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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen und/oder fluidtechnischen Perforation eines aus einem Faserverbundkunststoff hergestellten Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Bauteil, hergestellt aus einem Faserverbundkunststoff, umfassend eine die akustischen und/oder die fluidtechnischen Eigenschaften des Bauteils modellierende Perforation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6, sowie die Verwendung eines Lasers und/oder Wasserstrahlers zur akustischen und/oder fluidtechnischen Perforation eines aus einem Faserverbundkunststoff hergestellten Bauteils gemäß dem Anspruch 10.
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Mit den zunehmenden Anteilen an akustisch harten Oberflächen, insbesondere Zieroberflächen im Interieurbereich, die aus Faserverbundkunststoffen (FVK), insbesondere aus Carbon-(bzw. Karbon-)faser verstärktem Kunststoff (CFK), bestehen, nimmt die akustische Belastung im Fahrzeuginneren von Fahrzeugen und in der Nähe von schall-emittierenden Bauteilen zu.
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Zum einen ist die akustische Belastung darin begründet, dass die bekannten körperschallgedämpften Faserverbundkunststoff-Bauteile oder -Träger, beispielsweise im Interieurbereich eines Fahrzeuges, bezüglich einer Dämpfung des Luftschalls unwirksam sind. Zum anderen ist ein deutlicher Eintrag von Schall in das Fahrzeuginnere auch durch strukturell angebundene Faserverbundbauteile im Exterieurbereich erkennbar. Faserverbundkunststoff-Bauteile im Exterieurbereich sind beispielsweise Radhausschalen aus Faserverbundkunststoff, die insbesondere aus Carbonfaserverbundkunststoff hergestellt sind. Auch werden Faserverbundkunststoff-Bauteile am Unterboden oder als Unterboden eines Fahrzeuges verwendet. Aufgrund des Verhältnisses zwischen Gewicht und strukturmechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Stabilität bzw. Steifigkeit, werden im Exterieurbereich insbesondere Carbonfaserverbundkunststoff-Bauteile, -Träger oder -Laminate eingesetzt.
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Allerdings hat das, wie bereits beschrieben, zur Folge, dass der Eintrag akustischer Belastung in das Fahrzeuginnere zunimmt. Die zunehmende akustische Belastung in das Fahrzeuginnere vermindert dabei den Komfort für die Fahrzeuginsassen. Um den Komfort des Fahrzeuges durch Verminderung der akustischen Belastung zu erhöhen, ist es bekannt, auf die Faserverbundkunststoff-Bauteile bzw. -Träger oberflächlich Absorbermassen und Dämpfungen aufzubringen, wie beispielsweise Schwerschichten. Es ist auch bereits bekannt, die Eigendämpfung der Faserverbundkunststoff-Bauteile bzw. -Träger durch darin eingebrachte Elastomerschichten zu erhöhen. Diese Maßnahmen haben allerdings den Nachteil, dass zum einen das Gewicht der Faserverbundkunststoff-Bauteile bzw. -Träger erhöht wird. Zum anderen ist der Wirkungsgrad dieser Lösungen eher gering.
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Eine andere Lösung bietet die
US 7,445,839 B2 an. Aus dieser US-Patentschrift ist ein Laminatmaterial in Form einer offen- oder geschlossenporigen Schaumstoffplatte oder Schaumstofffolie mit einer auflaminierten Deckschicht aus beispielsweise kohlenstoffverstärktem Faserverbundkunststoff (CFK) bekannt, welche akustisch perforiert ist. Das Laminatmaterial wird beispielsweise für Interieur- und Exterieurbauteile, die akustisch wirksam sind, im Fahrzeugbau eingesetzt. Die akustisch wirksame Perforation wird in einem in dieser US-Patentschrift beschriebenen Verfahren mittels einer mit Stiften bestückten Walze erstellt, d. h., das Laminatmaterial wird mechanisch mit der Stiftwalze bearbeitet.
