DE102022124091A1

DE102022124091A1 - Faserverbundbauteil für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022124091A1
Application number: DE102022124091.6A
Authority: DE
Inventors: Hanno Pfitzer; Thomas Hogger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil (10) für ein Fahrzeug (100), aufweisend: eine Matrix (13) aus einem ersten Material und einem in der Matrix (13) eingebetteten Roving (15), wobei der Roving (15) von einem einem elastischen Bereich (14) aus einem zweiten Material umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einem derartigen Faserverbundbauteil.
Faserverbundbauteile zeichnen sich dadurch aus, dass sie Schubkräfte, insbesondere hohe Zug- und Druckkräfte, entlang der Ausrichtung der steifen Faser aufnehmen können. Faserverbundbauteile, wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffbauteile, finden im Fahrzeugbau und insbesondere im Leichtbau von Strukturbauteilen für Fahrzeuge Anwendung.
DE 10 2012 001 317 A1 offenbart einen Faserverbundwerkstoff, der zumindest ein Faserverbundkunststoffbauteil aus mehreren Faserverbundschichten vorschlägt. Mindestens eine der Faserverbundschichten wird aus Fasern und mindestens zwei verschiedenen Matrixmaterialien gebildet. Diese Schicht, welche auch Fasern aufweist, wird Dehnungsfugenschicht genannt.
Faserverbundbauteile weisen eine hohe Festigkeit und insbesondere eine hohe spezifische Festigkeit auf, welche aus dem Verhältnis von Festigkeit und Gewicht gebildet ist. Die Fasern haben üblicherweise einen Durchmesser von 6 bis 18 Mikrometer und sind in einer Matrix eingebettet. Aufgrund des geringen Durchmessers weisen die Fasern eine große Fläche auf, die mit der Matrix in Kontakt ist. Kraft wird zwischen den Fasern über die Matrix übertragen. Ein sehr gutes Laminat zeichnet sich durch homogene Abstände und eine homogene Verteilung der Fasern ohne Lufteinschlüsse aus. Die dadurch erreichte Qualität des Bauteils bedingt insbesondere ein Faserversagen bei Überschreitung der ertragbaren Lasten, beispielsweise im Druckbereich bei einer Biegebelastung.
Das Versagensverhalten eines Faserverbundbauteils, wie beispielsweise karbonfaserverstärktem Kunststoff, unter einer Biegebelastung weist üblicherweise ein schlagartiges Versagen des Druckbereichs und kurz darauf des Gesamtbauteils auf. Ein duktiles Verhalten, vergleichbar zu metallischen Werkstoffen, konnte bislang nicht erreicht werden. Das frühe spontane Versagen von Faserverbundbauteilen gegenüber metallischen Werkstoffen führt zu einer stark eingeschränkten Anwendbarkeit von Faserverbundbauteilen mit hohem Leichtbaupotential. Dies gilt auch für andere Faserverbundbauteile, die zur Verstärkung als Faser beispielsweise Glas- oder Basaltfasern aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Faserverbundbauteil mit einem duktilen Verhalten zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Faserverbundbauteil gemäß Anspruch 1 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Faserverbundbauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil für ein Fahrzeug weist eine Matrix aus einem ersten Material und wenigstens einen in der Matrix eingebetteten Roving auf. Der Roving ist von einem elastischen Bereich aus einem zweiten Material umgeben.
Ein derartiges Faserverbundbauteil weist den Vorteil auf, dass sich durch den elastischen Bereich aus einem beispielsweise duktilen Werkstoff die Rovings in einem Faserverbundbauteil relativ zueinander bewegen können. Dies resultiert daraus, dass durch den duktilen Werkstoff die Rovings unter einer Biegebelastung ausweichen können. Infolgedessen brechen die in den Roving angeordneten Fasern nicht unmittelbar und tragen weiterhin. Das Faserverbundbauteil weist somit ein duktileres Verhalten auf.
Ein Roving ist beispielsweise ein Bündel von endlosen, unverdrehten, gestreckten Fasern. In einer noch nicht mit einem Harz imprägnierten Form werden die Fasern Rovings oder Rovingbündel genannt. Ein Rovingbündel kann ca. 50000 Filamente aufweisen. Diese können auch in Form eines Gewebes und in verschiedenen Ausrichtungen vorliegen.
Vorzugsweise ist das erste Material der Matrix unvermischt oder zumindest bereichsweise unvermischt mit dem zweiten Material des elastischen Bereichs. Der Übergangsbereich, welcher teilweise das erste Material und das zweite Material aufweist, ist beispielsweise in einem den elastische Bereich außenumfangsseitig umfassenden Grenzflächenabschnitt angeordnet.
