbezügliche Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird, beschreibt mit einem Binder vorimprägnierte
Kohlenstofffasern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils weist die im Bauteil verwendete Polymermatrix und/oder das verwendete Matrixsystems, eine Bruchzähigkeit auf, die sich maximal um 100% erhöht bei einer
Temperaturänderung von 20°C auf 100°C, gemessen nach ISO 13586. Bauteile mit einer derartigen Matrixeigenschaft weisen eine hohe Matrixsprödigkeit auf. (Die Bruchzähigkeit ist umso niedriger, je spröder die Matrix ist.) Es wird vermutet, dass durch Wahl des Matrixmaterials mit einer solchen Bruchzähigkeit das Bauteil bei Krafteintragung an den einzelnen Faserbündeln delaminiert, wodurch eine große innere Oberfläche im Bauteil ausgebildet wird, was zur letztendlichen Umwandlung der Kollisionsenergie in Wärme beiträgt. Die im Bauteil verwendete Polymermatrix kann die Polymermatrix der Verstärkungsfaserbündel und/oder das optional zur Herstellung des Bauteils zusätzlich zugefügte Matrixsystem sein.
Das Bauteil ist, wie ausgeführt, bei einer Betrachtungsrichtung parallel zur
Längsrichtung als Körper ausgebildet. Durch die Ausbildung als Körper wird eine selbsttragende und gegenüber Knickbelastungen stabile Struktur erhalten. Auf diese Weise kann die Stoßenergie über dem Verformungsweg gleichmäßig dissipiert werden und ein Knicken des Bauteils, wodurch eine weitere
Energiedissipation beendet wird, zumindest weitgehend vermieden werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann es sich bei dem Körper bei Betrachtung parallel zur Längsrichtung des Bauteils um ein Profil, bevorzugter um ein
Wellenprofil, ein Zick-Zack-Profil, ein Winkelprofil oder ein Profil, welches eine Mischung der zuvor genannten Profile aufweist, handeln. Es kann sich jedoch auch um beliebige, auch unregelmäßige Profile handeln. Vorzugsweise hat der innere und/oder äußere Querschnitt des Körpers eine Wellenform, eine Zick-Zack- Form, eine Winkelform, eine Kurve oder eine Mischung der zuvor genannten Formen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann das Bauteil als Körper ein geschlossenes Hohlprofil aufweisen, welches einen sich zwischen erstem und zweitem Ende erstreckenden Hohlraum aufweist, wobei das erste Ende und das zweite Ende mit dem ersten bzw. dem zweiten Stoßelement verbindbar sind, und wobei das Hohlprofil einen äußeren und einen inneren Querschnitt aufweist und die erste Oberfläche dem Hohlraum abgewandt und die zweite Oberfläche dem Hohlraum zugewandt ist. Dabei sind Hohlprofile bevorzugt, bei denen der innere und/oder der äußere Querschnitt eine kreisförmige, ellipsenförmige, quadratische oder rechteckige Kontur oder eine polygonale Kontur aufweist. Beispiele für derartige Hohlprofile sind etwa in der EP 3104036 A1 oder auch in der
US 2005/0147804 A1 zu finden.
Das Bauteil kann mehr als ein erstes und ein zweites Ende aufweisen.
Beispielsweise kann das Bauteil drei oder mehr Enden aufweisen. Zur
Vereinfachung wird im Folgenden von einem ersten und einem zweiten Ende berichtet, ohne das Bauteil darauf einzuschränken.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wanddicke des erfindungsgemäßen Bauteils über die Erstreckung in Längsrichtung konstant (siehe Figur 2c). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nimmt die Wanddicke des Bauteils vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils zu (siehe Figur 2d). Bei einem Hohlprofil als Körper des Bauteils kann vorzugsweise der innere und/oder der äußere Querschnitt entlang der Erstreckung in Längsrichtung konstant sein. Ebenso können bei einem Bauteil mit einem Hohlprofil als Körper vorzugsweise der innere und/oder der äußere Querschnitt in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende vom ersten zum zweiten Ende des Verbundwerkstoff-Bauteils zunehmen.
Im Falle, dass der innere und der äußere Querschnitt konstant sind, wird eine Wand mit einer vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils konstanten Wanddicke erhalten. Bei dieser Ausführung ist auch die Querschnittsfläche der Wand über die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung konstant. Ebenso kann eine konstante Wanddicke erhalten werden, wenn der innere und der äußere Querschnitt entlang der Erstreckung in Längsrichtung in gleicher Weise vom ersten zum zweiten Ende zunehmen. In diesem Fall nimmt jedoch die Querschnittsfläche der Wand über die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils zu. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauteils sind solche, bei denen die Wanddicke in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende von ersten zum zweiten Ende des Bauteils zunimmt. Weitere Ausführungen des Bauteils sehen vor, dass die Wand des Bauteils nur in Teilbereichen dicker und/oder dünner ausgestaltet ist. Teilbereiche, deren Wand innerhalb des Teilbereichs dicker ist, können beispielsweise Rippen aufweisen. Teilbereiche, deren Wand innerhalb des Teilbereichs dünner ist, können beispielsweise Trigger-Bereiche sein, die zur Kraftein leitung verwendbar sind. Vorzugsweise ist das Bauteil aus einer Mehrzahl von Teilkörpern aufgebaut.