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Dabei stellt sich als nachteilig heraus, dass durch die mechanische Bearbeitung des Laminatmaterials, dessen Deckschicht beispielsweise aus kohlenstoffverstärktem Faserverbundkunststoff besteht, mittels einer Stiftwalze der Durchmesser der Löcher nicht einheitlich mit einem über deren Länge gleichen Querschnitt erstellt werden kann. Zudem ist die Variabilität der Querschnitte der Löcher der Perforation durch das Werkzeug, nämlich durch die Walze und insbesondere durch die sie bestückenden Stifte stark eingeschränkt. Auch ist es nicht möglich, die Stifte so auszuformen, dass die Löcher in einer Kavität enden, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Stifte beim Walzen an der Oberfläche des Laminatmaterials. Schließlich ist es auch nicht möglich mit einem Werkzeug, ohne dieses anzupassen, unterschiedliche Perforationsmuster zu erstellen.
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Das bedeutet insgesamt, dass die Variabilität der Perforation des Laminatmaterials, welche mittels der mit Stiften bestückten Walze erzeugt wird, auf die Form und Ausstattung des Werkzeuges eingeschränkt ist. Das hat zur Folge, dass für eine Änderung des Perforationsmusters oder für eine Änderung des Querschnitts der Löcher jeweils ein anderes Werkzeug benötigt wird, nämlich beispielsweise eine entsprechend des Perforationsmusters mit Stiften bestückte Walze. Zudem ist es notwendig zur Änderung des Querschnitts der Löcher die Stifte der Walze auszutauschen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile des bekannten Verfahrens zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine akustische und/oder fluidtechnische Perforation eines Faserverbundkunststoff-Bauteils bzw. -Trägers in einfacher und kostengünstiger Weise ermöglicht, wobei eine definierte und individuelle Bearbeitung der Löcher der Perforation und dessen Muster ermöglicht ist. Darüber hinaus ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aus einem Faserverbundkunststoff hergestelltes Bauteil zur Verfügung zu stellen, welches bzgl. seiner akustischen und/oder fluidtechnischen Perforation ein verbessertes Erscheinungsbild aufweist.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 6, welches insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch als im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteil offenbart und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Erfindungsgemäß sieht das Verfahren zur akustischen und/oder fluidtechnischen Perforation eines aus einem Faserverbundkunststoff hergestellten Bauteils vor, dass zur Ausbildung der zumindest abschnittsweisen Perforation Löcher aus dem Faserverbundkunststoff ausgenommen werden, wobei die Löcher mittels Strahltechnik aus dem Faserverbundkunststoff des Bauteils ausgenommen werden.
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Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, welches in der genannten US-Druckschrift
US 7,445,839 B2 beschrieben ist, werden erfindungsgemäß die Löcher der Perforation kontaktfrei zu dem Werkzeug, nämlich dem Strahlwerkzeug aus dem Faserverbundkunststoff des Bauteils ausgenommen. Im Gegensatz zu der mechanischen Bearbeitung, wie beispielsweise mittels der mit Stiften bestückten Walze, kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, nämlich bei Verwendung der Strahltechnik zudem nur zu sehr geringen Aufweitungswinkeln der Löcher der Perforation und insgesamt zu einer geringen bis keinen Schädigung der Oberfläche und der Matrixstruktur des Bauteils. Darüber hinaus ist mit der Strahltechnik eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit gegeben. Zudem können bei uneingeschränkter Variabilität der definierten Lochquerschnitte kurze Prozesszeiten eingehalten werden. In vorteilhafter Weise ist darüber hinaus die Größe der zu perforierenden Fläche oder Teilfläche eines Bauteils unabhängig von der Größe des Werkzeuges, nämlich des Strahlwerkzeuges, da das Strahlwerkzeug, wie in der Strahltechnik bekannt, relativ zur Fläche oder Teilfläche des Bauteils beispielsweise verfahrbar ist. Dadurch kann die Perforation mittels der Strahltechnik nicht nur variabel im Lochdurchmesser verändert werden, sondern auch der Rasterabstand und die Rasterungsart, d. h., das Perforationsmuster können uneingeschränkt und anwendungsbezogen angepasst werden. Insgesamt kann somit die Größe und Art der Löcher und das zu erstellende Perforationsmuster unabhängig von der Form des Werkzeuges hergestellt werden. Auf ein Werkzeug, beispielsweise eine Walze mit entsprechend dem Muster der Perforation bestückten Stiften, kann daher verzichtet werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren, wie auch die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile, gegenüber dem bekannten Verfahren und den damit hergestellten Bauteilen variabler und gegebenenfalls kostengünstiger sind.
