DE102010048118B4 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils und Kraftfahrzeughybridbauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils und Kraftfahrzeughybridbauteil Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (1) für ein Kraftfahrzeug, mit folgenden Verfahrensmerkmalen: – Bereitstellen eines Bauteils (2), welches einen Durchbruch (10) aufweist, – Aufbringen eines mit einer Ausnehmung (8) im Bereich des Durchbruches (10) vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoffes (3) auf das Bauteil (2) – Einsetzen eines Dichtelementes (5) in die Ausnehmung (8), – Verpressen des Bauteils (2) mit dem Faserverbundwerkstoff (3), – Verbleiben des Dichtelementes (5) in dem hergestellten Hybridbauteil (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeughybridbauteil aus Faserwerkstoff und metallischem Werkstoff gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 6.
  • Das derzeitige Anforderungsprofil an Kraftfahrzeugbauteile ist ein besonders geringes Bauteil-Gewicht, bei gleichzeitig gezielt definierten Festigkeitseigenschaften. Die Kraftfahrzeughersteller sind bestrebt, die jeweiligen Bauteile besonders leicht zu gestalten, so dass eine Verbrauchs- und auch CO2-Reduktion durch ein geringes Kraftfahrzeuggewicht begünstigt wird.
  • Gleichzeitig dürfen die Anforderungen an die Bauteileigenschaften, wie z. B. die Festigkeit, die Steifigkeit und die Lebensdauererwartung der jeweiligen Komponenten nicht reduziert werden. Günstigstenfalls werden diese sogar bei reduziertem Gewicht erhöht.
  • Die Kraftfahrzeughersteller benötigen zur Komplettierung einer Kraftfahrzeugkarosserie eine Vielzahl von Strukturbauteilen. Im Stand der Technik sind in den letzten Jahren Möglichkeiten aufgezeigt, gerade in Großserienproduktionen, faserverstärkte Strukturbauteile bereitzustellen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Glasfaser, Carbonfaser oder aber auch Kunststofffaser verstärkte Kraftfahrzeugbauteile handeln. Meist weisen diese Hybridbauteile eine metallische Komponente auf, mit der es ermöglicht wird, das hergestellte Einzelstrukturbauteil in eine Kraftfahrzeuggesamtkarosserie zu integrieren.
  • Beispielsweise ist aus der DE 10 2008 039 869 A1 ein Herstellungsverfahren bekannt, bei dem Metallbauteile mit Faserverbundwerkstoffen verstärkt werden, so dass besonders leichte Kraftfahrzeugstrukturbauteile hergestellt werden, die hohe Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen.
  • Bei dem bekannten Verfahren wird durch Umformung und Aushärtung eines Prepregs direkt in die Metallstruktur ein Hybridbauteil hergestellt. Das Matrixharz des Prepregs selber übernimmt dabei eine Koppelungseigenschaft zwischen Faserverbundwerkstoff und Blechbauteil, sodass eine anschließende Fügeoperation von Faserverbundwerkstoffbauteil und Blechbauteil entfällt.
  • Bei der Weiterverarbeitung dieser Hybridbauteile, beispielsweise bei der Komplettierung einer Kraftfahrzeugkarosserie oder aber bei dem Anbau von Komponenten oder weiteren Fahrzeugbauteilen, ist, gerade bei der Großserienproduktion, eine hohe Anforderung an die Genauigkeit gestellt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen sind oft Unreinheiten eine ungewünschte Begleiterscheinung des Herstellungsprozesses von Feserverbundwerkstoffbauteilen, gerade unter der Nutzung von Klebstoffen oder aber Matrixharz.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, mit dem es möglich ist, besonders produktionsgenaue Hybridbauteile ohne Produktionsverschmutzungen herzustellen.
  • Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
  • Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftfahrzeughybridbauteil gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 6 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils für ein Kraftfahrzeug weist folgende Verfahrensschritte auf:
    • – Bereitstellen eines Bauteils, welches einen Durchbruch aufweist,
    • – Aufbringen eines mit einer Ausnehmung im Bereich des Durchbruches vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoffes auf das Bauteil,
    • – Einsetzen eines Dichtelementes in die Ausnehmung,
    • – Verpressen des Bauteils mit dem Faserverbundwerkstoff,
    • – Verbleiben des Dichtelementes in dem hergestellten Hybridbauteil.
  • Die Verfahrensschritte sind nicht zwingend in der zuvor genannten Reihenfolge durchzuführen. Im Rahmen der Erfindung ist es maßgeblich, dass das Dichtelement innerhalb des Faserverbundwerkstoffes positioniert wird. Dieses kann bereits bei dem vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoff, in dem vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoff oder aber nach Aufbringen des vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoffes auf das Bauteil selbst geschehen. Das Dichtelement verhindert ein ungewolltes Verformen der Ausnehmung des Faserverbundwerkstoffes. Im Zuge des Verpressvorganges von Faserverbundwerkstoff und metallischem Bauteil findet ein Fließen bzw. Auspressen von Matrixharz und/oder ein Verformen des Faserwerkstoffes im Randbereich der Ausnehmung statt. Durch das Dichtelement wird dieses weitestgehend vermieden. Eine den Durchbruch berandende Montageschraub- oder aber Weiterverarbeitungsfläche, beispielsweise mit einem Schweißvorgang, wird somit auch im Rahmen einer Großserienproduktion mit geringen Produktionstoleranzen und/oder produktionstechnisch sehr sauber hergestellt. Unter einer produktionstechnisch sehr sauberen Oberfläche ist im Rahmen der Erfindung eine Oberfläche ohne Produktionsverschmutzungen zu verstehen. Dies bedeutet, dass kein Matrixharz die Oberfläche benetzt oder aber kein Matrixharz auf die Oberfläche aufgespritzt ist. Einzelne Faserstränge oder aber sonstige Verschmutzungen sind ebenfalls durch die erfindungsgemäße Lösung nicht auf der Oberfläche vorhanden. Es kann somit eine Weiterverarbeitung ohne Zwischenbearbeitungsschritte der entsprechenden Oberfläche erfolgen, was die Taktzeiten und die Produktionskosten senkt.
  • Das Dichtelement ist vorzugsweise gerade so dimensioniert, dass es die beim Verpressvorgang auftretenden Kräfte in Form von fließendem Matrixharz und/oder sich verformender Ausnehmung des Faserverbundwerkstoffes kompensiert. Das Dichtelement bleibt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Bauteil selbst erhalten. Es handelt sich hierbei dann um ein verlorenes Dichtelement. Das Gewicht des Hybridbauteils wird durch das Dichtelement selber nur in zu vernachlässigender Weise beeinflusst. Vorzugsweise handelt es sich um ein Dichtelement aus einem Kunststoff bzw. einem Elastomerwerkstoff. Das Dichtelement selbst kann allerdings auch aus Faserwerkstoff oder aber einer metallischen Legierung, insbesondere einer Stahllegierung, oder aber einer Leichtmetalllegierung ausgebildet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Dichtelement derart positioniert, dass ein den Durchbruch berandender Oberflächenbereich des Bauteils nicht mit dem Dichtelement und/oder dem Faserverbundwerkstoff belegt wird und ein Fließen von Matrixharz auf den Oberflächenbereich verhindert wird. Dies bedeutet, dass das Dichtelement idealerweise eine sehr geringe Wandstärke selbst aufweist. Die durch die Verbindung von Faserwerkstoff mit metallischem Bauteil hergestellte hohe Steifigkeit des Bauteils, bei gleichzeitig geringem Gewicht wird somit nur unwesentlich durch die Wandstärke des Dichtelementes selber beeinflusst. Im Rahmen der Erfindung kann der Verpressvorgang derart gesteuert werden, dass die durch das Dichtelement abgeschotteten Bereiche des metallischen Bauteils nicht mit Matrixharz benetzt werden, sehr wohl aber durch Kapillarkräfte das Dichtelement mit dem Bauteil verklebt wird. In diesem Fall wäre das Dichtelement in jeder Hinsicht ein im Bauteil bleibendes verlorenes Dichtelement.
