DE102010054097A1 - Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteiles - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteiles Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteiles (1) aus zumindest einem Metallteil (2) und einem Faserverbundteil (3), bei dem das Metallteil (2) wenigstens bereichsweise eine Oberflächenstruktur (4) aufweist, welche mit Fasermaterial belegt und das anschließend imprägniert und ausgehärtet wird; erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Metallteil (2) im mit dem Fasermaterial belegten Bereich mit wenigstens einer abstehenden Anbindungslasche (5, 6, 7) ausgebildet ist, welche mit Fasermaterial derart umgeben, umflochten oder umwickelt wird, dass es aus dem Fasermaterial herausragt. Ferner betrifft die Erfindung ein Metall-Faserverbund-Bauteil (1) für eine Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteiles aus zumindest einem Metallteil und einem Faserverbundteil gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein gemäß der erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Metall-Faserverbund-Bauteiles für eine Fahrzeugkarosserie gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
  • Moderne Leichtbaustrukturen insbesondere im Automobilbau erfordern zur Erfüllung von hohen Festigkeitsanforderungen in Verbindung mit erheblichen Gewichtsreduzierungen von Bauteilen den Einsatz von Faserverbundbauteilen, wobei insbesondere die Anbindung an eine metallische Struktur, wie bspw. eine Fahrzeugkarosserie eine Herausforderung darstellt.
  • Aus der WO 2008/110835 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteils bekannt, bei dem eine ebene Fläche eines Metallteils bereichsweise mit einer regelmäßigen Anordnung von stachelartigen Vorsprüngen ausgebildet und in einem Formwerkzeug mit mehreren vorimprägnierten Faserschichten, sogenannten „Prepreg” belegt wird. Dabei dringen die Vorsprünge in dieses Prepreg ein und bilden nach Entlüften mittels Vakuumsack und anschließenden unter Druck und Hitze ausgeführten Aushärten eine hochfeste Verbindung mit dem Harz, da das Harz unter dem Druck und der Hitze in intensivem Kontakt mit den Vorsprüngen kommt und dabei die Kontaktfläche vergrößert wird. Das derart hergestellte Bauteil bildet bspw. eine Flügelbeplankung für die Tragfläche eines Flugzeugs, wobei das Metallteil zur Anbindung von weiteren Bauteilen dient. Die Vorsprünge auf einer Fläche des Metallteils erfolgt mittels selektiver Pulverbeschichtung mit anschließendem Aufschmelzen mittels eines Lasers.
  • Die WO 2009/003207 beschreibt eine Anordnung zum Verbinden eines zur Aufnahme von Zug- und/oder Torsionskräften eingesetzten länglichen Elementes wie bspw. seil-kabel- oder stangenartige Zugelemente für die Takellage von Segelschiffen oder Torsionswellen mit einer weiteren Komponente, bspw. einem metallischen Krafteinleitungselement. Die Verbindung zwischen dem Krafteinleitungselement und dem länglichen Element erfolgt mittels einer Ummantelung aus Faserverbundmaterial. Die Kraftübertragung zwischen dem Krafteinleitungselement und der Ummantelung erfolgt dabei durch stachelartige Vorsprünge, welche auf der Außenfläche des Krafteinleitungselements angeordnet sind, in die sich das Geflecht und/oder die Wickelstruktur der Ummantelung verzahnen können. Diese Vorsprünge durchdringen die Ummantelung zumindest teilweise und sorgen so für eine Verbindung zwischen dem länglichen Element und dem Krafteinleitungselement. Die an dem Krafteinleitungselement vorgesehenen Vorsprünge können einstückig mit dem Krafteinleitungselement ausgebildet werden oder durch Schweißen, Löten, Kleben oder Einschrauben mit dem Krafteinleitungselement verbunden werden.
  • Diese bekannten Anbindungsmöglichkeiten von Faserverbundteilen an Umgebungsstrukturen über Metallteile führen jedoch im Fahrzeugbau, insbesondere im Karosseriebau nicht immer zu befriedigenden Ergebnissen, da dort flächige Strukturen, bspw. Karosseriebleche mit flächigen Faserverbundteilen an die Umgebung, also der Fahrzeugkarosserie angebunden werden müssen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteils der eingangs genannten derart weiterzubilden, dass mit einem solchen Metall-Faserverbund-Bauteil eine einfache und kostengünstige Anbindung an eine flächige Metallstruktur, insbesondere an eine Fahrzeugkarosserie ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Bei einem solchen Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteiles aus zumindest einem Metallteil und einem Faserverbundteil, bei dem das Metallteil wenigstens bereichsweise eine Oberflächenstruktur aufweist, welche mit Fasermaterial belegt und das anschließend imprägniert und ausgehärtet wird, wird erfindungsgemäß das Metallteil im mit dem Fasermaterial belegten Bereich mit wenigstens einer abstehenden Anbindungslasche ausgebildet, welche mit Fasermaterial derart umgeben, umflochten oder umwickelt wird, dass es aus dem Fasermaterial herausragt.
  • Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Metall-Faserverbund-Bauteil hergestellt, welches vorzugsweise mittels mehreren auf dem Metallteil verteilten Anbindungslaschen eine Lastübertragung an mehreren Punkten ermöglicht, so dass mittels dieser Anbindungslaschen eine Verbindung zu einer flächigen Umgebungsstruktur, bspw. einer Fahrzeugkarosserie mit standardisierten Verbindungstechniken hergestellt werden kann.