Beispielsweise kann das Bauteil aus zwei Körperschalen bestehen, die
zusammengesetzt (beispielsweise mittels Verbindung durch Flansche) das Bauteil bilden. In der Endanwendung (beispielsweise im Fahrzeug) kann das Bauteil einzeln oder mit mehreren Bauteilen als Absorptionselement für Stoßenergie eingesetzt werden. Bei der Verwendung von einer Mehrzahl von Bauteilen können die verwendeten Bauteile gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein und/oder in Reihe nebeneinander, übereinander und/ oder konzentrisch um einen Mittelpunkt angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Falle, dass das Bauteil als Körper ein geschlossenes Hohlprofil ist, dieses Bauteil aus zwei Teilprofilen aufgebaut, die in Längsrichtung zur Ausbildung des Hohlprofils miteinander verbunden sind.
Derartige Teilprofile, beispielsweise in Gestalt von Halbschalen, sind auf besonders einfache Weise über einen Prozess zur Herstellung eines
Faservorformlings bzw. einer Preform herstellbar, da die Verstärkungsfaserbündel bei der Herstellung der Preform in eine offene Form abgelegt werden können. Bevorzugt weisen die Teilprofile in Längsrichtung seitlich Flansche auf, über welche die Teilprofile miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann vorzugsweise mittels eines Klebers erfolgen, beispielsweise mittels eines 2- Komponenten Konstruktionsklebers. Die Verbindung kann auch mittels einer die Flansche außen umschließende Klammerung, Verschraubung, Verschweißung und/oder Vernietung erfolgen oder mittels einer die Flansche umschließende Hilfskonstruktion, wie sie beispielsweise in der EP 3104036 A1 beschrieben wird. Vorzugsweise sind die Teilprofile form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden.
Es ist von Vorteil, wenn das Bauteil an seinem mindestens ersten und/oder zweiten Ende einen Bereich zur Einleitung der Stoßenergie aufweist. In der Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils kommt es darauf an, dass sich bei einer Stoßbelastung kontrolliert eine Versagenszone ausbildet, bei deren
Fortschreiten durch das Bauteil möglichst viel Energie absorbiert wird. Dies kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass die Aufprallkraft oder Stoßenergie in das häufig auch als Crash-Element bezeichnete Bauteil zuerst in einen am Ende des Crash- Elements befindlichen Bereich zur Einleitung der Stoßenergie, dem sogenannten Trigger-Bereich eingeleitet wird, der z.B. eine Anschrägung der Querschnittsfläche (Fase) sein kann. Die genaue geometrische Gestaltung dieses Bereichs hat sich als weniger wichtig herausgestellt. Er muss jedoch eine Reduzierung der Wanddicke bzw. der Querschnittfläche der Wand beinhalten und ist vor allem Sollbruch-Stelle für ein gezieltes Versagen. Im Trigger-Bereich wirkt eine erhöhte Spannung, da die gleiche Kraft auf weniger Material im Bereich der angeschrägten Spitzen wirkt, und das Material versagt.
Erfindungsgemäß ist die Wand des vorliegenden Bauteils zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind. Die Wand kann jedoch in einem bevorzugten Fall auch zusätzlich mindestens eine Schicht aus unidirektional orientierten Langfasern umfassen, wobei die mindestens eine Schicht an mindestens einer der
Oberflächen oder im Inneren der Wand angeordnet sein kann und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Bauteils erstrecken. Über solche
Schichten aus unidirektional orientierten Langfasern kann in der Anwendung beispielsweise eine weitere Stabilisierung des Bauteils gegenüber einem Knicken erreicht werden. Vorzugsweise erstrecken sich die Langfasern vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils. Bei mehr als zwei Enden erstrecken sich die
Langfasern vorzugsweise zwischen mindestens zwei Enden des Bauteils. Solche Langfasern weisen vorzugsweise Fasern mit einer Länge von mehr als 10 mm auf und einer Breite von mehr als 3 mm auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils weist die Wand an der ersten und/oder zweiten Oberfläche Verstärkungselemente auf, die sich in Richtung der Längsrichtung des Bauteils erstrecken. Derartige
Verstärkungselemente können z.B. die Gestalt von Rippen oder Lamellen haben, die auf die Oberfläche aufgebracht sind, beispielsweise durch Aufkleben separat hergestellter Elemente (siehe auch Figur 2). Die Verstärkungselemente können ebenfalls aus Faserverbundmaterial bestehen, es kann sich jedoch auch um Elemente beispielsweise aus metallischen Werkstoffen handeln. Im Falle, dass die Verstärkungselemente aus Faserverbundmaterial bestehen, können die
Verstärkungselemente auch integral mit dem Bauteil bzw. der Wand des Bauteils verbunden und zusammen mit der Wand hergestellt worden sein. Beispielsweise können Bänder unidirektionaler Fasern wie z.B. Unidirektionalprepregs auf die Wand des Faservorformlings auflaminiert werden und nach der Injektion des Matrixmaterials gemeinsam mit dem mit Matrix versehenen Faservorformling zum Bauteil ausgehärtet werden. Vorzugsweise bestehen die Verstärkungselemente aber aus den gleichen Bündeln von Kohlenstofffasern, die auch für die Ausbildung der Wand des Bauteils verwendet wurden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein dauerhaft tragendes Element in das Bauteil integriert, welches mit dem ersten bzw. dem zweiten Stoßelement verbindbar ist. Dieses dauerhaft tragende Element wird im Falle einer Stoßbelastung nicht zusammen mit dem Bauteil zerstört, sondern
verschoben und/oder verformt. Mittels derartiger Elemente kann dafür Sorge getragen werden, dass auch nach Zerstörung des Bauteils nach einer
Stoßbelastung eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten
Stoßelement bestehen bleibt, also beispielsweise der Stoßfängerquerträger am Rahmenlängsträger des Kraftfahrzeugs weiterhin gehalten wird. Beispielsweise kann es sich bei dem dauerhaft tragenden Element um ein Stahlrohr handeln, das im Falle eines Crashs bzw. im Falle einer Stoßbelastung teleskopartig im Bauteil verschoben wird. Es ist auch möglich, dass mehrere dauerhaft tragende Elemente in das Bauteil integriert sind.