  • Besonders bevorzugt wird das Bauteil aus metallischem Werkstoff hergestellt, da sich der metallische Werkstoff insbesondere zur Weiterverarbeitung eignet. Sollen im Bereich des Durchbruches weitere Bauteile angeschraubt oder aber angeschweißt werden, so eignet sich hierzu besonders bevorzugt der metallische Werkstoff, da er vielfältige Fügemöglichkeiten, bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Festigkeit und geringem Verschleiß verbindet.
  • Besonders bevorzugt wird als Faserverbundwerkstoff ein Prepreg-Material verwendet, insbesondere ein kalandriertes Laminat aus verschieden orientierten Lagen Pregreg. Hierbei können die Pregpreg-Lagen einen flächigen Ausgangzustand haben und durch den Verpressvorgang in das metallische Bauteil eingepresst bzw. aufgepresst werden.
  • Bevorzugt wird der Pressvorgang in einem Presswerkzeug durchgeführt, wobei das Presswerkzeug erwärmt wird. Durch das Erwärmen des Presswerkzeuges kann zum einen das Matrixharz derart beeinflusst werden, dass es leichter fließt, zum anderen kann der Faserverbundwerkstoff durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet werden. Hierdurch wird insbesondere die Festigkeit des hergestellten Hybridbauteils erhöht. Gleichzeitig wird die Taktzeit des Herstellungsprozesses durch die beschleunigte Aushärtungsreaktion verringert.
  • Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin mit einem Kraftfahrzeughybridbauteil aus Faserwerkstoff und metallischem Werkstoff hergestellt, welches insbesondere nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist, dadurch gelöst, dass ein Dichtelement zur Abdichtung eines Oberflächenbereichs gegenüber Matrixharz vorgesehen ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das in dem Faserwerkstoff vorgesehene Matrixharz oder aber ein Klebstoff, der zwischen Faserwerkstoff und metallischem Bauteil angeordnet wird, nicht auf Flächen gelangt, die durch das Dichtelement selbst abgedichtet sind. Das Dichtelement kann dabei beispielsweise in Form eines ringförmigen Elementes oder aber auch in Form einer Blase bzw. eines hohlen Volumenkörpers ausgebildet sein.
  • Insbesondere ist das Dichtelement aus Elastomerwerkstoff oder Kunststoff. Das Dichtelement kann aber beispielsweise auch aus metallischem Werkstoff ausgebildet sein. Insbesondere kommt hier ein Leichtmetall zum Einsatz. Letztere Werkstoffe können auch in Folienform eingesetzt werden.
  • Je nach Anwendungsfall und herzustellendem Bauteil ist es durch die verschiedene Werkstoffauswahlmöglichkeit des Dichtelementes gegeben, ein Dichtelement bereitzustellen, das die jeweiligen Festigkeitsanforderungen bzw. Elastizitätsanforderungen erfüllt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des vorliegenden Kraftfahrzeughybridbauteils weist das Dichtelement eine Höhe auf, wobei die Höhe des Dichtelementes größer ist als die Schichtdicke des Faserverbundwerkstoffes. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Dichtelement bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsvorgang, insbesondere einem Verpressvorgang zunächst einen Kontakt zwischen metallischem Bauteil und Pressenwerkzeug herstellt, bevor das Pressenwerkzeug den Faserverbundwerkstoff erreicht und somit ein Auspressen des Matrixharzes stattfindet. Der durch das Dichtelement abzudichtende bzw. abzuschottende Bereich wird folglich zunächst durch den Kontakt zwischen Dichtelement, Pressenwerkzeug und Bauteil hergestellt. Erst danach findet ein Auspressen des Matrixharzes statt. Somit ist immer sichergestellt, dass kein Matrixharz auf die abzudichtenden bzw. abgedichteten Oberflächen gelangt. Das Dichtelement ist weiterhin derart ausgebildet, dass es keinen wesentlichen Widerstand gegenüber dem Pressenwerkzeug ausübt. Eine hierdurch hervorgerufene Produktionsungenauigkeit wird dadurch weitestgehend vermieden.
