DE102015202331A1

DE102015202331A1 - Faserverstärktes Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102015202331A1
Application number: DE102015202331.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Wetzel; Katja Bittner; Frank Götzke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit zumindest einer geschlossenflächigen Bauteilwand (1), die aus einem textilen Faserhalbzeug (3), insbesondere Naturfaserhalbzeug, und aus Verstärkungsfasern (5) aufgebaut ist, die in einer Kunststoffmatrix (7) eingebettet sind, welche Bauteilwand (1) zumindest eine Krafteileitungsstelle aufweist, die in einem Lastfall mit Kraft beaufschlagbar ist, wodurch in der Bauteilwand (1) zumindest ein lastbeaufschlagter Lastpfad (L) und ein daran grenzender lastreduzierter Wandbereich (W) erzeugt ist. Erfindungsgemäß erstreckt sich das textile Faserhalbzeug (3) vollflächig über die gesamte Bauteilwand (1) und überdeckt sowohl den Lastpfad (L) als auch den lastreduzierten Wandbereich (W), wobei die Verstärkungsfasern (5) ausschließlich entlang des Lastpfads (L) verlaufen und der lastreduzierte Wandbereich (W) verstärkungsfaserfrei ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils nach dem Patentanspruch 5.
Endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile bieten ein hohes Leichtbaupotential und werden daher vor allem in Fahrzeugen eingesetzt, bei denen der Leichtbau einen besonders hohen Stellenwert einnimmt. Das sind typischerweise Sportfahrzeuge, seit einiger Zeit jedoch auch Fahrzeuge, die durch ein geringes Fahrzeuggewicht möglichst ökologisch betrieben werden sollen.
Ein gattungsgemäßes faserverstärktes Kunststoffbauteil weist zumindest eine geschlossenflächige Bauteilwand auf, die aus einem textilen Faserhalbzeug und aus Verstärkungsfasern aufgebaut ist, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Als Verstärkungsfaser-Werkstoffe sind insbesondere die Kohlenstofffasern (C-Fasern), die eine sehr hohe massenspezifische Steifigkeit/Festigkeit aufweisen, für den Einsatz in Leichtbaustrukturen geeignet. Als Kunststoffmatrix (das heißt formgebendes Kunststoffsystem) sind beispielhaft Duromere, wie etwa Polyurethan- oder Epoxidharze, einsetzbar.
Im Fahrzeugbau werden die zu entwickelnden Leichtbaustrukturen mit Hilfe eines rechnerbasierten, nummerischen Strukturoptimierungsverfahrens auf Lastfälle ausgelegt, wodurch lastbeaufschlagte Lastpfade sowie daran grenzende lastreduzierte Wandbereiche definiert werden können. Hieraus resultieren feingliedrige, fachwerkartige Tragstrukturen, die die Anforderungen an die Bauteilsteifigkeit und -festigkeit mit geringstmöglichem Materialeinsatz erfüllen und damit optimal im Sinne des Leichtbaus sind.
In der Fahrzeugentwicklung können jedoch solche fachwerkartigen Tragstrukturen nur bedingt eingesetzt werden. Dies liegt darin begründet, dass neben den Steifigkeits-Anforderungen auch weitere geometrische Anforderungen an das Bauteil gestellt sind, etwa eine geschlossenflächige Bauteilwand bei Interieurbauteilen, wie zum Beispiel einer Mittelkonsole.
Sind solche geometrischen Anforderungen an das Bauteil zu erfüllen, kann die im Sinne des Leichtbaus optimale fachwerkartige Tragstruktur nicht verwendet werden. Stattdessen werden im Stand der Technik flächige Bauteile eingesetzt, in denen die Verstärkungsfasern durchgängig sowohl entlang der Lastpfade als auch in den lastreduzierten Wandbereichen verlaufen. Diese Bauteile sind daher schwerer als es aus strukturmechanischer Sicht erforderlich ist. Proportional zu dem erhöhten Bauteilgewicht steigen auch die Materialkosten des Bauteils an. Darüber hinaus ist die Herstellung von Verstärkungsfasern mit erheblichem Energieaufwand verbunden, der im direkten Kontrast zum ökologischen Charakter der damit auszustattenden Fahrzeuge steht.
