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DE102004008006A1 - Transparent plastic vehicle bodywork part, made from glass fibre reinforced thermoplastic or duroplast polymer composite material - Google Patents

Transparent plastic vehicle bodywork part, made from glass fibre reinforced thermoplastic or duroplast polymer composite material Download PDF

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DE102004008006A1
DE102004008006A1 DE200410008006 DE102004008006A DE102004008006A1 DE 102004008006 A1 DE102004008006 A1 DE 102004008006A1 DE 200410008006 DE200410008006 DE 200410008006 DE 102004008006 A DE102004008006 A DE 102004008006A DE 102004008006 A1 DE102004008006 A1 DE 102004008006A1
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Germany
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glass fibers
matrix
polymer matrix
bodywork element
fibers
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Withdrawn
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DE200410008006
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Inventor
Karl-Heinz Dipl.-Ing. Ilzhöfer
Martin Dr.-Ing. Koschmieder
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Abstract

The part (4) is made from a fibre-reinforced composite material comprising a thermoplastic or duroplast polymer matrix and a glass fibre array (3) of unidirectional length fibres (20). The glass fibres are sized and the refraction index difference between the glass fibres and the matrix is less than 0.05.

Description

Die Erfindung betrifft ein Karosserieelement aus einem transparenten Kunststoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a body element made of a transparent Plastic with the features of claim 1.

Bei der Konstruktion von Fahrzeugkarosserien tritt häufig das Problem auf, dass ausgehend von einer Fahrerposition bestimmte Bereiche der Umgebung durch tragende Bauteile, verdeckt werden. Insbesondere die A-Säule, die einerseits die Windschutzscheibe einrahmt und andererseits den Rahmen für die vorderen Türen bildet, stellt teilweise eine erhebliche Sichtwinkelverdeckung für den Fahrer dar. Ferner können auch die B-Säule, die zwischen der vorderen und der hinteren Tür angeordnet ist und die C-Säule können beim Seitenblick beziehungsweise beim Rückwärtsfahren sichtverdeckend wirken.at The construction of vehicle bodies often encounters the problem that certain areas of the environment starting from a driver's position be covered by load-bearing components. In particular, the A-pillar, the on the one hand framed the windshield and on the other hand the frame for the front doors partially represents a significant Sichtwinkelverdeckung for the driver. Furthermore, can also the B-pillar, which is located between the front and the rear door and the C-pillar can Side glance or visibly opaque when reversing.

Das Deutsche Gebrauchsmuster DE-GM 14 73 527 regte aus diesem Grund bereits an, tragende Karosserieelemente, wie gerade die A-, B-, oder C-Säule aus einem transparenten Kunststoff herzustellen. Der hierin allgemein offenbarte transparente Kunststoff ist jedoch nicht geeignet, den modernen Anforderungen an eine Crash-Sicherheit zu genügen. Das EP 728 576 B1 beschreibt ein flächiges Baumelement aus einem thermoplastischen Material, das mit einer Folie versehen ist und mit Glasfüllstoffen aufgefüllt ist. Die Glasfüllstoffe sind so ausgestaltet, dass das Bauelement transparent bleibt.For this reason, the German utility model DE-GM 14 73 527 already suggested carrying load-bearing body elements, such as the A, B or C pillars, of a transparent plastic. However, the transparent plastic generally disclosed herein is not capable of meeting the modern requirements for crash safety. The EP 728 576 B1 describes a planar tree element made of a thermoplastic material, which is provided with a film and filled with glass fillers. The glass fillers are designed so that the component remains transparent.

Als Glasfüllstoffe werden hier unter anderem Glasfasern genannt, die eine Länge bis zu 30 mm aufweisen. Derartige Glasfasern können bei flächigen Bauteilen in gewisser Weise eine Verstärkung hervorrufen, die so hergestellten Bauteile sind jedoch nicht als tragende Strukturelemente geeignet. Ferner weisen derartige Bauteile eine vergleichsweise geringe Kriechbeständigkeit auf.When glass fillers are here among other glass fibers called, which are a length to to 30 mm. Such glass fibers can in flat components in some Way amplify, However, the components produced in this way are not as load-bearing structural elements suitable. Furthermore, such components have a comparatively low creep resistance on.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein tragendes Bauteil einer Fahrzeugkarosserie in der Art transparent auszugestalten, dass es einerseits die nötige Festigkeit und Steifigkeit im Crashfall aufweist und gleichzeitig eine hohe Kriechbeständigkeit aufweist.The The object of the invention is a supporting component of a Vehicle body in the way transparent to design that it on the one hand the necessary Strength and rigidity in the event of a crash and at the same time has a high creep resistance.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Karosserieelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The solution The task consists in a body element with the features of claim 1

