DE102004008006A1 - Karosserieelement aus einem transparenten Kunststoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) aus einem transparenten faserverstärkten Verbundkunststoff, der auf einer thermoplastischen oder duroplastischen Polymermatrix basiert. Der Verbundkunststoff ist durch Glasfasern verstärkt, wobei die Glasfasern in Form von unidirektionalen Langfasern ausgestaltet sind. Die Glasfasern sind mit einer Schlichte versehen und die Matrix beziehungsweise die Glasfasern sind derart ausgewählt, dass ein Unterschied der Brechungsindizes weniger als 0,05 beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Karosserieelement aus einem transparenten Kunststoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Bei der Konstruktion von Fahrzeugkarosserien tritt häufig das Problem auf, dass ausgehend von einer Fahrerposition bestimmte Bereiche der Umgebung durch tragende Bauteile, verdeckt werden. Insbesondere die A-Säule, die einerseits die Windschutzscheibe einrahmt und andererseits den Rahmen für die vorderen Türen bildet, stellt teilweise eine erhebliche Sichtwinkelverdeckung für den Fahrer dar. Ferner können auch die B-Säule, die zwischen der vorderen und der hinteren Tür angeordnet ist und die C-Säule können beim Seitenblick beziehungsweise beim Rückwärtsfahren sichtverdeckend wirken.
• Das Deutsche Gebrauchsmuster DE-GM 14 73 527 regte aus diesem Grund bereits an, tragende Karosserieelemente, wie gerade die A-, B-, oder C-Säule aus einem transparenten Kunststoff herzustellen. Der hierin allgemein offenbarte transparente Kunststoff ist jedoch nicht geeignet, den modernen Anforderungen an eine Crash-Sicherheit zu genügen. Das EP 728 576 B1 beschreibt ein flächiges Baumelement aus einem thermoplastischen Material, das mit einer Folie versehen ist und mit Glasfüllstoffen aufgefüllt ist. Die Glasfüllstoffe sind so ausgestaltet, dass das Bauelement transparent bleibt.
• Als Glasfüllstoffe werden hier unter anderem Glasfasern genannt, die eine Länge bis zu 30 mm aufweisen. Derartige Glasfasern können bei flächigen Bauteilen in gewisser Weise eine Verstärkung hervorrufen, die so hergestellten Bauteile sind jedoch nicht als tragende Strukturelemente geeignet. Ferner weisen derartige Bauteile eine vergleichsweise geringe Kriechbeständigkeit auf.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein tragendes Bauteil einer Fahrzeugkarosserie in der Art transparent auszugestalten, dass es einerseits die nötige Festigkeit und Steifigkeit im Crashfall aufweist und gleichzeitig eine hohe Kriechbeständigkeit aufweist.
• Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Karosserieelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Das erfindungsgemäße Karosserieelement besteht aus einem transparenten, faserverstärkten Verbundkunststoff. Der Verbundkunststoff weist eine thermoplastische oder eine duroplastische Polymermatrix auf. Die Fasern, die in die Matrix eingebettet sind, sind Glasfasern, wobei diese in Form von unidirektionalen bevorzugt Langfasern oder Endlosfasern ausgestaltet sind. Ferner sind die Glasfasern mit einer Schlichte versehen und zur Wahrung der Transparenz des Kunststoffes beträgt der Unterschied der Brechungsindizes der Glasfasen und der Polymermatrix weniger als 0,05.
• Für eine gute optische Transparenz des Karosserieelementes ist es zudem von Bedeutung, dass die Fasern unidirektional ausgerichtet sind. Hierunter wird verstanden, dass einzelne benachbarte Faserfilamente, die nebeneinander verlaufen und gegebenenfalls zu einem Faserstrang zusammengefasst sind, eine möglichst gleichmäßige parallele Ausrichtung aufweisen.
• Gleichwohl können in einem Bauteil Fasern oder Faserstränge in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein.
• Der Begriff Langfaser ist durch die unterschiedlichen Herstellungsverfahren variabel definiert. Bei einem Extrusionsverfahren werden Fasern ab einer Länge von 8 mm als Langfasern bezeichnet. Bei einem Pultrusionsverfahren ist die Länge der Fasern durch die Bauteilgeometrie vorgegeben (ab 50 mm). Der Begriff Endlosfasern bedeutet hierbei, dass die Fasern von einer Rolle in eine, dem Bauteil entsprechende Form gewickelt oder gelegt werden.
