DE102013203208A1 - Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen sowie Herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen sowie Herstellungsverfahren hierzu Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe (10) aus zwei Faserverbundbauteilen (11, 12), wobei jedes Faserverbundbauteil (11, 12) Verstärkungsfasern aufweist, die in einer Matrix aus thermoplastischem Material eingebettet sind, und die Faserverbundbauteile (11, 12) so zueinander positioniert sind, dass ein Faserverbundbauteil (11) das andere zumindest abschnittsweise überlappt, und wobei die Faserverbundbauteile (11, 12) miteinander verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundbauteile (11, 12) über einen Schweißpunkt (13) miteinander stoffschlüssig verbunden sind, wobei der Schweißpunkt (13) im Überlappabschnitt vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Baugruppe, sowie ein Verfahren zum Reparieren von Faserverbundbauteilen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen, wobei jedes Faserverbundbauteil Verstärkungsfasern aufweist, die in einer Matrix aus thermoplastischem Material eingebettet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilgruppe.
  • Zur Schaffung eines nachhaltigen Umgangs mit Energieressourcen ist man im heutigen Fahrzeugbau bestrebt, Leichtbaustrukturen zu verwenden. Hierzu eignen sich faserverstärkte Kunststoffe, da sie besonders hohe mechanische Eigenschaften aufweisen bei gleichzeitig niedrigem Gewicht. Somit kann der Fahrzeugverbrauch reduziert werden. Im Gegensatz zu bekannten Strukturbauteilen aus Metall, bei denen eine Vielzahl unterschiedlicher Fügeverfahren bekannt sind, kommt zum Fügen von Kunststoffbauteilen bzw. faserverstärkten Kunststoffbauteilen im Allgemeinen nur die Klebetechnik zur Anwendung. Insbesondere wenn faserverstärkte Strukturbauteile beschädigt werden und ersetzt oder repariert werden müssen, sind komplizierte Reparaturverfahren notwendig, die mit hohem Aufwand verbunden sind. Bislang werden die schadhaften Abschnitte herausgetrennt und durch neue Strukturelemente ersetzt. Die neuen Bauteile werden an die bestehende faserverstärkte Struktur über Kupplungselemente angebunden und so überlappend miteinander verklebt. Zur Positionierung des Ersatzbauteils sowie zur Justierung des Klebespalts werden Spannelemente verwendet
  • Ausgehend von diesem internen Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein vereinfachtes Verfahren anzugeben, sowie eine vereinfachte Baugruppe anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Baugruppe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungen der Erfindung dar.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen vor, wobei jedes Faserverbundbauteil Verstärkungsfasern aufweist, die in einer Matrix aus thermoplastischem Material eingebettet sind, wobei die Faserverbundbauteile so zueinander positioniert sind, dass ein Faserverbundbauteil das andere zumindest abschnittsweise überlappt und wobei die Faserverbundbauteile miteinander verklebt sind. Darüber hinaus können die Faserverbundbauteile über einen Schweißpunkt miteinander stoffschlüssig verbunden sein, wobei der Schweißpunkt im Überlappabschnitt vorgesehen ist. Durch die doppelte Fixierung der Bauteile zueinander, mittels eines Klebeverfahrens und mittels eines Schweißverfahrens, ergibt sich eine besonders gute Verbindung der Bauteile. Die primäre Anbindung erfolgt dabei über die Klebeverbindung im Überlappbereich. Durch die zusätzliche Punktverschweißung erfolgt eine Positionierung der Bauteile zueinander, wodurch sich eine Handlingfestigkeit ergibt, so dass die Baugruppe handhabbar umpositionierbar ist, ohne dass der Klebstoff vollständig ausgehärtet ist. Eine zusätzliche Fixierung der Bauteile zueinander während des Aushärtevorgangs des Klebers, beispielsweise über Spannelemente ist nicht erforderlich. Darüber hinaus bietet die Punktschweißung den Vorteil, dass eine konstante Klebespaltendicke gewährleistet wird. Nicht zuletzt wird auch die Festigkeit der Überlappverbindung durch die Punktschweißung erhöht.
  • Weiterhin kann der Schweißpunkt als ein Ultraschallschweißpunkt ausgebildet sein. Ultraschallschweißpunkte können vorteilhafterweise schnell gesetzt werden und bieten ferner den Vorteil, dass kein Schweißzusatz benötigt wird. Darüber hinaus werden beim Erzeugen der Schweißpunkte die Bauteile nur lokal aufgeschmolzen, so dass nur eine lokale Erwärmung stattfindet. Somit entsteht keine Wärmestrahlung in größere Bereiche der Bauteile. Nicht zuletzt können Schweißpunkte mit Hilfe von Handgeräten erzeugt werden, die insbesondere bei der Reparatur von Bauteilen Vorteile bieten, was die Zugänglichkeit anbetrifft.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen, wobei jedes Faserverbundbauteil Verstärkungsfasern aufweist, die in einer Matrix aus thermoplastischem Material eingebettet sind, mit den Schritten:
    • – Ausrichten der zwei Faserverbundbauteile zueinander, sodass ein Faserverbundbauteil das andere Faserverbundbauteil zumindest abschnittsweise überlappt,
    • – Verkleben der Faserverbundbauteile in dem Überlappabschnitt und
    • – Erzeugen eines Schweißpunktes im Überlappabschnitt.
  • Darüber hinaus kann der Schweißpunkt durch Ultraschallschweißen erzeugt werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Reparaturverfahren zum Reparieren beschädigter Faserverbundbauteile, mit den Schritten:
    • – Heraustrennen einer beschädigten Stelle aus einem ersten Faserverbundbauteil,
    • – Einbringen eines zweiten Faserverbundbauteils als Ersatzbauteil an die beschädigte Stelle des ersten Faserverbundbauteils und
    • – Erzeugen einer Baugruppe durch Verbindung der beiden Faserverbundbauteile mit einem Verfahren der oben genannten Art.
