DE102010053731A1 - Elastic bearing for a component and method for its production - Google Patents
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Abstract
Eine elastische Lagerung (4) für ein Bauteil (2) aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial weist ein elastisches Material (6) und ein metallisches Aufnahmeelement (5) auf. Das metallische Aufnahmeelement (5) ist über das elastische Material, welches als thermoplastisches Elastomer (6) ausgebildet ist, mit dem Bauteil (2) verbunden.An elastic mounting (4) for a component (2) made of a fiber-reinforced plastic material has an elastic material (6) and a metallic receiving element (5). The metallic receiving element (5) is connected to the component (2) via the elastic material, which is designed as a thermoplastic elastomer (6).
Description
Die Erfindung betrifft eine elastische Lagerung für ein Bauteil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauteils.The invention relates to an elastic mounting for a component according to the closer defined in the preamble of
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind faserverstärkte Kunststoffe beziehungsweise Faserverbundkunststoffe (FVK) bekannt. Diese faserverstärkten Kunststoffe werden häufig als Leichtbaumaterialien, beispielsweise im Bereich des Fahrzeugbaus oder im Bereich der Luftfahrtindustrie, eingesetzt. Sie bestehen im Allgemeinen aus Faserbündeln, sogenannten Rovings, beispielweise aus Kohlenstoff-, Aramid-, Kevlar- und/oder Glasfasern, welche in einer Kunststoffmatrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoffmaterial eingebettet sind. Die Kunststoffmatrix übernimmt dabei die Verbindung der Fasern untereinander und sorgt für eine stabile Form des Bauteils, während die Verstärkungsfasern selbst für die Weiterleitung der Kräfte in dem Bauteil sorgen.Fiber-reinforced plastics or fiber composite plastics (FRP) are known from the general state of the art. These fiber-reinforced plastics are often used as lightweight materials, for example in the field of vehicle construction or in the aviation industry. They generally consist of fiber bundles, so-called rovings, for example of carbon, aramid, Kevlar and / or glass fibers, which are embedded in a plastic matrix of duroplastic or thermoplastic plastic material. The plastic matrix takes over the connection of the fibers with each other and ensures a stable shape of the component, while the reinforcing fibers themselves provide for the transmission of forces in the component.
Da im Bereich des Fahrzeugbaus eine zügige Serienfertigung angestrebt wird, welche prozesssicher und ohne lange Warte- und Aushärtzeiten die Herstellung eines Faserverbundkunststoffs ermöglichen soll, spielen hier duroplastische Matrixsysteme eine untergeordnete Rolle, da diese typischerweise eine eher aufwändige und langwierige Verarbeitung notwendig machen. Der Schwerpunkt im Bereich des Fahrzeugbaus liegt daher auf dem Einsatz von thermoplastischen Matrixsystemen. Häufig werden dabei mit dem Matrixmaterial vorimprägnierte Rovings, sogenannte Prepregs, eingesetzt, oder es werden Hybridrovings verarbeitet, welche neben den Verstärkungsfasern auch Fasern aus dem thermoplastischen Matrixmaterial aufweisen. Zur Herstellung eines rohrförmigen Bauteils aus einem derartigen Faserverbundkunststoff mit thermoplastischem Matrixmaterial soll beispielhaft auf die
Derartige Bauteile aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial mit einem thermoplastischen Matrixmaterial weisen dabei die nachfolgenden Vorteile auf:
- – Reduzierung des Bauteilgewichts
- – verbesserte Medien- und Chemikalienbeständigkeit im Vergleich zu Stahl
- – kein zusätzlicher Korrosionsschutz des Bauteils notwendig
- – verbessertes Dämpfungsverhalten des Werkstoffs
- – reduzierte Fertigungszeiten, höhere Effizienz der Fertigung
- – geringere Herstellungskosten
- – fasergerechte leichtbauende Lastweiterleitung.
- - Reduction of the component weight
- - improved media and chemical resistance compared to steel
- - No additional corrosion protection of the component necessary
- - Improved damping behavior of the material
- - reduced production times, higher production efficiency
- - lower production costs
- - fiber-friendly lightweight load transfer.
Insbesondere beim Einsatz im Bereich des Fahrzeugbaus führt dies zu deutlichen Einsparungen am Fahrzeuggewicht. Dies erlaubt eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs pro gefahrenem Kilometer und eine Verkleinerung des Schadstoffausstoßes.In particular, when used in the field of vehicle construction, this leads to significant savings in vehicle weight. This allows a significant reduction in the energy consumption of the vehicle per kilometer driven and a reduction in pollutant emissions.
