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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil und dessen Herstellungsverfahren aus einem oder mehreren faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugen und einem Leichtmetall-Gussteil.
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Derartige Kraftfahrzeugbauteile sind bekannt. So beschreibt etwa die
DE 100 26 981 A1 einen Hohlträger für eine Kraftfahrzeugkarosserie, der aus einem vorgefertigten, formgebenden Innenprofilteil und einem äußeren, integral mit dem Innenprofil vergossenen, lastaufnehmenden Leichtmetall-Gusskörper besteht. Um die Haftung zwischen dem Innenprofilteil, beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff, und dem Leichtmetall-Gusskörper zu unterstützen, kann eine Beschichtung vorgesehen sein.
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Beim Eingießen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen in einen Leichtmetall-Gusskörper tritt jedoch das Problem auf, dass das Kunststoffbauteil durch die relativ hohe Temperatur der Leichtmetallschmelze an seiner mit dieser in Kontakt kommenden Oberfläche ausgast. Die austretenden Gase führen zu Poren im Leichtmetall-Gusskörper, was die mechanische Festigkeit, insbesondere an der Grenzfläche zwischen faserverstärktem Kunststoffbauteil und Leichtmetall-Gusskörper beeinträchtigt.
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Ausgehend von diesem Problem des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe, ein verbessertes Kraftfahrzeugbauteil bereitzustellen, das in dem Leichtmetall-Gussteil keine oder nur geringe Porosität durch die Ausgasung des faserverstärkten Kunststoffbauteils aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeugbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Kraftfahrzeugbauteils zu schaffen.
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Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 löst diese Aufgabe.
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Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Kraftfahrzeugbauteil, das wenigstens ein faserverstärktes Kunststoff-Halbzeug und ein Leichtmetall-Gussteil umfasst, wobei zumindest ein Abschnitt des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs von dem Leichtmetall-Gussteil umgeben ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Oberfläche des Abschnitts des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs, der von dem Leichtmetall-Gussteil umgeben ist, eine thermisch stabile, geschlossene Schicht aufgebracht ist.
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Durch die erfindungsgemäße thermisch isolierende, insbesondere stabile und geschlossene Schicht wird vorteilhaft der direkte Kontakt zwischen der Leichtmetallschmelze mit relativ hoher Temperatur und dem faserverstärkten Kunststoff-Halbzeug vermieden. Unter der thermisch stabilen Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Schicht verstanden, die der Temperatur einer Leichtmetallschmelze soweit standhält, dass sie die Funktion der thermischen Isolierung nicht verliert. Die Schicht ist ferner geschlossen, wobei unter geschlossen die Durchgängigkeit der Schicht gemeint ist. Es sind etwa keine Poren enthalten, die sich durch die gesamte Schichtdicke erstrecken. Das heißt, die thermisch isolierende, insbesondere stabile, Schicht wird durch eine flüssige Leichtmetallschmelze im Wesentlichen nicht mechanisch angegriffen und/oder zerstört. Gleichwohl ist es möglich, dass sich das Material der Schicht chemisch verändert oder thermisch zersetzt, solange die chemische Zerstörung nicht zu einer Durchlässigkeit der Schicht, bzw. zum Zusammenbrechen der thermischen Isolation beim Gießprozess führt. Es ist hierbei nur von Bedeutung, dass die Schicht bis zum Abschluss des Gießprozesses in ihrer Funktion erhalten bleibt. Gegebenenfalls kann die Pyrolyse einer organischen Schicht, bspw. eines Polymers zu einem verkokten Produkt, die thermische Isolation weiter verbessern.
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Damit bildet eine thermisch stabile, geschlossene Schicht jedenfalls eine Sperrschicht, die thermisch isolierend und/oder gasdicht ausgebildet ist. Bevorzugt ist die thermische Isolation durch die thermisch isolierende Schicht so stark, dass das darunter liegende Kunststoff-Halbzeug, insbesondere FVK- oder CFK-Halbzeug, nicht über dessen Zersetzungstemperatur erhitzt wird. Die Stärke der thermischen Isolation kann variiert bzw. eingestellt werden durch zweckmäßige Auswahl von Material bestimmter Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit einer zweckmäßigen Schichtdicke.
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Bevorzugt ist die Schicht so weit thermisch isolierend, bzw reduziert den Wärmeeintrag ins FVK-Bauteil so weit, dass ein Ausgasen des Kunststoffs verhindert wird, indem die hohe Temperatur der Leichtmetallschmelze nicht an dem faserverstärkten Kunststoff-Halbzeug anliegt. Wird das faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug, bzw. FVK-Bauteil durch die Leichtmetallschmelze auf eine Temperatur erhitzt, bei der Ausgasen auftritt, so verhindert eine gasdichte thermisch stabile Schicht, dass die Gasbildung nahezu vollständig unterbunden wird, da kein Gasraum zur Verfügung steht; Gas dringt daher auch nicht in den Guss und Porenbildung wird unterbunden. Selbstverständlich kann die thermisch isolierende Schicht auch sowohl die Eigenschaft der thermischen Isolierung als auch der Gasdichtigkeit haben.
