DE10059160B4 - Flächiges Kfz-Bauteil, nämlich Stoßfänger, Tür- oder Kotflügelverkleidung oder Kofferraumdeckel - Google Patents

Flächiges Kfz-Bauteil, nämlich Stoßfänger, Tür- oder Kotflügelverkleidung oder Kofferraumdeckel Download PDF

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Abstract

Flächiges Kfz-Bauteil, nämlich Stoßfänger, Tür- oder Kotflügelverkleidung oder Kofferraumdeckel, mit einem flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteil mit einer optisch in Erscheinung tretenden Qualitätsoberfläche und einer Wanddicke im mm-Bereich und darunter,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein, zumindest in Teilbereichen aus einem Laserlicht-transparenten Material bestehendes, das Kunststoffleichtbauteil mechanisch verstärkendes Element vorgesehen ist, das auf einer der Qualitätsoberfläche abgewandten Oberfläche des Kunststoffleichtbauteils ohne Vorsehen eines Haft- oder zusätzlichen Fügemittels unter Ausbildung einer Stoffverbindung gefügt ist und das mit einer Verbindungsstruktur fest verfügt ist, so dass das Kfz-Bauteil über das verstärkende Element vermittels der Verbindungsstruktur an einer Trägerstruktur befestigbar ist, und
dass die Stoffverbindungen jeweils mittels Laserdurchstrahlschweißens derart ausgebildet sind, dass durch Wahl von Wellenlänge und Strahlungsenergie eines jeweils das Element durchdringenden Laserlichtes das Kunststoffleichtbauteil durch Absorption des Laserlichtes eine lokale Aufschmelzung mit einer in das Kunststoffleichtbauteil hineinreichenden Tiefenwirkung erfährt, die weder die geometrische noch die stoffliche Beschaffenheit der Qualitätsoberfläche beeinträchtigt, und dass...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein flächiges Kfz-Bauteil, nämlich Stoßfänger, Tür- oder Kotflügelverkleidung oder Kofferraumdeckel, mit einem flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteil mit einer optisch in Erscheinung tretenden Qualitätsoberfläche und einer Wanddicke im mm-Bereich und darunter.
  • Stand der Technik
  • Kunststoffleichtbauteile gewinnen in der produktbezogenen Industrie und hier insbesondere im KfZ-Bereich zunehmend an Bedeutung, zumal der Werkstoff Kunststoff in vielen Bereichen die klassische Verwendung von Metall ablöst, da diese ein erheblich geringeres spezifisches Gewicht aufweisen, was insbesondere in der Fahrzeugindustrie im Lichte der Energieeinsparung ein wichtiger Aspekt ist. So werden beispielsweise Stoßfänger, Türen oder Türverkleidungen sowie Kofferraumdeckel oder Kotflügel von Autos vollständig aus Kunststoff gefertigt sowie auch KfZ-Komponenten, bei denen es auf Nachgiebigkeit hinsichtlich äußerer mechanischer Einflüsse sowie auch Gewichtsreduzierung im gleichen Maße ankommt. Dies gilt insbesondere für Stoßfänger, die einerseits nachgiebig sein müssen, um nicht bei jeder äußeren Berührung bleibende Schäden zu erhalten, ansonsten werden sie zumeist vollständig ausgewechselt. Alle vorstehend genannten Komponenten, insbesondere Stoßfänger, sehen eine große Fläche vor, so dass sie aufgrund ihrer großen flächigen Ausbildung ein großes Gewichtseinsparungspotential aufweisen, das durch Reduzierung der Bauteilwandstärke gezielt genutzt werden kann.
  • Um einerseits der Forderung nach Gewichtseinsparung nachzukommen und die Wandstärken derartiger flächig ausgebildeter Kunststoffleichtbauteile zu reduzieren, andererseits jedoch eine ausreichende Eigenstabilität der Flächenbauteile gegenüber Verformbarkeit zu gewährleisten, werden derartige Bauteile mit geeigneten Unterstrukturen versehen, beispielsweise durch Vorsehen rippenartiger Ausprägungen innerhalb des Bauteiles, die jener Oberfläche des Bauteils abgewandt gegenüberliegen, die beispielsweise im KfZ-Bereich nicht optisch in Erscheinung tritt. Zur Herstellung derartiger Unterstrukturen in Form von Verrippungen sehen die Gussformen, der für die Herstellung der Bauteile im Rahmen eines Spritzgießverfahrens eingesetzt werden, entsprechend geformte Vertiefungen vor, an denen sich eine vermehrte Materialansammlung ausbilden kann im Vergleich zu den eher dünnwandig ausgebildeten Flächenbereichen der Kunststoffleichtbauteile. Da der Kunststoff jedoch im Verlauf des Spritzgießprozesses und insbesondere in der nach dem Spritzgussprozess anschließenden Abkühlphase stark schrumpft, ergeben sich insbesondere im Bereich der Verrippungen größere Materialansammlungen, wodurch die den Verrippungen abgewandte qualitativ hochwertige Oberfläche des Kunststoffleichtbauteils dergestalt in Mitleidenschaft gezogen wird, dass in Bereichen der Verrippungen die ansonsten eben ausgebildete Qualitätsoberfläche Dellen bzw. Einbuchtungen erhält, eine Erscheinung, die insbesondere bei Sichtbauteilen nicht akzeptiert werden kann.
  • Um diese Schrumpfungserscheinungen insbesondere an den vorstehend bezeichneten Stellen an der Qualitätsoberfläche eines Spritzgussteiles zu vermeiden, bedarf es aufwendiger und zeitintensiver Spritzgussvorgänge, bei denen während der Abkühlphase zusätzliches Kunststoffmaterial in die kritischen Bereiche eingebracht wird, um ein „Einfallen” der Qualitätsoberflächen zu verhindern.
  • Eine andere Möglichkeit sieht vor, die Unterstrukturen bzw. Verrippungen nicht im Rahmen eines Spritzgussverfahrens herzustellen, sondern nachträglich auf das als Halbfertigprodukt geltende Spritzgussteil an entsprechenden Stellen der Unterseite anzubringen.
  • Zu diesem Fügeprozess werden in an sich bekannter Weise Füge- bzw. Haftvermittler in Form von Adhäsivklebstoffen eingesetzt, die zwischen der entsprechenden Stelle des Kunststoffleichtbauteils und dem jeweiligen Versteifungselement eingebracht werden. Insbesondere bei Fertigungen im industriellen Maßstab stößt diese klassische Fügemethode jedoch an Produktionsgrenzen, zumal Klebstoffe über eine gewisse Abbindezeit verfügen, die zu langwierig ist, um in schnelllaufenden Fertigungslinien eingesetzt zu werden.
  • Ebenso scheiden an sich bekannte Kunststofffügeprozesse, wie Ultraschallschweißen, Reibschweißen oder Spiegelschweißen für die vorstehend skizzierten Fügevorgänge aus, da auch sie die Qualitätsoberflächen dünnwandiger Flächenbauteile qualitätsmindernd zu beeinflussen vermögen.
  • Aus der WO 95/26869 A1 sind ein Werkstück aus Kunststoff sowie ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Werkstück zu entnehmen, das ein Gehäuse für elektrische Schalter darstellt und im Wege des so genannten Laserdurchstrahlschweissens gefertigt wird. Hierbei wird ein Laserstrahl durch ein für den Laserstrahl transparentes erstes Gehäuseteil gerichtet, das auf einem die Laserstrahlung absorbierenden zweiten Gehäuseteil aufliegt. Durch Strahlungsabsorption im zweiten Gehäuseteil erfährt dieses eine Erhitzung unter Ausbildung einer lokalen Schmelzlinse zwischen beiden Gehäuseteilen, die nach Erkalten im Wege eines Stoffschluss zu einer dauerhaften Fügeverbindung führt.
  • Die JP 11170371 A . PAJ beschreibt ein Verfahren mit Laserdurchstrahlschweißen zum dauerhaften Verbinden von zwei aus Kunststoffharzen gefertigten Bauteilen. Eine vergleichbare Beschreibung kann auch aus der EP 0 159 169 A2 entnommen werden.
  • In dem Artikel HÄNSCH, Dirk; EBERT, Thomas: Entscheidend sind die Nähte. In: Laser Praxis, Carl Hanser Verlag, Juni 1999, Nr. 2, Seiten 16–18. – ISSN 0937-7069, wird ein Abriss über das Laserstrahlschweissen gegeben, der diverse Fügekonstellationen von zwei Bauteilen zeigt, die im Wege des Laserdurchstrahlschweissens zusammen gefügt werden.