Das erfindungsgemäße Karosserieelement besteht aus einem transparenten, faserverstärkten Verbundkunststoff. Der Verbundkunststoff weist eine thermoplastische oder eine duroplastische Polymermatrix auf. Die Fasern, die in die Matrix eingebettet sind, sind Glasfasern, wobei diese in Form von unidirektionalen bevorzugt Langfasern oder Endlosfasern ausgestaltet sind. Ferner sind die Glasfasern mit einer Schlichte versehen und zur Wahrung der Transparenz des Kunststoffes beträgt der Unterschied der Brechungsindizes der Glasfasen und der Polymermatrix weniger als 0,05.The body element according to the invention consists made of a transparent, fiber-reinforced composite plastic. Of the Composite plastic has a thermoplastic or a thermosetting Polymer matrix on. The fibers embedded in the matrix are glass fibers, these being preferred in the form of unidirectional Long fibers or continuous fibers are designed. Furthermore, the Glass fibers provided with a size and to ensure transparency of the plastic is the difference of the refractive indices of the glass fibers and the polymer matrix less than 0.05.

Für eine gute optische Transparenz des Karosserieelementes ist es zudem von Bedeutung, dass die Fasern unidirektional ausgerichtet sind. Hierunter wird verstanden, dass einzelne benachbarte Faserfilamente, die nebeneinander verlaufen und gegebenenfalls zu einem Faserstrang zusammengefasst sind, eine möglichst gleichmäßige parallele Ausrichtung aufweisen.For a good optical transparency of the body element, it is also important that the fibers are unidirectionally aligned. This is understood to mean that individual adjacent fiber filaments run side by side and optionally combined into a fiber strand, a preferably even parallel alignment exhibit.

Gleichwohl können in einem Bauteil Fasern oder Faserstränge in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein.nevertheless can aligned in one component fibers or fiber strands in different directions be.

Der Begriff Langfaser ist durch die unterschiedlichen Herstellungsverfahren variabel definiert. Bei einem Extrusionsverfahren werden Fasern ab einer Länge von 8 mm als Langfasern bezeichnet. Bei einem Pultrusionsverfahren ist die Länge der Fasern durch die Bauteilgeometrie vorgegeben (ab 50 mm). Der Begriff Endlosfasern bedeutet hierbei, dass die Fasern von einer Rolle in eine, dem Bauteil entsprechende Form gewickelt oder gelegt werden.Of the Term long fiber is due to the different manufacturing processes variably defined. In an extrusion process fibers become from one length of 8 mm referred to as long fibers. In a pultrusion process is the length the fibers given by the component geometry (from 50 mm). Of the Term continuous fibers here means that the fibers of a Roll in one, the component corresponding shape wound or laid become.

Die unidirektionale Faserverstärkung insbesondere von Langfasern der Polymermatrix bewirkt einerseits im Gegensatz zu einer isotropen Kurzfaserverstärkung eine deutliche Festigkeitssteigerung entlang der Faserrichtung. Aus diesem Grund sind die Fasern in der Regel entlang von berechneten Hauptbelastungslinien ausgerichtet. Derartige Hauptbelastungslinien sind bauteilabhängig und werden insbesondere der zu erwarteten Crash-Belastung angepasst. Gleichzeitig weisen die Glasfasern eine Schlichte auf, die dazu führt, dass eine Haftung zwischen der Faseroberfläche und der Polymermatrix verbessert wird. Eine derartige Schlichte erhöht somit die Festigkeit und verbessert eine Schadenstoleranz. Eine unidirektionale Faserverstärkung bewirkt weiterhin entlang der Kraftflussrichtung eine bessere Kriechbeständigkeit des Bauteils.The unidirectional fiber reinforcement in particular of long fibers of the polymer matrix on the one hand causes in contrast to an isotropic short fiber reinforcement, a significant increase in strength along the fiber direction. Because of this, the fibers are usually aligned along calculated principal load lines. Such main load lines are component dependent and, in particular, the anticipated crash burden is adjusted. At the same time, the glass fibers have a size, which in addition leads, that improves adhesion between the fiber surface and the polymer matrix becomes. Such a size thus increases the strength and improves damage tolerance. A unidirectional fiber reinforcement continues to effect better creep resistance along the direction of force flow of the component.

