DE19834772C2

DE19834772C2 - Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit Inserts

Info

Publication number: DE19834772C2
Application number: DE19834772A
Authority: DE
Inventors: Peter Mitschang
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 1998-08-01
Filing date: 1998-08-01
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2018-08-02
Also published as: DE19834772A1

Description

Die Erfindung betrifft die Ausbildung und Herstellung von mit Inserts versehenen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kunststoffbauteile mit Endlosfaserverstärkung haben sich heute fest in der Entwicklung von mechanisch hochbeanspruchten Bauteilen etabliert. Speziell im Bereich der Anwendung von Leichtbaustrukturen, zum Beispiel im Fahrzeugbau und vor allem in der Luft- und Raumfahrt, sind diese Faserkunststoffverbunde nicht mehr wegzudenken. Sie überzeugen durch ihr geringes Gewicht bei guten mechanischen Eigenschaften.

Gerade in dem für den klassischen Maschinenbau und die Zulieferindustrie sehr bedeutenden Stückzahlbereich von Kleinserien bis zu exklusiven Sonderserien mit bis zu einigen 10.000 Einheiten pro Jahr, hat sich die Harzinjektionstechnik (Resin-Transfer-Moulding, RTM) als sehr flexibles, mit wenig Investitionsvolumen auskommendes und damit gerade für die klein- und mittelständische Industrie als sehr interessantes Fertigungsverfahren etabliert. RTM steht hier als Oberbegriff für eine ganze Reihe innovativer Varianten der Harzinjektionstechnologie, die jedoch alle nach dem gleichen Schema arbeiten.

Entscheidend ist, daß die Verstärkung, also die kontinuierlichen Fasern, erst im geschlossenen Werkzeug mit dem Kunststoff in Berührung kommen. Dies ermöglicht eine Vorfertigung der Verstärkungsstruktur, da diese außerhalb des Werkzeugs noch keinen Kontakt zum Kunststoff hatte und somit als normale textile Struktur angesehen und auch so verarbeitet werden kann.

Die Verbindungstechnik von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffbauteilen (Endlosfasern, Gewebe, Wirrfasermatten, Gelege, Gewirke, usw.) mit duromeren Matrizes (vernetzend aushärtende und damit nicht mehr aufschmelzbare Polymere) zu anderen Bauteilen (in der Regel metallische Strukturen) ist nur ungenügend ausgebildet. Es kann gebohrt, genietet, geschraubt oder geklebt werden, wobei es sich hier in keinem Fall um eine werkstoffgerechte Verbindungstechnik handelt. So können zum Beispiel hohe Lochleibungsbelastungen bei Bolzenverbindungen ein Kriechen der Kunststoffmatrix zur Folge haben. Die eingesetzten Verstärkungsfasern werden durch das Einbringen von Bohrungen durchtrennt und verlieren so wesentlich an Wirkung, da die Kräfte durch Schubbelastung über die verbleibende Kunststoffmatrix auf ungeschädigte Fasern übertragen werden müssen. Da nicht wie bei rein metallischen oder thermoplastischen Bauteilen das Schweißen als Verbindungstechnik zur Verfügung steht, wird als Lösungsansatz auf die Integration von Anbindungselementen wie schraubfähigen Einsätzen, Buchsen, Durchgangslöcher oder Lagerstellen in die noch nicht imprägnierte Verstärkungsstruktur zurückgegriffen (vgl. Fig. 2b). Dabei werden als Krafteinleitungselemente dienende Inserts (1) in bzw. zwischen die einzelnen Verstärkungslagen (3) gelegt. Nach der Harzinjektion entsteht durch das Aushärten des Harzes (Matrix) das Faser-Kunststoff- Verbund-Bauteil. Hierbei treten beim Übergang vom Anbindungselement in die Faserverbundstruktur matrixreiche Zonen (5) auf, was zu Problemen führt. Fig. 2b zeigt, daß in diesen matrixreichen Zonen bei entsprechender Belastung Spannungsspitzen entstehen, die zur Mikrorißbildung führen und letztendlich Delaminationen (6), also ein Trennen der Verstärkungslagen voneinander zur Folge haben, was sich in unbefriedigenden Festigkeitswerten widerspiegelt (B. Ferret, M. Anduze, C. Nardari: Metal inserts in structural composite materials manufactured by RTM. Composites Part A 29A S. 693-700, 1998).