Unter umgeben ist insbesondere zu verstehen, dass der Roving außenumfangsseitig vollständig entlang der gesamten Erstreckung in der Matrix des Faserverbundbauteils von dem zweiten duktilen Material umfasst ist. Folglich ist der gesamte Umfang des Rovings mit dem zweiten Material in Kontakt.
Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil wird vorzugsweise zur Herstellung von Strukturbauteilen eines Fahrzeugs verwendet. Ein derartiges Strukturbauteil eines Fahrzeugs kann ein Schweller, ein Seitenschweller, ein Dachrahmen, ein Stoßfänger, ein Stoßfängerträger und/oder ein Windlauf sein. Diese Strukturbauteile finden in der sogenannten Skelettbauweise Verwendung. Hierbei wird das Faserverbundbauteil entsprechend der Ausrichtung der Fasern der Rovings in Richtung der auftretenden Hauptlastpfade angeordnet.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das erste Material ungleich zu dem zweiten Material ist. Das zweite Material kann ein Harz sein. Dadurch können gezielt harzreiche Bereiche in das Faserverbundbauteil eingebracht werden und die Elastizität des Faserverbundbauteils kann weiter erhöht werden.
Vorteilhaft weist das erste Material einen ersten Elastizitätsmodul und das zweite Material einen zweiten Elastizitätsmodul auf. Der zweite Elastizitätsmodul ist geringer als der erste Elastizitätsmodul. Dies weist den Vorteil auf, dass die Rovings innerhalb des elastischen Bereichs relativ zu der Matrix unter einer Biegebelastung bewegbar sind.
Vorteilhaft ist das zweite Material ein thermoplastisches Material, vorzugsweise Polyamid, am bevorzugtesten Polyamid 6. Polyamid 6 ist ein kostengünstiges Material, wodurch ein kostengünstiges Faserverbundbauteil geschaffen wird. Ferner ist Polyamid 6 seit langem in der Fahrzeugindustrie bekannt, sodass die Eigenschaften dieses Materials genau erprobt sind und somit die Simulation des Versagensverhaltens dieses Materials valide ist.
Vorteilhaft weist der Roving eine Vielzahl an Fasern auf und der elastische Bereich weist keine Fasern auf. Die Fasern sind insbesondere Langfasern. Dies schafft einerseits einen einfachen Aufbau des Faserverbundbauteils und andererseits wird sichergestellt, dass die Rovings und die Fasern in dem elastischen Bereich unter einer Biegebelastung ausweichen können. Sofern Fasern in dem elastischen Bereich angeordnet wären, könnten diese nicht ausweichen und würden stattdessen unter einer Biegebelastung brechen. Hierdurch wurde plötzlich die Kraft auf die verbliebenen Rovings erhöht, wodurch diese ebenfalls brechen könnten.
Vorteilhaft ist der Roving mit einem dritten Material imprägniert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Roving zur Hälfte Fasern auf. Hierbei ist insbesondere zu verstehen, dass das gesamte Volumen des Rovings zu 50% aus Fasern und zu 50% aus dem dritten Material besteht. Abweichungen hiervon sind im Rahmen von gewöhnlichen Herstellungstoleranzen bei den zuvor stehenden Angaben zu berücksichtigen.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind das dritte Material und das zweite Material gleich. Ein derartiges Faserverbundbauteil stellt einen besonders einfachen Aufbau dar. Insbesondere in der Herstellung ist es hierbei möglich den Roving in einem separaten Herstellungsprozess vorzubereiten und anschließend in der Matrix zu dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil fertigzustellen. Hierbei ist zu beachten, dass der Roving mittig in dem elastischen Bereich angeordnet ist.
Vorteilhaft sind die Rovings und insbesondere die Fasern unidirektional angeordnet. Bei einem Faserverbundbauteil mit unidirektional angeordneten Fasern weisen alle Fasern die gleiche Richtung auf. Aufgrund der unidirektionalen Ausrichtung der Fasern weist das Faserverbundbauteil in der Ausrichtung der Fasern besonders hohe Steifigkeitswerte auf. In Kombination mit einem zuvor beschriebenen elastischen Bereich hat sich ein besonders vorteilhaftes Verhalten bei einer Biegung gezeigt. Ein derartiges Faserverbundbauteil mit unidirektionalen Fasern eignet sich wie zuvor beschrieben besonders für Strukturbauteile von Fahrzeugen, wie beispielsweise einem Schweller, insbesondere einem Seitenschweller, einem Dachrahmen, einem Stoßfänger, einem Stoßfängerträger und/oder einem Windlauf.
Des Weiteren wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, das das zuvor beschriebene Faserverbundbauteil aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Hierbei zeigen:

