WO2004024424A1

WO2004024424A1 - Strukturbauteil aus faserverstärktem thermoplastischem kunststoff

Info

Publication number: WO2004024424A1
Application number: PCT/CH2003/000621
Authority: WO
Inventors: Stefan Ziegler; Andreas RÜEGG
Original assignee: Rcc Regional Compact Car Ag
Priority date: 2002-09-15
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2004-03-25
Also published as: CN1684822B; EP1581380B1; CN1684822A; AU2003258443A1; DE50306774D1; EP1581380A1; US20060165955A1

Abstract

Das Strukturbauteil (1) aus langfaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff (LFT) mit integrierten Endlosfaser (EF)-Verstärkungen weist mindestens drei einzelne integrierte, geformte EF-Profile (10) auf, welche eine dreidimensionale Kreuzungsstelle (50) bilden. Dabei liegt mindestens je ein EF-Profil (10) in einer oberen und in einer unteren Hauptebene (Hl, H2) der Kreuzungsstelle und ein EF-Profil verläuft mit vertikaler Ausdehnung (v) zwischen diesen EF-Profilen der oberen und unteren Hauptebene durchgehend. Die EF-Profile (10) sind durch Ausformungen (32) der LFT-Masse (6) an der Kreuzungsstelle kraftübertragend miteinander verbunden. An mehreren Stellen werden Lasten (L) auf die EF-Profile eingeleitet. Damit können dreidimensional angreifende Lasten (L) optimal getragen werden.

Description

STRUKTURBAUTEIL AUS FASERVERSTÄRKTEM THERMOPLASTISCHEM KUNSTSTOFF

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil aus langfaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff mit integrierten Endlosfaser- Verstärkungen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Solche bekannten Strukturbauteile weisen meist flächige Endlosfaser- Verstärkungen z.B. mit Gewebe-Halbzeugen oder mit Sandwich- Aufbau auf, die jedoch sehr eingeschränkt sind bezüglich möglicher Formgebungen und Anwendungen. Es sind auch Strukturbauteile mit integrierten Endlosfaser-Strängen bekannt geworden. Die WO99/52703 offenbart ein Strukturbauteil mit einer formbildenden langfaserverstärkten thermoplastischen Matrix und mit einer integrierten Tragstruktur aus Endlosfaser- Strängen. Dabei sind die Endlosfaser-Stränge durch flächige Verbindungsstellen miteinander verbunden. Dies ergibt jedoch nur einfache, flächige Tragstrukturen und keine räumlich ausgebildeten Endlosfaser- Verstärkungsstrukturen zur optimalen Aufnahme und Übertragung von dreidimensional angreifenden Lasten und Kräften.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile und Beschränkungen der bekannten Strukturbauteile zu überwinden und ein Strukturbauteil mit einer leichten Endlosfaser- Verstärkungsstruktur zu schaffen, welches eine dreidimensionale AbStützung und Weiterleitung von aufzunehmenden Lasten und Kräften mit optimaler Anpassung an die Kraftverläufe ermöglicht für einen weiten Bereich von Anwendungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Strukturbauteil nach Anspruch 1, mit einer integrierten dreidimensionalen Kreuzungsstelle, welche aus mehreren einzelnen, geformten Endlosfaser (EF)-Profilen in einer Langfaser-Thermoplast(LFT)-Masse gebildet wird. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bezüglich optimaler dreidimensionaler Gestaltung der Endlosfaser- Verstärkungsstruktur und Anwendbarkeit in einer Vielzahl von Anwendungen mit optimalen mechanischen Eigenschaften zur Aufnahme von Lasten in beliebigen Richtungen. Dies ergibt leichte, einfach herstellbare Strukturbauteile, z.B. für Transportmittel, Fahrzeuge und Fahrzeugkomponenten mit tragenden Funktionen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren weiter erläutert, dabei zeigen:

Fig. la ein erfindungsgemässes Strukturbauteil mit einer dreidimensionalen

Kreuzungsstelle von mehreren EF-Profilen, Fig. lb, c Schnitte durch eine räumliche Kreuzungsstelle in verschiedenen

Ansichten, Fig. 2 ein weiteres Beispiel einer räumlichen Kreuzungsstelle mit variablen

Profilquerschnitten, Fig. 3a eine "X"-förmige Kreuzungsstelle,

Fig. 3b eine "T"-förmige Kreuzungsstelle,

Fig. 3c eine "L"-förmige Kreuzungsstelle,

Fig. 4 eine "T" oder "X"-fόrmige Moment-Lasthebel-Struktur,

Fig. 5 eine "L"-förmige Moment-Lasthebel-Struktur,

Fig. 6 Beispiele von dreidimensionalen Profilformgebungen,

Fig. 7a, b zwei verschiedene Querschnittsformen eines EF-Profils in einer Rippe, Fig. 8a eine Anordnung von mehreren EF-Profilen in einer 2/3 Rücksitzlehne mit räumlicher Kreuzungsstelle, Fig. 8b die LFT-Formgebung des Bauteils mit den integrierten EF-Profilen,

