WO2020169265A1 - Rohrförmiges, triaxial geflochtenes faserhalbzeug mit verschiedenartig ausgeführten stehfäden - Google Patents

Rohrförmiges, triaxial geflochtenes faserhalbzeug mit verschiedenartig ausgeführten stehfäden Download PDF

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Lin MOELLENHOFF
Sebastian Schaper
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Definitions

  • the invention relates to a tubular semi-finished fiber product and a fiber reinforced plastic hollow profile.
  • the invention also relates to a method for producing a tubular semi-finished fiber product and a fiber-reinforced plastic hollow profile.
  • Fiber-reinforced plastic hollow profiles are known and are used, for example, as body components.
  • tubular fiber semi-finished products are used in which one or more layers of reinforcing fibers e.g. are arranged on a mold core to form a preform, which is similar to the later profile shape.
  • the semi-finished fiber is then processed further to form a fiber-reinforced plastic component by infiltration with a plastic matrix, consolidation and / or curing of the same.
  • the cross section, the wall thickness and the material of the hollow profile result in a specific moment of bending resistance.
  • a tubular semifinished fiber product with at least one layer of reinforcing fibers is specified, the layer of reinforcing fibers containing longitudinal threads which run in the longitudinal direction of the semifinished fiber product.
  • the longitudinal threads in a first circumferential sub-area of the semifinished fiber product and the longitudinal threads in a second circumferential sub-area differ from one another in their material.
  • the semifinished fiber product viewed along its circumference, has at least two partial areas in which the longitudinal threads differ from one another in terms of their material.
  • the semi-finished fiber product there are strips made of different materials next to one another.
  • this component has wall sections with a first stiffness and strength and wall sections with a second stiffness and strength. In this way, a component can be created in a particularly simple manner that shows different behavior in different loading directions.
  • the proposed semi-finished fiber enables a load-appropriate construction of the component and the targeted, needs-based use of material.
  • the semi-finished fiber product is tubular.
  • the term "tubular" is intended to describe an elongated hollow body, the length of which is many times greater than its height or width.
  • the cross-sectional shape of the tubular semi-finished fiber product is not limited to an annular shape. In addition to round cross-sections, oval or square, for example four-cornered or polygonal, cross-sections are also possible.
  • the semi-finished fiber product has at least one layer of reinforcing fibers that contains longitudinal threads.
  • the longitudinal threads are aligned along the longitudinal axis of the semifinished fiber product, they preferably run at an angle of + 1-5 degrees to the longitudinal axis of the semifinished fiber product.
  • the at least one layer of reinforcing fibers can e.g. present as a scrim or fabric, which is placed around a mold core.
  • the layer of reinforcing fibers is in the form of a braid.
  • it can be a triaxial braid in which the longitudinal threads are braided in as standing threads, whereby the longitudinal threads are particularly well fixed.
  • the longitudinal threads can be single filaments.
  • the longitudinal threads are fiber bundles (rovings) in which several or a large number of individual filaments are bundled.
  • the longitudinal threads in the first sub-area have a different fineness than the longitudinal threads in the second sub-area.
  • the fineness describes the specific running length weight of the threads.
  • Common reinforcing fibers such as e.g. Glass fibers, carbon fibers or aramid fibers can be used.
  • longitudinal threads made of carbon fibers can be used in the first sub-area and longitudinal threads made of glass fibers in the second sub-area, whereby the first sub-area has a higher rigidity and strength than the second sub-area. It is therefore possible to map functional requirements in the semi-finished fiber product and thus also in the component without having to change the geometry.
  • a further reinforcement of individual partial areas of the semifinished fiber product can be achieved in one embodiment in that an additional fiber layer is also arranged in the first partial area.
  • the additional fiber layer is preferably formed in a locally limited manner only in the first partial area.
  • the additional fiber layer then extends in the circumferential direction preferably as far as the first partial area extends and over the entire length of the semifinished fiber product.
  • the additional fiber layer can be designed, for example, as a woven fabric, mesh or knitted fabric. A good reinforcing effect with a particularly efficient one
  • the use of material can be achieved in that the additional fiber layer is a unidirectional scrim in the longitudinal direction of the semifinished fiber product.
  • the additional fiber layer is preferably composed of carbon fibers, the use of other reinforcement fibers also being conceivable in principle.
  • the semi-finished fiber product can have two or more layers of reinforcing fibers and two or more additional fiber layers, which are each layered alternately on top of one another. If several additional fiber layers are provided, these are preferably formed in the same partial area, so that they are aligned one above the other on the circumference.
