DE102013223519A1

DE102013223519A1 - Faserkunststoffverbundbauteil und Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013223519A1
Application number: DE102013223519.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Soldner; Thomas Schneidewind; Markus Vallerius
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-21
Also published as: EP3071395A1; WO2015074860A1

Abstract

Insbesondere weist ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Schritte auf: – Herstellen eines mit einem Kunststoffmatrixmaterial imprägnierten Vorformlings aus einer Endlosfaser, – Auftragen einer Pressmasse aus dem Kunststoffmatrixmaterial oder einem anderen Kunststoffmatrixmaterial und ungerichteten Fasern auf den Vorformling, und – Verpressen des Vorformlings und der Pressmasse in einem Presswerkzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils und insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Faserkunststoffverbundbauteil und insbesondere ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, das mit einem derartigen Verfahren hergestellt ist.
Faserkunststoffverbundbauteile werden in größeren Stückzahlen beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie oder auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. Zur industriellen Herstellung von Faserkunststoffverbundbauteilen, bei denen höhere Anforderungen hinsichtlich einer Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils gelten, werden aus Endlosfasern hergestellte Faser-Halbzeuge oder Faser-Matrix-Halbzeuge verwendet, die auch Prepregs genannt werden, verwendet. Es gibt verschiedene Verfahren, um aus diesen Halbzeugen Faserkunststoffverbundbauteile herzustellen. In einem Autoklav-Prozess wird ein Faser-Matrix-Halbzeug unter Druck und Temperatur „gebacken”. In einem Nasspressverfahren werden Faser-Matrix-Halbzeuge in die Bauteilform gepresst. Bei einem Harzinjektionsverfahren wird ein „trockenes” Faser-Halbzeug unter hohem Druck mit der Kunststoffmatrix getränkt und in die entsprechende Bauteilform gebracht. Ein derartiges Verfahren ist als RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding) bekannt.
Darüber hinaus ist es bekannt, Faser-Matrix-Halbzeuge in Form eines Gemisches aus einer duroplastischen Kunststoffmatrix oder einer thermoplastischen Kunststoffmatrix und sogenannten Langfasern, die üblicherweise eine Länge von 1 bis 50 mm haben, zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils zu verwenden. Derartige Faser-Matrix-Halbzeuge werden in unterschiedlichen Pressverfahren weiterverarbeitet. Derartige Pressverfahren sind als SMC (sheet molding compound) und BMC (bulk moulding compound) bekannt. Als Überbegriff wird hier auch der Ausdruck PMC (press moulding compound) verwendet.
Bei den SMC und BMC Verfahren können mit vertretbarem Aufwand grundsätzlich leichter Teile mit einer komplexen Geometrie hergestellt werden als bei den Verfahren, bei denen ein Prepreg mit Endlosfaser verarbeitet wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug, sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Faserkunststoffverbundbauteil zu schaffen, das eine hinreichende Steifigkeit und Festigkeit bei einer komplexen Geometrie aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils gelöst, das die Merkmale von Patentanspruch 1 aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Faserkunststoffverbundbauteil gelöst, das die Merkmale von Patentanspruch 9 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen genannt.
Insbesondere weist ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Schritte auf:

– Herstellen eines mit einem Kunststoffmatrixmaterial imprägnierten Vorformlings aus einer Endlosfaser,
– Auftragen einer Pressmasse aus dem Kunststoffmatrixmaterial oder einem anderen Kunststoffmatrixmaterial und ungerichteten Fasern auf den Vorformling, und
– Verpressen des Vorformlings und der Pressmasse in einem Presswerkzeug.

Das Faserkunststoffverbundbauteil ist bevorzugt ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug.
Der Vorformling bildet nach dem Herstellen des Faserkunststoffverbundbauteils im Wesentlichen ein Grundelement des Faserkunststoffverbundbauteils und die Pressmasse bildet nach dem Herstellen des Faserkunststoffverbundbauteils im Wesentlichen ein Anformteil des Faserkunststoffverbundbauteils.
