EP4255724A1

EP4255724A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverbund-bauteils

Info

Publication number: EP4255724A1
Application number: EP22700281.3A
Authority: EP
Inventors: Michael Karl
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2022-01-03
Publication date: 2023-10-11
Also published as: WO2022167159A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils (1) mit darin eingebrachtem bolzenartigem Metallteil (3) zur Ausbildung eines Anbindungspunktes des Faserverbund-Bauteils (1), gekennzeichnet durch die Schritte: a) Einstecken des Metallteils (3) in ein Fasermaterial (2) derart, dass ein Kopfabschnitt (4) des Metallteils (3) auf der einen Seite des Fasermaterials (2) angeordnet ist und ein Anbindungsabschnitt (5) des Metallteils (3) von der anderen Seite des Fasermaterials (2) aus vorsteht, b) Aufbringen eines konusförmigen Positionierelementes (6) auf den Anbindungsabschnitt (5) des Metallteils (3) derart, dass der Anbindungsabschnitt (5) in einer Bohrung (13) des Positionierelementes (6) aufgenommen wird, eine Grundfläche des Positionierelementes (6) auf dem Fasermaterial (2) aufliegt und das Fasermaterial (2) zwischen dem Positionierelement (6) und dem Kopfabschnitt (4) des Metallteils (3) eingeklemmt wird, c) Einbringen einer Anordnung aus dem Metallteil (3), dem Fasermaterial (2) und dem Positionierelement (6) in ein Werkzeug, wobei eine formstabile Werkzeugschale (10) des Werkzeugs eine in ihrer Form an eine Mantelfläche des Po¬ sitionierelementes (6) angepasste Vertiefung (12) zur Aufnahme des Positionierelementes (6) aufweist, d) Umbilden des Fasermaterials (2) zu einem Laminat, e) Entnehmen der Anordnung aus dem Metallteil (3), dem Fasermaterial (2) und dem Positionierelement (6) aus dem Werkzeug (10, 11) und f) Abnehmen des konusförmigen Positionierelementes (6) von dem Anbindungsabschnitt (5) des Metallteils (3).

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils mit darin eingebrachtem bolzenartigen Metallteil zur Ausbildung eines Anbindungspunktes des Faserverbund-Bauteils .

Faserverbund-Bauteile werden in geschlossenen (z.B. in RTM- Verfahren) oder offenen (z.B. Handlaminat-Verfahren) Werkzeugen hergestellt. Sie dienen beispielsweise als Verkleidungselemente von Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, und können als an einem Fahrzeugrohbau anzubringende Seitenschür- zen-Elemente vorliegen. Solche Faserverbund-Bauteile sind an dem Fahrzeugrohbau anzubringen und benötigen dazu Anbindungspunkte. Zu diesem Zweck werden Metallteile in ein Laminat der Faserverbund-Bauteile eingebracht. Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, dass die zur Ausbildung von Anbindungspunkten eingesetzten Metallteile in den Werkzeugen leicht verrutschen können oder ungewollt mit Harz benetzt werden. Insbesondere in geschlossenen Werkzeugen zur Herstellung der Faserverbund- Bauteile ist keine Positions kontrolle der in das Laminat einzubringenden Metallteile möglich. Stellt sich nach Beaufschlagen des Faserverbunds heraus, dass das Metallteil verrutscht ist, ist das soeben hergestellte Faserverbund-Bauteil typischerweise Ausschuss.

Zur geeigneten Positionierung eingesetzter Metallteile im Laminat wurde bisher ein Formschluss zum Metallteil durch die Geometrie des Werkzeugs hergestellt, wobei O-Ringe zum Abdichten verwendet wurden. Diese Maßnahme vermag jedoch ein Verrutschen der Metallteile im Herstellungsprozess des Faserbund-Bauteils nicht wirksam zu vermeiden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart fortzubilden, dass eine zuverlässigere Positionierung der Metallteile im Laminat erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Danach ist vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Einstecken des Metallteils in ein Fasermaterial derart, dass ein Kopf abschnitt des Metallteils auf der einen Seite des Fasermaterials angeordnet ist und ein Anbindungsabschnitt des Metallteils von der anderen Seite des Fasermaterials aus vorsteht, b) Aufbringen eines konusf örmigen Positionierelementes auf den Anbindungsabschnitt des Metallteils derart, dass der Anbindungsabschnitt in einer Bohrung des Positionierelementes aufgenommen wird, eine Grundfläche des Positionierelementes auf dem Fasermaterial aufliegt und das Fasermaterial zwischen dem Positionierelement und dem Kopfabschnitt des Metallteils eingeklemmt wird, c) Einbringen einer Anordnung aus dem Metallteil, dem Fasermaterial und dem Positionierelement in ein Werkzeug, wobei eine formstabile Werkzeugschale des Werkzeugs eine in ihrer Form an eine Mantelfläche des Positionierelementes angepasste Vertiefung zur Aufnahme des Positionierelementes aufweist, d) Umbilden des Fasermaterials zu einem Laminat, e) Entnehmen der Anordnung aus dem Metallteil, dem Fasermaterial und dem Positionierelement aus dem Werkzeug und f) Abnehmen des konusf örmigen Positionierelementes von dem Anbindungsabschnitt des Metallteils .