1 ein Fahrzeug aufweisend ein Faserverbundbauteil,
2 ein Faserverbundbauteil und
3 einen Querschnitt durch das Faserverbundbauteil entlang der Linie A-A in 2.

1 zeigt ein Fahrzeug 100, das beispielsweise ein Personenkraftfahrzeug ist. Das Fahrzeug 100 umfasst ein Strukturbauteil 111, das als ein Faserverbundbauteil 10 ausgebildet ist. Ein Strukturbauteil 111 kann ein Schweller, ein Seitenschweller, ein Dachrahmen, ein Stoßfänger, ein Stoßfängerträger und/oder ein Windlauf sein.
2 und 3 zeigen das Faserverbundbauteil 10, das eine Matrix 13 und in die Matrix 13 eingebettete Rovings 15 aufweist. Jeder Roving 15 ist von einem elastischen Bereich 14 umgeben. Der elastische Bereich 14 erstreckt sich über die gesamte Länge des Rovings 15.
Die Matrix 13 ist aus einem ersten Material und der elastische Bereich 14 aus einem zweiten duktilen Material. Unter duktil ist hier ein Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul als beispielsweise dem Elastizitätsmodul des ersten Materials zu verstehen.
Jeder Roving 15 umfasst eine Vielzahl an Fasern 16. Der Roving 15 ist mit einem dritten Material imprägniert, sodass die Fasern 16 ebenfalls in einem dritten Material eingebettet sind.
Vorzugsweise sind die Fasern 16, insbesondere Langfasern, oder die Rovings 15 unidirektional angeordnet. Diese Anordnung eignet sich besonders für Strukturbauteile 111, die für die Gestaltung von Bauteilen in der Skelettbauweise vorgesehen sind. Als Matrixmaterial wird vorzugsweise ein thermoplastisches Material verwendet, da dieses schweißbar ist.
Das Faserverbundbauteil 10 zeichnet sich beispielsweise in einem Unfall des Fahrzeugs 100 dadurch aus, dass dieses ein duktiles Verhalten aufweist, das sich dem Verhalten eines metallischen Werkstoffs annähert.
Bezugszeichenliste

10: Faserverbundbauteil
13: Matrix
14: elastischer Bereich
15: Roving
16: Fasern
100: Fahrzeug
111: Strukturbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012001317 A1 [0003]

Claims

Faserverbundbauteil (10) für ein Fahrzeug (100), aufweisend: eine Matrix (13) aus einem ersten Material und wenigstens einen in der Matrix (13) eingebetteten Roving (15), wobei der Roving (15) von einem elastischen Bereich (14) aus einem zweiten Material umgeben ist.
Faserverbundbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ungleich dem zweiten Material ist.
Faserverbundbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen ersten Elastizitätsmodul und das zweite Material einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, wobei der zweite Elastizitätsmodul geringer als der erste Elastizitätsmodul ist.
Faserverbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein thermoplastisches Material, vorzugsweise Polyamid, am bevorzugtesten Polyamid 6, ist.
Faserverbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (15) eine Vielzahl an Fasern (16) aufweist, wobei der elastische Bereich (14) keine Fasern (16) aufweist.
Faserverbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (15) mit einem dritten Material imprägniert ist.
Faserverbundbauteil (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (15) zur Hälfte Fasern (16) umfasst.
Faserverbundbauteil (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material und das zweite Material gleich sind.
Faserverbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (15) unidirektional angeordnet ist.
Fahrzeug (100) aufweisend ein Faserverbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen.