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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug und ein faserverstärktes Bauteil.
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Durch eine profilintensive Bauweise lässt sich das Leichtbaupotenzial im Karosseriebau signifikant erhöhen. Insbesondere durch Einsatz von Hohlprofilen aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) lässt sich das Leichtbaupotenzial weiter steigern.
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Die profilintensive Bauweise stellt jedoch hohe Anforderungen an die Verbindungstechnik. Die hochsteifen und dünnwandigen Hohlprofile müssen sich adäquat fügen lassen.
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Durch Integration von speziellen Lasteinleitungselementen („Schotte“) lassen sich große Kräfte besonders gut in das komplex geformte Hohlprofil einleiten. Außerdem wird dadurch das Profil zusätzlich lokal versteift. Dies ist insbesondere bei Profilen mit großen Querschnitten von Vorteil, da die Neigung zum Beulen und Knicken verringert wird.
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Beispielsweise ist es bekannt, Lasteinleitungselemente nachträglich von außen auf CFK-Profile aufzukleben. Weiterhin sind prozessintegrierte Lasteinleitungselemente bekannt, die bereits bei der Herstellung des Faserverbundkörpers mit in ein Formwerkzeug eingelegt werden und sich nach Fertigstellung des Bauteils im Inneren des Hohlprofils befinden. Die Lasteinleitungselemente sind hierbei über eine Art Klebeverbindung an die konsolidierte Kunststoffmatrix angebunden. Als Stand der Technik wird in diesem Zusammenhang auf die Druckschriften
DE 10 2015 222 055 A1 verwiesen.
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Um Kräfte über das Lasteinleitungselement bzw. Schott in das Bauteil einzuleiten muss zuerst die Zugänglichkeit des Schotts von außen sichergestellt werden. Dies kann bei integrierten Lasteinleitungselementen durch punktuelles Abfräsen des Laminats über dem Schott bewerkstelligt werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch nachteilig, da tragende Verstärkungsfasern abgetragen werden. Somit wird der Kraftfluss in den Fasern unterbrochen und muss von den benachbarten Fasern mit übernommen werden. Das Bauteil wird dadurch geschwächt. Zudem sind zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich, um den Korrosionsschutz solcher Bauteile zu gewährleisten.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, das hohes Leichtbaupotential mit möglichst hoher Festigkeit und/oder Steifigkeit besitzt und die voranstehend beschrieben Nachteile nicht oder in geringerem Maße aufweist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Bauteil nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug angegeben mit den Schritten:
- - Anordnen wenigstens eines Lasteinleitungselementes auf einem Kern, wobei das Lasteinleitungselement wenigstens ein Kopplungsmittel zum kraft- und/oder formschlüssigen Koppeln des Lasteinleitungselements mit einem externen Bauteil aufweist,
- - Einbringen eines Faserverdrängerin das Kopplungsmittel, wobei der Faserverdränger eine vom Kern wegweisende Öffnung des Kopplungsmittels abdichtet und mit einem Kopfabschnitt gegenüber dem Kopplungsmittel hervorsteht, der ein kegelförmiges Ende aufweist,
- - Umflechten oder Umwickeln des Kerns sowie des darauf angeordneten und mit dem Faserverdränger versehenen Lasteinleitungselements mit Verstärkungsfasern zur Ausbildung eines Faserhalbzeugs,
- - Infiltrieren des Faserhalbzeugs mit einem Matrixwerkstoff oder Verwenden von mit Matrixwerkstoff vorimprägnierten Verstärkungsfasern und
- - Konsolidieren des Matrixwerkstoffs in einem Werkzeug zur Erzeugung des Fahrzeugbauteils.
