Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer Kunst- stoffschaumstruktur, die einen dreidimensionalen Bauteil kunststoffkörper bildet. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil dient vornehmlich zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, bei denen Geräusche zu minimieren sind und ein her- vorragendes Verhalten im Crashfall gewünscht wird.

Faserverstärkte Kunststoffbauteile werden seit vielen Jahren in verschiede- nen Bereichen der Technik, u.a. auch intensiv im Automobilbau eingesetzt. Sie besitzen ein hohes Leichtbaupotenzial und können im Vergleich zu an- deren Werkstoffen, wie beispielsweise Metallen oder unverstärkten Kunst- stoffen, durch die eingearbeiteten Fasern hohe Zugkräfte aufnehmen. Da- bei sind die gewichtsspezifischen Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen am besten nutzbar, wenn die Fasern im Matrixmaterial lastpfadgerecht ausgelegt sind, was eine belastungsgerechte Konstruktion des Werkstoffs voraussetzt.

Verstärkungsfaserstäbe werden in der Technik von Faserverbundbauteilen eingesetzt und unterscheiden sich von Faserlagen oder Fasergeweben dadurch, dass sie durch eine Vielzahl von in einer Richtung durchgehenden Fasern geformt sind, d. h. durch die Fasern in eine vorbestimmte Stabform gebracht sind. Als Stabquerschnittsform werden hierbei zumeist runde, viereckige oder sechseckige Stäbe mit einem Flöhen-Breitenverhältnis von größer oder gleich 1/10 verwendet, insbesondere weisen die Faserstäbe eine Abmessung in einem nicht-runden Querschnitt von mindestens 3mm x 3mm auf. Bei geringeren Höhen-Breitenverhältnissen handelt es sich nicht um einen geformten Faserstab, sondern um Arten von Gelege.

Für die Verwendung von Faserstäben zeigte sich auch eine Verwendung in einer Skelettbauweise mit anschließender Spritzgussbearbeitung zur Bau- teilfertigung als vorteilhaft, jedoch sind die Investitionskosten für die Werk- zeuge zur Herstellung derartiger Bauteile vergleichsweise hoch. Zudem werden Kunststoffe spröde und bieten ein eingeschränkt günstiges Crash- verhalten. Auch bezüglich der Akustik sind herkömmliche Faserverbund- bauteile verbesserungsfähig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bereit zu stellen, das ein verbessertes Crashverhalten und eine verbesserte Akustik bei geringeren Werkzeugkosten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentan- spruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem Bauteilkunststoffkörper vorgeschlagen, der zumindest Teile eines Kunst- stoffbauteils bestimmt. Das Kunststoffbauteil umfasst mindestens einen fa- serverstärkten Stab, der insbesondere in dem Bauteilkunststoffkörper ein- gebettet angeordnet ist. Der Bauteilkunststoffkörper ist zumindest teilweise aus Kunststoffschaum gebildet und umschließt den mindestens einen fa- serverstärkten Stab zumindest teilweise formschlüssig, d.h. der mindestens eine Verstärkungsfaserstab ist von dem expandierten Kunststoffschaum zumindest abschnittsweise unmittelbar umschäumt.

Als Kunststoffschaum ist vorliegend jede schaumartige Kunststoffstruktur umfasst, inklusive Polyurethanschaum, thermosplastischer Schaum (TSG), duroplastischer Schaum (z.B. aus Epoxidharz), poröse fixierte Vliesmateria- lien.

Der Kunststoffschaum weist gegenüber Kunststoffvollmaterialen eine gerin- gere Dichte und mithin ein geringeres Gewicht auf. Im Crashfall kann der Bauteilkunststoffkörper deformiert werden, ohne zu Splittern. Durch den mindestens einen Verstärkungsfaserstab ist jedoch eine ausreichend hohe Steifigkeit für den Einsatz erzeugbar. Der Kunststoffschaum absorbiert zu- dem Geräusche und fördert somit eine verbesserte Akustik.

Die Schaumstruktur des Kunststoffschaums kann in einer Ausführung durch Waben gebildet werden. Zudem ist in einer vorteilhaften Variante vorgese- hen, dass der Kunststoffschaum selbst eine Wabenstruktur, insbesondere eine Faltwabenstruktur ausbildet, die eine günstige Kraftaufnahme gewähr- leistet

