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WO2019243001A1 - Faserverbundkörper sowie verfahren zur herstellung eines faserverbundkörpers - Google Patents

Faserverbundkörper sowie verfahren zur herstellung eines faserverbundkörpers Download PDF

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WO2019243001A1
WO2019243001A1 PCT/EP2019/063708 EP2019063708W WO2019243001A1 WO 2019243001 A1 WO2019243001 A1 WO 2019243001A1 EP 2019063708 W EP2019063708 W EP 2019063708W WO 2019243001 A1 WO2019243001 A1 WO 2019243001A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reinforcing fibers
composite body
fiber composite
struts
body according
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/063708
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hogger
Michael Voelke
Bernhard STAUDT
Joachim Starke
Falco Hollmann
Richard Gralka
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Priority to US15/734,941 priority patent/US11919575B2/en
Publication of WO2019243001A1 publication Critical patent/WO2019243001A1/de

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    • B62D29/04—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof predominantly of synthetic material

Definitions

  • the invention relates to a fiber composite body, in particular a structural stiffening element, and a method for producing a fiber composite body, in particular a structural stiffening element
  • Fiber-reinforced plastics have a high potential for lightweight construction and can absorb high tensile forces due to the incorporated fibers.
  • the weight-specific advantages of fiber-reinforced plastics can best be used if the fibers in the matrix material run along the load paths, which requires the component to be designed to withstand the load.
  • DE 10 2013 219 820 A1 discloses a fiber composite component which is used as a body component, e.g. Cowl of a vehicle, is used.
  • the fiber composite component has a plurality of elongated fiber bundles embedded in a plastic matrix and forming a profile, between which bracing means are arranged, which are produced in particular by injection molding a plastic material onto the profile.
  • structural components are known which are produced in shell construction from (reinforced) plastic, in steel construction or by aluminum extrusion.
  • the invention has for its object to provide a fiber composite body, which is characterized by low weight, cost-effective production and high stability, and a method for its production.
  • a fiber composite body in particular a structural stiffening element, having a plurality of struts which are formed by reinforcing fibers embedded in a plastic matrix and running essentially parallel to one another in the region of the respective strut, the struts being arranged in a truss-like profile structure which is formed by winding or is produced by embroidering the reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers which can be carbon, glass or aramid fibers, form fiber bundles in the area of the individual struts, as a result of which a load-bearing design of the fiber composite body is achieved.
  • a particularly low weight is achieved by directly winding the reinforcing fibers.
  • the winding technology in which the fibers run exclusively in the direction of loading of the individual struts and only as many fibers are used as are necessary at a specific point, is characterized by the highest lightweight construction potential of all fiber composite technologies.
  • the truss-like profile structure can be produced by embroidering the reinforcing fibers on a carrier material (preferably a textile, for example a glass fiber or carbon fiber textile).
  • the carrier material together with the reinforcing fibers can be designed in the form of a tape, so that this tape can then be laid or wound like the individual fibers.
  • the carrier material is a large-area textile into which the reinforcing fibers are embroidered in accordance with the course of the struts.
  • the gaps in the fiber composite body between the struts are already prepared by cutting out the large-area textile.
  • a type of two-dimensional structure of the fiber composite body is first formed by means of the carrier material with reinforcing fibers, and then this two-dimensional structure is embedded in a plastic matrix.
  • the carrier material can then optionally also be removed at least partially mechanically.
  • the fiber composite body according to the invention is inexpensive to manufacture thanks to the low investment costs in tools and the like.
  • the profile structure is preferably produced by direct winding of reinforcing fibers pre-impregnated with the matrix material and subsequent pressing.
  • the plastic matrix which can consist of thermoplastic or thermosetting material, forms a material connection when the pre-soaked fibers are pressed. The result is a simple and inexpensive production process for the fiber composite body according to the invention, which is characterized in particular by low tool costs.
  • the entire profile structure is advantageously formed by wound reinforcement fibers embedded in a plastic matrix.
  • all struts are formed by wound reinforcing fibers, in particular also the short “struts” which extend between the longer struts arranged along the main load directions. This results in a particularly light component that is characterized by a high multiaxial resilience.
  • the reinforcing fibers are continuous fibers, at least some of which extend over several struts. In theory, it is even conceivable to wind the entire profile structure from a single continuous fiber bundle.
  • At least some of the reinforcing fibers can leave a bundle course of one strut in a transition region between two struts and merge into fiber reinforcement of the other strut.
