DE102009009112A1

DE102009009112A1 - Kraftfahrzeug-Strukturbauteil sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Strukturbauteils

Info

Publication number: DE102009009112A1
Application number: DE200910009112
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Wibbeke; Marko Dr. Maciej; Wilfried Prof. Rostek
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Strukturbauteil (10) sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung. Das Strukturbauteil (1), beispielsweise eine B-Säule, weist einen schalenförmig konfigurierten Grundkörper (2) aus Metallblech auf. Der Grundkörper (2) ist partiell mit zumindest einem Verstärkungselement (3) in Form eines Patches versehen. Vorzugsweise besteht das Verstärkungselement (3) aus faserverstärktem Kunststoff. Das Verstärkungselement (3) ist mit dem Grundkörper (2) verklebt. Zur Fixierung der klebetechnischen Fügung werden der Grundkörper (2) und das Verstärkungselement (3) mittels Setzbolzen (5) ohne Vorlochen an definierten Positionen verbunden. Dies erfolgt vorzugsweise innerhalb einer Fixierpresse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise eine B-Säule, einen Schweller oder einen Stoßfängerquerträger, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug.
Ein gattungsgemäßes Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Grundkörper aus Metallblech, welcher partiell mit zumindest einem Verstärkungselement versehen ist, wobei das Verstärkungselement mit dem Grundkörper verklebt ist.
Partiell verstärkte Strukturbauteile gehören beispielsweise durch die DE 43 07 563 C2 oder die DE 100 49 660 A1 zum Stand der Technik. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Patchworktechnik. Diese gewinnt vor dem Hintergrund des Klimawandels und der daraus folgenden CO₂-Diskussion im Bestreben nach möglichst leichtbauenden Kraftfahrzeugen zunehmend an Bedeutung. Durch die Patchworktechnik kann das Gewicht von Kraftfahrzeug-Strukturbauteilen, insbesondere Karosserieteilen, reduziert werden, indem dünnere Bleche zur Anwendung kommen, die lokal durch so genannte Patches verstärkt werden.
Häufig bestehen der Grundkörper und das Verstärkungselement aus Stahlblech. Solche kompatiblen Werkstoffpaarungen werden üblicherweise schweißtechnisch miteinander gefügt. Auch eine klebetechnische Verbindung ist gängig.
Zunehmend kommen auch Verstärkungselemente aus Kunststoff zum Einsatz. Die Fügung von Grundkörpern aus Stahlblech und Verstärkungselementen aus Kunststoff kann auf Grund der werkstofflichen und thermischen Inkompatibilitäten nicht durch Schweißen, beispielsweise Widerstandspunktschweißen, erfolgen. Das hauptsächlich eingesetzte Fügeverfahren für derartige Patchlösungen ist das Kleben mit warmhärtenden zähmodifizierten Klebstoffen. Zur Fixierung der Fügeteile bis zur vollständigen Klebstoffaushärtung werden häufig ein- oder zweiteilige Nietbolzen eingesetzt. Für eine Fixierung durch Nietbolzen oder Blindnieten ist ein Vorlochen der Bauteile notwendig. Der Vorloch- und Setzprozess ist entsprechend aufwändig. Alternativ kommt ein Spannen der zu fügenden Bauteile mittels Spannelementen von außen zur Anwendung. Auch diese Klebspanntechnik ist relativ aufwändig.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein herstellungstechnisch verbessertes Strukturbauteil für Kraftfahrzeuge zu schaffen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu deren Herstellung aufzuzeigen.
Die Lösung des gegenständlichen, auf das Strukturbauteil gerichteten Teils der Aufgabe zeigt Anspruch 1 auf.
