Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein tragendes, flächiges Formteil aus einem Mehrschichtfaserverbundwerkstoff, insbesondere für eine

Fahrzeugkarosserie, und eine Fahrzeugkarosserie mit einem derartigen Formteil,

Die Offenlegungsschrift DE 102012203727 A1 zeigt beispielsweise ein

Wandelement, das aus einem faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Ein derartiges Wandelement kann als Stirnwand in einer Kraftfahrzeugkarosserie eingesetzt sein, wobei die Stirnwand zwischen A-Säulen quer zu einer

Fahrzeughauptfahrrichtung verläuft und einen Vorderwagenbereich von einem Hinterwagenbereich bzw. einen Motorraum von einem Fahrgastraum trennt. Eine derartige Stirnwand aus faserverstärktem Kunststoff hat den Vorteil, dass sie leicht ist, eine verhältnismäßig große Festigkeit aufweist und die Karosserie hinreichend gut versteift.

Faserverstärkte Kunststoffe, insbesondere mit Kohlenstofffaser verstärkte

Kunststoffe, haben jedoch die Eigenschaft, dass sie eine verhältnismäßig geringe Verformbarkeit aufweisen, und bereits nach einem geringen Verformungsweg spröde versagen.

Darüber hinaus ist es bekannt, in Kraftfahrzeugkarosserien aus Stahl oder Aluminium eine entsprechende metallische Stirnwand zwischen Vorderwagen und Fahrgastzelle einzusetzen. Eine derartige metallische Stirnwand ist gegenüber einem faserverstärkten Kunststoff bei gleicher Festigkeit wesentlich schwerer. Die metallische Stirnwand kann im Kollisionsfall über einen verhältnismäßig großen Weg plastisch verformt werden, bevor ein Reißen, d.h. ein endgültiges Versagen, der Stirnwand auftritt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein tragendes, flächiges Formteil bestehend aus einem Mehrschichtfaserverbundwerkstoff zu schaffen, das eine vergrößerte Verformbarkeit, insbesondere bei einer Biegebeanspruchung, aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein tragendes, flächiges Formteil gelöst, das die

Merkmale von Patentanspruch 1 aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Karosserie gelöst, die die Merkmale von Patentanspruch 13 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.

Insbesondere besteht ein tragendes, flächiges Formteil gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Mehrschichtfaserverbundwerkstoff. Beispielsweise ist das Formteil für eine Fahrzeugkarosserie als Bestandteil einer Crashstruktur des Fahrzeugs geeignet. Das Formteii weist zumindest eine erste Tragschicht und eine zweite Tragschicht auf, zwischen welchen angrenzend eine Verbindungsschicht angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass bei einer Biegebeanspruchung des Formteils eine Schichttrennung zwischen der ersten Tragschicht und der zweiten Tragschicht erfolgt. Dabei weisen die Verbindungsschicht und die Tragschicht ein gemeinsames Matrixsystem auf. Die Mehrschichtigkeit bezieht sich also auf die mehreren Faserschichten, die in einem gemeinsamen Matrixsystem bzw. einer gemeinsamen Matrix eingebettet sind. Die Matrix ist dabei ein Werkstoff, insbesondere ein Kunststoff, in dem die Fasern eingebettet sind.

Die genannte Schichttrennung erfolgt bevorzugt bei einer zuvor eingestellten Schwelllast bzw. Schwellbeanspruchung. Die Schichtrennung führt zu einer Verringerung der Biegesteifigkeit des flächigen Formteils, wobei gleichzeitig eine Membransteifigkeit des Formteils bestehen bleibt. Mit anderen Worten verhält sich das flächige Bauteil wie eine Membran, die innerhalb bestimmter Grenzen verformbar ist, jedoch nicht reißt. Das Formteil kann also Biegemomente bei einer größeren Verformbarkeit des Formteils aufnehmen. Das Formteil versagt damit verglichen mit dem Fall, in dem zwischen der ersten Tragschicht und der zweiten Tragschicht keine Schichttrennung erfolgen würde, erst nach einer größeren Verformung spröde.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist bei dem Formteil eine Faser- Matrixhaftung in der Verbindungsschicht geringer als eine Faser-Matrixhaftung in den Tragschichten ausgebildet.