  • connecting points are provided between intersecting struts at which the reinforcing fibers cross, in particular wherein the reinforcing fibers of each strut form a reinforcing fiber bundle and the reinforcing fiber bundles penetrate one another at the connecting points.
  • one bundle can be guided through the middle of the other bundle, or both bundles are divided into several layers that alternate with one another. Since the crossing bundles are also pressed together at the connection points, the plastic matrix of the (pre-soaked) fiber bundle also forms an integral connection here.
  • connection areas for fastening the fiber composite body to a neighboring part are provided, each of which has a fastening element around which the reinforcing fibers extend.
  • the fastening element preferably comprises a fastening opening which is surrounded in particular by an insert, preferably in the form of a sleeve, around which the reinforcing fibers are guided.
  • the insert which can be made of metal in particular, is already inserted or wrapped during the winding of the profile structure and thereby facilitates the fiber guidance of the reinforcing fibers, which in particular surround the insert in a loop.
  • a threaded bushing, a threaded bolt, a bolt, an eyelet or the like is of course also possible.
  • the insert has an anchoring means, in particular in the form of a molded plate.
  • anchoring means preferably of a flat design, forces which are introduced selectively via the fastening element or the insert can be distributed over a surface in the fiber composite body.
  • a part of the reinforcing fibers is crossed with another part of the reinforcing fibers in a transition region between a strut and a connection region. In this way, increased stability is achieved, particularly in the connection areas of the fiber composite body according to the invention, which can therefore be loaded not only under tension, but also very well under pressure.
  • the above object is also achieved by a method for producing a fiber composite body with a plurality of struts, which are arranged in a framework-like profile structure, the method comprising the following steps: a) providing pre-impregnated continuous reinforcing fibers; b) winding a truss-like profile structure from the pre-impregnated reinforcing fibers or embroidering reinforcing fibers into a carrier material, each strut being formed by a plurality of reinforcing fibers running parallel to one another; c) inserting the wound reinforcing fibers into a press tool; and d) pressing the wound reinforcing fibers into the finished fiber composite body.
  • Figure 1 is a schematic representation of a profile structure of a fiber composite body according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows the course of the reinforcing fibers in a partial area of the fiber composite body from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a side view of the reinforcing fiber course in a fiber composite body according to a second embodiment of the invention
  • Figure 4 is a side view of a fiber composite body according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a side view of a fiber composite body according to a fourth embodiment of the invention, and.
  • Figure 6 is a side view of another embodiment of the invention with an embroidered reinforcement insert.
  • Figures 1 and 2 show a fiber composite body 10 according to the invention in the form of a structural stiffening element, which is used in particular for stiffening the body of a motor vehicle.
  • the fiber composite body 10 which is flat here and extends essentially in two dimensions, namely the drawing plane, has a plurality of struts 12 which are arranged in a truss-like profile structure 14. As can be seen from Figure 2, the struts 12 through in one Plastic matrix 16 embedded, in the area of the respective strut 12 largely parallel to each other reinforcing fibers 18 formed.
  • a strut is understood to mean each individual straight section of the profile structure 14, that is to say, in addition to the longer sections arranged along the main load directions, also the shorter “struts” arranged between them, which are also referred to as transverse struts because they extend across the main load directions.
  • the entire truss-like profile structure 14 is produced by reinforcing fibers 18 embedded in the plastic matrix 16 by directly winding the reinforcing fibers 18 pre-impregnated with the matrix material and then pressing them.
  • the reinforcing fibers 18 are continuous fibers, at least some of which extend over several struts 12, e.g. 12a and 12b, 12a and 12c, 12e and 12g, 12e and 12f, 12b and 12f. It is even conceivable that the entire structure is wound from a single continuous fiber bundle.
  • transition regions 20, also called nodes are provided, with at least some of the reinforcing fibers in a transition region 20 18 leaves the bundle course of one strut (eg 12a) and merges into the fiber reinforcement of the other strut (eg 12b).
  • bundles of struts that run in the main load direction (outer struts) run in cross struts.
  • the fiber composite body 10 has a plurality of connection regions 22 for fastening the fiber composite body 10 to a neighboring part (not shown), the connection regions 22 each having a fastening element 24 around which the reinforcing fibers 18 extend.
  • Each fastening element 24 comprises a fastening opening 26 which is surrounded by a sleeve 28 which forms part of an insert 30 around which the reinforcing fibers 18 are guided.
  • the inserts 30 are made of metal; alternatively, inserts 30 made of plastic are also possible.
  • each insert 30 has an anchoring means in the form of an integrally formed plate, which in FIG. 2 extends essentially parallel to the plane of the drawing between several layers of reinforcing fibers 18, but is not shown in the figure.