  • the semi-finished fiber product can have exactly one first sub-area and one second sub-area on the circumference, so that the cross section is divided into two. In one embodiment, however, it is also possible for the semifinished fiber product to have more than a first partial area and more than a second partial area on the circumference. For example, two first and two second partial areas can be provided. Using the example of a hollow profile in a roof frame, for example, a targeted reinforcement of compression and tension belts can take place. The provision of three or more first or second partial areas is also conceivable.
  • the sub-areas can have the same size and, for example, have the same number of rovings or be designed to be of different sizes, so that, for example, one sub-area has more rovings than another sub-area.
  • the semifinished fiber product contains more than two sub-areas in which the longitudinal threads differ with regard to their material.
  • the semifinished fiber product contains more than two sub-areas in which the longitudinal threads differ with regard to their material.
  • a fiber-reinforced plastic hollow profile which contains a fiber semifinished product according to the invention.
  • the semi-finished fiber product is then integrated into a plastic matrix.
  • the plastic matrix can be a thermoplastic plastic material or a thermosetting plastic material.
  • the fiber-reinforced plastic hollow profile is preferably a vehicle component, e.g. a body part.
  • the procedure includes the steps:
  • a layer of reinforcing fibers on the mold core Arranging a layer of reinforcing fibers on the mold core in such a way that the layer of reinforcing fibers contains longitudinal threads which run in the longitudinal direction of the semifinished fiber product, the longitudinal threads in a first circumferential sub-area of the semifinished fiber product differing from one another in terms of their material from the longitudinal threads in a second circumferential sub-area .
  • the arrangement of the layer of reinforcing fibers can be done manually or automatically.
  • the arrangement is particularly preferably carried out by braiding the layer of reinforcing fibers onto a mold core. This is an industrially mature process with high repeatability. More than one layer of reinforcing fibers can be applied to the mold core, for example the mold core can be passed several times through a braiding system so that a multi-layer braid is formed.
  • a locally delimited fiber layer on the circumferential side is arranged on the mold core in the first partial area, as a result of which the additional fiber layer is formed in the semi-finished fiber.
  • the fiber layer is designed as a scrim, it can e.g. by carrying additional reinforcing threads during the braiding process in a simple manner and securely attached to the mandrel below the braid. Therefore, this embodiment is particularly economical in combination with a braid.
  • the procedure includes the steps:
  • thermoplastic or thermosetting plastic material and consolidate and / or harden the plastic material.
  • the method is particularly preferably an RTM process (Resin Transfer Molding).
  • FIG. 1 shows a side view of an exemplary semifinished fiber product
  • FIG. 2 shows a sectional view of the semifinished fiber product from FIG. 1
  • FIG. 3 shows a sectional view of another exemplary company
  • FIG. 6 shows an exemplary process sequence
  • FIG. 1 shows a side view of a tubular semi-finished fiber product 10 in the form of a triaxial braided hose.
  • the semi-finished fiber product 10 includes longitudinal threads 12, 14, so-called standing threads, which are looped around by braiding threads 16, only individual longitudinal threads and braiding threads being provided with reference numerals.
  • the semi-finished fiber product 10 is braided onto a mandrel 2, see FIG. 2.
  • the longitudinal threads 12 can be individual filaments, but the longitudinal threads 12 are preferably fiber bundles, so-called rovings.
  • longitudinal threads 12 made of a first material, e.g. Carbon fiber.
  • longitudinal threads 14 are made of a second material, e.g. Glass fibers.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the semifinished fiber product from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a further exemplary fiber semi-product 10A.
  • the semi-finished fiber product 10A differs from the semi-finished fiber product from FIGS. 1 and 2 in that underneath the layer of reinforcing threads an additional fiber layer 18 made of e.g. a scrim of carbon fibers is arranged.
  • This additional fiber layer 18 is locally limited only in the first partial areas I.
  • the second partial areas II are therefore free of the additional fiber layer 18.
  • FIGS. 4 and 5 show sectional views of fiber-reinforced plastic hollow profiles 1 and 1A, FIG. 4 showing a plastic hollow profile 1 with the semifinished fiber product 10 from FIG. 2 and FIG. 5 a plastic hollow profile 1A with the semifinished fiber product 10A from FIG.
  • the respective semi-finished fiber product 10, 10A is integrated in a plastic matrix 20 to form the fiber-reinforced plastic hollow profile 1 or 1A.
