DE102009042272B4 - Lightweight component, method for producing a lightweight component and motor vehicle with a lightweight component - Google Patents

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Abstract

Leichtbauteil, insbesondere Karosserieteil, aus Metallblech (4) mit einer Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff, wobei das Metallblech (4) stoffschlüssig mit einer Verstärkungsschicht (10) aus Kunststoff verbunden ist, die wiederum stoffschlüssig mit der Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (10) aus Kunststoff Verstärkungsfasern in Form von Endlosfasern enthält, und dass die Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff keine Verstärkungsfasern oder Verstärkungsfasern in Form von kurzen oder langen Fasern enthält.Lightweight component, in particular a body part, made of sheet metal (4) with a reinforcing structure (15) made of plastic, the metal sheet (4) being materially connected to a reinforcing layer (10) made of plastic, which in turn is materially connected to the reinforcing structure (15) made of plastic , characterized in that the reinforcing layer (10) made of plastic contains reinforcing fibers in the form of continuous fibers, and that the reinforcing structure (15) made of plastic contains no reinforcing fibers or reinforcing fibers in the form of short or long fibers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leichtbauteil, insbesondere ein Karosserieteil, aus Metallblech mit einer Verstärkungsstruktur aus Kunststoff. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Leichtbauteils. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Leichtbauteil, das insbesondere gemäß dem genannten Verfahren hergestellt ist.The invention relates to a lightweight component, in particular a body part, made of sheet metal with a reinforcement structure made of plastic. The invention also relates to a method for producing such a lightweight component. The invention also relates to a motor vehicle with such a lightweight component, which is produced in particular according to the method mentioned.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 370 342 B1 ist ein Leichtbauteil mit einem schalenförmigen Grundkörper bekannt, der aus Metallblech im Tiefziehverfahren herstellbar ist. Der Grundkörper umfasst einen Innenraum, der Verstärkungsrippen aufweist, die aus angespritztem Kunststoff bestehen und deren Verbindung mit dem Grundkörper an diskreten Verbindungsstellen über Durchbrüche im Grundkörper erfolgt. Der Grundkörper kann eine Überzugsschicht aufweisen, die aus dem gleichen Kunststoff wie die Verstärkungsrippen besteht, um den Grundkörper mit einer optisch ansprechenden Oberfläche zu versehen. Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2005 050 963 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils bekannt, das ein Basisteil und ein Verstärkungsteil aufweist, wobei das Verstärkungsteil derart ausgebildet wird, dass zumindest ein Kernelement aus einem ersten Material in vorgebbarer Weise in ein Matrixelement aus einem zweiten Material eingebracht wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 022 385 A1 ist ein Hybridbauteilherstellungsverfahren bekannt, bei dem ein Blechbauteil und ein Kunststoffeinlegebauteil separat hergestellt werden. An Verbindungselemente des Kunststoffeinlegebauteils wird eine Kunststoffkomponente angespritzt, die durch Erwärmung expandiert. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 34 28 128 A1 ist das Verfahren für ein Fahrzeug-Außenhautteil, das aus einem außen angeordneten Blech und einer tragenden Kunststoffstruktur besteht, bekannt. Dabei wird ein harzgetränktes Glasfaservlies auf das verformte Blechteil aufgelegt und formgepresst. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 30 11 336 A1 veröffentlicht ein Karosserieaußenhautteil aus Faserverbundwerkstoff, bei dem die äußere Seite aus Blech besteht und ein Verfahren zur Herstellung des Karosserieaußenhautteils. Auch hier wird das geformte Blech mit dem Faserverbundwerkstoff während des Pressvorgangs für den Faserverbundwerkstoff verbunden. Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2007 007 498 U1 offenbart ein Formteil, das einen Träger aus Kunststoff, eine Dekorschicht und eine nichtmetallische duktile Einlage umfasst. Diese duktile Einlage soll die Verformbarkeit des Formteils sicherstellen. In dem Tagungsband zum Berichts- und Industriekolloquium 2003 des SFB 396 aus dem Jahre 2003 von Prof. G. W. Ehrenstein, S. Amesöder, L. Fernändez Díaz, Prof. H. Niemann, und R. Deventer wird unter dem Titel „Werkstoff- und prozessoptimierte Herstellung flächiger Kunststoff- und Kunststoff-Metall-Verbundbauteile“ in „Robuste, verkürzte Prozessketten für flächige Leichtbauteile“ offenbart, dass einfach umgeformte, flächige Einlegeteile mit strukturierten Kunststoffverrippungen versteift und stabilisiert werdenFrom the European patent specification EP 0 370 342 B1 a lightweight component with a shell-shaped base body is known which can be produced from sheet metal in a deep-drawing process. The base body comprises an interior space which has reinforcing ribs which consist of injection-molded plastic and which are connected to the base body at discrete connection points via openings in the base body. The base body can have a coating layer, which consists of the same plastic as the reinforcing ribs, in order to provide the base body with a visually appealing surface. From the German patent specification DE 10 2005 050 963 B4 A method for producing a component is known which has a base part and a reinforcement part, the reinforcement part being designed such that at least one core element made of a first material is introduced into a matrix element made of a second material in a predeterminable manner. From the German Offenlegungsschrift DE 10 2007 022 385 A1 a hybrid component manufacturing method is known in which a sheet metal component and a plastic insert component are manufactured separately. A plastic component is injected onto the connecting elements of the plastic insert and expands when heated. From the German Offenlegungsschrift DE 34 28 128 A1 the method for a vehicle outer skin part, which consists of an externally arranged sheet metal and a supporting plastic structure, is known. A resin-impregnated glass fiber fleece is placed on the deformed sheet metal part and molded. The German Offenlegungsschrift DE 30 11 336 A1 publishes a body outer skin part made of fiber composite material, in which the outer side consists of sheet metal, and a method for producing the body outer skin part. Here, too, the formed sheet metal is connected to the fiber composite material during the pressing process for the fiber composite material. The German utility model DE 20 2007 007 498 U1 discloses a molded part comprising a carrier made of plastic, a decorative layer and a non-metallic ductile insert. This ductile insert is intended to ensure the deformability of the molded part. In the conference volume for the 2003 Report and Industry Colloquium of the SFB 396 from 2003 by Prof. GW Ehrenstein, S. Amesöder, L. Fernändez Díaz, Prof. H. Niemann, and R. Deventer, the title “Material and process-optimized Production of flat plastic and plastic-metal composite components ”in“ Robust, shortened process chains for flat lightweight components ”reveals that simply formed, flat insert parts are stiffened and stabilized with structured plastic ribs

können. Weiterer Stand der Technik findet sich in den Druckschriften DE 199 51 682 A1 und DE 60 2004 012 831 T2 . Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leichtbauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere im Hinblick auf das Verformungsverhalten und die Steifigkeit, zu verbessern und dabei die Fertigbarkeit aufrechtzuerhalten.can. Further prior art can be found in the publications DE 199 51 682 A1 and DE 60 2004 012 831 T2 . The object of the invention is to improve a lightweight component according to the preamble of claim 1, in particular with regard to the deformation behavior and the rigidity, while maintaining the manufacturability.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 9 und 12.This object is achieved according to the invention by the subjects of claims 1, 9 and 12.

Die Aufgabe ist bei einem Leichtbauteil, insbesondere einem Karosserieteil, aus Metallblech mit einer Verstärkungsstruktur aus Kunststoff, dadurch gelöst, dass das Metallblech stoffschlüssig mit einer Verstärkungsschicht aus Kunststoff mit Verstärkungsfasern in Form von Endlosfasern verbunden ist, die wiederum stoffschlüssig mit der Verstärkungsstruktur aus Kunststoff verbunden ist. Die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff besitzt aus Gründen der Fertigbarkeit keine Verstärkungsfasern in Form von Endlosfasern, sondern entweder keine Verstärkungsfasern oder Verstärkungsfasern in Form von kurzen oder langen Fasern. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ein Stahlblechfaserverbundbauteil in Hybridbauweise geschaffen. Die Verstärkungsschicht aus Kunststoff dient hauptsächlich dazu, das Metallblech flächig zu verstärken. Darüber hinaus wird durch die Verstärkungsschicht aus Kunststoff die Anbindung der Verstärkungsstruktur aus Kunststoff an das Metallblech durch die große Berührfläche verbessert. Das liefert den Vorteil, dass die Durchbrüche in dem Grundkörper, wie sie aus der vorab genannten europäischen Patentschrift EP 0370 342 B1 bekannt sind, entfallen können. Dadurch wird die Bearbeitung des Metallblechs erheblich vereinfacht und eine Schwächung des Metallblechs verhindert.In the case of a lightweight component, in particular a body part, made of sheet metal with a reinforcing structure made of plastic, the metal sheet is materially connected to a reinforcing layer made of plastic with reinforcing fibers in the form of continuous fibers, which in turn are materially connected to the reinforcing structure made of plastic . For reasons of manufacturability, the reinforcement structure made of plastic has no reinforcement fibers in the form of continuous fibers, but either no reinforcement fibers or reinforcement fibers in the form of short or long fibers. As a result, a sheet steel fiber composite component in hybrid construction is created in a simple manner. The reinforcement layer made of plastic is mainly used to reinforce the sheet metal over a large area. In addition, the reinforcement layer made of plastic improves the connection of the reinforcement structure made of plastic to the metal sheet due to the large contact surface. This provides the advantage that the openings in the base body, as they are from the aforementioned European patent EP 0370 342 B1 are known, can be omitted. This considerably simplifies the machining of the sheet metal and prevents the sheet metal from being weakened.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht aus Kunststoff Verstärkungsfasern enthält. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich vorzugsweise um Glas-, Aramid- und/oder Kohlefasern. Die Verstärkungsfasern in der Verstärkungsschicht liegen vorzugsweise in Form von Endlosfasern vor. Diese können beispielsweise unidirektional, bidirektional oder quasiisotrop angeordnet sein.A preferred exemplary embodiment of the lightweight component is characterized in that the reinforcing layer made of plastic contains reinforcing fibers. The reinforcing fibers are preferably glass, aramid and / or carbon fibers. The reinforcing fibers in the reinforcing layer are preferably in the form of continuous fibers. These can be arranged unidirectionally, bidirectionally or quasi-isotropically, for example.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht aus Kunststoff-eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umfasst, in welche die Verstärkungsfasern eingebettet sind. Die thermoplastische Kunststoffmatrixschicht vereinfacht die Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtbauteils. Die Verstärkungsfasern sind zum Beispiel in Form einer Matte, eines Gewebes oder eines Geleges in die Matrixschicht eingebettet. Die Verstärkungsschicht kann zum Beispiel aus einem Halbzeug aus Hybridgarn (Thermoplastfäden mit Verstärkungsfasern) oder in Form einer Platte vorgefertigt (Organoblech) und vor dem Verbinden mit dem Metallblech aufgeschmolzen werden.Another preferred exemplary embodiment of the lightweight component is characterized in that the reinforcement layer is made of plastic - a matrix made of a thermoplastic plastic comprises, in which the reinforcing fibers are embedded. The thermoplastic plastic matrix layer simplifies the production of the lightweight component according to the invention. The reinforcing fibers are embedded in the matrix layer, for example in the form of a mat, a fabric or a scrim. The reinforcement layer can, for example, be made from a semi-finished product made of hybrid yarn (thermoplastic threads with reinforcing fibers) or prefabricated in the form of a plate (organic sheet) and melted before connecting to the metal sheet.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff Verstärkungsfasern enthält. Bei den Verstärkungsfasern in der Verstärkungsstruktur handelt es sich vorzugsweise um Glasfasern. Dabei können kurze oder/und lange Fasern verwendet werden. Vorzugsweise werden in der Verstärkungsstruktur nur Langfasern verwendet. Another preferred exemplary embodiment of the lightweight component is characterized in that the reinforcement structure made of plastic contains reinforcement fibers. The reinforcing fibers in the reinforcing structure are preferably glass fibers. Short and / or long fibers can be used here. Preferably only long fibers are used in the reinforcement structure.

Endlosfasern hingegen sind für die Verstärkungsstruktur aus Gründen der Fertigbarkeit ungeeignet.Continuous fibers, on the other hand, are unsuitable for the reinforcement structure for reasons of manufacturability.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umfasst, in welche die Verstärkungsfasern eingebettet sind. Die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff wird vorzugsweise durch Extrudieren und anschließendes Pressen langfaserverstärkter Thermoplastmasse (LFT) hergestellt. Dabei ist die Verwendung eines Halbzeugs aus Stäbchengranulaten (mit Thermoplast getränkte oder ummantelte unidirektionale Glasfaserstränge, LFT-G) vorgesehen, oder eine Herstellung im Direktverfahren (LFT-D) bei dem Fasern und Thermoplast direkt ohne vorherige Herstellung eines Halbzeugs im Extruder verarbeitet werden. Diese Herstellungsverfahren können als Extrusionspressen bezeichnet werden. Die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff ist vorzugsweise als extrusionsgepresste Verstärkungsstruktur ausgeführt. Alternativ zum Extrusionspressen ist jedoch auch die Herstellung der Verstärkungsstruktur durch Spritzgießen denkbar.Another preferred exemplary embodiment of the lightweight component is characterized in that the reinforcement structure made of plastic comprises a matrix made of a thermoplastic plastic, in which the reinforcing fibers are embedded. The reinforcement structure made of plastic is preferably produced by extruding and then pressing long fiber-reinforced thermoplastic material (LFT). The use of a semi-finished product made of rod granules (unidirectional glass fiber strands, LFT-G, impregnated or sheathed with thermoplastic), or production in the direct process (LFT-D) in which fibers and thermoplastic are processed directly in the extruder without prior production of a semi-finished product is provided. These manufacturing processes can be referred to as extrusion molding. The reinforcement structure made of plastic is preferably designed as an extrusion-pressed reinforcement structure. As an alternative to extrusion molding, however, it is also conceivable to manufacture the reinforcement structure by injection molding.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff Rippen umfasst, die nicht parallel, sondern z.B. im Wesentlichen senkrecht, zu dem Metallblech angeordnet sind. Die Anordnung und Gestalt der Rippen ist vorzugsweise an eine zu erwartende Belastung des Leichtbauteils angepasst. In einem hochbelasteten Bereich des Leichtbauteils sind zum Beispiel mehr Rippen oder Rippen mit einer größeren Dicke angeordnet. In einem Bereich mit einer geringen Belastung des Leichtbauteils können auch gar keine Rippen angeordnet sein.Another preferred embodiment of the lightweight component is characterized in that the reinforcing structure made of plastic comprises ribs which are not arranged parallel, but, for example, essentially perpendicular to the metal sheet. The arrangement and shape of the ribs is preferably adapted to an expected load on the lightweight component. For example, more ribs or ribs with a greater thickness are arranged in a highly stressed area of the lightweight component. In an area with a low load on the lightweight component, no ribs at all can be arranged.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff Rippen umfasst, die kreuzweise miteinander verbunden sind. Die Rippen sind durch Pressen, insbesondere Extrusionspressen, vorzugsweise einstückig miteinander verbunden.Another preferred exemplary embodiment of the lightweight component is characterized in that the reinforcement structure made of plastic comprises ribs which are connected to one another in a crosswise manner. The ribs are preferably connected to one another in one piece by pressing, in particular extrusion pressing.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech, zum Beispiel durch Umformen so verformt ist, dass es einen Aufnahmeraum für die Verstärkungsschicht und für die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff aufweist. Bei dem Aufnahmeraum handelt es sich vorzugsweise um einen länglichen Aufnahmeraum des vorzugsweise ebenfalls länglichen Leichtbauteils. Das Metallblech wird vorzugsweise durch Tiefziehen, Warmumformen/ Presshärten oder Walzen umgeformt.Another preferred embodiment of the lightweight component is characterized in that the metal sheet is deformed, for example by reshaping, so that it has a receiving space for the reinforcement layer and for the reinforcement structure made of plastic. The receiving space is preferably an elongated receiving space of the preferably likewise elongated lightweight component. The metal sheet is preferably formed by deep drawing, hot forming / press hardening or rolling.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Leichtbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech aus Stahlblech oder Aluminiumblech gebildet ist. Das Metallblech kann auch verschiedene Metallschichten umfassen.Another preferred exemplary embodiment of the lightweight component is characterized in that the sheet metal is formed from sheet steel or sheet aluminum. The metal sheet can also comprise various metal layers.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Leichtbauteils ist die oben angegebene Aufgabe durch mindestens einen, insbesondere mehrere oder alle, der folgenden vorbereitenden Schritte gelöst, die einzeln oder in Gruppen in der beschriebenen Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können. Das Metallblech wird zum Beispiel durch Tiefziehen, Presshärten oder Walzen umgeformt. Zur Bildung der Verstärkungsstruktur wird zunächst ein faserverstärkter Thermoplast umgeformt, vorzugsweise extrudiert. Zur Bildung der Verstärkungsschicht wird zunächst ein flächiges Vorprodukt/ Halbzeug aus einer thermoplastischen Matrix mit Verstärkungsfasern erwärmt, um das Vorprodukt für die nachfolgende Formgebung weich und formbar zu machen. Dadurch wird die weitere Verarbeitung deutlich vereinfacht.In a method for producing a lightweight component described above, the object specified above is achieved by at least one, in particular several or all, of the following preparatory steps, which can be carried out individually or in groups in the order described or in a different order. The sheet metal is formed, for example, by deep drawing, press hardening or rolling. To form the reinforcement structure, a fiber-reinforced thermoplastic is first shaped, preferably extruded. To form the reinforcement layer, a flat pre-product / semi-finished product made of a thermoplastic matrix with reinforcing fibers is first heated in order to make the pre-product soft and malleable for the subsequent shaping. This significantly simplifies further processing.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist durch mindestens einen, insbesondere mehrere oder alle, der folgenden Schritte gekennzeichnet, die einzeln oder in Gruppen in der beschriebenen Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können. Das umgeformte Metallblech wird in eine Formhälfte eingelegt. Alternativ kann das umgeformte Metallblech auch selbst als Formhälfte verwendet werden. Das erwärmte flächige Vorprodukt wird auf das umgeformte Metallblech aufgebracht. Im erwärmten, das heißt aufgeschmolzenem, Zustand kann das flächige Vorprodukt auf einfache Art und Weise auf das Metallblech aufgebracht werden, wobei sich die Gestalt des flächigen Vorprodukts an die Gestalt des Metallblechs anpasst und daran haftet. Zwischen dem flächigen Vorprodukt und dem Metallblech kann eine haftverbessernde Klebeschicht angeordnet werden. Der extrudierte faserverstärkte Thermoplast wird auf dem erwärmten flächigen Vorprodukt angeordnet. Der faserverstärkte Thermoplast kann bevor oder nachdem das flächige Vorprodukt auf das umgeformte Metallblech aufgebracht wird, auf dem erwärmten flächigen Vorprodukt angeordnet werden. Danach wird eine weitere Formhälfte auf die erstgenannte Formhälfte oder auf das umgeformte Metallblech aufgelegt. Zum Erzeugen der Verstärkungsstruktur werden die beiden Formhälften beziehungsweise die Formhälfte und das umgeformte Metallblech gegeneinandergepresst.An exemplary embodiment of the method is characterized by at least one, in particular several or all, of the following steps, which can be carried out individually or in groups in the order described or in a different order. The formed sheet metal is placed in a mold half. Alternatively, the formed sheet metal can also be used as a mold half itself. The heated, flat preliminary product is applied to the formed metal sheet. In the heated, i.e. melted, state, the flat pre-product can be applied to the metal sheet in a simple manner, wherein the shape of the flat preliminary product adapts to the shape of the sheet metal and adheres to it. An adhesion-improving adhesive layer can be arranged between the flat preliminary product and the metal sheet. The extruded, fiber-reinforced thermoplastic is placed on the heated, flat preliminary product. The fiber-reinforced thermoplastic can be arranged on the heated, flat preliminary product before or after the flat preliminary product is applied to the formed metal sheet. Then another mold half is placed on the first-mentioned mold half or on the formed sheet metal. To produce the reinforcement structure, the two mold halves or the mold half and the formed sheet metal are pressed against one another.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst ein Leichtbauteil, bei dem nur die flächige Verstärkungsschicht im Warmpressverfahren mit oder ohne zusätzlichen Klebstoff mit dem umgeformten Metallblech verbunden wird. Die vorzugsweise rippenartige Verstärkungsstruktur, die vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Thermoplast besteht, wird hierbei im Spritzguss-Verfahren hergestellt.Another exemplary embodiment comprises a lightweight component in which only the flat reinforcing layer is connected to the formed metal sheet in the hot pressing process with or without additional adhesive. The preferably rib-like reinforcement structure, which preferably consists of glass fiber reinforced thermoplastic, is produced using the injection molding process.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem vorab beschriebenen Leichtbauteil, das insbesondere gemäß dem vorab beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Durch das erfindungsgemäße Leichtbauteil können unerwünschte Intrusionen bei einem Fahrzeugcrash verringert werden. Darüber hinaus werden das Verformungsverhalten und das Energieaufnahmeverhalten verbessert. Des Weiteren wird die Stabilität verbessert und die Versagungsempfindlichkeit bei einer Überbelastung verringert. Außerdem kann die Steifigkeit verbessert werden, wobei gleichzeitig eine Gewichtsreduktion erreicht werden kann.The invention further relates to a motor vehicle with a previously described lightweight component, which is produced in particular according to the previously described method. The lightweight component according to the invention can reduce undesired intrusions in the event of a vehicle crash. In addition, the deformation behavior and the energy absorption behavior are improved. Furthermore, the stability is improved and the susceptibility to failure in the event of overload is reduced. In addition, the rigidity can be improved, while a weight reduction can be achieved at the same time.