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Mit diesem Verfahren wird ein faserverstärktes Bauteil mit integriertem Lasteinleitungselement hergestellt. Hierbei wirkt der Faserverdränger einerseits als Platzhalter und verhindert, dass Matrixwerkstoff in das Kopplungsmittel eindringen kann. Darüber hinaus bewirkt das kegelförmige Ende ein gezieltes Ausbilden des Geflechts bzw. der Faserwicklung um das Kopplungsmittel herum. Die Fasern rutschen von dem kegelförmigen Ende ab und werden umgelenkt, wodurch über dem Bereich des Kopplungsmittels, in welchem der Kopf des Faserverdränger angeordnet ist, weder Fasern noch Matrixwerkstoff vorhanden sind. Nach erfolgter Aushärtung kann allein durch Entfernen des Faserverdränger der Zugang zum Kopplungsmittel freigelegt werden. Vorteilhaft ist daran insbesondere, dass die später im Bauteil tragenden Fasern nicht durchtrennt, sondern lediglich umgelenkt werden. Der Kraftfluss in den Fasern bleibt vorhanden, so dass das Bauteil keine unerwünschte Schwächung erhält. Weiterhin wird durch das Verdrängen der Fasern während des Flecht- bzw. Wickelprozesses ein späterer Arbeitsschritt zum Freilegen des Kopplungsmittels obsolet.
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Als Kern wird vorzugsweise ein Hohlkern, wie z.B. ein Blasformkern verwendet. Jedoch können für das Verfahren ebenso andere Kerne verwendet werden, wie z.B. geschäumte Kerne, welche z.B. im fertigen Bauteil verbleiben. Das Lasteinleitungselement kann nachträglich auf dem Kern angeordnet werden. So können in dem Kern durch die Verwendung von entsprechen geformten Platzhaltern Aussparungen vorgesehen werden, in die das Lasteinleitungselement eingelegt und z.B. durch Kleben fixiert werden kann. Beispielsweise kann der Blasformkern in seiner volumenreduzierten Form an dem Lasteinleitungselement angeordnet und gefüllt werden, z.B. mit Wasser oder Luft, wodurch er seine endgültige Form erhält. Ein solcher Blasformkern wird vorzugsweise nach der Herstellung des faserverstärkten Bauteils entleert und aus dem Bauteil herausgezogen.
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Der Kern kann auch direkt an das Lasteinleitungselement angeformt werden. Hierzu kann das Lasteinleitungselement mit dem Faserverdränger z.B. bereits vor dem Herstellungsprozess des Kerns in einem Kernwerkzeug positioniert werden. Dabei kann der Faserverdränger als Positionierhilfe dienen und in einer entsprechenden Aussparung im Kernwerkzeug platziert werden. Der Kern kann dann in dem Kernwerkzeug z.B. durch ein Schäumverfahren oder als Blaskern aus einem Kunststoff hergestellt werden.
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Ein Lasteinleitungselement ist im Sinne der Erfindung eine geometrische Konstruktion, welche im fertigen Bauteil eine Verstärkung ausbildet, um entsprechend eine Kraftübertragung und Krafteinwirkung in das Bauteil zu verbessern. Das Lasteinleitungselement kann insbesondere ein flächiges, ggf. dreidimensional geformtes Element sein. Das Lasteinleitungselement weist für eine besonders hohe Festigkeit und/oder Steifigkeit beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung aus Stahl, Edelstahl und/oder Aluminium auf oder ist daraus hergestellt. Eine weitere Gewichtsreduktion bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Steifigkeit ergibt sich in einer Ausgestaltung, in der das Lasteinleitungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff, wie z.B. einem faserverstärkten Thermoplast oder Duroplast, gebildet ist.
