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Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff gewinnen zunehmend wegen ihres Gewichtsvorteils gegenüber konventionellen Werkstoffen wie beispielsweise Aluminiumlegierungen an Bedeutung. Zur Herstellung eines aus kohlefaserverstärktem Kunststoff gebildeten Bauelements werden Kohlefasermatten übereinandergeschichtet. Zwischen den Kohlefasermatten wird ein Matrixwerkstoff, beispielsweise ein hochfester Kunststoff in Form von Epoxidharz, angeordnet, um die Fasermatten zu verbinden und auszusteifen. Das Bauelement weist eine sehr hohe Steifigkeit und eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auf.
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Im Zuge der Elektrifizierung von Antriebssträngen von Kraftwagen sowie zur Darstellung eines geringen Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungskraftmaschinen spielt die Verwendung von leichten und gleichzeitig steifen Bauelementen aus faserverstärktem Kunststoff eine große Rolle. Ein geringes Gewicht eines Elektrofahrzeugs führt zu einer hohen Reichweite. Gleichzeitig können vorteilhafte Unfallverhalten der Kraftwagen realisiert werden. Durch stetige Weiterentwicklung der Produktionstechniken kann auch eine günstige Herstellung solcher Bauelemente aus faserverstärktem Kunst realisiert werden.
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Durch entsprechende, bedarfsgerechte Anordnung und Ausrichtung der Fasern des faserverstärkten Kunststoffs kann ein aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Bauelement auch vorteilhafte Dämpfungseigenschaften aufweisen und Dämpfungsfunktionen übernehmen.
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Die
EP 2 360 82 A1 offenbart ein Fahrgestell eines Fahrzeugs mit wenigstens einem Längsträger, der eine ein Inneres in seiner Längsrichtung vollständig umschließende, einstückig gebildete Wand aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem Karbonfaserverbundwerkstoff Dabei ist ein unteres, aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem Karbonfaserverbundwerkstoff, bestehendes wannenartiges Unterteil mit hochgezogenen Seitenwänden vorgesehen, wobei in dem Unterteil der wenigstens eine Längsträger eingesetzt und festgelegt, insbesondere flächig verklebt ist. Ferner ist ein oberseitig auf das Unterteil aufgesetztes, im Wesentlichen flaches, aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem Karbonfaserverbundwerkstoff, bestehendes Deckelteil vorgesehen, welches mit dem Unterteil fest verbunden, insbesondere verklebt ist.
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Aus der
DE 10 2009 020 093 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem flächigen Innenverkleidungsteil eines Fahrgastraums vorgesehen, das auf der dem Fahrgastraum zugewandten Seite eines Karosseriebauteils angebracht ist. Das Innenverkleidungsteil besteht aus mehreren Schichten, wobei eine erste Schicht die sichtbare Oberfläche des Innenverkleidungsteils bildet, eine daran angrenzende Schicht aus einem Material mit einem hohen gradiellen thermischen Dämmwert ist und eine weitere Schicht aus einem akustisch dämpfenden Material besteht. Die bekannten Bauelemente weisen eine verbesserungswürdige Funktionsintegration auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Bauelement eine hohe Funktionsintegration aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit Zweckmäßigen und nicht nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solches Bauelement, insbesondere für einen Kraftwagen und insbesondere für einen Personenkraftwagen, umfasst wenigstens ein Bauteil, welches zumindest im Wesentlichen aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
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Erfindungsgemäß weist das Bauteil wenigstens eine geschlossene Kammer auf, welche zumindest im Wesentlichen evakuiert ist. Dies bedeutet, dass in der geschlossenen Kammer gegenüber dem Umgebungsdruck bzw. Atmosphärendruck ein Unterdruck herrscht. Dabei liegt in der Kammer ein zumindest weitgehend luftleerer Raum vor, in welchem im Rahmen des technisch Möglichen zumindest weitgehend keine Luftmoleküle vorhanden sind. Der Druck in der Kammer beträgt vorzugsweise weniger als 300 mbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil sind die vorteilhaften, mechanischen Eigenschaften des faserverstärkten Kunststoffs, insbesondere hinsichtlich seines geringen Gewichts und seiner sehr hohen Steifigkeit, kombiniert mit den vorteilhaften Eigenschaften der zumindest im Wesentlichen evakuierten Kammer, welche eine sehr gute Schalldämmung und Isolationswirkung aufweist. Bei dem Bauelement ist somit eine hohe Funktionsintegration realisiert.