  • the component 1 or 1A has wall thickness subareas with different stiffnesses and strengths.
  • the plastic hollow profile 1 has a substantially uniform wall thickness, but due to the use of different materials for the longitudinal threads 12 and 14 different stiffnesses and strengths in the first and second sub-area I and II.
  • the rigidity and strength in the first part area I is increased even further by introducing the additional fiber layer 18 in the form of the carbon fiber scrim.
  • the semifinished fiber product 10 are shown with only a single braid layer and the semifinished fiber product 10A with only a single braid layer and egg ner additional fiber layer.
  • two or more braid layers can be formed one above the other, for example by repeating the process, the first subregions of each layer preferably being arranged in alignment one above the other. It is also possible for an additional layer and a mesh layer to be alternately arranged one above the other.
  • the semifinished fiber product 10 or 10A can contain further layers of reinforcing fibers, e.g. include in the form of further braid layers and / or fabric or Ge leg. Other than the round cross-section shown are also conceivable, e.g. polygonal cross-sections.
  • the longitudinal threads 12, 14 can also be present as scrims or as part of a fabric in the semi-finished fiber.
  • the additional fiber layer can also be present as a woven, woven or knitted fabric.
  • FIG. 6 shows a schematic sequence of an exemplary method.
  • a layer of reinforcing fibers is arranged on a mandrel provided be provided such that the layer of reinforcing fibers includes longitudinal threads 12, 14 which run in the longitudinal direction of the semi-finished fiber 10, 10A and the longitudinal threads 12 in a first circumferential portion I of the semifinished fiber product and the longitudinal threads 14 differ from one another in terms of their material in a second peripheral partial area II.
  • the layer of reinforcement threads is through formed a braiding process as a triaxial braid. If necessary, step 100 can be repeated several times, as a result of which a multilayered braid is formed on the mandrel.
  • the semi-finished fiber product thus produced can be processed further in step 200 to form a fiber-reinforced hollow plastic component.
  • the semifinished fiber product is infiltrated with a matrix material and the matrix material is consolidated.
  • the matrix material is a thermosetting matrix material that is injected into the semi-finished fiber product in an RTM process and then hardened.
  • the method may include an optional additional step 110.
  • an additional fiber layer is placed on the mandrel, preferably as a scrim.
  • additional longitudinal fibers are carried along in the braiding process between the braided tube and the mandrel, so that they are laid down as a scrim on the mandrel and are fixed on the mandrel by the braided hose. If, for example, the braiding process is repeated in step 100, step 110 can also be repeated accordingly.

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Abstract

Rohrförmiges, triaxial geflochtenes Faserhalbzeug mit mindestens einer Lage von Verstärkungsfasern, wobei die Lage von Verstärkungsfasern Stehfäden bzw. Längsfäden (12, 14) beinhaltet, welche in Längsrichtung des Faserhalbzeugs (10, 10A) verlaufen. Die Stehfäden bzw. Längsfäden (12) unterscheiden sich in einem ersten umfangsseitigen Teilbereich (I) des Faserhalbzeugs von den Stehfäden bzw. Längsfäden (14) in einem zweiten umfangsseitigen Teilbereich (II) in ihrem Material. Weiterhin wird ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil (1, 1A), ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Faserhalbzeugs und eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils angegeben.

Description

Beschreibung
ROHRFÖRMIGES, TRIAXIAL GEFLOCHTENES FASERHALBZEUG MIT
VERSCHIEDENARTIG AUSGEFÜHRTEN STEHFÄDEN
Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Faserhalbzeug und ein faserverstärk tes Kunststoffhohlprofil. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Faserhalbzeugs und eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils.
Faserverstärkte Kunststoffhohlprofile sind bekannt und werden beispiels weise als Karosseriebauteile eingesetzt. Zur Herstellung der Kunststoffhohl profile werden rohrförmige Faserhalbzeuge verwendet, bei denen eine oder mehrere Lagen von Verstärkungsfasern z.B. auf einem Formkern zu einer Preform angeordnet sind, die ähnlich der späteren Profilform ist. Das Faser halbzeug wird dann durch Infiltration mit einer Kunststoffmatrix, Konsolidie rung und/oder Aushärten derselben zum faserverstärkten Kunststoffbauteil weiterverarbeitet.
Bei Hohlprofilen ergibt sich aufgrund des Querschnitts, der Wandstärke und des Materials des Hohlprofils ein spezifisches Biegewiderstandsmoment.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie ein Faserhalbzeug und ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bei effizi entem Materialeinsatz hergestellt werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Faserhalbzeug nach Patentanspruch 1 , ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil nach Patentanspruch 11 , ein Verfah ren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Patentanspruch 12 und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils nach Patentanspruch 14. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein rohrförmiges Faserhalbzeug mit mindestens einer Lage von Ver stärkungsfasern angegeben, wobei die Lage von Verstärkungsfasern Längs fäden beinhaltet, welche in Längsrichtung des Faserhalbzeugs verlaufen. Er findungsgemäß unterscheiden sich die Längsfäden in einem ersten umfangs seitigen Teilbereich des Faserhalbzeugs und die Längsfäden in einem zwei ten umfangsseitigen Teilbereich in ihrem Material voneinander.
Mit anderen Worten gesagt, weist das Faserhalbzeug entlang seines Um fangs betrachtet mindestens zwei Teilbereiche auf, in denen sich die Längs fäden in ihrem Material voneinander unterscheiden. Im Faserhalbzeug liegen also Streifen aus unterschiedlichen Materialien nebeneinander vor. Durch die Verwendung unterschiedlicher Längsfäden lassen sich Teilbereiche mit un terschiedlichen Steifigkeiten und Festigkeiten hersteilen. Wird das Faserhalb zeug durch Infiltration, Konsolidierung und/oder Aushärten eines Matrixmate rials zu einem faserverstärkten Kunststoffhohlprofil weiterverarbeitet, so weist dieses Bauteil Wandabschnitte mit einer ersten Steifigkeiten und Festigkeit sowie Wandabschnitte mit einer zweiten Steifigkeit und Festigkeit auf. Derart lässt sich auf besonders einfache Art und Weise ein Bauteil schaffen, das in unterschiedliche Belastungsrichtungen unterschiedliche Verhalten zeigt. Zu dem lässt sich bei gegebenem maximalem Querschnitt ein größeres Biege widerstandsmoment erzielen. Das vorgeschlagene Faserhalbzeug ermöglicht eine belastungsgerechte Konstruktion des Bauteils und den gezielten be darfsgerechten Einsatz von Material. Das Faserhalbzeug ist rohrförmig ausgebildet. Der Begriff„rohrförmig“ soll dabei einen langgestreckten Hohlkörper beschreiben, dessen Länge um ein Vielfaches größer ist als seine Höhe oder Breite. Die Querschnittsform des rohrförmigen Faserhalbzeugs ist nicht auf eine ringförmige Form beschränkt. Neben runden Querschnitten sind z.B. auch ovale oder eckige, z.B. vier eckige oder mehreckige Querschnitte möglich.
Das Faserhalbzeug weist mindestens eine Lage von Verstärkungsfasern auf, die Längsfäden beinhaltet. Die Längsfäden sind entlang der Längsachse des Faserhalbzeugs ausgerichtet, sie verlaufen vorzugsweise in einem Winkelbe reich von +1-5 Grad zur Längsachse des Faserhalbzeugs.
Die mindestens eine Lage von Verstärkungsfasern kann z.B. als Gelege oder Gewebe vorliegen, welches um einen Formkern herumgelegt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Lage von Verstärkungsfasern jedoch als Geflecht vor. Beispielsweise kann es sich um ein triaxiales Geflecht handeln, bei dem die Längsfäden als Stehfäden eingeflochten sind, wodurch die Längsfäden besonders gut fixiert sind.
Bei den Längsfäden kann es sich um Einzelfilamente handeln. Zur Errei chung der im Automobilbau erforderlichen mechanischen Anforderungen handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung bei den Längsfäden um Faserbündel (Rovings), in denen mehrere oder eine Vielzahl von Einzelfila menten gebündelt sind.
In einer Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, wenn die Längsfäden im ersten Teilbereich eine andere Feinheit aufweisen als die Längsfäden im zweiten Teilbereich. Die Feinheit bezeichnet dabei das spezifische Lauflän- gengewicht der Fäden. Durch geschickte Kombination der Feinheiten lässt sich das Fließverhalten der Kunststoffmatrix im Faserhalbzeug steuern. Vor zugsweise wird das Verhältnis von Feinheit der Längsfäden im ersten Teilbe reich und Feinheit der Längsfäden im zweiten Teilbereich derart gewählt, dass in beiden Teilbereichen der gleiche Faservolumengehalt vorliegt. Hier durch kann eine einheitliche Fließfront beim späteren Infiltrieren im RTM-Pro- zess (Resin Transfer Moulding) erzielt werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Faserhalbzeug mit umfangsseitig gleichbleibender Wandstärke herzustellen, das jedoch in den Teilbereichen unterschiedliche Steifigkeiten und Festigkeiten aufweist.
Als Längsfäden bzw. Verstärkungsfasern können gängige Verstärkungsfa sern, wie z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern verwendet werden. In einer Ausgestaltung können z.B. im ersten Teilbereich Längsfä den aus Kohlenstofffasern verwendet sein und im zweiten Teilbereich Längs fäden aus Glasfasern, wodurch der erste Teilbereich eine höhere Steifigkeit und Festigkeit aufweist als der zweite Teilbereich. Es wird folglich möglich, funktionale Anforderungen im Faserhalbzeug und damit auch im Bauteil ab zubilden, ohne dass eine Geometrieänderung erfolgen muss.
Eine weitere Verstärkung einzelner Teilbereiche des Faserhalbzeugs kann in einer Ausgestaltung dadurch erzielt werden, dass in dem ersten Teilbereich weiterhin eine zusätzliche Faserschicht angeordnet ist. Die zusätzliche Fa serschicht wird vorzugsweise lokal begrenzt nur in dem ersten Teilbereich ausgebildet. Dann erstreckt sich die zusätzliche Faserschicht in Umfangs- richtung vorzugsweise so weit, wie der erste Teilbereich reicht und über die gesamte Länge des Faserhalbzeugs.
Die zusätzliche Faserschicht kann z.B. als Gewebe, Geflecht oder Gestrick ausgebildet sein. Eine gute Verstärkungswirkung bei besonders effizientem Materialeinsatz kann in einer Ausgestaltung dadurch erreicht werden, dass es sich bei der zusätzlichen Faserschicht um ein unidirektionales Gelege in Längsrichtung des Faserhalbzeugs handelt.
Zur Erzielung einer hohen mechanischen Verstärkungswirkung ist die zusätz liche Faserschicht vorzugsweise aus Kohlenstofffasern aufgebaut, wobei grundsätzlich auch der Einsatz anderer Verstärkungsfasern denkbar ist.
Zur Erzielung höherer Wandstärken, Bauteilsteifigkeiten und -festigkeiten kann das Faserhalbzeug zwei oder mehr Schichten von Verstärkungsfasern und zwei oder mehr zusätzliche Faserschichten aufweisen, die jeweils ab wechselnd übereinander geschichtet sind. Werden mehrere zusätzliche Fa serschichten vorgesehen, so werden diese vorzugsweise in demselben Teil bereich ausgebildet, so dass sie umfangsseitig fluchtend übereinander lie gen.
Das Faserhalbzeug kann umfangsseitig genau einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich aufweisen, so dass der Querschnitt zweigeteilt ist. Es ist jedoch in einer Ausgestaltung auch möglich, dass das Faserhalbzeug umfangsseitig mehr als einen ersten Teilbereich und mehr als einen zweiten Teilbereich aufweist. Beispielsweise können zwei erste und zwei zweite Teil bereiche vorgesehen sein. Am Beispiel eines Hohlprofils in einem Dachrah men kann z.B. eine gezielte Verstärkung von Druck- und Zuggurt erfolgen. Auch das Vorsehen von drei oder mehr ersten bzw. zweiten Teilbereichen ist denkbar. Die Teilbereiche können die gleiche Größe haben und z.B. die glei che Anzahl von Rovings aufweisen oder unterschiedlich groß ausgebildet sein, so dass z.B. ein Teilbereich mehr Rovings aufweist als ein anderer Teil bereich. Weiterhin ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Faserhalbzeug mehr als zwei Teilbereiche beinhaltet, in denen die Längsfäden sich hinsicht lich ihres Materials unterscheiden. Durch das Vorsehen von drei oder mehr Teilbereichen, in denen sich die Materialien der Längsfäden jeweils unter scheiden, kann ein Bauteil mit fein graduierten Unterschieden in den Steifig keiten und Festigkeiten einzelner umfangsseitiger Wandabschnitte erzielt werden.