Zudem sieht eine Alternative des faserverstärkten Kunststoffbauteils vor, dass es mindestens ein metallisches Verstärkungselement und/oder min- destens ein Kunststoffverstärkungselement aufweist, das/die als Krafteilei tungselement des Kunststoffbauteils ausgebildet ist/sind. Derartige Verstär- kungselemente können beispielsweise durch Platten gebildet werden. Als Krafteileitungselemente kommen beispielsweise Buchsen zum Einsatz. Zu- dem kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil flächige Verstärkungsele- mente aus faserverstärktem Kunststoff aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des faserverstärkten Kunststoff- bauteils ist der Kunststoffschaum durch expandiertes Polypropylen (EPP) oder extrudierten Thermoplastschaum (XPP) oder thermoplastisch ge- schäumten Schaum (Blockschaum) oder expandiertes Polystyrol (EPS) ge- bildet. Als Verstärkungsstäbe kommen insbesondere Kohlefaserstäbe mit einer Kunststoffmatrix, insbesondere einer Polypropylenmatrix zur Anwen- dung. Durch Nutzung desselben Materials beim Schaum und der Matrix ist ein guter Stoffschluss gewährleistbar. Der Bauteilkunststoffkörper bildet zumindest einen Teil der Endform des zu fertigenden faserverstärkten Kunststoffbauteils ab.

Eine Weiterbildung des faserverstärkten Kunststoffbauteils ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass es auf zumindest einer Außenseite eine Au- ßenkaschierung, beispielsweise ein Dekor oder ein Textil aufweist oder mit einer Hochglanzfläche, z.B. einem PU-Lack oder einer Folie überzogen ist..

Ein Ausführungsbeispiel des faserverstärkten Kunststoffbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschaum den mindestens einen Ver- stärkungsfaserstab in Umfangsrichtung und entlang seiner Axialerstreckung vollständig umschließt.

In einer vorteilhaften Ausführung weist das faserverstärkte Kunststoffbauteil eine Vielzahl von Verstärkungsfaserstäben auf, die jeweils durch den Bau- teilkunststoffkörper teilweise eingeschäumt oder vollständig durch Kunst- stoffschaum umschlossen ist. Der Bauteilkunststoffkörper aus Kunststoff- schaum kann somit entweder nur zwischen den Verstärkungsfaserstäben oder diese vollständig einschließend ausgebildet sein.

In einer bezüglich der Krafteinleitung und Kraftverteilung im faserverstärk- ten Kunststoffbauteil vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Vielzahl der Verstärkungsfaserstäbe in einem Fachwerk zueinander ange- ordnet ist. Das Fachwerk kann zweidimensional innerhalb einer Ebene lie gen oder dreidimensional als Raumstruktur ausgebildet werden, wobei die Verstärkungsfaserstäbe jeweils miteinander entsprechende Fachwerkskno- ten an ihren Verbindungspunkten erzeugen. Dies begünstigt eine lastpfad- gerechte Anordnung bzw. Ausrichtung der Verstärkungsfaserstäbe.

In einer weiteren Weiterbildung des faserverstärkten Kunststoffbauteils weist der Bauteilkunststoffkörper zusätzlich eine Spritzgussstruktur aus Kunststoff auf, über die die Vielzahl der Verstärkungsfaserstäbe verbunden wird. Die Spritzgussstruktur kann dabei eine Trägerstruktur erzeugen, an der die Verstärkungsfaserstäbe befestigt werden. Zudem kann die Spritz- gussstruktur eine Fachwerkstruktur entsprechend derjenigen der Verstär- kungsfaserstäbe aufweisen, so dass die Verstärkungsfaserstäbe und die Spritzgussstruktur sich zumindest teilweise überlagernd ausgebildet sind. Ferner ist eine Ausführungsvariante vorteilhaft, bei der die Spritzgussstruk- tur Anbindungsmittel aufweist, die als die Krafteileitungselemente und mit- hin als Krafteinleitungspunkte ausgebildet sind. Als Anbindungsmittel an der Spritzgussstruktur kommen Aufnahmen, Buchsen, Ösen, Gewinde oder Gewindebohrungen, Flintergriffe und der dergleichen zum Einsatz. Über die Anbindungsmittel kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil beispielsweise am Fahrzeugrahmen befestigt werden. Dadurch, dass die Verstärkungsfa- serstäbe mit der Spritzgussstruktur verbunden sind, erfolgt die Krafteinlei tung über die Anbindungsmittel auf die Spritzgussstruktur und mithin auf die Verstärkungsfaserstäbe.

Als günstige Ausführung ist ferner vorgesehen, dass die Spritzgussstruktur zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig von dem Kunststoff- schaum des Bauteil kunststoffkörpers umschäumt ist.

Fierstellbar ist ein derartiges faserverstärktes Kunststoffbauteils beispiels- weise dadurch, dass zunächst die Spritzgussstruktur an die Verstärkungs- faserstäbe angespritzt und anschließend der Bauteilkunststoffkörper in räumlich vorbestimmter Weise an oder um die Verstärkungsfaserstäbe ge- schäumt wird und anschließend aushärtet. Der Kunststoffschaum wird vor- zugsweise durch eine Raumstruktur, insbesondere in einem Additive- Manufacturing-Verfahren gebildet.

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