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Das erfindungsgemäße Bauelement kann beispielsweise zur Begrenzung eines Fahrgastraums des Kraftwagens dienen. Mittels des erfindungsgemäßen Bauelements ist der Fahrgastraum sehr gut isoliert und kann energieeffizient klimatisiert werden. Ferner ist der Fahrgastraum sehr gut gedämmt, so dass unerwünschte Geräuschbelastungen von Insassen des Fahrgastraums vermieden werden können. Dies führt zu einem hohen Fahrkomfort des Kraftwagens. Infolge der hohen Steifigkeit und Festigkeit des aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Bauteils sorgt das erfindungsgemäße Bauelement auch für eine hohe Sicherheit der Insassen, beispielsweise bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung des Kraftwagens. Darüber hinaus kann das Gewicht des Kraftwagens aufgrund des geringen Gewichts des Bauelements gering gehalten werden.
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Vorzugsweise ist der faserverstärkte Kunststoff ein kohleverstärkter Kunststoff. Dadurch weist das erfindungsgemäße Bauelement besonders vorteilhafte insbesondere mechanische Eigenschaften auf.
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Zur Herstellung des Bauteils mit der vollumfänglich geschlossenen Kammer wird beispielsweise eine verlorene Form verwendet, welche als Laminierkörper dient und in der Kammer nach der Herstellung verbleibt. Der Laminierkörper ist vorzugsweise hohl und/oder begrenzt ein Volumen zumindest teilweise. Der Laminierkörper wird mit wenigstens einer Fasermatte, die an dem Laminierkörper außenumfangseitig angeordnet wird, laminiert. Mit anderen Worten wird der Laminierkörper von der wenigstens einen Fasermatte umschlossen. Die wenigstens eine Fasermatte kann das Volumen wenigstens teilweise umgrenzen. Nach Aushärten der wenigstens eine Fasermatte wird die Kammer und gegebenenfalls das von dem Laminierkörper umgrenzte Volumen zumindest im Wesentlichen evakuiert.
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Der Laminierkörper kann einstückig oder aus mehreren Laminierkörperteilen gebildet sein. Die Laminierkörperteile sind vorzugsweise miteinander verbunden. Zur Verbindung der Laminierkörperteile können Steckverbindungen dienen. Ebenso möglich ist, die Laminierkörper miteinander zu verkleben und/oder auf andere Weise miteinander zu fügen. Dadurch können auch komplexe Geometrien realisiert und mit der wenigstens einen Fasermatte laminiert werden. Ebenso möglich ist die Verwendung wenigstens einer Faserfolie zur Herstellung des Bauteils.
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Der Laminierkörper kann aus Hartschaum gebildet und zur Gewichtsoptimierung mit wenigstens einer vorzugsweisen großen Aussparung versehen sein. Die Aussparung ist vorteilhafterweise im Inneren des Laminierkörpers angeordnet, so dass eine möglichst geschlossene, außenumfangseitige Oberfläche vorliegt, die auf einfache Weise laminiert werden kann.
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Kommt es zu einer Delamination, beispielsweise aufgrund eines Stoßes auf das Bauelement, so kann der Laminierkörper als Stützkörper fungieren, so dass das Bauelement seine Strukturintegrität trotz der Delamination zumindest im Wesentlichen beibehält. Da es sich bei dem Bauelement um einen räumlichen Körper handelt, kann die durch die Delamination in einem Teilbereich geschwächte Struktur des Bauteils, wobei der Teilbereich beispielsweise auf einer ersten Seite des Bauelements angeordnet ist, von wenigstens einem intakten, anderen Teilbereich unterstützt und zumindest teilweise, gegebenenfalls vollständig, kompensiert werden.
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Das Bauelement weist ein vorteilhaftes Verhalten sowohl bei punktuellen als auch flächigen Stoßbelastungen auf. Bei starken Stößen kann das erfindungsgemäße Bauelement die Stöße abfedern, wobei der Laminierkörper den faserverstärkten Kunststoff zusätzlich abstützen und somit die Gefahr einer Dellenbildung gering halten kann. Auch Dehnungen auch Stauchungen können gering gehalten werden, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Delamination von Fasermatten-Schichten besonders gering ist.
