Titel

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils und Faserverbundbauteil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines

Faserverbundbauteils, insbesondere eines Karosserieteils für ein Fahrzeug, und ein entsprechendes Faserverbundbauteil.

Stand der Technik

Aus der WO 2018/069066 Al ein Verfahren zum Anordnen einer Anzahl von mikromechanischen Beschleunigungssensoren auf oder in ein Kunststoffbauteil, insbesondere einen Stoßfänger, und ein entsprechendes Kunststoffbauteil, insbesondere Stoßfänger bekannt.

Im Schritt A des Verfahrens wird der mikromechanische Beschleunigungssensor in oder auf einen flexiblen Schaltungsträger fest positioniert, wobei der mikromechanische Beschleunigungssensor mit einer integrierten

Leiterbahnstruktur des flexiblen Schaltungsträgers kontaktiert wird.

Im Schritt B des Verfahrens werden zumindest bereichsweise der

mikromechanische Beschleunigungssensor und der flexible Schaltungsträger auf oder in das Kunststoffbauteil derart angeordnet, dass die integrierte

Leiterbahnstruktur des flexiblen Schaltungsträgers zumindest teilweise freigelegt wird

Aus der DE 10 2016 220 032 Al ist eine Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Sensormodul und mit wenigstens einer mit dem Sensormodul verbundenen Anschlussleitung zum elektrischen Kontaktieren des Sensormoduls bekannt. Es ist vorgesehen, dass die Anschlussleitung als Leiterfolie ausgebildet ist, auf der mehrere unterschiedliche Sensormodule angeordnet und durch jeweils eine oder eine gemeinsame die Leiterfolie zumindest abschnittsweise umfassende Umspritzung eingehaust sind.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines

Faserverbundbauteils, insbesondere eines Karosserieteils für ein Fahrzeug, und ein entsprechendes Faserverbundbauteil gemäß den unabhängigen Ansprüchen.

Bevorzugte Weiterbildung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Vorteile der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Schritten:

Einlegen mindestens einer Sensorvorrichtung auf bzw. zwischen Textillagen in ein Werkzeug zur Herstellung des Faserverbundbauteils. Die Sensorvorrichtung weist mindestens ein Sensormodul und mindestens eine mit dem Sensormodul verbundene Anschlussleitung zum elektrischen Kontaktieren des Sensormoduls auf. Die Anschlussleitung ist als flexibler Schaltungsträger ausgebildet ist.

Integrieren und Verbinden der Sensorvorrichtung mit den Textillagen bzw. dem textilen Halbzeug mittels des Werkzeugs.

Unter einem Sensormodul kann vorliegend ein elektronisches bzw. elektrisches Bauteil zur Erfassung einer physikalischen Größe verstanden werden. Ein Sensormodul kann dazu ausgebildet sein eine Beschleunigung, eine

Drehbeschleunigung oder einen Druck zu erfassen. Das Sensormodul kann ein mikromechanisches Bauteil nach der Art der microelectromechanical Systems (MEMS) sein. Unter einer Anschlussleitung kann vorliegend ein elektronisches bzw.

elektrisches Bauteil verstanden werden, dass dazu geeignet ist das Sensormodul elektrisch zu kontaktieren. Eine elektrische Kontaktierung kann dazu dienen Sensormodul mit elektrischer Energie zu versorgen oder zur Kommunikation mit dem Sensormodul. Dazu kann die Anschlussleitung zumindest eine

Zweidrahtschnittstelle implementieren bspw. nach dem CAN-, FlexRay- oder PSI5-Standard.

Ein flexibler Schaltungsträger kann Silikone, Polyurethane, Polyamide, oder Thermoplaste umfassen. So lässt sich der flexible Schaltungsträger leicht elastisch oder plastisch verformen, insbesondere lässt sich die integrierte Leiterbahnstruktur entsprechend plastisch verformen, wodurch im Wesentlichen der flexible Schaltungsträger an eine Geometrie bzw. Form des

Faserverbundbauteils angepasst werden kann. Der flexible Schaltungsträger kann eine Leiterfolie sein.

Die Anschlussleitung kann als Leiterfolie ausgebildet sein.