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Vorteilhafterweise werden die Löcher mittels Laserstrahl aus dem Faserverbundkunststoff ausgenommen. Wie aus der industriellen Fertigungstechnik bekannt, können mit Laserstrahlen Strukturen im makroskopischen und mikroskopischen Bereich bearbeitet werden. Auch aus der refraktiven Medizin ist die Fertigungsgenauigkeit mittels Lasers, beispielsweise bei Fehlsichtigkeit durch Korrektur der Hornhautoberfläche durch deren Abtragung im Mikro- und Submikrometerbereich, bekannt. Daher kann auch mittels Laser in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Perforation mit definierten Lochgrößen bei geringem Aufweitungswinkel in die Tiefe und geringer Matrixstruktur-Schädigung weitgehend unabhängig von dem Querschnitt des Loches für die Perforation des Faserverbundkunststoff-Bauteiles eingesetzt werden. Darüber hinaus zeichnet sich die Verwendung eines Laserstrahls in dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch aus, dass auf der Austrittsseite des Faserverbundkunststoff-verstärkten Bauteils bzw. Trägers kaum ein Abplatzen von Material zu beobachten ist.
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Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Löcher mittels Wasserstrahl aus dem Faserverbundkunststoff ausgenommen werden. Auch hierbei kommt das zu bearbeitende Faserverbundkunststoff-Bauteil nicht in direkten Kontakt mit dem Werkzeug, sondern ein Wasserstrahl wird, wie von dem bekannten CNC-Wasserstrahlschneiden bekannt, auf das Bauteil gerichtet, wodurch Löcher mit variablem Durchmesser und definierter Größe in das Bauteil geschnitten bzw. aus diesem ausgenommen werden können. Auch hierbei ist es vorteilhaft, dass ein zu erstellendes Perforationsmuster weitgehend unabhängig von der Form des Werkzeuges ist, da das Wasserstrahlwerkzeug relativ zum Bauteil verfahrbar ist. Im Gegensatz zu der bekannten mit Stiften bestückten Walze erfolgt mittels der Wasserstrahltechnik die Bearbeitung des Faserverbundkunststoff-Bauteils, wie bereits beschrieben, kontaktfrei, sodass auch, wie bei der Laserstrahltechnik, eine Beschädigung der Oberfläche des Bauteils, die durch eine Auflage bzw. Anlage des Werkzeuges auf oder an das Bauteil erfolgen kann, ausgeschlossen ist.
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In vorteilhafter Weise lassen sich mittels der Laserstrahltechnik bzw. der Wasserstrahltechnik Löcher mit einem über deren Länge einheitlich definierten Querschnitt aus dem Faserverbundkunststoff ausnehmen. Im Gegensatz zu dem bekannten und in der hier genannten US-Druckschrift beschriebenen Verfahren, welches nur eine mechanische Bearbeitung des Bauteils erlaubt, können bei Bedarf sämtliche Löcher der Perforation mit dem erfindungsgemäßen und fertigungsgenauen Verfahren bzgl. ihres Querschnitts und ihrer Länge im Wesentlichen gleich zueinander erzeugt werden. Neben dem dadurch erhaltenen einheitlichen Erscheinungsbild der Löcher der Perforation, sind damit auch die akustischen beziehungsweise fluidtechnischen Eigenschaften der Löcher der Perforation in vorteilhafter Weise einheitlich.
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Ferner ist es mit der Strahltechnik, insbesondere mit der Laserstrahl- oder Wasserstrahltechnik möglich, den Querschnitt der Löcher über deren Länge gezielt einheitlich variabel zu verändern. Genauer gesagt lassen sich durch Prozesssteuerung der Strahltechnik gezielt Kavitäten in Bauteile oder Laminate, insbesondere in dickere Bauteile oder Laminate einbringen. Die Einbringung von Kavitäten in die Bauteile bzw. Laminate ermöglicht dabei vorteilhaft eine weitere akustische und/oder fluidtechnische Modulation des Bauteils. D. h., dass gegenüber dem bekannten Verfahren, welches die Einbringung einer Perforation in ein faserverstärktes Kunststoff-Bauteil mittels einer mit Stiften bestückten Walze vorsieht, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine weitere Möglichkeit gegeben ist, die Löcher der Perforation und somit die akustischen und/oder fluidtechnischen Eigenschaften eines Bauteils zu gestalten.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich in vorteilhafter Weise Bauteile für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise für Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Schienenfahrzeuge, Wasser- oder Luftfahrzeuge, herstellen, welche multifunktional sind, einen geringen Bauraum benötigen und gegenüber mit Absorbermaterialen bestückten Bauteilen ein deutlich geringeres Gewicht aufweisen.