Die Erfindung wird im Weiteren mittels Beispiele beschrieben, wobei die Beispiele und Figuren lediglich Ausführungsformen der Erfindung darstellen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind.
Figur 1 zeigt schematisch einen Vergleich der Spannungs-Weg-Verläufe zwischen nicht erfindungsgemäßen Bauteilen und einem Ausführungsbeispiel des Bauteils gemäß der Erfindung im Crash.
In der Figur 2, 2a, 2b, 2c und 2d werden mögliche Ausführungsformen des Bauteils schematisch dargestellt. In den Figuren 1 und 3 bis 1 1 sind verschiedene Crash-Daten in Kurven für Ausführungsbeispiele des Bauteils dargestellt. Dabei stellt die X-Achse jeweils den Weg gemessen in mm dar. Die Y-Achse kennzeichnet die Kraft gemessen in kN. In Figur 1 ist ein Vergleich der Druck- bzw. Spannungs-Weg-Verläufe von einem Bauteil aus Aluminium (Kurve A) im Vergleich zu Bauteilen aus faserverstärkten Kunstsoffen dargestellt. Die X-Achse beschreibt dabei den Weg in mm, die Y- Achse den Druck bzw. die Spannung in MPa. Bei den Bauteilen aus
faserverstärkten Kunststoffen handelt es sich um ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel aus einem thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoffasern (Kurve B) und einem Bauteil, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Kurve C), wobei die Kohlenstofffasern mit einer mittelern Schnittlänge der Faserbündel von 50 mm in einer isotropen Faserbündelverteilung im Bauteil vorlagen. Beide Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff hatten die gleiche Geometrie und wurden aus Halbschalen aufgebaut. Das Bauteil aus Aluminium bestand aus einem Rohr mit 66 mm Innendurchmesser und 2 mm Wandstärke. Die Geometrien der Bauteile wurden so aufeinander abgestimmt, dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Es zeigt sich, dass die Amplitudenschwankung bezogen auf den Weg des Bauteils aus Aluminium wesentlich stärker ausgeprägt ist, als die
Amplitudenschwankungen bei den Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. Im Vergleich zu dem nicht erfindungsgemäßen Bauteil aus faserverstärktem
Kunststoff ist die Anfangs-Spannungsamplitude des versagenden Bauteils nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wesentlich geringer. Dies hat zur Folge, dass bei geringeren Anfangskräften bereits Bewegungsenergie in
Deformationsenergie umgewandelt wird und so beispielsweise folgende
Fahrzeugstrukturen bzw. Fahrzeuginsassen vor der Einwirkung hoher Kräfte geschützt werden.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils 1 , das zur
Stoßenergieabsorption verwendet werden kann. Das Bauteil 1 weist ein erstes Ende E1 und ein zweites Ende E2 und beispielsweise einen halbrunden Querschnitt auf, wobei sich der Querschnitt entlang der Längsrichtung L ändert. Das Bauteil 1 kann eine Rippe 2 (oder eine Mehrzahl von Rippen) aufweisen, die beispielsweise auf einer ersten Oberfläche 8 vorgesehen sein kann. Die Rippe kann einstückig aus dem Bauteil 1 gefertigt sein oder als weiteres Element auf dem Bauteil 1 angebracht werden. Beispielsweise kann die Rippe 2 durch die Ablage eines oder mehrerer Faserbänder auf dem Bauteil 1 gebildet werden. Das Bauteil 1 kann weiterhin vorzugsweise Aussparungen 3, wie beispielsweise Löcher, aufweisen. Durch diese Aussparungen 3 kann vorteilhafterweise das Gewicht des Bauteils 1 verringert werden, ohne die Länge oder Breite des
Bauteils 1 zu verringern. Innerhalb des Bauteils können Klappen oder Deckel 5 vorgesehen sein, die das Bauteil 1 in seiner Längserstreckung L unterteilen. Die Deckel 5 können dabei so ausgebildet sein, dass sie von einer Wand zur anderen Wand reichen und somit einen Verschluss bilden oder sie können lediglich innerhalb des Bauteils 1 hineinreichen, ohne dass der Deckel 5 einen Kontakt mit der anderen (gegenüberliegenden) Wandseite hat. Die Deckel oder Klappen 5 können vorteilhafterweise das Bauteil 1 stabilisieren und beispielsweise ein Abknicken des Körpers 1 bei einem Stoß verhindern. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 weist der Körper 1 ein Halbrundprofil 7 auf, wobei das erste Ende E1 einen geringeren Durchmesser ausweist als das zweite Ende E2. Mittels Flansche 6 kann das Bauteil 1 mit anderen Teilen verbunden werden. Bei den anderen Teilen kann es sich beispielsweise um weitere Bauteile 1 zur Absorption von Stoßenergie (der gleichen Art oder einer anderen Art) handeln oder um Stoßelemente. Durch die Flansche 6 kann das Bauteil 1 form- und/oder kraftschlüssig mit den anderen Teilen in Verbindung gebracht werden, wobei eine irreversible Verbindung bevorzugt ist.
