DE10017206A1 - Metallischer Hybridwerkstoff für Kraftfahrzeugbauteile - Google Patents

Abstract

Ein metallischer Hybridwerkstoff 7 wird hergestellt aus zwei Leichtmetallblechen 1, 2, vorzugsweise Aluminiumblechen, welche unter Eingliederung von Carbonfasern durch Warmwalzen gefügt werden, die Carbonfasern werden als Band 4 dem Warmwalzvorgang zugeführt. Der Warmwalzvorgang erfolgt bei Temperaturen von ca. 500 DEG C. Der so hergestellte Hybridwerkstoff 7 ist besonders geeignet zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hybridwerkstoffs, insbesondere für die Fertigung von Kraftfahrzeugbauteilen, dessen Verwendung und Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten.

Karosserie- und Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen unterliegen im Betrieb hohen statischen und dynamischen Belastungen. Derzeit werden bei der Herstellung solcher Komponenten überwiegend unlegierte und niedrig legierte Stähle verwendet. Diese stellen einen Kompromiss zwischen der Umformbarkeit und der Streckgrenze des Werkstoffs dar, da mit steigender Streckgrenze im allgemeinen die Umformbarkeit des Werkstoffs sinkt und die nach einer Kaltumformung verbleibende Restbruchdehnung verringert wird. Höherfeste Stähle können oftmals nur durch Warmumformung zu End­ produkten verarbeitet werden. Die unlegierten oder niedrig legierten Stähle sind jedoch nicht korrosionsbeständig und müssen, da sie starken Umwelt­ einflüssen ausgesetzt sind, kostenaufwendig korrosionsgeschützt werden.

Der Einsatz von Leichtmetallwerkstoffen, wie Aluminium, ermöglicht gegen­ über Stahlkonstruktionen eine Gewichtsreduktion und eine Steigerung der Korrosionsbeständigkeit. Die Leichtmetallwerkstoffe bringen jedoch nicht immer die besten Voraussetzungen hinsichtlich der Steifigkeit und ihres Be­ triebsfestigkeitsverhaltens mit sich.

Zum Stand der Technik zählen grundsätzlich auch faserverstärkte Ver­ bundwerkstoffe, insbesondere Carbonfaser-Kunststoffe (CFK). Bei letzteren handelt es sich um einen Faserverbundwerkstoff, der durch Einbettung von Kohlenstofffasern in Epoxidharze hergestellt wird. Die Fasern werden dabei als Gewebe, Gewirke oder als Faserstränge in Formen mit dem Harz ver­ bunden, das anschließend durch Erhitzen unter Luftabschluss ausgehärtet wird.

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen besitzen eine sehr gute Steifigkeit und ein geringes Gewicht. Gegenüber Stahl und Aluminium weisen sie eine höhere Festigkeit auf, allerdings nur bei kleinen Deformationen aufgrund der geringen Duktilität der Matrix. Sie sind ferner anfällig für Risse infolge der Sprödigkeit der ausgehärteten Epoxidharze. Darüberhinaus besteht die Gefahr, dass es zu Veränderungen der Matrix durch Feuchtigkeitsaufnahme kommen kann.

Zu berücksichtigen ist ferner, dass bei der Fertigung von komplexen Formen aus Carbonfaser-Kunststoffen mit hohen Fertigungskosten zu kalkulieren ist. Diese stehen einem Einsatz der Verbundwerkstoffe in der Serienfertigung von Kraftfahrzeugbauteilen entgegen.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen für die Serienfertigung von Kraftfahrzeugbauteilen geeig­ neten metallischen Werkstoff zu schaffen, welcher eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist bei geringem Gewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkstoffs aufzuzeigen.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst. Kerngedanke der Erfindung bildet die Maßnahme, zwei Leichtmetallbleche, vorzugsweise Aluminiumbleche, unter Eingliederung von Carbonfasern warmwalztechnisch miteinander verbunden. Der so entstandene Hybrid­ werkstoff kombiniert die Vorteile einer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht sowie einer geringen Sprödbrüchigkeit und Rissanfällig­ keit. Seine materialspezifischen Eigenschaften ergeben sich additiv aus denen des Leichtmetalls und den Carbonfasern. Der Hybridwerkstoff ist auf den Verwendungszweck als Kraftfahrzeugbauteil synergetisch angepasst.