Der Ausdruck „imprägniert” bedeutet, dass die Fasern des Vorformlings mit dem Kunststoffmatrixmaterial getränkt sind. Der Begriff Kunststoffmatrixmaterial umfasst in diesem Zusammenhang nicht nur den Kunststoffwerkstoff, wie er in dem hergestellten Faserkunststoffverbundbauteil vorliegt, sondern auch ein Kunststoffvorprodukt, das im Laufe des Herstellprozesses zu dem Kunststoffwerkstoff, wie er in dem hergestellten Faserkunststoffverbundbauteil vorliegt, reagiert.
Bevorzugt besteht die Pressmasse aus dem gleichen Kunststoffmatrixmaterial, mit dem auch der Vorformling getränkt ist, so dass eine integrale Verbindung des Materials des Vorformlings und des Materials der Pressmasse besonders einfach und dauerhaft ist. Es ist jedoch auch möglich für die Pressmasse ein anderes Kunststoffmatrixmaterial als das Material zu verwenden, mit dem der Vorformling getränkt ist. Ungerichtete Fasern bedeutet, dass diese in einer undefinierten Wirrlage in der Pressmasse vorliegen. Ungerichtete Fasern können auch als Wirrfasern bezeichnet werden.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, ein Faserkunststoffverbundbauteil zu schaffen, das eine komplexere Geometrie hat, als dies mit einem Nasspressverfahren eines Vorformlings aus einer Endlosfaser oder mit einem in Bezug auf den Stand der Technik erwähnten RTM (Resin-Transfer-Moulding) Verfahren möglich wäre.
Bevorzugt ist das Faserkunststoffverbundbauteil ein Bauteil mit einer im Wesentlichen flächigen, insbesondere dreidimensionalen, Erstreckung. Das Bauteil kann insbesondere mehrere Flächen, die schräg zueinander angeordnet sind, aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt der Schritt Verpressen des Vorformlings und der Pressmasse derart, dass die Pressmasse in den Vorformling eindringt und ferner in zumindest eine zusätzliche Vertiefung oder in mehrere zusätzliche Vertiefungen in dem Presswerkzeug eindringt.
Die Vertiefung kann derart ausgebildet sein, dass die Vertiefung in Zusammenwirkung mit der Pressmasse und dem Schritt Verpressen ein Anformelement, beispielsweise ein Verstärkungselement, insbesondere eine Rippe, und/oder ein Verbindungselement zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements an das Faserkunststoffverbundbauteil ausbildet.
Hierdurch ist es mit einem einfachen Verfahren mit wenigen Schritten möglich, sehr wirksame Anformelement als Verstärkungen/Versteifung und/oder Verbindungselemente an dem Faserkunststoffverbundbauteil integral mit dem Faserkunststoffverbundbauteil auszubilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird vor dem Schritt Verpressen des Vorformlings und der Pressmasse das Einlegerelement in das Presswerkzeug eingelegt, wobei dieser Schritt gegebenenfalls noch vor dem Schritt Auftragen einer Pressmasse durchgeführt wird, so dass in dem Schritt Verpressen des Vorformlings und der Pressmasse das Einlegerelement formschlüssig von der Pressmasse umgeben werden kann.
Das Einlegerelement kann beispielsweise aus einem Kunststoff, einem Faserkunststoffverbundwerkstoff oder einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Insbesondere kann das Einlegerelement eine Verbindungseinrichtung zur Befestigung von Anbauteilen aufweisen. Diese Verbindungseinrichtung kann beispielsweise ein Gewinde aufweisen, so dass Anbauteile an das Faserkunststoffverbundbauteil angeschraubt werden können. Das Einlegerelement kann aber auch zusätzlich oder alternativ eine versteifende oder festigkeitserhöhende Funktion für das Faserkunststoffverbundbauteil aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorformling aus einer bereits mit dem Kunststoffmatrixmaterial imprägnierten Endlosfaser hergestellt. Alternativ kann auch zunächst ein trockenes Halbzeug, d. h. ein nur aus Faser bestehendes Halbzeug, das kein Kunststoffmatrixmaterial aufweist, aus der Endlosfaser hergestellt werden. Ein derartiges Halbzeug kann ein Gewebe, ein Gestricke, ein Gewirke oder ein Gelege sein. In einem nachfolgenden Schritt wird dann das trockene Halbzeug mit dem Kunststoffmatrixmaterial getränkt und bildet somit den Vorformling aus, der dann zusammen mit der Pressmasse in dem Presswerkzeug verpresst wird.