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Das Lasteinleitungselement weist weiterhin ein Kopplungsmittel auf. Das Kopplungsmittel dient zum kraft-/ und oder formschlüssigen Koppeln des Lasteinleitungselements mit einem externen Bauteil. Insbesondere kann das Kopplungsmittel eine Durchgangsöffnung aufweisen, die bevorzugt als Gewindegang oder Gewindebohrung ausgebildet ist. Das Kopplungsmittel kann, insbesondere wenn das Lasteinleitungselement aus einem Metall ausgebildet ist, direkt im Material des Lasteinleitungselements ausgebildet sein. Das Kopplungsmittel kann auch durch ein separates Element, welches in oder an dem Lasteinleitungselement stoff-, kraft- und/oder formschlüssig fixiert ist, gebildet werden. Beispielsweise kann das Kopplungsmittel durch eine am Lasteinleitungselement fixierte Buchse, vorzugsweise eine Gewindebuchse mit Innengewinde gebildet werden, welche in das Lasteinleitungselement integriert oder an diesem angeordnet ist. Zur sicheren Kopplung kann das Kopplungsmittel insbesondere aus einem Metall, wie z.B. Edelstahl, ausgebildet sein.
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Das Kopplungsmittel dient der Kopplung des Bauteils mit einem weiteren Bauteil. Für die Kraftübertragung kann es vorteilhaft sein, wenn sichergestellt ist, dass die Mantelfläche des faserverstärkten Bauteils bei der Kopplung nicht eingeklemmt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Kopplungsmittel gegenüber dem Lasteinleitungselement vorsteht. Beispielsweise wird das Maß, um welches das Kopplungsmittel zu Beginn gegenüber dem Lasteinleitungselement vorsteht, so bemessen, dass die erforderliche Anzahl an Geflechtlagen oder Wicklungenaufgebracht werden kann und nach dem Infiltrieren und Konsolidieren des Matrixwerkstoffs dennoch ein Überstand des Kopplungsmittels gegenüber der Mantelfläche des fertigen Bauteils gewährleistet ist.
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Der Faserverdränger weist einen Schaft sowie einen daran angeformten Kopfabschnitt auf. Der Faserverdränger dichtet einerseits die Stirnseite und Öffnung des Kopplungsmittels ab und verhindert so, dass Matrixwerkstoff in das Kopplungsmittel gelangt. Hierzu wird der Faserverdränger mit seinem Schaft form- und/oder kraftschlüssig in die Öffnung des Kopplungsmittels eingebracht. Der Kopfabschnitt und ggf. ein zwischen Kopfabschnitt und Stirnfläche des Kopplungsmittels vorgesehenes Dichtmittel bedecken zumindest die Öffnung des Kopplungsmittels und eine daran angrenzende Stirnfläche. Der Faserverdränger kann in das Kopplungsmittel eingebracht werden, bevor oder auch nachdem das Lasteinleitungselement am Kern positioniert wird. Der Faserverdränger ist vorzugsweise aus einem Metall ausgebildet, wie z.B. Aluminium oder Edelstahl.
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Der Kopfabschnitt des Faserverdrängers ist mit einem kegelförmigen Ende ausgebildet, wodurch die Fasern während des Flechtvorgangs vom Kopfende abrutschen und sich um das Kopplungsmittel herumlegen. Als Ende des Kopfabschnitts wird hierbei die dem Schaft gegenüberliegende Seite des Faserverdrängers bezeichnet. Um eine Beschädigung der Fasern zu vermeiden, ist die Spitze des kegelförmigen Endes vorzugsweise abgerundet. Vorzugsweise ist der gesamte Kopfabschnitt kegelförmig ausgebildet, d.h. im eingebauten Zustand grenzt der Fuß des Kegels an das Kopplungsmittel an.
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In Versuchen hat sich gezeigt, dass die größte Einsatzbreite des Faserverdrängers mit durchgängig guter Faserverdrängung erzielt wird, wenn der Kopfabschnitt des Faserverdrängers (inklusive eines eventuell an das kegelförmige Ende angrenzenden zylindrischen Sockels) ein Höhe/DurchmesserVerhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,8 hat und insbesondere ein Höhe/Durchmesser-Verhältnis von 1,5 hat.
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In diesem Zusammenhang ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn das kegelförmige Ende des Kopfabschnitts einen Kegelwinkel im Bereich von 40 Grad bis 60 Grad hat und insbesondere einen Kegelwinkel von 45 Grad hat.