  • each insert 30 has one or more pin-like extensions 32 which are connected to the plate at a distance from the sleeve 28, a portion of the reinforcing fibers 18 belonging to the respective strut 12 being connected to another part between the respective extension 32 and the sleeve 28 the reinforcing fibers 18 is crossed.
  • a particularly high stability of the fiber composite body 10 is achieved precisely in the transition areas 33 between the struts 12 and the connection areas 22.
  • the struts 12 or the entire profile structure 14 can be loaded not only under tension, but also very well under pressure.
  • pre-impregnated continuous reinforcing fibers are first provided, which are then wound according to a specific winding plan to form the framework-like profile structure 14, for example in a winding tool.
  • Each individual strut 12 of the profile structure 14 is formed by a plurality (one bundle) of reinforcing fibers 18 running parallel to one another.
  • the inserts 30 can serve as winding aids and are also wrapped directly during the winding of the profile structure 14.
  • the wound reinforcing fibers 18 (including inserts 30) are placed in a pressing tool and pressed to the finished fiber composite body 10, the inserts 30 being connected to the rest of the fiber composite body 10 in a form-fitting and / or cohesive manner (the latter in the case of plastic inserts).
  • the reinforcing fibers 18 are not encapsulated in the process according to the invention.
  • FIG. 3 shows a detailed view of the course of the reinforcing fibers 18 in a fiber composite body 10 in a slightly modified configuration.
  • the transition regions 20 can be seen particularly well here, in each of which a part of the reinforcing fibers 18 leaves a bundle course of one strut 12 and merges into the fiber reinforcement of another strut 12.
  • FIG. 4 Another fiber composite body 10, which differs only slightly from that of Figures 1 and 2, is shown in Figure 4.
  • Figure 4 shows the truss-like Profile structure 14 more short struts 12, which extend between the long struts 12 arranged along the main load directions, which has a positive effect on the stability of the fiber composite body 10.
  • FIG. 5 A further embodiment of a fiber composite body 10 according to the invention is shown in FIG. 5, in which the same components have the same reference numerals and only the differences from the previously described configurations are discussed.
  • struts e.g. 12a and 12b, 12c and 12d, etc.
  • 12 connecting points 34 being provided between the intersecting struts, at which the reinforcing fibers 18 intersect.
  • the reinforcing fibers 18 of each strut 12 form a reinforcing fiber bundle, and the reinforcing fiber bundles of two struts 12 penetrate one another at the connection points 34.
  • One bundle can be guided through the middle of the other, or both bundles are divided into several layers that alternate with each other.
  • connection points 34 the pre-impregnated reinforcing fibers 18 can be pressed together somewhat more strongly than in the central regions of the struts 12, as a result of which flat connection points 34 and particularly high stability can be achieved.
  • the fiber composite body 10 according to FIG. 5 can also have a plurality of connection regions with fastening openings, but these are not shown here.
  • a carrier material 50 made of a glass fiber textile or a carbon fiber textile is embroidered by reinforcing fibers 18, as previously mentioned.
  • the carrier material 50 can be a fleece, for example.
  • the carrier material 50 is cut (for example by punching, cutting, including laser cutting), so that recesses 52 and struts 12 are formed. Between the struts 12 there can also be connection points 34 in which the density of the reinforcing fibers 18 is higher. The increased density can result from repeated embroidery or embroidery of patterns or the like.
  • the reinforcing fibers 18 may or may not be pre-impregnated. If they are not pre-impregnated, the flat basic shape, as shown in FIG.
  • Excess carrier material 50 can be removed by a machining process or by laser cutting. Alternatively, the carrier material can be in the form of a band, which is then embroidered. The tape is then wound, for example as shown in Figures 1-5.

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Abstract

Ein Faserverbundkörper (10), insbesondere Strukturversteifungselement, hat mehrere Streben (12, 12a,..., 12g), die durch in eine Kunststoffmatrix (16) eingebettete, im Bereich der jeweiligen Strebe (12, 12a,..., 12g) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern (18) gebildet sind, wobei die Streben (12, 12a,..., 12g) in einer fachwerkartigen Profilstruktur (14) angeordnet sind, die durch Wickeln oder Sticken der Verstärkungsfasern (18) erzeugt ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers (10), insbesondere eines Strukturversteifungselements, mit mehreren Streben (12, 12a,..., 12g), die in einer fachwerkartigen Profilstruktur (14) angeordnet sind, beschrieben.