Die Figur 2a stellt ein Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 dar, wie es für das Beispiel 1 verwendet wurde. In Figur 2b ist schematisch ein Ausschnitt des Bauteils 1 dargestellt. Abgebildet ist ein Teil einer Wand des Bauteils 1 mit der ersten Oberfläche 8. Faserbündel zur Bildung des Bauteils 1 liegen bei Betrachtung einer Senkrechten S zur ersten Oberfläche 8 im Wesentlichen Isotrop vor. Weiterhin bilden die Faserbündel bei Betrachtung einer Parallelen W zur ersten Oberfläche 8 Schnittwinkel zur den Oberflächen 8, 9.
Figur 2c stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 in vereinfachter Weise dar. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Außenquerschnitt 1 1 des
Bauteils am ersten Ende E1 kleiner als der Außenquerschnitt 1 1 am zweiten Ende E2. Über die Längsrichtung L hat sich folglich der Querschnitt des Bauteils 1 vergrößert. Ein Innenquerschnitt 1 1 ' des Bauteils 1 kann sich dabei vom ersten zum zweiten Ende E1 , E2 mit verändert haben oder gleichgeblieben sein. Bei einem gleichbleibenden Innenquerschnitt 1 1 ' ergibt sich eine Änderung in der Wanddicke des Bauteils 1 . In der Figur 2d ist schematisch eine weitere Ausführungsform des Bauteils 1 in vereinfachter weise dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel bleibt der
Außenquerschnitt (nicht eingezeichnet) des Bauteils 1 vom ersten Ende E1 zum zweiten Ende E2 konstant. Allerdings ist eine Wanddicke 10 des Bauteils 1 am ersten Ende E1 größer als die Wanddicke 10' des Bauteils am zweiten Ende E2.
Figur 12 stellt eine Röntgenaufnahme eines Bauteils mit gestreckten Faserbündel dar. Das Bauteil soll vorzugsweise mindestens 20 % der Faserbündel in
Bereichen, die nicht durch die vorgegebene Bauteilgeometrie bereits als gekrümmt bestimmt werden, auf, welche im Vergleich zu einer angelegten Gerade von dieser maximal um 5 mm (vorzugsweise um 2 mm) abweichen. Krümmungen in den Faserbündeln, die sich nicht durch die Preformherstellung, sondern gezwungener- und erwünschter Maßen aus der Geometrie des Bauteils ergeben, werden bestimmt, in dem die naheliegendste Bauteilkante als Referenz verwendet wird. Beispiel 1
Für das Beispiel 1 wurde ein Körper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Crash-Bauteil, wie in Figur 2a dargestellt, hergestellt. Für das Versuchsergebnis wurden das Bauteil in einem dynamischen Stoßversuchen geprüft. Hierfür wurden zuerst Vorformlinge sogenannte Preforms hergestellt. Für diesen Schritt wurde ein Kohlenstofffasergarn (Tenax HTS40 X030 12k 800 tex) mit Behinderung (gemäß der Schriften WO 2005/095080, WO 2013/017434) in Quer- und Längsrichtung in Faserbündel zerteilt. Die Faserbündel erhielten dabei eine Länge von 50 mm und eine Breite zwischen 1 mm und 5 mm. Diese
Faserbündel wurden in endkonturnahe Preformen geformt. Hierzu werden die Faserbündel auf einem Preform-Werkzeug aufgebracht, das bereits zum größten Teil die Geometrie des Endbauteils abbildet. Die Aufbringungsmethode (manuell oder mittels einer geregelten Verfahreinheit, z.B. eines Roboters) ist von untergeordneter Bedeutung, solange ein gleichmäßiger Auftrag der Bündel erzeugt wird. Im Bespiel ist ein Faserauftrag eingestellt, der zu einem
Faservolumengehalt im Bauteil von 50 Vol.-% mit einer maximalen Abweichung von ±5 Vol.-% führt. Um die Faserbündel am jeweiligen Auftragsort zu fixieren, kann das Preform-Werkzeug mit vielen kleinen Löcher ausgestaltet sein, die mit einem Saugstrom beaufschlagt sind. Auf diese Weise werden die Faserbündel am jeweiligen Punkt angesaugt und fixiert. Im nächsten Schritt wird diese Struktur erwärmt und der Binder entfaltet seine Haftwirkung. Unter Umständen kann durch eine zusätzliche Kraft senkrecht zur jeweiligen Oberfläche die Struktur kompaktiert werden. Nachdem der Binder wieder erkaltet ist, sind die gesamte Preform aber auch die einzelnen Faserbündel an ihren lokalen Orten fixiert Die Preformen wurden in einem Stahlwerkzeug durch einen Harzinfusionsprozess (Resin
Transfer Molding, RTM) zu zwei halbschalenförmigen Profilbauteilen (Teilkörpern) mit gleichbleibender Wanddicke von 2 mm in Längsrichtung und einem zum Teil halbkreisförmigen Querschnitt verarbeitet. Der Faservolumenanteil der Teilkörper lag bei 50 %. Als Matrixsystem für die Harzinfusion wurde ein Epoxid-Harzsystem (Huntsman Araldite LY 1564 / Aradur AD 22962) verwendet. Nach der Entformung der Profilbauteile beziehungsweise der Teilkörper wurden diese getempert. Die Teilkörper wurden mit einer Diamant-Kreissäge besäumt. Jeweils zwei dieser halbschalenförmigen Teilkörper wurden in einer Klebelehre zusammengefügt und an seitlich längs verlaufenden ebenen Flanschen mit einem 2-Komponenten- Konstruktionsklebstoff (3M DP490) verklebt. Anschließend wurde durch
Abschleifen an einer Seite des Bauteils eine Krafteinleitungs-Struktur (sog.