Nicht nur im Bereich des Fahrzeugbaus ist es häufig so, dass Bauteile, insbesondere Bauteile im Bereich des Fahrwerks, über elastische Lagerungen aufgenommen werden sollen oder gar müssen. Da diese elastischen Lagerungen bei herkömmlichen Bauteilen häufig mit dem Bauteil verschraubt werden, ist diese Technologie so nicht ohne weiteres auf den Bereich der faserverstärkten Kunststoffmaterialien zu übertragen. Diese sind hinsichtlich der Lasteinleitung über Schrauben oder dergleichen eher kritisch, sodass die Anbindung von elastischen Lagern im herkömmlichen Aufbau einen erheblichen Zusatzaufwand bei der Herstellung und der konstruktiven Planung des Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial erforderlich macht.Not only in the field of vehicle construction, it is often the case that components, in particular components in the area of the chassis, should be absorbed by elastic bearings or even need. Since these elastic bearings are often bolted to the component in conventional components, this technology is not readily transferred to the field of fiber-reinforced plastic materials. These are rather critical with regard to the introduction of loads via screws or the like, so that the connection of elastic bearings in the conventional construction makes a considerable additional effort in the production and structural planning of the component made of a fiber-reinforced plastic material required.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Aufwand zu minimieren oder einzusparen und eine elastische Lagerung für ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial anzugeben, welche entsprechend einfach und effizient zu realisieren ist, und welche ohne nennenswerten Zusatzaufwand mit dem Bauteil aus faserverstärktem Kunststoffmaterial verbunden werden kann.The object of the present invention is now to minimize or save this effort and specify an elastic support for a component made of a fiber-reinforced plastic material, which is correspondingly simple and efficient to implement, and which connected without significant additional effort with the component made of fiber-reinforced plastic material can be.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elastische Lagerung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elastischen Lagerung ist in Patentanspruch 7 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der elastischen Lagerung sowie des Verfahrens ergeben sich aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by an elastic mounting with the features in the characterizing part of
Die erfindungsgemäße elastische Lagerung sieht ein metallisches Aufnahmeelement vor, über welches die Lagerung beispielsweise im Bereich eines Fahrzeugs oder eines weiteren Bauteils in an sich bekannter Art und Weise aufgenommen werden kann. Hierfür sind entsprechende Halterungen, das Anschweißen des Bauteils oder dergleichen denkbar. Das metallische Aufnahmeelement ist in der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung über das elastische Material mit dem Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial verbunden. Das elastische Material ist dabei als thermoplastisches Elastomer ausgebildet. Dieses thermoplastische Elastomer übernimmt dabei die elastische Lagerung einerseits und die Verbindung zwischen dem Bauteil und dem metallischen Aufnahmeelement andererseits.The elastic bearing according to the invention provides a metallic receiving element, via which the storage, for example, in the area a vehicle or another component can be received in a conventional manner. For this purpose, appropriate brackets, the welding of the component or the like are conceivable. The metallic receiving element is connected in the inventive elastic storage on the elastic material with the component of the fiber-reinforced plastic material. The elastic material is formed as a thermoplastic elastomer. This thermoplastic elastomer takes on the elastic storage on the one hand and the connection between the component and the metallic receiving element on the other hand.
