Bauteil zur Absorption von Stoßenergie Component for absorption of impact energy
Beschreibung: Description:
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. 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.
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. 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.
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 In a collision of the motor vehicle there is a relationship between an effective mass of the colliding vehicle, a deceleration of the colliding vehicle and a force in which a body structure support, which is often referred to in this context as crash structure or deformation element, by plastic, elastic deformation or brittle fracture
fortschreitend versagt. Ein solches Deformationselement kann beispielsweise zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Rahmenlängsträger des progressively failed. Such a deformation element, for example, between a bumper cross member and a frame side member of the
Kraftfahrzeugs angebracht sein. Motor vehicle mounted.
Ein durch das Deformationselement möglicher Abbau der Kollisionsenergie wird dabei durch einen Kraftverlauf über einen zur Verfügung stehenden A possible by the deformation element degradation of the collision energy is thereby by a force curve over an available
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 Deformation determined. At the beginning of a collision is a high Speed of the vehicle effectively, so that a relatively high kinetic collision energy or impact energy is broken down and the
Karosseriestruktur einschließlich eines Karosseriestrukturträgers bzw. Body structure including a body structure carrier or
Deformationselements derart ausgelegt sein muss, dass der Deformationselements must be designed such that the
Karosseriestrukturträger bei einem angepassten Kraftniveau versagt. Body structure support failed at an adjusted strength level.
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. 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.
Verbreitet sind Karosseriestrukturträger, die Metallrohre verwenden, die bei einem Stoß in Längsrichtung zusammengedrückt werden. Die Metallrohre, There are widespread body structural supports that use metal tubes that are compressed in a longitudinal collision. The metal pipes,
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. For example, pipes made of aluminum, provide a strong connection between the bumper cross member and the vehicle. However, the specific energy absorption (kJ / kg) of metal tubes when compressed is not particularly high. Further, the initial force required for a metal tube to be compressed longitudinally may be too large for many situations.
Bei einem Karosseriestrukturträger bzw. Deformationselement aus In the case of a body structure carrier or deformation element
kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder einem anderen faserverstärkten Kunststoff sind beispielsweise Hohlprofile vorgeschlagen worden, die Carbon fiber reinforced plastic or other fiber reinforced plastic hollow sections have been proposed, for example
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 for example, have a rectangular profile. In the case of the failure mechanism "crushing", a more or less complete disintegration (pulverization or fragmentation or also called fragmentation) of the body structure carrier takes place predominantly in the
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 , Brittle fracture. This failure mechanism works especially in a frontal impact, in which the force on the carrier perpendicular to a Carrier cross section is. The amount of force per area of the deformation profile cross section in the plane perpendicular to the direction of the force which occurs in this failure mechanism is referred to as crash failure stress. In the publications 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 DE 102014206610, or 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. These
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 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. The in the mentioned writings
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. described 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.
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 Elements for energy absorption are also described in US 2005/0147804 A1, wherein these elements have a layered structure of fiber layers made of bundle-shaped filament yarns. The fibers are arranged so that their direction of extension parallel or obliquely to
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 Compressive load due to impact is that the fibers have a component in the direction of impact loading. Moreover, in the energy absorption elements of US 2005/0147804 A1, the density of the fibers increases from one end of the element to the other. JP 06-264949 describes elements for energy absorption consisting of
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 fiber-reinforced synthetic resins are constructed, are mixed in the short fibers. The elements for energy absorption of JP 06-264949 have 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
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. 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 .-%.
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. 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. To produce the fiber composite materials, reinforcing fibers can be cut, then opened and the opened reinforcing fibers then mixed with a fibrous or particulate thermoplastic.
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. Subsequently, the mixture is pressed under pressure and heat to 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.
Wegen der hohen Viskositäten von thermoplastischen Matrices kann sich bei der Verarbeitung die gleichmäßige Imprägnierung der Fasern mit der Because of the high viscosities of thermoplastic matrices, the uniform impregnation of the fibers with the
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 thermoplastic matrix and the homogeneous distribution of the fibers in the matrix as a basis for uniform mechanical properties difficult. In addition, 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
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 Have energy absorption. In addition to the component in the event of a shock stress initial peak loads, as they are observed in particular in deformation elements made of metallic materials, be reduced and certain thresholds in the course of
Kollision/Stoßbeanspruchung nicht überschritten werden. Collision / impact load must not be exceeded.