Fig. 9 eine Einzelsitzlehne mit räumlichen Kreuzungssteilen,

Fig. 10 eine Anordnung von EF-Profilen als Sitzschale oder Kabinenboden,

Fig. 1 1 eine Autotür-Struktur,

Fig. 12 ein Beispiel eines zweischaligen Bauteils. Fig. la zeigt ein erfindungsgemässes Strukturbauteil mit einer dreidimensionalen (räumlichen) Kreuzungssteile 50. Das Bauteil besteht aus einer formbildenden LFT- Masse 6 (aus langfaserverstärktem Thermoplast) mit einer Endlosfaser(EF)-Verstär- kung, bestehend aus mehreren einzelnen, integrierten und definiert geformten EF- Profilen 10, welche den aufzunehmenden Kräften und Lasten entsprechend geformt und im Bauteil einzeln genau positioniert angeordnet sind. Die dreidimensionale Kreuzungssteile 50 weist eine obere und eine untere Hauptebene Hl, H2 auf mit einem vertikalen Abstand v. Sie wird gebildet durch mindestens drei EF-Profile, welche an der Kreuzungssteile zusammenlaufen bzw. sich kreuzen, und durch die alle diese Profile verbindende LFT-Masse 6. Dabei muss mindestens je ein EF-Profil in der oberen Hauptebene Hl (hier das Profil 10.1) und ein EF-Profil in der unteren Hauptebene H2 liegen (hier das Profil 10.4). Und zwischen den EF-Profilen der oberen und unteren Hauptebene muss mindestens ein weiteres EF-Profil, hier die Profile 10.2 und 10.3, mit einer vertikalen Ausrichtung, bzw. einer Ausdehnung in vertikaler Richtung, durchlaufen, um ein Moment M2 abzustützen. Alle EF-Profile sind an der Kreuzungsstelle durch die LFT-Masse 6 kraftübertragend miteinander verbunden (ÜB) durch entsprechende Ausformungen 32 der LFT-Masse, bzw. durch gegenseitige formmässige Abstimmung aufeinander von EF-Profilen und LFT-Masse. Im Beispiel von Fig. la liegen die EF-Profile 10.1, 10.4 in einer Sicke 7 und die EF- Profile 10.2 und 10.3 in Rippen 8. So werden Kräfte F, Momente M und Lasten L, die in unterschiedlichen Richtungen auf ein Strukturbauteil einwirken, durch die EF-Profile aufgenommen und an der räumlichen Kreuzungsstelle 50 übertragen. Insbesondere können Momente an der Kreuzungssteile von einem Profilpaar auf das andere übertragen werden. Hier bilden die EF-Profile 10.1 und 10.4 mit der Sicke 7 einen Biegeträger und die Profilpaare 10.2 und 10.3 in der Rippenstruktur 8 einen zweiten Biegeträger. Damit werden z.B. die Momente Ml und M2 aufgenommen und je übertragen. Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemässen Anordnung der EF-Profile an der räumlichen Kreuzungssteile liegt darin, dass sie aus einem Bauteil besteht und nicht aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt werden muss. Dazu können gemäss Beispiel die EF-Profile nacheinander oder miteinander in ein LFT-Formwerkzeug eingelegt werden und anschliessend mit einer eingebrachten, geschmolzenen LFT-Masse in einer LFT- Presse in einem Schritt und zu einem einteiligen Bauteil verpresst werden.

Die Ablagereihenfolge ist hier folgende: Zuerst wird das EF-Profil 10.1 in die untere Hauptebene H2, dann die EF-Profile 10.2 und 10.3 im vertikalen Zwischenbereich v und darauf das EF-Profil 10.4 in der oberen Hauptebene Hl abgelegt und anschliessend wird die geschmolzene LFT-Masse darauf gelegt und mit den EF-Profilen verpresst. Diese Fig. la zeigt ein Bauteil, welches nach dem Verpressen im LFT- Werkzeug umgekehrt wurde, so dass Hl unten und H2 in der Figur oben liegen. So sind die EF-Profile gut sichtbar. Die Richtung, in der die EF-Profile 10 und die LFT-Masse 6 eingelegt werden, ist mit einem Pfeil angegeben.