  • Bei den im Vorhergehenden beschriebenen Faserverbundbauteilen können die Fasern als Kurzfaser mit einer Gesamtlang bis zu 20 mm, als Langfaser mit einer Länge von 20 mm bis 50 mm oder als Endlosfaser mit einer Gesamtlänge größer 50 mm ausgebildet sein.
  • Im Folgenden wir die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderer Kombination betrachten, um weitere Ausführungen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
  • Es zeigt in schematischer Darstellung 1 eine Seitenansicht auf eine Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen.
  • In 1 ist eine Baugruppe 10, die aus zwei Faserverbundbauteilen 11, 12 ausgebildet ist, abgebildet. Ein erstes Faserverbundbauteil 11 ist so zu einem zweiten Faserverbundbauteil 12 ausgerichtet, dass sich beide Bauteile in dem Überlappabschnitt a überlappen. In diesem Bereich sind die Bauteile 11, 12 über einen Kleber 14 miteinander verbunden. Zusätzlich ist mindestens ein Schweißpunkt 13 vorgesehen, der die zwei Bauteile miteinander verbindet. Diese stoffschlüssige Verbindung kann erzeugt werden, da die Matrix des ersten und die Matrix des zweiten Faserverbundbauteils aus einem thermoplastischen Material ausgebildet sind und somit die Bauteile 11, 12 miteinander stoffschlüssig verschweißt werden können. Zur Herstellung einer solchen Baugruppe 10 werden die zwei Faserverbundbauteile 11, 12 zunächst zueinander ausgerichtet und anschließend miteinander verklebt. Bevor der Klebstoff 14 vollständig aushärtet, wird der Schweißpunkt 13 gesetzt, um die Bauteile aneinander zu fixieren. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere auch als Reparaturverfahren zum Reparieren von beschädigten Faserverbundbauteilen, insbesondere von beschädigten kohlefaserverstärkten (CFK) Bauteilen. Hierzu wird aus einem ersten Faserverbundbauteil 11 eine beschädigte Stelle herausgetrennt, beispielsweise durch Heraussagen oder -flexen. Anschließend wird das zweite Faserverbundbauteil so auf die durch das Heraustrennen erzeugte Lücke aufgelegt, dass diese Lücke bzw. die Ausnehmung in dem ersten Bauteil vollständig von dem zweiten Bauteil überdeckt wird. Das zweite Bauteil wird an dem ersten Faserverbundbauteil mit Hilfe eines Klebers aufgeklebt. Anschließend wird das zweite Faserverbundbauteil an dem ersten Faserverbundbauteil fixiert mit Hilfe von Schweißpunkten, die mittels Ultraschallschweißen erzeugt werden.
  • Mit Hilfe dieses neuen Verfahrens sinkt der Reparaturaufwand, da kein zusätzliches Spannsystem für die Positionierung der Bauteile notwendig ist. Das Ersetzen der einzelnen Punktschweißungen kann über Handgeräte erfolgen.
  • Bei der Verwendung des Fügeverfahrens zum Fügen von Strukturbauteilen in der Karosserie-Serienfertigung sind die Faserverbundbauteile, bzw. die erstellten Baugruppen durch die Fixierung zueinander über Ultraschallpunktschweißen sofort transport- bzw. handlefähig. Somit muss das Aushärten des Klebstoffes bis zur weiteren Verarbeitung bzw. bis zum weiteren Transport der Bauteile nicht abgewartet werden.

Claims (5)

  1. Baugruppe (10) aus zwei Faserverbundbauteilen (11, 12), wobei jedes Faserverbundbauteil (11, 12) Verstärkungsfasern aufweist, die in einer Matrix aus thermoplastischem Material eingebettet sind, und die Faserverbundbauteile (11, 12) so zueinander positioniert sind, dass ein Faserverbundbauteil (11) das andere zumindest abschnittsweise überlappt, und wobei die Faserverbundbauteile (11, 12) miteinander verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundbauteile (11, 12) über einen Schweißpunkt (13) miteinander stoffschlüssig verbunden sind, wobei der Schweißpunkt (13) im Überlappabschnitt vorgesehen ist.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißpunkt ein Ultraschallschweißpunkt (13) ist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus zwei Faserverbundbauteilen (11, 12), wobei jedes Faserverbundbauteil (11, 12) Verstärkungsfasern aufweist, die in einer Matrix aus thermoplastischem Material eingebettet sind, mit den Schritten: – Ausrichten der zwei Faserverbundbauteile (11, 12) zueinander, so dass ein Faserverbundbauteil (11) das andere Faserverbundbauteil (12) zumindest abschnittsweise überlappt, – Verkleben der Faserverbundbauteile (11, 12) in dem Überlappabschnitt gekennzeichnet durch – Erzeugen eines Schweißpunktes (13) im Überlappabschnitt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißpunkt durch Ultraschallschweißen erzeugt wird.
  5. Reparaturverfahren für beschädigte Faserverbundbauteile, mit den Schritten: – Heraustrennen einer beschädigten Stelle aus einem ersten Faserverbundbauteil (11), – Einbringen eines zweiten Faserverbundbauteils (12) als Ersatzbauteil an die beschädigte Stelle des ersten Faserverbundbauteils (11), und – Erzeugen einer Baugruppe durch Verbindung der beiden Faserverbundbauteile (11, 12) mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4.
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