Die Erfindung betrifft eine FVK-Struktur mit einem Lasteinleitungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Verwendung von Faserverbundkunststoff-Strukturen (FVK-Struktur) im Karosseriebau ist bekannt und führt, verbunden mit hohen Festigkeitswerten zu erheblichen Gewichtseinsparungen.

Um an solche FVK-Strukturen zusätzliche Strukturen einzubinden, werden solche Lasteinleitungselemente, bspw. für geringe Lasten in einem separaten Prozessschritt geklebt. Zur Optimierung einer solchen Klebeverbindung wer- den verschiedene Oberflächenbehandlungen, wie bspw. Anrauen der Oberfläche oder UV-Behandlungen durchgeführt. Nachteilig hieran sind die zusätzlichen Prozessschritte, wobei insbesondere die Oberflächenbehandlungen teuer und aufwändig sind.

Eine andere Möglichkeit zur Anbindung von zusätzlichen Strukturen beschreibt die DE 101 01 271 A1 mittels von in FVK-Strukturen eingebetteten Einlegeteilen. Ein solches Einlegeteil besteht aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, welches in einem im RTM-Verfahren hergestellten Formteil aus einem duroplastischen Kunststoff eingebettet wird. In dieses Einlegeteil ist eine Gewindebuchse eingebettet, um in diesen einen Gewindebolzen zur Befestigung der FVK-Struktur einschrauben zu können. Nachteilig hieran ist jedoch, dass an dem Übergang von dem thermoplasti- sehen Werkstoff des Einlegeteils zudem duroplastischen Werkstoff des Formteils Haftungsprobleme auftreten können.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2012 207 1 18 A1 ebenso eine FVK-Struktur mit einem Einlegeteil bekannt, um über ein solches Einlegeteil weitere kraftübertragenden Bauteile an die FVK-Struktur anzubinden. Diese FVK-Struktur besteht aus einem Träger entweder aus einem faserverstärkten duroplastischen, einem nicht verstärkten thermoplastischen oder einem glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial. In diesen Träger ist ein Einlegeteil aus einem faserverstärkten Kunststoff eingebettet. Zur Herstellung eines solchen Einlegeteils wird zunächst ein Kern mittels eines Strangziehverfahrens (auch Pultrusionsverfahren genannt) hergestellt, bei dem ein imprägniertes, textiles Halbzeug durch eine Matrix gezogen wird und dabei die Fasern ausschließlich in Auszugsrichtung orientiert sind. Diesem Verfahren nachgeschaltet wird mittels Pullwindung bzw. Pullbraiding der pultridierte Kern mit einem Fasergelege bzw. Fasergewebe aus Langfasersträngen umwickelt, so dass sich gegenüber den Fasern des Kerns eine andere Faserrichtung ergibt. Dies stellt jedoch ein sehr aufwändiges Verfahren zur Herstellung einer solchen FVK-Struktur dar.

Schließlich beschreibt die DE 201 1 1 1 1 743 A1 eine FVK-Struktur mit zumindest einem Textileinleger im Verbund mit einer thermoplastischen Matrix und aus thermoplastischen Kunststoff angespritzte Versteifungsrippen. Diese Versteifungsrippen enthalten einen relativ hohen Volumenanteil von zumindest 30 % Kurzfasern aus einem Verstärkungsteilmaterial.