Die Fig. lb, lc zeigen zwei Schnitte durch ein weiteres Beispiel einer dreidimensionalen Kreuzungssteile 50 mit zwei EF-Profilen 10.3, 10.4 in der oberen Haupteben Hl, einem EF-Profil 10.1 in der unteren Haupteben H2 sowie einem EF-Profil 10.2 in einer Rippe 8 im vertikalen Bereich v dazwischen. Die EF-Profile 10.1, 10.3, 10.4 liegen in einer Sicke 7, welche die Rippe 8 kreuzt. Die Lage des Bauteils ist hier so gezeigt, wie es im LFT- Werkzeug liegt.

Die Fig. lb zeigt den Querschnitt durch die Sicke 7, (welche das Moment Ml aufnimmt) und die Fig. lc den Querschnitt durch die Rippe 8, (welche das Moment M2 aufnimmt).

Zur optimalen Kraftübertragung von EF-Profilen 10 auf die LFT-Masse 6 und von einem EF-Profil (10.1) über die LFT-Masse auf andere EF-Profile (10.3, 10.4) weist die LFT-Masse verbindende Ausformungen 32 auf. Durch die Anordnung der EF-Profile und die Ausformungen 32 der LFT-Masse wird die gewünschte Kraftübertragung ÜB an der räumlichen Kreuzungssteile 50 geschaffen.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer räumlichen Kreuzungssteile in einem Bauteil, das als gekrümmte Schale ausgebildet ist. Die Hauptebenen Hl und H2 bilden hier Tangentialebenen an der Kreuzungsstelle 50. Der gegebene mögliche vertikale Abstand v zwischen H 1 und H2 sei hier aus Platzgründen relativ klein. Dann kann das die flachen EF-Profile 10.1 und 10.3 kreuzende EF-Profil 10.2 im Bereich v an der KreuzungssteUe eine reduzierte Höhe mit z.B. quadratischem Querschnitt a aufweisen und neben der KreuzungssteUe 50 wieder in einen flachen, vertikal ausgerichteten Querschnitt b übergehen. Wichtig ist, dass die EF-Profile im v-Bereich eine vertikale Ausdehnung aufweisen zwecks Momentübertragung. D.h. die EF-Profile 10 können eine im Prinzip beUebige dreidimensionale Formgebung und Lage aufweisen, welche den Lastverhältnissen und den Kraftverläufen optimal angepasst ist.

Die Fig. 3a, b, c Ulustrieren schematisch verschiedene mögUche Arten von dreidimensionalen KreuzungssteUen. AnspruchsvoUe StrukturbauteUe müssen mehrere Lasten L, Kräfte F und Momente M, die an verschiedenen SteUen des Bauteils und in unterschied- üchen Richtungen angreifen, aufnehmen und weiterleiten können. Die erfindungsge- mässen dreidimensionalen Kreuzungen 50 können dazu durch entsprechende Anordnungen der EF-Profile im Prinzip beispielsweise "X"-, "T"- oder "L"-förmig ausgebüdet sein.

Die Fig. 3a zeigt dazu eine "X"-förmige KreuzungssteUe mit Lastaufnahmen an den SteUen Ll bis L4 und mit den Kraftübertragungen ÜB an der KreuzungssteUe 50.

Fig. 3b zeigt eine "T"-förmige KreuzungssteUe mit Lastaufnahmen an den SteUen Ll, L2, L3 und mit den Kraftübertragungen ÜB an der KreuzungssteUe.

Fig. 3c zeigt eine "L"-förmige KreuzungssteUe mit den Lastaufnahmen Ll, L2, L3 und an der SteUe L2 auch mit den Kraftübertragungen ÜB an der KreuzungssteUe.

Die Fig. 4, 5 zeigen Beispiele von Moment-Lasthebel-Strukturen, die durch die Anordnung der EF-Profile mit der KreuzungssteUe 50 gebildet werden.

Fig. 4 zeigt eine Moment-Lasthebel-Struktur mit einer "T"- oder "X"-förmigen KreuzungssteUe 50. Damit wird eine Kraft +F als Hauptlastrichtung abgestützt und aufgenommen durch ein EF-Profil 10.2 als vertikal orientiertes Profil v, z.B. in einer Rippe, zwischen zwei horizontalen EF-Profilen 10.1 in der unteren Hauptebene H2 und 10.3 in der oberen Hauptebene Hl. Die Kraft F ergibt ein Moment M, welches durch die EF-Profile 10.1, 10.3 in einer passenden Ausformung des LFT- Werkzeugs, z.B. in einer Sicke, abgestützt werden.

Fig. 5 zeigt eine "L"-förmige Moment-Lasthebel-Struktur, welche als Hauptlastrichtungen die Kräfte +F, -F (d.h. in beiden Richtungen) abstützt. Sie enthält wiederum ein vertikal orientiertes Profil 10.2 im Bereich v, das abgestützt wird durch drei EF-Profile z.B. an einer Sicke und in den Hauptebenen: das EF-Profil 10.1 in H2 und die EF-Profile 10.3 und 10.4 in Hl. Damit werden die durch die Kräfte +F, -F resultierenden Momente +M, -M abgestützt und weitergeleitet.