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Der Laminierkörper ist Vorzugsweise derart eigensteif, dass er bei der Vakuumierung der Kammer bzw. des Volumens nicht in sich zusammenfällt. Das Bauteil kann sich während der Vakuumierung der Kammer an dem Laminierkörper abstützten und so während der Vakuumierung seine Form zumindest im Wesentlichen beibehalten.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der Laminierkörper bei einer Beschädigung des faserverstärkten Kunststoffs mit partiellem Versagen, beispielsweise mit einem Loch, einen Teil der Funktion des vorherig intakten Bauteils übernehmen und eine Isolationswirkung gegen Kälte, Hitze etc. bewirken kann, auch wenn in der Kammer infolge des partiellen Versagens kein Vakuum mehr herrscht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Bauelement wenigstens ein weiteres Bauteil mit einem Aufnahmerahmen auf, in welchem das erste Bauteil zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Dabei kann auch das weitere Bauteil zumindest im Wesentlichen aus einem faserverstärkten, insbesondere kohlefaserverstärkten, Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise umgibt das weitere Bauteil das erste Bauteil vollumfänglich und dient somit als Außenhülle für das erste Bauteil. Die Außenhülle kann das erste Bauteil vor unerwünschten Beschädigungen schützen. Kommt es zu einer Beschädigung der Außenhülle, so übernimmt das innere, erste Bauteil die Funktionen hinsichtlich der Isolierung und der Dämmung vollständig.
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Das weitere Bauteil kann aus mehreren Teilen gebildet sein, die beispielsweise über Nieten und/oder Klebetechnik etc. miteinander verbunden sind und lediglich zum Schutz des inneren, ersten Bauteils dienen. Dabei kann auch der Aufnahmeraum zumindest im Wesentlichen vakuumiert sein.
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Das erfindungsgemäße Bauelement, mit oder ohne Außenhülle, kann als Dachteil eines Daches des Kraftwagens verwendet werden und für eine sehr gute Wärme- und Kälteisolierung sorgen. Dadurch kann der Fahrgastraum energieeffizient geheizt und gekühlt werden. Dies führt zu einem geringen Energiebedarf zum Klimatisieren des Fahrgastraums. Dies kommt insbesondere Elektrofahrzeugen sowie Luftfahrzeugen zugute.
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Durch das erfindungsgemäße Bauelement kann auch eine Fahrgastzelle eines Kraftwagens oder ein Führerhaus eines Nutzkraftwagens gebildet sein. Dabei kann die Fahrgastzelle beziehungsweise das Führerhaus mittels eines so genannten One-Shot-Verfahrens als Monocoque in einem Stück hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Bauelement kann auch zur Herstellung eines Aufbaus eines Kraftwagens dienen, der zur Kühlhaltung oder Warmhaltung von Gegenständen und/oder Lebensmitteln vorgesehen ist. Dabei kann die durch die zumindest im Wesentlichen vakuumierte Kammer gebildete Isolierschicht besonders dünn ausgestaltet werden, so dass sich bei vorgegebenen, äußeren Dimensionen des Aufbaus ein besonders hohes Ladevolumen zur Aufnahme der Gegenstände und/oder der Lebensmittel ergibt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Bauelements mit wenigstens einem Bauteil, welches zumindest im Wesentlichen aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildet ist und eine geschlossene, zumindest im Wesentlichen evakuierte Kammer aufweist;
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2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Bauelements gemäß 1;
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3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Bauelements gemäß den 1 und 2;
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4a–b jeweils eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Bauelements gemäß den 1 bis 3; und
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5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Bauelements gemäß den 1 bis 4b.
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Die 1 zeigt ein Bauelement 10 mit einem Bauteil 12. Das Bauteil 12 ist aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff gebildet. Dazu sind Kohlefasermatten 14 vorgesehen, welche unter Ausbildung mehrerer Schichten in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Zwischenräume 16 zwischen den Kohlefasermatten 14 sind mit Epoxidharz ausgefüllt. Der Epoxidharz ist ein Kunststoff und dient als Matrixwerkstoff für die Kohlefasermatten 14.
