Bauteil zur Absorption von Stoßenergie

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales, als Körper ausgebildetes Bauteil aus einem Faserverbundmaterial zur Anordnung zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement und zur Absorption von Stoßenergie infolge einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung.

Der Schutz von Fahrzeuginsassen eines Kraftfahrzeugs sowie der Schutz von sich in der Umgebung des Fahrzeugs befindenden Personen und Gegenständen in Kollisionsfällen ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion und Fertigung eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist es bei einer sicheren Auslegung eines Kraftfahrzeugs für den Kollisionsfall wichtig, dass eine Fahrzeugverzögerung bzw. eine Kraft, die auf die Fahrzeuginsassen wirkt, während Insassenrückhaltesysteme ihre Wirkung entfalten, bestimmte Schwellwerte im Lauf der Kollision nicht überschreiten.

Bei einer Kollision des Kraftfahrzeugs besteht ein Zusammenhang zwischen einer wirksamen Masse des kollidierenden Fahrzeugs, einer Verzögerung des kollidierenden Fahrzeugs und einer Kraft, bei der ein Karosseriestrukturträger, der häufig in diesem Zusammenhang auch Crashstruktur oder Deformationselement genannt wird, durch plastische, elastische Verformung oder Sprödbruch

fortschreitend versagt. Ein solches Deformationselement kann beispielsweise zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Rahmenlängsträger des

Kraftfahrzeugs angebracht sein.

Ein durch das Deformationselement möglicher Abbau der Kollisionsenergie wird dabei durch einen Kraftverlauf über einen zur Verfügung stehenden

Verformungsweg bestimmt. Zu Beginn einer Kollision ist eine hohe Geschwindigkeit des Fahrzeugs wirksam, so dass eine verhältnismäßig hohe kinetische Kollisionsenergie oder Stoßenergie abzubauen ist und die

Karosseriestruktur einschließlich eines Karosseriestrukturträgers bzw.

Deformationselements derart ausgelegt sein muss, dass der

Karosseriestrukturträger bei einem angepassten Kraftniveau versagt.

Karosseriestrukturträger bzw. Deformationselemente werden oftmals derart ausgelegt, dass sie in dem Kollisionslastfall des Kraftfahrzeugs Kollisionsenergie absorbierend versagen. Karosseriestrukturträger aus metallischen Werkstoffen sind dabei derart ausgelegt, dass sie sich bei einem bestimmten Kraftniveau über eine dafür vorgesehene Strecke geeignet plastisch verformen.

Verbreitet sind Karosseriestrukturträger, die Metallrohre verwenden, die bei einem Stoß in Längsrichtung zusammengedrückt werden. Die Metallrohre,

beispielsweise Rohre aus Aluminium, sorgen für eine starke Verbindung zwischen dem Stoßfängerquerträger und dem Fahrzeug. Die spezifische Energieabsorption (kJ/kg) von Metallrohren, wenn sie zusammengedrückt werden, ist jedoch nicht besonders hoch. Ferner ist die Anfangskraft, die benötigt wird, damit ein Metallrohr in Längsrichtung zusammengedrückt wird, möglicherweise für viele Situationen zu groß.

Bei einem Karosseriestrukturträger bzw. Deformationselement aus

kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff oder einem anderen faserverstärkten Kunststoff sind beispielsweise Hohlprofile vorgeschlagen worden, die

beispielsweise ein rechteckiges Profil aufweisen. Ein derartiges Hohlprofil aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff versagt dabei durch sogenanntes „crushing". Beim Versagensmechanismus„crushing" erfolgt eine mehr oder weniger vollständige Desintegration (Pulverisierung bzw. Fragmentierung oder auch Zersplitterung genannt) des Karosseriestrukturträgers vorrangig im

Sprödbruch. Dieser Versagensmechanismus funktioniert insbesondere bei einem frontalen Aufprall, bei welchem die Kraft auf den Träger senkrecht zu einem Trägerquerschnitt steht. Der bei diesem Versagensmechanismus auftretende Kraftbetrag pro Fläche des Deformationsprofils-Querschnitts in der Ebene senkrecht zur Kraftrichtung wird als Crash-Versagensspannung bezeichnet. In den Schriften DE 102012019923 A1 , DE 102014016024 A1 ,

DE 102014206610, oder EP 1366960 B1 werden Bauteile zur Energieabsorption bzw. zur Absorption von Stoßenergie aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Verbundwerkstoffen auf Basis von Kohlenstofffasern, offenbart. Diese

Karosseriestrukturträger oder Deformationselemente können beispielsweise durch Flechten, Pultrudieren oder Wickeln oder, wie dies in der EP 1366960 B1 beschrieben wird, durch Aufeinanderlaminieren mehrerer Faserschichten, beispielsweise mehrerer Gewebelagen hergestellt werden, wobei vorzugsweise von Endlosfasern ausgegangen wird. Die in den genannten Schriften

beschriebenen Bauteile zur Energieabsorption weisen z.T. einen schichtförmigen Aufbau oder Laminataufbau auf, können aber gemäß der DE 102014016024 A1 auch aus diskontinuierlichen Fasern hergestellt sein oder Bereiche mit willkürlich ausgerichteten Fasern enthalten, wie dies in der EP 1366960 B1 beschrieben wird. Insgesamt weisen die in den zuvor genannten Schriften beschriebenen Bauteile eine komplexe Bauteilstruktur auf.

Auch in der US 2005/0147804 A1 werden Elemente zur Energieabsorption beschrieben, wobei diese Elemente einen schichtförmigen Aufbau von Faserlagen aus bündeiförmigen Filamentgarnen aufweisen. Dabei sind die Fasern so angeordnet, dass ihre Erstreckungsrichtung parallel oder schräg zur

Druckbelastung infolge des Stoßes ist, d.h., dass die Fasern eine Komponente in Richtung der Stoßbelastung haben. Darüber hinaus erhöht sich in den Elementen zur Energieabsorption der US 2005/0147804 A1 die Dichte der Fasern von einem Ende des Elements zum anderen. Die JP 06-264949 beschreibt Elemente zur Energieabsorption, die aus

faserverstärkten Kunstharzen aufgebaut sind, in die Kurzfasern eingemischt sind. Die Elemente zur Energieabsorption der JP 06-264949 weisen eine zylinderförmige Form auf, wobei die Wand eines zylindrischen Abschnitts so ausgeführt ist, dass die Wanddicke von einem Ende zu einem anderen Ende zunimmt. In den Beispielen geht die JP 06-264949 von über ein

Spritzgießverfahren hergestellten Elementen mit einer Polypropylenmatrix aus, in die Glasfasern mit einer Faserlänge von 3 mm und in einer Konzentration von 30 Gew.-% eingemischt wurden.

In der EP 3104036 A1 werden Strukturen aus Faserverbundmaterialien mit einer Thermoplastmatrix zur Schockabsorption bzw. zur Energieabsorption beschrieben. Die Strukturen sind zumeist als Hohlprofile ausgebildet und können bündeiförmige Verstärkungsfasern aufweisen. Bei den Fasern kann es sich um Kohlenstofffasern handeln, die in der Thermoplastmatrix eingebettet sind. Die Fasern können vorzugsweise zweidimensional zufällig in einer Oberflächenebene orientiert sein. Zur Herstellung der Faserverbundmaterialien können Verstärkungsfasern geschnitten, anschließend geöffnet und die geöffneten Verstärkungsfasern dann mit einem faser- oder partikelförmigen Thermoplast gemischt werden.

Anschließend wird die Mischung unter Druck und Hitze zu einem faserverstärkten thermoplastischen Halbzeug verpresst. Eine oder mehrere solcher Halbzeuglagen werden schichtförmig zur Ausbildung des Hohlprofils aufeinandergelegt.

Wegen der hohen Viskositäten von thermoplastischen Matrices kann sich bei der Verarbeitung die gleichmäßige Imprägnierung der Fasern mit der

thermoplastischen Matrix und die homogene Verteilung der Fasern in der Matrix als Grundlage für gleichmäßige mechanische Eigenschaften schwierig gestalten. Darüber hinaus kann der schichtförmige Aufbau bei einer Stoßbelastung in einer Richtung parallel zu den Schichten zu einer Delamination der Schichten führen, verbunden mit der Ablösung großer zusammenhängender Materialbereiche, was die spezifische Aufnahme von Stoßenergie wesentlich absenkt, oder verbunden mit dem Einknicken so geschwächter Bereiche des Bauteils, was zum plötzlichen Versagen des Bauteils und einer äußerst geringen Stoßenergieaufnahme führt. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein strukturell einfaches und einfach herzustellendes Bauteil zur Energieabsorption bei Stoßbelastung zur Verfügung zu stellen. Das Bauteil soll bei Stoßbeanspruchung eine hohe spezifische

Energieabsorption aufweisen. Darüber hinaus sollen bei dem Bauteil im Falle einer Stoßbeanspruchung anfängliche Spitzenbelastungen, wie sie insbesondere bei Deformationselementen aus metallischen Werkstoffen zu beobachten sind, vermindert sein und bestimmte Schwellwerte im Lauf der

Kollision/Stoßbeanspruchung nicht überschritten werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein dreidimensionales, als Körper ausgebildetes Bauteil aus einem Faserverbundmaterial auf Basis von Kohlenstofffasern zur Anordnung zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement und zur Absorption von Stoßenergie infolge einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung, welche eine Stoßrichtung aufweist, wobei das Bauteil aufweist

- mindestens ein erstes Ende und ein zweites Ende,

- eine sich zwischen den Enden erstreckende Längsrichtung, welche im

Wesentlichen in Stoßrichtung angeordnet werden kann,

- eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche und eine sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckenden Wand mit einer Wanddicke,

- wobei die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von

Kohlenstofffasern aufgebaut ist, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind, - wobei die Bündel und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet sind, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren besteht,

- wobei die Bündel über die Wanddicke im Wesentlichen gleichförmig verteilt sind, bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche im Wesentlichen isotrop ausgerichtet sind und bei Betrachtung parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) die Bündel Schnittwinkel mit einem Teil der ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) bilden, wobei die Bündel parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche (8, 9) innerhalb des Bauteils so verteilt sind, dass der überwiegende Anteil der Schnittwinkel in einem Bereich liegt, bei dem die Schnittwinkel im Westlichen gleichmäßig zwischen 0° und 90° verteilt sind bis hin zu überwiegend vorliegenden

Schnittwinkeln, die größer als 1 °sind.

- wobei der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich zwischen 35 Vol.-% und 70 Vol.-% liegt,

- wobei die Bündel von Kohlenstofffasern eine Länge im Bereich zwischen 3 mm und 100 mm haben und

- wobei das Bauteil erhältlich ist durch ein Verfahren umfassend die Herstellung eines Faservorformlings (Preform) aus den Bündeln von Kohlenstofffasern, und optional durch anschließendes Einbringen eines Matrixsystems in den

Faservorformling durch Injektion, Infusion Infiltration oder Pressen.

Das Bauteil soll bei einer Betrachtungsrichtung parallel zur Längserstreckung als Körper ausgestaltet sein. Der Begriff Körper umfasst sowohl ein Profil, Halbprofile oder andere Geometrien, deren Querschnitt sich entlang der Längsachse ändern kann. Der Körper kann hohl, massiv und/oder teilgefüllt sein und/oder seine Längserstreckung kann mittels Zwischenstücken unterteilt sein. Weiterhin kann der Körper unterschiedliche Wanddicken aufweisen, Verstärkungselemente beinhalten und/oder Aussparungen aufweisen. Der Körper, der das Bauteil bildet, kann aus einem Stück (einstückig) oder aus einer Mehrzahl von Teilkörpern aufgebaut sein. Die Teilkörper können ebenfalls verschieden Querschnitte aufweisen, hohl, massiv und/oder teilgefüllt sein sowie unterschiedliche

Wanddicken und/oder Geometrien aufweisen.

Das Bauteil kann auch als Deformationselement bezeichnet werden.

Die Bündel aus Kohlenstofffasern können auch als Kohlenstofffaserbündel, Verstärkungsfaserbündel oder nur als Bündel bezeichnet werden. Das Bauteil kann auch ohne die anschließende Einbringung der Komponenten eines Matrixsystems (z.B. eines duromeren Matrixharzes) gebildet werden. In dieser Ausführungsform weisen die Faserbündel und somit das Bauteil selbst bereits so viel Polymermatrix auf, dass eine zusätzliche Einbringung von

Matrixmaterial (eines Matrixsystems) zur Bauteilherstellung nicht erforderlich ist. In einem solchen Fall kann das Bauteil beispielsweise durch Aktivierung der

Komponenten der Polymermatrix mittels Drucke und Hitze hergestellt werden.

Die Polymermatrix (in der die Faserbündel eingebettet sind) besteht zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren. Zu einem geringeren Anteil kann die Polymermatrix auch teilvernetzte Polymere aufweisen.

Beispielsweise kann die Polymermatrix einen überwiegenden Anteil an einem vollvernetzbaren Duromer und einen geringen Anteil eines thermoplastischen

Harzsystems und/oder Additiven aufweisen. Vorzugsweise werden

thermoplastisch sich verhaltende Duromere verwendet. In einer weiteren

Ausführungsform besteht die Polymermatrix aus einem Konglomerat aus Epoxid mit thermoplastischen Anteilen.

Das Matrixsystem ist in der optionalen Ausführungsform vorzugsweise ein

Polymermatrixsystem, welches zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren (beispielsweise einem duromeren Matrixharz) besteht. Zur Bauteilherstellung härtet das Matrixsystem vorzugsweise aus.

Bevorzugt besteht auch das Matrixsystem (das optional zusätzlich zur

Bauteilherstellung zugegeben werden kann) zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren. Zu einem geringeren Anteil kann das Matrixsystem voll- oder zumindest teilvernetzte Polymere aufweisen.

Beispielsweise kann das Matrixsystem einen überwiegenden Anteil an einem vollvernetzbaren Duromer und einen geringen Anteil eines thermoplastischen Harzsystems und/oder Additiven aufweisen. Es können auch thermoplastisch sich verhaltende Duromere verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Matrixsystem aus einem Konglomerat aus Epoxid mit thermoplastischen Anteilen.

Durch die Wahl der Polymermatrix und des Matrixsystems weist das Bauteil über eine großen Temperaturbereich vorteilhafterweise etwa gleichbleibende

Eigenschaften auf. Temperaturabhängige Schwankungen in der

Energieabsorption (wie sie beispielsweise bei der Verwendung von Thermoplasten vorkommen) können vorteilhafterweise vermieden werden. Betrachtet man eine theoretische geradlinige Verlängerung der Faserbündel über die erste und/oder zweite Oberfläche des Bauteils hinaus, so bildet diese Linie Winkel mit der ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils. Bei einer

Betrachtung eines hinreichend kleinen und ebenen Bereichs der ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils (Teil der ersten und/oder zweiten Oberfläche), bildet der überwiegende Teil der Bündel zwischen der ersten und/oder zweiten Oberfläche sogenannte Schnittwinkel mit der ersten und/oder zweiten Oberfläche aus. Die Schnittwinkel der Faserbündel liegen in einem Bereich, in dem die Schnittwinkel im Westlichen gleichmäßig zwischen 0° und 90° verteilt sind bis hin zu einer Anordnung der Faserbündel, bei der die Schnittwinkel überwiegend einen Winkel von größer als 1 °, vorzugsweise größer als 2° und besonders bevorzugt größer als 3° haben. Bei einer Verteilung der Faserbündel, die parallel zu der ersten und/oder zweiten Oberfläche betrachtet überwiegend isotrop ist, weisen die Schnittwinkel im Wesentlichen alle einen Wert zwischen 0° und 90° auf, wobei kein Wert wesentlich häufiger oder seltener vertreten sein soll. Liegen die

Faserbündel relativ parallel zu der ersten und/oder zweiten Oberfläche vor, weist der überwiegende Anteil der Faserbündel Schnittwinkel auf, die größer sind als 1 °. Folglich liegt der überwiegende Teil der Faserbündel im Wesentlichen nicht exakt parallel zu den Oberflächen des Bauteils im Bauteil vor. Es soll deutlich werden, dass die Faserbündel jede Anordnung innerhalb des definierten Bereichs annehmen können, wobei innerhalb des Bauteils allerdings der überwiegende Teil der Faserbündel die gewählte Anordnung aufweist. Als„überwiegender Anteil" soll ein Anteil von etwa 70 % bis 100 %, vorzugsweise von 80 % bis 95 % und besonders bevorzugt von 85 % bis 90 % verstanden werden.

Mit dem Ausdruck„im Wesentlichen alle" ist gemeint, dass dies für 80 % bis 100 %, vorzugsweise 85 % bis 95 % gilt.

Die Faserbündel liegen beispielsweise dann isotrop im Bauteil und auch

hinsichtlich der Oberflächen isotrop vor, wenn die Fasern der Faserbündel eine geringe Länge besitzen und zudem die Wanddicke des Bauteils größer als die Faserlänge ist. Ein Beispiel hierfür könnte die Verwendung von Faserlängen von 3 mm für ein Bauteil mit einer Wanddicke von 5 mm sein. Eine nicht isotrope Verteilung der Schnittwinkel zwischen den Bündeln aus Kohlenstofffasern und den Oberflächen des Bauteils, bei der die Schnittwinkel des überwiegenden Anteils der Bündel größer als 1 ° sind, ergibt sich insbesondere dann, wenn die Faserlänge der Bündel im Verhältnis zu der Wanddicke relativ groß ist, beispielsweise bei einer Faserlänge von 50 mm und einer Wanddicke von 2 mm. Da das Bauteil verschiedene Bündel mit verschiedenen Faserlängen aufweisen kann und zudem verschiedene Wanddicken innerhalb eines Bauteils oder auch bei verschiedenen Bauteilen denkbar sind, schwankt die Anordnung der Bündel parallel zu den Oberflächen zwischen diesen beiden Möglichkeiten.

Vorzugsweise ist die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung größer als seine Erstreckung senkrecht zur Längsrichtung.

Das erfindungsgemäße dreidimensionale, als Körper ausgebildete Bauteil aus einem Faserverbundmaterial kann zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement, also beispielsweise zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Rahmenlängsträger eines Kraftfahrzeugs, eingebaut werden und im Falle einer Kollision bzw. einer zwischen erstem und zweitem Stoßelement wirkenden Stoßbeanspruchung Stoßenergie absorbieren. Dabei zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Bauteil zu einem gleichmäßigen Absorptionsverhalten führt, was anhand des Kraftverlaufs über dem Verformungsweg erkennbar ist, wobei die Spitzenbelastungen in der Anfangsphase einer Stoßbelastung vergleichsweise gering sind. Gleichzeitig kann mit dem erfindungsgemäßen Bauteil eine im Vergleich zu Bauteilen bzw. Deformationselementen aus metallischen Werkstoffen hohe spezifische Energieabsorption (kJ/kg) realisiert werden. Das erfindungsgemäße Bauteil stellt damit eine Lösung zur Verfügung, die über eine einstellbar lange Deformationsstrecke eine definiert Energieabsorption auf möglichst konstantem Niveau ermöglicht. Das tatsächliche Energieniveau kann u.a. durch die geometrische Gestaltung des Bauteils (vor allem durch die

Wandstärke) eingestellt werden. Darüber hinaus bietet die isotrope

Materialstruktur des Bauteils auch bei Stoßbelastungen, die nicht axial zur Längenausdehnung des Bauteils verlaufen, eine definierte, konstante

Energieaufnahme.

Auch im Vergleich zu Deformationselementen aus Faserverbundwerkstoffen, die einen schichtförmigen Aufbau aus aufeinander laminierten Lagen eines

Faserverbundmaterials aufweisen, zeigt sich ein vergleichbares oder höheres Niveau der spezifischen Energieabsorption. Bei Bauteilen bzw.

Deformationselementen mit schichtförmigem Aufbau findet im Versagensfall zumindest zum Teil eine Delamination der Schichten, d.h. ein Abschälen oder Auseinanderbrechen der Schichten voneinander statt, einhergehend mit einem geringeren resultierenden Kraftniveau. Im Unterschied zu solchen Bauteilen bzw. Deformationselementen mit schichtförmigem Aufbau kann eine solches Versagen bei dem vorliegenden Bauteil bzw. Deformationselement nicht stattfinden, da bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur Dickenerstreckung der Wand bzw. parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils der überwiegende Teil der Bündel zwischen einer isotropen Ausrichtung und einer Ausrichtung, in der die Bündel im Wesentlichen einen Schnittwinkel größer 1 ° zur ersten und/oder zweiten Oberfläche des Bauteils nicht unterschreiten, angeordnet sind. Dies bedeutet, dass kein schichtförmiger Aufbau vorliegt, sondern eine Durchdringung verschiedener Ebenen der Wand des Bauteils durch die Bündel, also eine

Verschränkung der Faserstrukturen vorliegt.

Schließlich wird durch die über die Wanddicke im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Bündel und insbesondere deren im Wesentlichen isotrope

Ausrichtung bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche dafür Sorge getragen, dass bei Stoßbelastung ein

gleichförmiges Versagen ohne Spitzenbelastungen in der Anfangsphase einer Stoßbelastung stattfindet.

Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass die Tatsache, dass das Faserverbundmaterial und damit die Wand des

erfindungsgemäßen Bauteils zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut ist, und die erfindungsgemäß geforderte Orientierung der Faserbündel ursächlich für eine hohe spezifische Energieabsorption ist. Im Falle einer Stoßbelastung und einem hierdurch verursachten Versagen des Bauteils wird in der dabei initiierten Versagenszone die Aufprallenergie aus der fortwährend wirkenden Aufprallkraft dadurch so dissipiert, dass sie in

Degradationsenergie zum Erzeugen neuer Oberflächen zwischen Fasern und Matrix umgewandelt wird. Durch die erfindungsgemäße Verstärkungsfaserstruktur des Faserverbundmaterials, welche nicht nur parallel zur Bauteiloberfläche eine Isotropie aufweist, sondern auch durch die Dicke hindurch eine starke

Verschränkung der Faserbündel gewährleistet, kann beim Fortschreiten der Versagenszone über das gesamte Bauteilvolumen eine hohe

Degradationsenergie-Dichte und damit eine hohe spezifische Energieabsorption gewährleistet werden. Ebenso ist auch der hohe Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand im Bereich zwischen 35 Vol.-% bis und 70 Vol.-% ursächlich für eine hohe spezifische Energieabsorption des Bauteils bei Stoßbelastung. Dabei ist festzustellen, dass bei Faservolumenanteilen unterhalb von 35 Vol.-% das

Versagensverhalten des Bauteils bei Stoßbelastung vom Matrixversagen dominiert wird, d.h. das Versagensverhalten wird durch einen Bruch oder Riss in der Matrix und damit durch ein Zwischen-Faser-Bruch bestimmt. Bei

Faservolumenanteilen oberhalb von 35 Vol.-% wird das Versagensverhalten vornehmlich durch ein Versagen an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix, d.h. durch ein Faserbruch bestimmt. Die im Vergleich zur ersten Versagensform höheren Versagenskräfte der letzteren beiden Versagensformen erzeugen eine hohe Degradationsenergie-Dichte und damit eine hohe spezifische dissipierte Energie und damit eine hohe spezifische Energieabsorption im Material. Oberhalb von 70 Vol.-% hingegen kann eine ausreichende Verteilung der Matrix im Bauteil und eine Benetzung auf den Filamentoberflächen der Faserbündel nicht mehr gewährleistet werden. Es wird auch vermutet, dass der Faservolumenanteil bei sehr hohen Werten durch die Filamentgeometrie begrenzt ist, da bei kreisförmigen Filamentquerschnitten eine dichteste Kreispackung in der Querschnittsebene entlang der Faserrichtung im Faserbündel nicht überschritten werden kann. Diese Mechanismen sorgen oberhalb von 70 Vol.-% Faservolumenanteil für eine schlechte Faser-Matrix-Anbindung und damit für eine niedrige spezifische

Energiedissipation im Bauteil. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils liegt der Faservolumenanteil der Kohlenstofffasern in der Wand des Bauteils im Bereich von 45 Vol.-% bis 65 Vol.-%.

Erfindungsgemäß bestehen die Bündel von Kohlenstofffasern, d.h. die

Verstärkungsfaserbündel, aus parallel zueinander ausgerichteten

Kohlenstofffaser-Filamenten und haben eine Länge zwischen 3 mm und 100 mm. Vorzugsweise liegt die Länge im Bereich von 5 mm bis 70 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 50 mm. Mit Blick auf die erreichbaren Faservolumenanteile an Kohlenstofffasern in der Wand des Bauteils, insbesondere zur Erzielung von Anteilen oberhalb von 45 Vol.-%, ist es von Vorteil, wenn die Wand des erfindungsgemäßen Bauteils mehrere Gruppen von Verstärkungsfaserbündel mit voneinander verschiedenen Längen aufweist, so dass insgesamt die Länge der Verstärkungsfaserbündel eine Verteilung aufweist. Beispielsweise können Verstärkungsfaserbündel mit einer Länge von 20 mm, 30 mm und 50 mm miteinander kombiniert sein.

Die Bündel von Kohlenstofffasern, d.h. die Verstärkungsfaserbündel, können aus üblichen Kohlenstofffaser-Filamentgarnen mit z.B. 500 bis 50.000 Faserfilamenten bestehen. Es ist aber von Vorteil, wenn jedes Verstärkungsfaserbündel aus 500 bis 24.000 Verstärkungsfaserfilamenten besteht. Zur Erzielung einer möglichst homogenen Verteilung der Verstärkungsfaserbündel in der Bauteilwand und zur Erzielung möglichst hoher Faservolumenanteile liegt die Anzahl der Filamente in den Bündeln besonders bevorzugt im Bereich 500 bis 6.000 und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1 .000 bis 3.000.

In einer Ausführungsform kann ein Multifilamentverstärkungsgarn als

Kohlenstofffasergarn mit einer Festigkeit von mindestens 5000 MPa gemessen nach JIS-R- 7608 und einem Zugmodul von mindestens 260 GPa, gemessen nach JIS-R- 7608 verwendet werden.

Zur Erzielung hoher Faservolumenanteile in der Bauteilwand, insbesondere zur Erzielung von Anteilen von Kohlenstofffasern oberhalb von 45 Vol.-%, hat es sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Wand mehrere Gruppen von Verstärkungsfaserbündel mit voneinander verschiedenen Anzahlen von

Filamenten aufweist, da sich damit hohe Packungsdichten der Bündel in der Wand realisieren lassen. Beispielsweise können Verstärkungsfaserbündel mit 3.000, 6.000 und 12.000 Filamenten kombiniert werden. Zur Erzielung der geforderten Faservolumenanteile in der Wand haben die die Wand des erfindungsgemäßen Bauteils aufbauenden Bündel vorzugsweise eine Breite im Bereich von 1 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt eine Breite im Bereich von 1 mm und 10 mm. Ebenso ist es für die Erzielung hoher

Packungsdichten der Bündel, d.h. zur Erzielung hoher Faservolumenanteile in der Bauteilwand von oberhalb von 45 Vol.-%, des Weiteren von Vorteil, wenn die Bündel einen möglichst flachen Querschnitt senkrecht zur Erstreckung der

Kohlenstofffaser-Filamente im Bündel aufweisen. Vorzugsweise liegen die Bündel bändchenförmig vor und weisen ein Verhältnis von Bündelbreite zu Bündeldicke von mindestens 25 auf. Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis von Bündelbreite zu Bündeldicke im Bereich 30 bis 150.

Durch geeignete Auswahl von Verstärkungsfaserbündeln hinsichtlich ihres

Verhältnisses von Bündelbreite zu Bündeldicke, hinsichtlich ihrer Länge sowie hinsichtlich der Anzahl der Verstärkungsfaserfilamente lassen sich besonders hohe Packungsdichten der Verstärkungsfaserbündel und damit besonders hohe Faservolumenanteile in der Bauteilwand realisieren. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform des Bauteils weisen die in der Wand des Bauteils angeordneten Bündel neben einem flachen Querschnitt unterschiedliche Längen und unterschiedliche Anzahlen an Filamenten auf. Dies führt zu besonders hohen Faservolumenanteilen in der Wand des Bauteils.

Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils zur Absorption von

Stoßenergie, d.h. als Deformations- oder Crash-Element, ist ein gleichförmiges Materialverhalten über einen möglichst großen Bereich an

Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Feuchtigkeit erforderlich. Für Anwendungen im Automobil gelten je nach Hersteller und Einsatzgebiet verschiedene Dauereinsatztemperaturen. Es hat sich ein Temperaturfenster von - 40 °C bis 120 °C für Anwendungen in Motor- oder Abgasstrang nahen Bereichen etabliert. Die Glasübergangstemperaturen der meisten Thermoplaste, die für den Automobilbau relevant sind, liegen in diesem Temperaturbereich. Zum Beispiel liegen die Glasübergangstemperaturen der im Automobilsektor vielfach

verwendeten Polyamide im Bereich von ca. 35 °C und 60 °C. Solche Thermoplaste sind folglich schlecht in einem Bauteil zur Absorption von

Stoßenergie mit gleichbleibenden Eigenschaften einsetzbar.

Natürlich existieren auch Thermoplaste mit höheren Glasübergangstemperaturen, beispielsweise Thermoplaste der PAEK-Familie, wie z.B. Polyether-Ether-Ketone (PEEK) usw. Allerdings sind diese Matrixwerkstoffe für Anwendungen in der Großserie der Automobilindustrie zu teuer. Zum einen sind die Kosten der

Werkstoffe zu hoch, zum anderen bedeuten die hohen Verarbeitungstemperaturen infolge der hohen Schmelztemperaturen erhebliche Folgekosten. Thermoplaste mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C (vorzugsweise 220 °C) sind nicht geeignet. Darüber hinaus sind alle Matrixwerkstoffe, die eine Wasseraufnahme von größer als 5 Gew.-%, vorzugsweise von größer als 3 Gew.-%, besitzen, ungeeignet für Strukturbauteile in einem Fahrzeug. Mit zunehmender

Wasseraufnahme quellen die Bauteile und die mechanische Leistungsfähigkeit nimmt ab. Gleichbleibende Eigenschaften, beispielsweise gleichbleibende

Energieabsorptionswerte, bei sich ändernden Umweltbedingungen sind folglich nicht zu erreichen.

Vorzugsweise sind daher die Bündel im Bauteil und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren teil- oder vollvernetzten Polymeren besteht.

Vorzugsweise besteht die Polymermatrix zu mindesten 60 Vol.-%, bezogen auf den Matrixanteil, und besonders bevorzugt zu mindestens 75 Vol.-% aus einem oder mehreren teil- oder vollvernetzten Polymeren. Weitere Bestandteile der Polymermatrix können beispielsweise Thermoplaste sein, um die Schlagzähigkeit des Bauteils zu erhöhen oder andere Additive, die beispielsweise die

Verarbeitbarkeit oder die Lebensdauer des Bauteils beeinflussen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Polymermatrix ein Matrixmaterial basierend auf Acrylat oder Methacrylat auf. Darüber hinaus können

Polyesterharze, Vinylesterharze oder Phenol-Formaldehydharze in der

Polymermatrix enthalten sein. Vorzugsweise liegen die Kohlenstoffasern in der Wand des Bauteils bei

Betrachtung senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche der Wand gestreckt vor (siehe Figur 12).

Wie ausgeführt, ist die Wand zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern

aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Bündel und die die Bündel aufbauenden Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix eingebettet sind, welche zum überwiegenden Teil aus einem oder mehreren vernetzten Polymeren besteht. Das bedeutet, dass tatsächlich die Bündelstruktur im fertigen Bauteil erhalten ist. Vorteilhafterweise liegen dabei die Kohlenstofffasern in den Bündeln gestreckt vor, wodurch sich ein hohes Niveau der Drucksteif ig keitswerte für das erfindungsgemäße Bauteil erreichen lässt.

Diese Eigenschaft des erfindungsgemäßen Bauteils ist in der Anwendung von Vorteil, da bei einer Stoßbelastung des Bauteils bzw. des Deformationselements, durch die ein Versagen des Bauteils unter Ausbildung einer Crashzone erfolgt, das unterhalb der Crashzone liegende Material den Druckkräften standhalten muss und nicht versagen darf. Hierfür ist diese hohe Druck-Steif ig keit notwendig, da sie die Verformung in der noch nicht durch Versagen (Crushing) geschädigten Stütz-Zone gering hält und damit das vorzeitige Versagen des Bauteils durch Knicken oder Beulen verhindert. Ist die Drucksteifigkeit im Verhältnis zur Crash- Versagensspannung vergleichsweise niedrig, müsste ansonsten das Bauteil sehr dick gebaut werden oder es versagt im ungünstigsten Fall immer durch Knickoder Beulvorgänge.

Unter einer gestreckten Konfiguration der Kohlenstoffasern im Bauteil wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Kohlenstofffasern aus sich heraus nicht gewellt oder geknickt sind und eine Änderung der

Längserstreckung der Kohlenstoffasern lediglich durch die Geometrie des Bauteils bedingt ist. Die Faserbündel weisen somit weder in Längserstreckung noch quer zur Längserstreckung Knicke oder Wellungen auf, die nicht durch die Geometrie des Bauteils bedingt wären. In konventionellen Faserverbundwerkstoffen, wie z.B. solcher auf Basis von Geweben, Vliesen oder bei Sheet Molded Compounds (SMC), liegen die Fasern gekrümmt oder wellenförmig vor, so dass die Steif ig keitswerte (E-Modul) für Zug- und insbesondere für Druckbelastungen reduziert werden. Diese reduzierten Eigenschaften sind sowohl bei statischen als auch bei dynamischen Belastungen nachteilig. Solche gekrümmten oder wellenförmigen Anordnungen der Fasern können beispielsweise über Röntgenuntersuchungen sichtbar gemacht werden. Beispielsweise werden im Handbuch der Faserverbundwerkstoffe/Composites, Springer Verlag, 2014, 4. Auflage, Seite 253 in Abbildung 154 oder Seite 270 in Abbildung 270 die Röntgenaufnahmen eines SMC-Bauteils gezeigt. Die

Verstärkungsfasern wurden bei der Herstellung des SMC-Bauteils während des Füllvorgangs durch den Fluss der viskosen Matrix orientiert und onduliert. Die Faserbündel sind nicht entlang einer Geraden ausgerichtet, sondern weisen im Vergleich dazu eine deutliche Krümmung auf. Darüber hinaus erzeugt der starke Fluss der Matrix und der Fasern während des Füllvorgangs eine inhomogene Faserverteilung.

Im Vergleich dazu sind die Kohlenstofffaserbündel entsprechend der Erfindung homogen über den Bauteilquerschnitt verteilt. Unter einer homogenen Verteilung wird vorliegend verstanden, dass die Schwankung des Faservolumenanteils kleiner als ±10 Vol.-% für jede Probe des Bauteils mit einer Größe von mindestens der halben Faserbündellänge des Bauteils ist (Z.B. für eine zylinderförmige Probe von 25 mm Durchmesser und 2 mm Dicke bei einer Bauteil-Wandstärke von 2 mm und einer Faserbündellänge von 50 mm). Darüber hinaus sind die Bündel bereits bei der Herstellung der Preform im Wesentlichen in der Endgeometrie abgelegt. Während des Injektions- und Infusionsvorgangs werden nur die fließfähigen Komponenten der Polymermatrix zugeben. Eine Verschiebung der Kohlenstofffaserbündel ist aufgrund der Fixierung der Preform ausgeschlossen. Darüber behalten die Kohlenstofffaserbündel ihre gestreckte Ausrichtung. Auf diese Weise werden hohe Drucksteif ig keitswerte erreicht und ein ungewünschtes Versagen an Schwachstellen, etwa harzreiche Zonen oder besonders stark verformte Bereiche des Bauteils, vermieden.

Das Bauteil lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem zunächst aus den Bündeln von Kohlenstofffasern ein Faservorformling, oft auch als Preform bezeichnet, hergestellt wird. Der bereits endkonturnahe Faservorformling wird in ein Werkzeug, welches die negative oder positive endkonturnahe Form des Bauteils besitzt, eingelegt. Weisen die Verstärkungsfaserbündel bereits genug Matrixmaterial auf, ist die Zugabe weiteren Matrixmaterials nicht notwendig. In einem solchen Fall kann das Matrixmaterial beispielsweise zur Bauteilherstellung mit Druck und Wärme aktiviert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass mittels üblicher Verfahren dem Faservorformling zusätzliches Matrixmaterial (Matrixsystem) zugeführt wird. Beispielweise kann das Matrixmaterial, d.h. das noch nicht voll- bzw. teilgehärtete Matrixharz, in das Werkzeug und damit in den Faservorformling über Infusion, Infiltration, Injektion oder Pressen eingebracht werden. Anschließend erfolgt unter Voll- oder Teilvernetzung des polymeren Matrixmaterials (z.B. durch Aushärtung eines duromeren Matrixharzes) die Ausbildung des Bauteils.

Die Herstellung des Faservorfornnlings kann dabei kostengünstig und auf einfache Weise nach dem Verfahren erfolgen, wie es beispielsweise in der EP 2727693 B1 beschrieben wird, auf deren diesbezügliche Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. Das Verfahren der EP 2727693 B1 umfasst dabei die folgenden Schritte:

Zuführen mindestens eines endlosen bändchenförmigen Strangs von mit einem Binder versehenen Verstärkungsfasern von einer Vorlage auf einen Ablagekopf, wobei der mindestens eine Strang eine Strangbreite von mindestens 5 mm, und eine Konzentration des Binders im Bereich von 2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, alternativ von 15 Gew.-% bis 75 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des bändchenförmigen Strangs, aufweist.

