WO2013160208A1

WO2013160208A1 - Bauteil aus kunststoff

Info

Publication number: WO2013160208A1
Application number: PCT/EP2013/058201
Authority: WO
Inventors: Johann Dudkowiak; David Keller
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2014-10-27
Also published as: DE102012207118A1

Description

Bauteil aus Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Kunststoff für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Es sind bereits Bauteile aus Kunststoff bekannt, die Inserts aus anderen Werkstoffen besitzen, meist um darüber weitere kraftübertragende Bauteile an das Kunststoffbauteil anzubinden. Die Inserts dienen dazu, über eine große Oberfläche Kräfte in das Kunststoffbauteil einzuleiten, damit dieses nicht durch örtliche Überbeanspruchung zerstört wird. Deshalb sind Inserts meist aus einem Werkstoff, der örtlichen Belastungen besser standhalten kann als der verwendete Kunststoff für das Kunststoffbauteil. Als Werkstoff für solche Inserts wird oft Metall verwendet, insbesondere Leichtmetall.

Anforderungen an einen Kunststoffbauteil kommen aus den Bereichen Festigkeit, Dämpfung, Akustik (Eigenfrequenz), Wärmemanagement, Gewicht und Kosten. Dabei sind Bauteile aus Aluminium bei Gewicht, Kosten und Eigendämpfung gegenüber Bauteilen aus Kunststoff im Nachteil, während letztere gegenüber Aluminium weniger Steifigkeit aufweisen.

Ein Kunststoffbauteil mit Metall-Inserts ist aus der Deutschen Patentschrift PS 32 43 897 bekannt. Diese beschreibt einen zweiarmigen Kipphebel aus einem mit Kohlefasem verstärkten Harz, mit einer in der Harzmasse eingebetteten metallischen Lagerbuchse als Insert, als hochfesten und leichtgewichtigen Kippbebel, welcher für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsmotoren geeignet ist. Nach dem Stand der Technik wurden als Beispiel Kohlefaser-Stränge, von denen jeder ein Bündel von 12 000 Einzelfäden (HTA-7-12 000 der Toho Beslon Co., Ltd. mit einem Durchmesser von 7 Mikrometer, einer Zugfestigkeit von 350 kg/crr>2 und einem Zugmodul von 24000 kg/mm2 umfasst, wurden in eine Länge von ungefähr 3 cm geschnitten. Die geschnittenen Stränge wurden in eine Kipphebelform eingegeben und zwar in Richtung der Z-Achse. Sie wurden auf solche Weise gepackt, dass sie willkürlich in X- Y- und X- Y'-Ebene ausgerichtet bzw. orientiert waren. Zur selben Zeit wurde ein Nockenkissen aus Gusseisen an der Nockenkontaktfläche angebracht, eine

runde Aluminiumstange (16 mm im Durchmesser) am Einstellschraubenbefestigungsbereich und ein Aluminium- rohr (Innendurchmesser von 16mm und Aussendurchmesser von 22 mm) im Umfang des Kippwellenloches angebracht. Das Aluminiumrohr wurde durch eine Rundstange (16 mm) am Ort gehalten und an beiden Enden der Form abgestützt. Die Kohlefasern wurden dann mit Q-1 01 Epoxyharz auf einen Harzgehalt von 42 Gew.-% imprägniert. Das Gemisch wurde gehärtet und dann gekühlt. Nach dem Entformen wurde ein Kipphebel mit drei metallischen Einsätzen erhalten. Das Produkt hatte einen Harzgehalt von 55 VoL- %. ein cos2a von 0,957 und ein cos2b von 0,970. Das Gewicht des erfindungsgemäßen Kipphebels betrug ungefähr die Hälfte des Gewichts des herkömmlichen Produktes und die Festigkeit des erfindungsgemäßen Produktes ist nahezu verdoppelt.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, Kunststoffbauteile mit Inserts bereitzustellen, bei denen das Verhältnis von Gewicht und Festigkeit noch günstiger ist und die kostengünstig gefertigt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nach der Erfindung ist ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen ersten Abschnitt aus einem wenigstens aus Kunststoff bestehenden Basismaterial und mindestens einen zweiten Abschnitt aus einem Verstärkungsmaterial für das Basismaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt aus faserverstärktem Kunststoff besteht und form- und/oder kraftschiüssig mit dem ersten Abschnitt verbunden ist und eine höhere Festigkeit besitzt als dieser.