Mit ihrer Formgebung entsprechen die EF-Profüe den unterschiedüchen Funktionen und Anforderungen an verschiedenen SteUen eines EF-Profils bzw. Bauteils. Sie können eine dreidimensionale Formgebung aufweisen und dazu in Längsrichtung eine Biegung, Drehung, Faltung und/oder eine Oberflächenstrukturierung aufweisen und sie können variierende, unterschiedUche Querschnittsformen aufweisen.

Die Fig. 6 zeigt Beispiele solcher mögUcher Formgebungen der EF-Profile:

- Das EF-Profil 10.1 zeigt einen rundUchen Querschnitt, welcher abgeflacht und aufgefächert wird und dort eine grosse Anbindungsfläche an die umgebende LFT- Masse bUdet (ebenso wie EF-Profil 10.5).

- Das EF-Profil 10.2 weist einen flachen Bogen auf und es ist an einem Ende aufgespUttet.

- Das EF-Profil 10.3 weist eine Verdrehung von flachem zu vertikal ausgerichtetem Querschnitt auf.

- Das EF-Profil 10.4 zeigt eine Faltung und

- das EF-Profil 10.5 eine strukturierte, zickzack-förmige, dadurch vergrösserte Oberfläche.

- Das EF-Profil 10.6 ist zu einer "U"-fόrmigen Doppelrippe gebogen. Dieses könnte z.B. ansteUe von den zwei EF-Profilen 10.2 und 10.3 in Fig. la eingesetzt werden. Die Fig. 7a, 7b ülustrieren ein Beispiel eines EF-Profils 10, das über seine Länge unter- schiedüche Querschnittsformen aufweist, in Anpassung an die zu übertragenden Kräfte und zur optimalen Verbindung mit der LFT-Masse 6. Die Figuren zeigen im Querschnitt ein EF-Profil 10a, 10b in einer Rippe 8, z.B. entsprechend den Profilen 10.2 oder 10.3 von Fig. 8, an zwei verschiedenen SteUen.

Fig. 7a zeigt eine Formgebung 10a mit einem Positionierabsatz 55 zum Fixieren und Halten des EF-Profils in der gewünschten Lage - spezieU beim Verpressen, wenn die flüssige LFT-Masse 6 in die Rippe hinein gepresst wird. Oben und unten weist das EF- Profil je einen dickeren Bereich 56 als Zug- und Druckzonen (in Faserlängsrichtung) zur Übertragung von Momenten auf .Dazwischen Uegt eine dünnere Schubzone 57 mit entsprechend dickerer anUegender LFT-Schicht 6 und mit grosser Anbindungsfläche und besonders starker Interface- Verbindung. Dabei wird die Schubfestigkeit erhöht durch die anUegende LFT-Schicht 6 mit isotroper Faserverteüung (während die Festigkeit quer zur Faserrichtung in den EF-Profilen 10 hier tiefer Uegt).

An einer anderen SteUe gemäss Fig. 7b ist der Profilquerschnitt 10b den dortigen Kraftverhältnissen entsprechend verändert: gestreckt, d.h. höher und schmaler und ohne Positionierabsatz.

Zur sicheren und genauen Positionierung und Fixierung der EF-Profile, auch während dem Verpressen mit der LFT-Masse, können weitere PositioniersteUen 54 an den EF- Profilen ausgebUdet sein, welche den Ausformungen des LFT- Werkzeugs 31o (oben) und 31u (unten) entsprechen. Hier dient die PositioniersteUe 54 der genauen Fixierung unten in der Rippe 8. PositioniersteUen können auch in Längsrichtung der EF-Profile passend verteüt angeordnet werden.

In analoger Weise können solche Profilformen auch an Sickenwänden positioniert und fixiert sein, z.B. an den zwei Seitenwänden einer Sicke 7 - ansteUe der zwei EF-Profile (10.2, 10.3) in zwei separaten Rippen 8 wie dies im nachfolgenden Beispiel von Fig. 8 gezeigt ist. AnsteUe der Beispiele 7a, 7b können die Querschnitte von EF-Profilen ja nach Anwendung beispielsweise auch "L"-oder "Z"-förmig ausgebUdet sein.