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In vorteilhafter Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bauteil hergestellt werden, das eine akustisch und/oder fluidtechnisch modulierte Perforation aufweist, wobei die strukturmechanischen Eigenschaften des Bauteils nicht wesentlich beeinträchtigt sind. Auch kann durch die definierte Bearbeitung des Bauteils mittels der Strahltechnik, im Gegensatz zu der bekannten mechanischen Bearbeitung, sichergestellt werden, dass die optischen Eigenschaften des Bauteils nur geringfügig verändert sind, da beispielsweise durch die kontaktfreie Bearbeitung zu dem Werkzeug die Oberfläche des Bauteils nicht beschädigt wird. Darüber hinaus erlaubt die Ausnehmung von Löchern mit definiertem Querschnitt und definierter Länge in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Luftdurchlässigkeit des Bauteils. Dadurch können verbesserte Einsatzmöglichkeiten des Bauteils, insbesondere bei Eintrag von Luftschall wirkungsvoll unterstützt werden, ohne das Gewicht des Bauteils zu erhöhen. So ist es beispielsweise vorstellbar, Bauteile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Interieurbereich eines Fahrzeuges herzustellen, über die die Klimatisierung, d. h. die Frischluftzufuhr und/oder die Temperierung beispielsweise der Fahrgastzelle, erfolgen.
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In vorteilhafter Weise kann ein akustisch und/oder fluidtechnisch moduliertes Bauteil, welches beispielsweise Löcher im makroskopischen Bereich aufweist, d. h. Löcher mit einem Lochdurchmesser größer als 0,2 mm, bevorzugt mit einem Lochdurchmesser von 0,7 mm und größer, ein Exterieurteil an einem Fahrzeug sein, beispielsweise eine Faserverbundkunststoff-Radhausschale oder ein Faserverbundkunststoff-Unterboden, insbesondere eine CFK-Radhausschale oder ein CFK-Unterboden. Dabei ist die Stärke bzw. Dicke des Bauteils nicht wesentlich entscheidend für die Ausgestaltung der Löcher. In bevorzugter Weise haben die Bauteile eine Stärke von ca. 0,7 mm bis ca. 1,7 mm bei Ausgestaltung einer Mikroperforierung in dem Bauteil. Bauteile, die für eine Makroperforierung bevorzugt sind, haben eine Stärke bzw. Dicke von mehr als 1,7 mm, besonders bevorzugt von mehr als ca. 2 mm. Jedoch kann je nach Verwendung des Bauteils eine Mikro- oder Makroperforierung unabhängig von der Stärke bzw. Dicke des Bauteils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden.
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In besonders vorteilhafterweise ist das Verfahren zur nachträglichen Perforation von Faserverbundkunststoff-Bauteilen, insbesondere von Carbonfaserverbundkunststoff-Bauteilen einsetzbar. Durch die mittels Laser- bzw. Wasserstrahltechnik modulierte akustische und/oder fluidtechnische Perforation kann in bevorzugter Weise eine höhere Luftdurchlässigkeit der Bauteile erzielt werden sowie die Akustik der Bauteile verbessert werden. Dies erfolgt durch Reduktion des Schalleintrags und der Schallemission der nachträglich perforierten Faserverbundkunststoff-Bauteile gegenüber den nicht perforierten ursprünglichen Bauteilen. Die Luftdurchlässigkeit der perforierten Bauteile ermöglicht dabei nicht nur, wie bereits beschrieben, eine Klimatisierung oder Temperierung, insbesondere über Interieurteile, wie beispielsweise Zierflächen, sondern ermöglicht auch in vorteilhafter Weise eine zugfreie Be- und Entlüftung, beispielsweise eines Fahrzeuginnenraums.