Danach sind der Grundkörper und das Verstärkungselement mittels Setzbolzen ohne Vorlochen fixiert. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Eigen, dass das Bolzensetzen eine optimierte Fügetechnik zur Verbindung der Verstärkungselemente, insbesondere flächiger Verstärkungselemente, und der Grundkörper darstellt, ohne dass Vorlochoperationen notwendig sind. Die Verbindung der Komponenten ist möglich, auch wenn diese nur einseitig zugänglich sind. Es erfolgt eine kombinierte Fügung. Die Verstärkungselemente werden auf die Grundkörper geklebt. Je nach Fertigungskonzept können einkomponentige, warmhärtende Klebstoffsysteme oder auch zweikomponentige, kalthärtende Klebstoffsysteme zum Einsatz kommen. Zur Fixierung der Bauteile werden Setzbolzen, die nagelähnlich gestaltet sind, mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben. Hierbei werden die Wände von Verstärkungselement und Grundkörper durchdrungen. Der Setzbolzen liegt mit einem verbreiterten Bolzenkopf an einer Seite des Strukturbauteils insbesondere flächig an. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt der Setzbolzen bzw. der Bolzenschaft des Setzbolzens aus dem Strukturbauteil heraus und steht gegenüber dem Strukturbauteil vor. Der Setzbolzen verdrängt den Werkstoff der zu fügenden Bauteile. Während des Eindringens erfährt der Werkstoff des Grundkörpers und der Verstärkungselemente im Verbindungsbereich eine hohe plastische Verformung. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit beim Eintreiben der Setzbolzen kommt es zu einer örtlich hohen Erwärmung der Bauteile. Nach dem Setzen, also dem Abschluss des Eintreibvorgangs, wirken Rückstellkräfte der plastischen Verformung auf die Setzbolzen ein. Der Bindemechanismus der Setzbolzenverbindung setzt sich aus Reibschluss, Stoffschluss und Formschluss zusammen.
Die Setzbolzentechnik macht eine rationelle Herstellung der Strukturbauteile bzw. die Fixierung der Klebeverbindung zwischen Verstärkungselementen und Grundkörpern mit kurzen Taktzeiten möglich. In vorteilhafter Weise können auch Strukturbauteile in Mischbauweisen und Mehrlagenverbindungen hergestellt werden. Gegenüber dem Einsatz herkömmlicher Nietbolzen bzw. Blindnieten ist ein Vorlochen nicht erforderlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strukturbauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
Zur Erzeugung der kraft-/formschlüssigen Fixierung von Verstärkungselement und Grundkörper wird ein impulsförmiges Bolzensetzverfahren eingesetzt, bei dem die nagelförmigen Setzbolzen mit hoher Geschwindigkeit und einseitig durch die zu verbindenden Bauteile getrieben werden. Durch die hohe Bolzengeschwindigkeit können auch bei Raumtemperatur schwer umformbare Werkstoffe, wie z. B. hochfeste warmgeformte Stähle oder Bauteile aus Magnesium, verbunden werden. Besonders vorteilhaft besteht ein Strukturbauteil aus einem Grundkörper aus Stahl mit bauteilgerecht minimierter Blechdicke. Der Grundkörper wird durch ein oder mehrere Verstärkungselemente in festigkeits- bzw. steifigkeitsrelevanten Bereichen des Strukturbauteils verstärkt. Hierbei können insbesondere Verstärkungselemente aus faserverstärkten Werkstoffen, wie faserverstärkten Kunststoffen, zum Einsatz gelangen. Diese lassen sich besonders vorteilhaft mittels kombinierten Klebstoff- und Setzbolzenfügungen mit dem Grundkörper verbinden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Strukturbauteils ist der Grundkörper schalenförmig konfiguriert und das Verstärkungselement vollflächig mit diesem verbunden.
Wie bereits erwähnt, kommt es durch die hohe Fügeteilgeschwindigkeit zu einem Plastifizieren der zu fügenden Werkstoffe. Somit können auch bei Raumtemperatur schwer umformbare Werkstoffe, wie z. B. hoch- und höchstfeste Stähle und faserverstärkte Kunststoffe, verbunden werden. Optional kann das Verstärkungselement auch aus einem metallischen Leichtbauwerkstoff, wie z. B. Magnesium oder Aluminium, bestehen. Ein innovatives, gewichtsreduziertes Strukturbauteil kann auch durch den Einsatz eines Grundkörpers aus Leichtmetall, insbesondere einem hochfesten Aluminiumwerkstoff, geschaffen werden.