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Um eine optimal wirkende thermisch isolierende, insbesondere stabile Schicht bereitzustellen, enthält diese vorzugsweise wenigstens ein metallisches oder keramisches oder polymeres Material. Die feinen Poren der Keramik haben dabei einen Durchmesser, der wesentlich geringer ist als die Dicke der thermisch stabilen Schicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn die thermisch stabile Schicht eine Dicke von 10 μm bis 1000 μm aufweist. Dies ist besonders vom Material der Schicht abhängig. Je nach Beschaffenheit des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs und der Temperatur der Leichtmetallschmelze kann die Dicke der thermisch stabilen Schicht auf einen optimalen Wert eingestellt werden. So ist beispielweise die Schichtdicke einer Beschichtung aus einer Aluminiumfolie typischerweise geringer als bei einer aus einem Polymer-Composite.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die thermisch isolierende Schicht ferner zusätzlich ein Haftverstärker und weist eine Beschaffenheit auf, die die Haftung des Leichtmetall-Gussteils auf dem faserverstärkten Kunststoff-Halbzeug unterstützt. Hierdurch wird neben den vorstehend beschriebenen Vorteilen eine bessere Anbindung des Leichtmetall-Gussteils an das faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug ermöglicht. Die Haftungsverbesserung kann sowohl in der Art des Materials, respektive der Materialbeschaffenheit und seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften, als auch durch mechanische Eigenschaften, etwa einer Oberflächen-Strukturierung, begründet sein.
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So ist es denkbar, dass eine thermisch isolierende, insbesondere stabile Schicht aus metallischem Material an der Grenzfläche einer Diffusion unterliegt, so dass die Anbindung über einen schmalen Legierungsbereich zwischen Leichtmetall-Gussteil und metallischer thermisch stabiler Schicht stattfindet. Bei einer thermisch stabilen Schicht aus keramischem Material hingegen kann die Oberfläche so strukturiert sein, dass die Leichtmetallschmelze die offene Porosität der Keramik infiltriert und damit zur besseren Haftung beiträgt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die thermisch isolierende Schicht über den Abschnitt des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs hinaus, der von dem Leichtmetall-Gussteil umgeben ist. Wenn die Schicht auf einer größeren Oberfläche aufgebracht ist, als das Leichtmetall-Gussteil umgibt, wird wirkungsvoll verhindert, dass am Randbereich des von dem Leichtmetall-Gussteil umgebenen Abschnitts eine Ausgasung des faserverstärkten Kunststoffs stattfindet und dieser durch die relativ hohe Temperatur der Leichtmetallschmelze geschädigt wird.
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Gegebenenfalls kann die Ausgasung von Zersetzungsprodukten des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs auch durch eine Entgasung des maßgeblichen Bereichs beim Gießprozess weiter verhindert werden.
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Im Sinnen der für Kraftfahrzeuge angestrebten Leichtbauweise ist es bevorzugt, wenn das Leichtmetall für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung mit wenigstens einem dieser Metalle ist. Je nach Anforderung an das Kraftfahrzeugbauteil und das verwendete faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug kann es zweckmäßig sein, eine Magnesiumlegierung mit niedrigerer Schmelztemperatur oder eine Aluminiumlegierung mit höherer Schmelztemperatur zu verwenden.
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Das Kraftfahrzeugbauteil wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren hergestellt, welches die Schritte umfasst:
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- a) Bereitstellen eines vorgefertigten faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs,
- b) Aufbringen einer thermisch stabilen, thermisch isolierenden Schicht auf einer Oberfläche eines Abschnitts des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs, der von einem flüssigen Leichtmetall oder einer flüssigen Leichtmetalllegierung umgossen werden soll,
- c) positionsgenaues Einbringen des mit der thermisch stabilen Schicht versehenen faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs in eine Gussform, und gegebenenfalls Temperierung oder Vorwärmen des Halbzeugs
- d) Befüllen der Gussform mit dem flüssigen Leichtmetall oder der flüssigen Leichtmetalllegierung, wobei der Abschnitt (A) des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs (2) umgossen wird, und
- e) Abkühlen des Kraftfahrzeugbauteils und Entformen desselben aus der Gussform.
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Das Aufbringen der thermisch stabilen, geschlossenen Schicht kann mittels Wickeln, Tauchen, Sprühen, Pulverbeschichten, Schleuderbeschichten, Plasmaspritzen oder auf eine andere geeignete Weise erfolgen. Ferner kann es geeignet sein, dass das Befüllen als Druckgießen ausgeführt wird.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargestellt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient deren Unterstützung sowie dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist dabei lediglich eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die einzige Figur zeigt eine Schnittansicht eines Kraftfahrzeugbauteils in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein vorgefertigtes faserverstärktes Kunststoff-Halbzeug vor Eingießen in ein Gussteil wie einen Knoten mit einer thermisch stabilen, geschlossenen Schicht zu versehen, um Ausgasen des Kunststoffes zu verhindern und das Produkt insgesamt durch Verhinderung von durch Ausgasen erzeugten Poren zu optimieren.