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 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
- mindestens ein erstes Ende und ein zweites Ende, at least a first end and a second end,
- eine sich zwischen den Enden erstreckende Längsrichtung, welche im a longitudinal direction extending between the ends, which in the
Wesentlichen in Stoßrichtung angeordnet werden kann, Can be arranged essentially in the direction of impact,
- eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche und eine sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckenden Wand mit einer Wanddicke,a first surface and a second surface and a wall having a wall thickness extending between the first and second surfaces,
- wobei die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von - Wherein the wall at least for the most part from bundles of
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, Carbon fibers within which the carbon fiber filaments constituting the carbon fibers are arranged parallel to each other, - wherein the bundles and the carbon fibers constituting the bundles are embedded in a polymer matrix consisting predominantly of one or more cross-linked polymers,
- 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 - wherein 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
Schnittwinkeln, die größer als 1 °sind. Cutting angles greater than 1 °.
- wobei der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich zwischen 35 Vol.-% und 70 Vol.-% liegt, wherein the fiber volume fraction of the carbon fibers in the wall is in the range between 35% by volume and 70% by volume,
- wobei die Bündel von Kohlenstofffasern eine Länge im Bereich zwischen 3 mm und 100 mm haben und - The bundles of carbon fibers have a length in the range between 3 mm and 100 mm and
- 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 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
Faservorformling durch Injektion, Infusion Infiltration oder Pressen. Fiber preform by injection, infusion infiltration or pressing.
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 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
Wanddicken und/oder Geometrien aufweisen. Have wall thicknesses and / or geometries.
Das Bauteil kann auch als Deformationselement bezeichnet werden. The component can also be referred to as a deformation element.
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 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). In this embodiment, the fiber bundles and thus the component itself already have so much polymer matrix that an additional introduction of
Matrixmaterial (eines Matrixsystems) zur Bauteilherstellung nicht erforderlich ist. In einem solchen Fall kann das Bauteil beispielsweise durch Aktivierung der Matrix material (a matrix system) for component manufacturing is not required. In such a case, the component, for example, by activating the
Komponenten der Polymermatrix mittels Drucke und Hitze hergestellt werden. Components of the polymer matrix are produced by means of pressure and heat.
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.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.
Beispielsweise kann die Polymermatrix einen überwiegenden Anteil an einem vollvernetzbaren Duromer und einen geringen Anteil eines thermoplastischenFor example, the polymer matrix can be a predominant proportion of a fully crosslinkable duromer and a small proportion of a thermoplastic
Harzsystems und/oder Additiven aufweisen. Vorzugsweise werden Resin system and / or additives. Preferably
thermoplastisch sich verhaltende Duromere verwendet. In einer weiteren thermoplastic behaving thermosets used. In another
Ausführungsform besteht die Polymermatrix aus einem Konglomerat aus Epoxid mit thermoplastischen Anteilen. Embodiment, the polymer matrix consists of a conglomerate of epoxy with thermoplastic portions.
Das Matrixsystem ist in der optionalen Ausführungsform vorzugsweise ein The matrix system is preferably one in the optional embodiment
Polymermatrixsystem, welches zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren (beispielsweise einem duromeren Matrixharz) besteht. Zur Bauteilherstellung härtet das Matrixsystem vorzugsweise aus. Polymer matrix system, which consists for the most part of one or more crosslinked polymers (for example, a thermosetting matrix resin). For component production, the matrix system preferably hardens.
Bevorzugt besteht auch das Matrixsystem (das optional zusätzlich zur Preferably, the matrix system (optionally in addition to
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. Part manufacturing can be added) for the most part of one or more crosslinked polymers. To a lesser extent, the matrix system may comprise fully or at least partially crosslinked polymers.
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. For example, 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.
Durch die Wahl der Polymermatrix und des Matrixsystems weist das Bauteil über eine großen Temperaturbereich vorteilhafterweise etwa gleichbleibende By choosing the polymer matrix and the matrix system, the component over a wide temperature range advantageously approximately constant
Eigenschaften auf. Temperaturabhängige Schwankungen in der Properties on. Temperature dependent fluctuations in the
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 Energy absorption (such as occurs with the use of thermoplastics) can be advantageously avoided. Considering a theoretical rectilinear extension of the fiber bundles beyond the first and / or second surface of the component, this line forms angles with the first and / or second surface of the component. At a
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 Considering a sufficiently small and flat region of the first and / or second surface of the component (part of the first and / or second surface), 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 °. 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
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. Fiber bundles relatively parallel to the first and / or second surface before, the majority of the fiber bundles have cutting angles greater than 1 °. Consequently, the vast majority of the fiber bundles are not substantially parallel to the surfaces of the component in the component. It should be clear that the fiber bundles can assume any arrangement within the defined range, but within the component, however, the vast majority of the fiber bundles has the selected arrangement. As a "predominant proportion", a proportion of about 70% to 100%, preferably from 80% to 95% and particularly preferably from 85% to 90% should be understood.
Mit dem Ausdruck„im Wesentlichen alle" ist gemeint, dass dies für 80 % bis 100 %, vorzugsweise 85 % bis 95 % gilt. By the term "substantially all" it is meant that this is for 80% to 100%, preferably 85% to 95%.