Um die Lage der Setzbolzen an den Strukturbauteilen zu sichern und deren Unverlierbarkeit zu gewährleisten, insbesondere bei dynamischen bzw. schwingenden Belastungen der Strukturbauteile im Betrieb, können die Setzbolzen durch einen Widerlagerkörper gesichert werden. Als Widerlagerkörper können beispielsweise Muttern oder Federklips zum Einsatz gelangen. Auch der Einsatz von Klipsmuttern, die ganz oder teilweise aus Kunststoff bestehen, ist möglich. Durch die Widerlagerkörper sind zusätzlich auch ein besserer Korrosionsschutz zur unteren Lage und eine höhere Verbindungsfestigkeit axial zum Setzbolzen realisierbar. Die Montagefestigkeit der Setzbolzen kann zudem gesteigert werden, wenn die Bolzenschäfte der Setzbolzen profiliert sind, beispielsweise mittels Gewinde, Ringprofilen oder Verzahnungen oder ähnlichem.
Zum Montieren der Widerlagerkörper auf dem Bolzenschaft der Setzbolzen kann eine Montageeinheit vorgesehen sein. Diese ist zweckmäßigerweise in die Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Strukturbauteile integriert. Für die Praxis vorteilhaft ist es, wenn die Widerlagerkörper vor dem Einlegen der Verstärkungselemente in das Aufnahmewerkzeug in diesem positioniert werden, und zwar in den Ausnehmungen, in welche die Bolzenschäfte der Setzbolzen beim Setzen eintauchen. Zweckmäßigerweise sind die Widerlagerkörper mit einer den Eintauchvorgang unterstützenden konischen oder trichterförmigen Einlaufkontur versehen. Hierdurch wird der Montagevorgang unterstützt.
Eine spezielle Ausgestaltung der Setzbolzen sieht vor, dass der Bolzenschaft an einer definierten Stelle mit einer Sollbruchstelle versehen ist. Insbesondere wird die Sollbruchstelle durch eine Querschnittsverringerung, beispielsweise eine umlaufende Kerbe, realisiert. Der an einem Strukturbauteil überstehende Bereich des Bolzenschafts eines Setzbolzens kann nach dem Setzvorgang ganz oder teilweise abgetrennt werden. Hierdurch kann das Gewicht reduziert und möglichen Einschränkungen des Bauraums entgegengewirkt werden. Zur Erleichterung des Trennvorgangs dient die Sollbruchstelle am Bolzenschaft.
Die Oberfläche des Grundkörpers kann vor dem Fügen mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein. Insbesondere bei werkstoffgleichen Paarungen von Grundkörper und Verstärkungselement, also beispielsweise Stahl – Stahl, kann eine Oberflächenbeschichtung auf ein Strukturbauteil auch nach dem Fügen von Grundkörper und Verstärkungselement aufgetragen werden. Grundsätzlich können organische oder anorganische Beschichtungen, z. B. eine Feuerverzinkung, elektrolytische Verzinkung, Zinklamellenbeschichtungen oder Thermodiffusionsschichten, aufgebracht werden. Auf diese Weise wird der Korrosionsschutz des Strukturbauteils verbessert.
Vorteilhafterweise können auch weitere Anbauteile mittels Setzbolzen ohne Vorlochen mit dem Grundkörper gefügt sein. Solche Anbauteile können aus Stahl, Leichtmetall, wie Aluminium oder Magnesium, oder aus Kunststoffen, insbesondere auch aus faserverstärkten Kunststoffen, bestehen.
Die Erfindung schafft ein partiell verstärktes Strukturbauteil in Hybridbauweise und damit ein erhebliches Leichtbaupotenzial bei reduzierten Herstellungskosten, da aufwändige und teure Nietlösungen entfallen.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
Zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Strukturbauteils werden entsprechende konfektionierte Verstärkungselemente einer Klebstoffauftragsstation zugeführt. Dort wird ein Klebstoff auf die Fügefläche des Verstärkungselements aufgetragen. Das Verstärkungselement wird dann in eine Fixierpresse mit einem Aufnahmewerkzeug überführt und dort in einer Aufnahme positioniert. Auch der Grundkörper wird der Fixierpresse zugeführt und dort in einer Aufnahme positioniert. Hierzu können Anschläge zur lagegenauen Positionierung des Grundkörpers vorgesehen sein. Anschließend werden der Grundkörper und das Verstärkungselement in Kontakt gebracht und aneinander gepresst. Grundsätzlich können auch zwei oder mehr Verstärkungselemente gleichzeitig mit dem Grundkörper verbunden werden. Die Fixierung von Grundkörper und Verstärkungselement bzw. Verstärkungselementen erfolgt dann durch Setzbolzen, wobei die Setzbolzen ohne Vorlochen durch das Verstärkungselement und den Grundkörper getrieben werden. Das Bolzensetzen erfolgt an definierten Positionen in der Fixierpresse. Anschließend werden die verstärkten Strukturbauteile automatisch entnommen und abgestapelt.
