DE10143550C1

DE10143550C1 - Verfahren zur Verstärkung eines Strukturelementes und schaumverstärktes Strukturelement

Info

Publication number: DE10143550C1
Application number: DE2001143550
Authority: DE
Inventors: Martin Brodt; Ralf Mehrholz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2021-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung eines Strukturelementes durch ein Schaumelement, wobei mindestens ein Vorprodukt des Schaumelementes in einen Hohlraum des Strukturelementes gebracht wird und vorzugsweise durch eine Temperaturbehandlung zur Expansion aktiviert wird, das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Vorprodukt mindestens zwei Rohschäume umfasst, mindestens einen Primärschaum und mindestens einen Sekundärschaum, wobei zuerst der Primärschaum zur Expansion aktiviert wird und durch den Primärschaum Teilbereiche des Hohlraums gefüllt werden. Anschließend wird der Sekundärschaum zur Expansion aktiviert und die Expansion des Sekundärschaums wird in freie Bereiche des Hohlraums gelenkt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verstärkung eines Struk turelementes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Strukturelement nach Anspruch 7.

Unter Berücksichtigung der gestiegenen Sicherheitsanforderungen und Steifigkeitsanforderungen von Kraftfahrzeugen werden zuneh mend hohle Strukturelemente mit Schaumelementen verstärkt.

Problematisch bei der Verstärkung von Strukturelementen durch Schaumelemente ist das passgenaue Einbringen der Schaumelemen te. Die US 5 806 919 A beschreibt ein Strukturelement, versteift durch ein Schaumelement. Das Schaumelement weist zwei Schaumar ten auf, einen verstärkenden Schaum mit hoher Dichte, der di rekt an der Oberfläche des Strukturelements anliegt und einen Kern-Schaum mit geringer Dichte, der vollständig vom verstär kenden Schaum umgeben ist.

Das kombinierte Schaumelement wird in bereits strukturierter Form in eine Halbschale des Strukturelementes eingelegt. Die Halbschale wird durch eine weitere Halbschale geschlossen und an Falzen verschweißt. Durch eine geeignete Verzahnung ist das Schaumelement im Hohlraum des Strukturelementes verzahnt.

Ein Strukturelement der selben Gattung wird in der EP 1 052 162 A2 beschrieben. Derartigen Bauteilen ist der prinzipieller Nachteil zu eigen, dass die Schaumelemente geformt werden müs sen und in das Strukturelement eingelegt werden müssen. Dies ist in der Praxis nur bei mehrteiligen gestalteten Strukturteilen möglich, die nach dem Positionieren des Schaumelementes z. B. durch verschweißen dauerhaft geschlossen werden. Die Passge nauigkeit des Schaumelementes ist hierbei oft unzureichend, worunter die Steifigkeit des Elementes leidet.

Oftmals sind einteilig geformte Strukturbauteile mit komplexen Geometrien durch Schaumelemente zu verstärken. In diesen Fällen ist es nur möglich, das Schaumelement direkt im Strukturelement aufzuschäumen. Ein derartiges Verfahren beschreibt die DE 199 12 618 A1, wonach ein Bauteil partiell verstärkt wird. Die in der DE 199 12 618 A1 beschriebenen Bauteile sind jedoch ver hältnismäßig einfach aufgebaut. Der Schaum füllt nach dem Schäumprozess den entsprechenden Hohlraum aus und stellt somit die Verstärkung und die Versteifung dar.

In komplexeren Strukturen mit verschiedenen Kammern und Hohl räumen die gezielt in definierte Raumrichtungen verstärkt wer den müssen, ist das genannte Verfahren nach der DE 199 12 618 A1 jedoch unbrauchbar, da die Expansion des Schaumvorproduktes nicht räumlich gerichtet werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaumverstärkung für geschlossene Strukturelement mit komplex geformten, gegebe nenfalls mehrere Kammern umfassende Hohlräume, bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach Anspruch 1 und in einem Strukturelement nach Anspruch 7.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 beruht auf der Verstärkung eines Strukturelementes durch mindestens ein Schaumelement. Hierbei wird ein Vorprodukt des Schaumelementes in einem Hohlraum des Strukturelementes aufgeschäumt. Die Stei figkeit des Strukturelementes wird hierdurch deutlich erhöht.