Trigger) in Form einer umlaufenden 45°-Fase eingebracht.
Das so hergestellte Bauteil wurden an einer ebenen, nicht nachgiebigen Prallplatte aus Stahl befestigt, so dass die Längsachse senkrecht auf der Platte stand und die Kraftanleitungsstelle nach außen zeigte. Anschließend wurde ein Schlitten, welcher eine Masse von 61 kg und eine ebene Stahl-Prallplatte in Richtung des Bauteils besaß, so mit 10 m/s auf das Bauteil gefahren, dass es entlang seiner Längsachse zerstört wurde. Während des Zerstörungsvorgangs wurde mit einem magnetischen Wegaufnehmer und einem magnetostriktiven Wegmesssystem (Temposonics R-Serie der Fa. MTS mit max. 1000 mm Weglänge) der Weg des Schlittens beim Aufprall und mit einer Kraftmessdose (Piezo-KMD 9091 A der Fa. Kistler mit max. 400 kN) am Bauteil die auf das Bauteil einwirkende Kraft aufgenommen. Hierbei wurde ein Verlauf der Kraft und des Weges über die Zeit mit einer Abtastperiode von 4 s bzw. -frequenz von 250 kHz aufgezeichnet. In Figur 3 ist der aufgezeichnete Kraft-Weg-Zusammenhang der verschiedenen Bauteile gemittelt dargestellt (X-Achse Weg in mm, Y-Achse Kraft in kN), wobei sowohl die Weg- als auch die Kraftdaten hinsichtlich der Zeit numerisch durch einem Channel-Frequency-Classes(CFC) 600-Filteralgorithmus gefiltert wurden (nach SAE J21 1 ). Es zeigte sich in dieser Kurve ein Kraftplateau bei (50 +/- 5) kN. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials (dissipierte
Energiedichte) belief sich auf 71 J/g. Das Ergebnis zeigte, dass in der durch den Trigger initiierten Versagenszone die Aufprallenergie aus der fortwährend wirkenden Aufprallkraft dadurch dissipiert wurde, dass sie in Degradationsenergie zum Erzeugen der neuen Oberflächen zwischen Faser und Matrix umgewandelt wurde. Durch den weitestgehend zeitlich konstanten Verlauf der Versagenszone entstand ein gleichmäßiger Verlauf der Versagenskraft und die damit verbundene gleichmäßige Energieaufnahme. Starke Amplitudenschwankungen, die zu einer Gefährdung von beispielsweise Fahrzeuginsassen führen, liegen nicht vor. Der Wert der dissipierten Energiedichte lag hierbei im Rahmen der Werte anderer Materialien, die den Stand der Technik darstellen, oder übertraf diese wie
Tabelle 1 zeigt.
Bei dem Vergleichsbeispiel 1 aus Tabelle 1 handelt es sich um ein Bauteil aus Kohlenstofffasern mit einer Schnittlänge von 50 mm, wobei das Bauteil gemäß der Beschreibung zu Beispiel 1 hergestellt wurde nur mit dem Unterschied, dass als Matrixmaterial Polyamid 6 verwendet wurde. Wie zu Figur 1 ausgeführt, hat ein solches Bauteil den Nachteil, dass die Anfangsamplitude wesentlich höher ist als für ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zudem zeigen thermoplastische Matrixsysteme ein temperaturabhängiges Crash-Verhalten, was nicht gewünscht ist. Darüber hinaus neigen Bauteile mit einem hohen Anteil an Thermoplasten zur Wasseraufnahme, wodurch die Lebensdauer solcher Bauteile durch Aufquellen der Bauteile verringert wird. Es ist leicht ersichtlich, dass die Verkürzung der Lebensdauer insbesondere zum Schluss des Lebenszyklus' die Crash-Eigenschaften des Bauteils beeinflusst und verringert.