Die Fig. 8a, b zeigen das Beispiel eines komplexen Strukturbauteils mit einer dreidimensionalen KreuzungssteUe in Form einer zweidrittel (2/3) Rücksitzlehne 74 mit einer Mittelgurtanbindung 60 für den mittleren Sitzplatz und einem Halteschloss 58 sowie mit mehreren anspruchsvoUen Lasteinleitungen für verschiedene LastfäUe (Crash-Lasten). Die Fig. 8a zeigt im Grundriss die Anordnung der EF-Profile im Bauteü und Fig. 8b perspektivisch die LFT-Masse 6 und darin eingezeichnet die integrierten EF-Profile 10.1 bis 10.4. Dieses Beispiel iUustriert die lastoptimierte Formgebung der EF-Profile selber sowie die lastoptimierte Anordnung zu einer Struktur mit entsprechender Formgebung der LFT-Masse 6 und mit optimalen Kraftübertragungen zwischen den Hauptlasten tragenden EF-Profilen (mit gerichteten Endlosfasern) und der ergänzenden LFT-Masse (mit ungerichteten Langfasern).

Hier ergeben sich vier Hauptlastaufnahmen Ll bis L4 durch:

- die Lasten Ll, L2 an den beidseitigen Achshalterungen 59a, 59b, um welche die Rücksitzlehne 74 schwenkbar ist,

- die Last L3 am Schloss 58, zum Fixieren der Rücksitzlehne in NormalsteUung und

- die Last L4 an Gurtschloss bzw. GurtroUe 60 für den Mittelgurt des mittleren Sitzplatzes.

Mit diesem Strukturbauteil werden folgende LastfäUe (mit den weiteren Lasten L5 bis L9) abgedeckt:

- Front- und HeckaufpraU

- Ladegut-Sicherung

- Gurtverankerung

- Kopfstützenverankerung

Zur Aufnahme und Übertragung aUer Lasten und Kräfte büden die sich kreuzenden EF- Profile zusammen mit den verbindenden kraftübertragenden Ausformungen der LFT- Masse die räuπüiche, dreidimensionale Kreuzungsstruktur 50. Hier büden die EF-Profile je paarweise in den LFT- Ausformungen einen Momente übertragenden Biegeträger:

- die EF-Profile 10.1 und 10.4 in einer Sicke 7 der LFT-Masse einen Biegeträger zwischen den Lasten Ll und L4

- und die EF-Profile 10.2 und 10.3 in den Rippen 8 der LFT-Masse einen Biegeträger zwischen den Lasten L2 und L3.

Über die räumUche KreuzungssteUe 50 wird dabei die Last L4 an der GurtroUe 60 und auch weitere Lasten, die auf den Biegeträger 10.1/ 10.4 wirken, auch durch den anderen Biegeträger 10.2/ 10.3 abgestützt (und umgekehrt).

Die Hauptkräfte bzw. Lasten Ll bis L4 werden durch Krafteinleitungen aufgenommen:

- durch Ausformungen 22 und 32 der EF-Profilenden und der LFT-Masse zur Aufnahme der ausseien Kräfte mit oder ohne Inserts 4.

- Dabei können die Inserts 4 vor dem Verpressen in das LFT- Werkzeug eingelegt und mit den EF-Profilen und der LFT-Masse zusammen verpresst werden

- oder sie können auch nachträgkch in das BauteU eingefügt werden.

Hier weist das EF-Profil 10.1 eine bogenförmige Verbreiterung 22 und eine angepasste LFT- Ausformung 32.1 zur Aufnahme eines metallischen Inserts 4 beim Achslager 59a auf. Die andere Achslager- Aufnahme 59b wird durch Ausformungen 22.2 der EF-Profile 10.2 und 10.3 und verbindende Ausformungen 32.2 der LFT-Masse gebildet. Diese Profilenden 22.2 sind umgebogen und so in der LFT-Masse verankert zur Erhöhung der Zugfestigkeit. Das Schloss 58 wird an eine Schlossplatte am EF-Profil 10.3 angeschraubt und durch das EF-Profil 10.2 gestützt. Die GurtroUe 60 wird abgestützt durch Ausformungen 22 der EF-Profile 10.1 und 10.4 und durch LFT- Ausformungen 32. Die kleineren Lasten L8, L9 von Kopfstützen 61 werden hier durch LFT- Ausformungen 32 aufgenommen. Es könnte aber auch ein zusätzüches quer verlegtes EF-Profil 10.5 (bereichsweise flach und vertikal ausgerichtet) zur Verstärkung integriert werden. Die Ablagereihenfolge der EF-Profile in das LFT- Werkzeug ist: zuerst das EF-Profil 10.1 (in H2), darauf die EF-Profile 10.2 und 10.3 und anschhessend darauf das EF-Profil 10.4 (in Hl). Dann wird die flüssige LFT-Masse 6 eingebracht und das ganze Bauteü einschaUg und einstückig in einem Schritt verpresst. (Das gezeigte

Bauteü Uegt umgekehrt im LFT-Formwerkzeug, d.h. dort Uegt H2 unten und Hl oben.