Die Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik da durch aus, dass das Schaumvorprodukt zwei Arten von Rohschäumen umfasst. Die Rohschäume werden nacheinander zur Expansion aktiviert. Der Primärschaum expandiert in die für ihn zugänglichen Raumrichtungen vorzugsweise bis zum Erreichen einer Begrenzung des Hohlraums. Die Expansion kann zeitgesteuert erfolgen.

Darauf folgend wird der Sekundärschaum aktiviert. Dieser wird durch den bereits aufgeschäumten Primärschaum in seiner Expan sion behindert. Dem Sekundärschaum stehen lediglich die Raum richtungen zur Expansion zur Verfügung, die fei von Primär schaum verblieben sind. Somit kann der Sekundärschaum abhängig von der Holraumgeometrie in Bereiche gelenkt werden, die ge zielt ausgefüllt werden müssen um eine optimale Verstärkung zu erzielen. Die Anwendung weiterer Schäume kann unter Berücksich tigung der Bauteilgeometrie zweckmäßig sein.

Besonders vorteilhaft erfolgt die Aktivierung der Rohschäume durch Temperaturbehandlungen nach Anspruch 2. Der Primärschaum wird bei einer Temperatur T1 aktiviert, die Aktivierung ist zeitlich begrenzt. Anschließend erfolgt eine Temperaturerhöhung oder nach dem Abkühlen eine weitere Temperaturbehandlung bei einer Temperatur T2, was zur Aktivierung des Sekundärschaums führt. Die Aktivierung durch Temperaturbehandlungen ist bei den derzeitig erhältlichen Rohschäumen prozesstechnisch am zweckmä ßigsten. Weitere Aktivierungen wie chemische Aktivierung elekt rische Aktivierung oder Aktivierung durch Strahlung sind bei entsprechenden Rohschäumen ebenfalls vorteilhaft.

Das Schaumvorprodukt, das eine Anordnung der Rohschäume umfasst ist vorzugsweise auf einem, insbesondere rahmenförmigen Träger element angeordnet, was die Montage im Hohlraum des Struktur elementes erleichtert. Das Vorprodukt kann genau positioniert werden, die Expansionsrichtung der Schäume kann so vorbestimmt werden (Anspruch 3).

Eine besonders vorteilhafte Befestigung des Vorproduktes er folgt durch Halteklipps, eine Fixierung durch Befestigungsele mente wie Nieten oder Schrauben. Das Einkleben des Vorproduktes kann ebenfalls zweckmäßig sein (Anspruch 4).

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Hohlraum des Strukturelementes mehrere Kammern aufweist, die durch Öffnungen miteinander verbunden sind. Das Vorprodukt ist bevorzug in der Nähe der Öffnungen positioniert, wodurch mindestens einer der Rohschäume erfindungsgemäß durch die Öff nung in die weitere Kammer oder Kammern expandieren kann (An spruch 5).

Bei der Verstärkung von Fahrzeugkarosserien ist es zweckmäßig, das Vorprodukt vor der Karosseriemontage in das Strukturele ment, das einen Teil der Karosserie darstellt, einzubringen. Nach einer sogenannten Kathodentauchlackierung der Karosserie erfolgt standardmäßig eine Temperaturbehandlung, die zur Akti vierung der Rohschäume ausgenutzt werden kann (Anspruch 6).

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht in einem Struktur element nach Anspruch 7, das durch ein Verfahren der vorherge henden Ansprüche hergestellt wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass der Primärschaum den Sekundärschaum vorzugsweise teilweise umgibt. Die Schäume folgen so einer gezielten Aus richtung, die eine optimale Verstärkung des Strukturelementes gewährleistet. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Schäume je weils mindestens eine Wand des Hohlraums des Strukturelementes berühren und sich so gegenseitig abstützen (Anspruch 8).

