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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe bestehend aus einer Außenschale und einem mit der Außenschale verbundenen Strukturbauteil, sowie zwei Verfahren für die Herstellung einer derartigen Baugruppe.
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Einsatzgebiete einer derartigen Baugruppe finden sich insbesondere im Fahrzeugbereich. Moderne Fahrzeugkonzepte und Fahrzeugkonstruktionen weisen eine Vielzahl von Bereichen oder Hohlräumen auf, die abgedichtet werden müssen, um den Eintritt von Feuchtigkeit und Verschmutzungen zu verhindern, da diese zur Korrosion an den entsprechenden Karosserieteilen von innen heraus führen kann. Dies trifft insbesondere auch auf moderne selbsttragende Karosseriekonstruktionen zu, bei denen Rahmenkonstruktion oder auch so genannte ”space frames” eingesetzt werden. Da diese Hohlräume außerdem Luftschall in Form von unangenehmen Fahrzeuglauf- und Windgeräuschen weiterleiten, dienen derartige Abdichtmaßnahmen auch zur Minderung der Geräusche und damit zur Erhöhung des Fahrkomforts im Fahrzeug. Zudem ist eine Verstärkung derartiger Bereiche in vielen Fällen notwendig. Bei herkömmlicher Bauweise werden diese Außenschalen, wie beispielsweise Rahmen- und Karosserieteile aus halbschaligen Bauteilen vorgefertigt, die zu einem späteren Zeitpunkt durch Schweißen, Bördeln und/oder Kleben zu dem im Wesentlichen geschlossenen Profil gefügt werden. Bei derartiger Bauweise ist der Bereich oder Hohlraum im frühen Aufbauzustand einer Fahrzeugkarosserie also leicht zugänglich, so dass abdichtende, verstärkende und akustisch dämpfende Strukturbauteile in dieser frühen Phase des Rohbaus durch mechanisches Einhängen, durch Einstecken in entsprechende Haltevorrichtungen, Bohrungen oder durch Anschweißen fixiert werden können.
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Strukturbauteile, die eine abdichtende und/oder akustische Wirkung in derartigen Hohlräumen bewirken sind auch als Schottteile bekannt und werden im angelsächsischen Sprachgebrauch auch ”pillar filler” oder ”baffles” oder auch ”acoustic baffles” genannt. Sie bestehen in der Regel entweder vollständig aus thermisch expandierbaren Formkörpern oder sehr häufig aus Formkörpern, die einen Träger und in ihrem Peripheriebereich expandierbare polymere Bindemittel enthalten. Diese Schottteile werden dann im Rohbau durch Einhängen oder Einclipsen an den zu diesem Zeitpunkt noch offenen Baustrukturen befestigt. Nach dem Schließen der Baustrukturen im Rohbau und den weiteren Vorbehandlungen der Karosserie wird dann die Prozesswärme der Öfen zur Aushärtung der kathodischen Tauchlackierung (KTL bzw. E-coat) ausgenutzt, um die Expansion des expandierbaren Teils des Schottteils auszulösen um somit den Querschnitt des Hohlraums abzudichten.
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Die
WO 01/83 206 A1 beschreibt ein Schottteil zur Verwendung in dem Hohlraum eines strukturellen Bauteils einer Fahrzeugkarosse zur Dämpfung von akustischen Schallwellen und zur Versteifung des Bauteils quer zur Längsachse des strukturellen Bauteils. Das Schottteil besteht dabei aus einem Kunststoffträger mit einem Randbereich. In dem Randbereich ist ein kontinuierliches Band eines expandierbaren Materials angeordnet. Weiterhin soll der Träger ein Fixierungsmittel in Form eines Clips aufweisen, der in die dafür vorgesehenen Löcher in der Wandung des strukturellen Bauteils gesteckt werden soll. Problematisch bei dergleichen Schottteilen ist die Herstellung des Trägers mit angeformten Clips. Durch die Hinterschnitte der Clips ist ein hoher Fertigungsaufwand notwendig. Ferner können die Clips bei der Montage abbrechen, so dass eine Befestigung des Schottteiles an dem strukturellen Bauteil nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist die Ausrüstung des strukturellen Bauteils mit Öffnungen, in die die Clips eingreifen können. Die Ausrüstung des Bauteils mit Öffnungen geht mit einem weiteren Verfahrensschritt einher und kann das Bauteil schwächen und stellt mögliche Angriffspunkte für Korrosion bereit.
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Aus der
WO 2003/004 314 A1 ist eine Schalldämmungsvorrichtung bekannt, die in ein röhrenförmiges Teil, insbesondere ein Fahrzeugkarosserieteil eingesetzt werden kann. Diese Schalldämmungsvorrichtung weist einen Unterteilungseinsatz und einen Strang aus einer durch Wärme ausdehnbaren Zusammensetzung zur Bildung eines Schaums auf, wobei dieser Strang an den Umfang des Einsatzes angesetzt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zum Befestigen der Schalldämmungsvorrichtung an dem röhrenförmigen Teil vor dem Ausdehnen der Zusammensetzung. Hierfür ist ein metallischer Träger vorgesehen, der mit dem Einsatz verbunden und an das röhrenförmige Teil geschweißt wird. Durch den Einsatz eines metallischen Trägers wird ein weiteres Bauteil für die Schalldämmungsvorrichtung benötigt, welches die Kosten und den Produktionsaufwand erhöht.