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Ist das Kopplungsmittel mit einem Innengewinde versehen, so kann der Faserverdränger in einer Ausgestaltung an seinem Schaft ein Gewinde aufweisen und in das Kopplungsmittel eingeschraubt werden. Ein ggf. vorgesehenes Dichtmittel ist dann zwischen Anlagefläche des Kopfabschnitts des Faserverdrängers und Stirnfläche des Kopplungsmittels angeordnet.
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Die Faserverstärkung wird vorzugsweise in einem Flechtprozess aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass das Flechtprofil verschnittarm hergestellt werden kann und gleichzeitig hochsteif bei entsprechend niedrigem Gewicht ist. Zur Ausbildung des Geflechts wird der mit dem Lasteinleitungselement versehene Kern mit mehreren Strängen von Verstärkungsfasern umflochten. Es kann eine einzige Geflechtlage aufgebracht werden, vorzugsweise wird der Kern jedoch mehrmals umflochten, z.B. mit drei oder mehr Geflechtlagen. Dies kann beispielsweise mit einer dem Fachmann bekannten Radialflechtmaschine in bekannter Weise erfolgen. Aufgrund des Faserverdrängers werden die Fasern im Bereich des Kopplungsmittels automatisch um das Kopplungsmittel herumgeführt. Die Stirnfläche und Öffnung des Kopplungsmittels wird dabei von Geflecht freigehalten. In Flechtrichtung hinter dem Faserverdränger laufen die Flechtfäden wieder zusammen und das Geflecht wird über den gesamten Kernumfang fortgesetzt. Alternativ ist es jedoch ebenso denkbar, das Faserhalbzeug durch wickeln herzustellen. Hierzu werden ein oder mehrere Lagen von Verstärkungsfasern um den Kern gewickelt, wobei der Faserverdränger wiederum bewirkt, dass die Fasern um das Kopplungsmittel herumgeführt werden.
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Als Verstärkungsfasern werden Endlosfasern verwendet, die in Strängen (Rovings) zusammengefasst sind. Die Art der Verstärkungsfasern ist grundsätzlich nicht beschränkt, es eignen sich Endlosfasern aus z.B. Kohlenstoff-, Glasfasern und Aramidfasern sowie weitere dem Fachmann bekannte Verstärkungsfasern oder auch Hybridrovings. Das Geflecht kann als bi- oder triaxiales Geflecht ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Geflecht gebildet aus mehreren Rovings aus Carbonfasern, die in Längsrichtung des Kerns geführt werden (0 Grad), und mittels Flechtfäden aus Glasfasern eingeflochten werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das Geflecht als biaxiales Geflecht, d.h. ohne eine Verstärkung durch Fäden in Längsrichtung, aus Carbonfasern gebildet.
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Zur Ausbildung des faserverstärkten Bauteils wird der Kern mit dem darauf angeordneten Lasteinleitungselement und dem Faserhalbzeug in ein Werkzeug eingelegt, das als Negativform die äußere Kontur des faserverstärkten Bauteils abbildet.
Wird das Faserhalbzeug durch trockene Fasern ausgebildet, wird durch Injizieren eines Matrixwerkstoffs der Zwischenraum zwischen Kern und Werkzeug ausgefüllt und das Faserhalbzeug getränkt. Werden als Fasern vorimprägnierte Fasern verwendet, die bereits mit einem Matrixwerkstoff imprägniert sind, so kann auf das Infiltrieren des Matrixwerkstoffs verzichtet werden. Nach dem Konsolidieren entsteht ein Kunststoffbauteil, das den Matrixwerkstoff, das eingebettete Faserhalbzeug und das Lasteinleitungselement mit Kopplungsmittel beinhaltet. Das Lasteinleitungselement wird hierbei während der Konsolidierung des Matrixwerkstoffs in der Art einer Klebeverbindung großflächig und stoffschlüssig an den Matrixwerkstoff angebunden.