Durch die Verstärkungsschicht und die Verstärkungsstruktur aus Kunststoff kann der Querschnitt des Leichtbauteils, das vorzugsweise als horizontal verlaufender Längs- oder Querträger oder vertikal verlaufende Säule ausgeführt ist, stabilisiert werden. Ein frühzeitiges Versagen durch Instabilitäten, wie Beulen oder Knicken, wird durch die Verstärkungsschicht auf dem Metallblech sicher-verhindert. Die Anordnung und der Aufbau der Verstärkungsschicht, beispielsweise Lagenanzahl, Faserorientierung, Faseranteil, Faserwerkstoff, Matrixwerkstoff und Dicke, sowie die Gestaltung der Verstärkungsstruktur, zum Beispiel Rippengeometrie, -anzahl, -anordnung, -höhe und -dicke, Matrixmaterial, Fasermaterial, Faseranteil und Faserlänge, können entsprechend von auftretenden Belastungen, zum Beispiel anhand des Biegemomentenverlaufs, beanspruchungsgerecht ausgelegt werden. Gegenüber konventionellen Bauweisen werden zusätzliche Verstärkungsbleche eingespart. Funktionsteile, wie Halter oder Befestigungsmittel, können in die Verstärkungsstruktur integriert werden. Herkömmliche Abläufe in der Fertigung, insbesondere Fügeprozesse in der Rohbaufertigung, können beibehalten werden, wenn sich die Verstärkungen aus Kunststoff nicht im Flanschbereich des umgeformten Metallblechs befinden.The cross-section of the lightweight component, which is preferably designed as a horizontally extending longitudinal or cross member or vertically extending column, can be stabilized by the reinforcement layer and the reinforcement structure made of plastic. Premature failure due to instabilities such as dents or kinks is reliably prevented by the reinforcement layer on the metal sheet. The arrangement and structure of the reinforcement layer, for example number of layers, fiber orientation, fiber content, fiber material, matrix material and thickness, as well as the design of the reinforcement structure, for example rib geometry, number, arrangement, height and thickness, matrix material, fiber material, fiber content and fiber length , can be designed according to the loads that occur, for example on the basis of the bending moment curve. Compared to conventional construction methods, additional reinforcement plates are saved. Functional parts such as holders or fasteners can be integrated into the reinforcement structure. Conventional processes in production, in particular joining processes in body-in-white production, can be retained if the plastic reinforcements are not located in the flange area of the formed sheet metal.