Zur Wahrung der Transparenz sind die Glasfasern und die Polymermatrix in der Art ausgestaltet, dass der Unterschied ihrer Brechungsindizes (Δn) weniger als 0,05 beträgt. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die Schlichte, die sich auf der Glasfaser befindet, ebenfalls in diesem Bereich des Brechungsindex angeordnet ist.to Maintaining transparency are the glass fibers and the polymer matrix designed in such a way that the difference of their refractive indices (Δn) less than 0.05. It is expedient that the sizing, which is on the glass fiber, also in this range of refractive index is arranged.

Eine derartige Einstellung der Brechungsindizes zwischen der Glasfaser und der Polymermatrix kann beispielsweise über die Vernetzungsdichte erfolgen, wenn eine duroplastische Matrix angewendet wird. Andererseits kann bei der Anwendung einer thermoplastischen Matrix deren Berechungsindex über das Molekulargewicht angepasst werden. Ferner kann bei teilkristallinen thermoplastischen Matrizes der Brechungsindex über den Kristallisationsgrad der Matrix eingestellt werden.Such adjustment of refractive indices between the glass fiber and the polymer matrix For example, it can be done via the crosslink density when a thermoset matrix is used. On the other hand, when using a thermoplastic matrix, its calculation index can be adjusted via the molecular weight. Furthermore, in semicrystalline thermoplastic matrices, the refractive index can be adjusted via the degree of crystallization of the matrix.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, auf den Brechungsindex der Glasfasern durch eine gezielte Wärmebehandlung der Glasfaser Einfluss zu nehmen, um diesen an einen Brechungsindex der Polymermatrix anzupassen.Of There is also the possibility on the refractive index of the glass fibers through a targeted heat treatment influence the glass fiber in order to give it a refractive index to adapt to the polymer matrix.

Es hat sich zudem herausgestellt, dass die Transparenz deutlich verbessert wird, wenn der Anteil an Lufteinschlüssen weniger als 1 % beträgt. Hierbei ist es ebenfalls zweckmäßig, dass die Porengröße von etwaigen Lufteinschlüssen kleiner als die halbe Wellenlänge des durchscheinenden Lichtes beträgt, was in der Praxis schwer zu realisieren ist. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch ein Vakuumpressverfahren oder durch ein Pultrusionsverfahren bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Karosserieelementes die Lufteinschlüsse minimiert werden können und unter den kritischen Wert von 1 % gebracht werden können.It has also been found to significantly improve transparency when the proportion of trapped air is less than 1%. in this connection it is also appropriate that the pore size of any air pockets less than half the wavelength of translucent light is what is difficult in practice to realize. It turned out that in particular by a vacuum press method or by a pultrusion method in the manufacture of the body element according to the invention the air pockets can be minimized and can be brought below the critical value of 1%.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Karosserieelement schalenförmig ausgestaltet. Die schalenförmige Ausgestaltung ermöglicht es, auf die Darstellung einer komplexen Hohlraumstruktur zu verzichten. Hierbei kann es ebenfalls zweckmäßig sein, dass das Karosserieelement insbesondere in der Schalenbauweise durch Streben oder Rippen verstärkt ist. Hierbei kann es wiederum zweckmäßig sein mehrere schalenförmige Karosserieelemente zusammen zu fügen und beim Fügen ei nen transparenten Klebstoff (z.B. Acrylat- Klebstoffe, Silikonklebstoff) anzuwenden.In An embodiment of the invention is the body element cupped designed. The cup-shaped Design allows to forego the presentation of a complex cavity structure. It may also be appropriate that the body element in particular in the shell construction by Reinforced struts or ribs is. In this case, it may be useful again several shell-shaped body elements to join together and when joining a transparent adhesive (e.g., acrylate adhesives, silicone adhesive) apply.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den folgenden Figuren dargestellt.preferred Embodiments of the invention are in the following figures shown.