Die Temperaturabhängigkeit von Bauteilen mit thermoplastischer Matrix ist in Figur 1 1 dargestellt.
Die X-Achse der Figur 1 1 beschreibt den Weg in mm, die Y-Achse beschreibt die Kraft in kN. Die Kurve D beschreibt das Crash-Verhalten eines Bauteils aufgebaut gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 bei -30 °C. Die Kurve E beschreibt das Crash- Verhalten eines Bauteils aufgebaut gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 bei -20 °C, die F-Kurve bei 50 °C und die G-Kurve bei 90 °C. Ein solcher Temperaturbereich ist insbesondere bei Bauteilen als Crash-Elementen im Automobil-Bereich üblich. Ein gleichbleibendes Versagensverhalten, das von der Temperatur weitestgehend unabhängig ist, kann folglich mit Thermoplasten als hauptsächliches
Matrixmaterial nicht erreicht werden.
Bei dem Vergleichsbeispiel 2 aus Tabelle 1 handelt es sich um ein Aluminiumrohr, wie es auch schon für den Versuch zu Figur 1 verwendet wurde. Beispiel 2
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde ein Bauteil aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 25 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm enthielten. Im Unterschied zum Beispiel 1 wurden folglich Faserlängen von 25 mm verwendet statt 50 mm. Die Wanddicke des Bauteiles entsprach der des
Beispiels 1 . Das Bauteil wurde wie in Beispiel 1 angegeben zerstört. Hierbei ergab sich ein Kraftverlauf dargestellt ähnlich der Figur 3 mit einem Kraftplateau bei (55 +/- 5) kN. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 72 J/g. Der Verlauf der Kraft-Weg-Kurve und die spezifische
Energiedichte unterschieden sich nicht wesentlich vom Fall in Beispiel 1 mit 50 mm Schnittlänge. Eine separate Figur für Beispiel 2 wurde daher nicht erstellt.
Beispiel 3
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Bauteil aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 50 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm enthielten. Anders als beim Beispiel 1 wurden jedoch zwei Bauteile gefertigt, die eine
Wandstärke von 3 mm beziehungsweise von 4 mm hatten. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 1 angegeben zerstört und die Ergebnisse wie zu Beispiel 1 angegeben aufgearbeitet. Hierbei ergab sich ein Kraftverlauf wie in Figur 4 für das Bauteil mit 3 mm Wandstärke und in Figur 5 für das Bauteil mit 4 mm Wandstärke mit einem Kraftplateau bei (70 +/- 5) kN für 3 mm Wandstärke und (90 +/- 7) kN für 4 mm Wandstärke. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 70 J/g für 3 mm Wandstärke und 73 J/g für 4 mm Wandstärke.
Hierbei zeigte sich, dass die Versagenskraft durch die Wandstärke des Bauteils einstellbar war und weitestgehend linear mit der Querschnittsfläche der Wand skalierte, wobei die dissipierte Energiedichte folglich weitestgehend konstant blieb. In vorteilhafter Weise ist folglich ein einstellbarer Kraftverlauf während der
Verformung des Bauteils möglich.
Beispiel 4
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Bauteile aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 50 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm bei einer Wandstärke von 2 mm enthielten. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 1
angegeben zerstört und die Daten wurden wie zu Beispiel 1 angegeben
aufbereitet. Anders als bei Beispiel 1 wurden die Bauteile jedoch bis 30 s vor den Versuchen auf -30 °C, 70 °C und 1 10 °C temperiert. Daraus ergaben sich beim Crashversuch die Bauteiltemperaturen -30 °C, 50 °C und 90 °C. Hierbei ergaben sich die Kraftverläufe dargestellt in den Kurven der Figur 6 (-30 °C), Figur 7
(50 °C) und Figur 8 (90 °C) mit einem Kraftplateau bei (40 +/- 5) kN für eine Bauteiltemperatur von -30 °C, (45 +/- 5) kN für eine Bauteiltemperatur von 50 °C und (45 +/- 5) kN für eine Bauteiltemperatur von 90 °C. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 54 J/g für eine
Bauteiltemperatur von -30 °C, 60 J/g für eine Bauteiltemperatur von 50 °C und 60 J/g für eine Bauteiltemperatur von 90 °C. Vorteilhaft zeigte sich, dass die Temperaturabhängigkeit der Versagenskraft und der dissipierten Energiedichte nicht sehr ausgeprägt ist. Dies zeigte sich insbesondere im Vergleich zu
Kohlenstofffaserverbundmaterialien mit Thermoplasten, wie sie im Stand der Technik zu finden sind und wie sie im Vergleichsbeispiel 1 , Figur 1 1 untersucht wurden.
