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Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil für ein Fahrzeug, aufweisend mindestens einen ersten Bereich aus einem ersten Faserverbundmaterial und damit unmittelbar stoffschlüssig verbunden mindestens einen zweiten Bereich aus einem zweiten Faserverbundmaterial. Das Faserverbundbauteil eignet sich insbesondere als ein Schubfeld oder eine Strebe.
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Es sind Schubfelder in metallischer Bauweise bekannt, z. B. aus Stahl oder Aluminium, die als Gussbauteile und/oder unter Verwendung von Profilen hergestellt werden. Solche Schubfelder weisen jedoch ein hohes Gewicht auf.
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Es sind auch als Faserverbundbauteile hergestellte Schubfelder bekannt. Und zwar wird in einer Variante das Schubfeld einstückig durch Spritzpressen (auch als „Resin Transfer Moulding”, RTM, bezeichnet) mit noch verformbarem Faserverbundmaterial als Formmasse erzeugt. Ein solches Schubfeld ist in der Regel ein ebenes oder schalenförmiges Bauteil. Das Faserverbundmaterial mag z. B. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) sein. Hierbei ist nachteilig, dass eine Anbindung an eine Karosserie eines Fahrzeugs mit einem nicht vernachlässigbaren Korrosions- und Kriechrisiko verbunden ist. Zudem besteht bei einem einschaligen oder einlagigen Aufbau eine nur geringe Bauteilsteifigkeit, ein mehrschaliger oder mehrlagiger Aufbau ist hingegen vergleichsweise kostspielig.
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Aus
DE 10 2010 053 850 A1 ist eine Versteifungsstrebe aus Faserverbundmaterial für eine Fahrzeugkarosserie bekannt, welche einen mit einer Durchtrittsbohrung versehenen Anbindungsabschnitt aufweist. Die Durchtrittsbohrung kann durch eine Fräsung hergestellt worden sein. Jedoch weist eine Fräsung wie andere materialabtragende Verfahren auch den Nachteil auf, dass sie das Faserverbundmaterial lokal erheblich schwächt und z. B. einer Rissausbreitung Vorschub leisten mag.
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Aus
DE 10 2010 053 843 A1 ist es bekannt, profilartige Faserverbundkörper über metallische Endkappen mit anderen Bauteilen zu befestigen. Die Endkappen werden über endseitige Abschnitte des Faserverbundkörpers gezogen und dort verklebt. In den Endkappen befinden sich Löcher zur Durchführung von Schrauben oder Nieten. Durch das Vorsehen der Endkappen wird eine materialschwächende und/oder aufwändige Einbringung von Löchern in den Faserverbundkörper vermieden. Dieses Bauteil wird in mehreren Schritten vergleichsweise aufwändig hergestellt und ist aufgrund der metallischen Endkappen schwerer als ein reines Faserverbundbauteil.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein steifes, aber leichtes und immer noch kostengünstiges Faserverbundbauteil bereitzustellen, insbesondere als eine Strebe und/oder als Teil eines Schubfelds eines Fahrzeugs.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Faserverbundbauteil für ein Fahrzeug, aufweisend mindestens einen ersten Bereich aus einem ersten Faserverbundmaterial und mindestens einen damit unmittelbar stoffschlüssig verbundenen zweiten Bereich aus einem zweiten Faserverbundmaterial. Dieses Faserverbundbauteil weist den Vorteil auf, dass es durch Auswahl unterschiedlicher Materialeigenschaften des ersten und des zweiten Faserverbundmaterials besonders vielgestaltig formbar ist und zudem ein leichtes Bauteil ermöglicht. Beispielsweise mag das erste Faserverbundmaterial ein vergleichsweise steifes Material sein und das zweite Faserverbundmaterial ein weniger steifes, aber vergleichsweise einfacher formbares und/oder isotroper kraftverteilendes Material sein. Insbesondere kann auf metallische Zwischenstücke, z. B. Endkappen, verzichtet werden.
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Unter einer unmittelbar stoffschlüssigen Verbindung mag insbesondere eine klebstofffreie, stoffschlüssige Verbindung verstanden werden. Dies ermöglicht eine feste Verbindung mit einfachen Mitteln, und zwar unter Verzicht auf einen Verklebungsprozess. Die Verbindung mag zusätzlich z. B. formschlüssig sein, was sich beispielsweise durch mindestens einen Hinterschnitt (z. B. eine Nut) in einem der Bereiche realisieren lässt. Die unmittelbar stoffschlüssige Verbindung mag also auch als „mindestens unmittelbar stoffschlüssige Verbindung” bezeichnet werden.