Die Faserbündel liegen beispielsweise dann isotrop im Bauteil und auch For example, the fiber bundles are isotropic in the component and also
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. 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. A non-isotropic distribution of the angles of intersection between the bundles of carbon fibers and the surfaces of the component, in which the angles of intersection of the majority of the bundles are greater than 1 °, arises in particular if the fiber length of the bundles is relatively large in relation to the wall thickness For example, with a fiber length of 50 mm and a wall thickness of 2 mm. Since the component can have different bundles with different fiber lengths and, in addition, different wall thicknesses within a component or even with different components are conceivable, the arrangement of the bundles varies in parallel to the surfaces between these two possibilities.
Vorzugsweise ist die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung größer als seine Erstreckung senkrecht zur Längsrichtung. Preferably, the extension of the component in the longitudinal direction is greater than its extension perpendicular to the longitudinal direction.
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 The inventive three-dimensional, formed as a body member made of a fiber composite material between a first shock element and a second shock element, so for example between a bumper cross member and a frame side member of a motor vehicle, and in the event of a collision or between a first and second impact element acting impact stress absorbing impact energy. It turns out that 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. At the same time, 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
Wandstärke) eingestellt werden. Darüber hinaus bietet die isotrope Wall thickness). In addition, the isotropic
Materialstruktur des Bauteils auch bei Stoßbelastungen, die nicht axial zur Längenausdehnung des Bauteils verlaufen, eine definierte, konstante Material structure of the component, even with shock loads that do not extend axially to the length of the component, a defined, constant
Energieaufnahme. Energy intake.
Auch im Vergleich zu Deformationselementen aus Faserverbundwerkstoffen, die einen schichtförmigen Aufbau aus aufeinander laminierten Lagen eines Also compared to deformation elements made of fiber composites, the layered structure of layers of a laminated one another
Faserverbundmaterials aufweisen, zeigt sich ein vergleichbares oder höheres Niveau der spezifischen Energieabsorption. Bei Bauteilen bzw. Having fiber composite, shows a comparable or higher level of specific energy absorption. For components or
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 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. In contrast to such components or deformation elements with a layered structure, such 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
Verschränkung der Faserstrukturen vorliegt. Entanglement of the fiber structures is present.
Schließlich wird durch die über die Wanddicke im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Bündel und insbesondere deren im Wesentlichen isotrope Finally, the bundle, and in particular its substantially isotropic distribution, is substantially uniform over the wall thickness
Ausrichtung bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche dafür Sorge getragen, dass bei Stoßbelastung ein Alignment when viewed in a direction perpendicular to the first and / or second surface ensured that when impact load a
gleichförmiges Versagen ohne Spitzenbelastungen in der Anfangsphase einer Stoßbelastung stattfindet. uniform failure occurs without peak loads in the initial phase of shock loading.
Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass die Tatsache, dass das Faserverbundmaterial und damit die Wand des Without wishing to be bound by theory, it is assumed that the fact that the fiber composite material and thus the wall of the
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 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. In the case of an impact load and a component failure caused thereby, 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
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 Degradation energy is converted to create new surfaces between fibers and matrix. By the inventive reinforcing fiber structure of the fiber composite material, which not only parallel to the component surface has an isotropy, but also through the thickness of a strong
Verschränkung der Faserbündel gewährleistet, kann beim Fortschreiten der Versagenszone über das gesamte Bauteilvolumen eine hohe Ensuring entanglement of the fiber bundles can be achieved as the failure zone progresses across the entire component volume
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 Degradation energy density and thus a high specific energy absorption can be ensured. Similarly, 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
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 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. at
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 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. On the other hand, above 70 vol.%, Sufficient distribution of the matrix in the component and wetting on the filament surfaces of the fiber bundles can no longer be guaranteed. It is also presumed that 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. These mechanisms provide above 70 vol .-% fiber volume fraction for a poor fiber-matrix connection and thus a low specific
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.-%. Energy dissipation in the component. In a preferred embodiment of the component according to the invention, 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.
Erfindungsgemäß bestehen die Bündel von Kohlenstofffasern, d.h. die According to the invention, the bundles of carbon fibers, i. the
Verstärkungsfaserbündel, aus parallel zueinander ausgerichteten Reinforcement fiber bundles, from parallel aligned
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. Carbon fiber filaments and have a length between 3 mm and 100 mm. Preferably, the length is in the range of 5 mm to 70 mm, and more preferably in the range of 10 mm to 50 mm. With regard to the achievable fiber volume fractions of carbon fibers in the wall of the component, In particular, to achieve proportions above 45 vol .-%, it is advantageous if 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. For example, reinforcing fiber bundles having a length of 20 mm, 30 mm and 50 mm may be combined with each other.