  • Allen bekannten Fügekonstellationen, bei denen das Laserdurchstrahlschweißen zum Einsatz kommt, liegen Fügeteile zugrunde, die über Geometrien und Fügeteildicken verfügen, die den Einsatz einer derartigen Fügetechnik als unproblematisch erscheinen lassen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein flächiges Kfz-Bauteil, nämlich Stoßfänger, Tür- oder Kotflügelverkleidung oder Kofferraumdeckel, mit einem flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteil mit einer optisch in Erscheinung tretenden Qualitätsoberfläche und einer Wanddicke im mm-Bereich und darunter in einer Weise auszubilden, sodass bei dem Kfz-Bauteil keine Schäden insbesondere an der Qualitätsoberfläche auftreten, obwohl das Kfz-Bauteil möglichst kostengünstig und in einem wirtschaftlichen Rahmen hergestellt werden soll. Insbesondere gilt es die Wandstärke bei dem Kfz-Bauteil möglichst zu reduzieren.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand des Unteranspruches 2 sowie der Beschreibung in Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß ist das flächige Kfz-Bauteil, nämlich in Form eines Stoßfängers, einer Tür- oder Kotflügelverkleidung oder eines Kofferraumdeckels, mit einem flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteil mit einer optisch in Erscheinung tretenden Qualitätsoberfläche und einer Wanddicke im mm-Bereich und darunter, dadurch ausgebildet, dass wenigstens ein, zumindest in Teilbereichen aus einem Laserlicht-transparenten Material bestehendes, das Kunststoffleichtbauteil mechanisch verstärkendes Element auf einer der Qualitätsoberfläche abgewandten Oberfläche des Kunststoffleichtbauteils ohne Vorsehen eines Haft- oder zusätzlichen Fügemittels unter Ausbildung einer Stoffverbindung gefügt ist, das mit einer Verbindungsstruktur fest verfügt ist, so dass das Kfz-Bauteil über das verstärkende Element vermittels der Verbindungsstruktur an einer Trägerstruktur befestigbar ist. Schließlich sind die Stoffverbindungen jeweils mittels Laserdurchstrahlschweißens derart ausgebildet, dass durch Wahl von Wellenlänge und Strahlungsenergie eines jeweils das Element durchdringenden Laserlichtes das Kunststoffleichtbauteil durch Absorption des Laserlichtes eine lokale Aufschmelzung mit einer in das Kunststoffleichtbauteil hineinreichenden Tiefenwirkung erfährt, die weder die geometrische noch die stoffliche Beschaffenheit der Qualitätsoberfläche beeinträchtigt, wobei die lokale Aufschmelzung jeweils zur Ausbildung der Stoffverbindungen innerhalb weniger 100 Millisekunden erkaltet ist.
  • Da das vorstehend bezeichnete Laserstrahlschweißen zum Verfügen keine Haft- oder zusätzlichen Fügemittel, wie beispielsweise Adhäsivklebstoffe, benötigt, kann der Fügeprozess schnell durchgeführt werden, so dass er sich für den Einsatz in einer schnelllaufenden Fertigungslinie eignet. Da die mit dem Laserlicht beaufschlagten Kontaktbereiche innerhalb weniger hundert Millisekunden erkalten, stehen die verfügten Bauteile unmittelbar nach dem Fügeprozess sofort dem weiteren Produktionsfortgang zur Verfügung.
  • Neben dem Vorsehen von verstärkenden Elementen, die lediglich der Erhöhung der Eigenstabilität dienen, dienen zusätzliche Strukturbauteile an dem flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteil, die selbst eine Verbindungsstruktur aufweisen, beispielsweise einen Metallrahmen vorsehen, zum direkten Verbinden mit einer weiteren Trägerstruktur. Somit ist es beispielsweise möglich, beliebig ausgebildete Funktionsbauteile an eine entsprechende Stelle eines flächigen Kunststoffleichtbauteiles anzufügen, ohne dass die Qualitätsoberfläche des Kunststoffleichtbauteils nachhaltig beeinflusst wird.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
  • 1 Darstellung zur Befestigung einer Polymer-Aussenhaut an ein Polymerversteifungs- bzw. Befestigungselement, sowie
  • 2 Darstellung für eine Befestigung einer Polymer-Aussenhaut an ein Versteifungs- bzw. Befestigungselement mit Metallkern.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • In 1 ist eine Prinzipdarstellung zur Versteifung eines flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteils 1 gezeigt, das in Art einer dünnwandigen Polymerhaut ausgebildet ist und beispielsweise im KfZ-Bereich als Türverkleidung eingesetzt werden kann. Das Kunststoffleichtbauteil 1 weist eine Polymeraussenhaut 11 auf, die der Qualitätsoberfläche entspricht, wobei die der Qualitätsoberfläche 11 abgewandte Seite 12 zur Verstärkung mit einem verstärkenden Element 2, dem sogenannten Versteifungselement, verfügt werden soll. Hierzu fällt Laserstrahlung von seiten des Versteifungselementes 2 auf den Kontaktbereich 3 zwischen dem Kunststoffleichtbauteil 1 und dem verstärkenden Element 2. Das Versteifungselement 2 ist für die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichtes transparent beschaffen. Über Wärmeleitung wird bei Kontakt beider Fügepartner, also durch kraftbeaufschlagtes Aneinanderpressen des Kunststoffleichtbauteils 1 gegen das Versteifungselement 2, das Material beider Fügepartner im Bereich der Kontaktfläche 3 aufgeheizt und entsprechend aufgeschmolzen. Durch den Aufschmelzvorgang kommt es zu einer lokalen Stoffverbindung, die nach entsprechendem Erkalten zu einer innigen festen Verbindung führt.