Die Aufnahme, in welcher das Verstärkungselement und der Grundkörper bei der Fügeoperation positioniert und gehalten sind, kann Bestandteil der Fixierpresse sein. Das Eintreiben der Setzbolzen wird dann in der Fixierpresse durchgeführt. Denkbar ist es, dass das Bolzensetzsystem in das Oberwerkzeug der Fixierpresse integriert ist. Auf diese Weise können in einem Prozessschritt alle Setzbolzen gleichzeitig gesetzt werden, wodurch die Zykluszeit in Abhängigkeit der Anzahl der Fügepunkte weiter reduziert werden kann.
Möglich ist es selbstverständlich auch, dass das Eintreiben der Setzbolzen in einer separaten Setzstation durchgeführt wird.
Beim Eintreiben der Setzbolzen durchdringen diese an den Fügepunkten den Grundkörper und das Verstärkungselement und treten auf der gegenüberliegenden Seite aus. Hierbei tauchen die Bolzenschäfte der Setzbolzen in entsprechend konfigurierte Ausnehmungen in der Aufnahme ein.
Die Setzbolzen liegen mit ihrem Bolzenkopf an einer Seite am Strukturbauteil an. Auf der anderen Seite tritt der Bolzenschaft aus dem Strukturbauteil aus. Hier kann der Bolzen durch einen Widerlagerkörper gesichert werden, der auf das überstehende Ende des Bolzenschafts montiert wird. Möglich ist es auch, den überstehenden Bereich des Bolzenschafts zu entfernen und den Bolzenschaft einzukürzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedarf lediglich einer einseitigen Zugänglichkeit der zu verbindenden Bauteile. Die Kombination mit der Klebetechnik hat den Vorteil, dass auch unterschiedliche Werkstoffe mit einem hohen Korrosionspotenzial stoff- und formschlüssig miteinander verbunden werden können. Das impulsförmige Bolzensetzen hat weiterhin den Vorteil, dass Werkstoffe, wie beispielsweise höchstfeste Stahlwerkstoffe, keine negative Wärmebeeinflussung während des Fügevorgangs erfahren.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des vorerläuterten Verfahrens ist gemäß Anspruch 17 konfiguriert. Das Werkzeug umfasst eine Aufnahme für das Verstärkungselement und/oder den Grundkörper sowie eine Bolzensetzeinrichtung zum Verbinden des Verstärkungselements mit dem Grundkörper durch Setzbolzen. In der Aufnahme sind Ausnehmungen vorgesehen, in welchen die Bolzenschäfte der Setzbolzen beim Setzen eintauchen.
In der Vorrichtung sind der Grundkörper und das Verstärkungselement beim Setzen des Bolzens abgestützt, so dass eine nachteilige Werkstoffverformung verhindert werden kann. Beim Einsatz von mehrlagigen Verstärkungselementen, insbesondere faserverstärkten Verstärkungselementen aus Kunststoff, ist des Weiteren darauf zu achten, dass ein Delaminieren verhindert wird. Hierzu ist im Aufnahmewerkzeug ein Gegenhaltesystem mit den Ausnehmungen vorgesehen, in welche die Bolzenschäfte der Setzbolzen beim Setzen eintauchen können. Besonders vorteilhaft weisen die Ausnehmungen mündungsseitig eine Erweiterung, beispielsweise in Form einer Phase, Rundung oder Schräge auf, wodurch die Setzoperation erleichtert wird.
In die Vorrichtung kann eine Montageeinheit zum Montieren bzw. zum Fixieren von Widerlagerkörpern auf den Bolzenschäften der Setzbolzen vorgesehen sein.