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. 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.
In einer Ausführungsform kann ein Multifilamentverstärkungsgarn als In one embodiment, a multifilament reinforcing yarn may be used as
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. 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.
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 In order to achieve high fiber volume fractions in the component wall, in particular to achieve proportions of carbon fibers above 45 vol .-%, it has also been found to be advantageous if the wall a plurality of groups of reinforcing fiber bundles with mutually different numbers of
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 Has filaments, since this high packing densities of the bundles can be realized in the wall. For example, reinforcing fiber bundles can be combined with 3,000, 6,000 and 12,000 filaments. To achieve the required fiber volume fractions in the wall, 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
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 derPacking 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
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. Having carbon fiber filaments in the bundle. Preferably, 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.
Durch geeignete Auswahl von Verstärkungsfaserbündeln hinsichtlich ihres By appropriate selection of reinforcing fiber bundles with regard to their
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. 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. In a very particularly preferred embodiment of the component, 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.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils zur Absorption von For the application of the component according to the invention for the absorption of
Stoßenergie, d.h. als Deformations- oder Crash-Element, ist ein gleichförmiges Materialverhalten über einen möglichst großen Bereich an Impact energy, i. As a deformation or crash element, a uniform material behavior over as large a range as possible
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 Environmental conditions such as temperature or humidity required. For automotive applications, different continuous operating temperatures apply depending on the manufacturer and application. A temperature window of -40 ° C to 120 ° C has been established for applications in engine or exhaust gas nearby areas. The glass transition temperatures of most thermoplastics that are relevant for the automotive industry are within this temperature range. For example, the glass transition temperatures are many in the automotive sector
verwendeten Polyamide im Bereich von ca. 35 °C und 60 °C. Solche
Thermoplaste sind folglich schlecht in einem Bauteil zur Absorption von used polyamides in the range of about 35 ° C and 60 ° C. Such Thermoplastics are therefore poor in a component for the absorption of
Stoßenergie mit gleichbleibenden Eigenschaften einsetzbar. Impact energy with consistent properties can be used.
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 Of course, there are also thermoplastics with higher glass transition temperatures, for example thermoplastics of the PAEK family, such as e.g. Polyether ether ketones (PEEK), etc. However, these matrix materials are too expensive for large-scale automotive applications. For one thing, the costs are the
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 On the other hand, the high processing temperatures due to the high melting temperatures mean considerable consequential costs. Thermoplastics with a melting point above 250 ° C (preferably 220 ° C) are not suitable. In addition, all matrix materials that have a water absorption of greater than 5 wt .-%, preferably greater than 3 wt .-%, unsuitable for structural components in a vehicle. With increasing
Wasseraufnahme quellen die Bauteile und die mechanische Leistungsfähigkeit nimmt ab. Gleichbleibende Eigenschaften, beispielsweise gleichbleibende Water absorption swells the components and the mechanical performance decreases. Consistent properties, such as consistent
Energieabsorptionswerte, bei sich ändernden Umweltbedingungen sind folglich nicht zu erreichen. Energy absorption values, with changing environmental conditions are therefore not achievable.
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. Preferably, therefore, 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.
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 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
Verarbeitbarkeit oder die Lebensdauer des Bauteils beeinflussen. Processability or the life of the component.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Polymermatrix ein Matrixmaterial basierend auf Acrylat oder Methacrylat auf. Darüber hinaus können In an advantageous embodiment, the polymer matrix has a matrix material based on acrylate or methacrylate. In addition, you can
Polyesterharze, Vinylesterharze oder Phenol-Formaldehydharze in der Polyester resins, vinyl ester resins or phenol-formaldehyde resins in the
Polymermatrix enthalten sein.
Vorzugsweise liegen die Kohlenstoffasern in der Wand des Bauteils bei Be contained polymer matrix. Preferably, the carbon fibers are included in the wall of the component
Betrachtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche der Wand gestreckt vor (siehe Figur 12). Viewing perpendicular to the first and / or second surface of the wall stretched before (see Figure 12).
Wie ausgeführt, ist die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern As stated, the wall is at least predominantly composed of bundles of carbon fibers, within which the carbon fibers
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. 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. Advantageously, 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.
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. 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.
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 In the context of the present invention, 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
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 Longitudinal extension of the carbon fibers only by the geometry of the component is conditional. The fiber bundles thus have kinks or corrugations neither in the longitudinal extent nor transversely to the longitudinal extension, which would not be due to the geometry of the component. In conventional fiber composites, such as those based on fabrics, nonwovens or sheet-molded compounds (SMC), the fibers are curved or wavy, so that the rigidity (E modulus) for tensile and especially for compressive loads are reduced , These reduced properties are disadvantageous in both static and dynamic loads. Such curved or wavy arrangements of the fibers can be made visible, for example, by X-ray examinations. For example, in the handbook of fiber composites / composites, Springer Verlag, 2014, 4th edition, page 253 in Figure 154 or page 270 in Figure 270, the X-ray images of an SMC component are shown. The
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. 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. In addition, the strong flow of the matrix and fibers during the filling process creates an inhomogeneous fiber distribution.