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Die
US 2003/0 183 317 A1 offenbart ein mittels eines Strukturbauteils zu verstärkenden Bauteil. Das Bauteil besteht dabei aus zwei äußeren Wänden, die einen Raum umschließen sowie einer in dem Raum vorgesehenen weiteren Wand, welche randseitig mit den äußeren Wänden verbunden ist. In einem Zwischenraum zwischen einer äußeren Wand und der inneren Wand wird das ein schaumbares Material aufweisende Strukturbauteil eingeschoben. Im Anschluss wird das schaumbare Material aufgeschäumt. Ein wesentlicher Nachteil ist die Gefahr des Verrutschens des in dem Zwischenraum eingebrachten Sturkturbauteils, was die Verstärkungswirkung beeinflussen könnte.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Baugruppe bestehend aus einer Außenschale mit einem mit der Außenschale verbundenen Strukturbauteil bereitzustellen,. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung einer derartigen verbesserten Baugruppe.
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Die Aufgabe der Bereitstellung einer verbesserten Baugruppe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen angegeben.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe bestehend aus einer Außenschale und einem mit der Außenschale verbundenen Strukturbauteil einzusetzen, wobei das Strukturbauteil und die Außenschale zumindest bereichsweise beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei das Strukturbauteil einen Trägerbereich mit einem expandierbaren Strukturmaterial zur Abdichtung und/oder Dämpfung und/oder Dämmung und/oder Verstärkung der Außenschale aufweist und wobei das Strukturbauteil zumindest einen Verbindungsbereich aufweist, über welchen das Strukturbauteil zumindest bereichsweise mit der Außenschale über eine kraftschlüssige Verbindung verbunden ist, um die Lage des des mit dem Strukturmaterial versehenen Strukturbauteils relativ zur Außenschale zu fixieren.
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Die Außenschale der Baugruppe kann dabei insbesondere ein abzudichtender, zu dämmender oder zu verstärkender Hohlraum oder ein zu dämpfender, dämmender, abzudichtender oder zu verstärkender Bereich eines Kraftfahrzeugs sein. Dabei sind insbesondere eine A-Säule, eine B-Säule, eine C-Säule, ein Schweller, ein Ansatz eines Kotflügels sowie ein Kotflügelbereich und/oder eine Windschutzscheibenöffnungen denkbar. Diese und andere Außenschalen begrenzen zumindest bereichsweise einen Innen- oder Hohlraum, welcher mit einem Strukturbauteil ausgerüstet werden kann, um beispielsweise eine Abdichtung gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und Verschmutzungen, eine Abdichtung gegen die Weiterleitung von Luftschall in Form von unangenehmen Fahrzeuglauf- und Windgeräuschen zu gewährleisten oder eine Minderung der Geräusche und damit zur Erhöhung des Fahrkomforts im Fahrzeug zu erreichen. Zudem ist eine Verstärkung und/oder Abdichtung und/oder Dämpfung und/oder Dämmung von Außenschalen in Form von flächigen Bereichen, wie beispielsweise Fahrzeugtüren, Dach- oder Bodenflächen oder sonstigen Bereichen im Fahrzeugbau denkbar. Auch kann sich eine erfindungsgemäße Baugruppe in der Luftfahrt oder im Maschinen- und Anlagenbau wieder finden.
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Durch den Einsatz einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Außenschale und Strukturbauteil können viele Vorteile erreich werden. Einwirkungen auf die Außenschale, beispielsweise bei der Herstellung einer Schweiß- oder Lötverbindung zu Bereitstellung einer herkömmlichen Verbindung zwischen Außenschale und Strukturbauteil, können durch den Einsatz einer kraftschlüssigen Verbindungstechnik vermieden werden. Zudem werden keine Hilfsstoffe, wie beispielsweise Klebstoff oder mechanische Befestigungselemente, wie beispielsweise Clips, Schrauben oder Nieten zur Befestigung verwendet. Auch kann auf eine Bearbeitung der Außenschale für eine Befestigung des Strukturteils, beispielsweise auf Stanzen oder Bohren von Löchern, verzichtet werden. Dies kann Kosten sparen und es kann eine mögliche Beeinflussung der Festigkeit oder sonstigen Eigenschaften der Außenschale, wie es beispielsweise durch das Schweißen oder das Versehen mit Löchern geschieht, verhindert werden.
