DE10115477A1 - Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil aus der Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generatorträger und Befestigungseinheiten für Generatorträger und Gassackmodule, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Bauteil aus einem Faserwerkstoff mit einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern hergestellt ist. Das Bauteil weist eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht auf. Die Herstellung des Bauteils umfaßt das Einbringen der Fasern in das schmelzflüssige Matrixmetall. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von Faserwerkstoffen aus einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern zur Herstellung der vorgenannten Bauteile.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, aus der
Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generatorträger und Befestigungs
einheiten dafür sowie für Gassackmodule.
Für Kraftfahrzeugbauteile besteht generell die Forderung nach niedrigem Ge
wicht bei hoher mechanischer Belastbarkeit. Dies betrifft insbesondere Lenk
radskelette und Lenkradblenden, Generatorträger und Gassackmodule sowie die
Befestigungseinheiten für diese Bauteile, die bei einem Fahrzeugunfall sehr hoch
belastet werden. Diese Bauteile werden üblicherweise aus Stahl oder Stahlblech
hergestellt. Darüber hinaus ist eine Herstellung durch Magnesiumdruckguß oder
Aluminiumdruckguß beschrieben worden. Auch eine Kombination der genannten
Materialien kann verwendet werden. So sind beispielsweise Lenkradskelette be
kannt, die aus verzinkten Blechteilen bestehen und eine angegossene Nabe aus
einer Magnesiumlegierung aufweisen. Weiterhin sind Lenkradskelette bekannt,
bei denen der Lenkradkranz und die Lenkradspeichen aus Rund- bzw. Flachstahl
bestehen und eine Nabe aus Aluminiumdruckguß gefertigt ist, in die die Lenkrad
speichen eingegossen sind.
Die bekannten Generatorträger für die Baugruppen Fahrer-, Beifahrer- und
Seiten-Airbag bestehen überwiegend aus Stahlblech. Es sind aber auch Gene
ratorträger aus Magnesiumdruckguß bekannt. Auch die Befestigungseinheiten der
genannten Baugruppen können aus Stahl oder durch Magnesiumdruckguß herge
stellt werden.
Ein Nachteil der bekannten Kraftfahrzeugbauteile besteht darin, daß die Forde
rung nach hoher Festigkeit dieser Bauteile bei gleichzeitig niedrigem Gewicht
nicht optimal erreicht wird. So kann durch die Verwendung von Stahl als Werk
stoff eine hohe mechanische Festigkeit dieser Bauteile gewährleistet werden. Die
so hergestellten Bauteile sind jedoch zu schwer und entsprechen nicht mehr den
Forderungen der Automobilindustrie. Der Einsatz von Magnesium und Alumini
um als Werkstoff für die genannten Bauteile führt zwar zu einem niedrigeren Ge
wicht. Jedoch erfüllen die Bauteile dann nicht mehr die ebenfalls gestiegenen
Forderungen an die Festigkeit im Falle eines Fahrzeugunfalls.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Bauteile zur Verwendung
in den Baugruppen Lenkräder, Fahrer-, Beifahrer- und Seiten-Airbags in Kraft
fahrzeugen bereitzustellen, die den gestiegenen Anforderungen der Automobilin
dustrie nach Baueinheiten mit geringem Gewicht bei gleichzeitig hoher mechani
scher Festigkeit im Falle eines Fahrzeugunfalls genügen.
Die Erfindung stellt hierzu ein Kraftfahrzeugbauteil aus der Gruppe der Lenk
radskelette, Lenkradblenden, Generatorträger und Befestigungseinheiten dafür
sowie für Gassackmodule bereit, die dadurch gekennzeichnet sind, daß das Bau
teil aus einem Faserwerkstoff mit einer Metallmatrix und in der Metallmatrix
verteilten Fasern hergestellt ist.
Die Fasern können aus anorganischen Stoffen oder Metallen bestehen. Unter
bestimmten Bedingungen können auch organische Fasern eingesetzt werden. Die
Fasern sind vorzugsweise elastisch, damit sie die bei der Verformung auftretenden
Kräfte aufnehmen können. Die Fasern können eine gerade Form aufweisen oder
davon abweichend in der Ebene in Form einer Sinuswelle oder räumlich als langgezogene
Spirale ausgebildet sein, um die Nachgiebigkeit bei einer Krafteinwir
kung zu erhöhen.
Die Metallmatrix ist vorzugsweise ausgewählt aus der aus Aluminium, Titan,
Magnesium und deren Legierungen bestehenden Gruppe. Als anorganische Fasern
werden vorzugsweise Siliziumkarbidfasern, Borfasern, Boroxidfasern, Titankar
bidfasern und Aluminiumoxidfasern verwendet. Besonders bevorzugt sind Silizi
umkarbidfasern und Aluminiumoxidfasern. Im Falle der Aluminiumoxidfasern
sind Korundfasern besonders bevorzugt. Es können jedoch auch andere Kristall
modifikationen des Aluminiumoxids, beispielsweise γ- oder δ-Al2O3, eingesetzt
werden.