• Die unidirektionale Faserverstärkung insbesondere von Langfasern der Polymermatrix bewirkt einerseits im Gegensatz zu einer isotropen Kurzfaserverstärkung eine deutliche Festigkeitssteigerung entlang der Faserrichtung. Aus diesem Grund sind die Fasern in der Regel entlang von berechneten Hauptbelastungslinien ausgerichtet. Derartige Hauptbelastungslinien sind bauteilabhängig und werden insbesondere der zu erwarteten Crash-Belastung angepasst. Gleichzeitig weisen die Glasfasern eine Schlichte auf, die dazu führt, dass eine Haftung zwischen der Faseroberfläche und der Polymermatrix verbessert wird. Eine derartige Schlichte erhöht somit die Festigkeit und verbessert eine Schadenstoleranz. Eine unidirektionale Faserverstärkung bewirkt weiterhin entlang der Kraftflussrichtung eine bessere Kriechbeständigkeit des Bauteils.
• Zur Wahrung der Transparenz sind die Glasfasern und die Polymermatrix in der Art ausgestaltet, dass der Unterschied ihrer Brechungsindizes (Δn) weniger als 0,05 beträgt. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die Schlichte, die sich auf der Glasfaser befindet, ebenfalls in diesem Bereich des Brechungsindex angeordnet ist.
• Eine derartige Einstellung der Brechungsindizes zwischen der Glasfaser und der Polymermatrix kann beispielsweise über die Vernetzungsdichte erfolgen, wenn eine duroplastische Matrix angewendet wird. Andererseits kann bei der Anwendung einer thermoplastischen Matrix deren Berechungsindex über das Molekulargewicht angepasst werden. Ferner kann bei teilkristallinen thermoplastischen Matrizes der Brechungsindex über den Kristallisationsgrad der Matrix eingestellt werden.
• Des Weiteren besteht die Möglichkeit, auf den Brechungsindex der Glasfasern durch eine gezielte Wärmebehandlung der Glasfaser Einfluss zu nehmen, um diesen an einen Brechungsindex der Polymermatrix anzupassen.
• Es hat sich zudem herausgestellt, dass die Transparenz deutlich verbessert wird, wenn der Anteil an Lufteinschlüssen weniger als 1 % beträgt. Hierbei ist es ebenfalls zweckmäßig, dass die Porengröße von etwaigen Lufteinschlüssen kleiner als die halbe Wellenlänge des durchscheinenden Lichtes beträgt, was in der Praxis schwer zu realisieren ist. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch ein Vakuumpressverfahren oder durch ein Pultrusionsverfahren bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Karosserieelementes die Lufteinschlüsse minimiert werden können und unter den kritischen Wert von 1 % gebracht werden können.
• In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Karosserieelement schalenförmig ausgestaltet. Die schalenförmige Ausgestaltung ermöglicht es, auf die Darstellung einer komplexen Hohlraumstruktur zu verzichten. Hierbei kann es ebenfalls zweckmäßig sein, dass das Karosserieelement insbesondere in der Schalenbauweise durch Streben oder Rippen verstärkt ist. Hierbei kann es wiederum zweckmäßig sein mehrere schalenförmige Karosserieelemente zusammen zu fügen und beim Fügen ei nen transparenten Klebstoff (z.B. Acrylat- Klebstoffe, Silikonklebstoff) anzuwenden.
• Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den folgenden Figuren dargestellt.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Fahrzeugkarosserie,
• 2 eine schematische Darstellung einer Dachstruktur mit A- und C-Säule sowie Dachspriegel,
• 3 zwei schalenförmige Karosserieelemente, die zu einer A-Säule zusammenfügbar sind.
