WO2019120805A1 - Faserverstärktes kunststoffbauteil mit kunststoffschaumstruktur - Google Patents

Faserverstärktes kunststoffbauteil mit kunststoffschaumstruktur Download PDF

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Johannes Staeves
Thomas Hogger
Joachim Starke
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B62D29/002—Superstructures, understructures, or sub-units thereof, characterised by the material thereof characterised by combining metal and synthetic material a foamable synthetic material or metal being added in situ

Definitions

  • the invention relates to a fiber-reinforced plastic component with a plastic foam structure, which forms a three-dimensional component plastic body.
  • the fiber-reinforced plastic component is primarily intended for use in motor vehicles where noise is to be minimized and outstanding behavior in the event of a crash is desired.
  • Fiber-reinforced plastic components have been used for many years in various areas of technology, including intensive automotive engineering. They have a high level of lightweight construction potential and, compared to other materials, such as metals or unreinforced plastics, can absorb high tensile forces through the incorporated fibers.
  • weight-specific advantages of fiber-reinforced plastics Best used if the fibers in the matrix material are designed to fit the load path, which requires a stress-resistant construction of the material.
  • Reinforcing fiber rods are used in the art of fiber composite components and differ from fiber sheets or fiber fabrics in that they are formed by a plurality of unidirectional fibers, i. H. are brought by the fibers in a predetermined rod shape.
  • a rod cross-sectional shape here are mostly round, square or hexagonal rods with a flea width ratio greater than or equal to 1/10 used, in particular, the fiber rods have a dimension in a non-circular cross-section of at least 3mm x 3mm. Lower height-to-width ratios are not a shaped fiber rod but are types of scrim.
  • the invention is therefore based on the object of providing a fiber-reinforced plastic component which has improved crash behavior and improved acoustics at lower tooling costs.
  • a fiber-reinforced plastic component with a component plastic body which determines at least parts of a plastic component.
  • the plastic component comprises at least one server-reinforced rod, which is arranged in particular embedded in the component plastic body.
  • the component plastic body is at least partially formed from plastic foam and encloses the at least one fiber-reinforced rod at least partially positive fit, ie the at least one reinforcing fiber rod is at least partially foamed from the expanded plastic foam.
  • Plastic foam as used herein includes any foam-like plastic structure, including polyurethane foam, thermosplastic foam (TSG), thermosetting foam (e.g., epoxy resin), porous, fixed nonwoven materials.
  • TSG thermosplastic foam
  • thermosetting foam e.g., epoxy resin
  • the plastic foam has a lower density compared to plastic-rich materials and therefore a lower weight.
  • the component plastic body can be deformed, without splintering.
  • a sufficiently high rigidity can be generated for the insert.
  • the plastic foam also absorbs noise and thus promotes improved acoustics.
  • the foam structure of the plastic foam can be formed in one embodiment by honeycomb.
  • the plastic foam itself forms a honeycomb structure, in particular a folded honeycomb structure, which ensures a favorable force absorption
  • an alternative of the fiber-reinforced plastic component provides that it has at least one metallic reinforcing element and / or at least one plastic reinforcing element which is / are formed as a Krafteili processing element of the plastic component.
  • Such reinforcing elements can be formed, for example, by plates.
  • power line elements for example, sockets are used.
  • the fiber-reinforced plastic component may have planar reinforcing elements of fiber-reinforced plastic.
  • the plastic foam is formed by expanded polypropylene (EPP) or extruded thermoplastic foam (XPP) or thermoplastic foamed foam (block foam) or expanded polystyrene (EPS).
  • carbon fiber rods with a plastic matrix are used as reinforcing rods.
  • a plastic matrix in particular a polypropylene matrix.
  • a refinement of the fiber-reinforced plastic component is additionally characterized in that it has an outer lamination, for example a decoration or a textile, on at least one outer side or with a high-gloss surface, e.g. coated with a PU varnish or a foil ..
  • An embodiment of the fiber-reinforced plastic component is characterized in that the plastic foam completely surrounds the at least one reinforcing fiber rod in the circumferential direction and along its axial extent.
  • the fiber-reinforced plastic component has a multiplicity of reinforcing fiber rods, which are partially foamed in each case by the component plastic body or completely enclosed by plastic foam.
  • the component plastic body made of plastic foam can thus be formed either only between the reinforcing fiber rods or these completely enclosing.
  • the multiplicity of reinforcing fiber rods are arranged in a framework to one another.
  • the framework can lie two-dimensionally within a plane lie gene or three-dimensionally be formed as a spatial structure, wherein the Reinforcing fiber rods each generate corresponding half-timbered nodes at their connection points. This favors a load path-oriented arrangement or alignment of the reinforcing fiber rods.
  • the component plastic body additionally has an injection-molded structure made of plastic, via which the plurality of reinforcing fiber rods is connected.
  • the injection-molded structure can thereby produce a carrier structure to which the reinforcing fiber rods are attached.
  • the injection-molded structure may have a framework structure corresponding to that of the reinforcing fiber rods, so that the reinforcing fiber rods and the injection-molded structure are at least partially overlapping.
  • an embodiment variant is advantageous in which the injection-molded structure has attachment means which are designed as the force-conducting line elements and also as force introduction points.
  • attachment means to the injection-molded structure are receptacles, sockets, loops, threads or tapped holes, Flintergriffe and the like are used.
  • the fiber-reinforced plastic component can be fastened to the vehicle frame, for example, via the attachment means. Because the reinforcing fiber rods are connected to the injection-molded structure, the introduction of force takes place via the attachment means onto the injection-molded structure and thus onto the reinforcing fiber rods.
  • the injection-molded structure is at least partially, but preferably completely foamed plastic body of the plastic foam of the component.
  • Such a fiber-reinforced plastic component can be produced, for example, by first injection-molding the injection-molded structure onto the reinforcing fiber rods and then foaming the component plastic body in a spatially predetermined manner on or around the reinforcing fiber rods and then curing.
  • the plastic foam is preferably formed by a spatial structure, in particular in an additive manufacturing process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffbauteil umfassend einen Bauteilkunststoffkörper, der zumindest Teile eines Kunststoffbauteils bestimmt, und mindestens einen faserverstärkten Stab, wobei der Bauteilkunststoffkörper zumindest teilweise aus Kunststoffschaum gebildet ist und den mindestens einen faserverstärkten Stab zumindest teilweise formschlüssig umschließt.