Weiterhin wird ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil angegeben, das ein erfindungsgemäßes Faserhalbzeug beinhaltet. Das Faserhalbzeug ist dann in eine Kunststoffmatrix eingebunden. Die Kunststoffmatrix kann ein thermo plastisches Kunststoffmaterial oder ein duroplastisches Kunststoffmaterial sein. Bei dem faserverstärkten Kunststoffhohlprofil handelt es sich vorzugs weise um ein Fahrzeugbauteil, wie z.B. ein Karosseriebauteil.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines wie voranstehend be schriebenen Faserhalbzeugs angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
Bereitstellen eines Formkerns;
Anordnen einer Lage von Verstärkungsfasern auf dem Formkern derart, dass die Lage von Verstärkungsfasern Längsfäden beinhaltet, welche in Längs richtung des Faserhalbzeugs verlaufen, wobei sich die Längsfäden in einem ersten umfangsseitigen Teilbereich des Faserhalbzeugs von den Längsfäden in einem zweiten umfangsseitigen Teilbereich in ihrem Material voneinander unterscheiden. Das Anordnen der Lage von Verstärkungsfasern kann per Hand oder automatisiert erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt das Anordnen durch Aufflechten der Lage von Verstärkungsfasern auf einen Formkern. Hierbei handelt es sich um einen industriell ausgereiften Prozess mit hoher Widerholgenauigkeit. Auf den Formkern können mehr als eine Lage von Verstärkungsfasern auf gebracht werden, beispielsweise kann der Formkern mehrmals durch eine Flechtanlage geführt werden, so dass ein mehrlagiges Geflecht ausgebildet wird.
In einer Ausgestaltung wird eine umfangsseitig lokal begrenzte Faserschicht auf dem Formkern in dem ersten Teilbereich angeordnet, wodurch im Faser halbzeug die zusätzliche Faserschicht ausgebildet wird. Ist die Faserschicht als Gelege konzipiert, so kann sie z.B. durch Mitführen zusätzlicher Verstär kungsfäden während des Flechtprozesses auf einfache Art und Weise herge stellt und unterhalb des Geflechts sicher am Formkern fixiert werden. Daher ist diese Ausführungsform in Kombination mit einem Geflecht besonders wirt schaftlich.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunst stoffhohlprofils angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
Erzeugen eines Faserhalbzeugs mit dem voranstehend beschriebenen Ver fahren, Imprägnieren des Faserhalbzeugs mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial sowie Konsolidieren und/oder Aushärten des Kunststoffmaterials. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Ver fahren um einen RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding).
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungs wesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1 eine Seitenansicht eines beispielhaften Faserhalbzeugs, Figur 2 eine Schnittansicht des Faserhalbzeugs aus Figur 1 , Figur 3 eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften Fa
serhalbzeugs,
Figur 4, 5 Schnittansichten beispielhafter faserverstärkter Kunststoff bauteile und
Figur 6 einen beispielhaften Verfahrensablauf.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines rohrförmigen Faserhalbzeugs 10 in Form eines triaxialen Geflechtschlauchs. Das Faserhalbzeug 10 beinhaltet Längsfäden 12, 14, sogenannte Stehfäden, die von Flechtfäden 16 umfloch ten sind, wobei nur einzelne Längsfäden und Flechtfäden mit Bezugszeichen versehen sind. Das Faserhalbzeug 10 ist auf einen Formkern 2 aufgefloch ten, siehe Figur 2. Bei den Längsfäden 12 kann es sich um Einzelfilamente handeln, vorzugsweise sind die Längsfäden 12 jedoch Faserbündel, soge nannte Rovings.
In dem Faserhalbzeug 10 sind zwei unterschiedliche Längsfäden 12, 14 ver arbeitet worden. Umfangsseitig betrachtet sind in einem ersten Teilbereich I Längsfäden 12 aus einem ersten Material, z.B. Kohlenstofffasern, verwendet worden. In einem zweiten Teilbereich II sind Längsfäden 14 aus einem zwei ten Material, z.B. Glasfasern, verwendet worden.
In dem Beispiel aus Figur 1 sind jeweils zwei erste und zwei zweite Teilberei che I, II vorgesehen, die sich umfangsseitig abwechseln. In jedem Teilbe- reich I bzw. Teilbereich II sind mehrere gleiche Längsfäden 12 bzw. 14 ne beneinander angeordnet, wodurch sich in dem jeweiligen Teilbereich I bzw. II eine einheitliche Wandstärke ergibt. Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Fa serhalbzeugs aus Figur 1.
Die Figur 3 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften Faserhalb zeug 10A. Das Faserhalbzeug 10A unterscheidet sich von dem Faserhalb zeug aus Figur 1 und 2 dadurch, dass unterhalb der Schicht aus Verstär kungsfäden eine zusätzliche Faserschicht 18 aus, z.B. ein Gelege von Koh lenstofffasern, angeordnet ist. Diese zusätzliche Faserschicht 18 ist lokal be grenzt nur in den ersten Teilbereichen I ausgebildet. Die zweiten Teilbereiche II sind also frei von der zusätzlichen Faserschicht 18.