Die zweite Abschnitt bildet hier vorteilhafterweise ein Insert aus faserverstärkten Kunststoffen, zum Beispiel als pultrudierte Komponente, form- und/oder kraftschlüssig verbunden mit dem ersten Abschnitt aus Basismaterial, dessen Fasern hauptsächlich in einer Richtung angeordnet sind. Dies bedingt für das Insert höhere Festigkeit und höhere Tragfähigkeit in Belastungsrichtung gegenüber dem Trägermaterial des ersten Abschnitts. Die Inserts sollen im Basismaterial so ausgerichtet sein, dass die Druckbelastung vorteilhafterweise in der Faserrichtung erfolgen kann. Durch die Nutzung der hohen Festigkeiten und Steifigkeit, sowie der geringen Wärmeausdehnung der Faser in der Längsrichtung wird ein negatives Setzverhalten verhindert. Außerdem können, um das Fließen der Inserts in der Querrichtung zu verhindern, diese vorteilhafterweise um den Kern aus längsangeordneten Fasern mit Endlosfasern umwickelt oder umflochten sein. Es ist auch eine Kombination verschiedener Schichten möglich. Das so genannte Querfließen der Inserts wird auch vorteilhafterweise durch entsprechende Einbettung der Inserts im ersten Abschnitt verhindert, in dem die Fasern so gewählt werden, dass eine radiale Stabilität der Inserts erreicht wird. Vielfältige Verarbeitungsverfahren erlauben dem Konstrukteur so die Gestaltung optimaler Strukturen bei gleichzeitiger Gewichts- und Kostenreduzierung. Dadurch, dass das Insert, als zweiter Abschnitt, und der erste Abschnitt, beide aus Kunststoff bestehen, besitzen diese im Wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten, was die Empfindlichkeit des Bauteils bzgl. Temperaturwechselbeanspruchung erheblich verringert gegenüber Kunststoffbau- teiien mit Inserts, zum Beispiel aus Metall. Außerdem entsteht keine Kontaktkorrosion.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sehen bei ebenfalls vorstehenden Vorteilen vor, dass der zweite Abschnitt in einem Bereich des Bauteils angeordnet ist, in den wenigstens bei Betrieb Kräfte eingeleitet werden und/oder der wenigstens bei Betrieb größerer Belastung ausgesetzt ist als andere Bereiche des Bauteils. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der zweite Abschnitt so im ersten Abschnitt eingelegt ist, dass der Kraftfluss von Stellen der Krafteinleitung zu Stellen der Kraftausleitung durch den zweiten Abschnitt geführt wird.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der erste Abschnitt aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff, mit oder ohne Faserverstärkung, besteht und der zweite Abschnitt ein verstärkendes Insert aus einem faserverstärkten Kunststoff ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Faserverstärkung im zweiten Abschnitt gerichtet ist und sich in Richtung der Hauptbeanspruchung erstreckt.

Insgesamt besteht dadurch die Möglichkeit, lediglich einzelne, beispielsweise besonders beanspruchte Bereiche aus einem unter Umständen teureren Verstärkungsmaterial zu fertigen, wohingegen die übrigen Bereiche aus einem kostengünstigen Basismaterial gefertigt werden können. Auf diese Weise können die Herstellungskosten eines Kunststoffbauteils trotz einer hohen Belastbarkeit niedrig gehalten werden. Es besteht die Möglichkeit, dass das Basismaterial dann aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht oder einen thermoplastischen Kunststoff umfasst, was Kosten und Gewicht senkt. Da das insert ebenfalls aus, zum Beispiel carbonfaserverstärktem, Kunststoff besteht, ist die Verbindungsfestigkeit zwischen Insert und Basismaterial zuverlässig auf Dauer sichergestellt. Auch weil keine Probleme mit Korrosion auftreten können und weil das Temperaturverhalten keine Festsitzprobleme verursacht. Ein nicht unerheblicher Vorteil ist die Vereinfachung des Recyclings. Insgesamt ergibt sich somit ein Kunststoffbauteil, das die technischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen mit einer kostengünstigen Herstellung kombiniert.