Description

Faserverstärktes Kunststoffbauteil mit Kunststoffschaumstruktur
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer Kunst- stoffschaumstruktur, die einen dreidimensionalen Bauteil kunststoffkörper bildet. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil dient vornehmlich zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, bei denen Geräusche zu minimieren sind und ein her- vorragendes Verhalten im Crashfall gewünscht wird.
Faserverstärkte Kunststoffbauteile werden seit vielen Jahren in verschiede- nen Bereichen der Technik, u.a. auch intensiv im Automobilbau eingesetzt. Sie besitzen ein hohes Leichtbaupotenzial und können im Vergleich zu an- deren Werkstoffen, wie beispielsweise Metallen oder unverstärkten Kunst- stoffen, durch die eingearbeiteten Fasern hohe Zugkräfte aufnehmen. Da- bei sind die gewichtsspezifischen Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen am besten nutzbar, wenn die Fasern im Matrixmaterial lastpfadgerecht ausgelegt sind, was eine belastungsgerechte Konstruktion des Werkstoffs voraussetzt.
Verstärkungsfaserstäbe werden in der Technik von Faserverbundbauteilen eingesetzt und unterscheiden sich von Faserlagen oder Fasergeweben dadurch, dass sie durch eine Vielzahl von in einer Richtung durchgehenden Fasern geformt sind, d. h. durch die Fasern in eine vorbestimmte Stabform gebracht sind. Als Stabquerschnittsform werden hierbei zumeist runde, viereckige oder sechseckige Stäbe mit einem Flöhen-Breitenverhältnis von größer oder gleich 1/10 verwendet, insbesondere weisen die Faserstäbe eine Abmessung in einem nicht-runden Querschnitt von mindestens 3mm x 3mm auf. Bei geringeren Höhen-Breitenverhältnissen handelt es sich nicht um einen geformten Faserstab, sondern um Arten von Gelege.
Für die Verwendung von Faserstäben zeigte sich auch eine Verwendung in einer Skelettbauweise mit anschließender Spritzgussbearbeitung zur Bau- teilfertigung als vorteilhaft, jedoch sind die Investitionskosten für die Werk- zeuge zur Herstellung derartiger Bauteile vergleichsweise hoch. Zudem werden Kunststoffe spröde und bieten ein eingeschränkt günstiges Crash- verhalten. Auch bezüglich der Akustik sind herkömmliche Faserverbund- bauteile verbesserungsfähig.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bereit zu stellen, das ein verbessertes Crashverhalten und eine verbesserte Akustik bei geringeren Werkzeugkosten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentan- spruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem Bauteilkunststoffkörper vorgeschlagen, der zumindest Teile eines Kunst- stoffbauteils bestimmt. Das Kunststoffbauteil umfasst mindestens einen fa- serverstärkten Stab, der insbesondere in dem Bauteilkunststoffkörper ein- gebettet angeordnet ist. Der Bauteilkunststoffkörper ist zumindest teilweise aus Kunststoffschaum gebildet und umschließt den mindestens einen fa- serverstärkten Stab zumindest teilweise formschlüssig, d.h. der mindestens eine Verstärkungsfaserstab ist von dem expandierten Kunststoffschaum zumindest abschnittsweise unmittelbar umschäumt.
Als Kunststoffschaum ist vorliegend jede schaumartige Kunststoffstruktur umfasst, inklusive Polyurethanschaum, thermosplastischer Schaum (TSG), duroplastischer Schaum (z.B. aus Epoxidharz), poröse fixierte Vliesmateria- lien.
Der Kunststoffschaum weist gegenüber Kunststoffvollmaterialen eine gerin- gere Dichte und mithin ein geringeres Gewicht auf. Im Crashfall kann der Bauteilkunststoffkörper deformiert werden, ohne zu Splittern. Durch den mindestens einen Verstärkungsfaserstab ist jedoch eine ausreichend hohe Steifigkeit für den Einsatz erzeugbar. Der Kunststoffschaum absorbiert zu- dem Geräusche und fördert somit eine verbesserte Akustik.
Die Schaumstruktur des Kunststoffschaums kann in einer Ausführung durch Waben gebildet werden. Zudem ist in einer vorteilhaften Variante vorgese- hen, dass der Kunststoffschaum selbst eine Wabenstruktur, insbesondere eine Faltwabenstruktur ausbildet, die eine günstige Kraftaufnahme gewähr- leistet