  • Bevorzugt weist das Dichtelement an dem Querschnitt eine L-förmige Konfiguration auf. Hierbei ist der längliche Schenkel der L-förmigen Konfiguration zum metallischen Bauteil hingerichtet. Der kürzere Schenkel weist gegenüber dem Innenraum des Dichtelementes nach außen, so dass er vorzugsweise den Faserverbundwerkstoff überdeckt. Ein Überfließen des Faserverbundwerkstoffes wird dadurch vermieden. Weiterhin bietet die im Querschnitt L-förmige Konfiguration den Vorteil, dass bei einem Einsetzen des Dichtelementes in den Faserverbundwerkstoff ein zu weites Eindringen des Dichtelementes vermieden wird. Im Falle des Vorkonfektionierens des Faserverbundwerkstoffes mit dem Dichtelement wird ebenfalls ein Durchfallen des Dichtelementes vermieden.
  • Weiterhin weist das Dichtelement bevorzugt eine umlaufend geschlossene Kontur auf. Die umlaufend geschlossene Kontur ist dabei beispielsweise in Form eines umlaufenden Dichtringes ausgebildet. Sie kann in einer Draufsicht sternförmig, quadratisch, rechteckig, rund, elliptisch oder in beliebiger Mischform ausgebildet sein. Die umlaufend geschlossene Kontur verhindert ein Fließen des Matrixharzes auf den den Durchbruch berandenden Bereich.
  • Weiterhin bevorzugt weist das Dichtelement einen Dehnspalt auf. Der Dehnspalt ermöglicht während des Verpressvorganges geringfügige Toleranzen des Dichtelementes. Ein ungewolltes Verformen oder aber ein Versagen des Dichtelementes werden durch den Dehnspalt weitestgehend vermieden. Der Dehnspalt ist besonders bevorzugt im Querschnitt des Dichtelementes ausgebildet. Vorzugsweise ist der Dichtspalt in Richtung der Pressbewegung bzw. des Pressenhubes ausgebildet. Er kann allerdings auch orthogonal hierzu angeordnet sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Dichtelement in einem Kraftfahrzeughybridbauteil und
  • 2 eine Verfahrensvariante zum Einbringen eines erfindungsgemäßen Dichtelementes.
  • In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Hybridbauteil besteht aus einem metallischen Bauteil 2, auf das ein Faserverbundwerkstoff 3 aufgebracht ist. Damit der Faserverbundwerkstoff sich nicht auf einen Oberflächenbereich 4 des metallischen Bauteils 2 ausdehnt oder aber ein hier nicht näher dargestellt, in dem Faserverbundwerkstoff 3 befindliches Matrixharz auf den Oberflächenbereich 4 fließt bzw. diesen benetzt, ist ein Dichtelement 5 vorgesehen. Das Dichtelement 5 weist eine im Querschnitt L-förmige Konfiguration auf, wobei ein Dichtschenkel 6 eine Verbindung zwischen einem hier nicht näher dargestellten Pressenwerkzeug und dem Oberflächenbereich 4 des metallischen Bauteils 2 herstellt und ein Abdeckschenkel 7 ein Überfließen von aufgeschwemmten oder aber ausgedrücktem hier nicht näher dargestelltem Matrixharz aus dem Faserverbundwerkstoff 3 verhindert.