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Das Infiltrieren und Konsolidieren mit Matrixwerkstoff kann z.B. im Rahmen eines RTM-Prozesses (Resin Transer Molding) oder eines Vakuum-Injektionsverfahrens durchgeführt werden. Beim RTM-Prozess wird der Matrixwerkstoff unter Druck in den Hohlraum des Werkzeugs injiziert, während beim Vakuum-Injektionsverfahren ein Vakuum im Hohlraum des Werkzeugs erzeugt wird, mittels dessen der Matrixwerkstoff in den Hohlraum gesaugt wird. Das Konsolidieren erfolgt unter Druck und Temperatur im geschlossenen Werkzeug.
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Da der Faserverdränger in der Art eines „Platzhalters“ wirkt und von dem Matrixmaterial nicht bedeckt werden soll, weist das Werkzeug an seiner Innenwandung vorzugsweise eine Ausnehmung auf, von der der Faserverdränger bei geschlossenem Werkzeug aufgenommen wird. Vorteilhafter Weise wird durch diese Ausnehmung gleichzeitig in einfacher Art und Weise sichergestellt, dass das Lasteinleitungselement auf dem Kern richtig positioniert ist.
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Bei dem Matrixwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um ein fließfähiges Harz-/Härtersystem, wie z.B. ein Epoxidharz mit entsprechendem Härter.
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Um das Entfernen des Faserverdrängers nach der Konsolidierung des Matrixwerkstoffs zu erleichtern ist vorzugsweise am Kopfabschnitt des Faserverdrängers eine Drehmomentübertragungsaufnahme ausgebildet. Diese kann z.B. durch eine Bohrung quer zur Längsachse des Faserverdrängers gebildet sein, oder am Kopfabschnitt des Faserverdrängers ist z.B. ein Außensechskant oder eine andersartig ausgestaltete Aufnahme vorgesehen, welche es ermöglicht, ein Werkzeug anzusetzen und so ein Drehmoment auf den Faserverdränger aufzubringen und diesen in das Kopplungsmittel hineinzuschrauben bzw. aus dem Kopplungsmittel herauszuschrauben.
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Nach dem Konsolidieren des Matrixwerkstoffs kann es vorgesehen sein, dass der Kern entfernt wird. Wenn es sich bei dem Kern beispielsweise um einen Blasformkörper handelt, so kann dieser entleert und aus dem fertigen Bauteil herausgezogen werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug mit einem Hohlprofil aus einem faserverstärkten Kunststoff und wenigstens einem auf der Innenseite des Hohlprofils angeordneten Lasteinleitungselement. Das Lasteinleitungselement weist ein Kopplungsmittel auf zur kraft-und/oder formschlüssigen Kopplung eines weiteren Bauteils an das Lasteinleitungselement. Das Kopplungsmittel ist durch eine Öffnung im faserverstärkten Kunststoff zugänglich, wobei die Faserverstärkung als ein Geflecht oder eine Wicklung mehrerer Faserstränge ausgebildet ist und die Faserstränge unterbrechungsfrei um die Öffnung weitergeführt sind.
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Das Hohlprofil weist zumindest im Bereich des Lasteinleitungselements einen umlaufend geschlossenen Profilmantel auf, der lediglich durch das Kopplungsmittel durchbrochen ist. Vorzugsweise ist das Hohlprofil ein rohrförmiges Profil, wobei der Begriff rohrförmig keine Beschränkung hinsichtlich der geometrischen Form des Profilquerschnitts beinhalten soll. Die Stirnseiten des Hohlprofils müssen nicht geschlossen sein. Das Hohlprofil ist insofern insbesondere von C-förmigen Profilen zu unterscheiden, die beispielsweise in Schalenbauweise hergestellt sind.