Hierbei zeigen:in this connection demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Fahrzeugkarosserie, 1 a schematic representation of a side view of a vehicle body,

2 eine schematische Darstellung einer Dachstruktur mit A- und C-Säule sowie Dachspriegel, 2 a schematic representation of a roof structure with A and C pillar and roof hoop,

3 zwei schalenförmige Karosserieelemente, die zu einer A-Säule zusammenfügbar sind. 3 two shell-shaped body elements, which can be joined together to form an A-pillar.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Fahrzeugkarosserie gegeben, in der insbesondere die tragenden Bauteile A-Säule 4, B-Säule 6 und C-Säule 8 hervorgehoben sind. Unter Säule wird hierbei ein Tragelement verstanden, dass von einem Fahrzeugdach grundsätzlich bis zu einem Schweller 10 verläuft, wobei es zweckmäßig ist, insbesondere die Tragelemente oberhalb einer Bordkante 13 erfindungsgemäß transparent auszugestalten.In 1 is given a schematic representation of a vehicle body, in particular the supporting components A-pillar 4 , B-pillar 6 and C-pillar 8th are highlighted. Under column here is a support member understood that from a vehicle roof in principle up to a sill 10 runs, it is expedient, in particular the support elements above a curb 13 According to the invention transparent design.

Neben den Säulen 4, 6 und 8 kann es auch zweckmäßig sein, einen vorderen Dachrahmen 11a oder einen seitlichen Dachrahmen 11b sowie einen Dachspriegel 12 durch ein erfindungsgemäßes Karosserieelement transparent auszugestalten (2).Next to the columns 4 . 6 and 8th It may also be appropriate to have a front roof frame 11a or a side roof frame 11b as well as a roof hoop 12 to be made transparent by an inventive body element ( 2 ).

In 3 ist eine übliche A-Säule 4 schematisch dargestellt, wobei die A-Säule 4 aus zwei Schalenelementen 16 und 18 zusammengesetzt ist. In der Abbildung des Schalenelementes 16 sind exemplarisch Glasfasern 3 gezeigt, die in Form von unidirektional ausgerichteten Langfasern 20 ausgestaltet sind. Die Langfasern 20 verlaufen in diesem Beispiel von einem Säulenboden 22 zu einem Säulenkopf 24. Die Fasern sind in diesem Beispiel derart verlegt, dass sie die höchste Festigkeit bei einem höchsten anzunehmenden Kraftfall, in diesem Fall ein Fahrzeugüberschlag gewährleisten. In diesem Fall würde die maximale Kraft in Richtung des mit F gekennzeichneten Pfeiles erfolgen.In 3 is a common A-pillar 4 shown schematically, wherein the A-pillar 4 from two shell elements 16 and 18 is composed. In the picture of the bowl element 16 are exemplary glass fibers 3 shown in the form of unidirectionally oriented long fibers 20 are designed. The long fibers 20 run in this example of a column bottom 22 to a pillar head 24 , In this example, the fibers are laid in such a way that they ensure the highest strength in the case of the highest possible force case, in this case a vehicle rollover. In this case, the maximum force would be in the direction of the arrow marked F.

Das Schalenelement 14 weist zur weiteren Festigkeitserhöhung eine gezielte Verrippung 18 auf, durch die auch weiteren Lastfällen entsprochen werden kann (beispielsweise einem Frontalcrash). Die einzelnen Schalenelemente 14 und 16 können nun zu einer A-Säule 4 zusammengesetzt werden. Es ist hierbei zweckmäßig, aus optischen Gründen ebenfalls einen transparenten Klebstoff zu verwenden. Die Anwendung weiterer Fügeverfahren, wie beispielsweise Verschweißen oder Verschrauben kann abhängig vom Anwendungsfall gegebenenfalls zweckmäßig sein.The shell element 14 has a purposeful ribbing for further strength increase 18 on, by the other load cases can be met (for example, a frontal crash). The individual shell elements 14 and 16 can now become an A-pillar 4 be assembled. It is expedient here to also use a transparent adhesive for optical reasons. The application of further joining methods, such as welding or screwing, may be appropriate depending on the application.