Hierdurch versagt eine Faser-Matrixverbindung in der Verbindungsschicht früher als in der Tragschicht. Dadurch können sich die erste Tragschicht und die zweite Tragschicht relativ zueinander, insbesondere in der Ebene der Schichten, bewegen. Dies bedeutet, dass das Formteil insgesamt stärker gebogen werden kann, bis es vollständig spröde versagt.

Insbesondere ist eine Querzugfestigkeit der Verbindungsschicht geringer als eine Querzugfestigkeit der Tragschicht. Die Querzugfestigkeit ist eine Festigkeit der Schicht quer zu einer Hauptfaserrichtung. Die Hauptfaserrichtung ist die Richtung, entlang der die Fasern zumindest überwiegend orientiert sind.

Bevorzugt ist das Formteil ein dünnwandiges Formteil, so dass es zum Einen leichter ist und zum Anderen eine Verformbarkeit durch Biegung verbessert ist.

Mit Verformbarkeit ist hier insbesondere eine elastische Verformbarkeit der

Tragschichten gemeint. In der Verbindungsschicht tritt jedoch durch die

Schichttrennung eher eine plastische Verformung bzw. ein plastisches Versagen ein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen die Fasern der Verbindungsschicht aus einem anderen Material als die Fasern der Tragschichten.

Hierdurch ist es möglich mit einfachen Mitteln eine unterschiedliche

Fasermatrixhaftung zwischen Verbindungsschicht und Tragschichten herzustellen. Hierbei kommt es insbesondere auf die Materialpaarung Matrixsystem und Faser an. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Fasern der

Verbindungsschicht derart oberflächenbehandelt, dass eine Fasermatrixhaftung zwischen den Fasern und der Matrix gegenüber nicht oberflächenbehandelten Fasern und der Matrix verringert ist. Eine derartige Oberflächenbehandlung kann sowohl bei einer Ausführungsform mit gleichen Faserwerkstoffen in den

Tragschichten und der Verbindungsschicht als auch bei unterschiedlichen

Faserwerkstoffen in den Tragschichten und der Verbindungsschicht durchgeführt sein.

Hierdurch kann besonders einfach die Schichttrennung zwischen der ersten Tragschicht und der zweiten Tragschicht mit den bereits vorstehend erläuterten Vorteilen erfolgen.

Alternativ oder zusätzlich können die Fasern der Tragschichten derart

oberflächenbehandelt sein, so dass eine Haftung zwischen den Fasern und der Matrix gegenüber nicht oberflächenbehandelten Fasern und der Matrix erhöht ist.

Bevorzugt sind die Fasern der Verbindungsschicht zur Verringerung der

Fasermatrixhaf tu ng beschichtet. Zusätzlich oder alternativ können die Fasern der Tragschichten zur Erhöhung der Fasermatrixhaftung beschichtet sein.

Damit kann eine Beschichtung von Fasern der Verbindungsschicht und/oder der Tragschichten einen Unterschied in der Fasermatrixhaftung zwischen der

Verbindungsschicht und den Tragschichten herbeiführen und hinreichend groß machen.

Bevorzugt ist das Matrixsystem des Mehrschichtfaserverbundwerkstoffes ein polymeres Matrixsystem, d.h. ein Kunststoff. Das Matrixsystem kann ein duromeres Matrixsystem oder ein thermoplastisches Matrixsystem sein. Bevorzugt ist im Falle des duromeren Matrixsystems ein Epoxid. Ferner ist im Fall eines

thermoplastischen Matrixsystems ein Polyurethan oder ein Polyester besonders bevorzugt. Hinsichtlich der Fasern sind in Bezug auf die Verbindungsschichten bevorzugt, überwiegend oder ausschließlich Polyesterfasern verwendet. Alternativ oder zusätzlich sind überwiegend oder ausschließlich Polyethylenfasern verwendet. Zusätzlich oder alternativ können die Tragschichten überwiegend oder

ausschließlich Kohlenstofffasern enthalten. Alternativ oder zusätzlich können die Tragschichten überwiegend oder ausschließlich Aramidfasern enthalten. Ferner können die Tragschichten überwiegend oder ausschließlich Glasfasern enthalten.

Eine besonders bevorzugte Materialpaarung ist ein Epoxid als Matrixsystem und Polyesterfasern in der Verbindungsschicht sowie Kohlenstofffasern in den

Tragschichten.