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. In comparison, 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). In addition, 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.
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. 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. In such a case, the matrix material can be activated, for example, for component production with pressure and heat. However, it can also be provided that additional matrix material (matrix system) is fed to the fiber preform by means of conventional methods. For example, 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.
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: 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:
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. Feeding at least one endless ribbon-shaped strand of binder-provided reinforcing fibers from a master onto a head, wherein the at least one strand has a strand width of at least 5 mm, and a concentration of the binder in the range of 2 wt .-% to 20 wt .-%, alternatively from 15 wt .-% to 75 wt .-% based on the weight of the ribbon-shaped strand having.
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, Spreading the at least one endless ribbon-shaped strand in a spreading unit arranged on the depositing head and conveying the at least one strand in the conveying direction by means of a first conveying device arranged on the depositing head to a longitudinal separating device arranged on the depositing head,
dabei Stabilisieren des mindestens einen Strangs in der Richtung quer zur Förderrichtung, thereby stabilizing the at least one strand in the direction transverse to the conveying direction,
- Schneiden des mindestens einen Strangs in der Längstrennvorrichtung - Cutting the at least one strand in the longitudinal separator
entlang seiner Längserstreckung mittels mindestens eines Trennelements in zwei oder mehr Teilstränge, along its longitudinal extent by means of at least one separating element into two or more sub-strands,
Fördern der Teilstränge in Förderrichtung mittels einer auf dem Ablagekopf angeordneten zweiten Fördereinrichtung zu einer auf dem Ablagekopf angeordneten Ablängeinheit, Conveying the partial strands in the conveying direction by means of a second conveying device arranged on the depositing head to a cutting unit arranged on the depositing head,
Schneiden der Teilstränge mittels der Ablängeinheit in Cutting the partial strands by means of the cutting unit in
Verstärkungsfaserbündel definierter Länge und Reinforcing fiber bundles of defined length and
Ablegen der Verstärkungsfaserbündel auf einer Oberfläche und/oder auf der Oberfläche abgelegten Verstärkungsfaserbündeln und Fixieren der Depositing the reinforcing fiber bundles on a surface and / or on the surface deposited reinforcing fiber bundles and fixing the
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. Reinforcing fiber bundles on the surface and / or deposited on the surface reinforcing fiber bundles for forming the fiber preform, wherein between the storage head and surface, a relative movement for load-appropriate storage of the reinforcing fiber bundles is set on the surface.
Zur Herstellung des Faservorformlings werden vorzugsweise Bündel von For the preparation of the fiber preform are preferably bundles of
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 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
Faservorformling in einen stabilen Zustand gebracht werden kann, die eineFiber preform can be brought into a stable state, the one
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 Handling of the fiber preform in subsequent process steps allowed. 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. such
Präparationen basieren häufig auf Epoxidharzen oder Polyurethanharzen. Preparations are often based on epoxy resins or polyurethane resins.
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 The polymer matrix (in which the fiber bundles are embedded) preferably represents the binder or the preparation for the carbon fiber bundles. However, 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. Suitable 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. As uncured or partially cured thermoset polymers come
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 for example, epoxides, isocyanates, phenolic resins or unsaturated polyesters in question. It is advantageous if the provided with binder carbon fibers or the carbon fiber bundles at processing temperatures, as to
Herstellung des Faservorformlings, also bei der Ablage der Bündel zum Production of the fiber preform, so when storing the bundles for
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 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. Also, WO 2013/017434, the disclosure of which is incorporated herein by reference, describes prepreg impregnated with a binder
Kohlenstofffasern. Carbon fibers.
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 In an advantageous embodiment of the component according to the invention, 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
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. Temperature change from 20 ° C to 100 ° C, measured according to ISO 13586. Components with such a matrix property have a high matrix brittleness. (The brittle the matrix, the lower the fracture toughness.) It is believed that by choosing the matrix material having such a fracture toughness, the component will delaminate upon application to the individual fiber bundles, thereby forming a large internal surface in the component, ultimately Transforming the collision energy into heat contributes. 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.
Das Bauteil ist, wie ausgeführt, bei einer Betrachtungsrichtung parallel zur The component is, as stated, in a viewing direction parallel to
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 Formed longitudinally as a body. 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
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 Energy dissipation is terminated, at least largely avoided. In a preferred embodiment, the body when viewed parallel to the longitudinal direction of the component to a profile, more preferably to a
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 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. Preferably, 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. In a further preferred embodiment, 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. In this case, 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
US 2005/0147804 A1 zu finden. US 2005/0147804 A1 find.