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Das Bauelement 10 umfasst auch einen Laminierkörper 18, der schichtweise mit den Kohlefasermatten 16 ummantelt ist. Mit anderen Worten sind die Kohlefasermatten 14 auf den Laminierkörper 18 laminiert.
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Das Bauteil 12 weist eine zumindest teilweise von dem Laminierkörper 18 umgrenzte Kammer 20 auf, welche zumindest im Wesentlichen entlüftet, beziehungsweise vakuumiert ist. Zum Vakuumieren, bzw. zum Anlegen eines Unterdrucks der Kammer 20 ist ein Ventil 22 vorgesehen, welches in die Kammer 20 mündet und über welches in der Kammer 20 enthaltene Luft abgesaugt werden kann. Das Ventil 22 durchdringt dabei sowohl das Bauteil 12 als auch den Laminierkörper 18. Zur Darstellung einer vorteilhaften Abdichtung ist das Ventil 22 mit einem Innengewinde oder einem Außengewinde 24 versehen, mit welchem ein zusätzlicher Abdichtstopfen 26 verschraubt ist. Das Außen- oder Innengewinde 24 ermöglicht ein einfaches Entfernen des Abdichtstopfens 26, falls eine erneute Vakuumierung der Kammer 20 nötig sein sollte.
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In der Kammer 20 erstrecken sich Abstandshalter 28, mittels welchem gegenüberliegende Wandungsbereiche des Bauelements 10 gegenseitig abgestützt sind. Die Abstandshalter 28 dienen somit zur Darstellung einer besonders hohen Stabilität des Bauelements 10.
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Bei einer partiellen Beschädigung des Bauelements 10 bietet der Laminierkörper 18 bei der Reparatur des hohlen Bauelements 10 einen weiteren Vorteil. Durch das stufenförmige Abschleifen der einzelnen Kohlefaserschichten wird die beschädigte Stelle stufenweise abgetragen. Ist der Laminierkörper zusätzlich beschädigt, wird dieser zuerst instandgesetzt, um wieder eine geschlossene und ebene Oberfläche als Grundlage für einen Wiederaufbau der faserverstärkten Kunststoffstruktur zu erhalten. Gemäß der Faserorientierung der einzelnen freigelegten Schichten wird die Reparaturstelle mittels entsprechend eingelegten neuen Mattenlagen 14 nach dem Orginallayout wieder aufgebaut. Nach der Herstellung der Matrix und anschließendem Überlackieren ist das Bauelement optisch und funktionell wieder instandgesetzt, das Vakuum, bzw. der Unterdruck in der Kammer 20 des Bauelements 10 wird unter Verwendung des Ventils 22 abschließend erzeugt.
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Die 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen der Abstandshalter 28. Durch die Abstandshalter 28 wird zum einen eine Ableitung von äußeren Einflüssen auf das gesamte Bauelement 10 bewirkt. Zum anderen ist dadurch eine Gegenkraft zum einwirkenden Umgebungsdruck p0 bewirkt, der von außen auf das Bauelement 10 wirkt, so dass das Bauelement 10 seine Form behält und nicht, insbesondere in seiner Mitte, eindellt.
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Bei Schlagbelastungen des Bauelements 10 wird infolge der Versteifung des Bauelements 10 durch die Abstandshalter 28 einer Dellenbildung entgegengewirkt und so eine Delamination der Kohlefasermatten 14 vermieden.
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Ein in der 2 mit 30 bezeichneter Abstandshalter ist mehrteilig ausgebildet und umfasst ein erstes Abstandshalterteil 32 und ein zweites Abstandshalterteil 34, welche aneinander abgestützt sind. Der Abstandshalter 30 durchdringt eine beispielsweise durch den Laminierkörper 18 dargestellte hohle Kammer 36 und stützt sich direkt an dem kohlefaserverstärkten Kunststoff (Kohlefasermatten 14 und Epoxidharz) ab. Der Abstandshalter 30 ist zumindest teilweise hohl, um sein Gewicht gering zu halten. Ferner weist der Abstandshalter 30 Entlüftungsöffnungen 38 auf, so dass auch im Innern des Abstandshalters 30 ein Vakuum, bzw. Unterdruck herrscht.