Unter einem Faserverbundbauteil kann vorliegend ein Bauteil verstanden werden, dass aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Ein

Faserverbundwerkstoff entsteht im Allgemeinen durch einen wechselwirkenden Verbund aus Textilfasern oder textilem Halbzeug und einer Matrix zwischen den Fasern oder dem textilen Halbzeug. Die Matrix ist Füllstoff und Klebstoff. Typisch für Faserverbundwerkstoffe ist, dass durch die Wechselwirkung des Verbunds ein Werkstoff entsteht, der im Vergleich zu den Eigenschaften der Fasern und der Matrix höherwertigere Eigenschaften aufweist.

Das Faserverbundbauteil kann ein Karosserieteil für ein Fahrzeug sein; bspw. ein Stoßfängerbauteil oder ein Bauteil der Längsseite des Fahrzeugs.

Im Schritt des Integrierens kann eine Ausrichtung der Sensorvorrichtung zu den Textillage bzw. dem textilen Halbzeug in dem Herstellungswerkzeug und eine Fixierung der Sensorvorrichtung mittels einer Fixiervorrichtung des Werkszeugs erfolgen. Ein Verbinden der Textillagen und der Sensorvorrichtung zu einem

Faserverbundbauteil erfolgt indem flüssige Matrix in das Werkzeug injiziert wird und in dem Werkzeug aushärtet. Bei einer solchen Matrix kann es sich um ein Harz handeln. Bei dem Harz kann es sich um Reinharzmaterial handeln.

Das Faserverbundbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann im

urformenden Verfahren hergestellt werden. Dafür kann insbesondere beim Schritt des Integrierens das sog. Liquide Composite Molding Verfahren (LCM-Verfahren) angewendet werden. LCM-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass vergleichsweise moderate Druck- und Temperaturlasten vorliegen.

Der Schritt des Integrierens kann gleichzeitig die endkonturnahe Herstellung des Bauteils sein.

Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich eine

Sensorvorrichtung mit mindestens einem Sensormodul in ein

Faserverbundbauteil zu integrieren, ohne dass Sensormodul zuvor einzeln mit einem Gehäuse (Mold) zu Umspritzen.

Ferner bildet die Sensorvorrichtung einen integralen Bestandteil des

Faserverbundbauteils.

Dadurch können bei der Weiterverarbeitung des Faserverbundbauteils ein Schritt des Anordnens bzw. Anbringens der Sensorvorrichtung bzw. die Schritte des Anordnens bzw. Anbringens und des Ausrichtens des mindestens einen

Sensormoduls an das Faserverbundbauteil entfallen. Dadurch lässt sich ein Faserverbundbauteil schaffen, dass leichter weiterzuverarbeiten ist und als Einzelkomponente besteht, gegenüber der Summe an einzelnen Komponenten, die je eine der Funktionen erfüllen (tragende Struktur, Sensormodul,

Sensorgehäuse, Anschraubung, Verkabelung).

Zudem ist der Ort der Integration der Sensorvorrichtung in das

Faserverbundbauteil freier wählbar. Er ist nicht bspw. davon abhängig, ob der gewünschte Ort der Anordnung bzw. Anbringung nach Fertigstellung des

Faserverbundbauteils durch eine Maschine oder einen Menschen erreichbar ist. Der Ort der Integration kann damit für die gewünschte Anwendung optimiert werden. Eine gewünschte Anwendung bei einem Karosseriebauteil kann die Erfassung einer Kollision in der Nähe der B-, C- oder D-Säule oder im

Frontbereich des Fahrzeugs sein.

Weiter ist dadurch eine Anpassung der Sensorvorrichtung an die Form des Faserverbundbauteils möglich.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung mindestens eine mit der Anschlussleitung elektrisch verbundene Anschlusseinheit zum Anschluss der Sensorvorrichtung an eine Peripherie auf.

Unter einer Peripherie können vorliegend Systeme verstanden werden, mit denen die Sensorvorrichtung verbunden werden kann, verstanden werden. Beim Einsatz des Faserverbundbauteils in einem Fahrzeug, bspw. als

Karosseriebauteil, kann ein solches System ein

Fahrzeugkommunikationssystem, wie bspw. ein CAN-, FlexRay oder PSI5- Kommunikationssystem sein. Denkbar wäre auch eine Direktverbindung zwischen der Sensorvorrichtung und einem Fahrzeugsteuergerät, wie bspw. einem Steuergerät zur Fahrdynamikregelung oder zur Ansteuerung von

Sicherheitsmitteln.