Die vorgesehene Formgebung einerseits des konusf örmigen Positionierelementes und andererseits der mit dem Positionierelement zusammenwirkenden Vertiefung im Werkzeug gewährleistet eine zuverlässige Positionierung des bolzenartigen Metallteils im Zuge des Herstellungsprozesses für das Faserverbund- Bauteil. Das konusförmige Positionierelement dichtet den Anbindungsabschnitt des Metallteils zuverlässig ab. Insbesonde- re kann dieser Anbindungsabschnitt mit einem Außengewinde ausgestattet sein, um Schraubverbindungen zwischen dem fertig hergestellten Faserverbund-Bauteil und einem Fahrzeugrohbau zu schaffen. Zudem bildet das konusförmige Positionierelement in seinem Auflagebereich zum Fasermaterial/Laminat eine ebene Fläche aus, die beispielsweise als Verschraubungsfläche verwendet werden kann, ohne dass mechanische Bearbeitung, beispielsweise Fräsen, erforderlich wäre.

Das konusförmige Positionierelement ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Teflon, PET ( Polyethylenterephthalat ) und Silikon umfasst. Grundsätzlich sollte das für das konusförmige Positionierelement eingesetzte Material gute Trenneigenschaften gegenüber Kunstharzen, insbesondere duroplastischen Kunststoffen, aufweisen. In Schritt d) kann die Umbildung des Fasermaterials zu einem Laminat, z. B. Beaufschlagung des Fasermaterials mit einem Harz-Härter-Gemisch und Aushärtenlassen des Harzes, bevorzugt in einem RTM- (Resin Transfer Molding- (Verfahren oder Handlaminat-Verfahren erfolgen. Das RTM- Verfahren wird auch häufig als Spritzpressen bezeichnet. Dabei werden Fasermatten in ein Werkzeug eingelegt und danach mit einem flüssigen Harz-Härter-Gemisch unter Druck umgossen. Die Beaufschlagung des Fasermaterials mit dem Harz/Härter- Gemisch kann insbesondere durch Erzeugung eines Unterdrucks in einer Kavität des Werkzeugs erfolgen. Dabei kann das Werkzeug aus zwei Halbschalen oder einer Schale und einer Folie aufgebaut sein.

Zudem ist es möglich, dass das Fasermaterial mit Harz/Härter vorimprägniert ist und somit als sog. „Prepreg" vorliegt. Dann wird in Schritt d) lediglich der Härter über Druck und Temperatur aktiviert.

Das Fasermaterial kann insbesondere als Gewebe (verwoben) oder Gelege (vernäht) vorliegen. Insbesondere können auch mehrere Fasermatten übereinander angeordnet sein. Das Positionierelement ist bevorzugt kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet. Wesentlich ist dabei, dass eine Mantelfläche des Positionierelementes keine Hinterschneidungen gegenüber der angrenzenden Werkzeugoberfläche aufweist, so dass es nach Fertigstellung des Faserverbund-Bauteils wieder von dem Werkzeug abgelöst werden kann.

Die Einhaltung eines Winkels zwischen einer Kegelgrundfläche und einer Kegelmantelfläche von weniger als 88°, bevorzugt weniger als 50°, vereinfacht ein Ablösen des konusf örmigen Positionierelementes von dem eingesetzten Werkzeug nach Fertigstellung des Faserverbund-Bauteils.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch näher erläutert, wobei funktionsgleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegten Faserverbund- Bauteils in einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegten Faserverbund- Bauteils in einer zweiten Ausführungsform,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht auf ein Werkzeug zur Herstellung des Faserverbund-Bauteils von Figur 2 und

Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer in das Werkzeug von Figur 3 eingelegten Anbindungsanordnung des Faserverbund-Bauteils von Fig. 2.