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In der 2 ist mit 40 eine weitere Ausführungsform eines Abstandshalters bezeichnet.,. Der Laminierkörper 18 ist mit Vorsprüngen versehen, welche in die Kammer 20 hineinragen und aneinander anliegen. Der Werkstoff, aus welchem der Laminierkörper 18 gebildet ist, weist vorzugsweise eine hohe Stabilität auf, so dass Kräfte abgestützt werden können. Aussparungen 42 sorgen für ein geringes Gewicht sowie eine geringe Wärmeübertragung. Darüber hinaus sind Entlüftungsöffnungen 44 vorgesehen, so dass auch in den Aussparungen 42 das Vakuum herrscht.
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In der 2 ist mit 46 eine weitere Ausführungsform eines Abstandshalters bezeichnet, der wenigstens ein Distanzstück 48 umfasst. Das Distanzstück 48 ist in Vertiefungen 50 des Laminierkörpers 18 zumindest teilweise aufgenommen. Das Distanzstück 48 weist Aussparungen 52 auf, welche über Entlüftungsöffnungen 54 mit der Kammer 20 fluidisch verbunden sind, sodass auch in den Aussparungen 52 das Vakuum herrscht.
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Die 3 zeigt eine räumliche Anordnung von filigranen Abstandshaltern 28.
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Die 4a bis 4b zeigen eine weitere Ausführungsform des Bauelements 10, wobei das Bauteil 12 mit der vakuumierten Kammer 20 in einem Aufnahmeraum 56 eines als Außenhülle fungierenden, weiteren Bauteils 58 des Bauelements 10 aufgenommen ist. Das Bauteil 12 ist dabei über Stege 60 mit dem weiteren Bauteil 58 verbunden und von diesem beabstandet. Das weitere Bauteil 58 ist an seiner Ober- und Unterseite sowie an den Seiten mit einem Nut- und Federsystem 62, 64 versehen, wodurch großflächige Elemente auf einfache Weise hergestellt werden können. Diese können beispielsweise zum Bau eines Hauses bzw. Gebäudes verwendet werden. Entsprechend ausgeformte Abschlusselemente 66 erleichtern eine Anpassung an vorgebbare bzw. vorgegebene Maße.
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Das Bauelement 10 gemäß 5 weist eine weitere Kammer 20' auf, welche mittels einer Trennwand 68 fluidisch von der ersten Kammer 20 getrennt ist. Dabei ist auch die weitere Kammer 20' zumindest im Wesentlichen evakuiert.
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Bei einer insbesondere punktuellen Beschädigung des kohlefaserverstärkten Kunststoffs ist immer noch die Möglichkeit gegeben, dass wenigstens eine der Kammern 20, 20' vollständig intakt und voll funktionsfähig verbleibt.
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Die Vakuumierung der Kammern 20, 20' kann über das Ventil 22 erfolgen, welches zwei separate Absaugkanäle 70, 72 aufweist. Der Absaugkanal 70 mündet dabei in die Kammer 20, während der Absaugkanal 72 in die weitere Kammer 20' mündet. Alternativ ist es möglich, den Kammern 20, 20' ein jeweiliges Einzelventil zuzuordnen, um die Kammern 20, 20' zu evakuieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauelement
- 12
- Bauteil
- 14
- Kohlefasermatte
- 16
- Zwischenräume
- 18
- Laminierkörper
- 20, 20'
- Kammer
- 22
- Ventil
- 24
- Außen- und Innengewinde
- 26
- Abdichtstopfen
- 28
- Abstandshalter
- 30
- Abstandshalter
- 32
- Abstandshalterteil
- 34
- Abstandshalterteil
- 36
- hohle Kammer
- 38
- Entlüftungsöffnung
- 40
- Abstandshalter
- 42
- Aussparungen
- 44
- Entlüftungsöffnung
- 46
- Abstandshalter
- 48
- Distanzstück
- 50
- Vertiefung
- 52
- Aussparung
- 54
- Entlüftungsöffnung
- 56
- Aufnahmeraum
- 58
- weiteres Bauteil
- 60
- Steg
- 62
- Feder-Nutsystem
- 64
- Feder-Nutsystem
- 66
- Abschlusselemente
- 68
- Trennwand
- 70
- Absaugkanal
- 72
- Absaugkanal
- p0
- Umgebungsdruck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 236082 A1 [0005]
- DE 102009020093 A1 [0006]