Weiterhin ist es möglich, dass eine Trenneinheit in die Vorrichtung integriert ist, zum Einkürzen der Bolzenschäfte nach dem Setzen der Setzbolzen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil in Form einer B-Säule in einer Seitenansicht;
2 einen Schnitt durch die Darstellung der 1 entlang der Linie A-A;
3 einen Ausschnitt aus dem Verbindungsbereich zwischen dem Grundkörper und dem Verstärkungselement des Strukturbauteils;
4 bis 6 die Fügung eines Verstärkungselements mit einem Grundkörper in drei Prozessschritten;
7 einen Ausschnitt aus einem Aufnahmewerkzeug mit der Darstellung einer Ausnehmung für den Bolzenschaft eines Setzbolzens;
8 die Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Ausnehmung;
9 den Ablauf zur Herstellung eines partiell verstärkten Strukturbauteils anhand einer Anlagenkonzeptdarstellung;
10 und 11 jeweils einen Ausschnitt aus dem Verbindungsbereich zwischen dem Grundkörper und dem Verstärkungselement eines Strukturbauteils mit Sicherung durch einen Widerlagerkörper;
12 und 13 die Darstellung eines Trennvorgangs am Bolzenschaft eines Setzbolzens und
14 den Ablauf zur Herstellung eines partiell verstärkten Strukturbauteils anhand einer zweiten Anlagenkonzeptdarstellung.
Anhand der 1 bis 3 ist ein Kraftfahrzeug-Strukturbauteil 1 in Form einer B-Säule beschrieben.
Das Strukturbauteil 1 weist einen schalenförmigen Grundkörper 2 aus Metallblech, insbesondere einem hochfesten warmgeformten Stahlblech, auf. Partiell ist der Grundkörper 2 durch zumindest ein Verstärkungselement 3 verstärkt. Das Verstärkungselement 3 besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff und ist konfigurativ an die Innenkontur des Grundkörpers 2 im zu verstärkenden Bereich angepasst (2). Das Verstärkungselement 3 ist mit dem Grundkörper 2 verklebt. Die Klebstoffschicht ist in der 3 mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnet. Zum Verkleben kann ein Einkomponenten- oder Mehrkomponenten-Klebstoff zum Einsatz gelangen.
Zusätzlich zur Klebstoffverbindung sind der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 mittels Setzbolzen 5 fixiert. Die Setzbolzen 5 sind einseitig von außen mit hoher Geschwindigkeit ohne Vorlochen durch das Material des Grundkörpers 2 und des Verstärkungselements 3 getrieben. Der nagelähnliche Setzbolzen 5 verdrängt mit seinem Bolzenschaft 6 das Material des Grundkörpers 2 und des Verstärkungselements 3 im Verbindungsbereich, wobei es zu einer hohen plastischen Verformung kommt. Auf diese Weise wird eine stabile, hochfeste kombinierte Verbindung zwischen dem Grundkörper 2 und dem Verstärkungselement 3 durch die Klebstoffverbindung und die Setzbolzenverbindung hergestellt.
Das Verstärkungselement 3 kann auch aus einem Metall bestehen, beispielsweise Stahl oder einem Leichtmetall, insbesondere Magnesium oder Aluminium. Auch der Grundkörper 2 kann aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einem hochfesten Aluminiumwerkstoff, bestehen.
Die Oberfläche des Grundkörpers 2 kann insbesondere vor, aber auch nach dem Fügen des Verstärkungselements 3 mit einer Oberflächenbeschichtung, vorzugsweise einer Zinkbeschichtung, versehen sein.
Die Arbeitsschritte zur Herstellung eines schalen- bzw. hutförmigen Kraftfahrzeug-Strukturbauteils 1 sind anhand der 4 bis 6 sowie der 9 bzw. 14 erläutert.
Ein flächiges, konfigurativ auf die Kontur eines Grundkörpers 2 abgestimmtes Verstärkungselement 3 wird einer Klebstoffauftragsstation 7 zugeführt. Dort wird ein Klebstoff K auf die Fügefläche des Verstärkungselements 3 aufgetragen. Das Verstärkungselement 3 wird dann in eine Fixierpresse 8 überführt. Die Fixierpresse 8 weist ein Oberwerkzeug 33 und ein Aufnahmewerkzeug 9 mit einer Aufnahme 10 für das Verstärkungselement 3 auf. In der Aufnahme 10 wird das Verstärkungselement 3 positioniert. Im Aufnahmewerkzeug 9 sind im Bereich der Aufnahme 10 Ausnehmungen 11 in Form von Bohrungen vorgesehen. Die Ausnehmungen 11 sind an den Stellen im Aufnahmewerkzeug 9, an welchen später im Prozess die Setzbolzen 5 gesetzt werden, und stellen Freiräume für das Eindringen der Bolzenschäfte 6 der Setzbolzen 5 dar.
