DE10101649C1 - Mit Metallschaum verstärktes Strukturelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturelement, das eine kontinuierliche Oberfläche aufweist, die einen Hohlraum umschließt, der zumindest teilweise mit einem Metallschaum ausgefüllt ist und zeichnet sich dadurch aus, dass der Metallschaum und die Oberfläche durch ein expansionsfähiges Material getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturelement nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelementes nach Patentanspruch 6

Leichtbaustrukturen sind in der Verkehrstechnik, insbesondere in der Automobiltechnik eine wichtige Grundlage zur Reduzierung des Treibstoffverbrauches. Leichtbaustrukturen können über die Wahl der Werkstoffe (z. B. Aluminium) oder durch konstruktive Maßnahmen (Verwendungen von geringeren Wandstärken von Stahl­ konstruktionen in Verbindungen mit Verstrebungen) oder durch Kombinationen dieser Maßnahmen realisiert werden.

Bei immer geringer werdenden Wandstärken der Bleche steigt die Gefahr des Einbeulens (geringere Beulfestigkeit) und des ka­ tastrophalen Einknicken des Strukturbauteils im Crashfall. Aus diesem Grund wurden in den letzen Jahren versucht, Metallschäu­ me, die ein hohes Energieaufnahmevermögen aufweisen, in Alumi­ niumstrukturbauteilen oder auch in dünnwandigen Stahlstruktur­ bauteilen zu integrieren.

Die DE 198 13 092 A1 beschreibt ein Strukturelement aus Stahl­ blech, das mit einem Aluminiumschaum verstärkt ist. Zur Her­ stellung dieses Strukturelementes wird in ein Hohlprofil über eine Öffnung Aluminiumpulver, das mit einem Treibmittel verse­ hen ist, gefüllt. Anschließend wird das Aluminiumpulver durch eine Temperaturbehandlung, die im Bereich des Schmelzpunktes von Aluminium liegt, aufgeschäumt.

Der Nachteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Tempera­ tur zum Aufschäumen so hoch gewählt werden muß, dass die Maß­ haltigkeit des Strukturelementes erheblich beeinträchtigt wird, Aluminium als formgebendes Material des Strukturelementes kommt bei dieser Erfindung nicht in Frage. Des Weiteren wird durch die unterschiedlichen elektrochemischen Spannungen an den Grenzflächen zwischen dem Aluminiumschaum und der Stahloberflä­ che eine Kontaktkorrosion erzeugt, die die Lebensdauer des Strukturbauteils deutlich herabsetzt.

Aus der DE 92 10 257 U1 ist es bekannt, einen Aluminiumschaum in ein Hohlprofil einzukleben oder das Hohlprofil auf den Me­ tallschaum aufzuschrumpfen. Die erste Möglichkeit hat den Nach­ teil, dass Toleranzen und Spielräume, die bei der Fertigung des Hohlprofils und des Aluminiumschaumbauteils auftreten nicht be­ friedigend ausgeglichen werden können. Eine vollständige Kraft­ übertragung zwischen Metallschaum und Hohlprofil ist somit nicht möglich. Das Aufschrumpfen erfordert wiederum Wärmebe­ handlungen, die sowohl das Gefüge des Hohlprofils als auch des Metallschaums nachhaltig schädigen und die mechanischen Eigen­ schaften des Bauteils negativ beeinflussen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein schaumver­ stärktes Strukturelement bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich verringerte Korrosionsneigung, eine höhere Steifigkeit und eine höher Beulfestigkeit aufweist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Strukturelement nach Patentanspruch 1 und in einem Verfahren nach Patentanspruch 6.

Das erfindungsgemäße Strukturelement nach Patentanspruch 1 weist ein Hohlprofil auf, das die äußere Form des Strukturele­ mentes darstellt und einen Hohlraum bildet. Ein derartiges Strukturelement ist an sich als Bauelement einsetzbar und selbsttragend. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Beulfestigkeit, ist das Strukturelement mit einem Metallschaum (Schaumelement), der den Hohlraum zumindest teilweise ausfüllt, verstärkt.

Das erfindungsgemäße Strukturelement weist zudem eine Trenn­ schicht zwischen dem Schaumelement und einer inneren Oberfläche des Hohlprofils auf, die aus einem expandierten Material be­ steht. Das expandierte Material geht auf ein expansionsfähiges Material zurück, das bei einer Temperaturbehandlung und/oder einer chemischen Behandlung sein Volumen vergrößert. Dies kann ein Expansionsklebstoff oder ein Quellschaum oder ein niedrig schmelzender Metallschaum sein. Besonders geeignet sind Schäume auf der Basis von Polyurethanen oder Epoxid.