Die Fig. 8 zeigt die Rückseite der Rücksitzlehne 74.)

In diesem Beispiel ist auch die dreidimensionale Profilformung in vielen Varianten ersichtUch.

Die Formgebungen im BauteU können spezieUe Ausformungen 22 für Kraftübergänge und zur direkten Aufnahme von äusseren Lasten bzw. zur Aufnahme von Inserts 4 (Einbauteüen) aufweisen, an welchen äussere Lasten in das BauteU eingeleitet werden. Auf die Formgebung der EF-Profile 10 abgestimmt wird auch die Formgebung der umgebenden LFT-Masse 6 gewählt. Formgebungen von Kraftübertragungen (von Kräften und Momenten) im Innern eines Bauteils (z.B. von einem EF-Profil über die LFT-Masse auf andere EF-Profile) können sowohl als Ausformungen 22 der EF-Profile als auch als Ausformungen 32 der LFT-Masse gebüdet sein.

GenereU werden mögkchst ausgeghchene, stetige Übergänge ausgebildet zur Reduktion von Festigkeits- und Steifigkeitssprüngen zwischen EF-Profilen und LFT-Masse.

Fig. 9 zeigt eine Einzelsitzlehne 72 mit einer Gurtanbindung 60 und Kopfstützen 61 bei der ähiüiche Lasten und LastfäUe auftreten wie im Beispiel von Fig. 8, hier mit den Hauptlasten Ll an der Gurtanbindung 60 und L2 dem Gewicht des Passagiers. AUe Lasten müssen jedoch durch die fixierbaren Achshalterungen 59b, und eventueU auch 59a, um welche die Sitzlehne schwenkbar eingesteUt wird, abgestützt werden. Dabei kann die Arretierung beidseitig an 59b und 59a oder oft nur einseitig an 59b vorhanden sein. Im letzteren FaU muss ein aus EF-Profilen gebüdeter Profilträger zwischen der Arretierung 59b und der Gurtanbindung 60 besonders stark ausgebUdet sein mit erhöhter Torsionssteifigkeit. Dazu kann hier ein geschlossener Hohlprofilquerschnitt gebüdet werden (analog zu Fig. 12) beispielsweise mit drei EF-Profilen 10.1, 10.2, 10.3 in einer Sicke 7 des Bauteils 1 und darauf kann zusätzUch ein separates Deckelbauteü 1.2 mit einem EF-Profü 10.10 thermoplastisch aufgeschweisst werden.

Der Profil-Träger zwischen den Achshalterungen und Arretierungen 59a und 59b weist hier die EF-Profile 10.4, 10.5, 10.6 in den Hauptebenen Hl, H2 an einer Sicke 7 auf. Der Profil-Träger zwischen der Achshalterung 59a und der Gurtanbindung 60 ist gebogen und weist zwei vertikale EF-Profile 10.7, 10.8 z.B. in den Seitenwänden einer Sicke 7 auf. Es werden hier zwei räumUche KreuzungssteUen 50 an den Achshalterungen 59a und 59b gebüdet. Dabei sind hier aüe EF-Profile in Sicken integriert, wobei an den KreuzungssteUen der EF-Profile die Sicken lokal in Rippen übergehen, so dass dort immer eine KreuzungssteUe zwischen einer Rippe 8 und einer Sicke 7 entsteht und so, dass aUe EF-Profile in einem Schritt ablegbar sind und das Strukturbau teü 1 in einem Schritt einstückig verpresst werden kann. NatürUch können auch andere Anordnungen von EF-Profilen in Rippen und Sicken nach Bedarf kombiniert werden.

Fig. 10 zeigt eine Anordnung von EF-Profüen mit einer räumUchen KreuzungssteUe 50, welche als Sitzschale 76 oder als Kabinenboden, z.B. einer Liftkabine, ausgebUdet ist. Um hier eine Schale mit relativ geringer Dicke, d.h. kleinem vertikalem Abstand v zwischen den Hauptebenen H 1 , H2 zu realisieren, sind hier drei vertikale EF-Profile 10.2, 10.3, 10.4, v in einer Rippenstruktur integriert, die zwei EF-Profile 10.1, 10.5 in den Hauptebenen Hl, H2 kreuzen. An einem freien Ende Ll einer Sitzschale könnten die EF-Profile 10.1 und 10.5 auch zusammenlaufen und dort direkt flächig miteinander verbunden sein. Mit den Lasten L2 - L4 (auch Ll) wird diese Struktur abgestützt.