Description

Faserverbundkörper sowie Verfahren zur Herstellung eines
Faserverbundkörpers
Die Erfindung betrifft einen Faserverbundkörper, insbesondere ein Strukturversteifungselement, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers, insbesondere eines Strukturversteifungselements
Faserverstärkte Kunststoffe besitzen ein hohes Leichtbaupotential und können aufgrund der eingearbeiteten Fasern hohe Zugkräfte aufnehmen. Dabei sind die gewichtsspezifischen Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen am besten nutzbar, wenn die Fasern im Matrixmaterial entlang der Lastpfade verlaufen, was eine belastungsgerechte Konstruktion des Bauteils voraussetzt.
Aus der DE 10 2013 219 820 A1 beispielsweise ist ein Faserverbundbauteil bekannt, das als Karosseriebauteil, z.B. Windlauf eines Fahrzeugs, Verwendung findet. Das Faserverbundbauteil weist mehrere in eine Kunststoffmatrix eingebettete, ein Profil bildende längliche Faserbündel auf, zwischen denen Verstrebungsmittel angeordnet sind, die insbesondere durch Anspritzen eines Kunststoffmaterials an das Profil erzeugt werden.
Darüber hinaus sind Strukturbauteile bekannt, die in Schalenbauweise aus (verstärktem) Kunststoff, in Stahlbauweise oder durch Aluminiumstrangpressen hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserverbundkörper bereitzustellen, der sich durch ein geringes Gewicht, eine kostengünstige Fertigung sowie eine hohe Stabilität auszeichnet, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Faserverbundkörper, insbesondere Strukturversteifungselement, mit mehreren Streben, die durch in eine Kunststoffmatrix eingebettete, im Bereich der jeweiligen Strebe im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern gebildet sind, wobei die Streben in einer fachwerkartigen Profilstruktur angeordnet sind, die durch Wickeln oder durch Sticken der Verstärkungsfasern erzeugt ist. Die Verstärkungsfasern, bei denen es sich um Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern handeln kann, bilden dabei im Bereich der einzelnen Streben Faserbündel, wodurch eine belastungsgerechte Konstruktion des Faserverbundkörpers erreicht wird. Durch das direkte Wickeln der Verstärkungsfasern wird ein besonders geringes Gewicht erzielt. Die Wickeltechnik, bei der die Fasern ausschließlich in Belastungsrichtung der einzelnen Streben verlaufen und lediglich so viele Fasern verwendet werden, wie an einer konkreten Stelle nötig sind, zeichnet sich sogar durch das höchste Leichtbaupotential aller Faserverbundtechnologien aus. Alternativ dazu kann die fachwerkartige Profilstruktur durch Sticken der Verstärkungsfasern auf ein Trägermaterial (vorzugsweise ein Textil, z.B. ein Glasfaser- oder Kohlefasertextil) erzeugt werden. Das Trägermaterial samt der Verstärkungsfasern kann bandartig ausgeführt sein, sodass dieses Band dann wie die einzelnen Fasern gelegt oder gewickelt werden. Alternativ hierzu ist das Trägermaterial ein großflächiges Textil, in welches die Verstärkungsfasern gemäß dem Verlauf der Streben eingestickt werden. Die Lücken im Faserverbundkörper zwischen den Streben werden durch Ausschneiden des großflächigen Textils bereits vorbereitet. Mit anderen Worten wird zuerst eine Art zweidimensionale Struktur des Faserverbundkörpers mittels des Trägermaterials mit Verstärkungsfasern gebildet, und anschließend wird diese zweidimensionale Struktur in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Das Trägermaterial kann anschließend optional auch mechanisch zumindest teilweise abgetragen werden. Zudem ist der erfindungsgemäße Faserverbundkörper dank geringer Investitionskosten in Werkzeug und dergleichen kostengünstig herstellbar.
Vorzugsweise ist die Profilstruktur durch direktes Wickeln von mit dem Matrixmaterial vorimprägnierten Verstärkungsfasern und anschließendes Pressen erzeugt. Dabei bildet die Kunststoffmatrix, die aus thermoplastischem oder duroplastischem Material bestehen kann, beim Verpressen der vorgetränkten Fasern eine stoffschlüssige Verbindung aus. Es ergibt sich ein einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Faserverbundkörper, das sich insbesondere durch geringe Werkzeugkosten auszeichnet.