Diese Trennschicht verhindert eine Kontaktkorrosion, die in der Regel dann auftritt, wenn Metalle mit unterschiedlichen elekt­ rochemischen Potentialen miteinander in Berührung kommen.

Ein weiterer Vorteil der Trennschicht ist, dass durch diese Schicht Toleranzen, die bei der Fertigung des Hohlprofils bzw. des Schaumelementes, die zum Einbringen des Schaumelements in den Hohlraum notwendig sind, kompensiert werden können. Dieser Vorteil des erfindungsgemäßen Strukturelementes kommt auch dann zum tragen, wenn das Hohlprofil durch einen nichtmetallischen Werkstoff, wie z. B. Polyethylen oder einen Verbundwerkstoff wie z. B. kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) dargestellt wird.

Ferner übernimmt die erfindungsgemäße Trennschicht kraftüber­ tragende Funktionen zwischen dem Schaumelement und dem Hohlpro­ fil des Strukturelements und trägt somit zur Steigerung der Karosseriesteifigkeit bei.

Die Dicke der Trennschicht beträgt in der Regel zwischen 0,5 mm und 15 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm.

In den meisten Fällen wird das Hohlprofil des erfindungsgemäßen Strukturelementes durch Bleche geformt. Dies bietet Vorteile beim Einbringen des Schaumelements in den Hohlraum, insbesonde­ re wenn das Hohlprofil aus zwei oder mehreren Einzelteilen (Teilprofil) gefertigt wird. Ebenso ist es möglich, das Hohl­ profil durch Strangpreßprofile oder Gußteile darzustellen. In diesen Fällen sollte der Hohlraum mindestens an einer Seite of­ fen zugänglich sein, damit das Schaumelement in den Hohlraum des Hohlprofils eingeführt werden kann (Anspruch 2).

Die gebräuchlichsten Strukturwerkstoffe sind insbesondere in der Automobiltechnik Legierungen auf Eisenbasis oder Aluminium­ basis oder Magnesiumbasis. Die Vorteile dieser Werkstoffe lie­ gen in ihrer guten Verarbeitbarkeit und in den relativ geringen Herstellungskosten. Die bereits erwähnte Korrosionsbildung zwi­ schen dem Schaumelement und dem metallischen Hohlprofil ist durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Trennschicht aus expan­ sionsfähigem Material weitgehend unterbunden. Die Verwendung von Hohlprofilen aus Kunststoffen kann dennoch in einzelnen Fällen zweckmäßig sein, wenn erhöhte Fertigungskosten bei einer weiteren Gewichtsreduktion des Strukturelementes akzeptiert werden können (Anspruch 3).

Die Kräfte, die auf das Strukturelement wirken, sind auf bevor­ zugte Raumrichtungen ausgerichtet. Es ist demnach im Sinne der Erfindung zweckmäßig, den Hohlraum insbesondere entlang dieser Kraftrichtungen mit Metallschaum auszufüllen, so dass diese Kräfte kompensiert werden können. Hierdurch erfolgt bei annä­ hernd gleicher Stabilität des Strukturelementes eine weitere Gewichtsreduktion, ferner werden Materialkosten eingespart, da weniger Metallschaum eingesetzt wird (Anspruch 4).

Metallschäume auf der Basis von Aluminium und/oder Zink weisen ein hohes Maß an Energieaufnahmevermögen auf und sind auf Grund der relativ geringen Schmelztemperatur dieser Metalle mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand herstellbar (An­ spruch 5).

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelementes, das durch ein Hohlprofil gebildet wird und durch ein Schaumelement verstärkt wird. Die für die Patentansprüche eins bis fünf ge­ nannten Vorteile gelten ebenfalls für das Verfahren nach Pa­ tentanspruch 6.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Schaumelement und/oder ein Hohlprofil, die in ihrer Form an einander angepaßt sind, mit einem expansionsfähigen Material versehen werden. Hierbei ist es möglich das z. B. Schaumelement in ein Bad mit flüssigem expansionsfähigen Material zu tauchen oder es mit dem expansionsfähigen Material zu bestreichen oder zu besprühen. Hierbei ist es notwendig, die Viskosität des ex­ pansionsfähigen Materials auf die Anforderung der genannten Aufbringungstechniken anzupassen.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird das mit expansionsfä­ higen Material beschichtete Schaumelement in den Hohlraum ein­ geführt. Es ist hierbei notwendig, dass das Hohlprofil bei diesem Verfahrensschritt eine hinreichend große Öffnung auf­ weist, durch die das Schaumelement eingebracht werden kann und die im weiteren Verfahrensablauf verschlossen wird. Nach diesem Verfahrensschritt befindet sich ein definierter Spielraum zwi­ schen dem Schaumelement und dem Hohlprofil. Zur Vermeidung ei­ nes gegenseitigen Verschiebens zwischen dem Hohlprofil und dem Schaumelement ist es zweckmäßig, das Schaumelement am Hohlpro­ fil mechanisch, z. B. durch Klammern oder Schrauben zu fixie­ ren.