Aufgabe der Erfindung ist es eine FVK-Struktur der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem das Lasteinleitungselement mit einem verbesserten Formschluss d. h. mit besseren mechanischen Eigenschaften und höher übertragbaren Kräfte in die FVK-Struktur mit einer duroplastischen Matrix integriert ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine FVK-Struktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Eine solche FVK-Struktur, welche mindestens eine in einer duroplastischen Matrix eingebetteten Faserstruktur und mindestens ein Lasteinleitungselement umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

- das Lasteinleitungselement einen Thermoplast-Formkörper aufweist, welcher durch teilweise Imprägnierung eines Fasereinlegers mittels thermoplastischen Spritzguss hergestellt ist, und

- der nicht imprägnierte Bereich des auf der Faserstruktur mit dem Thermoplast-Formkörper angeordneten Fasereinlegers zusammen mit der Faserstruktur mit der duroplastischen Matrix imprägniert ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen FVK-Struktur wird über ein Faserhalbzeug als Fasereinleger ein Formschluss durch dessen Teilimprägnierung mittels thermoplastischen Spritzguss als thermoplastische Matrix realisiert und der nicht imprägnierte Bereich dieses Faserhalbzeuges zusammen mit der Faserstruktur mit der duroplastischen Matrix imprägniert, so dass hierdurch ebenso ein Formschluss entsteht. Somit werden zwischen dem Fasereinleger und den jeweils beteiligten Matrixsystemen eine hohe Adhäsion und ein Formschluss mit hoher Verbindungsqualität erreicht. Insbesondere mit den Fasern des trockenen Bereichs des Fasereinlegers wird ein signifikant verbesserter Formschluss erzielt, so dass ein Spannungstransfer zwischen dem thermoplastischen, also dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ermöglicht wird.

Aufgrund des Formschlusses zwischen den Verstärkungsfasern bzw. des Faserhalbzeugs und den jeweiligen Matrixsystemen bestehen zwischen der duroplastischen Struktur und dessen thermoplastischen Lasteinleitungselement keine Haftungsprobleme, so dass dadurch signifikant höhere Kräfte übertragen werden können. Da der Thermoplast-Formkörper aus Kunststoff besteht, kann direkt hieran eine weitere Struktur, bspw. mittels einer Schraubverbindung angebunden werden.

Die Herstellung eines solchen Lasteinleitungselementes mittels eines thermoplastischen Verarbeitungsprozesses lässt sich wirtschaftlich durchführen und anschließend mittels eines duroplastischen Verarbeitungsprozesses einfach in die FVK-Struktur integrieren. Hierzu werden die Lasteinleitungselemente bspw. direkt in das Injektions- oder Presswerkzeugen zur Herstellung eines Duroplast-Bauteils eingelegt. Damit entfallen zusätzliche Prozesse zur Anbringung von konventionellen Lasteinleitungselementen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet der Thermoplast- Formkörper über wenigstens einen imprägnierten Bereich des Fasereinlegers bzw. des Faserhalbzeugs einen Verbundmit dem Fasereinleger. Somit wird ein optimaler Formschluss zwischen dem teilimprägnierten Faserhalbzeug und dem Thermoplast-Formkörper erzielt. Vorzugsweise bildet der Thermoplast-Formkörper über mehrere imprägnierte Bereiche des Fasereinlegers bzw. des Faserhalbzeugs einen Verbund mit dem Fasereinleger. Dies führt zu einem verbesserten Formschluss zwischen dem Thermoplast- Formkörper und der duroplastischen Matrix.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist zur Bildung einer mechanischen Schnittstelle der Thermoplast-Formkörper ein Verbindungselement auf, welches durch Umspritzen bei der Herstellung des Thermoplast- Formkörpers hergestellt ist. Ein solches Verbindungselement kann bspw. als Hülse mit oder ohne Gewinde oder als Gewindebolzen usw. ausgebildet sein und aus Metall oder Kunststoff hergestellt sein.

Weiterbildungsgemäß ist der Fasereinleger bzw. ist das Faserhalbzeug aus textilen Fasern und/oder Metallfasern gebildet, wobei die Faserstruktur ein Gelege, ein Gewebe, eine Matte, ein Vlies, ein Geflecht, ein Gewirke und/oder ein Gestricke sein kann.