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Die Verbesserung der Akustik der Faserverbundkunststoff-Bauteile erfolgt insbesondere durch einen oder mehrere der folgenden akustisch wirksamen Prinzipien:
- a) Streuung des am Bauteil reflektierten Schalls,
- b) Absorption von Schall an den Löchern des Bauteils,
- c) Verbesserung des Wirkungsgrades eines auf das Faserverbundkunststoff-Bauteil aufgebrachten Absorbermaterials durch Verlagerung der akustisch harten Reflexionsfläche hinter die Oberfläche des Faserverbundkunststoffbauteils oder hinter das Faserverbundkunststoffbauteil und
- d) akustische Nutzung des Bauraums auf der Rückseite des Faserverbundkunststoffbauteils.
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Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bauteil kann beispielsweise eine aus Faserverbundkunststoff hergestellte Zieroberfläche im Fahrzeuginnenbereich sein. Natürlich sind auch Radhausschalen aus Faserverbundkunststoff-Material denkbar. Darüber hinaus können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise versteifende, aerodynamisch wirksame Faserverbundkunststoff-Unterbodenverkleidungen für Fahrzeuge herstellbar sein. Insbesondere können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens carbonfaserverstärkte Trägermaterialien im Interieurbereich herstellbar sein. Auch sind Hutablagen aus Faserverbundkunststoff-Material denkbar bzw. Faserverbundkunststoffflächen, die als Lautsprecherabdeckungen dienen. Handelt es sich im Interieur- bzw. Exterieurbereich des Fahrzeuges um bereits mittels Elastomer- bzw. Absorberschichten körperschallgedämpfte Bauteile, kann in diese mittels des Verfahrens eine Luftschalldämpfung durch die akustisch und/oder fluidtechnische Perforation integriert werden.
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Als Faserverbundkunststoff (FVK) soll vorliegend sowohl Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) als auch faserverstärkter Kunststoff verstanden werden. Dieser besteht aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix. Dabei umgibt die Matrix die Fasern, die durch Adhäsiv- und/oder Kohäsivkräfte in die Matrix gebunden sind. Als Fasern in dem Faserverbundkunststoff können anorganische Fasern mit amorpher Struktur als auch organische Fasern von der Kunststoffmatrix umgeben sein. Dabei kann es sich beispielsweise um Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern, Plexiglasfasern, als auch metallische Verstärkungsfasern, wie z. B. Stahlfasern, oder Naturfasern, wie z. B. Holzfasern, Flachsfasern, Hanffasern und/oder Sisalfasern handeln. Insbesondere handelt es sich bei den Faserverbundkunststoff-Bauteilen um aus Karbonfaser-verstärktem Kunststoff (CKF) hergestellte Bauteile. Diese Karbonfaser-verstärkten Kunststoffe werden insbesondere für den Leichtbau von Fahrzeugen bei gleichbleibender oder erhöhter Stabilität der Bauteile, beispielsweise der Fahrgastzelle oder anderen tragenden und/oder stabilisierenden Teilen von Fahrzeugen, verwendet.
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Unter dem Begriff „fluidtechnische Perforation“ soll die Durchlässigkeit der Karbon- bzw. der Faserverbundkunststoff-verstärkten Bauteile für Gase oder Flüssigkeiten verstanden werden.
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Die Perforation kann sich über die komplette Fläche des Bauteils oder auch nur über gewisse Bereiche des Bauteils, also über Teilflächen des Bauteils erstrecken. Dabei kann die Perforation in ihrem Lochquerschnitt, Rasterabstand und Rasterungsart anwendungsbezogen angepasst werden.
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Handelt es sich bei dem Faserverbundkunststoff-Bauteil bzw. bei dem karbonfaserverstärkten Bauteil um einen laminierten Wabenkern, d. h. einen Wabenkern, der beidseitig von zwei Deckschichten überdeckt ist, können die Löcher der Perforation deckend oder versetzt in den Deckschichten zueinander ausgenommen werden. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren perforierten Bauteile lassen sich, auch wenn es sich bei den Bauteilen um nachträglich perforierte Bauteile handelt, in Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luft- und Wasserfahrzeugen vorteilhaft einsetzen, um deren akustische- und/oder fluidtechnische Eigenschaften zu verbessern.