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Vorzugsweise kommt als kraftschlüssige Verbindungstechnik eine Klemmverbindung zwischen Strukturbauteil und Außenschale zum Einsatz. Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Verbindung mit dem Strukturbauteil bei der vollständigen oder teilweisen Montage der Außenschale. Zum Einsatz kommende Außenschalen, wie beispielsweise Rahmen- und Karosserieteile werden vorzugsweise aus mehreren, meist halbschaligen Bauelementen vorgefertigt. Diese können zu einem späteren Zeitpunkt insbesondere durch Schweißen, Bördeln und/oder Kleben zu der Außenschale gefügt werden. Vorzugsweise erfolgt die kraftschlüssige Verbindung des Strukturbauteils mit der Außenschale bei der Montage der Außenschale aus mehreren Bauelementen, indem beispielsweise das Strukturbauteil zwischen zwei Bauelementen eingeklemmt wird. Denkbar ist auch der Einsatz eines umformenden Fertigungsverfahrens zur Bereitstellung der Außenschale, wobei das Strukturbauteil bei der Umformung mit der Außenschale verbunden wird. Insbesondere durch Falzen oder Abkanten eines Bauelementes der Außenschale oder einer einteiligen Außenschale selbst kann dass Strukturbauteil bei dem Umformverfahren zwischen den umzuformenden Bereich eingelegt und durch die Umformung, beispielsweise durch eine Klemmverbindung, kraftschlüssig mit der Außenschale verbunden werden.
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Erfindungsgemäß weist das Strukturbauteil zur Abdichtung und/oder Dämmung und/oder Dämpfung und/oder Verstärkung der Außenschale ein expandierbares Material auf. Dieses ist vorzugsweise in dem Bereich des Strukturbauteils vorgesehen, welches sich beabstandet von der Außenschale befindet. Das Strukturbauteil dient als Träger für das expandierende Material; welches nach der Expansion zusammen mit dem Strukturbauteil die Abdichtung und/oder die Dämpfung und/oder die Dämmung und/oder die Verstärkung der Außenschale bewirken kann. Das expandierbare Material kann insbesondere mehrkomponentig sein und durch den Einsatz von einer oder weiteren Komponenten expandieren.
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Besonders bevorzugt ist dabei der Einsatz eines thermisch expandierbaren Materials, welches bei Wärmeeinwirkung expandiert. Dabei können insbesondere geeignete polymere Basisbindemittel zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Ethylenvinylacetat-Copolymere (EVA), Copolymere des Ethylens mit (Meth)-acrylatestern, die gegebenenfalls noch anteilig (Meth)acrylsäure einpolymerisiert enthalten, statistische oder Blockcopolymere des Styrols mit Butadien oder Isopren oder deren Hydrierungsprodukte. Letztere können auch Triblockcopolymere vom Typ SBS, SIS oder deren Hydrierungsprodukte SEES oder SEPS sein. Zusätzlich können die Bindemittel noch Vernetzer, Haftvermittler, klebrigmachende Harze („tackifier”), Weichmacher sowie weitere Hilfs- und Zusatzstoffe wie z. B. niedermolekulare Oligomere enthalten. Zur Erzielung einer ausreichenden Treibfähigkeit und Expansionsfähigkeit enthalten diese polymeren Bindemittel noch Treibmittel. Als Treibmittel eignen sich im Prinzip alle bekannten Treibmittel wie z. B. die ”chemischen Treibmittel” die durch Zersetzung Gase freisetzen oder ”physikalische Treibmittel”, d. h. expandierende Hohlkugeln. Beispiele für die erstgenannten Treibmittel sind Azobisisobutyronitril, Azodicarbonamid, Di-Nitrosopentamethylentetramin, 4,4'-Oxybis(benzolsulfonsäurehydrazid), Diphenylsulfon-3,3'-disulfohydrazid, Benzol-1,3-disulfohydrazid, p-Toluolsulfonylsemicarbazid. Beispiele für die physikalischen Treibmittel sind expandierbare Kunststoffmikrohohlkugeln auf der Basis von Polyvinylidenchloridcopolymeren oder Acrylnitril/-(Meth)acrylat-Copolymeren, wie sie z. B. unter den Namen ”Dualite” bzw. ”Expancel” von den Firmen Pierce & Stevens bzw. Casco Nobel im Handel erhältlich sind.
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Insbesondere eignet sich der Einsatz eines dämpfenden Materials als Dämpfungsmittel, wie es in der internationalen Patentanmeldung
WO 2009/036 784 A1 beschrieben wird. Für die das dämpfende Material betreffenden Aspekte darf auf das genannte Dokument verwiesen werden, deren Offenbarungsgehalt insoweit die Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung ergänzt.
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Die Aktivierung und Expansion des expansionsfähigen Materials kann vorzugsweise unter Ausnutzung der Prozesswärme eines KTL-Ofens zur Aushärtung der kathodischen Tauchlackierung beispielsweise einer Kraftfahrzeugskarosserie erfolgen. Selbstverständlich ist auch eine gesonderte Einwirkung von Wärme zur Expansion des expansionsfähigen Materials denkbar.