Weiterbildungsgemäß eignet sich als Form für den Thermoplast-Formkörper eine quaderförmige, kegelstumpfförmige oder eine pyramidenstumpfförmige Form, wobei sich insbesondere bei den konischen Formen ein Hinterschnitt im Bereich der duroplastischen Matrix der FVK-Struktur realisieren lässt. Zudem kann der thermoplastische Formkörper auch Verstärkungsrippen aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer FVK-Struktur mit einem

Lasteinleitungselement gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Lasteinleitungselementes in einer Schnittansicht,

Figur 3 eine schematische Darstellung des Lasteinleitungselementes nach Figur 2 in einer Draufsicht,

Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Lasteinleitungselementes nach Figur 2, und

Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Lasteinleitungselementes in einer Unteransicht. Die Figur 1 zeigt eine FVK-Struktur 1 mit einem Lasteinleitungselement 10, wobei diese dargestellte FVK-Struktur 1 Teil eines Duroplast-Bauteils dar- stellt. ^~

Dieses Lasteinleitungselement 10 umfasst einen Fasereinleger 1 1 als Faserhalbzeug, die zur Herstellung eines Thermoplast-Formkörpers 12 mit einer thermoplastischen Matrix teilimprägniert wird, so dass ein imprägnierter Bereich 1 1.2 und ein nicht imprägnierter, also trockener Bereich 1 1.1 entsteht.

Hierzu wird in einem ersten Prozessschritt in eine Werkzeug kavität eines Spritzguss- oder Spritzprägewerkzeugs für Thermoplaste der trockene Fasereinleger 1 1 eingelegt und mit einem Werkzeughub in dem Bereich 1 1 .2 des Faserein legers 1 1 mit der thermoplastischen Matrix imprägniert und hierbei der Thermoplast-Formkörper 12 hergestellt. Um den Bereich 1 1 .1 trocken zu halten werden in das Werkzeug entsprechende Dichtungen eingebracht, alternativ kann der Bereich 1 1 .1 durch lokale Überpressung abgedichtet werden. Die Bauteilgeometrie des zu fertigenden Duroplast-Bauteils bestimmt die Form des Thermoplast-Formkörpers 12. Gemäß den Figuren 1 bis 4 weist dieser Thermoplast-Formkörper 12 eine kegelstumpfförmige Form auf. Es können auch andere Formen, wie bspw. eine pyramidenstumpfförmige oder zylinderförmige Form realisiert werden bzw. Rippen an den Thermoplast-Formkörper angespritzt werden. Hierbei sind alle Formen möglich, die im Spritzguss-Verfahren realisierbar sind. Außerhalb des imprägnierten Bereichs 1 1.2wird der Fasereinleger 11 nicht mit der thermoplastischen Matrix imprägniert, dieser nicht imprägnierte Bereich 1 1.1 des Fasereinlegers 11 bleibt trocken.

Als Materialien für den Fasereinleger 1 1 werden textile Halbzeuge oder filigrane Metallstrukturen verwendet. Als textile Halbzeuge können Gelege, Gewebe, Matten, ein Vliese, Geflechte, Gewirke und/oder Gestricke aus Glas, Aramid, Kohlenstoff usw. verwendet werden. Gitter, Drahtgeflechte usw. sind für die filigranen Metallstrukturen geeignet. Dieser Thermoplast-Formkörper 12 bildet eine mechanische Schnittstelle, um weitere Komponenten befestigen zu können. Hierzu weist dieser Thermoplast-Formkörper 12 eine Gewindebuchse als Verbindungselement 13 auf, über die die weiteren Komponenten angebunden werden können. Diese Gewindebuchse kann gleichzeitig mit der Herstellung des Thermoplast- Formkörper 12 hergestellt werden, oder nachträglich warm- oder kalt in den Thermoplast-Formkörper 12 eingepresst werden. Alternativ können auch Gewindebolzen in den Thermoplast-Formkörper integriert werden.