Auch der Grundkörper 2 wird der Fixierpresse 8 zugeführt und dort in das Aufnahmewerkzeug 9 über das Verstärkungselement 3 gesetzt. Wie in der 9 zu erkennen, erfolgt dies durch einen Handlingroboter 12. Das Aufnahmewerkzeug 9 weist Anschläge 13 zur lagegenauen Positionierung des Grundkörpers 2 auf. Anschließend werden der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 in Kontakt gebracht und aneinander gepresst (siehe 5 und 9).
Danach werden der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 durch Setzbolzen 5 fixiert. In der 9 ist ein vollautomatisch gesteuerter Roboter 14 mit einer Bolzensetzeinrichtung 15 dargestellt. Beim Bolzensetzen sind der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 im Aufnahmewerkzeug 9 gehalten und in einer Setzstation 16 positioniert, die Bestandteil der Fixierpresse 8 sein kann.
Die Setzbolzen 5 werden durch das Material des Grundkörpers 2 und des Verstärkungselements 3 getrieben, ohne dass die Bauteile 2 bzw. 3 hierzu vorgelocht worden sind. Dieser Arbeitsschritt ist in der 6 und der 9 dargestellt. Anschließend werden die Strukturbauteile 1 mittels eines Handlingroboters 17 aus dem Aufnahmewerkzeug 9 entnommen.
Um eine unzulässige Materialverformung, insbesondere ein Delaminieren, des Verstärkungsbauteils 3 zu verhindern, wenn dieses aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht, werden der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 im Aufnahmewerkzeug 9 abgestützt. Um das Eintreiben der Setzbolzen 5 zu ermöglichen, sind im Aufnahmewerkzeug 9 – wie bereits ausgeführt – Ausnehmungen 11 in Form von Bohrungen 18 (siehe 7 und 8) vorhanden. Diese stellen Freiräume dar, in welche die Setzbolzen 5 bzw. die Bolzenschäfte 6 der Setzbolzen 5 beim Eintreiben eintauchen können, ohne zu verformen.
Wie in den 7 und 8 zu erkennen, weisen die Ausnehmungen 11 mündungsseitig eine Erweiterung 19 in Form einer Phase bzw. Rundung (7) oder einer Schräge (8) auf. Bei der Ausnehmung 11 gemäß 7 erweitert sich die Bohrung 18 vom Durchmesser D (D = 4 – 10 mm) gleichmäßig mit einem Radius R (R = 1 – 3 mm) gekrümmt zur Mündung 20. Bei der Ausgestaltung der Ausnehmung 11, wie in 8 ersichtlich, erweitert sich die Bohrung 18 vom Durchmesser D1 (D1 = 4 – 10 mm) über eine Stufe 21 und eine umlaufende Schrägfläche 22 zur Mündung 20, wo die Ausnehmung 11 einen Durchmesser D2 aufweist. Der Winkel α der Schrägfläche 22 zur Vertikalen kann zwischen 45° und 70° liegen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α 60°.
An einer Seite liegt der Setzbolzen 5 mit seinem Bolzenkopf 23 am Kraftfahrzeug-Strukturbauteil 1 an. Der Bolzenschaft 6 tritt auf der gegenüberliegenden Seite des Strukturbauteils 1 aus und steht gegenüber diesem vor. In der Praxis wird der Bolzenschaft 6 einen Durchmesser d von 2 mm bis 8 mm, insbesondere 3 mm bis 4 mm, besitzen.
In den 10 bis 13 sind drei weitere Ausführungsformen eines Setzbolzens 5a, 5b und 5c zu erkennen. Die Setzbolzen 5a–5c weisen profilierte Bolzenschäfte 6a, 6b, 6c auf.
Der Setzbolzen 5a, wie in der 10 zu erkennen, weist einen Bolzenschaft 6a auf, der mit einer Profilierung 24 in Form eines Gewindes versehen ist. Zur Lagesicherung und -fixierung des Setzbolzens 5a ist auf dem Bolzenschaft 6a ein Widerlagerkörper 25 montiert. Der Widerlagerkörper 25 wird von einer Schraubmutter gebildet, die auf die Profilierung 24 aufgeschraubt ist. Zur Erleichterung des Montagevorgangs ist der Widerlagerkörper 25 mit einer konisch gestalteten Einführöffnung 26 versehen.
