DE102013223836A1

DE102013223836A1 - Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile, sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013223836A1
Application number: DE102013223836.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Wessels
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile mit – einer Trägerlage (11) aus Fasermaterial und – einer Verstärkungslage (12) aus Fasermaterial, wobei die Verstärkungslage (12) an der Trägerlage (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (11) und die Verstärkungsfaserlage (12) miteinander vernäht sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile mit einer Trägerlage aus Fasermaterial und einer Verstärkungslage aus Fasermaterial, wobei die Verstärkungslage an der Trägerlage angeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur sowie zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils.
Im heutigen Fahrzeugbau existieren Bestrebungen, Struktur wie auch Verkleidungsbauteile aus faserverstärktem Kunststoff auszubilden. Faserverstärkte Kunststoffe werden generell dort eingesetzt, wo hohe Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert werden. Grundsätzlich umfassen faserverstärkte Kunststoffe Verstärkungsfasern, die in einer Matrix aus Kunststoff eingebettet sind. Die Fasern verleihen dem Bauteil seine mechanischen Eigenschaften. Dabei werden die höchsten mechanischen Eigenschaften erzielt, wenn die Fasern in gestreckter Lage in Richtung des Kraftstoffflusses orientiert sind.
Um bei ausreichend hohen mechanischen Eigenschaften das Bauteilgewicht weiter zu reduzieren, werden besonders dünnwandige Bauteile erzeugt, die nur an vorbestimmten Stellen verstärkt sind. Bei der Fertigung der artiger faserverstärkten Bauteile ist jedoch mit hohem Aufwand sicherzustellen, dass die Verstärkungselemente ihre vorgestimmte Position nicht verlassen bzw. ungewollt verrutschen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Verstärkungsstruktur, ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Verstärkungsstruktur gemäß dem Patentanspruch 1, sowie mit einem Verfahren zur Herstellung der Verstärkungsstruktur gemäß dem Patentanspruch 7 und einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils gemäß dem Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile vor, mit einer Trägerlage aus Fasermaterial und einer Verstärkungslage aus Fasermaterial, wobei die Verstärkungslage an der Trägerlage angeordnet ist. Die Trägerlage und die Verstärkungslage sind miteinander vernäht. Dies bietet den Vorteil, dass die Verstärkungslage an einer vorbestimmten Position der Trägerlage angeordnet ist und mit dieser fixiert ist. Dadurch wird verhindert, dass beim Handling der Verstärkungsstruktur, was bei der Herstellung faserverstärkter Bauteile notwendig ist, keine Verschiebung der Verstärkungslage relativ zur Trägerlage erfolgen kann.
Weiterhin kann die Verstärkungslage als Vlies, Gestrick, Gewirk, Fasertape Gewebe oder unidirektionales Gelege ausgebildet sein. Dadurch kann die Verstärkungslage als sog. Patch ausgebildet sein, indem trockene Fasern angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Verstärkungsstruktur nur lokal, in den Bereichen, in denen hohe mechanische Eigenschaften notwendig sind, mit entsprechenden Fasern ausgebildet ist. Dadurch kann insgesamt ein geringeres Bauteilgewicht erzielt werden. Durch die Verwendung von gezielt lokal orientierten Fasern, bspw. unidirektional ausgerichteter Fasern oder durch die Verwendung gestickter Verstärkungsfasern kann die Lochleibung im Bereich von Durchbrüchen, die sich durch die Trägerlage und die Verstärkungslage erstrecken, reduziert werden.
Darüber hinaus kann die Trägerlage als quasi isotrope Faserlage, insbesondere als Gewebe, Geflecht, als Fasertape, als zwei- oder mehrlagiges Gelege ausgebildet sein. Die Trägerlage kann auch als Fasertape vorgesehen sein. Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften der Verstärkungslage kann die Trägerlage entsprechend einfacher und leicht ausgebildet sein.
Die Trägerlage kann ein- oder mehrschichtig ausgebildet sein. Dabei kann jede einzelne Schicht Fasermaterial umfassen, das als Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick und/oder als Gelege ausgebildet ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Verstärkungslage in einem vorbestimmten Abschnitt an der Oberfläche der Trägerlage angeordnet sein und diese zumindest abschnittsweise überdecken.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist die Verstärkungslage zwischen den einzelnen Schichten der Trägerlage angeordnet und wird mit einer oder mehreren der Schichten vernäht.