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Mit der voranstehend beschriebenen Ausführung können leichtbaugerechte Architekturen für hoch belastete Anwendungen geschaffen werden, wie z.B. eine Achsanbindung an eine Fahrzeugkarosserie. Das Bauteil kann daher beispielsweise ein Karosseriebauteil sein. Insbesondere ist das Bauteil ein mechanisch hochbelastetes Bauteil, wie z.B. ein Hecklängsträger oder ein Querträger. Ebenso ist es möglich, dass es sich bei dem Bauteil um ein Fahrwerksbauteil handelt, wie z.B. ein Fahrzeug-Radträger. Der Achsschenkel beispielsweise bildet im Automobilbau ein zentrales Bauteil der Radaufhängung. An diesem sind Radführungselemente wie Spurstange, Querlenker, Federbein sowie Radlager befestigt. Hierbei handelt es sich um mechanisch hochbelastete Bauteile.
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Das Bauteil ist insbesondere mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt und erzielt als solches die zum Verfahren beschriebenen technischen Wirkungen und Vorteile.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung. Die voranstehend beschriebenen Merkmale können miteinander, soweit technisch möglich, beliebig kombiniert werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 ein beispielhaftes Lasteinleitungselement mit Faserverdränger,
- 3 eine Draufsicht auf das mit einem Fasergeflecht umflochtene Lasteinleitungselement aus 2 und
- 4A bis 4D verschiedene Ausführungsformen eines Faserverdrängers.
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1 zeigt eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines beispielhaften Verfahrens.
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Zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeugt, wie z.B. eines Hecklängsträgers, wird zunächst ein Kern 1 bereitgestellt und auf diesem wird ein Lasteinleitungselement 2 an einer Stelle positioniert, an der am fertigen Bauteil die Anbindung an ein weiteres Bauteil erfolgen soll. Der in 1 gezeigte Kern 1 ist beispielsweise ein Blasformkern, der direkt an das Lasteinleitungselement 2 angeformt wird.
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2 zeigt ein beispielhaftes Lasteinleitungselement 2. Das Lasteinleitungselement 2 ist beispielsweise ein gewinkeltes flächiges Element aus einem faserverstärkten Kunststoff und weist zur späteren Anbindung an das weitere (nicht dargestellte) Bauteil ein Kopplungsmittel 3 auf, das formschlüssig in den faserverstärkten Kunststoff des Lasteinleitungselements 2 eingebunden ist. Das Kopplungsmittel 3 ist beispielsweise eine Gewindebuchse aus Edelstahl mit Innengewinde. Die Gewindebuchse 3 ist höher als die Wandstärke des Lasteinleitungselements 2 und steht gegenüber diesem hervor, und zwar in eine Richtung, die später vom Kern wegweisend ist. An der vom Kern wegweisenden Stirnseite ist das Kopplungselement 3 durch einen Faserverdränger 4 bedeckt. Der Faserverdränger 4 (siehe auch 4A) ist aus einem Metall ausgebildet und weist einen Schaft 5 mit einem angeformten Kopfabschnitt 6 auf. Der Schaft 5 ist mit einem Außengewinde versehen und in das Innengewinde des Kopplungsmittels 3 eingeschraubt. Der Kopfabschnitt 6 überdeckt die an die Öffnung angrenzende Stirnfläche des Kopplungsmittels und dichtet die Öffnung des Kopplungsmittels 3 ab. Hierzu ist ein Dichtmittel 7, beispielsweise in Form eines Kupfer-Dichtrings, zwischen Kopfabschnitt 6 und Stirnfläche des Kopplungsmittels 3 angeordnet.