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Zur Befestigung des Strukturbauteils vor der Expansion des expansionsfähigen Materials wird das vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial bestehende Strukturbauteil mit der Außenschale mittels der oben beschriebenen kraftschlüssigen Verbindung verbunden. Diese Verbindung dient in erster Linie der Fixierung der Lage des Strukturbauteils relativ zur Außenschale vor der endgültigen Fixierung durch die Expansion des expansionsfähigen Materials im Sinne einer Montagehalterung. Für diese Verbindung sind keine Bohrungen, Ausschnitte oder Durchbrüche in der Außenschale notwendig, welche beispielsweise die Korrosion begünstigen oder das Material schwächen könnten.
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Erfindungsgemäß ist das Strukturbauteil dabei ferner mit zumindest einem Trägerbereich für das Strukturmaterial und zumindest einem Verbindungsbereich ausgerüstet, über welches das Strukturbauteil mit der Außenschale verbunden ist. Der Trägerbereich kann dabei insbesondere als C- oder U-förmiger Kanal ausgestaltet sein, um das Strukturmaterial sicher aufzunehmen und möglicherweise dem Strukturmaterial eine Expansionsrichtung vorzugeben. Der Verbindungsbereich ist für die kraftschlüssige Verbindung mit der Außenschale vorgesehen und ist vorzugsweise flächig ausgestaltet und kann derart gestaltet sein, dass er wenigstens bereichsweise parallel zu mindestens einer Fläche der Außenschale im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung verläuft, um eine möglichst große Haftkraft für eine sichere Verbindung der beiden Bauteile miteinander bereitzustellen.
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Besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines Strukturbauteils erwiesen, welches zumindest im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung mit der Außenschale flächig gestaltet ist, um eine gute Angriffsfläche für die kraftschlüssige Verbindung bereitzustellen. Vorzugsweise ist die Außenschale in diesem Bereich ebenfalls flächig gestaltet. Besonders vorteilhaft ist zudem eine wenigstens bereichsweise im Wesentlichen parallele Lage des flächigen Bereichs des Strukturbauteils und des flächigen Bereichs der Außenschale, jeweils im Bereich der Verbindung. Durch die flächige Gestaltung des Strukturbauteil im Verbindungsbereichs kann eine besonders gute Angriffsmöglichkeit für die kraftschlüssige Verbindung bereitgestellt werden, da der Zusammenhalt der Verbindung durch die Haftkraft zwischen den Verbindungsflächen gewährleistet wird. Da die zu übertragenden Kräfte bei der kraftschlüssigen Verbindung tangential zu den Verbindungsflächen des Strukturbauteils und der Außenschale auftreten und auf das Strukturbauteil einwirkende Zugkräfte nur übertragen werden können, solange die Haftkraft größer oder gleich ist als die Zugkraft, ist eine flächige Gestaltung des Verbindungsbereichs des Strukturbauteils und vorzugsweise auch des Verbindungsbereichs der Außenschale besonders sinnvoll, um die Haftkraft zwischen den Verbindungsbereichen zu erhöhen.
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Ein weiterer Vorteil ist der Einsatz einer Baugruppe, wobei die Außenschale aus mindestens zwei Bauelementen mit wenigstens jeweils einem Fügebereich besteht. Die Bauelemente sind dabei über die Fügebereiche zur Bereitstellung der Außenschale über eine Fügestelle miteinander verbunden. Insbesondere im Fahrzeugbereich werden derartige Außenschalen aus einzelnen Bauelementen vorgefertigt, die zu einem späteren Zeitpunkt durch Schweißen, und/oder Bördeln und/oder Kleben zu der Außenschale gefügt werden. Die Außenschale kann in diesem Fall mindestens bereichsweise einen Raum umschließen. Bei derartiger Bauweise ist der Raum der Außenschale im frühen Aufbauzustand also leicht zugänglich, um Strukturbauteile in dieser frühen Phase des Baus einfach an ihre Zielposition relativ zur Außenschale, insbesondere innerhalb des Raums, bringen zu können, bevor die einzelnen Bauelemente zu der Außenschale gefügt werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Strukturbauteil im Bereich der Fügestelle zwischen den beiden Bauelementen vorzusehen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Montagefixierung zwischen Strukturbauteil und Bauelementen bis zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung mit der Außenschale bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei das kraftschlüssige verbinden des Strukturbauteil zumindest im Bereich der Fügestelle der Bauelemente, zur Bereitstellung der Verbindung des Strukturbauteils mit der Außenschale. Bei der Fügung der Bauelemente zur Bereitstellung der Außenschale kann so vorzugsweise in einem Arbeitsschritt zusammen mit der Fügung eine Verbindung des Strukturbauteils an der Außenschale bereitgestellt werden. Dies spart einen gesonderten Arbeitsschritt zur Befestigung des Strukturbauteils und ist daher kostengünstiger als herkömmliche Verfahren.