Nachfolgend wird der Aufbau dreier erfindungsgemäßer Bauteile, als Träger mit einer einzelnen Kraftanbindungsstelle ausgebildet, unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Des Weiteren sind in zwei Figuren Einzelheiten von eingebetteten Inserts dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 : einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Trägers mit einer Kraftanbindungsstelle gemäß der Erfindung,

Figur 2: einen weiteren Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Trägers mit einer Kraftanbindungsstelle gemäß der Erfindung,

Figur 3: einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Trägers mit einer Kraftanbindungsstelle gemäß der Erfindung,

Figur 4: eine Formschlussverbindung eines erfindungsgemäßen Inserts im Basismaterial als Teilschnitt und

Figur 5: eine Formschlussverbindung eines weiteren erfindungsgemäßen Inserts im Basismaterial als Teilschnitt.

In den Figuren 1 bis 3 sind unterschiedliche erfindungsgemäße Bauteile, die Träger 1 ,2 3 teilweise dargestellt. Diese bestehen zu großen Teilen aus Basismaterial 1 ', 2', 3', also Kunststoff, der für jeden Träger 1 , 2, 3 verschieden sein kann. So ist das Basismaterial 1 ' für den Träger 1 ein kohlefaserverstärkter Duroplast, das Basismaterial 2' für den Träger 2 ein nicht verstärkter Thermoplast und das Basismaterial 3' für den Träger 3 ein glasfaserverstärkter Thermoplast. Lokal ist in diese Träger 1 , 2, 3 jeweils ein Insert 7, 8, 9 aus Verstärkungsmaterial eingebettet, wie zum Beispiel in den Figuren 4 und 5 vergrößert dargestellt, als Inserts 6, 16. Erste Abschnitte der Träger 1 , 2, 3, bzw. Bauteile 4, 5 bestehen also aus dem Basismaterial 1 ', 2', 3', 4', 5' und zweite Abschnitte der Träger 1 , 2, 3 bzw. Bauteile 4, 5 sind Inserts 6, 7, 8, 9, 16 bestehend aus dem Verstärkungsmaterial. Dieses besteht aus Faserverbundwerkstoff, dessen Kern 12 mittels eines kontinuierlich fortschreitenden Fertigungsverfahrens, der Pultrusion, hergestellt ist. Pultrusion (Faserziehen) ist ein Herstellverfahren für langfaserverstärkte Kunststoffbauteile. Dabei wird analog zum Strangpressen ein imprägniertes, textiles Halbzeug durch eine Matrix gezogen und dadurch konsolidiert. Es lassen sich mit diesem Verfahren sehr wirtschaftlich Profile gleichbleibender Qualität herstellen. Die Profile können eine gerade Auszugsrichtung oder eine konstante Krümmung aufweisen. Die Fasern sind dabei ausschließlich in Auszugsrichtung, das heißt Insertlängsrichtung, orientiert. Nachgeschaltet kommen in Figur 5 weitere Fertigungsverfahren, nämlich Pullwinding bzw. Pullbraiding bei der Herstellung des Inserts 6 zur Anwendung, bei denen der pultrudierte Kern 12 mit einem Fasergelege bzw. -gewebe 13 aus Langfasersträngen umwickelt wird, das so orientiert ist, dass sich eine Ausrichtung der Langfaserstränge in eine weitere Richtung ungleich der Insertlängsrichtung ergibt. Das Insert 16 ist so zweischichtig hergestellt, der erste innere Kern 12 durch Pultrusion und die zweite äußere Schicht aus Fasergelege bzw. -gewebe 13, durch Pullwinding bzw. Pullbraiding um den Kern 12 herum gewickelt. Ein solches gewichts- und festigkeitsoptimales Insert 16 aus anisotropem Faserverbund enthält vorteilhafterweise beträchtliche Anteile Faserverstärkung in Insertlängsrichtung. Die Querverstärkungen und Winkellagen der zweiten äußeren Schicht aus Fasergewebe 13 nehmen Querkräfte auf.