Das Bauteil kann mehr als ein erstes und ein zweites Ende aufweisen. The component may have more than a first and a second end.
Beispielsweise kann das Bauteil drei oder mehr Enden aufweisen. Zur For example, the component may have three or more ends. to
Vereinfachung wird im Folgenden von einem ersten und einem zweiten Ende berichtet, ohne das Bauteil darauf einzuschränken. Simplification is reported below from a first and a second end, without restricting the component to it.
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. In a preferred embodiment, 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). In 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. Likewise, in a member having a hollow profile as a body, preferably 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.
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. In the case where the inner and outer cross-sections are constant, a wall is obtained with a wall thickness constant from the first to the second end of the component. In this embodiment, the cross-sectional area of the wall over the extension of the component in the longitudinal direction is constant. Likewise, 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. Further embodiments of the component provide that 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. Preferably, the component is constructed from a plurality of partial bodies.
Beispielsweise kann das Bauteil aus zwei Körperschalen bestehen, die For example, the component may consist of two body shells that
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. assembled (for example by means of connection by flanges) form the component. In the end use (for example in the vehicle), the component can be used individually or with several components as an absorption element for impact energy. When using a plurality of components, 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.
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. In a preferred embodiment, 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.
Derartige Teilprofile, beispielsweise in Gestalt von Halbschalen, sind auf besonders einfache Weise über einen Prozess zur Herstellung eines Such sub-profiles, for example in the form of half-shells, are in a particularly simple manner via a process for producing a
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. Fiber preform or a preform to produce, since the reinforcing fiber bundles can be stored in the manufacture of the preform in an open mold. Preferably, 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. Preferably, the sub-profiles are positively and / or non-positively connected.
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 It is advantageous if the component has a region for initiating the impact energy at its at least first and / or second end. In the application of the component according to the invention, it is important that forms a failure zone controlled a failure zone in whose
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. Advancing through the component as much energy is absorbed. This can advantageously be achieved in that 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 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. In the trigger area, an increased tension acts, as the same force acts on less material in the area of the bevelled tips, and the material fails.
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 According to the invention, 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. However, in a preferred case, 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
Oberflächen oder im Inneren der Wand angeordnet sein kann und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Bauteils erstrecken. Über solche Surfaces or inside the wall can be arranged and extend between the first and the second end of the component. About such
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 Layers of unidirectionally oriented long fibers can be achieved in the application, for example, a further stabilization of the component against buckling. Preferably, the long fibers extend from the first to the second end of the component. At more than two ends extend the
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. 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.
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 In an advantageous embodiment of the component according to the invention, the wall has on the first and / or second surface reinforcing elements which extend in the direction of the longitudinal direction of the component. such
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 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
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. Reinforcement also integral with the component or the wall of the component connected and made together with the wall. For example, 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. Preferably, however, the reinforcing elements consist of the same bundles of carbon fibers, which were also used for the formation of the wall of the component.
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 In a further preferred embodiment, 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
verschoben und/oder verformt. Mittels derartiger Elemente kann dafür Sorge getragen werden, dass auch nach Zerstörung des Bauteils nach einer moved and / or deformed. By means of such elements can be taken to ensure that even after destruction of the component after a
Stoßbelastung eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Shock a connection between the first and the second
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. Impact element remains, so for example, the bumper cross member is still held on the frame side member of the motor vehicle. By way of example, 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.
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. The invention will be further described by way of examples, wherein the examples and figures are merely embodiments of the invention and should not be considered as limiting.
Figur 1 zeigt schematisch einen Vergleich der Spannungs-Weg-Verläufe zwischen nicht erfindungsgemäßen Bauteilen und einem Ausführungsbeispiel des Bauteils gemäß der Erfindung im Crash. 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.
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 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. For the components
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 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
Amplitudenschwankungen bei den Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. Im Vergleich zu dem nicht erfindungsgemäßen Bauteil aus faserverstärktem Amplitude fluctuations in the components made of fiber-reinforced plastics. In comparison to the fiber-reinforced non-inventive component
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 Plastic, 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
Deformationsenergie umgewandelt wird und so beispielsweise folgende Deformation energy is converted and so, for example, the following
Fahrzeugstrukturen bzw. Fahrzeuginsassen vor der Einwirkung hoher Kräfte geschützt werden. Vehicle structures or vehicle occupants are protected against the action of high forces.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils 1 , das zur FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a component 1 which is used for
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 Impact energy absorption can be used. 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. For example, 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
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. To reduce component 1. Within 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. In the embodiment of Figure 2, the body 1 has a half-round profile 7, wherein the first end E1 has a smaller diameter than the second end E2. By means of flanges 6, 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. By means of the flanges 6, the component 1 can be brought into positive and / or non-positive connection with the other parts, wherein an irreversible connection is preferred.