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Dabei wird das Strukturbauteil vorzugsweise derart zwischen mindestens zwei zu fügende Bauelemente gelegt, dass mittels der Fügung der Bauelemente zur Herstellung der Außenschale, insbesondere durch Schweißen und/oder Bördeln und/oder Kleben, das Strukturbauteil zwischen den mindestens zwei Bauelementen eingeklemmt wird. Diese Klemmverbindung im Bereich der Fügestelle stellt dann die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Außenschale und dem Strukturbauteil bereit.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe bestehend aus einer Außenschale und einem mit der Außenschale verbundenen Strukturbauteil, bei dem zunächst zwei Bauelementen mit mindestens jeweils einem Fügebereich bereitgestellt werden, die im miteinander gefügten Zustand die Außenschale bilden. Anschließend wird das Strukturbauteil mit einem Verbindungsbereich und einem Trägerbereich bereitgestellt, wobei der Trägerbereich ein expandierbares Strukturmaterial aufweist. Das Strukturbauteil wird mit seinem Verbindungsbereich zwischen die zwei Bauelemente im Bereich der Fügebereiche der Bauelemente eingelegt, wobei das Strukturbauteil zumindest am Trägerbereich beabstandet von zumindest einer Innenwand eines Bauelementes ist. Folgend wird eine kraftschlüssige Verbindung des Strukturbauteils mit der Außenschale durch Fügen der Bauelemente an den Fügebereichen zur Bereitstellung der Außenschale bereitgestellt, um die Lage des des mit dem Strukturmaterial versehenen Strukturbauteils relativ zur Außenschale zu fixieren. Im Anschluss erfolgt eine Expansion des Strukturmaterials zum mindestens bereichsweisen Ausfüllen des durch den Trägerbereich und der zumindest einer Innenwand entstandenen Raumes. Vorzugsweise kommt dabei ein thermisch expandierendes Strukturmaterial zum Einsatz, welches beispielsweise unter Ausnutzung der Prozesswärme eines Ofens expandiert, insbesondere eines KTL-Ofens zur Aushärtung der kathodischen Tauchlackierung beispielsweise einer Kraftfahrzeugskarosserie.
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Alternativ zu dem beschriebenen Verfahren ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe bestehend aus einer Außenschale und einem mit der Außenschale verbundenen Strukturbauteil, bei dem zunächst die Außenschale mit einem Umformbereich bereitgestellt wird. Der Umformbereich ist dabei ein Bereich, an dem die Außenschale im weiteren Verfahren durch ein umformendes Fertigungsverfahren bearbeitet wird. Beispielsweise ist es denkbar, dass es sich bei der Außenschale um ein flächiges Material handelt, welches am Umformbereich derart gefalzt oder abgekantet wird, dass beispielsweise am Umformbereich ein Bereich entsteht, an dem das flächige Material der Außenschale nach dem umformenden Fertigungsverfahren überlappend ausgebildet ist. Im Folgenden wird das Strukturbauteils mit einem Verbindungsbereich und einem Trägerbereich bereitgestellt, wobei der Trägerbereich ein expandierbares Strukturmaterial aufweist. Folgend wird das Strukturbauteil mit dem Verbindungsbereich im Bereich des Umformbereiches eingelegt oder bereitgestellt, wobei das Strukturbauteil zumindest am Trägerbereich beabstandet von zumindest einer Innenwand der Außenschale ist. Dieser durch den Abstand zwischen Trägerbereich von zumindest einer Innenwand eines Bauelementes vorgesehene Raum kann in einem späteren Verfahrensschritt mindestens bereichsweise durch das expandierte Strukturmaterial ausgefüllt werden. Zuvor wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Strukturbauteil und der Außenschale hergestellt, indem die Außenschale im Umformbereich umgeformt wird, um die Lage des des mit dem Strukturmaterial versehenen Strukturbauteils relativ zur Außenschale zu fixieren. Beispielsweise kann das Strukturbauteil von gefalzten oder abgekanteten Flächen der Außenschale eingeklemmt werden, wobei die Klemmverbindung die kraftschlüssige Verbindung zwischen Strukturbauteil und Außenschale bereitstellt. Sodann erfolgt eine Expansion des Strukturmaterials zum mindestens bereichsweisen Ausfüllen des durch den Trägerbereich und der zumindest einen Innenwand entstandenen Raumes. Dieses Expandieren des Strukturmaterials fixiert die Lage des Strukturbauteils relativ zur Außenschale endgültig und kann, insbesondere zusammen mit dem Strukturbauteil selbst, eine Dämmung und/oder eine Dämpfung und/oder eine Abdichtung und/oder eine Verstärkung der Außenschale bereitstellen. Auch hier kommt vorzugsweise ein thermisch expandierendes Strukturmaterial zum Einsatz, welches beispielsweise unter Ausnutzung der Prozesswärme eines Ofens expandiert, insbesondere eines KTL-Ofens zur Aushärtung der kathodischen Tauchlackierung beispielsweise einer Kraftfahrzeugskarosserie.