• In 1 ist eine schematische Darstellung einer Fahrzeugkarosserie gegeben, in der insbesondere die tragenden Bauteile A-Säule 4, B-Säule 6 und C-Säule 8 hervorgehoben sind. Unter Säule wird hierbei ein Tragelement verstanden, dass von einem Fahrzeugdach grundsätzlich bis zu einem Schweller 10 verläuft, wobei es zweckmäßig ist, insbesondere die Tragelemente oberhalb einer Bordkante 13 erfindungsgemäß transparent auszugestalten.
• Neben den Säulen 4, 6 und 8 kann es auch zweckmäßig sein, einen vorderen Dachrahmen 11a oder einen seitlichen Dachrahmen 11b sowie einen Dachspriegel 12 durch ein erfindungsgemäßes Karosserieelement transparent auszugestalten (2).
• In 3 ist eine übliche A-Säule 4 schematisch dargestellt, wobei die A-Säule 4 aus zwei Schalenelementen 16 und 18 zusammengesetzt ist. In der Abbildung des Schalenelementes 16 sind exemplarisch Glasfasern 3 gezeigt, die in Form von unidirektional ausgerichteten Langfasern 20 ausgestaltet sind. Die Langfasern 20 verlaufen in diesem Beispiel von einem Säulenboden 22 zu einem Säulenkopf 24. Die Fasern sind in diesem Beispiel derart verlegt, dass sie die höchste Festigkeit bei einem höchsten anzunehmenden Kraftfall, in diesem Fall ein Fahrzeugüberschlag gewährleisten. In diesem Fall würde die maximale Kraft in Richtung des mit F gekennzeichneten Pfeiles erfolgen.
• Das Schalenelement 14 weist zur weiteren Festigkeitserhöhung eine gezielte Verrippung 18 auf, durch die auch weiteren Lastfällen entsprochen werden kann (beispielsweise einem Frontalcrash). Die einzelnen Schalenelemente 14 und 16 können nun zu einer A-Säule 4 zusammengesetzt werden. Es ist hierbei zweckmäßig, aus optischen Gründen ebenfalls einen transparenten Klebstoff zu verwenden. Die Anwendung weiterer Fügeverfahren, wie beispielsweise Verschweißen oder Verschrauben kann abhängig vom Anwendungsfall gegebenenfalls zweckmäßig sein.
• Die Herstellung der einzelnen Schalenelemente beziehungsweise Karosserieelemente 4, 6, 8, 11a, 11b und 12 kann durch ein herkömmliches Pressverfahren beziehungsweise ein Vakuumpressverfahren oder ein Pultrusionsverfahren erfolgen. Hierbei werden die Glasfasern durch Anwendung von herkömmlichen Wickeltechniken verlegt und eingebracht.
• Um eine hohe Festigkeit zu realisieren, ist ein, abhängig vom Fertigungsverfahren, möglichst hoher Faseranteil zu realisieren. Dieser sollte bei einem Pultrusionsverfahren möglichst mehr als 50 Gew. % betragen und bei einem Pressverfahren möglichst mehr als 40 Gew. % betragen.

Claims (9)

1. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) aus einem transparenten Kunststoff dadurch gekennzeichnet • dass das Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff besteht, • der eine thermoplastische oder duroplastische Polymermatrix aufweist, • in die Glasfasern (3) eingebettet sind, • wobei die Glasfasern (3) in Form von unidirektionalen Fasern (20) ausgestaltet sind und • die Glasfasern (3) mit einer Schlichte versehen sind und • dass ein Unterschied von Brechungsindizes Δn zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix weniger als 0,05 beträgt.
2. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei einer duroplastischen Matrix über eine Vernetzungsdichte der duroplastischen Matrix erfolgt.
3. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei einer thermoplastischen Matrix über ein Molekulargewicht der thermoplastischen Matrix erfolgt.
4. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei einer thermoplastischen Matrix über eine Anpassung eines Kristallisationsgrades der thermoplastischen Matrix erfolgt.
5. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei den Glasfasern durch eine Wärmebehandlung erfolgt.
6. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix Lufteinschlüsse von weniger als 1% aufweist.
7. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass das Karoserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) schalenförmig ausgestaltet ist.
8. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass das Karoserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) durch Streben oder Rippen (18) verstärkt ist.
9. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet dass mehrere schalenförmige Karosserieelemente (16, 18) durch einen transparenten Klebstoff verklebt sind.