ROHRFÖRMIGES, TRIAXIAL GEFLOCHTENES FASERHALBZEUG MIT

VERSCHIEDENARTIG AUSGEFÜHRTEN STEHFÄDEN

Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Faserhalbzeug und ein faserverstärk tes Kunststoffhohlprofil. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Faserhalbzeugs und eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils.

Faserverstärkte Kunststoffhohlprofile sind bekannt und werden beispiels weise als Karosseriebauteile eingesetzt. Zur Herstellung der Kunststoffhohl profile werden rohrförmige Faserhalbzeuge verwendet, bei denen eine oder mehrere Lagen von Verstärkungsfasern z.B. auf einem Formkern zu einer Preform angeordnet sind, die ähnlich der späteren Profilform ist. Das Faser halbzeug wird dann durch Infiltration mit einer Kunststoffmatrix, Konsolidie rung und/oder Aushärten derselben zum faserverstärkten Kunststoffbauteil weiterverarbeitet.

Bei Hohlprofilen ergibt sich aufgrund des Querschnitts, der Wandstärke und des Materials des Hohlprofils ein spezifisches Biegewiderstandsmoment.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie ein Faserhalbzeug und ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bei effizi entem Materialeinsatz hergestellt werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Faserhalbzeug nach Patentanspruch 1 , ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil nach Patentanspruch 11 , ein Verfah ren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs nach Patentanspruch 12 und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhohlprofils nach Patentanspruch 14. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wird ein rohrförmiges Faserhalbzeug mit mindestens einer Lage von Ver stärkungsfasern angegeben, wobei die Lage von Verstärkungsfasern Längs fäden beinhaltet, welche in Längsrichtung des Faserhalbzeugs verlaufen. Er findungsgemäß unterscheiden sich die Längsfäden in einem ersten umfangs seitigen Teilbereich des Faserhalbzeugs und die Längsfäden in einem zwei ten umfangsseitigen Teilbereich in ihrem Material voneinander.

Mit anderen Worten gesagt, weist das Faserhalbzeug entlang seines Um fangs betrachtet mindestens zwei Teilbereiche auf, in denen sich die Längs fäden in ihrem Material voneinander unterscheiden. Im Faserhalbzeug liegen also Streifen aus unterschiedlichen Materialien nebeneinander vor. Durch die Verwendung unterschiedlicher Längsfäden lassen sich Teilbereiche mit un terschiedlichen Steifigkeiten und Festigkeiten hersteilen. Wird das Faserhalb zeug durch Infiltration, Konsolidierung und/oder Aushärten eines Matrixmate rials zu einem faserverstärkten Kunststoffhohlprofil weiterverarbeitet, so weist dieses Bauteil Wandabschnitte mit einer ersten Steifigkeiten und Festigkeit sowie Wandabschnitte mit einer zweiten Steifigkeit und Festigkeit auf. Derart lässt sich auf besonders einfache Art und Weise ein Bauteil schaffen, das in unterschiedliche Belastungsrichtungen unterschiedliche Verhalten zeigt. Zu dem lässt sich bei gegebenem maximalem Querschnitt ein größeres Biege widerstandsmoment erzielen. Das vorgeschlagene Faserhalbzeug ermöglicht eine belastungsgerechte Konstruktion des Bauteils und den gezielten be darfsgerechten Einsatz von Material. Das Faserhalbzeug ist rohrförmig ausgebildet. Der Begriff„rohrförmig“ soll dabei einen langgestreckten Hohlkörper beschreiben, dessen Länge um ein Vielfaches größer ist als seine Höhe oder Breite. Die Querschnittsform des rohrförmigen Faserhalbzeugs ist nicht auf eine ringförmige Form beschränkt. Neben runden Querschnitten sind z.B. auch ovale oder eckige, z.B. vier eckige oder mehreckige Querschnitte möglich.

Das Faserhalbzeug weist mindestens eine Lage von Verstärkungsfasern auf, die Längsfäden beinhaltet. Die Längsfäden sind entlang der Längsachse des Faserhalbzeugs ausgerichtet, sie verlaufen vorzugsweise in einem Winkelbe reich von +1-5 Grad zur Längsachse des Faserhalbzeugs.

Die mindestens eine Lage von Verstärkungsfasern kann z.B. als Gelege oder Gewebe vorliegen, welches um einen Formkern herumgelegt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Lage von Verstärkungsfasern jedoch als Geflecht vor. Beispielsweise kann es sich um ein triaxiales Geflecht handeln, bei dem die Längsfäden als Stehfäden eingeflochten sind, wodurch die Längsfäden besonders gut fixiert sind.

Bei den Längsfäden kann es sich um Einzelfilamente handeln. Zur Errei chung der im Automobilbau erforderlichen mechanischen Anforderungen handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung bei den Längsfäden um Faserbündel (Rovings), in denen mehrere oder eine Vielzahl von Einzelfila menten gebündelt sind.

In einer Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, wenn die Längsfäden im ersten Teilbereich eine andere Feinheit aufweisen als die Längsfäden im zweiten Teilbereich. Die Feinheit bezeichnet dabei das spezifische Lauflän- gengewicht der Fäden. Durch geschickte Kombination der Feinheiten lässt sich das Fließverhalten der Kunststoffmatrix im Faserhalbzeug steuern. Vor zugsweise wird das Verhältnis von Feinheit der Längsfäden im ersten Teilbe reich und Feinheit der Längsfäden im zweiten Teilbereich derart gewählt, dass in beiden Teilbereichen der gleiche Faservolumengehalt vorliegt. Hier durch kann eine einheitliche Fließfront beim späteren Infiltrieren im RTM-Pro- zess (Resin Transfer Moulding) erzielt werden.

Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Faserhalbzeug mit umfangsseitig gleichbleibender Wandstärke herzustellen, das jedoch in den Teilbereichen unterschiedliche Steifigkeiten und Festigkeiten aufweist.

Als Längsfäden bzw. Verstärkungsfasern können gängige Verstärkungsfa sern, wie z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern verwendet werden. In einer Ausgestaltung können z.B. im ersten Teilbereich Längsfä den aus Kohlenstofffasern verwendet sein und im zweiten Teilbereich Längs fäden aus Glasfasern, wodurch der erste Teilbereich eine höhere Steifigkeit und Festigkeit aufweist als der zweite Teilbereich. Es wird folglich möglich, funktionale Anforderungen im Faserhalbzeug und damit auch im Bauteil ab zubilden, ohne dass eine Geometrieänderung erfolgen muss.

Eine weitere Verstärkung einzelner Teilbereiche des Faserhalbzeugs kann in einer Ausgestaltung dadurch erzielt werden, dass in dem ersten Teilbereich weiterhin eine zusätzliche Faserschicht angeordnet ist. Die zusätzliche Fa serschicht wird vorzugsweise lokal begrenzt nur in dem ersten Teilbereich ausgebildet. Dann erstreckt sich die zusätzliche Faserschicht in Umfangs- richtung vorzugsweise so weit, wie der erste Teilbereich reicht und über die gesamte Länge des Faserhalbzeugs.

Die zusätzliche Faserschicht kann z.B. als Gewebe, Geflecht oder Gestrick ausgebildet sein. Eine gute Verstärkungswirkung bei besonders effizientem Materialeinsatz kann in einer Ausgestaltung dadurch erreicht werden, dass es sich bei der zusätzlichen Faserschicht um ein unidirektionales Gelege in Längsrichtung des Faserhalbzeugs handelt.

Zur Erzielung einer hohen mechanischen Verstärkungswirkung ist die zusätz liche Faserschicht vorzugsweise aus Kohlenstofffasern aufgebaut, wobei grundsätzlich auch der Einsatz anderer Verstärkungsfasern denkbar ist.

Zur Erzielung höherer Wandstärken, Bauteilsteifigkeiten und -festigkeiten kann das Faserhalbzeug zwei oder mehr Schichten von Verstärkungsfasern und zwei oder mehr zusätzliche Faserschichten aufweisen, die jeweils ab wechselnd übereinander geschichtet sind. Werden mehrere zusätzliche Fa serschichten vorgesehen, so werden diese vorzugsweise in demselben Teil bereich ausgebildet, so dass sie umfangsseitig fluchtend übereinander lie gen.