Die Verwendung der Faserwerkstoffe mit einer metallischen Matrix und in der
Matrix verteilten Fasern führt zu einer deutlichen Erhöhung der Festigkeit des
Werkstoffs im Vergleich zu Magnesium- oder Aluminiumlegierungen bei gleich
zeitig niedrigem Gewicht. Die Faserwerkstoffe sind außerdem hoch belastbar, da
die von außen auf den Werkstoff einwirkenden Kräfte in die Fasern eingeleitetet
und dadurch besser im Werkstoff verteilt werden. Außerdem weisen Werkstoffe
aus Magnesium und Aluminium und deren Legierungen im Vergleich zu Stahl
eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf.
Die Fasern können in Anpassung an die geforderten Werkstoffeigenschaften
entweder als Kurzfasern oder als Langfasern eingesetzt werden. Als Matrixmetall
werden Leichtmetalllegierungen auf der Basis von Aluminium oder Magnesium
besonders bevorzugt. Die Fasern können im Matrixmetall eine Vorzugsrichtung
aufweisen oder nicht orientiert vorliegen.
Zur Vermeidung nachträglicher Bearbeitungsschritte können in die aus dem
Faserwerkstoff hergestellten Bauteile funktionelle Metalleinsätze eingegossen
sein, wie beispielsweise eine Lenkradnabe mit Innenverzahnung.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile werden die Fa
sern in einer vorbestimmten Menge in das schmelzflüssige Matrixmetall einge
bracht und der so gebildete Faserwerkstoff wird mit den üblichen Formgebungsverfahren
weiterverarbeitet. Die Herstellung des Faserwerkstoffs erfolgt vorzugs
weise durch Schmelzinfiltration. Hierzu werden die anorganischen Fasern in eine
dem Bauteil entsprechende Form eingebracht. Die Fasern können dabei schon ein
dem späteren Bauteil entsprechendes räumliches Gebilde (Faserskelett) darstellen
oder Teile davon bilden, die an vorbestimmten Stellen in der Gußform eingesetzt
werden. Die Formstabilität des Faserskelettes wird dabei durch die Verlegung der
Fasern selbst erreicht oder durch die Verwendung eines Stabilisators, wie z. B.
eines Lacks, etc., der durch die Metallschmelze der Matrix wieder aufgelöst wird.
Das Matrixmetall wird danach durch Anlegen eines Vakuums in die Form einge
saugt, eingegossen oder eingepreßt.
Alternativ dazu kann der Faserwerkstoff auch durch drucklose Schmelzinfil
tration, d. h. Einrühren der Fasern in das schmelzflüssige Matrixmetall, hergestellt
werden. Danach wird der Faserwerkstoff in bekannter Weise in die Bauteilform
gegossen oder gespritzt.
Schließlich können die Fasern dem Matrixmetall auch während des Formge
bungsverfahrens, beispielsweise im Verlauf des Druckgießens, zugemischt wer
den.
Die Erfindung betrifft somit auch die Verwendung eines Faserwerkstoffs auf
der Grundlage einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern zur
Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen aus der Gruppe der Lenkradskelette,
Lenkradblenden, Generatorträger oder Befestigungseinheiten dafür sowie für Gas
sackmodule. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Faserwerkstoffen aus
Leichtmetalllegierungen auf der Grundlage von Aluminium oder Magnesium und
Siliziumkarbid- oder Aluminiumoxidfasern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Lenkradskeletts beschrieben.
Sie ist jedoch nicht auf Lenkradskelette beschränkt, sondern bei allen Kraftfahr
zeugbauteilen aus der Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generator
träger und Befestigungseinheiten für diese Bauteile sowie Befestigungseinheiten
für Gassackmodule anwendbar, die bei einem Fahrzeugunfall hohen mechani
schen Belastungen ausgesetzt sind.
Ein Lenkradskelett besteht im wesentlichen aus Lenkradnabe, Lenkradspei
chen und Lenkradkranz. Die Herstellung eines derartigen Skeletts im Druckguß
verfahren aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen ist grundsätzlich bekannt.
Gemäß der Erfindung werden diese Legierungen durch einen Faserwerkstoff auf
der Grundlage eines Matrixmetalls und in dem Matrixmetall verteilten Fasern
ersetzt. Vorzugsweise ist das Matrixmetall aus der Gruppe bestehend aus Alumi
nium, Magnesium, Titan und deren Legierungen ausgewählt. Besonders bevorzugt
sind Aluminium- oder Magnesiumlegierungen.
Die Fasern sind bevorzugt Kurz- oder Langfasern aus Siliziumkarbid oder
Aluminiumoxid.
Die genaue Zusammensetzung des Faserwerkstoffs in bezug auf die Art, Form
und Länge der Fasern, den Faseranteil und die Art der Metallmatrix ist abhängig
von den für den konkreten Anwendungsfall geforderten Eigenschaften des Werk
stoffs. Für die Anwendung als Lenkradskelett weist der Faserwerkstoff bevorzugt
einen Anteil von bis zu 30 Gew.-% der anorganischen Fasern auf, vorzugsweise
zwischen 10 und 25 Gew.-%. Die spezifische Anpassung der Werkstoffeigen
schaften ist durch eine gezielte Auswahl der verwendeten Fasern und der Metall
legierung möglich.