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. 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
Figur 2c stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 in vereinfachter Weise dar. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Außenquerschnitt 1 1 des FIG. 2 c schematically illustrates an exemplary embodiment of the component 1 in a simplified manner. In this exemplary embodiment, an external cross section 1 1 of FIG
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 Component at the first end E1 smaller than the outer cross-section 1 1 at the second end E2. Consequently, the cross section of the component 1 has increased over the longitudinal direction L. An inner cross-section 1 1 'of the component 1 may have changed from the first to the second end E1, E2 or remain the same. With a constant inner cross-section 1 1 ' results in a change in the wall thickness of the component. 1 FIG. 2d schematically shows a further embodiment of the component 1 in a simplified manner. In this embodiment remains the
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. Outer cross section (not shown) of the component 1 from the first end E1 to the second end E2 constant. However, a wall thickness 10 of the component 1 at the first end E1 is greater than the wall thickness 10 'of the component at the second end E2.
Figur 12 stellt eine Röntgenaufnahme eines Bauteils mit gestreckten Faserbündel dar. Das Bauteil soll vorzugsweise mindestens 20 % der Faserbündel in 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
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 Areas that are not determined by the given component geometry already as curved, which differ compared to an applied straight line of this maximum by 5 mm (preferably by 2 mm). Curvatures in the fiber bundles that do not result from the preform production but are forced and desired from the geometry of the component are determined by using the most obvious component edge as a reference. example 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 For example 1, a body according to an embodiment of the invention as a crash component, as shown in Figure 2a, produced. For the test result, the component was tested in a dynamic impact test. For this purpose, preforms were first produced so-called preforms. For this step, 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. These
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 Fiber bundles were formed into near-net shape preforms. For this purpose, 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. In the example, a fiber order is set to a
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 Fiber volume content in the component of 50 vol .-% with a maximum deviation of ± 5 vol .-% leads. In order to fix the fiber bundles at the respective job site, 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. In the next step, 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
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 Transfer Molding, RTM) into two half-shell-shaped profile components (part bodies) with a constant wall thickness of 2 mm in the longitudinal direction and a partially semicircular cross-section processed. The fiber volume fraction of the partial bodies was 50%. As the resin infusion matrix system, an epoxy resin system (Huntsman Araldite LY 1564 / Aradur AD 22962) was used. After demoulding the profile components or the part body, they were tempered. The Partial bodies were trimmed with a diamond circular saw. Two of these half-shell-shaped part bodies were assembled in a glue jig and glued to laterally extending flat flanges with a 2-component construction adhesive (3M DP490). Subsequently, by
Abschleifen an einer Seite des Bauteils eine Krafteinleitungs-Struktur (sog. Abrading on one side of the component a force introduction structure (so-called.
Trigger) in Form einer umlaufenden 45°-Fase eingebracht. Trigger) introduced in the form of a circumferential 45 ° bevel.
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 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. During the destruction process, with a magnetic position transducer and a magnetostrictive displacement measuring system (Temposonics R series from MTS with a maximum travel length of 1000 mm), the path of the carriage on impact and with a load cell (Piezo KMD 9091 A from Kistler with max 400 kN) on the component, the force acting on the component is absorbed. In this case, a course of the force and the path over time with a sampling period of 4 s or frequency of 250 kHz was recorded. In Figure 3, the recorded force-displacement relationship of the various components is averaged (X-axis displacement in mm, Y-axis force in kN), where both the displacement and force data are numerically time-numerically denoted by channel frequency -Classes (CFC) 600 filter algorithm were filtered (according to SAE J21 1). There was a force plateau at (50 +/- 5) kN in this curve. The absorbed energy per mass of the component material (dissipated
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 Energy density) amounted to 71 J / g. The result showed that in the failure zone initiated by the trigger, the impact energy from the continuously acting impact force was dissipated by being converted into degradation energy to create the new surfaces between the fiber and the matrix. Due to the largely constant course of the failure zone, a uniform course of the failure force and the associated uniform energy absorption developed. Strong amplitude fluctuations leading to a Endangerment of, for example, vehicle occupants, are not available. The value of dissipated energy density was within or beyond the values of other prior art materials
Tabelle 1 zeigt. Table 1 shows.
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. 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. As explained with reference to FIG. 1, such a component has the disadvantage that the initial amplitude is substantially higher than for a component according to an exemplary embodiment of the invention. In addition, thermoplastic matrix systems show a temperature-dependent crash behavior, which is not desirable. In addition, 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.