Bei dem Setzbolzen 5b gemäß der 11 ist der Bolzenschaft 6b mit einer Profilierung 24 in Form einer Verzahnung bzw. eines Ringprofils versehen. Der Setzbolzen 5b wird durch einen Widerlagerkörper 27 gesichert. Als Widerlagerkörper 27 kommt eine Klipsmutter zum Einsatz. Diese ist vorzugsweise aus Kunststoff ausgeführt und besitzt innenseitig Rastlamellen 28, die mit der Profilierung 24 widerlagernd zum Eingriff gelangen. Auch der Widerlagerkörper 27 weist eine konisch gestaltete Einführöffnung 26 auf.
Der Setzbolzen 5c, wie in den 12 und 13 dargestellt, weist ebenfalls eine zahnartige Profilierung 24 am Bolzenschaft 6c auf. Des Weiteren ist am Bolzenschaft 6c eine Sollbruchstelle 29 in Form einer umlaufenden Kerbe vorgesehen. An der Sollbruchstelle 29 kann der Bolzenschaft 6c nach dem Setzvorgang des Setzbolzens 5c getrennt und so der Bolzenschaft 6c gekürzt werden. Dies erfolgt mittels einer stößelartigen Trenneinheit 30, die in die Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Strukturbauteils 1 bzw. in die Herstellkette integriert sein kann. Mittels der Trenneinheit 30 wird eine Kraft F quer zur Bolzenachse des Setzbolzens 5c eingeleitet und so der gegenüber dem Kraftfahrzeug-Strukturbauteil 1 überstehende Teil des Bolzenschafts 6c entfernt. Dadurch kann das Gewicht reduziert werden. Zudem werden Einschränkungen des Bauraums vermindert und eine Gefährdung durch vorstehende Spitzen verringert.
Die 14 zeigt nochmals einen Ablauf zur Herstellung eines partiell verstärkten Strukturbauteils 1 anhand einer Anlagenkonzeptdarstellung. Der Ablauf entspricht der Anlagenkonzeptdarstellung gemäß der 9, so dass einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilkomponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Bei der in der 14 dargestellten Anlage bzw. Vorrichtung ist eine Bolzensetzeinrichtung 15 in der Fixierpresse 8 integriert. Hierzu sind mehrere Bolzensetzeinheiten 31 im Oberwerkzeug 32 der Fixierpresse 8 angeordnet.
Wie zuvor beschrieben werden der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 im Aufnahmewerkzeug 9 positioniert. Anschließend wird das Oberwerkzeug 32 heruntergefahren und die Fixierpresse 8 geschlossen. Alle Setzbolzen 5 werden dann zeitparallel oder, falls prozess- oder bauteiltechnisch vorteilhaft, zeitversetzt an den vorgegebenen Stellen mittels der Bolzensetzeinheiten 31 eingebracht und das Verstärkungselement 3 am Grundkörper 2 fixiert.
Auf diese Weise ist eine besonders rationelle Vorgehensweise zum Verbinden der Grundkörper 2 mit Verstärkungselementen 3 und der Herstellung der Kraftfahrzeug-Strukturbauteile 1 möglich.