Vorteilhaft ist die gesamte Profilstruktur durch in eine Kunststoffmatrix eingebettete, gewickelte Verstärkungsfasern gebildet. Anders als bei bekannten Faserverbundkörpern, bei denen lediglich entlang der Hauptlastpfade sogenannte Faserstäbe mit länglichen Verstärkungsfasern vorgesehen sind, während die dazwischen angeordneten Verstrebungen durch Anspritzen von Kunststoffmaterial, eventuell mit kurzen Fasern angereichert, erzeugt werden, sind beim erfindungsgemäßen Faserverbundkörper sämtliche Streben durch gewickelte Verstärkungsfasern gebildet, also insbesondere auch die kurzen „Verstrebungen“, die sich zwischen den entlang der Hauptbelastungsrichtungen angeordneten längeren Streben erstrecken. Dadurch ergibt sich ein besonders leichtes Bauteil, das sich durch eine hohe multiaxiale Belastbarkeit auszeichnet.
Eine leichte und zugleich sehr belastbare Konstruktion lässt sich erreichen, wenn die Verstärkungsfasern Endlosfasern sind, von denen sich zumindest ein Teil über mehrere Streben erstreckt. Theoretisch ist sogar das Wickeln der gesamten Profilstruktur aus einem einzigen Endlosfaserbündel denkbar.
Zur Erzielung einer fertigungstechnisch einfachen und zugleich stabilen Profilstruktur kann in einem Übergangsbereich zwischen zwei Streben zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern einen Bündelverlauf der einen Strebe verlassen und in eine Faserverstärkung der anderen Strebe übergehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwischen sich kreuzenden Streben Verbindungsstellen vorgesehen, an denen sich die Verstärkungsfasern kreuzen, insbesondere wobei die Verstärkungsfasern jeder Strebe ein Verstärkungsfaser- bündel bilden und sich die Verstärkungsfaserbündel an den Verbindungsstellen gegenseitig durchdringen. Beispielsweise kann ein Bündel mittig durch das andere Bündel geführt sein oder beide Bündel sind in mehrere Lagen aufgeteilt, die sich abwechselnd kreuzen. Da die sich kreuzenden Bündel auch an den Verbindungsstellen miteinander verpresst sind, bildet die Kunststoffmatrix der (vorgetränkten) Faserbündel hier ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung aus.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind ein oder mehrere Anbindungs- bereiche zur Befestigung des Faserverbundkörpers an einem Nachbarteil vorgesehen, die jeweils ein Befestigungselement aufweisen, um das sich die Verstärkungsfasern herum erstrecken. Dadurch wird eine belastbare, günstige und einfach herzustellende Verbindung des Faserverbundkörpers mit anderen Bauteilen ermöglicht, wobei auf eine die Stabilität beeinträchtigende Veränderung der Struktur des Faserverbundkörpers, wie es etwa beim nachträglichen Bohren eines Loches der Fall wäre, verzichtet werden kann. Das Befestigungselement umfasst bevorzugt eine Befestigungsöffnung, die insbesondere von einem Einsatz, vorzugsweise in Form einer Hülse, umgeben ist, um den herum die Verstärkungsfasern geführt sind. Der Einsatz, der insbesondere aus Metall sein kann, wird bereits beim Wickeln der Profilstruktur mit eingesetzt bzw. umwickelt und erleichtert dabei die Faserführung der Verstärkungsfasern, die den Einsatz insbesondere schlaufenförmig umgeben. Alternativ zu einer Hülse ist natürlich auch eine Gewindebuchse, ein Gewindebolzen, ein Bolzen, eine Öse oder dergleichen möglich.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Einsatz ein Verankerungsmittel, insbesondere in Form einer angeformten Platte, aufweist. Durch ein solches vorzugsweise flächig ausgebildetes Verankerungsmittel sind Kräfte, die punktuell über das Befestigungselement bzw. den Einsatz eingeleitet werden, auf eine Fläche im Faserverbundkörper verteilbar.
In einer Weiterbildung ist in einem Übergangsbereich zwischen einer Strebe und einem Anbindungsbereich ein Teil der Verstärkungsfasern mit einem anderen T eil der Verstärkungsfasern gekreuzt. Auf diese Weise wird eine erhöhte Stabilität gerade in den Anbindungsbereichen des erfindungsgemäßen Faserverbund- körpers erreicht, der somit nicht nur auf Zug, sondern auch sehr gut auf Druck belastbar ist.