  • In 2 ist eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Dichtelementes 5 gezeigt, das während des Herstellungsvorganges des erfindungsgemäßen Hybridbauteils 1 weiter umgeformt wird und anschließend als verlorenes Dichtelement 5 in dem Hybridbauteil 1 verbleibt. Das Dichtelement 5 wird hierzu mit seiner im Wesentlichen L-förmigen Konfiguration in einer Ausnehmung 8 des Faserverbundwerkstoffes 3 positioniert. Das so vorkonfektionierte Faserverbundwerkstoffbauteil mit eingesetztem Dichtelement 5 wird nun in einem weiterführenden Schritt durch einen Vorbearbeitungsprozess derart bearbeitet, dass das Dichtelement 5 durch Abbiegen der Dichtschenkel 6 in den vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoff 3 vernietet wird. Dieser Abbiegevorgang kann im Rahmen der Erfindung auch gleichzeitig mit dem Verpressvorgang eines hier nicht näher dargestellten Verpresswerkzeuges gezeigt werden.
  • In der hier gezeigten Ausführungsvariante wird der vorkonfektionierte Faserverbundwerkstoff 3 dann auf das metallische Bauteil 2 aufgebracht. Die von dem Dichtelement 5 abgeschottete Fläche liegt möglichst zentrisch über ein in dem metallischen Bauteil 2 vorgesehenen Durchbruch 10.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybridbauteil
    2
    Bauteil
    3
    Faserverbundwerkstoff
    4
    Oberflächenbereich
    5
    Dichtelement
    6
    Dichtschenkel
    7
    Abdeckschenkel
    8
    Ausnehmung
    9
    Stempel
    10
    Durchbruch

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (1) für ein Kraftfahrzeug, mit folgenden Verfahrensmerkmalen: – Bereitstellen eines Bauteils (2), welches einen Durchbruch (10) aufweist, – Aufbringen eines mit einer Ausnehmung (8) im Bereich des Durchbruches (10) vorkonfektionierten Faserverbundwerkstoffes (3) auf das Bauteil (2) – Einsetzen eines Dichtelementes (5) in die Ausnehmung (8), – Verpressen des Bauteils (2) mit dem Faserverbundwerkstoff (3), – Verbleiben des Dichtelementes (5) in dem hergestellten Hybridbauteil (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) derart positioniert wird, dass ein den Durchbruch (10) berandender Oberflächenbereich (4) des Bauteils (2) nicht mit dem Dichtelement (5) und/oder dem Faserverbundwerkstoff (3) belegt wird und ein Fließen von Matrixharz auf den Oberflächenbereich (4) verhindert wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Bauteil (2) ein metallischer Werkstoff eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserverbundwerkstoff (3) ein Prepreg Material verwendet wird, insbesondere ein kalandriertes Prepreg-Laminat.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen in einem Pressenwerkzeug durchgeführt wird, wobei das Pressenwerkzeug erwärmt wird.
  6. Kraftfahrzeughybridbauteil aus Faserverbundwerkstoff (3) und metallischem Werkstoff, hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtelement (5) zur Abdichtung eines Oberflächenbereiches (4) gegenüber Matrixharz vorgesehen ist.
  7. Kraftfahrzeughybridbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) aus Elastomerwerkstoff oder Kunststoffwerkstoff besteht.
  8. Kraftfahrzeughybridbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) aus Metall besteht, insbesondere einem Leichtmetall, besonders bevorzugt als metallische Folie eingesetzt ist.
  9. Kraftfahrzeughybridbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) eine Höhe aufweist, wobei die Höhe größer als die Schichtdicke des Faserverbundwerkstoffes (3) ist.
  10. Kraftfahrzeughybridbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) eine im Querschnitt L-förmige Konfiguration aufweist.
  11. Kraftfahrzeughybridbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) eine rundum geschlossene Kontur aufweist.
  12. Kraftfahrzeughybridbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) einen Dehnspalt aufweist.
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