Bevorzugt wird der Vorformling in einem Wickelprozess hergestellt.
In dem Wickelprozess kann lediglich eine Faserart, d. h. ein Faserwerkstoff, zum Einsatz kommen. Alternativ können auch beispielsweise zwei oder mehrere unterschiedliche Faserarten verwendet werden. Auch in einem anderen Verarbeitungsprozess von Endlosfasern kann lediglich eine Faserart oder können mehrere Faserarten zum Einsatz kommen.
Hierdurch können die unterschiedlichen vorteilhaften Eigenschaften von verschiedenen Faserarten genutzt werden.
Das Kunststoffmatrixmaterial kann ein duroplastisches Material sein. Bei duroplastischen Materialien können insbesondere vorstehend erwähnte Kunststoffvorprodukte zum Einsatz kommen. Beispiele für ein derartiges duroplastisches Material sind Epoxidharz, Phenolharz, Vinylesterharz und/oder Polyurethanharz. Alternativ kann das Kunststoffmatrixmaterial auch ein thermoplastisches Material sein. Beispiele für ein derartiges thermoplastisches Material sind Polypropylen, Polyethylen, Polyphenylenether, Polyphenylensulfid und Polyphthalamid.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung können die Endlosfasern des Vorformlings Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyehtylenfasern und/oder Naturfasern sein. Wenn mehrere Faserarten miteinander kombiniert werden, so ist eine Kombination aus Kohlenstofffaser und Polypropylenfaser oder eine Kombination aus Kohlenstofffaser und Polyethylenfaser vorteilhaft. Für die ungerichteten Fasern der Pressmasse können grundsätzlich die gleichen Fasern wie in dem Vorformling verwendet werden. Es ist aber auch möglich andere Fasern zu verwenden. Bevorzugte Fasern für die Pressmasse sind Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und/oder Naturfasern. Die Fasern der Pressmasse sind vorteilhaft Langfasern, die eine Länge von 1 mm bis 50 mm aufweisen. Eine bevorzugte Faserlänge für die Pressmasse ist 20 mm bis 50 mm. Es können aber auch Kurzfasern mit einer Länge bis zu 1 mm verwendet sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Faserkunststoffverbundbauteil, das nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das Faserkunststoffverbundbauteil kann insbesondere ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug sein. Bevorzugt ist das Faserkunststoffverbundbauteil ein integrales, bevorzugt einstückiges, Karosserieklappenträgerbauteil.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Faserkunststoffverbundbauteil, das ein Grundelement aufweist, das im Wesentlichen aus einem Endlosfaserkunststoffverbundwerkstoff ausgebildet ist, an dem zumindest ein Anformelement angeformt ist, wobei das Anformelement aus einem Kurz- und/oder Langfaserkunststoffverbund ausgebildet ist.
Das Grundelement kann auch als Hauptkörper bezeichnet werden, da es den Großteil des Faserkunststoffverbundbauteils bildet. Das Grundelement bildet die Grundstruktur des Faserkunststoffverbundbauteils.
Das Anformelement kann bevorzugt ein Verstärkungselment und/oder ein Verbindungselement zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements an das Grundelement sein.
Das Einlegerelement ist bevorzugt eine Verstärkungseinrichtung und/oder eine Anschlusseinrichtung zur Anbindung eines weiteren Bauteils bzw. zur Anbindung des Faserkunststoffverbundbauteils an ein weiteres Bauteil.
Das Faserkunststoffverbundbauteil kann insbesondere ein Karosseriebauteil, beispielsweise ein Karosserieklappenträgerbauteil, insbesondere ein integrales, einstückiges Träger- und/oder Rahmenbauteil einer Kraftfahrzeugtür für ein Kraftfahrzeug sein. Insbesondere kann das Karosserieklappenträgerbauteil eine die Steifigkeit und Festigkeit der Karosserieklappe bestimmende Funktion haben.