Die zuvor gestellte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund körpers mit mehreren Streben, die in einer fachwerkartigen Profilstruktur angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen vorimprägnierter Endlos-Verstärkungsfasern; b) Wickeln einer fachwerkartigen Profilstruktur aus den vorimprägnierten Verstärkungsfasern oder Sticken von Verstärkungsfasern in ein Trägermaterial, wobei jede Strebe durch mehrere parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern gebildet wird; c) Einlegen der gewickelten Verstärkungsfasern in ein Presswerkzeug; und d) Verpressen der gewickelten Verstärkungsfasern zum fertigen Faserverbundkörper. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise besonders leichte und gleichzeitig stabile Faserverbund- körper mit fachwerkartiger Profilstruktur hersteilen, die insbesondere als Strukturversteifungselemente im Kraftfahrzeug-Karosseriebau eingesetzt werden können.
Darüber hinaus gelten sämtliche mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Faserverbundkörper genannten Weiterbildungen und Vorteile auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Profilstruktur eines Faserverbundkörpers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 eine Darstellung des Verlaufs der Verstärkungsfasern in einem Teilbereich des Faserverbund körpers aus Figur 1 ;
Figur 3 eine Seitenansicht des Verstärkungsfaserverlaufs bei einem Faserverbundkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 eine Seitenansicht eines Faserverbundkörpers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 eine Seitenansicht eines Faserverbundkörpers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und.
Figur 6 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer gestickten Verstärkungseinlage.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Faserverbundkörper 10 in Form eines Strukturversteifungselements, das insbesondere zur Versteifung der Karosserie eines Kraftfahrzeugs dient.
Der Faserverbundkörper 10, der hier flächig ausgebildet ist und sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen, nämlich der Zeichenebene, erstreckt, weist eine Vielzahl von Streben 12 auf, die in einer fachwerkartigen Profilstruktur 14 angeordnet sind. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, sind die Streben 12 durch in eine Kunststoffmatrix 16 eingebettete, im Bereich der jeweiligen Strebe 12 größtenteils parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern 18 gebildet.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Zuge dieser Anmeldung unter einer Strebe jeder einzelne gerade verlaufende Abschnitt der Profilstruktur 14 zu verstehen ist, also neben den längeren, entlang der Hauptlastrichtungen angeordneten Abschnitten auch die dazwischen angeordneten kürzeren „Verstrebungen“, die auch als Querverstrebungen bezeichnet werden, weil sie sich quer zu den Hauptlastrichtungen erstrecken.
Dabei wird die gesamte fachwerkartige Profilstruktur 14 durch in die Kunststoffmatrix 16 eingebettete Verstärkungsfasern 18 erzeugt, indem die mit dem Matrixmaterial vorimprägnierten Verstärkungsfasern 18 direkt gewickelt und anschließend verpresst werden. Die Verstärkungsfasern 18 sind Endlosfasern, von denen sich zumindest ein Teil über mehrere Streben 12, z.B. 12a und 12b, 12a und 12c, 12e und 12g, 12e und 12f, 12b und 12f, erstreckt. Es ist sogar denkbar, dass die gesamte Struktur aus einem einzigen Endlosfaserbündel gewickelt ist.
Zwischen je zwei (oder mehr) Streben 12 (z.B. 12a, 12b und 12c, 12e, 12f, 12g und 12b etc. in Figur 2) sind Übergangsbereiche 20, auch Knoten genannt, vorgesehen, wobei in einem Übergangsbereich 20 zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern 18 den Bündelverlauf der einen Strebe (z.B. 12a) verlässt und in die Faserverstärkung der anderen Strebe (z.B. 12b) übergeht. Insbesondere verlaufen Bündel von Streben, die in Hauptlastrichtung verlaufen (außen verlaufende Streben), in Querstreben.
Weiterhin weist der Faserverbundkörper 10 mehrere Anbindungsbereiche 22 zur Befestigung des Faserverbundkörpers 10 an einem (nicht gezeigten) Nachbarteil auf, wobei die Anbindungsbereiche 22 jeweils ein Befestigungs- element 24 aufweisen, um das sich die Verstärkungsfasern 18 herum erstrecken. Jedes Befestigungselement 24 umfasst eine Befestigungsöffnung 26, die von einer Hülse 28 umgeben ist, die Teil eines Einsatzes 30 bildet, um den herum die Verstärkungsfasern 18 geführt sind. Beim gezeigten Beispiel sind die Einsätze 30 aus Metall; alternativ sind auch Einsätze 30 aus Kunststoff möglich. Um die Einsätze 30 sicher im Faserverbundkörper 10 zu verankern, weist jeder Einsatz 30 ein Verankerungsmittel in Form einer angeformten Platte auf, die sich in Figur 2 im Wesentlichen parallel zur Zeichenebene zwischen mehreren Lagen von Verstärkungsfasern 18 erstreckt, jedoch in der Figur nicht dargestellt ist.