Bevorzugt liegen in den Formteilen die Fasern in dem Mehrschichtverbundwerkstoff im Wesentlichen parallel zur flächigen Erstreckung des Bauteils vor.

Bevorzugt sind die Fasern des Mehrschichtverbundwerkstoffs im Wesentlichen Endlosfasern.

Ferner sind die Fasern bevorzugt in jeder Schicht im Wesentlichen unidirektional angeordnet, wobei die Fasern unterschiedlicher Schichten durchaus in

unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet sein können.

Besonders bevorzugt ist das Formteil in Dickenrichtung symmetrisch aufgebaut. Damit ist die Verbindungsschicht im Bezug auf die Dickenrichtung in der Mitte des Bauteils angeordnet. Diese Ausführung ermöglicht eine größtmögliche

Verformbarkeit des Formteils durch die Biegebeanspruchung.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Formteil weitere Tragschichten aufweisen. Insbesondere kann angrenzend zu der ersten Tragschicht eine weitere Tragschicht angeordnet sein. Ferner kann angrenzend zu der zweiten Tragschicht eine weitere Tragschicht angeordnet sein. Angrenzend zu den weiteren Tragschichten können wiederum ebenso weitere Tragschichten angeordnet sein. Im Falle, dass es mehr als zwei Tragschichten gibt, können auch weitere Verbindungsschichten angeordnet sein, wobei eine Verbindungsschicht immer zumindest zwischen zwei Tragschichten angeordnet ist.

Bevorzugt ist das Formteil eine Wand zum Einbau in eine Fahrzeugkarosserie. Die Wand kann beispielsweise eine Stirnwand sein, die sich im eingebauten Zustand quer zu einer Fahrzeughauptfahrrichtung erstreckt und zwischen einem

Vorderwagen und einer Fahrgastzelle angeordnet ist. Insbesondere kann sich die Wand zwischen einer linken und einer rechten A-Säule erstrecken.

Die Wand ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass sie sich durch eine

Kollisionslast durch eine Frontalkollision des Kraftfahrzeugs in Richtung der

Fahrgastzelle durch vorstehend beschriebene Schichttrennung hinreichend in Richtung der Fahrgastzelle verformen kann, ohne dass sie vollständig spröde versagt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Kraftfahrzeugkarosserie, die ein erfindungsgemäßes Formteil aufweist.

Vorstehend beschriebene Weiterbildungen der Erfindung können soweit möglich und sinnvoll beliebig miteinander kombiniert werden.

Es folgt eine Kurzbeschreibung der Figuren.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Schichtaufbaus eines Formteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit dem Formteil gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu einem Beginn einer Frontalkollision.

Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht des Kraftfahrzeugs mit dem Formteil gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im weiteren Verlauf der Frontalkollision zu einem zweiten Zeitpunkt der Frontalkollision. Fig. 4 ist eine schematische Seitenansicht des Kraftfahrzeugs mit dem Formteil gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu einem dritten Zeitpunkt der Frontalkollision, bei dem das Formteil verformt wurde.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter

Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

In Figur 1 ist ein prinzipieller Schnitt durch das Formteil 1 in einer x/z-Ebene eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Das Formteil 1 ist struktureller Bestandteil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Formteii 1 besteht aus einem Mehrschichtfaserverbundwerkstoff. Das Formteil 1 ist ein strukturell tragendes, dünnwandiges, sich über eine große Fläche erstreckendes Karosseriebauteil. Der Mehrschichtaufbau des Formteils 1 ist symmetrisch im Bezug auf eine Mitte des Formteils in Dickenrichtung. In der Mitte des Formteils 1 befindet sich eine Verbindungsschicht 3. Angrenzend an die Verbindungsschicht 3 sind eine erste Tragschicht 51 und eine zweite Tragschicht 52 angeordnet. Fasern der Verbindungsschicht 3 sind unidirektional mit einem Winkel von 0° gegenüber der Fahrzeugquerrichtung, also einer Y-Richtung, ausgebildet. Die Fasern der ersten Tragschicht und der zweiten Tragschicht sind ebenso Endlosfasern, die in einem Winkel von 45° angeordnet sind. An die erste

Tragschicht 51 grenzt eine dritte Tragschicht 53 an, deren Faserausrichtung 0° beträgt. An die dritte Tragschicht 53 grenzt eine fünfte Tragschicht 55 an, deren Fasern im 90° Winkel angeordnet sind. Darüber hinaus grenzt an die fünfte