Beispiel 5
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Bauteile aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 50 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm bei einer Wandstärke von 2 mm hatten. Allerdings betrug der Faservolumenanteil der Bauteile nach Beispiel 5 einmal 40 % und einmal 45 %. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 1 angegeben zerstört und die Daten wie zu Beispiel 1 beschrieben aufbereitet. Hierbei ergaben sich die Kraftverläufe der Kurven abgebildet in Figur 9 für 40 % Faservolumenanteil und Figur 10 mit 45 % Faservolumenanteil mit einem Kraftplateau bei (45 +/- 10) kN für einen Faservolumenanteil von 40 % und bei (45 +/- 5) kN für einen Faservolumenanteil von 45 %. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 64 J/g für einen Faservolumenanteil von 40 % und 61 J/g für einen Faservolumenanteil von 45 %. Während bei 40 % Faservolumenanteil die Schwankungen im Plateaubereich der Kraft-Weg-Kurve noch verhältnismäßig groß waren, bildete sich bei 45 % bereits ein
verhältnismäßig ebenes Plateau aus. Hier fand also das vorteilhafte Versagen des Materials statt. Das jeweils höhere Kraftniveau des Plateauwertes des Versuches mit einem Faservolumengehalt von 50 % aus Beispiel 1 im Vergleich mit dem Wert bei 45 % und im Vergleich mit dem Wert bei 40 % Faservolumenanteil zeigte dabei, dass ein geringere Faservolumenanteil die Versagenseigenschaften (Kraft und dissipierte Energiedichte) absenkte, da pro Bauteilvolumen weniger
Ablösungsprozesse zwischen Faser und Matrixmaterial stattfanden.
Bezugszeichenliste
A Kurve Bauteil Aluminium
B Kurve Bauteil Kohlenstofffasern mit Thermoplast
C Kurve Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
D Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast
E Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast
F Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast
G Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast
1 Bauteil (Stoßelement, Crash-Struktur)
2 Rippe
3 Aussparung/Loch
4 Wellenprofil
5 Deckel/Klappe
6 Flansch
7 Halbrundprofil
8 erste Oberfläche
9 zweite Oberfläche
10, 10' Wanddicke
1 1 Außenquerschnitt
1 1 ' Innenquerschnitt
E1 erste Ende
E2 zweites Ende
L Längsrichtung
S Senkrechte zur Oberfläche 8, 9
W Parallele zur Oberfläche 8, 9

Claims

Bauteil zur Absorption von Stoßenergie
Patentansprüche:
1 . Dreidimensionales als Körper ausgebildetes Bauteil (1 ) aus einem
Faserverbundmaterial auf Basis von Kohlenstofffasern zur Anordnung zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement und zur Absorption von Stoßenergie infolge einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung, welche eine Stoßrichtung aufweist,
- wobei das Bauteil aufweist
- mindestens ein erstes Ende (E1 ) und ein zweites Ende (E2),
- eine sich zwischen den Enden erstreckende Längsrichtung (L), welche im Wesentlichen in Stoßrichtung angeordnet werden kann,
- eine erste Oberfläche (8) und eine zweite Oberfläche (9) und eine sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckenden Wand mit einer Wanddicke (10, 10'),
- dadurch gekennzeichnet, dass die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut ist, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind,
- wobei die Bündel und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet sind, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren besteht,
- wobei die Bündel über die Wanddicke (10, 10') im Wesentlichen
gleichförmig verteilt sind, bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht (S) zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) im Wesentlichen isotrop ausgerichtet sind und bei Betrachtung parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) die Bündel Schnittwinkel mit einem Teil der ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) bilden, wobei die Bündel parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) betrachtet innerhalb des Bauteils so verteilt sind, dass der
überwiegende Anteil der Schnittwinkel in einem Bereich liegt, bei dem die Schnittwinkel im Westlichen gleichmäßig zwischen 0° und 90° verteilt sind bis hin zu überwiegend vorliegenden Schnittwinkeln, die größer als 1 ° sind,
- wobei der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich zwischen 35 Vol.-% und 70 Vol.-% liegt,
- wobei die Bündel von Kohlenstofffasern eine Länge im Bereich
zwischen 3 mm und 100 mm haben und
- wobei das Bauteil (1 ) erhältlich ist durch ein Verfahren umfassend die Herstellung eines Faservorformlings (Preform) aus den Bündeln von Kohlenstofffasern und optional durch anschließendes Einbringen eines Matrixsystems in den Faservorformling durch Injektion, Infusion Infiltration oder Pressen und der Vernetzung des Matrixsystems , wobei das Matrixsystem zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren besteht.
2. Bauteil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Kohlenstofffasern in der Wand bei Betrachtung senkrecht (S) zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) gestreckt vorliegen.
3. Bauteil (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bruchzähigkeit der Polymermatrix maximal um 100% bei einer Änderung der Temperatur von 20 °C auf 100°C - gemessen nach ISO13586 - ändert.
4. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der innere und/oder der äußere Querschnitt (1 1 , 1 1 ') des Körpers eine Wellenform, eine Zick-Zack-Form, eine Winkelform, eine Kurve oder Mischungen der zuvor genannten Formen aufweist. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) als Körper ein geschlossenes oder geöffnetes Hohlprofil aufweist, welches einen sich zwischen erstem und zweitem Ende (E1 , E2) erstreckenden Innenraum aufweist, wobei das erste Ende (E1 ) und das zweite Ende (E2) mit dem ersten bzw. dem zweiten Stoßelement verbindbar sind, und wobei der Körper einen äußeren und einen inneren Querschnitt (1 1 , 1 1 ') aufweist und die erste Oberfläche (8) dem Innenraum abgewandt und die zweite Oberfläche (9) dem Innenraum zugewandt ist.