Ebenfalls vorteilhaft ist die Ausnutzung der Haftwirkung der Schäume auf die Flächen des Strukturelementes. Ein aus mehre ren, hohlraumbildenden Teilen zusammengesetztes Strukturelement kann durch das Aufschäumen verbunden und zusammengefügt werden (Anspruch 9).

Die verwendeten Schäume bestehen bevorzugt auf der Basis von E poxidharz. Derartige Schäume eignen sich besonders zur tempera turgesteuerten Aktivierung. Die Anwendung weiterer Kunststoff schäume, beispielsweise auf Polyurethanbasis ist ebenfalls zweckmäßig. Bei der Verwendung von metallischen Schäumen, z. B. auf Aluminium- oder Zink-Basis muss die Temperaturbelastbarkeit des Strukturelementes berücksichtigt werden. Die Wahl des Werk stoffes für das Strukturelement wird hierdurch eingeschränkt, dennoch ist die Anwendung von Metallschäumen im Sinne der Er findung vorteilhaft (Anspruch 10).

Im Folgenden wird eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung an Hand eines Beispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1, Verfahrensschritt 1, ein Schaumvorprodukt mit einem Primärschaum und einen Sekundärschaum im Hohlraum ei nes Strukturelementes, dargestellt ist der Quer schnitt des Strukturelementes,

Fig. 2, Verfahrensschritt 2, die Expansion des Primärschaums ist abgeschlossen,

Fig. 3 Verfahrensschritt 3, die Expansion des Sekundär schaums ist abgeschlossen.

Eine Vorprodukt 6, zwei Rohschäume - einen Primärschaum und ei nen Sekundärschaum auf Epoxidharzbasis - umfassend, wird auf ei nem, hier nicht näher dargestellten rahmenförmigen Trägerele ment angeordnet und in einem Hohlraum 4 eines Strukturelementes 2 mit Hilfe von ebenfalls nicht näher dargestellten Halteklipps befestigt. Die Rohschäume sind als Plattenware ausgestaltet und sind übereinander auf dem Trägerelement angeordnet. Der Sekun därschaum 10 wird in dieser Anordnung teilweise vom Primär schaum 8 umschlossen. Die Dichte der Rohschäume beträgt etwa 0,8 g/cm³.

In Fig. 1 ist der Querschnitt des Strukturelementes 2 darge stellt. Der Holraum 4 weist neben der Hauptkammer 15 einen Ne benkammer 16 auf, die durch mindestens eine Öffnung 14 miteinander verbunden sind. Das Vorprodukt 6 ist über der Öffnung 14 angebracht.

Im zweiten Verfahrensschritt wird das Strukturelement einer Temperaturbehandlung bei etwa 160°C unterzogen. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, expandiert der Primärschaum 8 und erstreckt sich bis zur Wand 12 des Strukturelementes 1. Die Ma terialmenge des Primärschaums ist so berechnet, dass der Schaum im expandierten Zustand die Wand 12 flächig erreicht. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass sich der Primärschaum 8 weiter im Hohlraum ausdehnt, was an sich nicht schädlich wäre, jedoch auch nicht zweckmäßig, da so unnötig Material verbraucht wird. Der Expansionsvorgang benötigt etwa 25 min. die durch die Expansion hervorgerufen Volumenänderung beträgt etwa 60%. In Richtung der Kammer 16, die durch die Öffnung 14 mit der Kammer 15 verbunden ist, wird die Expansion des Primärschaums durch den plattenförmigen Rohschaum 10 unterbunden.

Die Temperatur wird, nachdem die Expansion des Primärschaums abgeschlossen ist, auf etwa 165°C erhöht. Bei dieser Temperatur setzt nun die Expansion des Sekundärschaums ein. Diese er streckt sich durch die Öffnung 14 in die Kammer 16. Die Rich tung für diese Expansion wird durch den nun erstarrten Primär schaum 8 vorgegeben, der wiederum die Ausbreitung des Sekundär schaums 10 in der Kammer 15 verhindert. Das Ende der Expansion kann entweder durch die zur Verfügung stehenden Materialmenge oder durch die Dauer der Temperaturbehandlung gesteuert werden.