Aus der DE 196 24 912 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung vorkonfektionierter Verstärkungsgelege bekannt, bei dem die Verstärkungsfasern mittels einer Legeeinheit auf ein textiles Faserhalbzeug (Vlies) abgelegt wird. Die Verstärkungsfasern werden dabei kraftflussgerecht auf dem textilen Faserhalbzeug fixiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bereitzustellen, das ein im Vergleich zum Stand der Technik reduziertes Bauteilgewicht aufweist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 5 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 erstreckt sich das textile Faserhalbzeug vollflächig über die gesamte Bauteilwand, so dass es sowohl die vordefinierten Lastpfade als auch die lastreduzierten Wandbereich überdeckt. Demgegenüber erstrecken sich die Verstärkungsfasern ausschließlich entlang der jeweiligen Lastpfade, während die lastreduzierten Wandbereiche verstärkungsfaserfrei bleiben.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht somit darin, die im Sinne des Leichtbaus optimale fachwerkartige Tragstruktur mit einem zweiten, die erforderliche Bauteilgeometrie abbildenden, möglichst leichten und dünnen textilen Faserhalbzeug zu kombinieren. Die Kombination der fachwerkartigen Tragstruktur aus Verstärkungsfasern mit dem Geometrie abbildenden Faserhalbzeug ermöglicht somit eine Funktionsteilung, bei der das textile Faserhalbzeug nahezu keiner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist. Aus diesem Grund kann ein solches textiles Faserhalbzeug bevorzugt durch ein Naturfasergewebe mit möglichst geringem Flächengewicht realisiert sein. Naturfasergewebe sind leicht, günstig sowie unter geringer Energie herstellbar.
Das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil weist daher ein besonders geringes Bauteilgewicht auf, wodurch die Fahrdynamik sowie die Effizienz des damit ausgestatteten Fahrzeugs verbessert wird. Darüber hinaus wird bei Verwendung von Naturfasergeweben die Bauteilherstellung kostengünstiger und ökologischer, und zwar im Vergleich zu vollständig aus C-faserverstärktem Kunststoff bestehenden Bauteilen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kunststoffmatrix ein transparentes Material sein, so dass sowohl die Verstärkungsfaser-Verläufe als auch das textile Faserhalbzeug von außen gut sichtbar ist. Neben den technischen Vorteilen kann dadurch der Leichtbau und die ökologische Nachhaltigkeit für den Kunden erlebbar gemacht werden. Dazu trägt entscheidend das üblicherweise bionische Erscheinungsbild der fachwerkartigen Verstärkungsfaser-Tragstruktur sowie die damit assoziierte Leichtbaugüte als auch der ökologische Charakter des Naturfasergewebes bei.
In einer Ausführungsform kann das textile Faserhalbzeug zumindest bereichsweise von der Kunststoffmatrix freigelegt sein. Mit dem teilweise freigelegten Faserhalbzeug kann zum Beispiel bei Interieur-Verkleidungsteilen in einfacher Weise eine Variation der Oberflächenstruktur erzielt werden, die zu haptisch wahrnehmbaren Unterschieden führt.
Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils werden zunächst in einem ersten Prozessschritt im Rahmen einer an sich bekannten rechnerbasierten nummerischen Strukturoptimierungsverfahren für einen vordefinierten Lastfall die Lastpfade in der Bauteilwand sowie die darin angrenzenden lastreduzierten Wandbereiche in der herzustellenden Bauteilwand definiert. In einem zweiten Prozessschritt wird das textile Faserhalbzeug im Wesentlichen kontur- und flächengleich zur herzustellenden Bauteilwand bereitgestellt. Anschließend werden in einem dritten Prozessschritt die Verstärkungsfasern lastpfadgerecht auf dem textilen Faserhalbzeug abgelegt, und zwar unter Freilassung der lastreduzierten Wandbereiche. Das so gebildete Lagenpaket wird in einem vierten Prozessschritt in einem Formgebungsverfahren in der Kunststoffmatrix eingebettet.
Beispielhaft kann der Formgebungsprozess ein RTM-Verfahren sein, bei dem das Lagenpaket zunächst in eine formgebende Werkzeugkavität eingelegt und dort entsprechend drapiert wird.