Bauteil (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere und/oder der äußere Querschnitt (1 1 , 1 1 ') eine kreisförmige, ellipsenförmige, quadratische oder rechteckige Kontur oder eine polygonale Kontur aufweist.
Bauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in und/oder der äußere Querschnitt (1 1 , 1 1 ') entlang der Erstreckung in
Längsrichtung (L) konstant ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der innere und/oder der äußere Querschnitt (1 1 , 1 1 ') in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (E1 , E2) von ersten zum zweiten Ende (E1 , E2) des Verbundwerkstoff-Bauteils (1 ) zunimmt.
Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (10, 10') in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (E1 , E2) von ersten zum zweiten Ende (E1 , E2) des Bauteils (1 ) zunimmt. 10. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Polymermatrix, die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern einbettet und/oder das Matrixsystem, ein duromeres Harz ist.
1 1 . Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) an seinem ersten Ende (E1 ) einen Bereich zur Einleitung der Stoßenergie aufweist.
12. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass das Bauteil (1 ) aus zwei Teilköpern aufgebaut ist, die in Längsrichtung (L) miteinander zur Ausbildung des Bauteils (1 ) miteinander verbunden sind.
13. Bauteil (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper seitlich in Längserstreckung Flansche (6) aufweisen, über welche die
Teilkörper miteinander verbunden sind.
14. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wand an der ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) Verstärkungselemente (2) aufweist, die sich in Richtung der
Längsrichtung (L) des Bauteils (1 ) erstrecken.
15. Bauteil (1 ) einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wand zusätzlich mindestens eine Schicht aus unidirektional orientierten Langfasern umfasst, wobei die mindestens eine Schicht an mindestens einer der Oberflächen (8, 9) oder im Inneren der Wand angeordnet ist und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (E1 , E2) des Bauteils (1 ) erstreckt.
16. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich von 45 Vol.-% bis 65 Vol.-% liegt.
17. Bauteil (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern eine Länge im Bereich von 5 mm und 70 mm aufweisen.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210156445A1 (en) 2019-11-26 2021-05-27 GM Global Technology Operations LLC Corrugated hollow structures and two-step molding of corrugated hollow structures

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3843535A1 (de) * 1988-12-23 1990-06-28 Elastogran Kunststoff Technik Verwendung von halbzeugen aus faserverstaerktem kunststoff fuer die herstellung von formkoerpern, insbesondere stossfaengertraeger
JP3246041B2 (ja) 1993-03-15 2002-01-15 株式会社豊田自動織機 エネルギー吸収部材
JP3362441B2 (ja) * 1993-04-09 2003-01-07 東レ株式会社 エネルギー吸収部材
DE19522575C2 (de) * 1994-06-27 1999-06-10 Lw Composite Gmbh & Co Aufprallvorrichtung für Fahrzeuge
US6601886B1 (en) 2002-05-31 2003-08-05 Hexcel Corporation Energy absorbing composite tube
US7842378B2 (en) 2004-01-06 2010-11-30 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Energy absorber and method for manufacturing the same
AU2005229547B2 (en) 2004-03-31 2010-06-10 Toho Tenax Europe Gmbh Epoxy resin impregnated yarn and the use thereof for producing a preform
RU2583017C2 (ru) * 2010-12-02 2016-04-27 Тохо Тенакс Ойропе Гмбх Содержащая однонаправленные волокнистые ленты волокнистая заготовка из пучков армирующих волокон и конструктивный элемент из композитного материала
TWI565844B (zh) 2011-07-29 2017-01-11 東邦特耐克絲歐洲股份有限公司 預浸漬樹脂之撓性增強纖維紗線
CN103958925A (zh) * 2011-11-28 2014-07-30 帝人株式会社 耐冲击构件
DE102012019923A1 (de) 2012-10-11 2014-04-17 Volkswagen Aktiengesellschaft Deformationselement für Kraftfahrzeuge
PL2727693T3 (pl) 2012-11-05 2015-05-29 Toho Tenax Europe Gmbh Sposób wytwarzania tabletek z włókien
US8864216B2 (en) * 2013-01-18 2014-10-21 Sabic Global Technologies B.V. Reinforced body in white and method of making and using the same
WO2015119206A1 (ja) 2014-02-06 2015-08-13 帝人株式会社 樹脂製衝撃吸収部材及び車両用部品
JP2015175430A (ja) * 2014-03-14 2015-10-05 帝人株式会社 樹脂製衝撃吸収部材
JP6321412B2 (ja) * 2014-03-14 2018-05-09 帝人株式会社 樹脂製衝撃吸収部材及び車両用部品
JP6290641B2 (ja) * 2014-02-06 2018-03-07 帝人株式会社 樹脂製衝撃吸収部材
US11137044B2 (en) * 2014-02-24 2021-10-05 Teijin Limited Resin-made impact absorption member
DE102014206610A1 (de) 2014-04-04 2015-10-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Karosseriestrukturträger aus Faserverbundwerkstoff für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Karosseriestrukturträger
DE102014016024A1 (de) 2014-10-29 2016-05-04 Daimler Ag Fahrzeug mit Energieabsorptionseinheit

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019086348A1 (de) 2019-05-09
CN111328366A (zh) 2020-06-23
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