Tragschicht eine siebte Tragschicht 57 an, deren Fasern im 0° Winkel angeordnet sind. Analog grenzt an die zweite Tragschicht 52 eine vierte Tragschicht 54 an, deren Fasern im 0° Winkel ausgerichtet sind. An die vierte Tragschicht 54 grenzt ferner eine sechste Trag Schicht 56 an, deren Fasern im 90° Winkel ausgebildet sind. Darüber hinaus grenzt an die sechste Tragschicht 56 eine achte Tragschicht 58 an, deren Fasern im 0° Winkel ausgebildet sind. Ebenso wie bei der

Verbindungsschicht 3 sind die Fasern der Tragschichten jeweils unidirektional ausgerichtet. Insgesamt sind auf beiden Seiten der Verbindungsschicht 3

Tragschichten in symmetrischer Art und Weise angeordnet. Das Formteil 1 weist dabei eine gemeinsame polymere Matrix auf. D.h. alle

Tragschichten sowie die Verbindungsschicht 3 sind durch dieselbe polymere Matrix gebildet. Die Fasern der Verbindungsschicht 3 sind aus einem derartigen Werkstoff ausgebildet bzw. sind derart oberflächenbehandelt, so dass eine

Fasermatrixhaftung der Fasern der Verbindungsschicht mit der polymeren Matrix erheblich geringer ist als eine Fasermatrixhaftung der Fasern der Tragschichten mit der polymeren Matrix.

Beispielsweise besteht die polymere Matrix aus einem Epoxid. Die Fasern der Tragschichten sind beispielsweise Kohlenstofffasern. Die Fasern der

Verbindungsschicht 3 sind demgegenüber beispielsweise Polyesterfasern. Eine Fasermatrixhaftung einer Polyesterfaser mit der Epoxidmatrix ist erheblich geringer als eine Fasermatrixhaftung der Kohlenstofffasern mit der Epoxidmatrix. Bei einer geringen Fasermatrixhaftung ist eine Querzugfestigkeit der jeweiligen Schicht ein messbarer Parameter. Die Querzugfestigkeit wird in einem Zugversuch quer zur Faserausrichtung ermittelt.

Wird nun das Form teil 1 auf Biegung beansprucht, so wie in Figur 1 durch Pfeile angedeutet ist, so erfolgt zunächst eine Schichttrennung der ersten Tragschicht 51 von der zweiten Tragschicht 52. Insbesondere versagt eine Haftung der Fasern in der Verbindungsschicht 3, so dass es zu einer Relativbewegung zwischen der ersten Tragschicht 51 und der zweiten Tragschicht 52 kommen kann. Dies führt wiederum dazu, dass bei der Biegebeanspruchung und der damit einhergehenden zunächst elastischen Verformung eine Dehnung der äußersten Tragschichten, hier also der achten Tragschicht 58 und der siebten Tragschicht 57, deutlich geringer als in dem Fall ausfällt, in dem keine Schichttrennung stattfindet.

Insgesamt kann eine mögliche Verformung des Formteils 1 durch Biegung dadurch vergrößert werden, dass die erste Tragschicht 51 und die zweite Tragschicht 52 gegeneinander gleiten können, wenn die Verbindungsschicht 3 versagt.

Das Formteil, das ein Karosseriebauteil einer tragenden Crashstruktur einer Kraf tfa h rze ug ka rosse rie ist, kann beispielsweise eine sogenannte vordere

Stirnwand 1 sein. Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist eine vordere Stirnwand 1 zwischen einem

Vorderwagen 7 und einer Fahrgastzelle 9 angeordnet. In Figur 2 ist eine

schematische Seitenansicht eines typischen Personenkraftfahrzeugs mit einem Vorderwagen 7, einer Fahrgastzelle 9 und einem Hinterwagen 11 gezeigt. Die Fahrgastzelle 9 ist zwischen dem Vorderwagen 7 und dem Hinterwagen 11 angeordnet. Der Vorderwagen 7 ist derart ausgestaltet, dass er im Fall einer frontalen Kollision des Kraftfahrzeugs mit einem Kollisionsgegner 100 zum Schutz der Fahrgastzelle 9 hinreichend Kollisionsenergie abbauen kann und einen hinreichenden Deformationsweg zum Abbau dieser Kollisionsenergie zur Verfügung stellt. Die Crash struktur des Vorderwagens 7 weist beispielsweise wie üblicherweise ein linkes Deformationselement und ein rechtes Deformationselement 13 auf, die auch Crashboxen genannt werden. Das linke Deformationselement 3 ist mit einem linken vorderen Motorträger 15 fluchtend an dessen vorderen Ende verbunden. Ebenso ist das rechte Deformationselement 13 mit einem rechten vorderen