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Einige besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1 geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einer Außenschale und einem Strukturbauteil,
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2 eine geschnittene Seitenansicht der Baugruppe aus 1 nach einer Umformung der Außenschale,
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3 eine geschnittene Seitenansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Baugruppe mit einer Außenschale und einem Strukturbauteil,
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4 eine geschnittene Seitenansicht der Baugruppe aus 3 mit einem Strukturmaterial in expandiertem Zustand,
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5 eine perspektivische Ansicht eines einen Teil einer Außenschale bildenden Bauelementes für eine weitere Alternative einer erfindungsgemäßen Baugruppe,
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6 eine perspektivische Ansicht des Bauelementes aus 5 mit einem befestigten Strukturbauteil,
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7 eine perspektivische Ansicht einer Außenschale bestehend aus dem Bauelement aus 5 und einem weiteren Bauelement.
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1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe 1, diese kann insbesondere ein Teil einer Fahrzeugkarosserie sein. Dabei können die Karosseriebereiche einen durch eine Außenschale 2 zumindest bereichsweise umgrenzten und abzudichtenden Innen- oder Hohlraum 3 bereitstellen in die ein Strukturbauteil 13 zur Abdichtung und/oder Dämpfung und/oder Verstärkung eingesetzt werden kann. Als Außenschale 2 kommen insbesondere eine A-Säule, eine B-Säule, eine C-Säule, ein Schweller, ein Ansatz eines Kotflügels an einem Radhaus sowie ein vorderer Kotflügelbereich links und rechts von einem Motorraum in Frage. Die Außenschale 2 der Baugruppe 1 besteht aus einem ersten Bauelement, einer Metallfläche 4. Selbstverständlich ist es auch möglich die Außenschale aus einem nicht metallischen Werkstoff auszubilden. Das Strukturbauteil 13 ist zumindest bereichsweise von der Innenwand der Metallfläche 4 beabstandet angeordnet, so dass der Hohlraum 3 im Wesentlichen von der Metallfläche 4 und dem Strukturbauteil 13 definiert wird. Die Metallfläche 4 weist eine Öffnung 11 auf über die das Strukturbauteil 13 an der einen Seite mittels eines Befestigungsmittels 19 mit der Metallfläche 4 verbunden ist. Derartige Befestigungsmittel 19, insbesondere Clips oder Schrauben, sind hinlänglich bekannt und bedürfen keiner weiteren Beschreibung. Selbstverständlich sind auch weitere oder alternative Befestigungsmöglichkeiten, insbesondere eine Verklebung oder eine Verschweißung des Strukturbauteils 13 an der Metallfläche 4 denkbar. An der anderen Seite weist das Strukturbauteil 13 einen Verbindungsbereich 18 auf, mit welchem selbiges an einem Umformbereich 6 der Metallfläche 4 anliegt und/oder selbigen insbesondere tangential berührt. An dem Umformbereich 6 wird die Metallfläche 4 in einem weiteren Verfahrensschritt umgeformt. Zudem weist das Strukturbauteil 13 einen Trägerbereich 16 auf, der zur Aufnahme eines expandierbaren Strukturmaterials 15, beispielsweise eines thermisch expandierbaren Strukturschaumes, vorgesehen ist. Das Strukturmaterial 16 ist im Bereich des Hohlraumes 3 vorgesehen und kann im unexpandierten zustand an der Innenwand der Metallfläche 4 anliegen. Das Strukturmaterial 15 dient zur zumindest teilweisen Ausfüllung des Hohlraumes 3 nach einer Expansion des Strukturmaterials 15 und/oder zur Verklebung des Strukturbauteils 13 mit der Metallfläche 4, also der Außenschale 2, insbesondere um selbige abzudichten und/oder zu dämmen und/oder zu verstärken. Um dem Strukturmaterial 15 eine Expansionsrichtung vorzugeben sind am Trägerbereich 16 des Strukturbauteils 13 Führungsmittel 17 vorgesehen. Diese können insbesondere als U- oder C-förmiger Kanal ausgestaltet sein und eine Expansion des Strukturmaterials 15 in alle Richtungen verhindern sowie eine bevorzugte Expansionsrichtung des Strukturmaterials 15 bereitstellen.
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Das Strukturbauteil 13 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, beispielsweise aus Polyamid 6.6. Derartige Strukturbauteile 13 lassen sich beispielsweise kostengünstig durch Spritzguss fertigen, wobei in einem ersten Schritt das Strukturbauteil 13 selbst bestehend aus Verbindungsbereich 18 und Trägerbereich 16 sowie etwaiger Verbindungsmittel 19 durch Injektion eines thermoplastischen Werkstoffes in eine Spritzgussform hergestellt wird. Die beiden Hälften der Spritzgussform werden im Anschluss zur Entformung auseinander gezogen. In einem zweiten Arbeitsschritt kann dann in einer zweiten geeigneten Spritzgussform das thermisch expansionsfähige Strukturmaterial 15 beispielsweise in einen von den Führungsmitteln 17 begrenzten Kanal eingebracht werden.