Setzt man kontinuierlich faserverstärkte Materialien ein (z. B. Gewebe, Gelege, Gewirke, Matten usw.), so ergibt sich zwangsläufig ein geschichteter Aufbau, also ein Laminat aus Einzelverstärkungslagen bzw. Verstärkungstextilien. Hier hat der Einsatz der konventionellen Inserttechnologie deutliche Nachteile (vgl. Fig. 2b und Fig. 2c):

- die Inserts (1) wirken als Fremdkörper, da diese um einen Faktor 4 bis 10 dicker sind als die Einzelverstärkungslagen (3);
- es bilden sich Matrixanhäufungen (5) aus, in denen sich Mikrorisse bilden, die dann zu Delaminationen führen;
- es herrscht ein extremer Steifigkeitssprung von dem in der Regel metallischen Insert zu der umgebenden Faserverbundstruktur;
- der Kraftfluß vom Insert in das Bauteil ist nicht optimal, da dieser zu einem großen Teil durch Schub übertragen werden muß;
- bei einer Momenteneinleitung (M) entstehen Kräfte senkrecht zu den Einzelverstärkungslagen (3), die von der deutlich schwächeren Matrix (4) aufgenommen werden müssen und so die Gefahr der Mikrorißbildung mit anschließender Delamination (6) erhöhen;
- da die Inserts zwischen die Verstärkungslagen eingebracht werden müssen, entsteht ein hoher Handlingaufwand und somit sehr hohe Werkzeugbeschickungszeiten, was wiederum eine geringe Ausbringung an Bauteilen pro Werkzeug zur Folge hat;
- die Qualität der Positionierung des Inserts innerhalb der Verstärkungsstruktur und somit auch innerhalb des Bauteils ist durch ein manuelles Einlegen nicht sehr hoch;

In der Schrift EP 0 594 131 A1 wird die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffkörpers geoffenbart, bei dem aus Stahl bestehende Inserts integriert werden. Die im wesentlichen U-förmigen Inserts weisen quer abstehende Laschen auf, mit denen sie auf mit Fiberbändern zu umwickelnde Holme aufgesteckt werden. Nachdem die Inserts durch ein weiteres Fiberband am jeweiligen Holm befestigt wurden, werden Halbschalen angebracht und das so vorbereitete Werkstück in eine Form eingesetzt, wo es mit aushärtbarem Kunststoff getränkt wird. Die Umwicklung der Inserts mit den Fiberbänder soll die Festigkeit bestimmter Stellen des fertigen Kunststoffkörpers erhöhen und die auf die Inserts einwirkenden Kräfte aufnehmen. Hingegen sollen die Fiberbänder die Inserts vor dem Tränken mit Kunststoff nicht unverrückbar festhalten, sondern geringe Bewegungen zulassen, da die exakte Positionierung der Inserts in Bezug auf einen Schaumstoffkörper und die Halbschalen mit Hilfe von Zentrierstiften erfolgt. Die Fiberbänder können in Wirkrichtung des zu erwartenden Kraftangriffs ausgerichtet werden. Die hierdurch erhöhte Festigkeit der Inserts innerhalb des Kunststoffkörpers wird erst nach Fertigstellung, d. h. nach dem Tränken und Aushärten des Kunststoffes erzielt. Da die Fiberbänder eine Bewegung der Inserts zulassen müssen um deren Positionierung mit Zentrierstiften zu ermöglichen, können diese einer möglichen Delamination nicht entgegenwirken. Zudem ist der Einsatz von Positionierhilfen wie Zentrierstiften werkzeugtechnisch sehr aufwendig. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß das Umwickeln mit Bändern nur an holmartigen Strukturen erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit innerhalb der Faserverstärkungsstruktur eingesetzten Inserts zu schaffen, bei denen am Insert angreifende Kräfte werkstoffgerecht, d. h. ohne die Gefahr der Delamination in die Faserverbundstruktur eingeleitet werden können. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Sachanspruches 1 und des Verfahrensanspruches 8 gelöst.

Der Insert wird zwischen Einzelverstärkungslagen eingelegt und zusammen mit den Einzelverstärkungslagen vernäht. Die Nadel sticht durch die in dem Flansch des Inserts vorgesehenen Löcher bzw. Bohrungen hindurch. Der Insert wird durch den Nähfaden fixiert und kraftschlüssig mit den Einzelverstärkungslagen verbunden, also angenäht. Das Annähen kann sich nur auf einen Teil der Verstärkungslagen beziehen oder die gesamte Laminathöhe umfassen. Der Insert kann auch zwei gelochte, gegenseitig beabstandete Flansche aufweisen, so daß die Flansche die Verstärkungsstruktur umgreifen und diese durch die Löcher der Flansche angenäht wird. Das Annähen bewirkt eine kraftschlüssige Klammerfunktion zwischen den das Insert umgebenden Verstärkungstextilien, so daß der Insert zwischen den Verstärkungslagen kraftschlüssig gehalten wird. Die Delaminationsgefahr wird eliminiert, da die verstärkenden Nähfäden in Richtung der Kraft, also senkrecht zu den vernähten Verstärkungstextilien liegen und so die eingeleiteten Kräfte optimal aufnehmen können. Verstärkt wird dieser Effekt, wenn Verstärkungsfäden, vorzugsweise aus Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern bestehend, als Nähfäden eingesetzt werden. Die Inserts können aus beliebigem Material, vorzugsweise Metall, Kunststoff oder Keramik gefertigt sein.