Das Faserhalbzeug kann umfangsseitig genau einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich aufweisen, so dass der Querschnitt zweigeteilt ist. Es ist jedoch in einer Ausgestaltung auch möglich, dass das Faserhalbzeug umfangsseitig mehr als einen ersten Teilbereich und mehr als einen zweiten Teilbereich aufweist. Beispielsweise können zwei erste und zwei zweite Teil bereiche vorgesehen sein. Am Beispiel eines Hohlprofils in einem Dachrah men kann z.B. eine gezielte Verstärkung von Druck- und Zuggurt erfolgen. Auch das Vorsehen von drei oder mehr ersten bzw. zweiten Teilbereichen ist denkbar. Die Teilbereiche können die gleiche Größe haben und z.B. die glei che Anzahl von Rovings aufweisen oder unterschiedlich groß ausgebildet sein, so dass z.B. ein Teilbereich mehr Rovings aufweist als ein anderer Teil bereich. Weiterhin ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Faserhalbzeug mehr als zwei Teilbereiche beinhaltet, in denen die Längsfäden sich hinsicht lich ihres Materials unterscheiden. Durch das Vorsehen von drei oder mehr Teilbereichen, in denen sich die Materialien der Längsfäden jeweils unter scheiden, kann ein Bauteil mit fein graduierten Unterschieden in den Steifig keiten und Festigkeiten einzelner umfangsseitiger Wandabschnitte erzielt werden.

Weiterhin wird ein faserverstärktes Kunststoffhohlprofil angegeben, das ein erfindungsgemäßes Faserhalbzeug beinhaltet. Das Faserhalbzeug ist dann in eine Kunststoffmatrix eingebunden. Die Kunststoffmatrix kann ein thermo plastisches Kunststoffmaterial oder ein duroplastisches Kunststoffmaterial sein. Bei dem faserverstärkten Kunststoffhohlprofil handelt es sich vorzugs weise um ein Fahrzeugbauteil, wie z.B. ein Karosseriebauteil.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines wie voranstehend be schriebenen Faserhalbzeugs angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:

Bereitstellen eines Formkerns;

Anordnen einer Lage von Verstärkungsfasern auf dem Formkern derart, dass die Lage von Verstärkungsfasern Längsfäden beinhaltet, welche in Längs richtung des Faserhalbzeugs verlaufen, wobei sich die Längsfäden in einem ersten umfangsseitigen Teilbereich des Faserhalbzeugs von den Längsfäden in einem zweiten umfangsseitigen Teilbereich in ihrem Material voneinander unterscheiden. Das Anordnen der Lage von Verstärkungsfasern kann per Hand oder automatisiert erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt das Anordnen durch Aufflechten der Lage von Verstärkungsfasern auf einen Formkern. Hierbei handelt es sich um einen industriell ausgereiften Prozess mit hoher Widerholgenauigkeit. Auf den Formkern können mehr als eine Lage von Verstärkungsfasern auf gebracht werden, beispielsweise kann der Formkern mehrmals durch eine Flechtanlage geführt werden, so dass ein mehrlagiges Geflecht ausgebildet wird.

In einer Ausgestaltung wird eine umfangsseitig lokal begrenzte Faserschicht auf dem Formkern in dem ersten Teilbereich angeordnet, wodurch im Faser halbzeug die zusätzliche Faserschicht ausgebildet wird. Ist die Faserschicht als Gelege konzipiert, so kann sie z.B. durch Mitführen zusätzlicher Verstär kungsfäden während des Flechtprozesses auf einfache Art und Weise herge stellt und unterhalb des Geflechts sicher am Formkern fixiert werden. Daher ist diese Ausführungsform in Kombination mit einem Geflecht besonders wirt schaftlich.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunst stoffhohlprofils angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:

Erzeugen eines Faserhalbzeugs mit dem voranstehend beschriebenen Ver fahren, Imprägnieren des Faserhalbzeugs mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial sowie Konsolidieren und/oder Aushärten des Kunststoffmaterials. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Ver fahren um einen RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding).