Durch die Einführung des Faserwerkstoffes sollen für die betrachteten Kraft
fahrzeugteile in erster Linie die Eigenschaften geringes spezifisches Gewicht,
hohe Festigkeit, hohe Bruchdehnung und gute Korrosionsbeständigkeit positiv
beeinflußt werden.
Mit der Erfindung werden folgende Werte für die ausgewählten Eigenschaften
angestrebt:
spezifisches Gewicht < 2 g/cm3,
Zugfestigkeit Rm < 400 N/mm2
Bruchdehnung A < 15%.
spezifisches Gewicht < 2 g/cm3,
Zugfestigkeit Rm < 400 N/mm2
Bruchdehnung A < 15%.
Mögliche Kombinationen der Metallmatrix mit besonders bevorzugten anor
ganischen Fasern sind nachfolgend in Tabelle 1 dargestellt.
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die wesentlichen physikalischen und me
chanischen Eigenschaften von besonders bevorzugten Fasern zusammengestellt.
Die Herstellung des Lenkradskeletts erfolgt bevorzugt auf dem Wege der be
kannten Druckgußverfahren für Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Die
anorganischen Fasern werden bevorzugt vor dem Druckgußverfahren in die Form
für das Lenkradskelett eingebracht. Sie können aber auch während des Druckguß
verfahrens in das schmelzflüssige Matrixmetall eingemischt werden, wie dies im
Prinzip für das Spritzgießen von faserverstärkten Kunststoffen bekannt ist.
Schließlich können die anorganischen Fasern vor dem Druckgießen in das
schmelzflüssige Matrixmetall eingerührt werden.
Das so hergestellte Lenkradskelett weist ein im Vergleich zu den herkömmli
chen Lenkradskeletten aus Stahl niedrigeres Gewicht auf. Die Belastbarkeit im
Falle eines Fahrzeugunfalls ist im Vergleich zu den bekannten Lenkradskeletten
aus Aluminium- oder Magnesiumdruckgußteilen wesentlich erhöht.
Claims (19)
1. Bauteil zur Verwendung in Kraftfahrzeugen aus der Gruppe der Lenk
radskelette, Lenkradblenden und Generatorträger sowie Befestigungen für Gas
sackmodule und Generatorträger, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus
einem Faserwerkstoff mit einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten
Fasern hergestellt ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix aus
der aus Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen bestehenden Grup
pe ausgewählt ist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern
wenigstens teilweise eine gerade Form aufweisen.
4. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern
wenigstens teilweise in Form einer ebenen Sinuswelle ausgebildet sind.
5. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern
wenigstens teilweise spiralförmig ausgebildet sind.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fasern Langfasern sind.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fasern Kurzfasern sind.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fasern in der Metallmatrix eine Vorzugsrichtung aufweisen.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fasern in der Metallmatrix nicht orientiert sind.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern aus der Gruppe der metallischen, anorganischen und organischen Fa
sern sowie Kombinationen davon ausgewählt sind.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern aus der aus Siliziumkarbid-, Bor-, Boroxid-, Titankarbid- und Alumi
niumoxidfasern oder deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Bauteil funktionelle Metalleinsätze aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß den Ansprüchen 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zur Bildung der Faserwerkstoffe in einer
vorbestimmten Menge in das Matrixmetall eingebracht werden, wobei das Ma
trixmetall in schmelzflüssiger Form vorliegt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in
einer vorbestimmten Menge in eine dem Bauteil entsprechenden Form einge
bracht werden und daß das Matrixmetall danach durch Anlegen eines Vakuums in
die Form eingesaugt, eingegossen oder eingepreßt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern als
Faserskelett in die Form eingebracht werden, wobei das Faserskelett dem Bauteil
ganz oder in vorbestimmten Abschnitten entspricht.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstabi
lität des Faserskeletts durch das Verlegen der Fasern in der Form oder mittels ei
nes Stabilisators erreicht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in
das schmelzflüssige Matrixmetall eingerührt und anschließend in eine Form für
das Bauteil eingebracht werden.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelz
flüssige Matrixmetall unter Druck in eine Form für das Bauteil eingegossen wird,
wobei die anorganischen Fasern während des Gießvorgangs in das schmelzflüssi
ge Matrixmetall eingemischt werden.
19. Verwendung eines Faserwerkstoffs auf der Grundlage eines Matrixmetalls
und darin verteilten Fasern zur Herstellung eines Bauteils gemäß den Ansprüchen
1 bis 12.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001115477 DE10115477A1 (de) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2001115477 DE10115477A1 (de) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10115477A1 true DE10115477A1 (de) | 2002-10-10 |
Family
ID=7679502
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2001115477 Withdrawn DE10115477A1 (de) | 2001-03-29 | 2001-03-29 | Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung |
Country Status (1)
Country | Link |
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