Die Herstellung der einzelnen Schalenelemente beziehungsweise Karosserieelemente 4, 6, 8, 11a, 11b und 12 kann durch ein herkömmliches Pressverfahren beziehungsweise ein Vakuumpressverfahren oder ein Pultrusionsverfahren erfolgen. Hierbei werden die Glasfasern durch Anwendung von herkömmlichen Wickeltechniken verlegt und eingebracht.The production of the individual shell elements or body elements 4 . 6 . 8th . 11a . 11b and 12 can be done by a conventional pressing method or a vacuum pressing method or a pultrusion method. Here, the glass fibers are laid and introduced by applying conventional winding techniques.

Um eine hohe Festigkeit zu realisieren, ist ein, abhängig vom Fertigungsverfahren, möglichst hoher Faseranteil zu realisieren. Dieser sollte bei einem Pultrusionsverfahren möglichst mehr als 50 Gew. % betragen und bei einem Pressverfahren möglichst mehr als 40 Gew. % betragen.Around To realize a high strength is one, depending on Manufacturing process, as high as possible Fiber content to realize. This should be in a pultrusion process preferably more than 50 wt.% and if possible in a pressing process more than 40 wt.%.

Claims (9)

Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) aus einem transparenten Kunststoff dadurch gekennzeichnet • dass das Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff besteht, • der eine thermoplastische oder duroplastische Polymermatrix aufweist, • in die Glasfasern (3) eingebettet sind, • wobei die Glasfasern (3) in Form von unidirektionalen Fasern (20) ausgestaltet sind und • die Glasfasern (3) mit einer Schlichte versehen sind und • dass ein Unterschied von Brechungsindizes Δn zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix weniger als 0,05 beträgt.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) of a transparent plastic, characterized in that the body element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) consists of a fiber-reinforced composite plastic, • having a thermoplastic or thermosetting polymer matrix, • into the glass fibers ( 3 ), whereby the glass fibers ( 3 ) in the form of unidirectional fibers ( 20 ) and • the glass fibers ( 3 ) are provided with a size and • that a difference of refractive indices Δn between the glass fibers ( 3 ) and the polymer matrix is less than 0.05. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei einer duroplastischen Matrix über eine Vernetzungsdichte der duroplastischen Matrix erfolgt.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to claim 1, characterized in that an adaptation of the refractive indices between the glass fibers ( 3 ) and the polymer matrix in the case of a thermosetting matrix via a crosslinking density of the thermoset matrix. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei einer thermoplastischen Matrix über ein Molekulargewicht der thermoplastischen Matrix erfolgt.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to claim 1, characterized in that an adaptation of the refractive indices between the glass fibers ( 3 ) and the polymer matrix in a thermoplastic matrix via a molecular weight of the thermoplastic matrix. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei einer thermoplastischen Matrix über eine Anpassung eines Kristallisationsgrades der thermoplastischen Matrix erfolgt.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to claim 1, characterized in that an adaptation of the refractive indices between the glass fibers ( 3 ) and the polymer matrix in a thermoplastic matrix via an adjustment of a degree of crystallization of the thermoplastic matrix. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass eine Anpassung der Brechungsindizes zwischen den Glasfasern (3) und der Polymermatrix bei den Glasfasern durch eine Wärmebehandlung erfolgt.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that an adaptation of the refractive indices between the glass fibers ( 3 ) and the polymer matrix in the glass fibers by a heat treatment. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix Lufteinschlüsse von weniger als 1% aufweist.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the polymer matrix has air inclusions of less than 1%. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass das Karoserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) schalenförmig ausgestaltet ist.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Karoserieelement ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) is designed shell-shaped. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass das Karoserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) durch Streben oder Rippen (18) verstärkt ist.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Karoserieelement ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) by struts or ribs ( 18 ) is reinforced. Karosserieelement (4, 6, 8, 11a, 11b, 12) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet dass mehrere schalenförmige Karosserieelemente (16, 18) durch einen transparenten Klebstoff verklebt sind.Bodywork element ( 4 . 6 . 8th . 11a . 11b . 12 ) according to one of claims 7 or 8, characterized in that a plurality of shell-shaped body elements ( 16 . 18 ) are glued by a transparent adhesive.
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