Anschließend wird in einem Spritzgießprozess die flüssige Kunststoffmatrix-Ausgangskomponente unter Druck und Wärme in die Werkzeugkavität injiziert.
Optional kann die Werkzeugkavität so ausgelegt sein, dass ein Teilbereich des zum Beispiel aus einem Naturfasergewebe bestehenden textilen Faserhalbzeugs durch eine geeignete Prozessführung nicht mit der flüssigen Kunststoffmatrix-Ausgangskomponente durchtränkt wird, so dass im fertiggestellten Bauteilbereiche mit freigelegtem Faserhalbzeug vorhanden sind.
Die Verstärkungsfasern können in beliebiger Weise auf dem textilen Faserhalbzeug lastpfadgerecht abgelegt werden, zum Beispiel durch eine lose Ablage, oder durch maschenbildende Fadensysteme oder gegebenenfalls in einem Nähverfahren durch Aufsticken.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Darstellung ein hohlzylindrisches faserverstärktes Kunststoffbauteil;
2 das Kunststoffbauteil in einer Abwicklung;
3 in vergrößerter Ansicht eines Details A aus der 2;
4 eine Ansicht, anhand der die Herstellung eines Lagenpakets aus dem textilen Faserhalbzeug und aus der Verstärkungsfaser-Tragstruktur veranschaulicht ist; und
5 eine perspektivische Ansicht auf eine Bauteiloberfläche mit teilweise freigelegtem textilen Faserhalbzeug.
Die 1 bis 4 sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau des faserverstärkten Kunststoffbauteils wiedergibt. So ist in der 1 und 2 ein beispielhaft hohlzylindrisches Kunststoffbauteil gezeigt, dessen Zylindermantel 1 aus einem textilen, flächigen Faserhalbzeug 3 mit darauf fixierten Verstärkungsfasern 5 aufgebaut ist. Das Faserhalbzeug 3 ist zusammen mit den Verstärkungsfasern 5 in einer Kunststoffmatrix 7 eingebettet.
Wie aus der 2 hervorgeht, erstreckt sich das textile Faserhalbzeug 3 vollflächig über die gesamte Bauteilewand 1. Demgegenüber erstrecken sich die Verstärkungsfasern 5 nicht über die gesamte Zylindermantelfläche, sondern bilden diese vielmehr eine feingliedrige fachwerkartige Tragstruktur 9, bei der die Verstärkungsfasern 5 zu Faserbündeln 11 zusammengefasst sind, die an Knotenstellen K zusammenlaufen. Die Faserbündel 11 erstrecken sich entlang von Lastpfaden L (nur in der 1 und 2 mit einem Doppelpfeil angedeutet), die mit Hilfe eines vorbereitenden nummerischen Strukturoptimierungsverfahrens rechnerbasiert für vorgegebene Lastfälle ermittelt worden sind, und zwar zusammen mit daran angrenzenden lastreduzierten Wandbereichen W (nur in der 1 und 2 angedeutet).
Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, überdeckt das vollflächig geschlossene textile Faserhalbzeug 3 sowohl die Lastpfade L als auch die lastreduzierten Wandbereiche W, wodurch eine vollflächig geschlossene Zylinderwand 1 bereitstellbar ist, deren Bauteilgewicht wesentlich reduziert ist, und zwar im Vergleich zu einem Bauteil, deren Bauteilfläche vollflächig mit Verstärkungsfasern 5 überzogen ist.
In einem Verfahren zur Herstellung des Bauteils wird gemäß der 4 zunächst ein textiles Faserhalbzeug 3 bereitgestellt, das bereits auf die Außenkontur des herzustellenden Bauteils zugeschnitten ist. Anschließend wird die Tragstruktur 9 aus Verstärkungsfasern 5 auf das textile Faserhalbzeug abgelegt und darauf fixiert. Beispielhaft können die Verstärkungsfasern 5 der Tragstruktur 9 auf das textile Faserhalbzeug 3 aufgestickt werden.
Das so erhaltene Lagenpaket 13 (4) wird dann einem Formgebungsprozess zugeführt, in dem es in der Kunststoffmatrix eingebettet wird. Der Formgebungsprozess kann beispielhaft als ein RTM-Verfahren ausgeführt sein, in dem das Lagenpaket 13 in eine formgebende Werkzeugkavität eingelegt und darin formgerecht drapiert wird. Anschließend erfolgt ein Spritzgießverfahren, bei dem die flüssige Kunststoffmatrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität injiziert wird.