Das Lasteinleitungselement 10 wird nun zur Herstellung der FVK-Struktur 1 eines Duroplast-Bauteils gemäß Figur 1 eingesetzt. Hierzu wird in einem zweiten Prozessschritt der Thermoplast-Formkörper 12 mit dem teilweise imprägnierten textilen Faserhalbzeug 1 1 zusammen mit einer Faserstruktur 2 in ein Werkzeug zur Verarbeitung duroplastischer Formmassen eingelegt, so dass der Fasereinleger 1 1 des Lasteinleitungselementes 10 auf dieser Faserstruktur 2 aufliegt. Mit einem solchen Werkzeug wird der nicht imprägnierten Bereich 1 1.1 des Fasereinlegers 1 zusammen mit der Fahrzeugstruktur 2 mit einer duroplastischen Matrix 3 imprägniert.

Die Figur 1 zeigt die FVK-Struktur 1 nach dem duroplastischen Verarbei- tungsprozess, bei welcher der Thermoplast-Formkörper 12 mit seiner Grundfläche 12.1 über den imprägnierten Bereich 1 1 .2 vollflächig mit den Fasern des Fasereinlegers 1 1 verbunden ist.

Bei dieser FVK-Struktur 1 wird über den Fasereinleger 1 1 ein Formschluss über den imprägnierten Bereich 1 1 .2 mit der thermoplastischen Matrix des Thermoplast-Formkörper 12 und der nicht imprägnierten Bereich 1 1 .12 des Fasereinlegers 1 1 wird zusammen mit der Faserstruktur 2 im duroplastischen Verarbeituhgsprozess imprägniert und so ebenfalls ein Formschluss zwischen dem nicht imprägnierten Bereich 11 .1 und dem duroplastischen Matrixsystem erreicht. Somit werden zwischen dem Fasereinleger 1 1 und den jeweils beteiligten Matrixsystemen, also dem thermoplastischen Matrixsystem des Thermoplast-Formkörpers 12 und dem duroplastischen Matrixsystem eine hohe Adhäsion und ein Formschluss mit hoher Verbindungsqualität sichergestellt. Insbesondere mit den Fasern des nicht imprägnierten Bereichs 1 1.1 des Fasereinlegers 1 1 wird ein signifikant verbesserter Formschluss erreicht, so dass ein Spannungstransfer zwischen dem thermoplastischen, also dem imprägnierten Bereich 11.2 und dem duroplastischen Bereich, also dem nicht imprägnierten Bereich 1 1 .1 ermöglicht wird. Schließlich entsteht an der unteren Kante des Thermoplast-Formkörpers 12 eine Hinter- schneidung für die duroplastischen Matrix 3, wodurch ebenso der Formschluss zwischen dem Thermoplast-Formkörper 12 und der duroplastischen Matrix 3 verbessert wird.

Dieser Thermoplast-Formkörper 12 bildet eine mechanische Schnittstelle, um weitere Komponenten befestigen zu können. Hierzu kann die weitere Komponente bspw. mittels einer Schraubverbindung direkt an diesem Thermoplast-Formkörper 12 angeschraubt werden.

Als mechanische Schnittstelle kann auch eine Gewindehülse als Verbindungselement 13 eingesetzt werden, über die die weiteren Komponenten angebunden werden können. Eine solche Ausführung eines erfindungsgemäßen Lasteinleitungselementes 10 zeigt Figur 2, bei dem der Thermoplast- Formkörper 12 eine solche Gewindehülse 13 aufweist. Ansonsten entspricht dieses Lasteinleitungselement 10 gemäß Figur 2 demjenigen der FVK- Struktur 1 nach Figur 1 . Ein solches Verbindungselement 13 kann aus Kunststoff oder Metall bestehen.