Figur 1 zeigt ein Faserverbund-Bauteil 1, das ein flächiges Fasermaterial 2 und ein als Gewindebolzen ausgeführtes Metallteil 3 umfasst. Das Metallteil 3 ist in das Fasermaterial 2 eingesteckt, wobei ein Kopf abschnitt 4 auf der einen Seite des flächigen Fasermaterials 2 und ein Anbindungsabschnitt 5 des Metallteils 3 auf der anderen Seite des Fasermaterials 2 angeordnet ist. Auf den Anbindungsabschnitt 5 des Metallteils 3 ist ein kegelförmiges Positionierelement 6 aufgesteckt oder -geschraubt, so dass eine Grundfläche des Positionierelementes 6 auf dem Fasermaterial 2 aufliegt und das Fasermaterial 2 zwischen dem Positionierelement 6 und dem Kopf abschnitt 4 des Metallteils 3 eingeklemmt ist. Das Metallteil 3 ist in seiner Axialrichtung stufenförmig ausgebildet, so dass sich an den Kopf abschnitt 4 in Richtung auf den Anbindungsabschnitt 5 ein Positionierabschnitt 7 des Metallteils 3 anschließt, der in Radialrichtung des Metallteils 3 an einer ringförmigen Grenzfläche 8 unmittelbar an dem Fasermaterial 2 angliegt, während der Kopf abschnitt 4 des Metallteils 3, der, bezogen auf den Positionierabschnitt 7, dem Anbindungsabschnitt 5 gegenüber liegt, einen gegenüber dem Positionierabschnitt 7 vergrößerten Radius aufweist. Auf diese Weise kann das Fasermaterial 2 zwischen den Kopf abschnitt 4 und das ko- nusförmige Positionierelement 6 geklemmt werden. Dadurch ergibt sich eine ebene Fläche 9, die beispielsweise für eine Verschraubung genutzt werden kann. Insbesondere kann durch das Vorhandensein der ebenen Fläche 9 die Ausbildung des Metallteils 3 als Gewindebolzen eingesetzt werden.

Die Anordnung aus dem Fasermaterial 2, dem Metallteil 3 und dem kegelstumpf förmigen Positionierelement 6 ist in einer Kavität eines Werkzeugs untergebracht, wobei ein formstabile Werkzeugschale 10 des Werkzeugs eine Vertiefung 12 aufweist, deren äußere Form an die Form der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Positionierelementes 6 angepasst ist. Die in Figur 1 dargestellte untere Werkzeugschale 10 ist aus formstabilem Material hergestellt. Demgegenüber wird die Kavität zur anderen Seite des Faserverbund-Bauteils 1 hin von einer Vakuumfolie 11 begrenzt, so dass die Kavität druckdicht ausgeführt ist.

Der Anordnung, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, gehen folgende Verfahrensschritte zur Herstellung des Faserverbund- Bauteils 1 voraus: in einem ersten Schritt wird das Metallteil 3 in das Fasermaterial 2 derart eingesteckt, dass der Kopf abschnitt 4 des Metallteils 3 auf der einen Seite des Fasermaterials 2 angeordnet ist und der Anbindungsabschnitt 5, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Außengewinde aufweist, von der anderen Seite des Fasermaterials 2 aus vorsteht. Dabei kann das Fasermaterial 2 entweder im trockenen Zustand oder aber als bereits mit Harz vorimprägniertes Prepreg vorliegen. In einem nächsten Verfahrensschritt wird das konusförmige Positionierelement 6 derart auf den Anbindungsabschnitt 5 des Metallteils 3 aufgebracht, dass der Anbindungsabschnitt 5 in einer Bohrung 13 des Positionierelementes 6 aufgenommen wird, wobei es zum Verklemmen des Fasermaterials 2 zwischen dem Kopf abschnitt 4 des Metallteils 3 und der Grundfläche des kegelstumpf förmigen Positionierelementes 6 kommt. Die gesamte Anordnung aus Metallteil 3, Fasermaterial 2 und Positionierelement 6 wird dann in die Vertiefung 12 des unteren Werkzeugschale 10 eingesetzt und die Kavität mit Hilfe der Vakuumfolie 11 vervollständigt. Sofern das Fasermaterial 2 nicht bereits als Prepreg vorliegt, wird im folgenden Verfahrensschritt das Fasermaterial 2 im Zuge der Durchführung eines RTM-Verf ährens mit Harz/Härter beaufschlagt, wonach man das Harz aushärten lässt, ggf. unter Beaufschlagung mit Wärme und Druck. Dabei wird das Fasermaterial 2 zu einem Laminat umgebildet. Nach Durchführung dieser Verfahrensschritte liegt die in Fig. 1 gezeigte Anordnung vor.