Breitlegen des mindestens einen endlosen bändchenförmigen Strangs in einer auf dem Ablagekopf angeordneten Breitlegeeinheit und Fördern des mindestens einen Strangs in Förderrichtung mittels einer auf dem Ablagekopf angeordneten ersten Fördereinrichtung zu einer auf dem Ablagekopf angeordneten Längstrennvorrichtung,

dabei Stabilisieren des mindestens einen Strangs in der Richtung quer zur Förderrichtung,

- Schneiden des mindestens einen Strangs in der Längstrennvorrichtung

entlang seiner Längserstreckung mittels mindestens eines Trennelements in zwei oder mehr Teilstränge,

Fördern der Teilstränge in Förderrichtung mittels einer auf dem Ablagekopf angeordneten zweiten Fördereinrichtung zu einer auf dem Ablagekopf angeordneten Ablängeinheit,

Schneiden der Teilstränge mittels der Ablängeinheit in

Verstärkungsfaserbündel definierter Länge und

Ablegen der Verstärkungsfaserbündel auf einer Oberfläche und/oder auf der Oberfläche abgelegten Verstärkungsfaserbündeln und Fixieren der

Verstärkungsfaserbündel auf der Oberfläche und/oder auf der Oberfläche abgelegten Verstärkungsfaserbündeln zur Ausbildung des Faservorformlings, wobei zwischen Ablagekopf und Oberfläche eine Relativbewegung zur belastungsgerechten Ablage der Verstärkungsfaserbündel auf der Oberfläche eingestellt wird.

Zur Herstellung des Faservorformlings werden vorzugsweise Bündel von

Kohlenstofffasern eingesetzt, bei denen die Kohlenstofffasern mit einem Binder versehen sind. Bei diesem Binder handelt es sich um ein Material, mittels dessen z.B. durch eine Hitzeaktivierung und anschließende Abkühlung der

Faservorformling in einen stabilen Zustand gebracht werden kann, die eine

Handhabung des Faservorformlings in nachfolgenden Prozessschritten erlaubt. Bei dem Binder kann es sich dann um eine Faserpräparation handeln, wie sie üblicherweise auf die Filamente der Kohlenstofffasern aufgetragen wird, um eine verbesserte Verarbeitbarkeit und einen guten Faserschluss zu erreichen, d.h. ein zumindest teilweises Verbinden der Filamente untereinander. Derartige

Präparationen basieren häufig auf Epoxidharzen oder Polyurethanharzen.

Bevorzugt stellt die Polymermatrix (in der die Faserbündel eingebettet sind) den Binder beziehungsweise die Präparation für die Kohlenstofffaserbündel dar. Für das Herstellen des Faservorformlings für das erfindungsgemäße Bauteil ist jedoch ein gegenüber den üblicherweise verwendeten Konzentrationen der Präparation erhöhter Gehalt erforderlich, vorzugsweise im Bereich von 2 Gew.-% bis 14 Gew.- % und besonders bevorzugt im Bereich von 3 Gew.-% bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mit Binder versehenen Kohlenstofffasergarns. Als Binder kommen hierbei thermoplastische oder ungehärtete oder teilweise gehärtete duromere Polymere oder auch Polymerkompositionen aus diesen Polymeren in Frage. Geeignete thermoplastische Polymere sind beispielsweise Polyethylenimin, Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherethersulfon, aromatische Polyhydroxyether, thermoplastische Polyurethanharze oder Mischungen dieser Polymere. Als ungehärtete oder teilweise gehärtete duroplastische Polymere kommen

beispielsweise Epoxide, Isocyanate, Phenolharze oder ungesättigte Polyester in Frage. Dabei ist es von Vorteil, wenn die mit Binder versehenen Kohlenstofffasern bzw. die Kohlenstofffaser-Bündel bei Verarbeitungstemperaturen, wie sie zur

Herstellung des Faservorformlings, also bei der Ablage der Bündel zum

Faservorformling, d.h. in der Regel bei Raumtemperatur, herrschen, nicht klebrig sind. Bei erhöhten Temperaturen sollte der Binder bzw. sollten die mit dem Binder versehenen Kohlenstofffasern jedoch klebrig sein und zu einer guten Haftung der daraus hergestellten Faserbündel führen. Derartige Verstärkungsfasergarne bzw. Stränge von Verstärkungsfasern werden beispielsweise in der WO 2005/095080 beschrieben, auf deren Offenbarung sich an dieser Stelle ausdrücklich bezogen wird. Die dortigen Filamentgarne sind mit einem aus mehreren unterschiedlichen Epoxidharzen zusammengesetzten Binder infiltriert, wobei diese Epoxidharze sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Epoxidwert und Molekulargewicht sowie hinsichtlich ihrer Konzentration zueinander in definierter Weise unterscheiden. Auch die WO 2013/017434, auf deren diesbezügliche Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird, beschreibt mit einem Binder vorimprägnierte

Kohlenstofffasern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils weist die im Bauteil verwendete Polymermatrix und/oder das verwendete Matrixsystems, eine Bruchzähigkeit auf, die sich maximal um 100% erhöht bei einer

Temperaturänderung von 20°C auf 100°C, gemessen nach ISO 13586. Bauteile mit einer derartigen Matrixeigenschaft weisen eine hohe Matrixsprödigkeit auf. (Die Bruchzähigkeit ist umso niedriger, je spröder die Matrix ist.) Es wird vermutet, dass durch Wahl des Matrixmaterials mit einer solchen Bruchzähigkeit das Bauteil bei Krafteintragung an den einzelnen Faserbündeln delaminiert, wodurch eine große innere Oberfläche im Bauteil ausgebildet wird, was zur letztendlichen Umwandlung der Kollisionsenergie in Wärme beiträgt. Die im Bauteil verwendete Polymermatrix kann die Polymermatrix der Verstärkungsfaserbündel und/oder das optional zur Herstellung des Bauteils zusätzlich zugefügte Matrixsystem sein.

Das Bauteil ist, wie ausgeführt, bei einer Betrachtungsrichtung parallel zur

Längsrichtung als Körper ausgebildet. Durch die Ausbildung als Körper wird eine selbsttragende und gegenüber Knickbelastungen stabile Struktur erhalten. Auf diese Weise kann die Stoßenergie über dem Verformungsweg gleichmäßig dissipiert werden und ein Knicken des Bauteils, wodurch eine weitere

Energiedissipation beendet wird, zumindest weitgehend vermieden werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann es sich bei dem Körper bei Betrachtung parallel zur Längsrichtung des Bauteils um ein Profil, bevorzugter um ein

Wellenprofil, ein Zick-Zack-Profil, ein Winkelprofil oder ein Profil, welches eine Mischung der zuvor genannten Profile aufweist, handeln. Es kann sich jedoch auch um beliebige, auch unregelmäßige Profile handeln. Vorzugsweise hat der innere und/oder äußere Querschnitt des Körpers eine Wellenform, eine Zick-Zack- Form, eine Winkelform, eine Kurve oder eine Mischung der zuvor genannten Formen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann das Bauteil als Körper ein geschlossenes Hohlprofil aufweisen, welches einen sich zwischen erstem und zweitem Ende erstreckenden Hohlraum aufweist, wobei das erste Ende und das zweite Ende mit dem ersten bzw. dem zweiten Stoßelement verbindbar sind, und wobei das Hohlprofil einen äußeren und einen inneren Querschnitt aufweist und die erste Oberfläche dem Hohlraum abgewandt und die zweite Oberfläche dem Hohlraum zugewandt ist. Dabei sind Hohlprofile bevorzugt, bei denen der innere und/oder der äußere Querschnitt eine kreisförmige, ellipsenförmige, quadratische oder rechteckige Kontur oder eine polygonale Kontur aufweist. Beispiele für derartige Hohlprofile sind etwa in der EP 3104036 A1 oder auch in der

US 2005/0147804 A1 zu finden.

Das Bauteil kann mehr als ein erstes und ein zweites Ende aufweisen.

Beispielsweise kann das Bauteil drei oder mehr Enden aufweisen. Zur

Vereinfachung wird im Folgenden von einem ersten und einem zweiten Ende berichtet, ohne das Bauteil darauf einzuschränken.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wanddicke des erfindungsgemäßen Bauteils über die Erstreckung in Längsrichtung konstant (siehe Figur 2c). In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nimmt die Wanddicke des Bauteils vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils zu (siehe Figur 2d). Bei einem Hohlprofil als Körper des Bauteils kann vorzugsweise der innere und/oder der äußere Querschnitt entlang der Erstreckung in Längsrichtung konstant sein. Ebenso können bei einem Bauteil mit einem Hohlprofil als Körper vorzugsweise der innere und/oder der äußere Querschnitt in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende vom ersten zum zweiten Ende des Verbundwerkstoff-Bauteils zunehmen.

Im Falle, dass der innere und der äußere Querschnitt konstant sind, wird eine Wand mit einer vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils konstanten Wanddicke erhalten. Bei dieser Ausführung ist auch die Querschnittsfläche der Wand über die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung konstant. Ebenso kann eine konstante Wanddicke erhalten werden, wenn der innere und der äußere Querschnitt entlang der Erstreckung in Längsrichtung in gleicher Weise vom ersten zum zweiten Ende zunehmen. In diesem Fall nimmt jedoch die Querschnittsfläche der Wand über die Erstreckung des Bauteils in Längsrichtung vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils zu. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauteils sind solche, bei denen die Wanddicke in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende von ersten zum zweiten Ende des Bauteils zunimmt. Weitere Ausführungen des Bauteils sehen vor, dass die Wand des Bauteils nur in Teilbereichen dicker und/oder dünner ausgestaltet ist. Teilbereiche, deren Wand innerhalb des Teilbereichs dicker ist, können beispielsweise Rippen aufweisen. Teilbereiche, deren Wand innerhalb des Teilbereichs dünner ist, können beispielsweise Trigger-Bereiche sein, die zur Kraftein leitung verwendbar sind. Vorzugsweise ist das Bauteil aus einer Mehrzahl von Teilkörpern aufgebaut.