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In der Praxis hat sich die Ausrüstung der Außenschale 2 mit Löchern für die Fixierung des Strukturbauteils 13 als schwierig erwiesen. Diese gehen mit kostenintensiven Bearbeitungsschritten der Außenschale 2 einher und können die Festigkeit der Außenschale 2 zudem schwächen. Auch andere Verbindungstechniken zur Fixierung der Lage des Strukturbauteils 13, wie beispielsweise das Schweißen oder das Kleben bedeuten zusätzliche Verfahrensschritte und/oder den Einsatz von Hilfsstoffen, was die Produktionskosten für eine derartige Baugruppe 1 weiter in die Höhe treibt. Ein weiteres Problem kann der Einsatz von Wärme zur Expansion des thermisch expandierenden Strukturmaterials 15 mit sich bringen, da das Strukturbauteil 13 selbst meist aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt wird und sich bei einer Wärmeeinwirkung verformen kann. Um diese Nachteile zu beseitigen und zur Schaffung einer kostengünstig herstellbaren Baugruppe 1 ist eine zusätzliche und/oder alternative Fixierung des Strukturbauteils 13 an der Außenschale 2 vorgesehen.
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Baugruppe 1 aus 1 nach einer Umformung des Umformbereichs 6 der Außenschale 2. Hierfür ist der Umformbereich 6 der Außenschale in einem umformenden Fertigungsverfahren abgekantet und/oder gefalzt worden. Diese Umformtechniken kommen insbesondere in der Karosserietechnik vielfach zum Einsatz, beispielsweise um die Festigkeit der Außenschale 2 zu erhöhen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der umformende Fertigungsschritt zur Fixierung des Strukturbauteils 15 in seiner Lage relativ zur Außenschale 2, also zur Metallfläche 4 genutzt. Durch die Umformung des Umformbereichs 6 entsteht eine Abkantung 9. Über den an dem Umformbereich 6 anliegenden Verbindungsbereich 18 des Strukturbauteils 13 ist nach der Umformung des Umformungsbereiches 6 ein überlappender Bereich 10 der Metallfläche 4 angeordnet. Durch die Umformung wird der Verbindungsbereich 18 zwischen der Metallfläche 4 und dem überlappenden Bereich 10 eingeklemmt, so dass eine kraftschlüssige Verbindung 14 zur Fixierung der Lager des Strukturbauteils 13 relativ zur Außenschale 2 bereitgestellt wird. Für diese Kraftschlüssige Verbindung 14 sind keine zusätzlichen Verfahrensschritte notwendig. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein ohnehin durchzuführender Verfahrensschritt, die Umformung der Außenschale 2, zur Lagefixierung des Strukturbauteils 13 ausgenutzt, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden können.
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3 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Baugruppe 1 mit einer Außenschale 2 und einem Strukturbauteil 13. Die Außenschale 2 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer ersten Metallfläche 4 und einer zweiten Metallfläche 7. Die Metallflächen 4, 7 umschließen bereichsweise den Hohlraum 3 in dem das Strukturbauteil 13 mit dem Strukturmaterial 15 angeordnet ist. Das Strukturbauteil 13 ist von den Innenwänden beider Metallflächen 4, 7 bereichsweise beabstandet angeordnet und weist zumindest in diesem Bereich das Strukturmaterial 15 auf. Zum Verbinden der beiden Metallflächen 4, 7 zur Bereitstellung der Außenschale 2 sind jeweils Fügebereiche 5, 8 vorgesehen. Das Strukturbauteil 13 liegt mit seinem Verbindungsbereich 18 im Bereich der Fügebereiche 5, 8 zwischen den Metallflächen 4, 7 an selbigen an. Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich 18 dabei flächig gestaltet. Durch Fügen der Metallflächen 4, 7 über eine Fügestelle 12, beispielsweise mittels bördeln, schweißen oder verkleben der Metallflächen, wird das Strukturbauteil 13 mit seinem Verbindungsbereich 18 zwischen den beiden Metallflächen 4, 7 eingeklemmt. Diese Klemm- oder Quetschverbindung stellt die kraftschlüssige Verbindung 14 zwischen dem Strukturbauteil 13 und der Außenschale 2, bereit, welche die Lage des Strukturbauteils 13 relativ zur Außenschale 2 sichert.