Zudem sieht eine Alternative des faserverstärkten Kunststoffbauteils vor, dass es mindestens ein metallisches Verstärkungselement und/oder min- destens ein Kunststoffverstärkungselement aufweist, das/die als Krafteilei tungselement des Kunststoffbauteils ausgebildet ist/sind. Derartige Verstär- kungselemente können beispielsweise durch Platten gebildet werden. Als Krafteileitungselemente kommen beispielsweise Buchsen zum Einsatz. Zu- dem kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil flächige Verstärkungsele- mente aus faserverstärktem Kunststoff aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des faserverstärkten Kunststoff- bauteils ist der Kunststoffschaum durch expandiertes Polypropylen (EPP) oder extrudierten Thermoplastschaum (XPP) oder thermoplastisch ge- schäumten Schaum (Blockschaum) oder expandiertes Polystyrol (EPS) ge- bildet. Als Verstärkungsstäbe kommen insbesondere Kohlefaserstäbe mit einer Kunststoffmatrix, insbesondere einer Polypropylenmatrix zur Anwen- dung. Durch Nutzung desselben Materials beim Schaum und der Matrix ist ein guter Stoffschluss gewährleistbar. Der Bauteilkunststoffkörper bildet zumindest einen Teil der Endform des zu fertigenden faserverstärkten Kunststoffbauteils ab.
Eine Weiterbildung des faserverstärkten Kunststoffbauteils ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass es auf zumindest einer Außenseite eine Au- ßenkaschierung, beispielsweise ein Dekor oder ein Textil aufweist oder mit einer Hochglanzfläche, z.B. einem PU-Lack oder einer Folie überzogen ist..
Ein Ausführungsbeispiel des faserverstärkten Kunststoffbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum den mindestens einen Ver- stärkungsfaserstab in Umfangsrichtung und entlang seiner Axialerstreckung vollständig umschließt.
In einer vorteilhaften Ausführung weist das faserverstärkte Kunststoffbauteil eine Vielzahl von Verstärkungsfaserstäben auf, die jeweils durch den Bau- teilkunststoffkörper teilweise eingeschäumt oder vollständig durch Kunst- stoffschaum umschlossen ist. Der Bauteilkunststoffkörper aus Kunststoff- schaum kann somit entweder nur zwischen den Verstärkungsfaserstäben oder diese vollständig einschließend ausgebildet sein.
In einer bezüglich der Krafteinleitung und Kraftverteilung im faserverstärk- ten Kunststoffbauteil vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Vielzahl der Verstärkungsfaserstäbe in einem Fachwerk zueinander ange- ordnet ist. Das Fachwerk kann zweidimensional innerhalb einer Ebene lie gen oder dreidimensional als Raumstruktur ausgebildet werden, wobei die Verstärkungsfaserstäbe jeweils miteinander entsprechende Fachwerkskno- ten an ihren Verbindungspunkten erzeugen. Dies begünstigt eine lastpfad- gerechte Anordnung bzw. Ausrichtung der Verstärkungsfaserstäbe.
In einer weiteren Weiterbildung des faserverstärkten Kunststoffbauteils weist der Bauteilkunststoffkörper zusätzlich eine Spritzgussstruktur aus Kunststoff auf, über die die Vielzahl der Verstärkungsfaserstäbe verbunden wird. Die Spritzgussstruktur kann dabei eine Trägerstruktur erzeugen, an der die Verstärkungsfaserstäbe befestigt werden. Zudem kann die Spritz- gussstruktur eine Fachwerkstruktur entsprechend derjenigen der Verstär- kungsfaserstäbe aufweisen, so dass die Verstärkungsfaserstäbe und die Spritzgussstruktur sich zumindest teilweise überlagernd ausgebildet sind. Ferner ist eine Ausführungsvariante vorteilhaft, bei der die Spritzgussstruk- tur Anbindungsmittel aufweist, die als die Krafteileitungselemente und mit- hin als Krafteinleitungspunkte ausgebildet sind. Als Anbindungsmittel an der Spritzgussstruktur kommen Aufnahmen, Buchsen, Ösen, Gewinde oder Gewindebohrungen, Flintergriffe und der dergleichen zum Einsatz. Über die Anbindungsmittel kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil beispielsweise am Fahrzeugrahmen befestigt werden. Dadurch, dass die Verstärkungsfa- serstäbe mit der Spritzgussstruktur verbunden sind, erfolgt die Krafteinlei tung über die Anbindungsmittel auf die Spritzgussstruktur und mithin auf die Verstärkungsfaserstäbe.
Als günstige Ausführung ist ferner vorgesehen, dass die Spritzgussstruktur zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig von dem Kunststoff- schaum des Bauteil kunststoffkörpers umschäumt ist.
Fierstellbar ist ein derartiges faserverstärktes Kunststoffbauteils beispiels- weise dadurch, dass zunächst die Spritzgussstruktur an die Verstärkungs- faserstäbe angespritzt und anschließend der Bauteilkunststoffkörper in räumlich vorbestimmter Weise an oder um die Verstärkungsfaserstäbe ge- schäumt wird und anschließend aushärtet. Der Kunststoffschaum wird vor- zugsweise durch eine Raumstruktur, insbesondere in einem Additive- Manufacturing-Verfahren gebildet.
* * * * *