Insbesondere bei der Ausgestaltung des faserverstärkten Bauteils mit einem thermoplastischen Matrixmaterial wird durch Erwärmen beim Einbringen des thermoplastischen Elastomers zwischen das metallische Aufnahmeelement und das Bauteil dessen Matrix typischerweise mit angeschmolzen, sodass ein sehr guter form- und insbesondere stoffschlüssiger Verbund zwischen dem thermoplastischen Elastomer und dem Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial zu erzielen ist. Auf der anderen Seite haftet das thermoplastische Elastomer dann an dem metallischen Aufnahmeelement an und bildet so einfach und effizient die elastische Lagerung für das Bauteil aus.In particular, in the embodiment of the fiber-reinforced component with a thermoplastic matrix material is typically melted by heating during introduction of the thermoplastic elastomer between the metallic receiving element and the component, so that a very good form and in particular cohesive bond between the thermoplastic elastomer and the component the fiber reinforced plastic material is achieved. On the other hand, the thermoplastic elastomer then adheres to the metal receiving element and so easily and efficiently forms the elastic support for the component.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung ist es ferner vorgesehen, dass das metallische Aufnahmeelement zumindest in den Bereichen, in denen es mit dem thermoplastischen Elastomer in Verbindung steht, eine Beschichtung mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweist. Eine solche Beschichtung des metallischen Aufnahmeelements mit thermoplastischem Kunststoffmaterial erhöht zusätzlich die Haftfähigkeit zwischen dem thermoplastischen Elastomer und der Beschichtung, da sich hier ein Stoffschluss ausbildet. Dadurch kann der Verbund des elastischen Lagers noch bessere Haftungseigenschaften zwischen den beteiligten Materialien erzielen und damit noch stabiler ausgeführt werden.In a particularly favorable and advantageous development of the elastic bearing according to the invention, it is further provided that the metallic receiving element, at least in the areas in which it is in communication with the thermoplastic elastomer, having a coating with a thermoplastic material. Such a coating of the metallic receiving element with thermoplastic material additionally increases the adhesion between the thermoplastic elastomer and the coating, since a material bond is formed here. As a result, the composite of the elastic bearing can achieve even better adhesion properties between the materials involved and thus be made even more stable.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der elastischen Lagerung ist es ferner vorgesehen, dass das metallische Aufnahmeelement als Hohlprofil ausgebildet ist, welches das Bauteil umgibt, wobei der Raum zwischen dem Bauteil und dem metallischen Aufnahmeelement das thermoplastische Elastomer aufweist. Dieser Aufbau, bei welchem das metallische Aufnahmeelement als Hohlprofil das Bauteil umschließt und der gesamte Zwischenraum mit dem thermoplastischen Elastomer ausgefüllt ist, erlaubt eine sehr gute Lagerung des Bauteils in zumindest alle Raumrichtungen, insbesondere in alle Raumrichtungen innerhalb der Schnittebene quer durch das Hohlprofil des metallischen Aufnahmeelements. Damit entsteht eine sehr sichere und zuverlässige Anbindung des Bauteils an dem metallischen Aufnahmeelement durch das elastische Lager.In an advantageous development of the elastic mounting, it is further provided that the metallic receiving element is designed as a hollow profile which surrounds the component, wherein the space between the component and the metallic receiving element comprises the thermoplastic elastomer. This structure, in which the metallic receiving element surrounds the component as a hollow profile and the entire space is filled with the thermoplastic elastomer, allows a very good storage of the component in at least all spatial directions, in particular in all spatial directions within the sectional plane across the hollow profile of the metallic receiving element , This creates a very secure and reliable connection of the component to the metallic receiving element by the elastic bearing.
In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des beschriebenen elastischen Lagerung ist es ferner vorgesehen, dass das Bauteil als Drehstabfeder oder Teil einer Drehstabfeder oder als Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.In a further particularly favorable and advantageous embodiment of the elastic bearing described, it is further provided that the component is designed as a torsion bar spring or part of a torsion bar or as a roll stabilizer for a motor vehicle.
Drehstäbe beziehungsweise Drehstabfedern oder Wankstabilisatoren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um Torsionsfedern, die die Wankbewegungen eines Fahrzeugs vermindern sollen oder die das Fahrzeug tragen und auf Fahrbahnunebenheiten durch Ein- und Ausfedern in ausreichendem Maße reagieren sowie Gewichtsverlagerungen in Längs- und Querrichtung aufzunehmen. Diese Bauteile werden aufgrund der hohen Materialanforderungen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit, insbesondere bei der Torsionsbelastung, häufig aus hochfesten Federstählen gefertigt und typischerweise als Rohr- oder Vollmaterial ausgeführt. Aus der prioritätsgebenden Patentanmeldung für die hier vorliegenden Patentanmeldung ist es außerdem bekannt, diese Drehstabfedern aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus einem im Wesentlichen rohrförmigen Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial herzustellen. Dadurch werden ideale Eigenschaften hinsichtlich des Gewichts, der Korrosionsbeständigkeit, der Dämpfungseigenschaften und der im Bereich der Drehstabfeder geleiteten Kräfte erzielt. Insbesondere derartige im Fahrwerksbereich von Fahrzeugen angeordnete Bauteile, wie die