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Das erste Faserverbundmaterial und das zweite Faserverbundmaterial mögen sich durch die Art des Matrixmaterials und/oder der Fasern unterscheiden. So mag z. B. das erste Faserverbundmaterial bei gleicher Art von Fasern einen anderen Kunststoff als Matrixmaterial aufweisen als das zweite Faserverbundmaterial. Auch mag das erste Faserverbundmaterial bei gleicher Art von Matrixmaterial eine andere Art (Zusammensetzung, Dicke, Länge usw.) von Fasern aufweisen als das zweite Faserverbundmaterial. Dies ist besonders vorteilhaft für einen festen Formschluss über die Matrixmaterialien. Jedoch mögen sich für eine vielfältige Variation der Materialeigenschaften sowohl die Art der Fasern als auch die Art der Matrixmaterialien unterscheiden. Es ist noch eine Weiterbildung, dass das erste Faserverbundmaterial und das zweite Faserverbundmaterial in Art des Matrixmaterials und der Fasern übereinstimmen, sich aber deren Mischungsverhältnis unterscheiden.
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Das Matrixmaterial mag beispielsweise einen oder mehrere duroplastische Kunststoffe und/oder einen oder mehrere thermoplastische Kunststoffe aufweisen.
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Die Fasern mögen insbesondere Kohlenstofffasern zur Bildung eines kohlefaserverstärkten Kunststoffs, kurz CFK, und/oder Glasfasern zur Bereitstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffs, kurz GFK, sein. Jedoch können auch noch andere Faserarten verwendet werden, z. B. Aramidfasern.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das erste Faserverbundmaterial ein Endlosfaserverstärktes Faserverbundmaterial ist. Dadurch kann ein zumindest entlang der Erstreckung der Endlosfasern besonders steifer Teilbereich des Faserverbundbauteils bereitgestellt werden, welcher auch eine besonders hohe Festigkeit aufweist. Unter Endlosfasern können insbesondere Fasern verstanden werden, welche eine Faserlänge von mehr als 50 mm aufweisen.
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Das Endlosfaser-verstärkte Faserverbundmaterial mag beispielsweise durch Strangziehen oder Pultrusion, Spritzpressen, Flechten, Wickeln oder einer Kombination daraus hergestellt werden. Diesem mag sich mindestens ein weiterer Schritt zum Formen anschließen, z. B. ein Pressen von Teilbereichen und/oder ein Trennen.
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Allgemein kann der mindestens eine Bereich als Vollkörper ausgebildet sein, was eine besonders hohe Festigkeit ermöglicht. Alternativ mag der mindestens eine Bereich als Hohlkörper, z. B. als ein Rohr, ausgebildet sein, was eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht ermöglicht.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das zweite Faserverbundmaterial Kurzfasern und/oder Langfasern („Chopped Fibres”) aufweist. Unter Kurzfasern werden insbesondere Fasern mit einer Faserlänge bis 1 mm verstanden, unter Langfasern insbesondere Fasern mit einer Faserlänge zwischen 1 mm und 50 mm. Ein solches („Chop-Fibre”-)Faserverbundmaterial lässt sich erheblich einfacher verarbeiten, z. B. spritzgießen.
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Die Verwendung von Kurzfasern und/oder Langfasern weist den Vorteil auf, dass der zweite Bereich dadurch ein zumindest im Wesentlichen isotropes Materialverhalten aufweisen kann. Das isotrope Materialverhalten ist besonders von Vorteil unter mehrachsigen Belastungen, wie sie z. B. im Bereich von Befestigungen auftreten können.