Motorträger 15 fluchtend verbunden. An den Motorträgern 15 ist eine Antriebseinheit 17 angebunden. Ferner zählen zur Crashstruktur des Vorderwagens 17

beispielswiese linke und rechte Radhausstützträger 19 sowie linke und rechte Federdome 21. Die Motorträger 15 stützten sich unter anderen an der vorderen Stirnwand 1 ab, die das erfindungsgemäße Formteil bildet. Die vordere Stirnwand 1 trennt den Vorderwagen 7 und die Fahrgastzelle 9 voneinander.

Im Folgenden ist eine Funktion der vorderen Stirnwand 1 des Kraftfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren 2 bis 4 erläutert.

Insbesondere zeigt Figur 2 den Zustand eines Kraftfahrzeugs zu einem ersten Zeitpunkt, nämlich einem Beginn einer Frontalkollision des Kraftfahrzeugs mit dem Kollisionsgegner 100, wobei noch keine Energieabsorption und Verzögerung des Kraftfahrzeugs stattgefunden hat. Es hat noch keinerlei Verformung der

Crashstruktur stattgefunden.

In Figur 3 ist ferner ein Zustand des Kraftfahrzeugs bei fortgeschrittener

Frontalkollision zu einem zweiten Zeitpunkt gezeigt. Zu dem zweiten Zeitpunkt ist die Crashstruktur des Vorderwagens 7 schon erheblich verformt worden, wobei insbesondere die Deformationselemente 13 und die Motorträger 15 erheblich verformt wurden und dabei zu einem Abbau von Kollisionsenergie beigetragen haben. Ferner liegt zu dem zweiten Zeitpunkt die Antriebseinheit 17 bereits mittelbar oder unmittelbar an dem Kollisionsgegner 100 an und wurde bereits in Richtung der vorderen Stirnwand 1 verschoben, so dass eine Verblockung zwischen

Kollisionsgegner 100 und der vorderen Stirnwand 1 eintritt, da die Antriebseinheit 1 im Wesentlichen kein Verformungspotential aufweist. Dies führt dazu, dass über die Antriebseinheit 17 ein Biegemoment auf die Stirnwand aufgegeben wird.

Insbesondere drückt die Kollisionslast quer zu der flächigen Erstreckung der Stirnwand 1 gegen die Stirnwand 1.

Sobald eine vorbestimmte Last überschritten ist, findet in der vorderen Stirnwand 1 eine Schichttrennung zwischen der ersten Tragschicht 51 und der zweiten

Tragschicht 52 statt, so dass die Stirnwand 1 deutlich stärker verformt werden kann, bevor sie vollständig spröde versagt, ais wenn keine Schichttrennung zwischen der ersten Tragschicht 51 und der zweiten Tragschicht 52 stattfinden würde.

In Figur 4 ist das Verformen der Stirnwand 1 über ein Ausbeulen der Stirnwand 1 in Richtung der Fahrgastzelle 9 dargestellt.

Die Stirnwand 1 verhält sich in bestimmten Grenzen also wie eine elastische Membran, wobei sie durch die Schichttrennung an Biegefestigkeit verliert. Es wird hierdurch weiterer Deformationsweg frei, so dass die Crashstruktur durch weitere Verformung weiter Kollisionsenergie abbauen kann.

Insgesamt ist es dadurch möglich, einen kürzeren Vorderwagen vorzusehen, der trotzdem Erfordernisse eines Kollisionslastfalls bei einer Frontalkollision erfüllten kann.

Durch die Schichttrennung wird zwar eine Biegesteifigkeit bzw. ein Biegewiderstand der Stirnwand reduziert, die Zugeigenschaften der Tragschichten, insbesondere der äußersten Tragschichten, bleiben davon aber unberührt.