Drehstabfeder, werden häufig über elastische Lagerungen gelagert. Hierfür ist die erfindungsgemäß ausgebildete elastische Lagerung ideal, da die Drehstabfeder, idealerweise im rohrförmigen Bereich, über das thermoplastische Elastomer sicher, zuverlässig aber dennoch mit einer gewissen Elastizität in der Lagerung mit dem metallischen Aufnahmeelement, welches idealerweise als Hohlprofil um das rohrförmige Bauteil der Drehstabfeder ausgebildet sein kann, verbunden ist. Der Aufbau ist dabei einfach und effizient in der Herstellung und gewährleistet bei minimalem Gewicht beste Lagerungseigenschaften.Turning rods or torsion bars or roll stabilizers are known from the general state of the art. These are torsion springs, which are intended to reduce the rolling motion of a vehicle or carry the vehicle and to respond to road bumps by rebound and rebound sufficiently and to accommodate weight shifts in the longitudinal and transverse directions. These components are often made of high strength spring steels due to the high material requirements in terms of stiffness and strength, especially in the torsional load, and typically designed as a tube or solid material. From the priority-giving patent application for the present patent application, it is also known to produce these torsion bar springs made of fiber-reinforced plastic, in particular from a substantially tubular member made of a fiber-reinforced plastic material. This achieves ideal properties in terms of weight, corrosion resistance, damping properties and the forces conducted in the area of the torsion bar spring. In particular, such arranged in the chassis area of vehicles components, such as the torsion bar spring, are often stored on elastic bearings. For this purpose, the inventively designed elastic bearing is ideal because the torsion bar, ideally in the tubular area, on the thermoplastic elastomer safely, reliably but still with a certain elasticity in the storage with the metallic receiving element, which is ideally designed as a hollow profile to the tubular member of the torsion bar can be connected. The structure is simple and efficient to manufacture and ensures best storage properties with minimal weight.
Hohlprofile, insbesondere für eine Drehstabfeder oder einen Wankstabilisator, benötigen mitunter aufwendige Geometrien. Deshalb ist es vorteilhaft sie über ein IHU-Verfahren (Innenhochdruckumformen) herzustellen.Hollow profiles, in particular for a torsion bar or a roll stabilizer, sometimes require complex geometries. Therefore, it is advantageous to produce them via an hydroforming process (hydroforming).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer derartigen elastischen Lagerung sieht es vor, dass das metallische Aufnahmeelement in seiner gewünschten Position gegenüber dem Bauteil angeordnet wird, wonach das metallische Aufnahmeelement und das Bauteil durch Injektion des thermoplastischen Elastomers zwischen das metallische Aufnahmeelement und das Bauteil verbunden werden. Dies ist besonders einfach und effizient und erlaubt eine sehr kostengünstige Herstellung des elastischen Lagers.The inventive method for producing such elastic storage provides that the metallic receiving element is arranged in its desired position relative to the component, after which the metallic Receiving element and the component can be connected by injection of the thermoplastic elastomer between the metallic receiving element and the component. This is particularly simple and efficient and allows a very cost-effective production of the elastic bearing.
Erfindungsgemäß wir also ein Verbund zwischen einem steifem anorganischen Material, einem steifen organischen Material sowie einem elastischen organischen Material in einem Prozess hergestellt. Dadurch entfallen ansonsten erforderliche komplexe Fertigungsstufen.According to the invention, therefore, we produce a composite between a rigid inorganic material, a stiff organic material and an elastic organic material in one process. This eliminates otherwise required complex manufacturing stages.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Injektion des thermoplastischen Elastomers in einer Spritzgussanlage als 2K-Spritzgussprozess erfolgt. Insbesondere die Injektion des thermoplastischen Elastomers in einer Spritzgussanlage als 2K-Spritzgussprozess ist für die Serienfertigung im Rahmen der Herstellung von großen Stückzahlen, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge, ideal geeignet und kann ohne großen zusätzlichen Aufwand in einem einfachen und leicht in eine Serienfertigung zu integrierenden Fertigungsprozess die Herstellung der elastischen Lagerung, beispielsweise an dem bevorzugten Bauteil einer Drehstabfeder oder eines Wankstabilisators für ein Fahrzeug, realisieren. Besonders vorteilhaft erfolgt der 2K-Spritzgussprozess in einem variothermen Werkzeug mit unterschiedlich temperierten Zonen: In einer kalten Zone erfolgt dereigentliche Spritzgussprozess während in einer heißen Zone das Elastomer galvanisiert wird.In a very advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the injection of the thermoplastic elastomer takes place in an injection molding machine as a 2K injection molding process. In particular, the injection of the thermoplastic elastomer in an injection molding as 2K injection molding process is ideally suited for mass production in the production of large quantities, for example for motor vehicles, and can be easily and effortlessly in a simple and easy to be integrated into a mass production process Produce the elastic bearing, for example, on the preferred component of a torsion bar or a roll stabilizer for a vehicle realize. The 2K injection molding process is particularly advantageously carried out in a variothermal mold with differently tempered zones: the actual injection molding process takes place in a cold zone while the elastomer is galvanized in a hot zone.