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungs wesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

Figur 1 eine Seitenansicht eines beispielhaften Faserhalbzeugs, Figur 2 eine Schnittansicht des Faserhalbzeugs aus Figur 1 , Figur 3 eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften Fa

serhalbzeugs,

Figur 4, 5 Schnittansichten beispielhafter faserverstärkter Kunststoff bauteile und

Figur 6 einen beispielhaften Verfahrensablauf.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines rohrförmigen Faserhalbzeugs 10 in Form eines triaxialen Geflechtschlauchs. Das Faserhalbzeug 10 beinhaltet Längsfäden 12, 14, sogenannte Stehfäden, die von Flechtfäden 16 umfloch ten sind, wobei nur einzelne Längsfäden und Flechtfäden mit Bezugszeichen versehen sind. Das Faserhalbzeug 10 ist auf einen Formkern 2 aufgefloch ten, siehe Figur 2. Bei den Längsfäden 12 kann es sich um Einzelfilamente handeln, vorzugsweise sind die Längsfäden 12 jedoch Faserbündel, soge nannte Rovings.

In dem Faserhalbzeug 10 sind zwei unterschiedliche Längsfäden 12, 14 ver arbeitet worden. Umfangsseitig betrachtet sind in einem ersten Teilbereich I Längsfäden 12 aus einem ersten Material, z.B. Kohlenstofffasern, verwendet worden. In einem zweiten Teilbereich II sind Längsfäden 14 aus einem zwei ten Material, z.B. Glasfasern, verwendet worden.

In dem Beispiel aus Figur 1 sind jeweils zwei erste und zwei zweite Teilberei che I, II vorgesehen, die sich umfangsseitig abwechseln. In jedem Teilbe- reich I bzw. Teilbereich II sind mehrere gleiche Längsfäden 12 bzw. 14 ne beneinander angeordnet, wodurch sich in dem jeweiligen Teilbereich I bzw. II eine einheitliche Wandstärke ergibt. Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Fa serhalbzeugs aus Figur 1.

Die Figur 3 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften Faserhalb zeug 10A. Das Faserhalbzeug 10A unterscheidet sich von dem Faserhalb zeug aus Figur 1 und 2 dadurch, dass unterhalb der Schicht aus Verstär kungsfäden eine zusätzliche Faserschicht 18 aus, z.B. ein Gelege von Koh lenstofffasern, angeordnet ist. Diese zusätzliche Faserschicht 18 ist lokal be grenzt nur in den ersten Teilbereichen I ausgebildet. Die zweiten Teilbereiche II sind also frei von der zusätzlichen Faserschicht 18.

Hieraus ergibt sich, dass die Steifigkeit und Festigkeit des Faserhalbzeugs im ersten Teilbereich I noch weiter erhöht wird. Zusätzlich zur größeren Wandstärke wirkt hier die höhere Steifigkeit und Eigenfestigkeit der Kohlen stofffasern.

Die Figuren 4 und 5 zeigen Schnittansichten von faserverstärkten Kunststoff hohlprofilen 1 und 1A, wobei Figur 4 ein Kunststoffhohlprofil 1 mit dem Faser halbzeug 10 aus Figur 2 und Figur 5 ein Kunststoffhohlprofil 1A mit dem Fa serhalbzeug 10A aus Figur 3 zeigt. Das jeweilige Faserhalbzeug 10, 10A ist in einer Kunststoffmatrix 20 eingebunden zum faserverstärkten Kunststoff hohlprofil 1 bzw. 1A. In beiden Fällen weist das Bauteil 1 bzw. 1A Wandstär kenteilbereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten und Festigkeiten auf.