Im Falles dass das Faserkunststoffverbundbauteil ein Karosserieklappenträgerbauteil ist, kann das Grundelement einen Türrahmen und/oder eine Türinnenplatte und/oder eine Fensterbrüstung und/oder ein Spiegeldreieck und/oder einen Fensterrahmen ausbilden. Ferner kann das Anformelement eine Rippe zur Verstärkung des Grundelements ausbilden. Alternativ oder zusätzlich kann das Anformelement ein Verbindungselement zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements als eine Scharnierverstärkung und/oder eines Einlegerelements als eine Schlossverstärkung und/oder eines Einlegerelements zur Anbindung eines Seitenaufprallträgers und/oder eines Einlegerelements zur Anbindung einer Türaussenhautverstärkung und/oder eines Einlegerelements in Form eines Fensterrahmen sein.
Hierdurch kann eine Teilezahl für ein Karosserieklannenträgerbauteil erheblich reduziert sein.
Als Kunststoffmatrix für das Grundelement können die Materialien zum Einsatz kommen, die vorstehend in Bezug auf die Endlosfaserkunststoffmatrix beschrieben sind. Ebenso können die vorstehend erwähnten Materialien für Endlosfasern zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann als Kunststoffmatrix für das Anformelement/die Anformelemente die Kunststoffmatrix zum Einsatz kommen, die vorstehend in Bezug auf die Langfaserkunststoffmatrix beschrieben ist. Ebenso können die vorstehend erwähnten Materialien für Langfasern zum Einsatz kommen.
Die beschriebenen Merkmale der Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Faserkunststoffverbundbauteils können soweit möglich beliebig miteinander kombiniert werden.
Es folgt eine Kurzbeschreibung der Figuren.
1 ist eine schematische Perspektivansicht eines geöffneten Presswerkzeugs vor einem Verpressen eines Vorformlings und einer Pressmasse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Perspektivansicht eines Teils des geöffneten Presswerkzeugs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Perspektivansicht des Teils des geschlossenen Presswerkzeugs von 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische, geschnittene Seitenansicht eines geöffneten Presswerkzeugs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische, geschnittene Seitenansicht des geschlossenen Presswerkzeugs von 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische, geschnittene Seitenansicht eines Faserkunststoffverbundbauteils, das, wie in 4 bis 5 gezeigt ist, hergestellt wurde, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische, perspektivische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugseitentürträgerbauteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische, geschnittene Detailansicht des Kraftfahrzeugseitentürträgerbauteils entlang der Ebene A-A-A in 7 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachstehend sind unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert.
Zunächst ist unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines geöffneten Presswerkzeugs mit einem Unterteil 7 und einem Oberteil 9. Auf das Unterteil 7 ist ein Vorformling 3 gelegt. Der Vorformling 3 ist bevorzugt in einem Wickelprozess aus einer imprägnierten Endloskohlenstofffaser hergestellt. Auf dem Vorformling 3 sind an mehreren Stellen zusätzlich Pressmasseelemente 5 aufgebracht bzw. angordnet. Die Pressmasseelemente 5, die für Anformelemente gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, bestehen aus einem Gemisch aus Kunststoffmatrixmaterial und Langfasern. Die Langfasern bestehen bevorzugt aus Kohlenstoff. Ferner ist in 1 zu sehen, dass der Vorformling 3 einen Ausschnitt 11 bzw. eine Öffnung 11 aufweist. Das in der 1 gezeigte linke Pressmasseelement 5 und das in der 1 gezeigte rechte Pressmasseelement 5 sollen jeweils als Verstärkungslemente Versteifungsrippen bilden. Das mittlere Pressmasseelement 5 ist ringförmig ausgebildet und soll als Verbindungselement zur formschlüssigen Anbindung eines in der 1 nicht gezeigten Einlegerelements dienen. Das Einlegerelement wird dabei vor dem Schließen des Pressewerkzeugs an dem hierfür vorgesehenen Ort innerhalb des ringförmigen Pressmasseelements 5 positioniert. Das Einlegerlement kann beispielsweise aus Metall ausgebildet sein, das als Anschlusselement und/oder Verstärkungselement dient. Als Anschlusselement kann es Befestigungslöcher und/oder Befestigungsvorsprünge aufweisen. Als Verstärkungselement erhöht es lokal eine Festigkeit und/oder Steifigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserkunststoffverbundbauteils.
Bei einem Schließen des Presswerkzeugs dringt die Pressmasse 5 in hierfür vorgesehene Vertiefungen 91, die in 2 und 3 gezeigt sind, in dem Oberteil 9 des Presswerkzeugs ein.