Claims

Patentansprüche
1. Faserverstärktes Kunststoffbauteil umfassend einen Bauteilkunststoff- körper, der zumindest Teile eines Kunststoffbauteils bestimmt, und mindes- tens einen faserverstärkten Stab, wobei der Bauteil kunststoffkörper zumin- dest teilweise aus Kunststoffschaum gebildet ist und den mindestens einen faserverstärkten Stab zumindest teilweise formschlüssig umschließt.
2. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass mehrere, räumlich zueinander angeordnete faserverstärkte Stäbe vorgesehen sind.
3. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die faserverstärkten Stäbe zueinander zumindest teilweise in einer Fachwerkstruktur angeordnet und miteinander verbunden sind.
4. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein metallisches Verstär- kungselement und/oder mindestens ein Kunststoffverstärkungselement aufweist, das/die als Krafteileitungselement des Kunststoffbauteils ausge- bildet ist/sind.
5. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum eine Wabenstruktur, insbesondere eine Faltwabenstruktur ausbildet.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum durch expandiertes Polypropylen (EPP) oder extrudierten Thermoplastschaum (XPP) oder thermoplastisch geschäumten Schaum (Blockschaum), expandiertes Poly- styrol (EPS), einen duroplastischen Schaum (PUR) oder ein poröses fixier- tes Vliesmaterial gebildet ist.
6. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum durch eine Ra um Struktur, insbesondere in einem Additive-Manufacturing-Verfahren gebildet ist.
7. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es flächige Verstärkungselemente aus fa- serverstärktem Kunststoff aufweist.
8. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es auf zumindest einer Außenseite eine Au- ßenkaschierung aufweist.
9. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum den mindestens einen Verstärkungsfaserstab vollständig umschließt.
10. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Verstär- kungsfaserstäben aufweist, die jeweils von dem Bauteilkunststoffkörper umschlossen sind.
11. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Verstärkungsfaserstäben durch den expandierten Kunststoffschaum des Bauteilkunststoffkörpers verbunden ist, wobei der expandierte Kunststoffschaum zwischen der Viel- zahl von Verstärkungsfaserstäben ausgebildet ist oder die Vielzahl von Verstärkungsfaserstäben jeweils vollständig umschließt.
12. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach zumindest einem der vorigen beiden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilkunststoffkör- per zusätzlich eine Spritzgussstruktur aufweist, welche die Vielzahl der Ver- stärkungsfaserstäbe verbindet.
13. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussstruktur Anbindungsmittel aufweist, die als Krafteinleitungspunkte für das Kunststoffbauteil ausgebil- det sind.
14. Faserverstärktes Kunststoffbauteil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 12 bis 113 dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussstruktur zumindest teilweise von dem expandiertem Kunststoffschaum des Bauteil- kunststoffkörpers umschäumt ist.
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