Darüber hinaus kann das Fasermaterial der Verstärkungslage aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Basalt oder einer Kombination daraus ausgebildet sein. Durch Kombination einer Trägerlage aus Kohlenstofffasern mit einer Verstärkungslage aus Glasfasern kann eine elektrochemische Entkopplung realisiert werden, an den Stellen, auf denen sonst Metallelemente mit den Kohlenstofffasern in Berührung gekommen wären. Mit anderen Worten das Patch aus Glasfasern bildet eine elektrische Isolierung zwischen der Kohlefaser und dem Metall.
Darüber hinaus können die Trägerlage und die Verstärkungslage aus trockenen Fasern ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile mit den Schritten: Anordnen einer Verstärkungslage aus trockenem Fasermaterial an einer Trägerlage aus trockenem Fasermaterial an einer vorbestimmten Stelle und Vernähen der Trägerlage mit der Verstärkungslage. Dadurch können die Trägerlage und die Verstärkungslage zueinander ortsfest positioniert werden, so dass sie bei der Weiterverarbeitung zum faserverstärkten Kunststoffbauteil nicht verrutschen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Verstärkungslage in einem vorbestimmten Abschnitt an der Oberfläche der Trägerlage angenäht werden, so dass diese zumindest abschnittsweise überdeckt wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist die Verstärkungslage zwischen den einzelnen Schichten der Trägerlage angeordnet und wird mit einer oder mehreren der Schichten vernäht.
Darüber hinaus kann zum Vernähen der Verstärkungslage mit der Trägerlage ein einseitiges Nährverfahren, ein zweiseitiges Nähverfahren, ein Blindstich, ein Steppstich und/oder ein Kettenstich verwendet werden.
Die Vernähung kann mit einer Einnadel-Nähanlage oder einer Vielnadel-Nähanlage erfolgen, um eine entsprechend stabile Fixierung zu erzeugen.
Nicht zuletzt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, mit den Schritten: Erzeugen einer Verstärkungsstruktur mit einem oben beschriebenen Verfahren, Imprägnieren der Trägerlage und der Verstärkungslage mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial und Konsolidieren des Matrixmaterials.
Weiterhin kann zum Konsolidieren des Matrixmaterials ein Resin-Transfer-Molding-Verfahren oder ein Nasspressverfahren angewendet werden.
Im Folgenden wird 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 anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine perspektivische Ansicht einer Verstärkungsstruktur,
2a–2d jeweils eine Draufsicht auf eine Verstärkungsstruktur, und
3 eine perspektivische Ansicht einer Vielnadel-Nähanlage.
Aus 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Verstärkungsstruktur 10 ersichtlich, die eine Trägerlage 11 und eine Verstärkungslage 12 aufweist. Solche Verstärkungsstrukturen 10 eignen sich zum Herstellen von Strukturbauteilen von Fahrzeugen, insbesondere A-, B-, C-Säulen, Längsträger, Dachseitenrahmen oder Schweller einer Fahrzeugkarosserie. Darüber hinaus eignen sich solche Verstärkungsstrukturen 10 auch zur Herstellung von Außenhautbauteilen, bspw. Kotflügel, Dachsegmente, Klappen, wie bspw. Türen, Kofferraumklappen, Motorhauben usw. Als Trägerlage 11 wird ein sog. Stack verwendet, der aus trockenen Fasern ausgebildet ist und einen quasi isotropen Lagenaufbau aufweist. Die Verstärkungsstruktur 12 ist als Patch ausgebildet und bevorzugt aus unidirektional ausgerichteten, trockenen Fasern erzeugt. Die Verstärkungslage 12 ist an einer vorbestimmten Position und in einer vorbestimmten Ausrichtung mit der Trägerlage 11 vernäht. Dadurch ist die Verstärkungsstruktur lokal an dieser Stelle mit besonders guten mechanischen Eigenschaften versehen.