Die Temperaturabhängigkeit von Bauteilen mit thermoplastischer Matrix ist in Figur 1 1 dargestellt. The temperature dependence of components with a thermoplastic matrix is shown in FIG. 11.
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 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
Matrixmaterial nicht erreicht werden. Matrix material can not be achieved.
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 Comparative Example 2 of Table 1 is an aluminum tube, as it was already used for the experiment of Figure 1. Example 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 As described in Example 1, 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
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 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
Energiedichte unterschieden sich nicht wesentlich vom Fall in Beispiel 1 mit 50 mm Schnittlänge. Eine separate Figur für Beispiel 2 wurde daher nicht erstellt. Energy density did not differ significantly from the case in Example 1 with 50 mm cut length. A separate figure for example 2 was therefore not created.
Beispiel 3 Example 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 As described in 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
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. 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. This resulted in a force curve as in Figure 4 for the component with 3 mm wall thickness and in Figure 5 for the component with 4 mm wall thickness with a power plateau at (70 +/- 5) kN for 3 mm wall thickness and (90 +/- 7 ) kN for 4 mm wall thickness. 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.
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 It was found that the failure force was adjustable by the wall thickness of the component and scaled largely linearly with the cross-sectional area of the wall, whereby the dissipated energy density remained largely constant. Advantageously, therefore, an adjustable force profile during the
Verformung des Bauteils möglich. Deformation of the component possible.
Beispiel 4 Example 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 As described in 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
angegeben zerstört und die Daten wurden wie zu Beispiel 1 angegeben was destroyed and the data was given as in Example 1
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 edited. Unlike in Example 1, however, the components were tempered to -30 ° C, 70 ° C and 1 10 ° C until 30 s before the experiments. This resulted in the component temperatures -30 ° C, 50 ° C and 90 ° C during the crash test. In this case, the force profiles were shown in the curves of Figure 6 (-30 ° C), Figure 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 (50 ° C) and Figure 8 (90 ° C) with a force plateau at (40 +/- 5) kN for a component temperature of -30 ° C, (45 +/- 5) kN for a component temperature of 50 ° C and (45 +/- 5) kN for a component temperature of 90 ° C. The absorbed energy per mass of the component material was 54 J / g for one
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 Component temperature of -30 ° C, 60 J / g for a component temperature of 50 ° C and 60 J / g for a component temperature of 90 ° C. Advantageously, it was found that the temperature dependence of the failure force and the dissipated energy density is not very pronounced. This was especially evident in comparison to
Kohlenstofffaserverbundmaterialien mit Thermoplasten, wie sie im Stand der Technik zu finden sind und wie sie im Vergleichsbeispiel 1 , Figur 1 1 untersucht wurden. Carbon fiber composites with thermoplastics as found in the prior art and as studied in Comparative Example 1, Figure 11.
Beispiel 5 Example 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 As described in 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. However, 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
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 relatively flat plateau. So here was the advantageous failure of the material. The respective higher force level of the plateau value of the experiment with a fiber volume content of 50% from Example 1 in comparison with the value at 45% and in comparison with the value at 40% fiber volume fraction showed that a smaller fiber volume fraction the failure properties (force and dissipated energy density) lowered, since less per component volume
Ablösungsprozesse zwischen Faser und Matrixmaterial stattfanden.
Dissolution processes between fiber and matrix material took place.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
A Kurve Bauteil Aluminium A curve component aluminum
B Kurve Bauteil Kohlenstofffasern mit Thermoplast B curve component carbon fibers with thermoplastic
C Kurve Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung C curve component according to an embodiment of the invention
D Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast D Curve Comparative Example Component with Thermoplastic
E Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast E Curve Comparative Example Component with Thermoplastic
F Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast F Curve Comparative Example Component with Thermoplastic
G Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast G Curve Comparative Example Component with thermoplastic
1 Bauteil (Stoßelement, Crash-Struktur) 1 component (impact element, crash structure)
2 Rippe 2 rib
3 Aussparung/Loch 3 recess / hole
4 Wellenprofil 4 wave profile
5 Deckel/Klappe 5 lid / flap
6 Flansch 6 flange
7 Halbrundprofil 7 Semicircular profile
8 erste Oberfläche 8 first surface
9 zweite Oberfläche 9 second surface
10, 10' Wanddicke 10, 10 ' wall thickness
1 1 Außenquerschnitt 1 1 outer cross section
1 1 ' Innenquerschnitt 1 1 ' inner cross section
E1 erste Ende E1 first end
E2 zweites Ende E2 second end
L Längsrichtung L longitudinal direction
S Senkrechte zur Oberfläche 8, 9 S perpendicular to the surface 8, 9
W Parallele zur Oberfläche 8, 9
W Parallel to the surface 8, 9