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Jedoch mag das zweite Faserverbundmaterial zusätzlich oder alternativ auch Endlosfasern aufweisen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das zweite Faserverbundmaterial aus einem Faser-Matrix-Halbzeug mit Faserverstärkung mit duroplastischem Matrixmaterial herstellbar ist. Das Halbzeug mag beispielsweise ein sog. „Sheet Moulding Compound”, kurz SMC, oder „Bulk Moulding Compound”, kurz BMC, sein. Mit SMC und BMC sind sehr kurze Taktzeiten realisierbar.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das zweite Faserverbundmaterial aus einem Faser-Matrix-Halbzeug mit Faserverstärkung mit thermoplastischem Matrixmaterial herstellbar ist. Solche Faser-Matrix-Halbzeuge haben den Vorteil, dass sie nahezu beliebig oft aufgewärmt und umgeformt werden können. Zusätzlich sind sie schweißbar. Das Faser-Matrix-Halbzeug mag beispielsweise ein langfaserverstärktes Thermoplast, kurz LFT, sein, oder ein glasmattenverstärktes Thermoplast, kurz GMT. Glasmattenverstärkte Thermoplaste sind ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Obwohl das Wort Glasfaser in der Bezeichnung vorkommt, existieren auch Kohlenstofffaser-verstärkte Thermoplaste. In GMT kommt die Verstärkungsfaser in Form von Kurz- und Langfasern vor. Durch die wirre, unvernadelte Form der Fasern sind große Umformgrade möglich. GMT ist besonders preiswert. Bauteile aus GMT weisen bezüglich ihrer elastischen Eigenschaften oft keine Vorzugsrichtung mehr auf. Sie sind somit quasiisotrop.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein zweiter Bereich an mindestens einen ersten Bereich angespritzt ist. Das Anspritzen ist besonders schnell und kreisgünstig. Bei dem Anspritzen wird der erste Bereich nur teilweise angespritzt oder umspritzt, insbesondere an mindestens einem Endabschnitt. Zum Anspritzen weist das zweite Faserverbundmaterial bevorzugt keine langen Fasern auf. Das zweite Faserverbundmaterial weist besonders bevorzugt nur Kurzfasern auf.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein erster Bereich von mindestens einem zweiten Bereich (vollständig) umspritzt ist, der erste Bereich also vollständig von dem zweiten Bereich aufgenommen ist. Dies ermöglicht eine besonders feste Verbindung, was beispielsweise zur zerstörungsfreien Aufnahme von Zugspannungen über den zweiten Bereich vorteilhaft ist.
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Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass mindestens ein erster Bereich mit mindestens einem zweiten Bereich verpresst ist, insbesondere heißverpresst oder spritzgepresst.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine erste Bereich ein (Faserverbund-)Profil oder Profilkörper ist. Ein Profil lässt sich einfach und preiswert herstellen, z. B. mittels eines Endlosverfahrens wie einer Pultrusion mit anschließender Vereinzelung oder Konfektionierung. Das Profil mag beispielsweise auch mittels Flechtens, Wickelns oder einer Kombination von ein oder mehreren Methoden hergestellt werden. Das Profil weist bevorzugt Langfasern und/oder Endlosfasern auf, die entlang seiner Längserstreckung verlaufen, was dem Profil eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit verleiht.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Endabschnitt mindestens eines ersten Bereichs von einer Dichtkappe abgedeckt ist. So wird verhindert, dass das zweite Faserverbundmaterial in den ersten Bereich eindringen kann. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, falls der erste Bereich als ein Hohlkörper ausgebildet ist.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass mindestens ein zweiter Bereich mindestens ein Loch oder eine Durchführung aufweist. Mittels des Lochs mag das Faserverbundbauteil befestigt werden, z. B. durch ein Durchführung einer Schraube, eines Bolzens, eines Niets usw. Jedoch mag mindestens ein zweiter Bereich ganz allgemein als Befestigungsbereich ausgestaltet sein und dazu zusätzlich oder alternativ zu dem mindestens einen Loch mindestens ein weiteres Anbindungselement aufweisen und/oder zur Anbindung ausgestaltet sein. Diese Ausgestaltung weist den besonderen Vorteil auf, dass dann der mindestens eine erste Bereich nicht zur Befestigung ausgestaltet zu sein braucht. Dadurch mag auf eine Nachbearbeitung des ersten Bereichs verzichtet werden, insbesondere falls der erste Bereich als ein Profil vorliegt. So wird eine hohe Lastaufnahme durch den mindestens einen ersten Bereich nicht kompromittiert. Insbesondere mag auf eine Einbringung von Löchern o. ä. in den ersten Bereichen verzichtet werden.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass in mindestens einer Durchführung eine Buchse vorhanden ist. Die Buchse erhöht eine Druckfestigkeit und Kriechbeständigkeit des Faserverbundbauteils im Bereich des Lochs. Sie sorgt zudem für eine Trennung des Faserverbundbauteils von einem benachbarten, z. B. daran angebrachten, Bauteil, was eine Korrosion an dem benachbarten Bauteil unterdrückt.