Die Kunststoffmatrix 7 kann bevorzugt aus transparentem Material hergestellt sein, damit sowohl der Verlauf der Verstärkungsfasern 5 als auch das textile Faserhalbzeug 3 von außen einsehbar ist.
In der 5 ist beispielhaft eine Bauteiloberfläche mit einem Flächenbereich 15 gezeigt, in dem das textile Faserhalbzeug 3 von der Kunststoffmatrix 7 freigelegt ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Oberflächenstruktur-Variation, mit der in einfacher Weise eine komfortable ökologisch anmutende Haptik generiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19624912 C2 [0007]

Claims

Faserverstärktes Kunststoffbauteil mit zumindest einer geschlossenflächigen Bauteilwand (1), die aus einem textilen Faserhalbzeug (3), insbesondere Naturfaserhalbzeug, und aus Verstärkungsfasern (5) aufgebaut ist, die in einer Kunststoffmatrix (7) eingebettet sind, welche Bauteilwand (1) zumindest eine Krafteinleitungsstelle aufweist, die in einem Lastfall mit Kraft beaufschlagbar ist, wodurch in der Bauteilwand (1) zumindest ein lastbeaufschlagter Lastpfad (L) und ein daran grenzender lastreduzierter Wandbereich (W) erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Faserhalbzeug (3) sich vollflächig über die gesamte Bauteilwand (1) erstreckt und sowohl den Lastpfad (L) als auch den lastreduzierten Wandbereich (W) überdeckt, und dass die Verstärkungsfasern (5) ausschließlich entlang des Lastpfads (L) verlaufen und der lastreduzierte Wandbereich (W) verstärkungsfaserfrei ist.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (5) des Bauteils insgesamt eine gerüstartige und/oder fachwerkartige Tragstruktur (9) bilden, in der die Verstärkungsfasern (5) strebenartig entlang von Lastpfaden (L) verlaufen und/oder an Knotenstellen (K) zusammenlaufen.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung einer einfachen Oberflächenstruktur-Variation das textile Faserhalbzeug (3) an einem Bauteilwand-Abschnitt (15) von der Kunststoffmatrix (7) freigelegt ist.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix (7) ein transparentes Material ist, und dass der Verlauf der Verstärkungsfasern (5) in der Kunststoffmatrix (7) und/oder das textile Faserhalbzeug (3) von außen einsehbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit zumindest einer geschlossenflächigen Bauteilwand (1), die aus einem textilen Faserhalbzeug (3) und aus Verstärkungsfasern (5) aufgebaut ist, die in einer Kunststoffmatrix (7) eingebettet werden, wobei in einem ersten Prozessschritt zumindest ein lastbeaufschlagter Lastpfad (L) und ein lastreduzierter Wandbereich (W) in der herzustellenden Bauteilwand (1) definiert wird, in einem zweiten Prozessschritt das textile Faserhalbzeug (3) im Wesentlichen kontur- und flächengleich zur herzustellenden Bauteilwand (1) bereitgestellt wird, in einem dritten Prozessschritt die Verstärkungsfasern (5) lastpfadgerecht auf dem textilen Faserhalbzeug (3) abgelegt werden, und zwar unter Freilassung des lastreduzierten Wandbereiches (W), und in einem vierten Prozessschritt das so gebildete Lagenpaket (13) in einem Formgebungsprozess in der Kunststoffmatrix (7) eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Formgebungsprozess das Lagenpaket (13) in eine formgebende Werkzeugkavität eingelegt wird und anschließend in einem Spritzgießverfahren unter Druck und Wärme die flüssig Kunststoffmatrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lagenpaket (13) die Verstärkungsfasern (5) lose auf dem textilen Faserhalbzeug (3) abgelegt sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lagenpaket (13) die Verstärkungsfasern (5) insbesondere durch maschenbildende Fadensysteme fixiert sind, oder dass die Verstärkungsfasern (5) auf das textile Faserhalbzeug (3) aufgestickt sind.