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Zur akustischen und/oder fluidtechnischen Perforation eines aus einem Faserverbundkunststoff hergestellten Bauteils wird in vorteilhafter Weise ein Laser und/oder Wasserstrahler verwendet, welcher bzw. welche die Löcher ohne Auflage des Strahlwerkzeuges an oder auf das Bauteil, d. h. kontaktfrei zum Bauteil, in das Faserverbundkunststoff-Bauteil schneiden. Wie bereits beschrieben, lässt sich durch entsprechende Prozesssteuerung sowohl der Querschnitt der Löcher variabel definieren, als auch das Perforationsmuster unabhängig von der Ausgestaltung des Werkzeuges ausbilden.
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Um Wiederholungen bezüglich der Vorteile der Verwendung des Lasers und/oder des Wasserstrahlers zu vermeiden, wird auf die vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Bauteils verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Ausführungsbeispiele die Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 ein Faserverbundkunststoff-Bauteil mit einer Makroperforierung in einer Nahaufnahme,
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2 eine auflichtmikroskopische Detailaufnahme eines Loches der Makroperforierung aus 1, wobei A den Locheintritt und B den Lochaustritt darstellt,
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3 zeigt eine Honeycomb-Sandwichplatte in einer Seitenschnittansicht nach dem Stand der Technik ohne akustische und/oder fluidtechnische Perforation,
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4a–c zeigen erfindungsgemäße Honeycomb-Sandwichplatten in verschiedenen Varianten der Lochung der Deckschichten mit akustischer und/oder fluidtechnischer Perforation und
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5a u. b ein Faserverbundkunststoff-Bauteil in Seitenschnittansicht mit unterschiedlich ausgebildeten Löchern, die in 5b in einer Kavität enden.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel auch nur einmal beschrieben sind.
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1 zeigt ein Faserverbundkunststoff-Bauteil 2, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren akustisch und/oder fluidtechnisch perforiert bzw. moduliert wurde. Dazu weist das Faserverbundkunststoff-Bauteil 2 abschnittsweise Löcher 3 bzw. eine akustische und/oder fluidtechnische Perforation 1 auf. Die Löcher 3 wurden mittels des beschriebenen Verfahrens aus dem Material des Bauteils 2, nämlich aus dem Faserverbundkunststoff, mittels Strahltechnik, vorliegend mittels Laserstrahl, aus dem Faserverbundkunststoff-Bauteil 2 ausgenommen. Dabei sind die Löcher 3 so ausgenommen, dass sie durch die Oberfläche 5 in das Material eintreten und an der der Oberfläche 5 gegenüberliegenden Fläche 6 aus dem Material austreten. Wie der 1 zu entnehmen ist, sind die Löcher 3 bzgl. ihrer Durchmesser am Locheintritt 7 an der Oberfläche 5 des Materials untereinander im Wesentlichen gleich groß. Zudem ist zu erkennen, dass die Oberfläche 5 des Materials aufgrund der kontaktfreien Bearbeitung mit dem Werkzeug ohne Beschädigungsspuren ist. Die vorliegende Perforation 1 ist als ein relativ einfaches Muster in Form eines Rechteckes mit 5 mal 5 Löchern ausgebildet. Aufgrund der hohen Positionier- und Wiederholungsgenauigkeit und kurzen Prozesszeiten ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens das Perforationsmuster jedoch uneingeschränkt variabel.