In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass das metallische Aufnahmeelement seinerseits zumindest teilweise mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial beschichtet wird. Die Beschichtung mit dem thermoplastischem Kunststoffmaterial, typischerweise vor der Weiterverarbeitung des metallischen Aufnahmeelementes, gewährleistet einen bestmöglichen Verbund zwischen dem thermoplastischen Elastomer und dem mit thermoplastischem Kunststoffmaterial beschichteten metallischen Aufnahmeelement einerseits und dem Bauteil aus dem Faserverbundkunststoff mit der bevorzugten thermoplastischen Matrix andererseits. Das metallische Aufnahmeelement kann dabei als Inlay verwendet werden und in der sogenannten Inserttechnik in einer Spritzgussanlage mittels des thermoplastischen Elastomers zu einer festen elastischen Lagerung an dem Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial verspritzt wird. Es entsteht damit ein einfach herzustellender, sicherer und zuverlässiger Aufbau, wobei die Anbindung der elastischen Lagerung an dem Bauteil mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Konstruktion des Bauteils als auch des eingesetzten Materials erfolgt. Der Aufbau ist damit entsprechend einfach, kostengünstig und baut sehr leicht.In an advantageous development of this, it is provided that the metallic receiving element in turn is at least partially coated with a thermoplastic plastic material. The coating with the thermoplastic material, typically before the further processing of the metallic receiving element, ensures the best possible bond between the thermoplastic elastomer and coated with thermoplastic material metallic receiving element on the one hand and the component of the fiber composite plastic with the preferred thermoplastic matrix on the other. The metallic receiving element can be used as an inlay and is injected in the so-called insert technique in an injection molding plant by means of the thermoplastic elastomer to a solid elastic bearing on the component of the fiber-reinforced plastic material. This results in a simple to manufacture, safe and reliable construction, the connection of the elastic bearing on the component with minimal effort in terms of the construction of the component as well as the material used. The structure is therefore correspondingly simple, inexpensive and very easy to build.
Wie vorstehend beschrieben, kann das metallischen Aufnahmeelement vorzugsweise als Hohlprofil um das rohrförmige Bauteil der Drehstabfeder ausgebildet werden. Dann ist es vorteilhaft, die Mehrkomponenten-Werkzeugform für den Spritzgießprozess um eine IHU-Einheit (Innenhochdruckumformen) zu erweitern. Damit können dann nicht nur (vollständig gefüllte) Vollquerschnitte hergestellt werden, sondern auch Hohlquerschnitte (mittels eingelegtem Kern). Besonders vorteilhaft sind Hohlquerschnitte mit Faserverstärkung, z. B. mittels umflochtenem Kern. In einem darauffolgenden Prozess kann dann in einem, dem in-mold-coating ähnlichen Verfahren an gewünschter Stelle der Kern zurückgefahren werden (Öffnen um z. B. ca. 0,1 mm) um gezielt einen Haftvermittler aufzubringen bzw. die Oberfläche mit einem Chemischen Stimulator zu aktivieren, sodass das einzubringende thermoplastische Elastomer am thermoplastischen Kunststoff haftet.As described above, the metallic receiving element may preferably be formed as a hollow profile around the tubular member of the torsion bar. Then it is advantageous to expand the multi-component mold for the injection molding process by an IHU unit (hydroforming). Thus, not only (fully filled) solid sections can be produced, but also hollow sections (by means of inserted core). Particularly advantageous are hollow sections with fiber reinforcement, z. B. by braided core. In a subsequent process, the core can then be returned to the desired location in a mold similar to the in-mold coating (opening by, for example, about 0.1 mm) in order to selectively apply a bonding agent or the surface to a chemical Activate stimulator, so that the thermoplastic elastomer to be introduced adheres to the thermoplastic material.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the elastic bearing according to the invention will become apparent from the further dependent subclaims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Ideal für die nachfolgend beschriebene Erfindung ist es, wenn die äußere Oberfläche des rohrförmigen Bauteils
An seinen beiden Enden weist das rohrförmige Bauteil
In der Darstellung der
Das thermoplastische Elastomer
Verfahrenstechnisch lässt sich dies beispielsweise so realisieren, dass das metallische Aufnahmeelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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