Die 2a bis 2d zeigen verschiedene Ausrichtungen der Nähte 13. In den 2a und 2c verlaufen die Nähte 13 quer zur Längsrichtung der Verstärkungslage 12. In den 2b und 2d laufen die Nähte 13 parallel zur Längsrichtung der Verstärkungslage 12. Je nachdem, wie robust die Verbindung zwischen der Trägerlage 11 und der Verstärkungslage 12 sein soll, können mehrere Nähte wie in den 2a und 2b gezeigt oder weniger Nähte, wie in den 2c und 2d gezeigt, erzeugt werden. Die Nähte 13 müssen nicht zwingend geradlinig verlaufen, sondern können auch Kreisbahnen oder Freiformnahnen beschreiben.
In 3 ist eine Vielnadel-Nähmaschine abgebildet, deren Funktionsweise im Folgenden erläutert werden soll und die das Verfahren zum Erzeugen der Verstärkungsstruktur 10 zeigt. Ein Förderband 14 läuft endlos über Förderrollen 14a und 14b. Auf dem Förderband 14 ist ein Stack, d. h. eine Trägerlage 11 vorgesehen, das in Förderrichtung, d. h. in 3 nach schräg links unten von dem Förderband 14 transportiert wird. Auf die Trägerlage 11 werden die Verstärkungslagen 12, d. h. Patches aufgelegt. Diese werden mit den Nähköpfen 15 mehrfach mit der Trägerlage 11 vernäht. Dadurch sind Trägerlage 11 und Patch 12 an dieser Position ortsfest miteinander fixiert. Mit Hilfe einer Beschnitteinrichtung 16 wird am Ende des Fertigungsprozesses die Verstärkungsstruktur 10 d. h. die Trägerlage 11 mit daran angeordneter Verstärkungslage 12 mit der Beschnitteinrichtung 16 zugeschnitten.
In den Figuren weisen die Verstärkungslagen 12 viereckige Formen auf. In weiteren, nicht dargestellten Alternativen der Erfindung, können die Verstärkungslagen auch in Form von Bändern, Gurten, Kreisen und/oder daraus zusammengesetzten Formen ausgebildet sein.

Claims

Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile mit – einer Trägerlage (11) aus Fasermaterial und – einer Verstärkungslage (12) aus Fasermaterial, wobei die Verstärkungslage (12) an einem vorbestimmten Abschnitt an der Trägerlage (11) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (11) und die Verstärkungsfaserlage (12) miteinander vernäht sind.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslage (12) als Vlies, Gestrick, Gewirk, unidirektionales Gelege oder Gewebe ausgebildet ist.
Verstärkungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (11) als quasiisotrope Lage, insbesondere als Gewebe, Geflecht, zwei- oder mehrlagiges Gelege ausgebildet ist.
Verstärkungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (11) ein- oder mehrschichtig ausgebildet ist, wobei – die Verstärkungslage (12) auf der Oberfläche (12a) der Trägerlage (11) oder – zwischen einzelnen Schichten der Trägerlage (11) angeordnet ist.
Verstärkungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial der Trägerlage (11) aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Basalt oder einer Kombination daraus ausgebildet ist.
Verstärkungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial der Verstärkungslage (12) aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Basalt oder einer Kombination daraus ausgebildet ist.
Verstärkungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (11) und die Verstärkungslage (12) aus trockenen Fasern ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur für faserverstärkte Bauteile (10) mit den Schritten: – Anordnen einer Verstärkungslage (12) aus trockenem Fasermaterial an einer Trägerlage (11) aus trockenem Fasermaterial an einer vorbestimmten Stelle, und – Vernähen der Trägerlage (11) mit der Verstärkungslage (12) wobei zumindest eine Schicht der Trägerlage (11) mit der Verstärkungslage (12) vernäht wird.
Verfahren zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vernähen der Verstärkungslage (12) mit der Trägerlage (11) ein einseitiges Nähverfahren, ein zweiseitiges Nähverfahren, ein Blindstich, ein Step-Stich und/oder ein Kettenstich verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, mit den Schritten: – Erzeugen einer Verstärkungsstruktur mit einem Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, – Imprägnieren der Trägerlage (11) und der Verstärkungslage (12) mit einem thermopastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial und – Konsolidieren des Matrixmaterials.
Verfahren zur Herstellung eins faserverstärkten Bauteils nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konsolidieren des Matrixmaterials ein Resin-Transfer-Moulding Verfahren oder ein Nasspressverfahren angewendet wird.