Die Anschlusseinheit kann an ein herausgeführtes Ende des flexiblen

Schaltungsträgers angebracht sein.

Die Anschlusseinheit kann ein Stecker bzw. eine Steckerschnittstelle sein. Weist der Stecker bzw. die Steckerschnittstelle eine entsprechende Größe auf, kann die Anschlusseinheit bzw. der Stecker oder die Steckerschnittstelle ebenfalls in das Faserverbundbauteil lokal freigelegt integriert lokal freigelegt werden.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung weist mindestens eine Textillage zu dem Sensormodul bzw. der Anschlusseinheit der Sensorvorrichtung korrespondierende Aussparrungen auf.

Der Vorteil dieser Aussparrungen besteht darin, dass für das Sensormodul bzw. die Anschlusseinheit ein entsprechender Platz vorgehalten wird. Dieser Platz kann im Schritt des Integrierens mit Matrixmaterial, vorzugsweise mit reinem Harzmaterial, gefüllt werden. Diese Füllung aus Harzmaterial kommt einem Kunststoffgehäuse gleich, das das Sensormodul bzw. die Anschlusseinheit der Sensorvorrichtung umgibt. Dies bildet eine zusätzliche Schutzfunktion für das Sensormodul bzw. die Anschlusseinheit im Innern des Faserverbundbauteils.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung weist das Werkzeug zu dem Sensormodul und/oder der Anschlusseinheit der

Sensorvorrichtung korrespondierende Kavitäten auf.

Der Vorteil dieser Kavitäten besteht darin, dass für das Sensormodul bzw. die Anschlusseinheit ein entsprechender Platz vorgehalten wird. Dieser Platz kann im Schritt des Integrierens mit Matrixmaterial, vorzugsweise mit reinem

Harzmaterial, gefüllt werden. Diese Füllung aus Harzmaterial kommt einem Kunststoffgehäuse gleich, das das Sensormodul bzw. die Anschlusseinheit der Sensorvorrichtung umgibt. Dies bildet eine zusätzliche Schutzfunktion für das Sensormodul bzw. die Anschlusseinheit im Innern des Faserverbundbauteils.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Faserverbundbauteil aufweisend eine in das Faserverbundbauteil integrierte Sensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung mindestens ein Sensormodul und mindestens eine mit dem Sensormodul verbundene Anschlussleitung zum elektrischen Kontaktieren des Sensormoduls aufweist, wobei die Anschlussleitung als flexibler

Schaltungsträger ausgebildet ist.

Unter einem Sensormodul kann vorliegend ein elektronisches bzw. elektrisches Bauteil zur Erfassung einer physikalischen Größe verstanden werden. Ein Sensormodul kann dazu ausgebildet sein eine Beschleunigung oder eine

Drehbeschleunigung zu erfassen. Das Sensormodul kann ein

mikromechanisches Bauteil sein.

Denkbar wäre eine Ausbildung des Sensormoduls zur Erfassung eines Drucks. Eine solche Ausbildung erfordert allerdings eine offene Schnittstelle des

Sensormoduls zur Umgebung des Faserverbundbauteils.

Unter einer Anschlussleitung kann vorliegend ein elektronisches bzw.

elektrisches Bauteil verstanden werden, dass dazu geeignet ist das Sensormodul elektrisch zu kontaktieren. Eine elektrische Kontaktierung kann dazu dienen Sensormodul mit elektrischer Energie zu versorgen oder zur Kommunikation mit dem Sensormodul. Dazu kann die Anschlussleitung zumindest eine

Zweidrahtschnittstelle implementieren bspw. nach dem CAN-, FlexRay- oder PSI5-Standard. Die Anschlussleitung kann als Leiterfolie ausgebildet sein.

Das Faserverbundbauteil kann ein Karosserieteil für ein Fahrzeug sein; bspw. ein Stoßfängerbauteil oder ein Bauteil der Längsseite des Fahrzeugs. Das

Faserverbundbauteil kann mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.