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Die mindestens eine Buchse kann zur einfachen und materialschonenden Einbringung durch Umspritzen in den zweiten Bereich eingebracht worden sein bzw. von dem zweiten Faserverbundmaterial umspritzt sein.
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Die mindestens eine Buchse mag aus Kunststoff oder Metall, z. B. Stahl oder Aluminium bestehen.
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Die Erfindung wird auch gelöst durch ein Fahrzeug mit mindestens einem solchen Faserverbundbauteil, insbesondere als Schubfeld oder als Strebe. Die Strebe kann einen Teil eines Schubfelds darstellen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: Einlegen des ersten Faserverbundmaterials und des zweiten Faserverbundmaterials in ein gemeinsames Werkzeug; und Verpressen, insbesondere Heißverpressen, der Verbundmaterialien in dem Werkzeug.
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In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt in Draufsicht ein Faserverbundbauteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Faserverbundbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Faserverbundbauteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in Draufsicht ein Faserverbundbauteil 11 mit drei ersten Bereichen in Form von rohrförmigen Hohlprofilen 12, 13, 14 und vier zweiten Bereichen in Form von Befestigungsbereichen 15, 16, 17, 18. Zur einfacheren Beschreibung sind die Hohlprofile 12, 13, 14 ganz gezeigt. Dieses Faserverbundbauteil 11 ist beispielsweise als ein Schubfeld für einen Personenkraftwagen einsetzbar. Die Hohlprofile 12, 13, 14 mit ihren zugehörigen Befestigungsbereichen 15 und 16, 16 und 17 bzw. 17 und 18 können auch als Streben angesehen werden. Das Faserverbundbauteil 11 kann also auch als Strebenverbundbauteil bezeichnet werden.
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Die Hohlprofile 12–14 bestehen aus einem ersten Faserverbundmaterial aus Endlosfasern, die in Längsrichtung der Hohlprofile 12–14 ausgerichtet sind und in einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix eingebettet sind (Endlosfaser-verstärktes Faserverbundmaterial). Die Hohlprofile 12–14 sind besonders steif und aufnahmefähig für Lasten entlang ihrer Längserstreckung. Die Hohlprofile 12–14 sind beispielhaft mittels Pultrusion oder Flechten oder Wickeln hergestellt worden.
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An den Hohlprofilen 12–14 sind endseitig die Befestigungsbereiche 15–18 angebracht. Und zwar ist an einem ersten Ende des Hohlprofils 12 ein Abschluss-Befestigungsbereich 15 angebracht, welcher zwei Durchführungen oder Löcher 19 zur Verschraubung aufweist, z. B. an einer Karosserie. An dem anderen Ende des Hohlprofils 12 ist ein Verbindungs-Befestigungsbereich 16 befestigt. Der Verbindungs-Befestigungsbereich 16 weist ebenfalls zwei Löcher 19 zur Verschraubung auf und ist zudem mit einem Ende des Hohlprofils 13 verbunden. Das andere Ende des Hohlprofils 13 ist über einen weiteren Verbindungs-Befestigungsbereich 17 mit einem Ende des Hohlprofils 14 verbunden, das andere Ende des Hohlprofils 14 mit einem weiteren Abschluss-Befestigungsbereich 18.
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Die Befestigungsbereiche 15–18 bestehen aus einem zweiten Faserverbundmaterial, das Kurzfasern und/oder Langfasern in einer Duroplast- oder Thermoplastmatrix aufweist. Sie sind unmittelbar stoffschlüssig mit den Hohlprofilen 12–14 verbunden. Dies bedeutet, dass sie stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und zwar unmittelbar oder direkt. Sie benötigen für die stoffschlüssige Verbindung keinen Haftvermittler wie einen Klebstoff, sind also nicht miteinander verklebt. Vielmehr können sich insbesondere die Matrixmaterialien der Hohlprofile 12–14 und der Befestigungsbereiche 15–18 stoffschlüssig miteinander verbinden. Alternativ oder Zusätzlich ist auch ein Formschluss möglich, z. B. durch eine Ausbildung von Hinterschneidungen in den Hohlprofilen 12–14
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Zum Herstellen der unmittelbaren oder direkten stoffschlüssigen Verbindung der Hohlprofile 12–14 und der Befestigungsbereiche 15–18 können beispielsweise die Befestigungsbereiche 15–18 an die Hohlprofile 12–14 angespritzt werden. Dabei können an den Löchern 19 auch Buchsen 20 mit umspritzt werden. Alternativ mögen die Befestigungsbereiche 15–18 durch Heißpressen an die Hohlprofile 12–14 angeformt werden. Dazu mögen beispielsweise die Hohlprofile 12–14 zusammen mit dem zweiten Faserverbundmaterial oder entsprechenden Vormaterialien in ein Werkzeug verbracht und dort gemeinsam heißverpresst werden. In noch einer Alternative werden die Hohlprofile 12–14 in ein Werkzeug verbracht und dort mit dem zweiten Faserverbundmaterial spritzverpresst.