Besonders geeignet ist hierfür ein mehrteiliges Hohlprofil, bei der die einzelnen Teile durch Verkleben, Verschweißen, Nieten, Falzen oder durch lösbare Verbindungen zusammengefügt werden. Das Einbringen des Schaumelements in ein mehrteiliges Hohlpro­ fil vereinfacht den Verfahrensprozeß erheblich.

Im Anschluß erfolgt eine Wärmebehandlung, z. B. nach dem Katho­ den-Tauchlackieren die im Rahmen der Prozeßführung zur Herstel­ lung von Karosserieteilen ohnehin notwendig ist. Während dieser Wärmebehandlung expandiert das expansionsfähige Material und es wird eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Hohlprofil gebil­ det, die gleichzeitig als Korrosionsschutz zwischen dem Hohl­ profil und dem Schaumelement dient. Durch die Einbindung in eine verfahrensnotwendige Wärmebehandlung können zusätzlich Verfahrenskosten eingespart werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaumelement in Form eines Quaders.

Fig. 2 ein Schaumelement mit einem x-förmigen Querschnitt.

Fig. 3 ein Schamelement aus Fig. 1, teilweise mit einem expan­ sionsfähigen Material versehen.

Fig. 4 ein Strukturelement mit einem Hohlprofil und einem qua­ derförmigen Schaumelement nach Fig. 1.

Fig. 5 ein Strukturelement mit einem Hohlprofil und einem Schaumelement nach Fig. 2.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils ein Beispiel für ein Schaum­ element 2 und 2'. Das Schaumelement 2 aus Fig. 1 ist als Voll­ körper ausgebildet und der Form des Strukturelementes angepaßt. Die quaderförmige Darstellung ist exemplarisch, ebenso könnte das Schaumelement in gebogener und/oder abgerundeter Form dem Strukturelement angepaßt sein.

Die Fig. 2 zeigt ein Schaumelement 2', das das Strukturelement teilweise, insbesondere in Richtung der wesentlichen Belastungen ausfüllt. Exemplarisch ist das Schaumelement mit einem x- förmigen Querschnitt ausgebildet. Die Winkel des x sind den An­ forderungen des Strukturbauteils anzupassen. Ebenso sind ande­ re, z. B. T-förmige, O-förmig, L-förmige oder komplexere Querschnitte denkbar.

Die Fig. 3 zeigt das Schaumelement 2 das, in diesem Fall teil­ weise mit einem expansionsfähigen Material 4 versehen ist. Das expansionsfähige Material 4 ist so aufgebracht, dass eine Be­ rührung zwischen einem Hohlprofil 6 des Strukturelements 1 und einem Schaumelement 2 vermieden wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele für ein Strukturelement, zum einen mit einer Vollschaumfüllung (Fig. 4) bzw. mit einer teilweisen Schaumfüllung mit einem x-förmigen Querschnitt ( Fig. 5). Beide Strukturelemente weisen eine erfindungsgemäße Trennschicht 7 zwischen dem Hohlprofil 6 und dem Schaumelement 5 auf. Das Hohlprofil 6 des Strukturelementes aus den Fig. 5 und 6 ist einteilig ausgebildet und an einer Naht 8 punktge­ schweißt. Ebenso ist es möglich, die Oberfläche 6 des Struktur­ elementes 1 mehrteilig, insbesondere in Form von zwei Halbschalen zu gestalten.

Das Strukturbauteil ist bevorzugt als Karosserieteil in einem Automobil ausgestaltet. Es kann hierbei tragende Funktionen in der Bodengruppe (z. B. als Schwelle n Längs- oder Querträger des Motors) übernehmen oder als A-, B- oder C-Säule im Karosse­ rieaufbau eingesetzt sein. Die Form des Strukturelementes ist demnach den konstruktionsbedingten Anforderungen angepaßt. Zu­ dem können erfindungsgemäße Strukturelemente im Fahrwerksbe­ reich und in Motoren eingesetzt werden.

Die Naht 8 ist in den Fig. 4 und 5 lediglich schematisch dargestellt. Generell können alle in der Herstellung von Struk­ turbauteilen üblichen Fügeverfahren angewandt werden, das gilt insbesondere für das Falzen, Schweißen, Kleben, Löten, Schrau­ ben oder Nieten.

Die folgenden Beispiele beschreiben ein Verfahren zur Herstel­ lung eines erfindungsgemäßen Strukturelementes.