Durch das partielle oder vollständige Schließen des Leichtbauteils zu einem Trägerprofil mit einem zusätzlichen Schließblech, das vorzugsweise aus einem umgeformten Metallblech besteht, können die Eigenschaften, wie Festigkeit und Steifigkeit, des Leichtbauteils weiter verbessert werden. Die Verbindung zwischen Schließblech und erfindungsgemäßem Leichtbauteil ist dabei durch konventionelle, aus der Rohbaufertigung bekannte, thermische und mechanische Fügetechniken vorgesehen. Besonders groß sind die Vorteile bezüglich Deformationsverhalten und Steifigkeit, wenn sind die Verstärkungsrippen des erfindungsgemäßen Leichtbauteils direkt, mit oder ohne zusätzliche Verklebung, auf dem Schließblech abstützen, so dass eine direkte Abstützung des Metallblechs des Leichtbauteils zum Schließblech stattfindet.The properties of the lightweight component, such as strength and rigidity, can be further improved by partially or completely closing the lightweight component to form a carrier profile with an additional strike plate, which preferably consists of a formed metal sheet. The connection between the strike plate and the lightweight component according to the invention is provided by conventional thermal and mechanical joining techniques known from the shell construction. The advantages in terms of deformation behavior and rigidity are particularly great if the reinforcing ribs of the lightweight component according to the invention are supported directly, with or without additional gluing, on the strike plate, so that the metal sheet of the lightweight component is supported directly on the strike plate.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines Leichtbauteils und die
  • 2 bis 4 verschiedene Schritte zum Herstellen des in 1 dargestellten Leichtbauteils.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing. Show it:
  • 1 a perspective view of a portion of a lightweight component and the
  • 2 to 4th different steps to make the in 1 shown lightweight component.

In den 1 und 4 ist ein Leichtbauteil 1 perspektivisch dargestellt. Das Leichtbauteil 1 umfasst ein Metallblech 4, das, vorzugsweise als Längsträgerprofil, Querträgerprofil oder Säulenprofil ausgeführt ist, von dem nur ein Abschnitt dargestellt ist. Das Metallblech 4 ist, zum Beispiel durch Tiefziehen, so umgeformt, dass es einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einer Basis 5 aufweist, von dem zwei Schenkel 6, 7 abgewinkelt sind. Von den freien Enden der Schenkel 6, 7 wiederum ist jeweils eine Lasche 8, 9 abgewinkelt. Bei dem Metallblech 4 handelt es sich vorzugsweise um ein Stahlblech oder Aluminiumblech. Die Basis 5 des Metallblechs 4 begrenzt zusammen mit den Schenkeln 6, 7 einen Aufnahmeraum 12, der auf der der Basis 5 gegenüberliegenden Seite offen ist.In the 1 and 4th is a lightweight component 1 shown in perspective. The lightweight component 1 comprises a metal sheet 4th , which is preferably designed as a longitudinal member profile, cross member profile or column profile, of which only a section is shown. The sheet metal 4th is formed, for example by deep drawing, so that it has a substantially U-shaped cross section with a base 5 has, of which two legs 6th , 7th are angled. From the free ends of the legs 6th , 7th again there is one tab 8th , 9 angled. At the sheet metal 4th it is preferably a sheet steel or aluminum sheet. The base 5 of sheet metal 4th limited together with the thighs 6th , 7th a recording room 12th that on the base 5 opposite side is open.