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4 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Baugruppe 1 aus 3 mit einem expandierten Strukturmaterial 15' beispielsweise unter Ausnutzung der Prozesswärme eines KTL-Ofens zur Aushärtung einer kathodischen Tauchlackierung einer Fahrzeugkarosserie. Das expandierte Material 15' füllt den Zwischen- oder Hohlraum 3 zwischen dem Strukturbauteil 13 und den Innenwänden der Metallflächen 4, 7 der Außenschale 2 bereichsweise aus und fixiert das Strukturbauteil 13 im Hohlraum 3. Dies kann insbesondere zu einer Abdichtung und/oder Dämmung und/oder einer Dämpfung und/oder Verstärkung der Außenschale 2 führen.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einen Teil einer Außenschale bildendes Bauelements in Form einer ersten Metallfläche 4 für eine weitere Alternative einer erfindungsgemäßen Baugruppe 1. Die Metallfläche 4 weist ein gewölbtes Profil auf. Innerhalb einer Wölbung 20 sind an der rechten Seite der Metallfläche zwei Öffnungen 11 vorgesehen, die zur Montage eines nicht gezeigten Strukturbauteils dienen. Zudem weist die Metallfläche 4 mehrere Fügebereiche 5 auf, um die Metallfläche 4 mit einem nicht gezeigten zweiten Bauelement zur Bereitstellung der Außenschale zu fügen.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Metallfläche 4 aus 5 mit dem daran befestigten länglichen Strukturbauteil 13. Das Strukturbauteil 13 ist dabei an seiner rechten Seite über mit den Öffnungen 11 korrespondierenden Befestigungsmitteln 19 an der Metallfläche 4 beispielsweise eingeclipst oder an dieser verschraubt. Das Strukturbauteil 13 erstreckt sich mit einem Arm von seiner Befestigung über die Wölbung 20 der Metallfläche 4 auf die linke Seite der Metallfläche 4. Das Strukturbauteil 13 ist zumindest im Bereich der Wölbung 20 beabstandet von der Innenwand der Metallfläche 4 und weist den Trägerbereich 16 zur Aufnahme des thermisch expandierbaren Strukturmaterials 15 auf. Das Strukturmaterial 15 kann bereits im nicht expandierten Zustand die Innenwand der Metallfläche 4 berühren. Bei einer Wärmeeinwirkung auf die Baugruppe 1 zur Expansion des Strukturmaterials 15 könnte sich der in Richtung der linken Seite der Metallfläche 4 erstreckende Arm des Strukturbauteils 13 ob der fehlenden Fixierung auf der linken Seite verformen, so dass eine zuverlässige Abdichtung und/oder Dämpfung und/oder Dämmung und/oder Verstärkung der Außenschale durch das Strukturbauteil 13 nicht sicher gewährleistet werden könnte. Um dies zu verhindern ist an dem freien Arm des Strukturbauteils 13 der Verbindungsbereich 18 vorgesehen, der an dem Fügebereich 5 der Metallfläche 4 anliegt. Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich 18 zumindest bereichsweise flächig gestaltet und ist in diesem Bereich parallel zur Metallfläche 4 vorgesehen und/oder berührt den Fügebereich 5 der Metallfläche 4 tangential.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Außenschale 2 bestehend aus der Metallfläche 4 aus 5 und einem weiteren Bauelement, der zweiten Metallfläche 7. Die Außenschale 2 umschließt bereichsweise einen Hohlraum in dem das Strukturbauteil 13 mit dem von der zweiten Metallfläche 7 verdeckten Strukturmaterial angeordnet ist. Die zweite Metallfläche 7 weist Fügebereiche 8 auf, die mit den Fügebereichen 5 der ersten Metallfläche 4 in Kontakt stehen. Dabei ist der verdeckte Verbindungsbereich des Strukturbauteils 13 zumindest bereichsweise zwischen dem Fügebereich 5 der ersten Metallfläche 4 und dem Fügebereich 8 der zweiten Metallfläche 7 angeordnet. Durch Bereitstellung der Fügestellen 12, beispielsweise mittels eines Punktschweißverfahrens, werden die Metallflächen 4, 7 miteinander zur Bereitstellung der Außenschale 2 verbunden. Das Strukturbauteil 13 wird dabei zwischen den beiden Metallflächen 4, 7 eingeklemmt. Diese Klemmverbindung stellt die kraftschlüssige Verbindung bereit, die eine Lagefixierung des Strukturbauteils 13, insbesondere bei einer Wärmeeinwirkung zur Expansion des Strukturmaterials, gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baugruppe
- 2
- Außenschale
- 3
- Hohlraum
- 4
- Metallfläche
- 5
- Fügebereich
- 6
- Umformbereich
- 7
- zweite Metallfläche
- 8
- zweiter Fügebereich
- 9
- Abkantung
- 10
- überlappender Bereich
- 11
- Öffnung
- 12
- Fügestelle
- 13
- Strukturbauteil
- 14
- kraftschlüssige Verbindung
- 15
- Strukturmaterial
- 15'
- expandiertes Strukturmaterial
- 16
- Trägerbereich
- 17
- Führungsmittel
- 18
- Verbindungsbereich
- 19
- Befestigungsmittel
- 20
- Wölbung