Gemäß einer Ausführungsform des Faserverbundbauteils der vorliegenden Erfindung ist die Anschlussleitung mit einer Anschlusseinheit, insbesondere einem Stecker und/oder einer Steckerschnittstelle, zum Anschluss der

Sensorvorrichtung an eine Peripherie verbunden

Gemäß einer Ausführungsform des Faserverbundbauteils der vorliegenden Erfindung ist die Anschlusseinheit in das Faserverbundbauteil derart integriert, dass die Anschlusseinheit kontaktierbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform des Faserverbundbauteils der vorliegenden Erfindung ist das Sensormodul ein mikromechanisches Sensormodul.

Das mikromechanische Sensormodul kann ein mikromechanischer

Beschleunigungssensor bzw. ein mikromechanischer Drehratensensor sein. Denkbar ist zudem, dass das mikromechanische Sensormodul eine Kombination der vorgenannten Sensortypen ist.

Denkbar wäre ebenfalls ein mikromechanischer Drucksensor als Sensormodul. Dies erfordert allerdings eine offene Schnittstelle des Drucksensormoduls zur Umgebung des Faserverbundbauteils.

Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Faserverbundbauteils

gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Faserverbundbauteils

gemäß der vorliegenden Erfindung in einer alternativen

Ausführungsform;

Fig. 3a eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3b eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines

Werkzeugs zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3c eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Werkzeugs zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 einen schematischen Lagenaufbau bei der Herstellung eines

Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5a, b ein Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dem Faserverbundbauteil 2 handelt es sich um ein Stoßfängerbauteil für ein Fahrzeug. Das Faserverbundbauteil 2 weist eine im Innern des Bauteils 2 integrierte Sensorvorrichtung 1 mit einem flexiblen Schaltungsträger 3 und auf dem Schaltungsträger 3 angeordneten

Sensormodulen 4 auf. In der dargestellten Ausführungsform sind die Enden des Schaltungsträgers 3 aus dem Faserverbundbauteil 2 herausgeführt und können als Anschlusseinheit für die Sensorvorrichtung 1 dienen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer alternativen Ausführungsform. Bei dem Faserverbundbauteil 2 handelt es sich um ein Stoßfängerbauteil für ein Fahrzeug. Das Faserverbundbauteil 2 weist mehrere im Innern des Bauteils 2 integrierte Sensorvorrichtungen 1 mit einem flexiblen Schaltungsträgern 3 auf. Auf jedem Schaltungsträger 3 ist lediglich ein Sensormodul 4 angeordnet. Von jeder Sensorvorrichtung 1 ragt ein Teil des jeweiligen Schaltungsträgers 3 aus dem Faserverbundbauteil 2 heraus. Dieser Teil kann als Anschlusseinheit für die jeweilige Sensorvorrichtung 1 dienen.

Figur 3a zeigt eine schematische Darstellung eines Werkzeugs 30 zur

Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte Werkzeug 30 ist derart gestaltet, dass zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 die Textillagen 5a, 5b und die Sensorvorrichtung 1 aufweisend einen flexiblen Schaltungsträger 3 mit einer Anzahl an

Sensormodulen 4 in das Werkzeug 30 eingelegt werden. Die Sensorvorrichtung 1 ist zwischen einer beliebigen Anzahl an oberen Textillagen 5b und einer beliebigen Anzahl an unteren Textillagen 5a eingelegt. Mittels des dargestellten Werkzeugs 30 lässt sich, insbesondere im Schritt des Integrierens eine Zone aus reiner Matrix, vorzugsweise eine Reinharzzone, um die Sensormodule bzw. Anschlusseinheiten formen.

Der Schritt des Integrierens kann gleichzeitig die endkonturnahe Herstellung des Bauteils sein.

Figur 3b zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkzeugs 30 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform weist das Werkzeug 30 vorkonfektionierte Aussparrungen 31 für die auf dem flexiblen Schaltungsträger 3 angeordneten Sensormodulen 4 bzw. Anschlusseinheiten auf.