Das Metallblech 4 ist im Bereich des Aufnahmeraums 12 an der Basis 5 und den Schenkeln 6, 7 mit einer Verstärkungsschicht 10 versehen. Die Gestalt der Verstärkungsschicht 10 ist an die Gestalt des Metallblechs 4 mit dem U-förmigen Querschnitt angepasst. Die Laschen 8, 9 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht mit der Verstärkungsschicht 10 bedeckt.The sheet metal 4th is in the area of the recording room 12th at the base 5 and the thighs 6th , 7th with a reinforcement layer 10 Mistake. The shape of the reinforcement layer 10 is to the shape of the sheet metal 4th adapted with the U-shaped cross-section. The tabs 8th , 9 are not in the illustrated embodiment with the reinforcement layer 10 covered.

Die Verstärkungsschicht 10 umfasst eine thermoplastische Matrix, in welcher eine Verstärkung aus Endlosfasern eingebettet ist. Bei den Endlosfasern handelt es sich vorzugsweise um Kohlefasern oder Glasfasern, die als Matte, Gewebe oder Gelege in die thermoplastische Matrix eingebettet sind. Die Verstärkungsschicht 10 ist an der Basis 5 und den Schenkeln 6, 7 stoffschlüssig mit dem Metallblech 4 verbunden. Diese stoffschlüssige Verbindung wird mit oder ohne Verwendung von Klebstoff durch Einpressen der Verstärkungsschicht in das Metallblech erreicht. Dieser Vorgang wird vorzugsweise mit dem Pressen und Ausformen der Verstärkungsstruktur zu einem Fertigungsschritt kombiniert.The reinforcement layer 10 comprises a thermoplastic matrix in which a reinforcement made of continuous fibers is embedded. The continuous fibers are preferably carbon fibers or glass fibers which are embedded in the thermoplastic matrix as a mat, fabric or scrim. The reinforcement layer 10 is at the base 5 and the thighs 6th , 7th cohesively with the sheet metal 4th connected. This material connection is achieved with or without the use of adhesive by pressing the reinforcement layer into the metal sheet. This process is preferably combined with the pressing and shaping of the reinforcement structure into one manufacturing step.

In dem Aufnahmeraum 12 ist eine Verstärkungsstruktur 15 stoffschlüssig mit der Verstärkungsschicht 10 verbunden. Die Verstärkungsstruktur 15 umfasst kreuzweise angeordnete Rippen 16, 17, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Basis 5 und zu den Schenkeln 6, 7 des Metallblechs 4 erstrecken. Die Rippen 16, 17 der Verstärkungsstruktur 15 sind einstückig miteinander verbunden.In the recording room 12th is a reinforcement structure 15th cohesively with the reinforcement layer 10 connected. The reinforcement structure 15th comprises crosswise arranged ribs 16 , 17th that are essentially perpendicular to the base 5 and to the thighs 6th , 7th of sheet metal 4th extend. Ribs 16 , 17th the reinforcement structure 15th are integrally connected to each other.

Die Verstärkungsstruktur 15 mit den Rippen 16, 17 umfasst eine thermoplastische Kunststoffmatrix, in die Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern, eingebettet sind. Die Verstärkungsstruktur 15 ist vorzugsweise aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet, wie die Verstärkungsschicht 10.The reinforcement structure 15th with the ribs 16 , 17th comprises a thermoplastic plastic matrix in which reinforcing fibers, preferably glass fibers, are embedded. The reinforcement structure 15th is preferably formed from the same thermoplastic plastic material as the reinforcement layer 10 .

In den 2 bis 4 ist angedeutet, dass die Verstärkungsstruktur 15 aus einem extrudierten faserverstärkten thermoplastischen Vorprodukt 20 hergestellt wird. Das extrudierte Vorprodukt 20 liegt zum Beispiel als zähflüssige Masse vor, die, wie man in den 2 und 3 sieht, unterschiedliche Querschnitte aufweisen beziehungsweise einnehmen. Die zähflüssige Masse des Vorprodukts 20 kann dann durch Pressen zwischen zwei Formhälften in die gewünschte Verstärkungsstruktur 15 gebracht werden, die in 4 dargestellt ist.In the 2 to 4th it is indicated that the reinforcement structure 15th made from an extruded, fiber-reinforced thermoplastic precursor 20th will be produced. The extruded pre-product 20th is available, for example, as a viscous mass, which, as can be seen in the 2 and 3 sees, have or occupy different cross-sections. The viscous mass of the preliminary product 20th can then by pressing between two mold halves into the desired reinforcement structure 15th be brought into 4th is shown.

Die Verstärkungsschicht 10 liegt vorzugsweise als endlosfaserverstärktes flächiges Vorprodukt 24 vor und kann im aufgeschmolzenen oder angeschmolzenen Zustand auf einfache Art und Weise an die Gestalt beziehungsweise den Querschnitt des Metallblechs 4 angepasst werden. Durch den Pressvorgang, der gleichzeitig zur Formgebung der Rippen der Verstärkungsstruktur dient, wird ein stoffschlüssiges Anhaften des flächigen Vorprodukts 24, wie bei einer Klebverbindung, sichergestellt.The reinforcement layer 10 is preferably located as a continuous fiber-reinforced flat preliminary product 24 before and can in the melted or partially melted state in a simple manner to the shape or the cross section of the sheet metal 4th be adjusted. The pressing process, which at the same time serves to shape the ribs of the reinforcement structure, results in a cohesive adhesion of the flat preliminary product 24 as with an adhesive bond.