Bei dem Beispiel aus Figur 4 hat das Kunststoffhohlprofil 1 zwar eine im We sentlichen einheitliche Wandstärke, jedoch aufgrund der Verwendung unter schiedlicher Materialien für die Längsfäden 12 bzw. 14 unterschiedliche Stei figkeiten und Festigkeiten im ersten und zweiten Teilbereich I bzw II. Bei dem Beispiel aus Figur 5 ist die Steifigkeit und Festigkeit im ersten Teil bereichen I noch weiter erhöht durch das Einbringen der zusätzlichen Faser schicht 18 in Form des Kohlenstofffaser-Geleges.

In den Figuren sind das Faserhalbzeug 10 mit nur einer einzigen Geflecht lage und das Faserhalbzeug 10A mit nur einer einzigen Geflechtlage und ei ner zusätzlichen Faserschicht dargestellt. Zur Erzielung größerer Wandstär ken können beispielsweise durch Wiederholen des Prozesses zwei oder mehr Geflechtlagen übereinander ausgebildet werden, wobei vorzugsweise die ersten Teilbereiche jeder Schicht fluchtend übereinander angeordnet wer den. Es können auch eine zusätzliche Schicht und eine Geflechtlage jeweils abwechselnd mehrfach übereinander angeordnet werden.

Zusätzlich kann das Faserhalbzeug 10 bzw. 10A weitere Lagen von Verstär kungsfasern, z.B. in Form weiterer Geflechtlagen und/oder Gewebe oder Ge lege beinhalten. Ebenso sind andere als der gezeigte runde Querschnitt denkbar, z.B. mehreckige Querschnitte. Grundsätzlich können die Längsfä den 12, 14 auch als Gelege oder als Teil eines Gewebes in dem Faserhalb zeug vorliegen. Ebenso kann die zusätzliche Faserschicht als Gewebe, Ge flecht oder Gewirk vorliegen.

Figur 6 zeigt einen schematischen Ablauf eines beispielhaften Verfahrens. Zunächst wird in Schritt 100 eine Lage von Verstärkungsfasern auf einem be reitgestellten Formkern derart angeordnet, dass die Lage von Verstärkungs fasern Längsfäden 12, 14 beinhaltet, welche in Längsrichtung des Faserhalb zeugs 10, 10A verlaufen und sich die Längsfäden 12 in einem ersten um fangsseitigen Teilbereich I des Faserhalbzeugs und die Längsfäden 14 in ei nem zweiten umfangsseitigen Teilbereich II in ihrem Material voneinander unterscheiden. Bei dem Beispiel wird die Lage von Verstärkungsfäden durch einen Flechtprozess als triaxiales Geflecht ausgebildet. Bei Bedarf kann der Schritt 100 mehrmals wiederholt werden, wodurch sich ein mehrlagiges Ge flecht auf dem Formkern bildet.

Das so entstandene Faserhalbzeug kann in Schritt 200 zu einem faserver stärkten Kunststoffhohlbauteil weiterverarbeitet werden. In Schritt 200 wird das Faserhalbzeug mit einem Matrixmaterial infiltriert und das Matrixmaterial wird konsolidiert. Beispielweise handelt es sich um ein duroplastisches Mat rixmaterial, das in einem RTM-Prozess dem Faserhalbzeug injiziert und aus gehärtet wird.

Das Verfahren kann einen optionalen zusätzlichen Schritt 110 beinhalten. In diesem Schritt wird eine zusätzliche Faserschicht auf den Formkern aufge bracht, vorzugsweise als Gelege. Beispielsweise werden zusätzliche Längs fasern im Flechtprozess zwischen Flechtschlauch und Formkern mitgeführt, so dass sie sich als Gelege auf dem Formkern ablegen und durch den Ge flechtschlauch auf dem Formkern fixiert werden. Bei Wiederholung z.B. des Flechtprozesses in Schritt 100 kann auch Schritt 110 entsprechend wieder holt werden.

Bezugszeichenliste

1 , 1 A faserverstärktes Kunststoffhohlprofil 2 Formkern

10, 10A Faserhalbzeug

12, 14 Längsfäden

16 Flechtfäden

18 zusätzliche Faserschicht

20 Kunststoffmatrix

I, II Teilbereiche

100, 1 10, 200 Verfahrensschritte