Zudem weist jeder Einsatz 30 einen bzw. mehrere stiftartige Fortsätze 32 auf, die beabstandet von der Hülse 28 mit der Platte verbundenen sind, wobei zwischen dem jeweiligen Fortsatz 32 und der Hülse 28 ein Teil der zur jeweiligen Strebe 12 gehörenden Verstärkungsfasern 18 mit einem anderen Teil der Verstärkungs- fasern 18 gekreuzt ist. Hierdurch wird eine besonders hohe Stabilität des Faserverbundkörpers 10 gerade in den Übergangsbereichen 33 zwischen den Streben 12 und den Anbindungsbereichen 22 erreicht. Insbesondere sind die Streben 12 bzw. die gesamte Profilstruktur 14 nicht nur auf Zug, sondern auch sehr gut auf Druck belastbar.
Zur Fertigung des Faserverbund körpers 10 werden zunächst vorimprägnierte Endlos-Verstärkungsfasern bereitgestellt, die anschließend nach einem bestimmten Wickelplan zur fachwerkartigen Profilstruktur 14 gewickelt werden, etwa in einem Wickelwerkzeug. Dabei wird jede einzelne Strebe 12 der Profilstruktur 14 durch mehrere (ein Bündel) parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern 18 gebildet. Die Einsätze 30 können dabei als Wickelhilfen dienen und werden direkt beim Wickeln der Profilstruktur 14 mit umgewickelt. Schließlich werden die gewickelten Verstärkungsfasern 18 (samt Einsätzen 30) in ein Presswerkzeug eingelegt und zum fertigen Faserverbundkörper 10 verpresst, wobei die Einsätze 30 form- und/oder stoffschlüssig (Letzteres im Falle von Kunststoff-Einsätzen) mit dem restlichen Faserverbundkörper 10 verbunden werden. Ein Umspritzen der Verstärkungsfasern 18 findet beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht statt.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht des Verlaufs der Verstärkungsfasern 18 bei einem Faserverbundkörper 10 in leicht abgewandelter Ausgestaltung. Hier sind besonders gut die Übergangsbereiche 20 zu erkennen, in denen jeweils ein Teil der Verstärkungsfasern 18 einen Bündelverlauf der einen Strebe 12 verlässt und in die Faserverstärkung einer anderen Strebe 12 übergeht.
Ein weiterer Faserverbundkörper 10, der sich nur geringfügig von dem der Figuren 1 und 2 unterscheidet, ist in Figur 4 gezeigt. Hier weist die fachwerkartige Profilstruktur 14 mehr kurze Streben 12 auf, die sich zwischen den entlang der Hauptlastrichtungen angeordneten langen Streben 12 erstrecken, was sich positiv auf die Stabilität des Faserverbundkörpers 10 auswirkt.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserverbund- körpers 10 ist in Figur 5 gezeigt, wobei auch hier gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und lediglich auf die Unterschiede zu den bisher beschriebenen Ausgestaltungen eingegangen wird.
Beim Faserverbundkörper 10 gemäß Figur 5 kreuzen sich mehrere Streben (z.B. 12a und 12b, 12c und 12d, etc.) direkt, wobei zwischen den sich kreuzenden Streben 12 Verbindungsstellen 34 vorgesehen sind, an denen sich die Verstärkungsfasern 18 kreuzen. Insbesondere bilden die Verstärkungsfasern 18 jeder Strebe 12 ein Verstärkungsfaserbündel, und die Verstärkungsfaserbündel zweier Streben 12 durchdringen sich an den Verbindungsstellen 34 gegenseitig. Dabei kann ein Bündel mittig durch das andere geführt sein oder beide Bündel sind in mehrere Lagen aufgeteilt, die sich abwechselnd kreuzen.
An den Verbindungsstellen 34 (oder„Knoten“) können die vorimprägnierten Verstärkungsfasern 18 etwas stärker miteinander verpresst sein als in den mittleren Bereichen der Streben 12, wodurch sich flache Verbindungsstellen 34 und eine besonders hohe Stabilität erzielen lassen. Natürlich kann auch der Faserverbundkörper 10 gemäß Figur 5 mehrere Anbindungsbereiche mit Befestigungsöffnungen aufweisen, die hier jedoch nicht gezeigt sind.