In 2 ist durch einen Pfeil 25 angedeutet, dass das erwärmte Vorprodukt 24 auf das umgeformte Metallblech 4 gelegt wird. Dabei kann das Metallblech 4 selbst eine Formhälfte für den anschließenden Pressvorgang darstellen. Das Metallblech 4 kann aber auch in einer Formhälfte angeordnet sein. Daraufhin wird das extrudierte Vorprodukt 24 auf das die Verstärkungsschicht 10 darstellende Vorprodukt 24 aufgebracht.In 2 is by an arrow 25th indicated that the heated intermediate product 24 onto the formed sheet metal 4th is placed. The sheet metal can 4th themselves represent a mold half for the subsequent pressing process. The sheet metal 4th but can also be arranged in a mold half. The extruded precursor is then 24 on which the reinforcement layer 10 performing intermediate product 24 upset.

In 3 ist durch einen Pfeil 26 angedeutet, dass das erwärmte Vorprodukt 24 auch zusammen mit dem extrudierten Vorprodukt 20 in das umgeformte Metallblech 4 eingelegt werden kann. Sobald das extrudierte Vorprodukt 20 eingelegt wurde, wird der Verbund 4, 24 und 20 durch eine weitere Formhälfte mit Hilfe einer Presse zusammengedrückt. Dabei wird das erwärmte Vorprodukt 24 flächig an das umgeformte Metallblech 4 angepresst, um die stoffschlüssige Verbindung herzustellen beziehungsweise zu verbessern. Gleichzeitig wird aus dem extrudierten Vorprodukt 20 die gewünschte rippenförmige Verstärkungsstruktur 15 gebildet. Vorprodukt 24 und Vorprodukt 20 haften stoffschlüssig, da beide über eine erwärmte thermoplastische Matrix verfügen, die bevorzugt aus dem gleichen Thermoplast besteht. Nach dem Pressvorgang kann das fertige Leichtbauteil 1 entnommen werden, wie man in 4 sieht.In 3 is by an arrow 26th indicated that the heated intermediate product 24 also together with the extruded pre-product 20th into the formed sheet metal 4th can be inserted. As soon as the extruded pre-product 20th has been inserted, the network 4th , 24 and 20th pressed together by another mold half with the help of a press. The heated upstream product is thereby 24 flat on the formed sheet metal 4th pressed on in order to establish or improve the cohesive connection. At the same time, the extruded pre-product becomes 20th the desired rib-shaped reinforcement structure 15th educated. Preliminary product 24 and preliminary product 20th adhere firmly, as both have a heated thermoplastic matrix, which is preferably made of the same thermoplastic. After the pressing process, the finished lightweight component can 1 how to get in 4th sees.

Das erfindungsgemäße Leichtbauteil 1 wird vorzugsweise in einer vorrangig biegebelasteten Trägerstruktur einer Fahrzeugkarosserie oder Fahrzeugtür eingesetzt. The lightweight component according to the invention 1 is preferably used in a primarily bending-loaded support structure of a vehicle body or vehicle door.

Das Leichtbauteil 1 ist zum Beispiel als vertikal angeordnete Säule, insbesondere A-Säule, B-Säule, C-Säule oder D-Säule, ausgeführt. Das Leichtbauteil 1 kann auch als horizontal längs verlaufender Träger, zum Beispiel als Schweller, Dachrahmenteil, Verstärkung einer Fahrzeugtür, Stirnwandquerträger, Dachquerträger, Querträger in der Bodenstruktur, verwendet werden. Insbesondere zur Verwendung in hochbelasteten Säulen kann das Leichtbauteil durch ein Schließblech, das mittels konventioneller Fügeverfahren mit den Laschen bzw. Flanschen 8,9 des Leichtbauteils verbunden ist, teilweise oder ganz geschlossen werden.The lightweight component 1 is designed, for example, as a vertically arranged pillar, in particular an A-pillar, B-pillar, C-pillar or D-pillar. The lightweight component 1 can also be used as a horizontal longitudinal beam, for example as a sill, roof frame part, reinforcement of a vehicle door, bulkhead cross member, roof cross member, cross member in the floor structure. In particular for use in highly stressed columns, the lightweight component can be partially or completely closed by a strike plate which is connected to the straps or flanges 8, 9 of the lightweight component by means of conventional joining methods.

Claims (12)