Beispielsweise kann das Bauteil aus zwei Körperschalen bestehen, die

zusammengesetzt (beispielsweise mittels Verbindung durch Flansche) das Bauteil bilden. In der Endanwendung (beispielsweise im Fahrzeug) kann das Bauteil einzeln oder mit mehreren Bauteilen als Absorptionselement für Stoßenergie eingesetzt werden. Bei der Verwendung von einer Mehrzahl von Bauteilen können die verwendeten Bauteile gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein und/oder in Reihe nebeneinander, übereinander und/ oder konzentrisch um einen Mittelpunkt angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Falle, dass das Bauteil als Körper ein geschlossenes Hohlprofil ist, dieses Bauteil aus zwei Teilprofilen aufgebaut, die in Längsrichtung zur Ausbildung des Hohlprofils miteinander verbunden sind.

Derartige Teilprofile, beispielsweise in Gestalt von Halbschalen, sind auf besonders einfache Weise über einen Prozess zur Herstellung eines

Faservorformlings bzw. einer Preform herstellbar, da die Verstärkungsfaserbündel bei der Herstellung der Preform in eine offene Form abgelegt werden können. Bevorzugt weisen die Teilprofile in Längsrichtung seitlich Flansche auf, über welche die Teilprofile miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann vorzugsweise mittels eines Klebers erfolgen, beispielsweise mittels eines 2- Komponenten Konstruktionsklebers. Die Verbindung kann auch mittels einer die Flansche außen umschließende Klammerung, Verschraubung, Verschweißung und/oder Vernietung erfolgen oder mittels einer die Flansche umschließende Hilfskonstruktion, wie sie beispielsweise in der EP 3104036 A1 beschrieben wird. Vorzugsweise sind die Teilprofile form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden.

Es ist von Vorteil, wenn das Bauteil an seinem mindestens ersten und/oder zweiten Ende einen Bereich zur Einleitung der Stoßenergie aufweist. In der Anwendung des erfindungsgemäßen Bauteils kommt es darauf an, dass sich bei einer Stoßbelastung kontrolliert eine Versagenszone ausbildet, bei deren

Fortschreiten durch das Bauteil möglichst viel Energie absorbiert wird. Dies kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass die Aufprallkraft oder Stoßenergie in das häufig auch als Crash-Element bezeichnete Bauteil zuerst in einen am Ende des Crash- Elements befindlichen Bereich zur Einleitung der Stoßenergie, dem sogenannten Trigger-Bereich eingeleitet wird, der z.B. eine Anschrägung der Querschnittsfläche (Fase) sein kann. Die genaue geometrische Gestaltung dieses Bereichs hat sich als weniger wichtig herausgestellt. Er muss jedoch eine Reduzierung der Wanddicke bzw. der Querschnittfläche der Wand beinhalten und ist vor allem Sollbruch-Stelle für ein gezieltes Versagen. Im Trigger-Bereich wirkt eine erhöhte Spannung, da die gleiche Kraft auf weniger Material im Bereich der angeschrägten Spitzen wirkt, und das Material versagt.

Erfindungsgemäß ist die Wand des vorliegenden Bauteils zumindest zum überwiegenden Teil aus Bündeln von Kohlenstofffasern aufgebaut, innerhalb derer die die Kohlenstofffasern aufbauenden Kohlenstofffaser-Filamente zueinander parallel angeordnet sind. Die Wand kann jedoch in einem bevorzugten Fall auch zusätzlich mindestens eine Schicht aus unidirektional orientierten Langfasern umfassen, wobei die mindestens eine Schicht an mindestens einer der

Oberflächen oder im Inneren der Wand angeordnet sein kann und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Bauteils erstrecken. Über solche

Schichten aus unidirektional orientierten Langfasern kann in der Anwendung beispielsweise eine weitere Stabilisierung des Bauteils gegenüber einem Knicken erreicht werden. Vorzugsweise erstrecken sich die Langfasern vom ersten zum zweiten Ende des Bauteils. Bei mehr als zwei Enden erstrecken sich die

Langfasern vorzugsweise zwischen mindestens zwei Enden des Bauteils. Solche Langfasern weisen vorzugsweise Fasern mit einer Länge von mehr als 10 mm auf und einer Breite von mehr als 3 mm auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils weist die Wand an der ersten und/oder zweiten Oberfläche Verstärkungselemente auf, die sich in Richtung der Längsrichtung des Bauteils erstrecken. Derartige

Verstärkungselemente können z.B. die Gestalt von Rippen oder Lamellen haben, die auf die Oberfläche aufgebracht sind, beispielsweise durch Aufkleben separat hergestellter Elemente (siehe auch Figur 2). Die Verstärkungselemente können ebenfalls aus Faserverbundmaterial bestehen, es kann sich jedoch auch um Elemente beispielsweise aus metallischen Werkstoffen handeln. Im Falle, dass die Verstärkungselemente aus Faserverbundmaterial bestehen, können die

Verstärkungselemente auch integral mit dem Bauteil bzw. der Wand des Bauteils verbunden und zusammen mit der Wand hergestellt worden sein. Beispielsweise können Bänder unidirektionaler Fasern wie z.B. Unidirektionalprepregs auf die Wand des Faservorformlings auflaminiert werden und nach der Injektion des Matrixmaterials gemeinsam mit dem mit Matrix versehenen Faservorformling zum Bauteil ausgehärtet werden. Vorzugsweise bestehen die Verstärkungselemente aber aus den gleichen Bündeln von Kohlenstofffasern, die auch für die Ausbildung der Wand des Bauteils verwendet wurden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein dauerhaft tragendes Element in das Bauteil integriert, welches mit dem ersten bzw. dem zweiten Stoßelement verbindbar ist. Dieses dauerhaft tragende Element wird im Falle einer Stoßbelastung nicht zusammen mit dem Bauteil zerstört, sondern

verschoben und/oder verformt. Mittels derartiger Elemente kann dafür Sorge getragen werden, dass auch nach Zerstörung des Bauteils nach einer

Stoßbelastung eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten

Stoßelement bestehen bleibt, also beispielsweise der Stoßfängerquerträger am Rahmenlängsträger des Kraftfahrzeugs weiterhin gehalten wird. Beispielsweise kann es sich bei dem dauerhaft tragenden Element um ein Stahlrohr handeln, das im Falle eines Crashs bzw. im Falle einer Stoßbelastung teleskopartig im Bauteil verschoben wird. Es ist auch möglich, dass mehrere dauerhaft tragende Elemente in das Bauteil integriert sind.

Die Erfindung wird im Weiteren mittels Beispiele beschrieben, wobei die Beispiele und Figuren lediglich Ausführungsformen der Erfindung darstellen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind.

Figur 1 zeigt schematisch einen Vergleich der Spannungs-Weg-Verläufe zwischen nicht erfindungsgemäßen Bauteilen und einem Ausführungsbeispiel des Bauteils gemäß der Erfindung im Crash.

In der Figur 2, 2a, 2b, 2c und 2d werden mögliche Ausführungsformen des Bauteils schematisch dargestellt. In den Figuren 1 und 3 bis 1 1 sind verschiedene Crash-Daten in Kurven für Ausführungsbeispiele des Bauteils dargestellt. Dabei stellt die X-Achse jeweils den Weg gemessen in mm dar. Die Y-Achse kennzeichnet die Kraft gemessen in kN. In Figur 1 ist ein Vergleich der Druck- bzw. Spannungs-Weg-Verläufe von einem Bauteil aus Aluminium (Kurve A) im Vergleich zu Bauteilen aus faserverstärkten Kunstsoffen dargestellt. Die X-Achse beschreibt dabei den Weg in mm, die Y- Achse den Druck bzw. die Spannung in MPa. Bei den Bauteilen aus

faserverstärkten Kunststoffen handelt es sich um ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel aus einem thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoffasern (Kurve B) und einem Bauteil, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Kurve C), wobei die Kohlenstofffasern mit einer mittelern Schnittlänge der Faserbündel von 50 mm in einer isotropen Faserbündelverteilung im Bauteil vorlagen. Beide Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff hatten die gleiche Geometrie und wurden aus Halbschalen aufgebaut. Das Bauteil aus Aluminium bestand aus einem Rohr mit 66 mm Innendurchmesser und 2 mm Wandstärke. Die Geometrien der Bauteile wurden so aufeinander abgestimmt, dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Es zeigt sich, dass die Amplitudenschwankung bezogen auf den Weg des Bauteils aus Aluminium wesentlich stärker ausgeprägt ist, als die

Amplitudenschwankungen bei den Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. Im Vergleich zu dem nicht erfindungsgemäßen Bauteil aus faserverstärktem

Kunststoff ist die Anfangs-Spannungsamplitude des versagenden Bauteils nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wesentlich geringer. Dies hat zur Folge, dass bei geringeren Anfangskräften bereits Bewegungsenergie in

Deformationsenergie umgewandelt wird und so beispielsweise folgende

Fahrzeugstrukturen bzw. Fahrzeuginsassen vor der Einwirkung hoher Kräfte geschützt werden.

Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils 1 , das zur

Stoßenergieabsorption verwendet werden kann. Das Bauteil 1 weist ein erstes Ende E1 und ein zweites Ende E2 und beispielsweise einen halbrunden Querschnitt auf, wobei sich der Querschnitt entlang der Längsrichtung L ändert. Das Bauteil 1 kann eine Rippe 2 (oder eine Mehrzahl von Rippen) aufweisen, die beispielsweise auf einer ersten Oberfläche 8 vorgesehen sein kann. Die Rippe kann einstückig aus dem Bauteil 1 gefertigt sein oder als weiteres Element auf dem Bauteil 1 angebracht werden. Beispielsweise kann die Rippe 2 durch die Ablage eines oder mehrerer Faserbänder auf dem Bauteil 1 gebildet werden. Das Bauteil 1 kann weiterhin vorzugsweise Aussparungen 3, wie beispielsweise Löcher, aufweisen. Durch diese Aussparungen 3 kann vorteilhafterweise das Gewicht des Bauteils 1 verringert werden, ohne die Länge oder Breite des

Bauteils 1 zu verringern. Innerhalb des Bauteils können Klappen oder Deckel 5 vorgesehen sein, die das Bauteil 1 in seiner Längserstreckung L unterteilen. Die Deckel 5 können dabei so ausgebildet sein, dass sie von einer Wand zur anderen Wand reichen und somit einen Verschluss bilden oder sie können lediglich innerhalb des Bauteils 1 hineinreichen, ohne dass der Deckel 5 einen Kontakt mit der anderen (gegenüberliegenden) Wandseite hat. Die Deckel oder Klappen 5 können vorteilhafterweise das Bauteil 1 stabilisieren und beispielsweise ein Abknicken des Körpers 1 bei einem Stoß verhindern. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 weist der Körper 1 ein Halbrundprofil 7 auf, wobei das erste Ende E1 einen geringeren Durchmesser ausweist als das zweite Ende E2. Mittels Flansche 6 kann das Bauteil 1 mit anderen Teilen verbunden werden. Bei den anderen Teilen kann es sich beispielsweise um weitere Bauteile 1 zur Absorption von Stoßenergie (der gleichen Art oder einer anderen Art) handeln oder um Stoßelemente. Durch die Flansche 6 kann das Bauteil 1 form- und/oder kraftschlüssig mit den anderen Teilen in Verbindung gebracht werden, wobei eine irreversible Verbindung bevorzugt ist.

Die Figur 2a stellt ein Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 dar, wie es für das Beispiel 1 verwendet wurde. In Figur 2b ist schematisch ein Ausschnitt des Bauteils 1 dargestellt. Abgebildet ist ein Teil einer Wand des Bauteils 1 mit der ersten Oberfläche 8. Faserbündel zur Bildung des Bauteils 1 liegen bei Betrachtung einer Senkrechten S zur ersten Oberfläche 8 im Wesentlichen Isotrop vor. Weiterhin bilden die Faserbündel bei Betrachtung einer Parallelen W zur ersten Oberfläche 8 Schnittwinkel zur den Oberflächen 8, 9.

Figur 2c stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 in vereinfachter Weise dar. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Außenquerschnitt 1 1 des

Bauteils am ersten Ende E1 kleiner als der Außenquerschnitt 1 1 am zweiten Ende E2. Über die Längsrichtung L hat sich folglich der Querschnitt des Bauteils 1 vergrößert. Ein Innenquerschnitt 1 1 ^' des Bauteils 1 kann sich dabei vom ersten zum zweiten Ende E1 , E2 mit verändert haben oder gleichgeblieben sein. Bei einem gleichbleibenden Innenquerschnitt 1 1 ^' ergibt sich eine Änderung in der Wanddicke des Bauteils 1 . In der Figur 2d ist schematisch eine weitere Ausführungsform des Bauteils 1 in vereinfachter weise dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel bleibt der

Außenquerschnitt (nicht eingezeichnet) des Bauteils 1 vom ersten Ende E1 zum zweiten Ende E2 konstant. Allerdings ist eine Wanddicke 10 des Bauteils 1 am ersten Ende E1 größer als die Wanddicke 10 ^' des Bauteils am zweiten Ende E2.

Figur 12 stellt eine Röntgenaufnahme eines Bauteils mit gestreckten Faserbündel dar. Das Bauteil soll vorzugsweise mindestens 20 % der Faserbündel in

Bereichen, die nicht durch die vorgegebene Bauteilgeometrie bereits als gekrümmt bestimmt werden, auf, welche im Vergleich zu einer angelegten Gerade von dieser maximal um 5 mm (vorzugsweise um 2 mm) abweichen. Krümmungen in den Faserbündeln, die sich nicht durch die Preformherstellung, sondern gezwungener- und erwünschter Maßen aus der Geometrie des Bauteils ergeben, werden bestimmt, in dem die naheliegendste Bauteilkante als Referenz verwendet wird. Beispiel 1

Für das Beispiel 1 wurde ein Körper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Crash-Bauteil, wie in Figur 2a dargestellt, hergestellt. Für das Versuchsergebnis wurden das Bauteil in einem dynamischen Stoßversuchen geprüft. Hierfür wurden zuerst Vorformlinge sogenannte Preforms hergestellt. Für diesen Schritt wurde ein Kohlenstofffasergarn (Tenax HTS40 X030 12k 800 tex) mit Behinderung (gemäß der Schriften WO 2005/095080, WO 2013/017434) in Quer- und Längsrichtung in Faserbündel zerteilt. Die Faserbündel erhielten dabei eine Länge von 50 mm und eine Breite zwischen 1 mm und 5 mm. Diese

Faserbündel wurden in endkonturnahe Preformen geformt. Hierzu werden die Faserbündel auf einem Preform-Werkzeug aufgebracht, das bereits zum größten Teil die Geometrie des Endbauteils abbildet. Die Aufbringungsmethode (manuell oder mittels einer geregelten Verfahreinheit, z.B. eines Roboters) ist von untergeordneter Bedeutung, solange ein gleichmäßiger Auftrag der Bündel erzeugt wird. Im Bespiel ist ein Faserauftrag eingestellt, der zu einem

Faservolumengehalt im Bauteil von 50 Vol.-% mit einer maximalen Abweichung von ±5 Vol.-% führt. Um die Faserbündel am jeweiligen Auftragsort zu fixieren, kann das Preform-Werkzeug mit vielen kleinen Löcher ausgestaltet sein, die mit einem Saugstrom beaufschlagt sind. Auf diese Weise werden die Faserbündel am jeweiligen Punkt angesaugt und fixiert. Im nächsten Schritt wird diese Struktur erwärmt und der Binder entfaltet seine Haftwirkung. Unter Umständen kann durch eine zusätzliche Kraft senkrecht zur jeweiligen Oberfläche die Struktur kompaktiert werden. Nachdem der Binder wieder erkaltet ist, sind die gesamte Preform aber auch die einzelnen Faserbündel an ihren lokalen Orten fixiert Die Preformen wurden in einem Stahlwerkzeug durch einen Harzinfusionsprozess (Resin

Transfer Molding, RTM) zu zwei halbschalenförmigen Profilbauteilen (Teilkörpern) mit gleichbleibender Wanddicke von 2 mm in Längsrichtung und einem zum Teil halbkreisförmigen Querschnitt verarbeitet. Der Faservolumenanteil der Teilkörper lag bei 50 %. Als Matrixsystem für die Harzinfusion wurde ein Epoxid-Harzsystem (Huntsman Araldite LY 1564 / Aradur AD 22962) verwendet. Nach der Entformung der Profilbauteile beziehungsweise der Teilkörper wurden diese getempert. Die Teilkörper wurden mit einer Diamant-Kreissäge besäumt. Jeweils zwei dieser halbschalenförmigen Teilkörper wurden in einer Klebelehre zusammengefügt und an seitlich längs verlaufenden ebenen Flanschen mit einem 2-Komponenten- Konstruktionsklebstoff (3M DP490) verklebt. Anschließend wurde durch

Abschleifen an einer Seite des Bauteils eine Krafteinleitungs-Struktur (sog.

Trigger) in Form einer umlaufenden 45°-Fase eingebracht.