  • Typischerweise werden für diesen Fügeprozess als Laserlichtquelle ein Diodenlaser oder auch ein Nd:YAG-Laser eingesetzt.
  • In 2 weist das verstärkende Element 2 zusätzlich eine Metall-Befestigung 4 auf, die in einem innigen Fügeverbund mit dem Versteifungselement 2 steht. Die Metall-Befestigung 4 dient der Anbringung des Kunststoffleichtbauteils 1, beispielsweise an einer Trägerstruktur wie beispielsweise der Karosserie eines KfZs. Auch in diesem Fall erfolgt die Verbindung des verstärkenden Elementes 2, das im Ausführungsbeispiel gemäß 2 zusätzlich die Funktion eines Tragelementes erhält, mit dem vorstehend beschriebenen Laserstrahlschweißen.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die auf diese Weise aufgebrachten Versteifungs- und Befestigungselemente eine gute Reparaturfähigkeit beispielsweise von beschädigten Stoßfängern aufweisen. Bspw. bei einer Beschädigung der Außenhaut eines Stoßfängers kann dieser an den Befestigungsstellen derart abgefräst werden, dass ein neues Bauteil mittels Laserschweißen auf dem alten Träger wieder befestigt werden kann. Auch ist es möglich, die Verbindungsstellen zwischen der Aussenhaut und dem Träger mittels Laserstrahlung aufzuheizen und soweit zu erwärmen, bis die Aussenhaut abgezogen werden kann. Nach Einebnen der Fügestellen kann dann wieder eine neue Aussenhaut befestigt werden.
  • Die vorstehend beschriebene Verbindungstechnologie kann grundsätzlich an allen Bauteilen angewandt werden, bei denen es auf die Optimierung ihres Eigengewichtes ankommt, wobei die Qualitätseigenschaften wenigstens einer Aussenoberfläche des Produktes unbeeinflusst bleiben sollen. Neben Kunststoffflächenbauteilen im KfZ-Bereich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Haushaltswarenindustrie erfolgreich eingesetzt werden, beispielsweise bei der Herstellung von Kaffeemaschinen oder ähnlichen Produkten.
    • 1
    Kunststoffflächenbauteil
    11
    Qualitätsoberfläche
    12
    Unterseite
    2
    Verstärkungselement, Versteifungselement
    3
    Fügebereich
    4
    Verbindungsstruktur, Metallbauteil

Claims (2)

  1. Flächiges Kfz-Bauteil, nämlich Stoßfänger, Tür- oder Kotflügelverkleidung oder Kofferraumdeckel, mit einem flächig ausgebildeten Kunststoffleichtbauteil mit einer optisch in Erscheinung tretenden Qualitätsoberfläche und einer Wanddicke im mm-Bereich und darunter, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein, zumindest in Teilbereichen aus einem Laserlicht-transparenten Material bestehendes, das Kunststoffleichtbauteil mechanisch verstärkendes Element vorgesehen ist, das auf einer der Qualitätsoberfläche abgewandten Oberfläche des Kunststoffleichtbauteils ohne Vorsehen eines Haft- oder zusätzlichen Fügemittels unter Ausbildung einer Stoffverbindung gefügt ist und das mit einer Verbindungsstruktur fest verfügt ist, so dass das Kfz-Bauteil über das verstärkende Element vermittels der Verbindungsstruktur an einer Trägerstruktur befestigbar ist, und dass die Stoffverbindungen jeweils mittels Laserdurchstrahlschweißens derart ausgebildet sind, dass durch Wahl von Wellenlänge und Strahlungsenergie eines jeweils das Element durchdringenden Laserlichtes das Kunststoffleichtbauteil durch Absorption des Laserlichtes eine lokale Aufschmelzung mit einer in das Kunststoffleichtbauteil hineinreichenden Tiefenwirkung erfährt, die weder die geometrische noch die stoffliche Beschaffenheit der Qualitätsoberfläche beeinträchtigt, und dass die lokale Aufschmelzung jeweils zur Ausbildung der Stoffverbindungen innerhalb weniger 100 Millisekunden erkaltet ist.
  2. Kfz-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Form, Größe sowie die Wahl der Anbringung des verstärkenden Elements sowie die Anzahl der an das Kfz-Bauteil anzubringenden Elemente nach Maßgabe der Reduzierung der Wandstärke des Kunststoffleichtbauteils bestimmt sind.
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