In 2 ist ein Teilabschnitt des geöffneten Presswerkzeugs mit dem Unterteil 7 und dem Oberteil 9 gezeigt. Das Oberteil 9 weist die Vertiefungen 91 auf.
Gegenüberliegend den Vertiefungen 91 ist auf dem Vorformling 3 eine vorbestimmte Menge an Pressmasse 5 aufgebracht.
Beim Schließen des Presswerkzeugs wird dabei die Pressmasse 5 zum Einen in den Vorformling 3 eingedrückt und zum Anderen weicht das Material in die Vertiefungen 91 aus. Nach diesem Grundprinzip können unterschiedlichste Anformungen, wie die verstehend erwähnten Verstärkungselemente, beispielsweise Verstärkungsrippen, an einem Faserkunststoffverbundbauteil ausgebildet werden. In 3 ist das geschlossene Presswerkzeug von 2 gezeigt, wobei die Pressmasse 5 den Hohlraum der Vertiefungen 91 ausfüllt.
Bei einem Öffnen des Presswerkzeugs hat das dabei entstandene Kunststofffaserverbundbauteil mit Langfasern verstärkte, den Vertiefungen 91 entsprechende, Verstärkungsrippen.
Zur Anbindung des nicht gezeigten Einlegerelements sind nicht gezeigte Vertiefungen vorgesehen. Diese Vertiefungen sind derart vorgesehen, dass die Pressmasse 5 beim Schließen des Presswerkzeugs formschlüssig um Kanten des Einlegerelements gepresst wird.
Der Vorformling 3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bildet nach dem Herstellprozess des Faserkunststoffverbundbauteils ein Grundelement aus Endlosfaserkunststoffverbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Pressmasseelemente 5 bilden erfindungsgemäße Anformelemente aus einem Langfaserkunststoffverbundwerkstoff – zum Einen Verstärkungselemente in Form von Rippen und zum Anderen Elemente zur formschlüssigen Anbindung des Einlegerelements.
Bevorzugt sind gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Langfasern in einem Bereich von 20 bis 50 mm verwendet. Die Länge der Endlosfasern übersteigen ein Vielfaches der Länge der Langfasern und haben eine für einen Wickelprozess übliche Länge. Die Endlosfasern sind bevorzugt Kohlenstofffasern. Die Langfasern sind ebenfalls bevorzugt Kohlenstofffasern, wobei diese beispielsweise aus einem Recyclingprozess von Faserkunststoffverbundbauteilen stammen können. Es sind aber auch jegliche anderen Faserarten denkbar, die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung erwähnt sind. Als Kunststoffmatrixmaterialen sind ebenso alle vorstehend in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung erwähnten Materialien denkbar.
Unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 ist das Prinzip des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung an einem zweiten Ausführungsbeispiel ergänzend erläutert, wobei insbesondere auf Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen wird und eine Beschreibung von Gemeinsamkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel teilweise weggelassen ist.
In 4 ist eine geschnittene Seitenansicht eines geöffneten Presswerkzeugs mit einem Unterteil 7 und einem Oberteil 9 gezeigt. In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind Abschnitte mit Pressmasse 5, mit anderen Worten Pressmasseelemente 5 aus einem Gemisch aus Langfasern und einem Kunststoffmatrixmaterial, an einer Unterseite eines Vorformlings 3 aufgebracht. Der Vorformling 3 besteht ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aus einer mit einer Kunststoffmatrix imprägnierten Endlosfaser. Bei einem Schließen des Presswerkzeugs, wie in 5 gezeigt ist, wird die Pressmasse 5 in für sie vorgesehene Vertiefungen 71 in dem Unterteil 7 des Presswerkzeugs eingedrückt. Gleichzeitig wird ein Rand des Vorformlings 3 umgedrückt bzw. umgeformt.