Figur 3c zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Werkzeugs zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform weist die obere

Werkzeughälfte 30a zu den auf dem flexiblen Schaltungsträger 3 angeordneten Sensormodulen 4 bzw. Anschlusseinheiten korrespondierende Kavitäten 32 auf. Nach dieser Ausführungsform des Werkszeugs 30 können eine beliebige Anzahl an Textillagen 5a unterhalb des flexiblen Schaltungsträgers 3 angeordneten sein, sowie eine Anzahl an Textillagen 5b oberhalb des flexiblen Schaltungsträgers 3 angeordnet sein, sofern sie oberhalb des Schaltungsträgers 3 noch drapierbar sind.

Figur 4 zeigt einen schematischen Lagenaufbau bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 im LCM-Verfahren. Oberhalb und unterhalb eines flexiblen Schaltungsträgers 3 mit einem Sensormodul befinden sich Textillagen 5a, 5b. Die Textillagen 5a, 5b können textiles Halbzeug sein.

Figur 5a zeigt ein Werkzeug 30 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 2. Deutlich erkennbar in der Figur ist eine obere Werkzeughälfte 30a und eine unter Werkzeughälfte 30b. Zwischen den beiden Werkzeughälften werden zur

Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 Textillagen 5a, 5b und nach der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl an flexiblen Schaltungsträgern 3 mit einer beliebigen Anzahl an Sensormodulen 4 angeordnet.

Weiter können der Darstellung seitlich des Werkzeugs 30 eine mögliche

Ausführung einer Fixiervorrichtungen 33 entnommen werden. Die

Fixiervorrichtungen 33 dienen zur Integration, d.h. zur Anordnung und

Ausrichtung der Sensorvorrichtungen 1 bei der Herstellung eines

Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 5b zeigt das Werkzeug 30 der Figur 5a in einer Draufsicht auf die obere Werkzeughälfte 30a. In dieser Ansicht sind die seitlich angebrachten

Fixiervorrichtungen 33 deutlich erkennbar. Der Figur kann direkt entnommen werden, dass mittels der dargestellten Fixiervorrichtungen 33 bis zu 6

Sensorvorrichtungen 1 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung fixiert werden können.

Es ist klar, dass zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht zwingend alle Fixiervorrichtungen 33 bestückt sein müssen. Ferner ist klar, dass es sich bei der Darstellung um eine mögliche Ausführungsform eines Werkzeugs 33 zur Herstellung eines

Faserverbundbauteils 2 gemäß der vorliegenden Erfindung handelt.

Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen oder Anzahlen an

Fixiervorrichtungen 33 denkbar und möglich.

Figur 6 zeigt ein Ablaufdiagramm des Herstellungsverfahrens 600 gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Schritt 601 erfolgt ein Einlegen mindestens einer Sensorvorrichtung 1 aufweisend mindestens ein Sensormodul 4 und mindestens eine mit dem Sensormodul verbundene Anschlussleitung 3 zum elektrischen Kontaktieren des Sensormoduls 4, wobei die Anschlussleitung 3 als flexibler Schaltungsträger, insbesondere als Leiterfolie ausgebildet ist, zwischen Textillagen 5a, 5b zur Herstellung des Faserverbundbauteils in ein Werkzeug 30.

Im Rahmen des Einlegens 401 bzw. nach dem Schritt des Einlegens 601 kann die Sensorvorrichtung 1 fixiert werden. Die Fixierung kann mittels einer

Fixiervorrichtung 33 erfolgen. Denkbar wäre auch eine Fixierung an einer der Textillagen 5a, 5b für das Faserverbundbauteil 2. Die Fixierung an einer der Textillagen 5a, 5b kann mittels eines Klebstoffs oder eines Binders erfolgen. Ferner wäre ein Fixieren durch Aufsticken oder Weben denkbar.

In Schritt 602 erfolgt ein Integrieren und ein Verbinden der Sensorvorrichtung 1 mit den Textillagen 5a, 5b mittels des Werkzeugs 30, indem flüssige Matrix, vorzugsweise Harz, in das Werkzeug injiziert und im Werkzeug ausgehärtet wird Dies kann gleichzeitig die endkonturnahe Herstellung des mit einer in das Faserverbundbauteil integrierten Sensorvorrichtung 1 sein.