Nachdem der Aushärteprozess für das Harz abgeschlossen ist, wird die Anordnung aus dem Metallteil 3, dem Fasermaterial 2 und dem Positionierelement 6 aus der Kavität entnommen. Danach wird das kegelstumpf förmige Positionierelement 6 von dem Anbindungsabschnitt 5 des Metallteils 3 abgenommen, so dass der Anbindungsabschnitt 5 für etwaige Bef estigungsvorgänge frei zugänglich wird.

Fig. 2 zeigt ein Faserverbundbauteil 1 in einer zweiten Ausführungsform. Diese unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 allein dadurch, dass ein Metallstreifen 13 vorgesehen ist, der einstückig mit dem Metallteil 3 verbunden ist. Der Metallstreifen 13 ist zwischen dem Kopf abschnitt 4 und dem Positionierabschnitt 7 angeordnet und dient allein zur Verbindung mehrerer gleichartiger Metallteile 3 untereinander, vgl . Fig. 4. Bei einem einzeln vorgesehenen Metallteil 3 kann der Metallstreifen 13 fortgelassen werden, vgl. Fig. 1.

Figur 3 zeigt die Werkzeugschale 10, und zwar in einer Ausführung mit drei in einer geraden Reihe angeordneten Vertiefungen 12. Figur 4 zeigt eine Anbindungsanordnung für das Faserverbundbauteil 1 in seiner Ausbildung nach Fig. 2. Es sind drei in einer geraden Reihe angeordnete Metallteile 3 vorgesehen, die zusammen die Anbindungsanordnung ausbilden und mittels des Metallstreifens 13 untereinander verbunden sind. Das Fasermaterial 2 ist in Fig. 4 nicht dargestellt.

Es ist hervorzuheben, dass das kegelstumpf förmige Positionierelement 6 aus Silikon hergestellt ist, da dieses Material gute Trenneigenschaften gegenüber Kunstharzen aufweist. Das Fasermaterial 2 kann als Gelege oder Gewebe vorliegen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt ein Winkel zwischen einer Kegelgrundfläche des kegelstumpf förmigen Positionierelementes 6 und dessen Kegelmantelfläche etwa 45°. Dies erleichtert eine Entnahme des kegelstumpf förmigen Positionierelementes 6 aus der unteren Werkzeugschale 10. Zu beachten ist, dass besagter Winkel höchstens 88° betragen sollte, um eine Entnahme des Positionierelementes 6 aus der unteren Werkzeugschale 10 zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils (1) mit darin eingebrachtem bolzenartigem Metallteil (3) zur Ausbildung eines Anbindungspunktes des Faserverbund-Bauteils

(1) , gekennzeichnet durch die Schritte: a) Einstecken des Metallteils (3) in ein Fasermaterial (2) derart, dass ein Kopf abschnitt (4) des Metallteils (3) auf der einen Seite des Fasermaterials (2) angeordnet ist und ein Anbindungsabschnitt (5) des Metallteils (3) von der anderen Seite des Fasermaterials (2) aus vorsteht, b) Aufbringen eines konusf örmigen Positionierelementes (6) auf den Anbindungsabschnitt (5) des Metallteils (3) derart, dass der Anbindungsabschnitt (5) in einer Bohrung (13) des Positionierelementes (6) aufgenommen wird, eine Grundfläche des Positionierelementes (6) auf dem Fasermaterial (2) aufliegt und das Fasermaterial (2) zwischen dem Positionierelement (6) und dem Kopf abschnitt (4) des Metallteils (3) eingeklemmt wird, c) Einbringen einer Anordnung aus dem Metallteil (3) , dem Fasermaterial (2) und dem Positionierelement (6) in ein Werkzeug, wobei eine formstabile Werkzeugschale (10) des Werkzeugs eine in ihrer Form an eine Mantelfläche des Positionierelementes (6) angepasste Vertiefung (12) zur Aufnahme des Positionierelementes (6) aufweist, d) Umbilden des Fasermaterials (2) zu einem Laminat, e) Entnehmen der Anordnung aus dem Metallteil (3) , dem Fasermaterial (2) und dem Positionierelement (6) aus dem Werkzeug (10, 11) und f) Abnehmen des konusf örmigen Positionierelementes (6) von dem Anbindungsabschnitt (5) des Metallteils (3) .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konusförmige Positionierelement (6) aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Teflon, PET und Silikon umfasst.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) ein RTM- oder Handlaminat-Verfahren durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (2) mit Harz vorimprägniert ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (2) als Gelege oder Gewebe vorliegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Positionierelement (6) kegel- oder kegelstumpf förmig ist .

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel zwischen einer Kegelgrundfläche und einer Kegelmantelfläche weniger als 88°, bevorzugt weniger als 50°, beträgt .