In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung vorgesehen. Hier wird ein Trägermaterial 50 aus einem Glasfasertextil oder einem Kohlefasertextil durch Verstärkungsfasern 18, wie sie zuvor bereits erwähnt wurden, bestickt. Das Trägermaterial 50 kann beispielsweise ein Vlies sein. Das Trägermaterial 50 wird nach dem Besticken so geschnitten (zum Beispiel durch Stanzen, Schneiden, darunter auch Laserschneiden), dass Ausnehmungen 52 und Streben 12 entstehen. Zwischen den Streben 12 kann es auch hier Verbindungsstellen 34 geben, in denen die Dichte der Verstärkungsfasern 18 höher ist. Die erhöhte Dichte kann durch mehrmaliges Besticken oder Sticken von Mustern oder dergleichen entstehen. Die Verstärkungsfasern 18 können vorimprägniert sein oder auch nicht. Wenn sie nicht vorimprägniert sind, wird die flächige Grundform, wie sie in Figur 6 dargestellt ist, in einem Werkzeug in eine Kunststoffmatrix eingebettet und verpresst. Überschüssiges Trägermaterial 50 kann durch ein spanendes Verfahren oder durch Laserschneiden entfernt werden. Alternativ kann das Trägermaterial bandartig sein, das dann bestickt wird. Das Band wird dann gewickelt, z.B. wie dies in den Figuren 1 bis 5 gezeigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Faserverbundkörper, insbesondere Strukturversteifungselement, mit mehreren Streben (12, 12a,..., 12g), die durch in eine Kunststoffmatrix (16) eingebettete, im Bereich der jeweiligen Strebe (12, 12a,..., 12g) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern (18) gebildet sind,
wobei die Streben (12, 12a,..., 12g) in einer fachwerkartigen Profilstruktur (14) angeordnet sind, die durch Wickeln oder Sticken der Verstärkungsfasern (18) erzeugt ist.
2. Faserverbundkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur (14) durch direktes Wickeln von mit dem Matrixmaterial vorimprägnierten Verstärkungsfasern (18) und anschließendes Pressen erzeugt ist.
3. Faserverbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Profilstruktur (14) durch in eine Kunststoffmatrix (16) eingebettete, gewickelte Verstärkungsfasern (18) gebildet ist.
4. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (18) Endlosfasern sind, von denen sich zumindest ein Teil über mehrere Streben (12, 12a,..., 12g) erstreckt.
5. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (20) zwischen zwei
Streben (12, 12a,..., 12g) zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern (18) einen Bündelverlauf der einen Strebe (12, 12a,..., 12g) verlässt und in eine Faserverstärkung der anderen Strebe (12, 12a,..., 12g) übergeht.
6. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen sich kreuzenden Streben (12, 12a,...,
12g) Verbindungsstellen (34) vorgesehen sind, an denen sich die Verstärkungsfasern (18) kreuzen, insbesondere wobei die Verstärkungsfasern (18) jeder Strebe (12, 12a,..., 12g) ein Verstärkungsfaserbündel bilden und sich die Verstärkungsfaserbündel an den Verbindungsstellen (34) gegenseitig durchdringen.
7. Faserverbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Anbindungsbereiche (22) zur Befestigung des Faserverbundkörpers (10) an einem Nachbarteil vorgesehen sind, die jeweils ein Befestigungselement (24) aufweisen, um das sich die Verstärkungsfasern (18) herum erstrecken.
8. Faserverbundkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (24) eine Befestigungsöffnung (26) umfasst, die insbesondere von einem Einsatz (30), vorzugsweise in Form einer Hülse (28), umgeben ist, um den herum die Verstärkungsfasern (18) geführt sind.
9. Faserverbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (30) ein Verankerungsmittel, insbesondere in Form einer angeformten Platte, aufweist.
10. Faserverbundkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (33) zwischen einer Strebe (12, 12a,..., 12g) und einem Anbindungsbereich (22) ein Teil der Verstärkungsfasern (18) mit einem anderen Teil der Verstärkungsfasern (18) gekreuzt ist.
1 1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers (10), insbesondere eines Strukturversteifungselements, mit mehreren Streben (12, 12a,..., 12g), die in einer fachwerkartigen Profilstruktur (14) angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Bereitstellen insbesondere vorimprägnierter Endlos- Verstärkungsfasern (18);
b) Wickeln einer fachwerkartigen Profilstruktur (14) aus den
Verstärkungsfasern (18) oder Sticken von Verstärkungsfasern in ein Trägermaterial (50), wobei jede Strebe (12, 12a,..., 12g) durch mehrere parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfasern (18) gebildet wird;
c) Einlegen der gewickelten oder gestickten Verstärkungsfasern (18) in ein Presswerkzeug; und
d) Verpressen der gewickelten Verstärkungsfasern (18) zum fertigen Faserverbundkörper (10).
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