Vorzugsweise kommen Aluminiumbleche als Matrix zum Einsatz. Aluminium besitzt eine höhere Duktilität als das bei Carbonfaser-Kunststoffen verwen­ dete Epoxidharz. Der erfindungsgemäße Hybridwerkstoff weist eine wesent­ lich geringere Rissanfälligkeit bei größerer Dehnung auf. Aluminium nimmt ferner keine Feuchtigkeit auf, so dass auch von einer hohen Langzeitfestig­ keit auszugehen ist. Durch den festen Einschluss der Carbonfasern im Alu­ minium wird ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit in diese vermieden.

Karosserie- und Fahrwerkskomponenten aus dem Hybridwerkstoff besitzen eine höhere Steifigkeit bzw. ein verbessertes Steifigkeitsverhalten im Be­ triebsfall. Es ist ferner davon auszugehen, dass das Energieabsorptionsver­ mögen des erfindungsgemäßen Hybridwerkstoffs in einem Crashfall um einiges höher liegt als bei herkömmlichen Aluminium- oder Stahlbauteilen. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, definierte Schwachzonen in bestimmten Bauteilbereichen vorzusehen, um diese in einem Crashfall hier zum Versagen zu bringen. Dies kann nützlich sein bei Crashboxen, Anprall­ dämpfern, Querlenkern oder auch bei Vorderachsen.

Gemäß Anspruch 2 erfolgt der Warmwalzvorgang bei Temperaturen zwi­ schen 350°C und 600°C, wobei eine Temperatur von etwa 500°C als beson­ ders zweckmäßig angesehen wird. Der Warmwalzvorgang ist energetisch und werkzeugtechnisch günstig zu realisieren. Beim Warmwalzen mit einer Temperatur von ca. 500°C werden die beiden Aluminiumbleche mit den Carbonfasern in einem Verbund innig vereinigt. Die Kräfte, die hierbei für das Walzen des Aluminiums benötigt werden, sind gering und der Wärme­ energiebedarf für das Erwärmen des Aluminiums auf 500°C nicht kostenin­ tensiv.

Die Carbonfasern können grundsätzlich als Fasern, Gewebe, Gewirke ebenso wie als Faserstränge zwischen die Leichtmetallbleche gebracht wer­ den. Die Wahl der Fasern ist abhängig von den geforderten mechanischen Eigenschaften der aus dem Hybridwerkstoff hergestellten Kraftfahrzeugkom­ ponenten, insbesondere hinsichtlich Zug- und Schlagfestigkeit sowie Steifig­ keit. Fertigungstechnisch wird die Bereitstellung der Carbonfasern in Band­ form als besonders praktisch angesehen, wie dies Anspruch 3 vorsieht. Ins­ besondere im Sinne einer Massenfertigung in einem kontinuierlichen Durchlaufprozess bringt diese Maßnahme Vorteile mit sich. Hierbei kann durch auf die spätere Verwendung abgestimmte Anordnung der Fasern ge­ zielt Einfluss auf die Festigkeits- und Verformungseigenschaften der aus dem Hybridwerkstoff hergestellten Bauteile Einfluss genommen werden. Dies lässt mithin eine bestmögliche Anpassung auf die betrieblichen Bean­ spruchungen zu, was eine Minimierung der Bauteilmasse erlaubt.

Nach Anspruch 4 werden die Leichtmetallbleche von einem Coil abgezogen, in einem Durchlaufprozess auf Waiztemperatur erwärmt und dem Walz­ aggregat zugeführt, wo sie unter Eingliederung des Carbonfaserbands durch Warmwalzen gefügt werden. Dies ist sowohl in einer vertikalen als auch in einer horizontalen Ausrichtung des Walzstrangs möglich.

Es entsteht ein inniger Hybridwerkstoff. In nachgeschalteten Bearbeitungs­ vorgängen kann der Strang bedarfsgerecht geteilt und in weiteren Umform­ vorgängen, beispielsweise einem Warmformprozess, zu Kraftfahrzeugbau­ teilen verarbeitet werden.

Der erfindungsgemäße Hybridwerkstoff ist sehr gut geeignet für die Herstel­ lung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge. Vorteilhaft wirkt sich hier aus, dass vergleichsweise kostengünstige Leichtme­ tallbleche, insbesondere aus Aluminium, Verwendung finden können, bei­ spielsweise AlMgSi 0,5-Bleche. Die Erfindung zielt daher auch auf die Ver­ wendung des insbesondere mehrlagigen carbonfaserverstärkten Hybridwerkstoffs auf Aluminiumbasis ab, und zwar zur Herstellung von Ka­ rosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge, wie Achsträger, Verbundlenkerachsen, Deformationselemente, Säulen und Säulenverstär­ kung, Türaufprallelemente oder Seitenschutzträger (Anspruch 5).