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Die 2 zeigt eine auflichtmikroskopische Detailaufnahme eines Loches 3 der Perforation 1 aus 1, wobei 2A den Eintritt 7 des Loches 3 an der Oberfläche 5 des Materials und 2B den Austritt 8 des Loches 3 an der der Oberfläche 5 gegenüberliegenden Fläche 6 zeigt. Wie vorteilhaft zu erkennen ist, ist der Durchmesser des Loches 3 bei seinem Austritt 8 aus der der Oberfläche 5 gegenüberliegenden Fläche 6 des Faserverbundkunststoff-Bauteils 2 geringer als der Durchmesser des Loches 3 bei seinem Eintritt 7 an der Oberfläche 5. D. h., dass das Loch 3 mit einem geringen Aufweitungswinkel aus dem Material des Faserverbundkunststoff-Bauteils 2 ausgenommen ist. Zudem ist zu erkennen, dass die Ränder des Loches 3 glatt sind, also keine Ausfransungen aufweisen, wie sie beispielsweise bei der bekannten mechanischen Bearbeitung auftreten. Um das Loch 3 herum, sowohl auf der Seite des Locheintritts 7 als auch auf der Seite des Lochaustritts 8, ist die Oberfläche 5 des Materials unbeschädigt, das heißt, dass keine oder nur geringe Beschädigungen durch Abplatzen der Oberflächen 5 oder 6 des Laminats des Materials, insbesondere bei der Verwendung eines Lasers, auftreten.
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Die 3 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Honeycomb-Sandwichplatte 9 als Faserverbundkunststoff-Bauteil 2 in einer seitlichen Schnittansicht. Die Honeycomb-Sandwichplatte 9 ist eine dreischichtige Verbundkonstruktion in Sandwichbauweise, die aus einer oberen Deckschicht 10, einer unteren Deckschicht 11 und einem Stützkern 12 in Wabenform besteht; sie wird deshalb auch als Wabenkernlaminat-Platte bezeichnet. Die obere und die untere Deckschicht 10 und 11 können ein in den vorherigen Figuren beschriebenes Faserverbundkunststoff-Bauteil 2 umfassen bzw. können im Sinne der vorliegenden Erfindung mit dem Stützkern 12 ein Faserverbundkunststoff-Bauteil 2 bilden. Der Stützkern 12 wird dabei als Honeycomb-Wabe bezeichnet. Sowohl der Stützkern 12 als auch die Deckschichten 10 und 11 können aus Pappe, harzgetränktem Papier, Faserverbundkunststoff oder dünnen Aluminiumfolien hergestellt sein. Natürlich sind auch Materialkombinationen zwischen dem Stützkern 12 und den Deckschichten 10 und 11 möglich. Durch den wabenförmigen Aufbau des Stützkerns 12 in Verbindung mit den Deckschichten 10 und 11, die mit dem Stützkern 12 vorteilhaft verklebt sind, entsteht so eine hohe mechanische Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht, wodurch die Honeycomb-Sandwichplatte 9 u. a. für die Luft-, Bootsbau- und Raumfahrtindustrie attraktiv ist. So werden sog. honeycomb panels beispielsweise in Flugzeugleitwerken und -tragflächen, leichten Schiffsrümpfen, Surfbrettern sowie LKW-Aufbauten eingesetzt. Seit einigen Jahren werden außerdem Polyurethan-Glasfaser- oder Carbonfaser-Wabenkernteile im Automobilbereich als beispielsweise Reserverad-Abdeckungen, Hutablagen, Unterbodenverkleidungen oder Schiebehimmel eingesetzt.
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In üblicher Weise sind die Deckschichten 10 und 11, wie bereits beschrieben, mit dem Stützkern 12 verklebt. Wie in der Seitenschnittansicht in 3 dargestellt, ist die bekannte Honeycomb-Sandwichplatte 9 jedoch nicht akustisch und/oder fluidtechnisch perforiert.