Das so hergestellte Bauteil wurden an einer ebenen, nicht nachgiebigen Prallplatte aus Stahl befestigt, so dass die Längsachse senkrecht auf der Platte stand und die Kraftanleitungsstelle nach außen zeigte. Anschließend wurde ein Schlitten, welcher eine Masse von 61 kg und eine ebene Stahl-Prallplatte in Richtung des Bauteils besaß, so mit 10 m/s auf das Bauteil gefahren, dass es entlang seiner Längsachse zerstört wurde. Während des Zerstörungsvorgangs wurde mit einem magnetischen Wegaufnehmer und einem magnetostriktiven Wegmesssystem (Temposonics R-Serie der Fa. MTS mit max. 1000 mm Weglänge) der Weg des Schlittens beim Aufprall und mit einer Kraftmessdose (Piezo-KMD 9091 A der Fa. Kistler mit max. 400 kN) am Bauteil die auf das Bauteil einwirkende Kraft aufgenommen. Hierbei wurde ein Verlauf der Kraft und des Weges über die Zeit mit einer Abtastperiode von 4 s bzw. -frequenz von 250 kHz aufgezeichnet. In Figur 3 ist der aufgezeichnete Kraft-Weg-Zusammenhang der verschiedenen Bauteile gemittelt dargestellt (X-Achse Weg in mm, Y-Achse Kraft in kN), wobei sowohl die Weg- als auch die Kraftdaten hinsichtlich der Zeit numerisch durch einem Channel-Frequency-Classes(CFC) 600-Filteralgorithmus gefiltert wurden (nach SAE J21 1 ). Es zeigte sich in dieser Kurve ein Kraftplateau bei (50 +/- 5) kN. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials (dissipierte

Energiedichte) belief sich auf 71 J/g. Das Ergebnis zeigte, dass in der durch den Trigger initiierten Versagenszone die Aufprallenergie aus der fortwährend wirkenden Aufprallkraft dadurch dissipiert wurde, dass sie in Degradationsenergie zum Erzeugen der neuen Oberflächen zwischen Faser und Matrix umgewandelt wurde. Durch den weitestgehend zeitlich konstanten Verlauf der Versagenszone entstand ein gleichmäßiger Verlauf der Versagenskraft und die damit verbundene gleichmäßige Energieaufnahme. Starke Amplitudenschwankungen, die zu einer Gefährdung von beispielsweise Fahrzeuginsassen führen, liegen nicht vor. Der Wert der dissipierten Energiedichte lag hierbei im Rahmen der Werte anderer Materialien, die den Stand der Technik darstellen, oder übertraf diese wie

Tabelle 1 zeigt.

Bei dem Vergleichsbeispiel 1 aus Tabelle 1 handelt es sich um ein Bauteil aus Kohlenstofffasern mit einer Schnittlänge von 50 mm, wobei das Bauteil gemäß der Beschreibung zu Beispiel 1 hergestellt wurde nur mit dem Unterschied, dass als Matrixmaterial Polyamid 6 verwendet wurde. Wie zu Figur 1 ausgeführt, hat ein solches Bauteil den Nachteil, dass die Anfangsamplitude wesentlich höher ist als für ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zudem zeigen thermoplastische Matrixsysteme ein temperaturabhängiges Crash-Verhalten, was nicht gewünscht ist. Darüber hinaus neigen Bauteile mit einem hohen Anteil an Thermoplasten zur Wasseraufnahme, wodurch die Lebensdauer solcher Bauteile durch Aufquellen der Bauteile verringert wird. Es ist leicht ersichtlich, dass die Verkürzung der Lebensdauer insbesondere zum Schluss des Lebenszyklus' die Crash-Eigenschaften des Bauteils beeinflusst und verringert.

Die Temperaturabhängigkeit von Bauteilen mit thermoplastischer Matrix ist in Figur 1 1 dargestellt.

Die X-Achse der Figur 1 1 beschreibt den Weg in mm, die Y-Achse beschreibt die Kraft in kN. Die Kurve D beschreibt das Crash-Verhalten eines Bauteils aufgebaut gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 bei -30 °C. Die Kurve E beschreibt das Crash- Verhalten eines Bauteils aufgebaut gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 bei -20 °C, die F-Kurve bei 50 °C und die G-Kurve bei 90 °C. Ein solcher Temperaturbereich ist insbesondere bei Bauteilen als Crash-Elementen im Automobil-Bereich üblich. Ein gleichbleibendes Versagensverhalten, das von der Temperatur weitestgehend unabhängig ist, kann folglich mit Thermoplasten als hauptsächliches

Matrixmaterial nicht erreicht werden.

Bei dem Vergleichsbeispiel 2 aus Tabelle 1 handelt es sich um ein Aluminiumrohr, wie es auch schon für den Versuch zu Figur 1 verwendet wurde. Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde ein Bauteil aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 25 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm enthielten. Im Unterschied zum Beispiel 1 wurden folglich Faserlängen von 25 mm verwendet statt 50 mm. Die Wanddicke des Bauteiles entsprach der des

Beispiels 1 . Das Bauteil wurde wie in Beispiel 1 angegeben zerstört. Hierbei ergab sich ein Kraftverlauf dargestellt ähnlich der Figur 3 mit einem Kraftplateau bei (55 +/- 5) kN. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 72 J/g. Der Verlauf der Kraft-Weg-Kurve und die spezifische

Energiedichte unterschieden sich nicht wesentlich vom Fall in Beispiel 1 mit 50 mm Schnittlänge. Eine separate Figur für Beispiel 2 wurde daher nicht erstellt.

Beispiel 3

Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Bauteil aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 50 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm enthielten. Anders als beim Beispiel 1 wurden jedoch zwei Bauteile gefertigt, die eine

Wandstärke von 3 mm beziehungsweise von 4 mm hatten. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 1 angegeben zerstört und die Ergebnisse wie zu Beispiel 1 angegeben aufgearbeitet. Hierbei ergab sich ein Kraftverlauf wie in Figur 4 für das Bauteil mit 3 mm Wandstärke und in Figur 5 für das Bauteil mit 4 mm Wandstärke mit einem Kraftplateau bei (70 +/- 5) kN für 3 mm Wandstärke und (90 +/- 7) kN für 4 mm Wandstärke. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 70 J/g für 3 mm Wandstärke und 73 J/g für 4 mm Wandstärke.

Hierbei zeigte sich, dass die Versagenskraft durch die Wandstärke des Bauteils einstellbar war und weitestgehend linear mit der Querschnittsfläche der Wand skalierte, wobei die dissipierte Energiedichte folglich weitestgehend konstant blieb. In vorteilhafter Weise ist folglich ein einstellbarer Kraftverlauf während der

Verformung des Bauteils möglich.

Beispiel 4

Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Bauteile aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 50 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm bei einer Wandstärke von 2 mm enthielten. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 1

angegeben zerstört und die Daten wurden wie zu Beispiel 1 angegeben

aufbereitet. Anders als bei Beispiel 1 wurden die Bauteile jedoch bis 30 s vor den Versuchen auf -30 °C, 70 °C und 1 10 °C temperiert. Daraus ergaben sich beim Crashversuch die Bauteiltemperaturen -30 °C, 50 °C und 90 °C. Hierbei ergaben sich die Kraftverläufe dargestellt in den Kurven der Figur 6 (-30 °C), Figur 7

(50 °C) und Figur 8 (90 °C) mit einem Kraftplateau bei (40 +/- 5) kN für eine Bauteiltemperatur von -30 °C, (45 +/- 5) kN für eine Bauteiltemperatur von 50 °C und (45 +/- 5) kN für eine Bauteiltemperatur von 90 °C. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 54 J/g für eine

Bauteiltemperatur von -30 °C, 60 J/g für eine Bauteiltemperatur von 50 °C und 60 J/g für eine Bauteiltemperatur von 90 °C. Vorteilhaft zeigte sich, dass die Temperaturabhängigkeit der Versagenskraft und der dissipierten Energiedichte nicht sehr ausgeprägt ist. Dies zeigte sich insbesondere im Vergleich zu

Kohlenstofffaserverbundmaterialien mit Thermoplasten, wie sie im Stand der Technik zu finden sind und wie sie im Vergleichsbeispiel 1 , Figur 1 1 untersucht wurden.

Beispiel 5

Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Bauteile aus Preformen hergestellt, welche Faserbündel der Länge 50 mm und der Breite von 1 mm bis 5 mm bei einer Wandstärke von 2 mm hatten. Allerdings betrug der Faservolumenanteil der Bauteile nach Beispiel 5 einmal 40 % und einmal 45 %. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 1 angegeben zerstört und die Daten wie zu Beispiel 1 beschrieben aufbereitet. Hierbei ergaben sich die Kraftverläufe der Kurven abgebildet in Figur 9 für 40 % Faservolumenanteil und Figur 10 mit 45 % Faservolumenanteil mit einem Kraftplateau bei (45 +/- 10) kN für einen Faservolumenanteil von 40 % und bei (45 +/- 5) kN für einen Faservolumenanteil von 45 %. Die aufgenommene Energie pro Masse des Bauteilmaterials belief sich auf 64 J/g für einen Faservolumenanteil von 40 % und 61 J/g für einen Faservolumenanteil von 45 %. Während bei 40 % Faservolumenanteil die Schwankungen im Plateaubereich der Kraft-Weg-Kurve noch verhältnismäßig groß waren, bildete sich bei 45 % bereits ein

verhältnismäßig ebenes Plateau aus. Hier fand also das vorteilhafte Versagen des Materials statt. Das jeweils höhere Kraftniveau des Plateauwertes des Versuches mit einem Faservolumengehalt von 50 % aus Beispiel 1 im Vergleich mit dem Wert bei 45 % und im Vergleich mit dem Wert bei 40 % Faservolumenanteil zeigte dabei, dass ein geringere Faservolumenanteil die Versagenseigenschaften (Kraft und dissipierte Energiedichte) absenkte, da pro Bauteilvolumen weniger

Ablösungsprozesse zwischen Faser und Matrixmaterial stattfanden.

Bezugszeichenliste

A Kurve Bauteil Aluminium

B Kurve Bauteil Kohlenstofffasern mit Thermoplast

C Kurve Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

D Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast

E Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast

F Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast

G Kurve Vergleichsbeispiel Bauteil mit Thermoplast

1 Bauteil (Stoßelement, Crash-Struktur)

2 Rippe

3 Aussparung/Loch

4 Wellenprofil

5 Deckel/Klappe

6 Flansch

7 Halbrundprofil

8 erste Oberfläche

9 zweite Oberfläche

10, 10 ^' Wanddicke

1 1 Außenquerschnitt

1 1 ^' Innenquerschnitt

E1 erste Ende

E2 zweites Ende

L Längsrichtung

S Senkrechte zur Oberfläche 8, 9

W Parallele zur Oberfläche 8, 9