Hieraus ergibt sich, dass die Steifigkeit und Festigkeit des Faserhalbzeugs im ersten Teilbereich I noch weiter erhöht wird. Zusätzlich zur größeren Wandstärke wirkt hier die höhere Steifigkeit und Eigenfestigkeit der Kohlen stofffasern.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Schnittansichten von faserverstärkten Kunststoff hohlprofilen 1 und 1A, wobei Figur 4 ein Kunststoffhohlprofil 1 mit dem Faser halbzeug 10 aus Figur 2 und Figur 5 ein Kunststoffhohlprofil 1A mit dem Fa serhalbzeug 10A aus Figur 3 zeigt. Das jeweilige Faserhalbzeug 10, 10A ist in einer Kunststoffmatrix 20 eingebunden zum faserverstärkten Kunststoff hohlprofil 1 bzw. 1A. In beiden Fällen weist das Bauteil 1 bzw. 1A Wandstär kenteilbereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten und Festigkeiten auf.
Bei dem Beispiel aus Figur 4 hat das Kunststoffhohlprofil 1 zwar eine im We sentlichen einheitliche Wandstärke, jedoch aufgrund der Verwendung unter schiedlicher Materialien für die Längsfäden 12 bzw. 14 unterschiedliche Stei figkeiten und Festigkeiten im ersten und zweiten Teilbereich I bzw II. Bei dem Beispiel aus Figur 5 ist die Steifigkeit und Festigkeit im ersten Teil bereichen I noch weiter erhöht durch das Einbringen der zusätzlichen Faser schicht 18 in Form des Kohlenstofffaser-Geleges.
In den Figuren sind das Faserhalbzeug 10 mit nur einer einzigen Geflecht lage und das Faserhalbzeug 10A mit nur einer einzigen Geflechtlage und ei ner zusätzlichen Faserschicht dargestellt. Zur Erzielung größerer Wandstär ken können beispielsweise durch Wiederholen des Prozesses zwei oder mehr Geflechtlagen übereinander ausgebildet werden, wobei vorzugsweise die ersten Teilbereiche jeder Schicht fluchtend übereinander angeordnet wer den. Es können auch eine zusätzliche Schicht und eine Geflechtlage jeweils abwechselnd mehrfach übereinander angeordnet werden.
Zusätzlich kann das Faserhalbzeug 10 bzw. 10A weitere Lagen von Verstär kungsfasern, z.B. in Form weiterer Geflechtlagen und/oder Gewebe oder Ge lege beinhalten. Ebenso sind andere als der gezeigte runde Querschnitt denkbar, z.B. mehreckige Querschnitte. Grundsätzlich können die Längsfä den 12, 14 auch als Gelege oder als Teil eines Gewebes in dem Faserhalb zeug vorliegen. Ebenso kann die zusätzliche Faserschicht als Gewebe, Ge flecht oder Gewirk vorliegen.
Figur 6 zeigt einen schematischen Ablauf eines beispielhaften Verfahrens. Zunächst wird in Schritt 100 eine Lage von Verstärkungsfasern auf einem be reitgestellten Formkern derart angeordnet, dass die Lage von Verstärkungs fasern Längsfäden 12, 14 beinhaltet, welche in Längsrichtung des Faserhalb zeugs 10, 10A verlaufen und sich die Längsfäden 12 in einem ersten um fangsseitigen Teilbereich I des Faserhalbzeugs und die Längsfäden 14 in ei nem zweiten umfangsseitigen Teilbereich II in ihrem Material voneinander unterscheiden. Bei dem Beispiel wird die Lage von Verstärkungsfäden durch einen Flechtprozess als triaxiales Geflecht ausgebildet. Bei Bedarf kann der Schritt 100 mehrmals wiederholt werden, wodurch sich ein mehrlagiges Ge flecht auf dem Formkern bildet.
Das so entstandene Faserhalbzeug kann in Schritt 200 zu einem faserver stärkten Kunststoffhohlbauteil weiterverarbeitet werden. In Schritt 200 wird das Faserhalbzeug mit einem Matrixmaterial infiltriert und das Matrixmaterial wird konsolidiert. Beispielweise handelt es sich um ein duroplastisches Mat rixmaterial, das in einem RTM-Prozess dem Faserhalbzeug injiziert und aus gehärtet wird.