1: Kraftfahrzeug-Strukturbauteil
2: Grundkörper
3: Verstärkungselement
4: Klebstoffschicht
5: Setzbolzen
5a: Setzbolzen
5b: Setzbolzen
5c: Setzbolzen
6: Bolzenschaft
6a: Bolzenschaft
6b: Bolzenschaft
6c: Bolzenschaft
7: Klebstoffauftragsstation
8: Fixierpresse
9: Aufnahmewerkzeug
10: Aufnahme
11: Ausnehmung
12: Handlingroboter
13: Anschlag
14: Roboter
15: Bolzensetzeinrichtung
16: Setzstation
17: Handlingroboter
18: Bohrung
19: Erweiterung
20: Mündung
21: Stufe
22: Schrägfläche
23: Bolzenkopf
24: Profilierung
25: Widerlagerkörper
26: Einführöffnung
27: Widerlagerkörper
28: Rastlamellen
29: Sollbruchstelle
30: Trenneinheit
31: Bolzensetzeinheit
32: Oberwerkzeug
33: Oberwerkzeug
D: Durchmesser
D1: Durchmesser
D2: Durchmesser
F: Kraft
K: Klebstoff
: Radius
α: Winkel
d: Durchmesser v. 6

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4307563 C2 [0003]
- DE 10049660 A1 [0003]

Claims

Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise eine B-Säule, ein Schweller oder ein Stoßfängerquerträger, welches einen Grundkörper (2) aus Metallblech aufweist, wobei der Grundkörper (2) partiell mit zumindest einem Verstärkungselement (3) versehen ist, welches mit dem Grundkörper (2) verklebt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) und das Verstärkungselement (3) mittels Setzbolzen (5, 5a–5c) ohne Vorlochen fixiert sind.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) schalenförmig konfiguriert ist und das Verstärkungselement (3) flächig am Grundkörper (2) anliegt.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Metall besteht.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (3) aus Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, besteht.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (3) aus Metall besteht.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzbolzen (5a–5c) einen profilierten Bolzenschaft (6a–6c) besitzt.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Setzbolzen (5a, 5b) durch einen mit dem Bolzenschaft (6a, 6b) zusammenwirkenden Widerlagerkörper (25, 27) gesichert sind.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzbolzen (5c) einen Bolzenschaft (6c) mit einer Sollbruchstelle (29) aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen ist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Anbauteile mittels Setzbolzen ohne Vorlochen mit dem Grundkörper gefügt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1) für ein Kraftfahrzeug, welches einen Grundkörper (2) aus Metallblech aufweist und der Grundkörper (2) partiell mit zumindest einem Verstärkungselement (3) versehen ist, welches mit dem Grundkörper (2) verklebt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Zuführen des Verstärkungselements (3) zu einer Klebstoffauftragsstation (7); – Auftragen von Klebstoff (K) auf das Verstärkungselement (3); – Zuführen des Verstärkungselements (3) zu einem Aufnahmewerkzeug (9) und Positionieren des Verstärkungselements (3) in dem Aufnahmewerkzeug (9); – Zuführen des Grundkörpers (2) zum Aufnahmewerkzeug (9) und Positionieren des Grundkörpers (2) in dem Aufnahmewerkzeug (9); – Aneinanderpressen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3); – Fixierung von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3) durch Setzbolzen (5, 5a–5c), wobei die Setzbolzen (5, 5a–5c) ohne Vorlochen durch den Grundkörper (2) und das Verstärkungselement (3) getrieben werden; – Entnahme des Strukturbauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmewerkzeug (9) Bestandteil einer Fixierpresse (8) ist und das Eintreiben der Setzbolzen (5, 5a–5c) in der Fixierpresse (8) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintreiben der Setzbolzen (5, 5a–5c) in einer Setzstation (16) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenschäfte (6) der Setzbolzen (5, 5a–5c) beim Eintreiben den Grundkörper (2) und das Verstärkungselement (3) durchdringen und in jeweils eine Ausnehmung (11) im Aufnahmewerkzeug (9) eintauchen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Setzbolzen (5a, 5b) nach dem Eintreiben durch einen Widerlagerkörper (25, 27) gesichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenschäfte (6c) der Setzbolzen (5c) nach dem Eintreiben gekürzt werden.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch ein Aufnahmewerkzeug (9) zur Aufnahme des Verstärkungselements (3) und des Grundkörpers (2) sowie eine Bolzensetzeinrichtung (15) zum Verbinden des Verstärkungselements (3) mit dem Grundkörper (2) durch Setzbolzen (5, 5a–5c), wobei im Aufnahmewerkzeug (9) Ausnehmungen (11) vorgesehen sind, in welche die Bolzenschäfte (6, 6a–6c) der Setzbolzen (5, 5a–5c) beim Setzen eintauchen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzensetzeinrichtung (15) Bolzensetzeinheiten (31) aufweist, welche in einer Fixierpresse (8) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzensetzeinheiten (31) im Oberwerkzeug (32) der Fixierpresse (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (11) mündungsseitig eine Erweiterung (19) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Montageeinheit zum Fixieren von Widerlagerkörpern (25, 27) auf den Bolzenschäften (6a, 6b) der Setzbolzen (5a, 5b) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinheit (30) zum Einkürzen der Bolzenschäfte (6c) der Setzbolzen (5c) vorgesehen ist.