Beispiel 1

Ein Schaumelement auf Aluminiumbasis (Legierung AlSi12), das eine Porosität von 70% und somit eine Dichte von 0,81 g/cm³ aufweist und mit einer oberflächlichen Gußhaut mit einer Dicke von etwa 0,3 mm bedeckt ist, ist in Form einer A-Säule eines Pkw's ausgestaltet. Dieses Schaumelement wird in ein Polyu­ rethan-Bad getaucht. Die Eigenschaften des flüssigen Polyu­ rethans, insbesondere die Viskosität und die Haftung sind so eingestellt, dass die Dicke einer haftenden Polyurethanschicht etwa 0,2 mm beträgt.

Das Hohlprofil 6 des Strukturelementes wird aus einem Stahl­ blechteil geformt. Das Blechteil ist bereits so umgeformt, dass es einen Hohlraum bildet, der entlang seiner Längsseite eine Öffnung aufweist, durch die das Schaumelement in den Hohlraum eingelegt wird. Das Schaumelement wird durch eine Klammer, Schraube, Niete oder ein anderes Befestigungsmittel an der O­ berfläche fixiert. Anschließend erfolgt das Fügen des Blech­ teils an der Naht 8 zu einer geschlossenen Oberfläche. Die Form des Hohlprofils ist so ausgebildet, dass sich zwischen dem Hohlprofil und dem beschichteten Metallschaum ein geringfügiger etwa 3 mm breiter gleichmäßiger Spalt befindet.

Durch eine Wärmebehandlung zwischen 170°C und 180°C für etwa 15 min. expandiert die Polyurethanbeschichtung des Schaumele­ ments, hierdurch wird der Spalt zwischen Hohlprofil und Schaum­ element geschlossen die erfindungsgemäße Trennschicht wird ausbildet. Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise gleichzei­ tig mit einem Trocknungsprozeß, der nach der Kathoden- Tauchlackierung notwendig ist. Die vorläufigen Fixierungen wer­ den abschließend entfernt.

Beispiel 2

Ein Schaumelement analog zu Beispiel 1 wird über eine Düse, die von einem Roboterarm geführt wird mit Polyurethan in Form einer pastösen Masse beschichtet. Das beschichtete Schaumelement wird in ein rinnenförmiges Teilprofil aus einer Aluminiumlegierung eingelegt und fixiert. Das Schaumelement steht über den Rand des Profils über. Ein weiteres Teilprofil wird aufgesetzt, die beiden Profile werden an den Nahtstellen mit einem temperatur­ beständigen Klebstoff zu einem Hohlprofil verklebt.

Analog dem Beispiel 1 besteht auch ein Spalt zwischen dem Hohl­ profil und dem Schaumelement, der während einer Wärmebehandlung durch das expedierende Polyurethan ausgefüllt wird. Die Wärme­ behandlung erfolgt indem das Strukturbauteil durch eine Induk­ tionsspule geführt wird. Das hierdurch erwärmte Aluminium überträgt seine Wärme auf das Polyurethan, wodurch die Expansi­ on ausgelöst wird.

Claims (8)

1. Strukturelement, das ein Hohlprofil mit einen Hohlraum um­ faßt, der zumindest teilweise mit einem Metallschaum ausge­ füllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement zwischen dem Metallschaum und der Ober­ fläche des Hohlprofils eine Trennschicht aus expandiertem Material aufweist.

2. Strukturelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil in Form von Blechen, Strangpreßprofilen oder Gußteilen ausgebildet ist.

3. Strukturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil aus Aluminium oder aus Eisen oder aus Magne­ sium, aus Legierungen dieser Metalle oder aus Kunsstoff be­ steht.

4. Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum in die Raumrichtung mit dem Metallschaum ver­ stärkt ist, in denen erhöhte Spannungen auf das Strukturele­ ment wirken.

5. Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum im Wesentlichen aus Aluminium oder Zink o­ der aus einer Legierung dieser Metalle besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Strukturelementes, das von einem Hohlprofil umschlossen wird und durch einen Metall­ schaum mindestens teilweise ausgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
der Metallschaum und/oder das Hohlprofil zumindest teil­ weise mit einem expansionsfähigen Material beschichtet wird,
der Metallschaum mit dem expansionsfähigen Material in einen Hohlraum des Hohlprofils gegeben wird,
durch eine Temperaturbehandlung das expansionsfähige Ma­ terial expandiert
und Zwischenräume zwischen dem Metallschaum und dem Hohl­ profil durch das expansionsfähige Material ausgefüllt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Metallschaum vor der Wärmebehandlung im Hohlraum fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung im Rahmen eines Vergütungsverfah­ rens des Strukturelements erfolgt.