Das Verfahren kann einen optionalen zusätzlichen Schritt 110 beinhalten. In diesem Schritt wird eine zusätzliche Faserschicht auf den Formkern aufge bracht, vorzugsweise als Gelege. Beispielsweise werden zusätzliche Längs fasern im Flechtprozess zwischen Flechtschlauch und Formkern mitgeführt, so dass sie sich als Gelege auf dem Formkern ablegen und durch den Ge flechtschlauch auf dem Formkern fixiert werden. Bei Wiederholung z.B. des Flechtprozesses in Schritt 100 kann auch Schritt 110 entsprechend wieder holt werden.
Bezugszeichenliste
1 , 1 A faserverstärktes Kunststoffhohlprofil 2 Formkern
10, 10A Faserhalbzeug
12, 14 Längsfäden
16 Flechtfäden
18 zusätzliche Faserschicht
20 Kunststoffmatrix
I, II Teilbereiche
100, 1 10, 200 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Rohrförmiges Faserhalbzeug mit mindestens einer Lage von Verstär kungsfasern, wobei die Lage von Verstärkungsfasern Längsfäden (12, 14) beinhaltet, welche in Längsrichtung des Faserhalbzeugs (10, 10A) verlaufen dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Längsfäden (12) in einem ersten umfangsseitigen Teilbereich (I) des Faserhalbzeugs von den Längsfäden (14) in einem zweiten umfangsseitigen Teilbereich (II) in ihrem Material voneinander unterscheiden.
2. Faserhalbzeug nach Patentanspruch 1 , wobei die mindestens eine Lage von Verstärkungsfasern ein Geflecht ist.
3. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei es sich bei den Längsfäden (12, 14) jeweils um Faserbündel handelt.
4. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Längsfäden (12) im ersten Teilbereich (I) eine andere Feinheit auf weisen als die Längsfäden (14) im zweiten Teilbereich (II).
5. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei die Längsfäden (12) im ersten Teilbereich (I) Kohlenstofffasern sind und die Längsfäden (14) im zweiten Teilbereich (II) Glasfasern sind.
6. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei in dem ersten Teilbereich (I) weiterhin eine zusätzliche Faserschicht (18) angeordnet ist.
7. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei es sich bei der zusätzlichen Faserschicht (18) um ein unidirektionales Gelege in Längsrichtung des Faserhalbzeugs handelt.
8. Faserhalbzeug nach Patentanspruch 7 oder 8,
wobei die zusätzliche Faserschicht (18) aus Kohlenstofffasern aufgebaut ist.
9. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei das Faserhalbzeug zwei oder mehr Schichten von Verstärkungsfasern und zwei oder mehr zusätzliche Faserschichten aufweist, die jeweils abwech selnd übereinander geschichtet sind.
10. Faserhalbzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei das Faserhalbzeug (10, 10A) umfangsseitig mehr als einen ersten Teilbereich (I) und mehr als einen zweiten Teilbereich (II) aufweist.
11. Faserverstärktes Kunststoffhohlprofil, insbesondere Karosseriebauteil, mit einer Kunststoffmatrix (20), in das ein Faserhalbzeug (10, 10A) nach ei nem der voranstehenden Patentansprüche eingebunden ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs mit den Schritten: Bereitstellen eines Formkerns (2),
Anordnen einer Lage von Verstärkungsfasern auf dem Formkern (2) derart, dass die Lage von Verstärkungsfasern Längsfäden (12, 14) beinhaltet, wel che in Längsrichtung des Faserhalbzeugs (10, 10A) verlaufen und sich die Längsfäden (12) in einem ersten umfangsseitigen Teilbereich (I) des Fa serhalbzeugs von den Längsfäden (14) in einem zweiten umfangsseitigen Teilbereich (II) in ihrem Material voneinander unterscheiden.
13. Verfahren nach Patentanspruch 12, mit dem weiteren Schritt:
Anordnen einer umfangsseitig lokal begrenzten zusätzlichen Faserschicht (18) auf dem Formkern (2) in dem ersten Teilbereich (I).
14. Verfahren zur Fierstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils mit den Schritten:
Erzeugen eines Faserhalbzeugs (10, 10A) mit einem Verfahren nach An spruch 12 oder 13,
Imprägnieren des Faserhalbzeugs (10, 10A) mit einem thermoplastischen o- der duroplastischen Kunststoffmaterial und
Konsolidieren und/oder Aushärten des Kunststoffmaterials.
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