Ein weiterer Vorteil kann durch eine Optimierung hinsichtlich einer anwendungsbezogenen geometrischen Ausbildung des Insert erreicht werden, indem zum Beispiel der Fuß des Insert in Kraftrichtung verlängert wird, um so einen besseren Hebelarm zur Kraftaufnahme zu erlangen.

Der Insert kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen bzw. einzuleitenden Kräfte mit einem Gewinde versehen sein, eine innere geometrische Ausbildung, z. B. Bohrung mit oder ohne Konus, besitzen oder einen massiven Block bilden.

Der Flansch des Insert kann je nach Anwendung als massives Teil mit Bohrungen oder durch eine gitterartige Struktur hergestellt sein.

Das Annähen eines Inserts kann so ausgeführt werden, daß ein optimierter Kraftfluß von dem Insert in das Laminat erfolgt. Hierzu bilden die Nähfäden den Kraftfluß im Bauteil nach. Zudem kann die Kraftableitung in die Verstärkungsstruktur durch über den Rand des Insert bzw. der Flansche hinausgehende Nahtabschnitte verbessert werden.

Durch Wahl des Nahttyps kann sowohl die Menge des eingebrachten Näh- bzw. Verstärkungsfadens, als auch die Lage des Verstärkungsfadens, z. B. gestreckte Lage des Nadelfadens auf der Materialoberseite beeinflußt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, daß durch das Annähen die Positioniergenauigkeit wesentlich erhöht wird und durch einen automatisierten Annähvorgang auch die für Strukturbauteile unabdingbare Reproduzierbarkeit gewährleistet wird. Das gesamte Verstärkungstextil kann als komplexer Vorformling (Preform, Verstärkungstextil mit angenähten Inserts) in das Werkzeug eingelegt werden, was zu deutlich kürzeren Zykluszeiten und damit einer deutlich erhöhten Wirtschaftlichkeit führt.

Ein Qualitätssicherungssystem kann den erfolgreichen Annähvorgang mit allen wesentlichen Parametern (Anzahl der Stiche, Fadenkräfte usw.) dokumentieren, wodurch auch der Einsatz dieser Technik bei sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen möglich wird.

Die Erfindung ist anhand dreier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem angenähten Insert gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 1b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 1a mit einer ersten Variante zur Ausbildung der Fadennähte;

Fig. 1c eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 1a mit einer zweiten Variante zur Ausbildung der Fadennähte;

Fig. 2a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem eingelegten Insert gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 2a mit matrixreichen Zonen;

Fig. 2c eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 2a mit einem Delaminationsriß, ausgehend von den matrixreichen Zonen;

Fig. 3a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem angenähten Insert gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 3a mit einer ersten Variante zur Ausbildung der Fadennähte und des Insertfußes;

Fig. 3c eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 3a mit einer zweiten Variante zur Ausbildung der Fadennähte und des Insertfußes;

Fig. 4a eine Draufsicht auf ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil mit einem angenähten Insert gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 4a mit einer Variante zur Ausbildung der Fadennähte, speziell des Nadelfadens;

Fig. 5a eine Draufsicht auf eine erste Insertvariante;

Fig. 5b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 5a;

Fig. 5c eine Draufsicht auf eine geometrische Variante der Fig. 5a;

Fig. 6a eine Draufsicht auf eine zweite Insertvariante;

Fig. 6b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 6a;

Fig. 6c eine Draufsicht auf eine geometrische Variante der Fig. 6a;

Fig. 7a eine Draufsicht auf eine dritte Insertvariante;

Fig. 7b eine Schnittdarstellung nach Linie A-A der Fig. 7a;

Fig. 7c eine Draufsicht auf eine geometrische Variante der Fig. 7a;

In den Fig. 1a, 1b und 1c ist ein Insert (1) mit Sackgewinde mit Fußplatte, in einem Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, welches aus Einzelverstärkungslagen (3) und einer Kunststoffmatrix (4) besteht dargestellt. Der Insert ist erfindungsgemäß vor dem Bauteilherstellungsprozeß (Harzinjektionsverfahren) mit Hilfe einer Fadennaht (9) kraftschlüssig mit den Einzelverstärkungslagen verbunden worden. Die Fadennaht (9) wird zweckmäßiger Weise durch Nähen hergestellt, wobei die Nadel zum einen in Löcher (8) des Insertflansches (7) und zum anderen außerhalb des Inserts in die Einzelverstärkungslagen einsticht und so eine Klammer um die mit dem Insert vernähten Einzelverstärkungslagen bildet. Fig. 1b zeigt, daß das Annähen nur einen Teil der Einzelverstärkungslagen einbezieht oder, daß wie Fig. 1c zeigt, der Insert an alle Verstärkungslagen angenäht wird.

Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung in der ein Teilbereich des Insertflansches (7) so verlängert wird, daß die durch das Insert aufzunehmenden Kräfte und Momente durch einen verlängerten Hebelarm (10) in den Fadennähten kleinere Spannungen erzeugen.

Die Fig. 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem die Fadennähte entlang der Kraftflußlinien im Bauteil ausgerichtet sind. Durch die Wahl entsprechender Nähprozeßparameter beim annähen des Insert kann eine gestreckte Lage eines Nähfadens (12) erzwungen werden.

Die Fig. 5a bis 5c, 6a bis 6c und 7a bis 7c zeigen weitere Ausführungen bzw. Varianten von annähbaren Inserts. In den Fig. 5a bis 5c ist ein Insert (13) dargestellt, welcher über zwei beabstandete Flansche (14) verfügt, so daß die Einzelverstärkungslagen zwischen diesen Flanschen angenäht werden können. Die Flansche können entsprechend den Ausführungen zu Fig. 3a beide oder einzeln lokale Verlängerungen (16) aufweisen. Um äußere Kräfte in die Inserts einleiten zu können, kann der Insert (13; 17; 21) über ein Innengewinde (Fig. 5b), eine einfache Bohrung, eventuell um einen Konus erweitert (Fig. 6b), oder aber auch einfach massiv (Fig. 7b) ausgebildet sein.

Claims

1. Faser-Kunststoff-Verbundbauteil mit innerhalb der Faserverstärkungsstruktur eingesetzten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts, dadurch gekennzeichnet, dass die Inserts (1; 13; 17; 21) vor dem Einbetten in der Kunststoffmatrix (4) durch Fadennähte (9; 12) mit der aus Einzelverstärkungslagen (3) bestehenden Faserverstärkungsstruktur (2) fest verbunden sind.

2. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die Inserts (1; 13; 17; 21) einen seitlich abstehenden Flansch (7; 18; 22) auf weisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (7; 18, 22) zwischen den Einzelverstärkungslagen (3) angeordnet ist und Löcher (8; 19; 23) zur Aufnahme der Nähfäden (9; 12) aufweist.

3. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach Anspruch 1, bei denen die Inserts (13) zwei gegenseitig beabstandete Flasche (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (14) die Außenseiten der Verstärkungsstruktur (2) umgreifen und Löcher (15) zur Aufnahme der Nähfäden aufweisen.

4. Faser-Kunstsoff-Verbund-Bauteile nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (7; 14; 18; 22) zur besseren Moment aufnahme im Bereich der größten Beanspruchung einen Ansatz (10; 16; 20; 24) aufweisen.

5. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (7; 10; 14; 16; 18; 20; 22; 24) gitterartig ausgebildet sind.

6. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Nahtabschnitte (9; 12) zur besseren Ableitung der über die Inserts (1; 13; 17; 21) einge leiteten Kräfte parallel zum Kraftfluß angeordnet sind.

7. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Kraft ableitung in die Verstärkungsstruktur (2) zusätzliche, über den Rand der Inserts (1; 13; 17; 21) bzw. der Flansche (7; 10; 14; 16; 18; 20; 22; 24) hin ausgehende Nahtabschnitte (12) gebildet sind.

8. Verfahren zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inserts (1; 13; 17; 21) in einem dem Bauteilherstellungsprozeß vorgeschalteten Arbeitsschritt an die Verstärkungsstruktur (2) angenäht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ver wendung von Inserts (1; 17; 21) mit einem seitlich abstehenden Flansch (7; 10; 18; 20; 22; 24) dieser zwischen den Einzelverstärkungslagen (3) plaziert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ver wendung von Inserts (13) mit zwei gegenseitig beabstandeten Flan schen (14) die Verstärkungsstruktur (2) zwischen den Flanschen (14) angeordnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß zur besseren Ableitung der über das Insert (1; 13; 17; 21) ein geleiteten Kräfte die Nahtrichtung derart gewählt wird, daß die parallel zur Ebene der Verstärkungsstruktur (2) verlaufenden Nahtabschnitte (9; 12) parallel zum Kraftfluß ausgerichtet sind.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahtabschnitte (9; 12) zur besseren Kraft ableitung in die Verstärkungsstruktur (2) über den Rand des Inserts (1; 13; 17; 21) bzw. der Flansche (7; 10; 14; 16; 18; 20; 22; 24) hinaus verlän gert werden.