Fig. 11 zeigt ein Beispiel eines Strukturbau teils, das eine Tragstruktur einer Autotüre 78 büdet mit integriertem Seitencrash-Schutz. Die EF-Profil-Struktur mit einer "T"-förmi- gen KreuzungssteUe 50 wird gebüdet durch zwei an der KreuzungssteUe zusammenlaufende Biegeträger mit EF-Profüen, welche die Kräfte abstützenden LaststeUen Ll und L2 = oberes und unteres Türscharnier 79a und 79b sowie L3 = Türschloss 80 verbinden. Der Biegeträger a verbindet das obere Scharnier 79a mit dem Schloss 80 und der Biegeträger b das untere Scharnier 79b mit dem Schloss 80, wobei dieser an der Kreuzungs- steUe 50 in den Biegeträger a einmündet und bis zum Schloss 80 weiterläuft (a + b). Die Anordnungen der EF-Profile 10.1, 10.4 des Biegeträgers a in einer Sicke 7 und die EF- Profile 10.2, 10.3 des Biegeträgers b in den Rippen 8 sowie die Kombination a + b mit aUen vier EF-Profilen an der Sicke 7 sind in Schnitten dargesleUt. Dies ergibt eine starke, leichte Verstärkungsstruktur um z.B. auch Seitencrash-Lasten L4, L5 aufzufangen und abzustützen.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel eines Strukturbauteüs 82, das mehrteiüg, z.B. zweischaüg, zusammengesetzt ist, z.B. durch Schweissen oder Kleben. Hier wird ein Strukturbau teü 1 mit KreuzungssteUe mit einem weiteren Bauteü 1.2 verbunden, welches einen Deckel zu einer offenen Sicke bildet, so dass beide Bauteüe 1 und 1.2 zusammen einen geschlossenen, rohrförmigen, EF- verstärkten Profilquerschnitt büden mit besonders hoher Torsionssteifigkeit (wie als Variante in Fig. 9 erklärt ist). Solche zweiteüigen Bauteüe werden vorzugsweise thermoplastisch zusammengeschweisst. Die Formgebung der vertikal orientierten EF-Profile 10.2 und 10.3 in den Seitenwänden der Sicke 7 können z.B. auch einen flachen Teil aufweisen, der dem EF-Profil 10.10 im Deckel- bauteü 1.2 angepasst ist. Hinter diesen EF-Profilen 10.2, 10.3 könnte z.B. mit einem quer durchlaufendenden vertikalen EF-Profü 10.4 eine räumUche KreuzungssteUe 50 gebüdet werden.

Folgende MateriaUen eignen sich für die erfindungsgemässen Strukturbauteüe: Die LFT- Masse 6 weist vorzugsweise eine mittlere Faserlänge von müidestens 3 mm, besser von 5 - 15 mm, auf. Die Endlosfaserverstärkung (EF) der EF-Profile kann aus gerichteten Glas-, Kohle- oder Aramidfasern in der Thermoplastmatrix bestehen (wobei in Spezial- fäUen auch Borfasern für höchste Druckfestigkeiten oder Stahlfasern nicht ausgeschlossen wären).

Die EF-Profile 10 können hauptsächUch aus DU (unidirekiionale)-Lagen (0°), aber auch aus Lagen mit unterschiedücher Faser- Ausrichtung aufgebaut sein, z.B. abwechselnd mit Lagen von 0 90° oder 0 +457-45° Faserorientierungen. Sie können auch eine dünne Oberflächenschicht (z.B. 0.1 - 0.2 mm) aus reinem Thermoplastmaterial ohne EF- Faserverstärkung aufweisen.

SpezieU geeignet für Strukturbauteüe sind teilkristalline Polymere wie Polypropylen (PP), Polyethylentherephtalat (PET), Polybutylentherephtalat (PBT) oder Polyamid (PA) als Matrix von EF-Profüen 10 und von LFT-Masse 6, z.B. da diese höhere Druckfestigkeiten aufweisen können. Es können aber auch amorphe Polymere wie ABS oder PC eingesetzt werden.

Im Rahmen dieser Beschreibung werden folgende Bezeichnungen verwendet:

1 Strukturbau teü

1.2 zweiter Teü (zweischakg)

4 Inserts, Einlagen

6 LFT-Masse, Formmasse

7 Sicke

8 Rippe

10 EF-Profile

22 EF-Profü- Ausformungen

32 LFT- Ausformungen

50 räumUche KreuzungssteUe (dreidimensional)

54 PositioniersteUen

55 Positionierabsatz

56 dicke Zug- und Druckzonen in 10

57 dünnere Schubzone

58 Schloss

59a, b Achshalterungen

60 GurtroUe, Gurtschloss

61 Kopfstützen

72 Einzelsitz

74 2/3 Rücksitzlehne

76 Sitzschale, Kabinenboden 78 Autotüre

79 Türscharniere

80 Türschloss

82 zweischaUges Strukturbau teü

LFT Langfaser-Thermoplast

EF Endlosfaser

Hl obere Hauptebene von 50

H2 untere Hauptebene von 50 v Abstand zwischen Hl und H2 (vertücal)

L Lasten (K, M)

F Kräfte

M Momente

ÜB Kraftübertragung an 50

"T"-, "L"-, "X"-fόrmige KreuzungssteUe

Claims

Patentansprüche

1. Strukturbau teü (1) aus langfaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff (LFT) mit integrierten Endlosfaser (EF)-Verstärkungen, gekennzeichnet durch mindestens drei einzelne integrierte, geformte Endlosfaser (EF) -Profile (10) die an einer KreuzungssteUe zusammenlaufen, und eine räumUche (dreidimensional ausgebüdete) KreuzungssteUe (50) büden, wobei an der KreuzungssteUe mindestens je ein EF-Profil (10) in einer oberen und in einer unteren Hauptebene (Hl, H2) der KreuzungssteUe Uegt und ein EF- Profil mit vertikaler Ausdehnung (v) zwischen diesen EF-Profüen der oberen und der unteren Hauplebene durchgehend verläuft und wobei die EF-Profüe (10) durch die LFT-Masse (6) an der KreuzungssteUe (50) kraftübertragend miteinander verbunden sind durch entsprechende Ausformungen (32) der LFT-Masse und wobei mehrere Kräfte (F) oder Momente (M) an mehreren SteUen auf die EF-Profüe (10) abstützbar sind zur Aufnahme von ausseien Lasten (L).

2. Strukturbau teü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass äussere Krafteinleitungen (L) mittels LFT-Ausformungen (32) und/oder mit entsprechenden EF-Profü- Ausformungen (22) gebüdet sind.

3. Strukturbau teü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumüchen KreuzungssteUen (50) "X"-, "T"- oder "L"-förmig ausgebUdet sind.

4. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profüe an der KreuzungssteUe (50) so angeordnet sind, dass die EF-Profile (10) nacheinander oder miteinander in ein LFT-Form- Werkzeug einlegbar sind und anschhessend mit einer eingebrachten, geschmolzenen LFT-Masse (6) in einer LFT-Presse in einem Schritt und zu einem einteiligen Bauteü verpressbar sind.

5. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profüe (10) aus Lagen mit unterschiedüchen Faserorientierungen aufgebaut sind.

6. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LFT-Masse (30) eine mittlere Faserlänge von mindestens 3 mm aufweist.

7. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profüe (10) eine Endlosfaserverstärkung (EF) aus Glas-, Kohle- oder Aramidfasern aufweisen.

8. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoplastmaterial der LFT-Masse (6) und der EF-Profüe (10) aus teilkristallinen Polymeren wie PP, PET, PBT, PA besteht.

9. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profüe (10) eine dreidimensionale Profüformgebung aufweisen.

10. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profüe (10.1 - 10.6) in Längsrichtung eine Biegung, Drehung, Faltung und/oder eine Oberflächenstrukturierung aufweisen.

11. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profile (10) unterschiedüche Querschnittsformen aufweisen.

12. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ausformungen (22) an den EF-Profüen und Ausformungen (32) der LFT-Masse für Krafteinleitungen und von Kraftübergängen zwischen EF-Profilen (10) und LFT- Masse (6) sowie zu Inserts (4) erzeugt werden.

13. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein EF-Profil (10) mit einem Positionierabsatz (55), einem dicken Zug- und Druckbereich oben und unten (56) sowie einem dünneren Schubbereich (57) dazwischen geformt wird und das EF-Profü in einer Rippe (8) oder an einer Sickenwand (7) des Strukturbauteüs positioniert ist.

14. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EF-Profile (10) eine "Moment-Lasthebel-Struktur" mit einer "T"-förmigen oder "L"- förmigen räumüchen KreuzungssteUe büden.

15. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einzelsitzlehne (72) mit Gurtanbindung (60) büdet.

16. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Zweidrittel-Rücksitzlehne (74) mit Gurtanbindung (60) und Halteschloss (58) büdet.

17. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Sitzschale (76) oder einen Kabinenboden büdet.

18. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Autotür- Tragstruktur (78) mit integriertem Seitencrash-Schutz büdet.

19. Strukturbauteü nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrteilig (z.B. zweischaUg 1, 1.2) zusammengesetzt ist (82).

0. Verfahren zur HersteUung eines Strukturbau teüs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere geformte EF-Profüe (10) nacheinander oder miteinander in ein LFT- Formwerkzeug abgelegt und dort zur Büdung einer räumüchen KreuzungssteUe (50) in vorgegebener Lage positioniert werden und anschhessend eine geschmolzene LFT-Masse (6) eingebracht und mit den EF-Profüen (10) zusammen in einem Schritt zu einem einstückigen Bauteü verpresst wird.