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Um zu vermeiden, dass das zweite Faserverbundmaterial in das Innere der Hohlprofile 12–14 gelangt, sind diese mit einer Dichtkappe 21 abgedeckt.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Faserverbundbauteils 31. Das Faserverbundbauteil 31 mag einen gleichen Grundaufbau wie das Faserverbundbauteil 11 aufweisen. Das Faserverbundbauteil 31 weist mindestens einen ersten Bereich in Form eines nun rohrförmigen Vollprofils 32 (alternativ: Hohlprofils) auf, das aus einem Endlosfaser-verstärkten Faserverbundmaterial besteht. Das Vollprofil 32 ist beispielhaft mittels Pultrusion, Flechtens und/oder Wickelns in einem Endlosverfahren hergestellt worden.
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Dieses Vollprofil 32 und ggf. weitere Vollprofile sind – zumindest im Bereich des dargestellten Querschnitts – vollständig von einem zweiten Bereich 33 umgeben, der aus einem Kurzfasern und/oder Langfasern aufweisenden, zweiten Faserverbundmaterial besteht. Der zweite Bereich 33 mag ebenfalls zur Befestigung des Faserverbundbauteils 31 dienen und dazu beispielsweise Löcher (o. Abb.) aufweisen. Der zweite Bereich 33 weist hier zudem seitliche Vorsprünge 34 auf, die z. B. als Befestigungselemente oder einer strukturellen Verstärkung dienen können.
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3 zeigt eine Draufsicht eines Faserverbundbauteils 41. Das Faserverbundbauteil 41 mag einen gleichen Grundaufbau wie das Faserverbundbauteil 31 aufweisen. Das Faserverbundbauteil 41 mag beispielsweise anstelle einer oder mehrerer der Hohlprofile 12–14 verwendet werden.
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In dem Faserverbundbauteil 41 ist ein erster Bereich in Form eines bandförmigen oder rohrförmigen Profils 42 von einem daran angespritzen oder angepressten zweiten Bereich 43 umgeben. Wie gestrichelt angedeutet, ist ein weiteres Profil 44 vorhanden, das gegenüber dem Profil 42 eine veränderte Lage aufweist, beispielsweise die gezeigte Überkreuzung oder eine parallele Versetzung. Auch das Profil 44 ist von dem zweiten Bereich 43 umgeben.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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So können auch an anderen Abschnitten der Hohlprofile 12–14 des ersten Ausführungsbeispiels zweite Bereiche vorhanden sein, z. B. an einem mittigen Abschnitt, z. B. zur Nutzung als Befestigungselement und/oder für eine verbesserte Handhabung und/oder als strukturelle Verstärkung.
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Allgemein können Merkmale, Eigenschaften oder Elemente eines gezeigten Ausführungsbeispiels in allen anderen Ausführungsbeispielen zusätzlich oder alternativ verwendet werden.
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Allgemein kann unter ”ein”, ”eine” usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von ”mindestens ein” oder ”ein oder mehrere” usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z. B. durch den Ausdruck ”genau ein” usw.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Faserverbundbauteil
- 12–14
- Hohlprofil
- 15
- Abschluss-Befestigungsbereich
- 16–17
- Verbindungs-Befestigungsbereich
- 18
- Abschluss-Befestigungsbereich
- 19
- Loch
- 20
- Buchse
- 21
- Dichtkappe
- 31
- Faserverbundbauteil
- 32
- Vollprofil
- 33
- zweiter Bereich
- 34
- seitlicher Vorsprung des zweiten Bereichs
- 41
- Faserverbundbauteil
- 42
- Profil
- 43
- zweiter Bereich
- 44
- Profil
- L
- Längserstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010053850 A1 [0004]
- DE 102010053843 A1 [0005]