Bei dem in 4 und 5 gezeigten Vorgang entsteht ein Faserkunststoffverbundbauteil 1, das in 6 gezeigt ist, mit nach unten (die Richtungsangabe bezieht sich lediglich auf die Darstellung in der Figur) geklappten Rändern, mit anderen Worten mit einem nach unten weisenden Flansch, wobei die Ränder mit langfaserverstärkten Rippen 103 abgestützt bzw. verstärkt sind. Der ursprüngliche Vorformling 3 bildet bei dem fertig hergestellten Faserkunststoffverbundbauteil 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Grundelement 101 aus einem Endlosfaserkunststoffverbundwerkstoff, das eine flächige, dreidimensionale Grundstruktur des Faserkunststoffverbundbauteils 1 vorgibt, während die Rippen 103 erfindungsgemäße Anformelemente, insbesondere Verstärkungselemente, aus einem Langfaserkunststoffverbundwerkstoff bilden. Das Grundelement 101 und die Rippen 103 sind dabei integral miteinander verbunden und bilden das einstückige Faserkunststoffverbundbauteil 1.
Im Folgenden ist ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben. Während unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 im Wesentlichen ein Verfahren zum Herstellen eines schematisch stark vereinfachten bzw. eines abstrakten Faserkunststoffverbundbauteils gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist im Folgenden unter Bezugnahme auf 7 und 8 ein Faserkunststoffverbundbauteil in Form eines Kraftfahrzeugtürrahmenbauteils 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei für ähnliche oder vergleichbare Elemente gleiche Bezugszeichen wie in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet sind.
In 7 ist eine perspektivische Seitenansicht des Kraftfahrzeugtürrahmenbauteils 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil 1 kann mit dem unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein.
Das in 7 gezeigt Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil 1 weist einen Grundkörper bzw. Hauptkörper 101 aus einem mit Endlosfasern verstärktem Kunststoff auf, d. h. einem Endlosfaserkunstoffverbundwerkstoff. Der Grundkörper 101 weist in der Mitte einen Ausschnitt 11 auf. Ferner sind an dem Grundkörper 101 an bestimmten, dafür vorgesehenen Stellen Rippen 103 zur Verstärkung und Versteifung des im Wesentlichen dreidimensionalen, flächigen Grundkörpers 101 des Kraftfahrzeugtürrahmenbauteils 1 vorgesehen. Die Rippen 103, die Anformelemente, insbesondere Verstärkungselemente, gemäß der vorliegenden Erfindung bilden, bestehen aus einem mit Langfasern verstärktem Kunststoff, d. h. einem Langfaserkunststoffverbundwerkstoff. Insbesondere verlaufen die Rippen 103 in eine Richtung quer zu aneinander angrenzenden, schräg zueinander verlaufenden Flächen (analog zu den Rippen 103 des zweiten Ausführungsbeispiels), so dass die Flächen zueinander versteift sind. Ferner hat das Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil 1 ein Einlegerelement 13, an dem Türscharniere befestigt werden können und das auch als Scharnierverstärkung bezeichnet sein kann. Das Einlegerelement 13 ist aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, ausgeführt. Das Einlegerelement 13 ist über Anformungen 105, die Anformelemente, insbesondere Verbindungselemente, gemäß der vorliegenden Erfindung bilden, formschlüssig an dem Grundkörper 101 angebracht bzw. mit dem Grundkörper 101 verbunden. Die Anformungen 105 bestehen ebenso wie die Rippen 103 aus einem mit Langfasern verstärktem Kunststoff. Außerdem weist das Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil 1 ein Spiegeldreieck 15, an dem ein Seitenspiegel befestigt werden kann, sowie eine Fensterbrüstung 17 auf. Das Spiegeldreieck 15 kann mit einem erfindungsgemäßen Anformungelement aus einem mit Langfasern verstärktem Kunststoff verstärkt sein.
In 8 ist eine geschnittene Detailansicht von 7 gezeigt. Insbesondere zeigt die 8 einen Schnitt entlang einer mit gestrichelten Linien angedeuteten xy-Ebene A-A-A in 7. Eine xy-Ebene ist eine Ebene parallel zu einer Fahrzeuglängsrichtung und einer Fahrzeugquerrichtung in einem eingebauten Zustand des Kraftfahrzeugtürrahmenbauteils 1 in einem Kraftfahrzeug.