Die pultrudierten Inserts 6, 16 in den Figuren 4 und 5 sind eingebracht in Kunststoffbauteile 4, 5 aus Basismaterial 4', 5', verstärkt zum Beispiel mit gerichteten Fasern, schematisch angedeutet eingezeichnet durch parallel gezeichnete Linien 17, 18, in Richtung der Hauptbeanspruchung des Bau- teils 4, 5. Im Basismaterial 4', 5' ist die Faser hauptsächlich in einer Richtung angeordnet, der Richtung der parallel gezeichneten Linien 17, 18. Die pultrudierten Inserts 6, 16 sind dagegen so ausgerichtet, dass die Druckbelastung in deren Faserrichtung erfolgt. Durch die Nutzung der hohen Festigkeit- und Steifigkeiten, sowie der geringen Wärmeausdehnung der Faser in der Längsrichtung wird negatives Setzverhalten verhindert. Um das Fließen des Inserts 16 in Querrichtung zu verhindern, ist dieses um den Kern 12 aus längsangeordneten Fasern mit Endlosfasern 13 umwickelt. Ein Querfließen der Inserts 6, 16 wird auch durch deren Einbettung im Basismaterial 4', 5' verhindert, indem die Fasern so gewählt werden, dass eine radiale Stabilität der Inserts 6, 16 erreicht wird. Ein Formschluss der Inserts 6, 7, 8, 9, 16 im Basismaterial 1 ', 2', 3', 4', 5' in Umfangsrichtung kann ebenfalls durch die Formgebung der Inserts 6, 7, 8, 9, 16 erreicht werden, zum Beispiel durch einen ovalen Insert-Umfang oder durch ein nicht gezeichnetes gezahntes Insert-Umfangsprofil, das in der Art einer Wellen-Naben-Verbindung nach dem Stand der Technik mit dem Basismaterial V, 2', 3', 4', 5' verzahnt ist.

Im Ausführungsbeispiel von Figur 3 ist noch aufgezeigt, dass Hohlräume 10 im ersten Abschnitt, zum Beispiel aufgrund von Wandstärkeänderungen zum Insert 9 hin, ebenfalls mit Kunststoff verfüllt sein können.

Claims

Patentansprüche

1 . Bauteil (1 , 2, 3, 4, 5) für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen ersten Abschnitt aus einem wenigstens aus Kunststoff bestehenden Basismaterial 2', 3', 4', 5') und mindestens einen zweiten Abschnitt aus einem Verstärkungsmaterial für das Basismaterial (1 ', 2', 3', 4', 5'), dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt aus faserverstärktem Kunststoff besteht und form- und/oder kraftschlüssig mit dem ersten Abschnitt verbunden ist.

2. Bauteil (1 , 2, 3, 4, 5) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt in einem Bereich des Bauteils (1 , 2, 3, 4, 5) angeordnet ist, in den wenigstens bei Betrieb Kräfte eingeleitet werden und/oder der wenigstens bei Betrieb größerer Belastung ausgesetzt ist als andere Bereiche des Bauteils(1 , 2, 3, 4, 5).

3. Bauteil (1 , 2, 3, 4, 5) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt so im ersten Abschnitt eingelegt ist, dass der Kraftfluss von Stellen der Krafteinleitung zu Stellen der Kraftausleitung durch den zweiten Abschnitt geführt wird.

4. Bauteil (1 , 2, 3, 4, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff mit oder ohne Faserverstärkung besteht und dass der zweite Abschnitt ein verstärkendes Insert (6, 7, 8, 9, 16) aus einem faserverstärkten Kunststoff ist.

5. Bauteil (1 , 2, 3, 4, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung im zweiten Abschnitt gerichtet ist.

6. Bauteil (1 , 2, 3, 4, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faserverstärkung im zweiten Abschnitt in Richtung des Kraftflusses der Hauptbeanspruchung erstreckt.