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Im nächsten Schritt wird der Kern 1 mit dem darauf angeordneten Lasteinleitungselement 2 umflochten und so ein den Kern und das Lasteinleitungselement umschließendes Fasergeflecht 8 ausgebildet. Hierzu wird der Kern 1 z.B. in einer (nicht dargestellten) Radialflechtmaschine angeordnet. Wird nun der Kern 1 umflochten und das Flechtwerk gelangt in Höhe des Kopplungsmittels 3, so werden die Fasern von dem kegelförmigen Kopfende des Faserverdrängers 4 verdrängt. Genauer gesagt rutschen die Fasern ab und werden um das Kopplungsmittel 3 bzw. die Buchse herumgelegt. Hierdurch wird in dem Fasergeflecht 8 eine Aussparung erzeugt, ohne dass die Faserstränge unterbrochen werden. Der Flechtvorgang wird weiter fortgeführt bis zum Ende des Kerns 1. Gegebenenfalls wird der so umflochtene Kern 1 noch mehrmals durch die Radialflechtmaschine geführt, um mehrere übereinander liegende Geflechtlagen auszubilden.
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3 zeigt in einer Draufsicht eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fasergeflechts 8 im Bereich des Faserverdrängers 4. Das Fasergeflecht 8 wird gebildet aus mehreren Fasersträngen 80 in Form von Carbon-Rovings, die in Längsrichtung des Kerns geführt werden. Diese werden mit mehreren Fasersträngen 82 in Form von Glasfaserrovings verflochten. Im Bereich des Faserverdrängers rutschen die Faserstränge 80 und 82 von dem kegelförmigen Kopfabschnitt 6 ab und legen sich um das Kopplungsmittel 3. Wie aus der schematischen Darstellung zu erkennen, kommt es hierdurch an der Umfangsfläche des Kopplungsmittels 3 zu einer Art Faseransammlung und daraus resultierend zu einer höheren Faserdichte als im restlichen Fasergeflecht 8. Vorzugsweise wird die Höhe des Kopplungsmittels 3, um die es gegenüber dem Lasteinleitungselement 2 vorsteht, so gewählt, dass eine spätere Kopplung mit einem weiteren Bauteil möglich ist, ohne die um das Kopplungsmittel 3 umgelenkten Faserstränge 80, 82 bzw. das dann an dieser Stelle vorhandene faserverstärkte Kunststoffmaterial einzuklemmen.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Fasergeflecht 8 dann mit einem Matrixwerkstoff infiltriert. Dies kann beispielsweise in einem RTM-Verfahren erfolgen. Der umflochtene Kern 1 (mit dem eingeflochtenen Lasteinleitungselement 2 und dem Faserverdränger 4) wird in ein Werkzeug 9 eingelegt, dessen Kavität weitestgehend die spätere Außenkontur des herzustellenden faserverstärkten Bauteils abbildet. Hierbei kann der Faserverdränger 4 vorzugsweise auch als Positionierhilfe dienen. Der Faserverdränger 4 kann z.B. mit seinem Kopfabschnitt 6 bei geschlossenen Werkzeug 9 in eine im Werkzeug 9 vorgesehene Aussparung 10 eingreifen, wodurch einerseits sichergestellt ist, dass das Lasteinleitungselement 2 richtig positioniert ist und andererseits verhindert wird, dass Matrixwerkstoff den Faserverdränger 4 überdeckt.
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Nach dem Schließen der beiden Werkzeughälften 11, 12 des Werkzeugs wird beispielsweise ein System aus Epoxidharz und Härter mittels eines Einfüllsystems 13 in den Zwischenraum zwischen Kern 1 und Werkzeug 8 unter Druck injiziert. Durch ein Aufheizen des Werkzeugs 8, wozu eine entsprechend temperierte Flüssigkeit durch Heizrohre 14 geleitet wird, wird der Matrixwerkstoff konsolidiert bzw. ausgehärtet.
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Anschließend kann das faserverstärkte Bauteil dem Werkzeug 9 entnommen werden. Der Faserverdränger 4 wird aus dem Kopplungsmittel 3 herausgeschraubt. Hierzu ist am Kopfabschnitt 6 des Faserverdrängers 4 eine Drehmomentaufnahme 15 vorgesehen. Der Kern 1 kann ebenso dem fertigen Bauteil entnommen werden.