8 zeigt einen Bereich des Kraftfahrzeugtürrahmenbauteils 1, in dem das Einlegerlement 13 angeordnet ist. Insbesondere ist gezeigt, dass das Einlegerelement 13 an dem Grundkörper 101 anliegt und durch die Anformungen 105 formschlüssig mit dem Grundkörper 101 verbunden ist. Die Anformungen 105 umgreifen eine Endkante des Einlegerelements 13. Insbesondere können die Anformungen 105 die gesamte Endkante 14 des Einlegerelements 13 umlaufend umgreifen oder die Endkante 14 lediglich abschnittsweise umgreifen. Es können auch Löcher in dem Einlegerelement ausgebildet sein über die der Einleger 13 alternativ oder zusätzlich mittels der Anformungen 105, die die Löcher durchdringen, formschlüssig an dem Grundkörper 101 befestigt sind.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel können die Materialien zum Einsatz kommen, die bereits im Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel genannt sind.
Das Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hat keinen Fensterrahmen. Alternativ kann ein Fensterrahmen ein Teil des Grundkörpers 101 sein. In einer weiteren Alternative, kann ein Fensterrahmen aus einem geeigneten Werkstoff als Einlegerelement formschlüssig mit dem Grundkörper 101 verbunden sein. Ein derartiges komplexes Bauteil gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, ist in der herkömmlichen Blechbauweise normalerweise nur aus vielen verschiedenen Einzelteilen, die in vielen Fügeschritten aneinander gefügt werden, mit einer bei einer Kraftfahrzeugkarosserie erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit darstellbar. Das in 7 gezeigt Kraftfahrzeugtürrahmenbauteils 1 ist demgegenüber in einem einzigen Fügeschritt herstellbar. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Faserkunststoffverbundbauweise ein geringes Gewicht des Bauteils bei der erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit.
Würde eine derartiges Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil lediglich in einem herkömmlichen Nasspressverfahren oder einem RTM-Verfahren hergestellt sein, wären zusätzliche nachträglich anzubringende Verstärkungselement und Anbauteile notwendig, wofür weitere Fügeschritte erforderlich sind.
Würde das Kraftfahrzeugtürrahmenbauteil lediglich mit einem BMC oder SMC-Verfahren hergestellt sein, könnten insgesamt nicht die Steifigkeiten und Festigkeiten wie bei dem erfindungsgemäßen Bauteil aufgrund der kürzeren Fasern erzielt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils (1), insbesondere eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten: – Herstellen eines mit einem Kunststoffmatrixmaterial imprägnierten Vorformlings (3) aus einer Endlosfaser, – Auftragen einer Pressmasse (5) aus dem Kunststoffmatrixmaterial oder einem anderen Kunststoffmatrixmaterial und ungerichteten Fasern auf den Vorformling (3), und – Verpressen des Vorformlings (3) und der Pressmasse (5) in einem Presswerkzeug (7, 9).
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der Schritt Verpressen derart erfolgt, dass die Pressmasse (5) in den Vorformling (3) eindringt und ferner in eine Vertiefung (71, 91) in dem Presswerkzeug (7, 9) eindringt.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Vertiefung (71, 91) in Zusammenwirkung mit der Pressmasse (5) und dem Schritt Verpressen ein Anformelement (103, 105), beispielsweise ein Verstärkungselement, insbesondere eine Rippe (103), und/oder ein Verbindungselement (105) zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements (13) an das Faserkunststoffverbundbauteil (1) ausbildet.
Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei vor dem Schritt Verpressen das Einlegerelement (13) in das Presswerkzeug (7, 9) eingelegt wird, das in dem Schritt Verpressen formschlüssig von der Pressmasse (5) umgeben wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei der Vorformling (3) aus einer bereits mit dem Kunststoffmatrixmaterial imprägnierten Endlosfaser hergestellt wird und/oder ein trockenes Halbzeug, insbesondere ein Gewebe, ein Gestricke, ein Gewirke oder ein Gelege, bestehend aus der Endlosfaser hergestellt wird und dieses in einem nachfolgenden Schritt mit dem Kunststoffmatrixmaterial imprägniert wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei der Vorformling (3) in einem Wickelprozess hergestellt wird, wobei lediglich eine Faserart oder zumindest zwei unterschiedliche Faserarten verwendet werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das Kunststoffmatrixmaterial des Vorformlings (3) und/oder der Pressmasse (5) ein duroplastisches Material, insbesondere auf der Grundlage von Epoxidharz, Phenolharz, Vinylesterharz und/oder Polyurethanharz, oder ein thermoplastisches Material, insbesondere auf der Grundlage von Polypropylen, Polyethylen, Polyphenylenether, Polyphenylensulfid und/oder Polyphthalamid, ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei die Endlosfasern des Vorformlings (3) Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyethylenfasern und/oder Naturfasern sind, und/oder wobei die ungerichteten Fasern der Pressmasse (5) Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und/oder Naturfasern, deren Länge insbesondere in einem Langfaserbereich, bevorzugt 20 mm bis 50 mm Faserlänge, liegt, sind.