Nach der vollständigen Expansion des Sekundärschaums stützen sich der Primärschaum und der Sekundärschaum gegenseitig ab. Die Abstützung erfolgt - je nach Bauteilgeometrie und Anforde rung - entlang der Richtungen der höchsten Krafteinleitungen, die auf das Strukturelement wirken.

Durch das direkte Aktivieren des Rohschaums in dem Hohlraum des Strukturelementes entsteht zwischen dem Schaum und dem Struk turelement eine sehr gute Haftung, was ebenfalls zu Versteifung beiträgt. Im Umkehrschluss kann dieses Verfahren auch zum Ver kleben von zweiteiligen Strukturelementen genutzt werden. Das Verkleben erfolgt hier von innen heraus. Während der Expansion muss allerdings von außen ein Gegendruck - beispielsweise durch Schraubzwingen - aufgebaut werden. Ein aufwendiges Verschweißen von Strukturteilen entfällt hierdurch.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet besonders Anwendung im Automobilbau, insbesondere im Karosseriebau. Geeignete Bauteile für die erfindungsgemäße Verstärkung sind u. a. die A-, B- und C-Säulen, Schweller, Längsträger, Türen und Knotenpunkte der Säulen oder Türen. Derart verstärkte Bauteile sind als Crash profile gut geeignet, da durch die Schaumverstärkung ein hohes Maß an Energie absorbiert werden kann.

Die Werkstoffe, die für das Strukturelemente eingesetzt werden, sind die für die beschriebenen Anwendungen üblichen Werkstoffe, insbesondere Stahlbleche. Häufig werden auch Aluminiumbleche o der Guss- oder Strangpressstrukturen aus Aluminium- oder Magne sium eingesetzt. Des Weiteren können Kunststoffstrukturen, ins besondere faserverstärkte Kunststoffe durch das erfindungsgemä ße Verfahren verstärkt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verstärkung eines Strukturelementes durch ein Schaumelement, wobei mindestens ein Vorprodukt des Schaum elementes in einen Hohlraum des Strukturelementes gebracht wird und durch eine Temperaturbehandlung aufgeschäumt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass das Vorprodukt mindestens zwei Rohschäume umfasst, mindestens einen Primärschaum und mindestens einen Se kundärschaum,
dass zuerst der Primärschaum zur Expansion aktiviert wird,
dass durch den Primärschaum Teilbereiche des Hohlraums gefüllt werden,
anschließend der Sekundärschaum zur Expansion aktiviert wird und
die Expansion des Sekundärschaums in freie Bereiche des Hohlraums gelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturelement mit dem Vorprodukt durch eine Temperaturbehandlung bei der, Temperatur T1 aktiviert wird, wobei der Primärschaum expandiert,
dass das Strukturelement mit dem Vorprodukt anschließend durch eine Temperaturbehandlung bei der Temperatur T2 aktiviert wird, wobei der Sekundärschaum expandiert, und
die Temperatur T2 größer ist als die Temperatur T1.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt auf einem Trägerelement befestigt wird und anschließend in den Hohlraum des Strukturelementes ge bracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt durch Schrauben, Nieten, Kleben oder mechanische Verklammerung im Hohlraum des Strukturelementes fixiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement mehrere Kammern aufweist und die Expansion des Primärschaums und/oder des Sekundärschaum durch eine oder mehrere Öffnungen zwischen den Kammern er folgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Temperaturbehandlung mit einer Tempe raturbehandlung nach einer Kathodentauchlackierung zusam menfällt.

7. Strukturelement verstärkt mit einem Schaumelement, herge stellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärschaum den Sekundärschaum teilweise umgibt.

8. Strukturelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärschaum und der Sekundärschaum jeweils im Kontakt mit einer Wand des Strukturelementes stehen und sich gegenseitig mechanisch abstützen.

9. Strukturelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement aus mindestens zwei hohlraumbil denden Schalen zusammengesetzt ist, die durch Haftwirkung der Schäume verbunden sind.

10. Strukturelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaum auf der Basis von Epoxidharz be steht.