Die Gewindehülse 13 wird gleichzeitig mit der Herstellung des Thermoplast- Formkörper 12 umspritzt, oder nachträglich warm- oder kalt in den Thermoplast-Formkörper 12 eingepresst. Gemäß Figur 2 ist der Thermoplast-Formkörper 12 mit seiner Grundfläche 12.1 vollflächig mit den Fasern des Fasereinlegers 1 1 in deren Bereich 1 1.2 verbunden. Im Unterschied hierzu ist das in Figur 4 dargestellte Lasteinleitungselement 10 mit einem Thermoplast-Formkörper 12 ausgebildet, an dessen Grundfläche 12.1 ein Ringflansch 12.2 angeformt ist, der den thermoplastischen Verbund mit dem imprägnierten Bereich 11.21 des Fasereinlegers 1 1 bildet. Es können neben diesem Ringflansch 12.2 auch weitere konzentrisch ineinander liegende weitere Ringflansche vorgesehen werden, so dass als Geometrie der imprägnierten Bereiche 1 1.2 des Fasereinlegers 1 1 konzentrisch ineinander liegende Ringflächen entstehen, in deren Zwischenräume die duroplastischen Matrix 3 bei der Herstellung einer FVK-Struktur 1 gemäß Figur 1 fließen kann.

Das Lasteinleitungselement 10 gemäß Figur 4 wird in gleicher Weise wie jenes nach Figur 2 hergestellt. Anstelle einer Gewindehülse weist dieses Lasteinleitungselement 10 zur Bildung einer mechanischen Schnittstelle einen aus Metall oder Kunststoff hergestellten Gewindebolzen als Verbindungselement 14 auf.

Das Lasteinleitungselement 10 gemäß Figur 4 wird anstelle desjenigen nach Figur 1 zur Herstellung einer FVK-Struktur 1 eingesetzt.

Die Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Lasteinleitungselement 10 mit einem Thermoplast-Formkörper 12 mit teilweise mit einer thermoplastischen Matrix imprägnierten Fasereinleger 1 1. Die Grundfläche 12.1 des Thermoplast-Formkörpers 12 weist vier zylinderförmige Verbindungsfüße 12.3 auf, die jeweils einen Verbund mit imprägnierten Bereichen 1 1 .2 des Fasereinlegers 1 1 bilden. Außerhalb dieser kreisförmigen Bereiche 1 1.2 ist der Fasereinleger 11 , also der Bereich 1 1 .1 ist nicht imprägniert und bildet dort einen Verbund mit der duroplastischen Matrix 3 entsprechend der FVK- Struktur 1 nach Figur 1 . Die Geometrie der imprägnierten Bereiche 1 1 .2 des Fasereinlegers 1 1 können in unterschiedlicher Weise ausgestaltet werden. So sind geometrische Anordnungen unterhalb des Thermoplast-Formkörpers 12 möglich, die sich durch abwechselnde und nebeneinanderliegende Bereiche freiliegender/trockener und imprägnierter Fasern des Fasereinlegers 11 auszeichnen.

Die Geometrie der imprägnierten Bereiche 1 1 .2 des Fasereinlegers 1 1 der Lasteinleitungselemente 10 gemäß den Figuren 2, 4 und 5 sind daher nur beispielhaft.

Bezugszeichen

1 FVK-Struktur

2 Faserstruktur der FVK-Struktur 1

3 duroplastische Matrix der FVK-Struktur 1

10 Lasteinleitungselement

1 1 Fasereinleger, Faserhalbzeug des Lasteinleitungselementes

1 1 .1 nicht imprägnierter Bereich des Fasereinlegers 1 1

1 1 .2 imprägnierter Bereich des Fasereinlegers 1 1

12 Thermoplast-Formkörper des Lasteinleitungselemehtes 10

12.1 Grundfläche des Thermoplast-Formkörper 12

12.2 Ringflansch der Grundfläche 12.1

12.3 Verbindungsfuß des Thermoplast-Formkörpers 12

13 mechanische Schnittstelle, Verbindungselement

14 mechanische Schnittstelle, Verbindungselement