Leichtbauteil, insbesondere Karosserieteil, aus Metallblech (4) mit einer Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff, wobei das Metallblech (4) stoffschlüssig mit einer Verstärkungsschicht (10) aus Kunststoff verbunden ist, die wiederum stoffschlüssig mit der Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (10) aus Kunststoff Verstärkungsfasern in Form von Endlosfasern enthält, und dass die Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff keine Verstärkungsfasern oder Verstärkungsfasern in Form von kurzen oder langen Fasern enthält.Lightweight component, in particular a body part, made of sheet metal (4) with a reinforcing structure (15) made of plastic, the metal sheet (4) being materially connected to a reinforcing layer (10) made of plastic, which in turn is materially connected to the reinforcing structure (15) made of plastic , characterized in that the reinforcing layer (10) made of plastic contains reinforcing fibers in the form of continuous fibers, and that the reinforcing structure (15) made of plastic contains no reinforcing fibers or reinforcing fibers in the form of short or long fibers. Leichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (10) aus Kunststoff eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umfasst, in welche die Verstärkungsfasern eingebettet sind.Lightweight component according to Claim 1 , characterized in that the reinforcement layer (10) made of plastic comprises a matrix made of a thermoplastic plastic, in which the reinforcing fibers are embedded. Leichtbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in der Verstärkungsschicht (10) als Endlosfasern unidirektional, bidirektional oder quasiisotrop angeordnet sind.Lightweight component according to Claim 1 or 2 , characterized in that the reinforcing fibers in the reinforcing layer (10) are arranged as continuous fibers in a unidirectional, bidirectional or quasi-isotropic manner. Leichtbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff eine Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff umfasst, in welche die Verstärkungsfasern in Form von kurzen oder langen Fasern eingebettet sind.Lightweight component according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcement structure (15) made of plastic comprises a matrix made of a thermoplastic plastic, in which the reinforcing fibers are embedded in the form of short or long fibers. Leichtbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff Rippen (16,17) umfasst, die nicht parallel zu dem Metallblech (4) angeordnet sind.Lightweight component according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcing structure (15) made of plastic comprises ribs (16, 17) which are not arranged parallel to the sheet metal (4). Leichtbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff Rippen (16,17) umfasst, die kreuzweise miteinander verbunden sind.Lightweight component according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcement structure (15) made of plastic comprises ribs (16, 17) which are connected to one another in a crosswise manner. Leichtbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (4), zum Beispiel durch Umformen, so verformt ist, dass es einen Aufnahmeraum (12) für die Verstärkungsschicht (10) und für die Verstärkungsstruktur (15) aus Kunststoff aufweist.Lightweight component according to one of the preceding claims, characterized in that the metal sheet (4) is deformed, for example by reshaping, so that it has a receiving space (12) for the reinforcement layer (10) and for the reinforcement structure (15) made of plastic. Leichtbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (4) aus Stahlblech oder Aluminiumblech gebildet ist.Lightweight component according to one of the preceding claims, characterized in that the sheet metal (4) is formed from sheet steel or sheet aluminum. Verfahren zum Herstellen eines Leichtbauteils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen, insbesondere mehrere oder alle, der folgenden vorbereitenden Schritte, die einzeln oder in Gruppen in der beschriebenen Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können: a) das Metallblech (4) wird umgeformt; b) ein faserverstärkter Thermoplast (20) wird extrudiert; c) ein flächiges Vorprodukt (24) aus einer thermoplastischen Matrix mit Verstärkungsfasern in Form von Endlosfasern wird erwärmt.Method for producing a lightweight component (1) according to one of the preceding claims, characterized by at least one, in particular several or all, of the following preparatory steps, which can be carried out individually or in groups in the order described or in another order: a) the Sheet metal (4) is reshaped; b) a fiber-reinforced thermoplastic (20) is extruded; c) a flat preliminary product (24) made of a thermoplastic matrix with reinforcing fibers in the form of continuous fibers is heated. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens einen, insbesondere mehrere oder alle, der folgenden Schritte, die einzeln oder in Gruppen in der beschriebenen Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können: d) das umgeformte Metallblech (4) wird in eine Formhälfte eingelegt; e) das erwärmte flächige Vorprodukt (24) wird auf das umgeformte Metallblech (4) aufgebracht; f) der extrudierte faserverstärkte Thermoplast (20) wird auf dem erwärmten flächigen Vorprodukt (24) angeordnet; g) eine weitere Formhälfte wird aufgelegt; h) die beiden Formhälften werden gegeneinander gepresst.Procedure according to Claim 9 , characterized by at least one, in particular several or all, of the following steps, which can be carried out individually or in groups in the order described or in a different order: d) the formed metal sheet (4) is placed in a mold half; e) the heated, flat preliminary product (24) is applied to the formed metal sheet (4); f) the extruded fiber-reinforced thermoplastic (20) is arranged on the heated, flat preliminary product (24); g) another mold half is placed; h) the two mold halves are pressed against each other. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens einen, insbesondere mehrere oder alle, der folgenden Schritte, die einzeln oder in Gruppen in der beschriebenen Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können: d) das umgeformte Metallblech (4) wird in eine Formhälfte eingelegt; e) das erwärmte flächige Vorprodukt (24) wird auf das umgeformte Metallblech (4) aufgebracht; f) eine weitere Formhälfte wird aufgelegt; g) die beiden Formhälften werden gegeneinander gepresst; h) das mit dem flächigen Vorprodukt (24) verstärkte Metallblech wird aus der Presse entnommen und in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt; i) der faserverstärkte Thermoplast (20) wird auf das mit dem flächigen Vorprodukt (24) verstärkte Metallblech aufgespritzt.Procedure according to Claim 9 , characterized by at least one, in particular several or all, of the following steps, which can be carried out individually or in groups in the order described or in a different order: d) the formed metal sheet (4) is placed in a mold half; e) the heated, flat preliminary product (24) is applied to the formed metal sheet (4); f) another mold half is placed; g) the two mold halves are pressed against each other; h) the sheet metal reinforced with the flat preliminary product (24) is removed from the press and placed in an injection molding tool; i) the fiber-reinforced thermoplastic (20) is sprayed onto the sheet metal reinforced with the flat preliminary product (24). Kraftfahrzeug mit einem Leichtbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 hergestellt ist.Motor vehicle with a lightweight component (1) according to one of the preceding claims, in particular according to a method according to one of the Claims 9 to 11 is made.
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