Im Hybridwerkstoff werden die wesentlichen Eigenschaften des Aluminiums mit den versteifenden Eigenschaften der Carbonfasern vorteilhaft kombiniert und dem Verwendungszweck angepasst. Karosserie- oder Fahrwerkskom­ ponenten aus dem carbonfaserverstärkten Hybridwerkstoff zeichnen sich durch ihr gutes Betriebsfestigkeitsverhalten aus. Die Komponenten sind hoch beanspruchbar bei geringer Rissanfälligkeit. Die Carbonfasern wirken als Rissstopper und unterdrücken eine Ausbreitung von Rissansätzen. Demgemäß ist Anspruch 6 auf Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten gerichtet.

Infolge der höheren Festigkeitswerte ist es möglich, die Wanddicken der Leichtmetallbleche zu reduzieren, wodurch eine zusätzliche Gewichts- und Kosteneinsparung erzielt werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellungsweise den Warmwalzvorgang bei der Herstellung eines metallischen Hybridwerkstoffs und

Fig. 2 technisch vereinfacht ein Hybridwerkstoffbauteil.

Fig. 1 zeigt technisch vereinfacht einen Warmwalzprozess, bei dem zwei Aluminiumbleche 1, 2 als Band von einem hier nicht dargestellten Coil abge­ zogen werden. In einem Durchlaufprozess erfolgt eine Erwärmung auf eine Temperatur von ca. 500°C. Die beiden Aluminiumbleche 1, 2 laufen dann in die Walzmaschine 3, wo sie mit einem Band 4 aus Carbonfasern 5 zusam­ mengeführt werden. Unter Eingliederung der Carbonfasern 5 (siehe hierzu Fig. 2) werden dann die Aluminiumbleche 1, 2 durch Warmwalzen zu einem Verbundband 6 vereinigt. Die Carbonfasern 5 sind innig in der aus den Aluminiumbändern 1, 2 gebildeten Aluminiummatrix eingebettet. Es entsteht ein Hybridwerkstoff 7, welcher die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Aluminiums und der Carbonfasern kombiniert.

Der Hybridwerkstoff 7 besitzt ein geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit, gu­ tem Festigkeitsverhalten mit geringen Dehnungen sowie geringer Spröd­ brüchigkeit sowie Rissanfälligkeit.

Die Regulierung der Steifigkeit des Hybridwerkstoffs 7 kann durch die Dichte des Netzes der Carbonfasern 5 im Band 4 beeinflusst werden.

Im Anschluss an die durch Warmwalzen erfolge Fügeoperation wird das Verbundband 6 aus Hybridwerkstoff 7 nachgeschalteten Bearbeitungsvor­ gängen zugeführt. Es wird in einer Trennvorrichtung 8 in bedarfsgerechte Längen abgeteilt und anschließend in einer Pressenvorrichtung 9 zu Zwi­ schen- oder Endprodukten umgeformt.

Aus dem Hybridwerkstoff 7 können Karosserie- oder Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge hergestellt werden, wobei zu deren Herstellung aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Hybridwerkstoffs 7 gängige Füge- bzw. Verbindungsmethoden wie Schweißen, Nieten, Durchsatzfügen und ähnliches möglich sind.

Bezugszeichenaufstellung

1

- Aluminiumband

2

- Aluminiumband

3

- Walzmaschine

4

- Karbonfaser-Band

5

- Karbonfaser

6

- Verbundband

7

- Hybridwerkstoff

8

- Trennvorrichtung

9

- Pressenvorrichtung

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hybridwerkstoffs, insbe­ sondere für die Fertigung von Kraftfahrzeugbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Leichtmetallbleche (1, 2), vor­ zugsweise Aluminiumbleche, unter Eingliederung von Carbonfasern (5) warmwalztechnisch miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwalzvorgang bei Temperaturen zwischen 350°C und 600°C, vorzugsweise etwa bei 500°C, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Carbonfasern (5) in Bandform (4) bereitgestellt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetallbleche (1, 2) von einem Coil abgezogen, in einem Durchlaufprozess auf Walztemperatur er­ wärmt und anschließend unter Eingliederung des Carbonfaser-Bands (4) durch Warmwalzen gefügt werden.

5. Verwendung eines insbesondere mehrlagigen carbonfaserverstärkten Hybridwerkstoffs auf Aluminiumbasis zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge, wie Achsträger, Ver­ bundlenkerachsen, Deformationselementen, Säulen und Säulenver­ stärkungen, Türaufprallelementen oder Seitenschutzträgern.

6. Karosserie- oder Fahrwerkskomponente aus einem insbesondere mehrlagigen carbonfaserverstärkten Hybridwerkstoff auf Aluminium­ basis.