Faserkunststoffverbundbauteil, das nach einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 hergestellt ist, wobei das Faserkunststoffverbundbauteil ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein integrales, insbesondere einstückiges, Karosserieklappenträgerbauteil (1), ist, das durch einen integralen Verbund aus dem aus dem Vorformling ausgebildeten Grundelement (101) aus einem Endlosfaserkunststoffverbund und dem aus der Pressmasse ausgebildeten Anformelement (103, 105) aus Kurz- und/oder Langfaserkunststoffverbund ausgebildet ist.
Faserkunststoffverbundbauteil nach Patentanspruch 9, wobei das Anformelement ein Verstärkungselement zur Verstärkung des Grundelements und/oder ein Verbindungselement (105) zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements (13) an das Grundelement (101) ist.
Faserkunststoffverbundbauteil nach Patentanspruch 11, wobei das Karosserieklappenträgerbauteil ein integrales, einstückiges Träger- und/oder Rahmenbauteil einer Kraftfahrzeugtür ist, wobei das Grundelement (101) einen Türrahmen und/oder eine Türinnenplatte und/oder eine Fensterbrüstung und/oder ein Spiegeldreieck und/oder einen Fensterrahmen ausbildet, und/oder wobei das Anformelement eine Rippe (103) zur Verstärkung des Grundelements (101) ist, und/oder wobei das Anformelement ein Verbindungselement (105) zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements (13) als eine Scharnierverstärkung und/oder eines Einlegerelements als eine Schlossverstärkung und/oder eines Einlegerelements zur Anbindung eines Seitenaufprallträgers und/oder eines Einlegerelements zur Anbindung einer Türaussenhautverstärkung und/oder eines Einlegerelements in Form eines Fensterrahmen ist.
Faserkunststoffverbundbauteil, insbesondere ein Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, mit einem Grundelement (101), das aus einem Endlosfaserkunststoffverbundwerkstoff ausgebildet ist, wobei an dem Grundelement (101) zumindest ein Anformelement (103, 105) integral angeformt ist, wobei das Anformelement (103, 105) aus einem Kurz- und/oder Langfaserkunststoffverbundwerkstoff ausgebildet ist.
Faserkunststoffverbundbauteil nach Patentanspruch 12, wobei das Anformelement ein Verstärkungselment (103) und/oder ein Verbindungselement (105) zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements (13) an das Grundelement (101) ist.
Faserkunststoffverbundbauteil nach Patentanspruch 13, wobei das Einlegerelement (13) eine Verstärkungseinrichtung und/oder eine Anschlusseinrichtung zur Anbindung eines weiteren Bauteils ist.
Faserkunststoffverbundbauteil nach einem der Patentansprüche 12 bis 14, wobei das Karosseriebauteil ein integrales, insbesondere einstückiges, Karosserieklappenträgerbauteil (1), ist.
Faserkunststoffverbundbauteil nach Patentanspruch 15, wobei das Karosserieklappenträgerbauteil ein integrales, einstückiges Träger- und/oder Rahmenbauteil einer Kraftfahrzeugtür ist, wobei das Grundelement (101) einen Türrahmen und/oder eine Türinnenplatte und/oder eine Fensterbrüstung und/oder ein Spiegeldreieck und/oder einen Fensterrahmen ausbildet, und/oder wobei das Anformelement eine Rippe (103) zur Verstärkung des Grundelements (101) ist, und/oder wobei das Anformelement ein Verbindungselement (105) zur formschlüssigen Anbindung eines Einlegerelements (13) als eine Scharnierverstärkung und/oder eines Einlegerelements als eine Schlossverstärkung und/oder eines Einlegerelements zur Anbindung eines Seitenaufprallträgers und/oder eines Einlegerelements zur Anbindung einer Türaussenhautverstärkung und/oder eines Einlegerelements in Form eines Fensterrahmen ist.