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Die 4A bis 4D zeigen beispielhafte Ausgestaltungen von Faserverdrängern. Der Faserverdränger 4 in 4A hat einen mit einem Außengewinde versehenen zylindrischen Schaft 5 und einen daran angeformten Kopfabschnitt 6. Gemäß 4A ist nicht nur ein Ende des Kopfabschnitts 6, sondern der gesamte Kopfabschnitt 6 kegelförmig ausgebildet, wobei die Spitze des Kegels gerundet ist, um eine Beschädigung der Fasern beim Flechten zu vermeiden. Die Drehmomentaufnahme 15 ist bei diesem Beispiel durch ein quer zur Längsachse des Faserverdrängers 4 angeordnetes Loch im Kopfabschnitt 6 gebildet, in das ein Stift o.ä. eingesteckt werden kann, um den Faserverdränger 4 in ein Gewinde hinein- oder aus dem Gewinde herauszuschrauben. Der Kopfabschnitt 6 weist weiterhin eine zum Schaftende gerichtete Dichtfläche 16 auf, an der ein schraffiert dargestelltes Dichtmittel 7, z.B. ein Dichtring aus Kupfer, anordnenbar ist. Beim Einschrauben des Faserverdrängers 4 in das Kopplungsmittel 3 wird so eine sichere Abdichtung der Öffnung des Kopplungsmittels 3 erzielt und ein Eindringen von Matrixwerkstoff verhindert.
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Bei der in 4B gezeigten alternativen Ausgestaltung eines Faserverdrängers 4A geht ein kegelförmiger Endabschnitt 17A des Kopfabschnitts 6A in einen zylinderförmigen Kragen 18 über. Von der dem Schaft zugewandten Seite ist in dem Kragen eine ringförmige Nut 19 vorgesehen, in der beispielsweise ein O-Ring als Dichtmittel 7 anordnenbar ist.
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Die 4C und 4D zeigen Faserverdränger 4B und 4C mit alternativen Ausgestaltungen der Drehmomentübertragungsaufnahme 15, wobei diese gemäß 4C als Außensechskant 15B unterhalb eines kegelförmigen Endabschnitts 17B und gemäß 4D durch zwei einander gegenüberliegende plane Flächen 15C in dem kegelförmigen Endabschnitt 17C gebildet ist.
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In Versuchen hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Kopfabschnitt 6, 6A, 6B, 6C des Faserverdrängers 4, 4A, 4B, 4C ein Höhe/ DurchmesserVerhältnis H/D im Bereich von 1,2 bis 1,8 oder ein Höhe/Durchmesser-Verhältnis von 1,5 hat. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das kegelförmige Ende 17A, 17B, 17C des Kopfabschnitts 6, 6A, 6B, 6C einen Kegelwinkel α im Bereich von 40 Grad bis 60 Grad und insbesondere einen Kegelwinkel α von 45 Grad hat.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die voranstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So kann der Kern zur Herstellung der Faserverstärkung mit Fasern umwickelt werden. Auch können vorimprägnierte Fasern verwendet werden, so dass der Schritt des Infiltrierens des Matrixwerkstoffs entfallen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kern
- 2
- Lasteinleitungselement
- 3
- Kopplungsmittel
- 4, 4A, 4B, 4C
- Faserverdränger
- 5
- Schaft
- 6
- Kopfabschnitt
- 7
- Dichtmittel
- 8
- Fasergeflecht
- 9
- Werkzeug
- 10
- Aussparung
- 11, 12
- Werkzeughälften
- 13
- Einfüllsystem
- 14
- Heizrohre
- 15, 15B, 15C
- Drehmomentaufnahme
- 16
- Dichtfläche
- 17A, B, C
- kegelförmiger Endabschnitt
- 18
- Kragen
- 19
- Nut
- 80, 82
- Faserstränge
- D
- Durchmesser Kopfabschnitt
- H
- Höhe Kopfabschnitt
- α
- Kegelwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015222055 A1 [0005]