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Das in 1 dargestellte Kraftfahrzeugbauteil 1 umfasst ein faserverstärktes Kunststoff-Halbzeug 2, das in dieser Ausführungsform rohrförmig beschaffen ist.
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Der Matrix-Werkstoff des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs 2 ist ein handelsübliches Polymer. Die Faserverstärkung des Kunststoff-Halbzeugs 2 kann aus einem Gelege, einem Gewebe, einer Wicklung, einem Filz oder dergleichen aus unterschiedlichen oder gleichen Fasern bestehen. Als Fasern eignen sich Polymerfasern, Keramikfasern, Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern und dergleichen.
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Auf einen Abschnitt A des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs 2 ist eine thermisch stabile, geschlossene Schicht aufgebracht. Die thermisch stabile Schicht 4 wird erfindungsgemäß nur in dem Abschnitt A angeordnet, der im fertigen Kraftfahrzeugbauteil 1 von dem Leichtmetall-Gussteil 3 umgeben wird. Hierdurch kann einerseits das Material für die thermisch stabile Schicht 4 gezielt eingesetzt werden, andererseits wird der Materialeinsatz optimiert.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die thermisch stabile Schicht 4 sich etwas über den Abschnitt A hinaus erstreckt, so dass nicht die gesamte thermisch stabile Schicht von dem Leichtmetall-Gussteil 3 umgeben wird, sondern noch ein kleiner Bereich über das Leichtmetall-Gussteil 3 hinausragt, um eine Wärmeübertragung an den Randbereichen zu reduzieren und um die Sperrschicht für die Ausgasung mit einem Sicherheitsbereich auszustatten.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist an einem Ende des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs 2, das heißt, des faserverstärkten Kunststoffrohres gemäß der abgebildeten Ausführungsform, ein Leichtmetall-Gussteil 3 angegossen. Hierbei handelt es sich um einen Knoten, der zur Herstellung des Kraftfahrzeugbauteils 1 mehrere faserverstärkte Kunststoffrohre miteinander verbindet.
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Als geeignetes Gussmaterial wird bevorzugt Magnesium oder Aluminium oder deren Legierungen eingesetzt.
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Insbesondere das Umgießen eines faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs 2 mit einer Aluminiumlegierung ist anspruchsvoll, da die Temperatur der Aluminiumlegierungsschmelze deutlich höher liegt als die Schmelztemperatur von gängigen Magnesiumlegierungen. Die Temperatur liegt in einem Bereich, in welchem der verwendete Kunststoff des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs 2 bereits geschädigt werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße thermisch stabile Schicht 4 bleibt sogar bei der Schmelztemperatur der Aluminiumlegierung von bis zu 660°C das faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug 2 ausreichend stabil, so dass es nicht oder nur in geringem Umfang ausgast.
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Die thermische Stabilisierung des faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs 2 wird durch das Material der thermisch geschlossenen Schicht 4 erreicht, die wenigstens ein metallisches oder keramisches oder polymeres Material enthält. Da bei metallischen Materialien die Fähigkeit zur thermischen Isolierung nicht gegeben ist, sind thermisch stabile Schichten 4 aus diesen Materialien wegen ihrer Gasdichtigkeit bevorzugt. Als keramische Materialien für die thermisch stabile Schicht können beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid verwendet werden. Das polymere Material kann unter anderem Polytetrafluorethylen sein. Keramische und/oder polymere Materialien bieten eine bessere thermische Isolierung, lassen sich aber gleichzeitig ebenfalls gasdicht ausführen.
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Materialabhängig wird auch die Schichtdicke der thermisch stabilen Schicht 4 gewählt.
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Das Aufbringen der thermisch stabilen Schicht kann durch Wickeln, Tauchen, Sprühen, Pulverbeschichten, Schleuderbeschichten, Plasmaspritzen oder auf andere geeignete Weise erfolgen. Die Technologie zum Aufbringen der thermisch stabilen Schicht wird in geeigneter Weise abhängig vom Material der thermisch stabilen Schicht ausgewählt. Für polymere Materialien eignen sich insbesondere Wickeln, Tauchen, Sprühen und Schleuderbeschichten, während für keramische Materialien Pulverbeschichten und Plasmaspritzen besonders geeignet sind. Darüber hinaus kann die thermisch stabile Schicht durch jede geeignete Beschichtungstechnologie aufgebracht werden, mit der es möglich ist, dünne Schichten des entsprechenden Materials aufzubringen, ohne das faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug zu schädigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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