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Die 4A, B und C zeigen eine Honeycomb-Sandwichplatte 9 in verschiedenen Varianten mit akustischer und/oder fluidtechnischer Perforation 1. Dabei zeigt 4A eine Lochung der oberen und der unteren Deckschicht 10 und 11, wobei der Eintritt und Austritt der Löcher 3 der oberen Deckschicht 10 im Wesentlichen deckungsgleich zu dem Eintritt und Austritt der Löcher 3 der unteren Deckschicht 11 liegt. In 4B liegen der Eintritt und Austritt der Löcher 3 der oberen Deckschicht 10 versetzt zu dem Eintritt und Austritt der Löcher 3 der unteren Deckschicht 11. In 4B ist nur die obere Deckschicht 11 gelocht, wobei die Löcher 3 in den durch die Waben des Wabenkerns gebildeten und definierten Kavitäten 4 enden. Insofern ergeben sich unterschiedliche Perforationsmuster durch die gezeigten Varianten. Demnach ist vorliegend als Perforationsmuster nicht nur die flächige Ausgestaltung der zueinander in einem Raster liegenden Löcher 3 zu verstehen, sondern es ist auch die Ausgestaltung der in den 4A–C anhand der Honeycomb-Sandwichplatte 12 dargestellten Lochung, das heißt, die Rasterung der oberen Deckschicht relativ zur Rasterung der unteren Deckschicht zu verstehen. Anstelle des Honeycomb-Stützkerns 12 kann auch eine Elastomerschicht, die von wenigstens zwei Faserverbundkunststoff-Deckschichten 10 und 11 umgeben ist, nämlich wenigstens einer oberen und wenigstens einer unteren Deckschicht 10 und 11, als Sandwichplatte verwendet werden. Natürlich können die in den 4A bis 4C dargestellten Perforationsmuster auch in jedweder Kombination durch das erfindungsgemäße Verfahren in der Honeycomb-Sandwichplatte 9 oder der eine Elastomerschicht umfassenden Sandwichplatte hergestellt werden.
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Die 5A und 5B zeigen zwei Varianten eines aus einem Faserverbundkunststoff hergestellten Bauteils 2 in Form einer monolithischen Platte 13 in einer seitlichen Schnittansicht. Die Platte 13 kann dabei mit oder ohne eine Elastomer-Zwischenschicht ausgebildet sein. In 5A treten die Löcher 3 an der Oberfläche 5 der Platte 13 ein, aber treten an der der Oberfläche 5 gegenüberliegenden Fläche 6 nicht aus. Die Länge der Löcher 3 ist demnach kleiner als die Stärke bzw. Dicke der Platte 13. Aus 5A ist zudem eindrucksvoll zu erkennen, dass sowohl der Querschnittsdurchmesser der Löcher 3 untereinander beim Eintritt an der Oberfläche 5 im Wesentlichen einheitlich ist, als auch der Verlauf der Querschnittsdurchmesser der Löcher 3 über deren Länge im Wesentlichen einheitlich und demnach über die gesamte Länge der Löcher 3 unverändert zu dem Querschnittsdurchmesser der Löcher 3 bei ihrem Eintritt an der Oberfläche 5 des Faserverbundkunststoff-Bauteils 2 ist. In 5B ist im Gegensatz zu den Löchern 3 aus 5A eine Kavität 4 am Ende der Löcher 3 ausgestaltet. Die Kavität 4 entsteht dabei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezielt durch Prozesssteuerung. Dazu wird das Werkzeug, vorliegend erfindungsgemäß das Strahlwerkzeug, so gesteuert, dass mittels Wasserstrahl bzw. vorzugsweise Laserstrahl der Querschnitt des Loches 3 gezielt aufgeweitet wird. Entsprechend ist der Querschnittsdurchmesser des Loches 3 bei Eintritt an der Oberfläche 5 kleiner als am Ende des Loches 3, nämlich kleiner als der Querschnittsdurchmesser der Kavität 4. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann zum ersten Mal gezielt eine Kavität 4 am Ende eines Loches 3 in einem Faserverbundkunststoff-Bauteil 2 ausgebildet werden, wodurch das Verfahren, im Vergleich mit der bekannten mechanischen Bearbeitung, mittels einer Stiftwalze eine zusätzliche Möglichkeit der akustischen und/oder fluidtechnischen Modulation eines Faserverbundkunststoff-Bauteils bietet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Perforation
- 2
- Aus Faserverbundkunststoff hergestelltes Bauteil
- 3
- Loch
- 4
- Kavität
- 5
- Oberfläche des Faserverbundkunststoff-Bauteils 2
- 6
- Der Oberfläche 5 gegenüberliegende Fläche
- 7
- Eintritt Loch 3 an Oberfläche 5
- 8
- Austritt Loch 3 an Fläche 6
- 9
- Honeycomb-Sandwichplatte
- 10
- Obere Deckschicht zu 9
- 11
- Untere Deckschicht zu 9
- 12
- Stützkern zu 9
- 13
- Monolithische Platte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7445839 B2 [0005, 0011]