  • Durch eine großflächige Verbindung des metallischen Teils mit dem Faserverbundteil, deren Qualität zusätzlich durch die Oberflächenstruktur verbessert wird, erhält das erfindungsgemäße Metall-Faserverbund-Bauteil eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Belastbarkeit und eine gute Dauerhaftigkeit mit erhöhter Duktilität bei hohen Lasteinträgen und ist daher besonders für den Einsatz im Fahrzeugbau geeignet.
  • Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung kann das Metallteil als flächiges Blechbauteil unterschiedliche Formen aufweisen. So ist bei einem plattenförmigen Blechbauteil die wenigstens eine Anbindungslasche randseitig abstehend ausgebildet und liegt in der Ebene des Blechbauteils. Eine andere Ausgestaltung schlägt ein flächiges U-förmiges Blechbauteil vor, bei dem die wenigstens eine Anbindungslasche an einem Schenkel der U-Form randseitig absteht. Solche Bleche können bspw. durch Pressen oder Umformen hergestellt werden. Weiterhin kann ausbildungsgemäß das Metallteil hohlprofilartig, bspw. durch Innenhochdruckumformen ausgebildet werden, bei dem von der äußeren Oberfläche die wenigstens eine Anbindungslasche absteht.
  • Randseitig angeformte Anbindungslaschen können bereits beim Zuschneiden solcher Blechbauteile erzeugt werden. Aus einem ebenen Oberflächenteil des Blechteils ragende Anbindungslaschen können weiterbildungsgemäß durch Ausschneiden aus diesem ebenen Oberflächenbereich des metallischen Teils und durch anschließendes Ausklappen aus der Ebene hergestellt werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Metall-Faserverbund-Bauteil als Hohlkörper mit geschlossenem Umfang hergestellt, indem das Metallteil wenigstens teilweise mittels eines Kernes umlaminiert wird und dadurch als Metalleinlegeteil in das Faserverbundteil integriert wird.
  • Es bietet sich an, die Oberflächenstruktur gerillt oder geriffelt auszubilden, ferner ist es besonders hinsichtlich der Verbindungsqualität zwischen dem Metall und dem Kunststoff vorteilhaft, wenn zur Bildung der Oberflächenstruktur stachelartige Fortsätze bzw. Vorsprünge erzeugt werden.
  • Das erfindungsgemäße Metall-Faserverbund-Bauteil ist besonders für die Verwendung in einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs geeignet, da dieses Metall-Faserverbund-Bauteil mittels der Anbindungslaschen mit einem Karosserieteil der Fahrzeugkarosserie verbunden werden kann und dabei im Fahrzeugbau standardmäßig verwendete Verbindungstechniken eingesetzt werden können, wie bspw. Punktschweißen und/oder Kleben.
  • Mit einem solchen Metall-Faserverbund-Bauteil können crashrelevante Strukturen, wie bspw. eine A-Säule einer Fahrzeugkarosserie verstärkt werden, wodurch die Versteifung- und Duktilitätseigenschaften der Struktur wesentlich verbessert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteils gemäß der Erfindung,
  • 2 eine perspektivische Darstellung des Metallteils nach 1 in einer Sicht auf die Außenseite,
  • 3 eine perspektivische Darstellung des Metallteils nach 1 in einer Sicht auf die Innenseite,
  • 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines alternativen Metallteils in U-Form,
  • 5 eine schematische perspektivische Darstellung auf eine Teilfläche eines Metallteils mit Anbindungslasche,
  • 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines alternativen Metallteils mit einem geschlossenem Querschnitt, und
  • 7 eine schematische perspektivische Darstellung auf ein Anwendungsbeispiel mit einem an einem Säulenblech der A-Säule befestigten erfindungsgemäßen Metall-Faserverbund-Bauteil.
  • Das Metall-Faserverbund-Bauteil 1 gemäß 1 umfasst als Hohlkörper mit geschlossenem Umfang einen aus Faserverbundmaterial hergestellten Faserverbundkörper 3 und einem Metallteil 2 als Blechbauteil. Dieses Blechbauteil 2 ist perspektivisch mit einer Sicht auf die Außenseite 2a in 2 und mit einer Sicht auf die Innenseite 2b in 3 dargestellt und in eine U-Form mit zwei auf der Innenseite 2b im Wesentlichen senkrecht stehenden Schenkeln 2c und 2d gepresst oder umgeformt. An diesen beiden Schenkeln 2c und 2d sind jeweils zwei Anbindungslaschen 5 angeformt, die im Wesentlichen in der Ebene der Außen- bzw. Innenseite 2a bzw. 2b nach außen ragen und endseitig leicht konisch ausgebildet sind.
  • Die Außenfläche 2a sowie die sich daran anschließenden Schenkel 2c und 2d sind mit einer Oberflächenstruktur 4 versehen, die gerillt oder geriffelt ausgebildet ist und durch Stanzen, Nieten, Schweißen oder Lasern hergestellt werden kann. Eine solche Oberflächenstruktur 4 kann auch mit in Reihen angeordneten Vorsprüngen erzeugt werden, wie dies in der bereits in der Beschreibungseinleitung erläuterten WO 2008/110835 A1 beschrieben ist.
  • Ein derart vorbereitetes Blechbauteil 2 wird zur Herstellung des Metall-Faserverbund-Bauteil 1 gemäß 1 mit einem quaderförmigen Kern verbunden, dessen Querschnitt dem innenliegenden Hohlraum dieses Metall-Faserverbund-Bauteils 1 entspricht, also diesen durch seine Form definiert. Dieser das Blechbauteil 2 tragende Kern wird in einer Flecht- oder Wickelmaschine gezielt mit Fasermaterial umwickelt und dabei das Blechbauteil 2 in dieses Fasermaterial integriert. Dabei legt sich das Fasermaterial um bzw. in die Oberflächenstruktur 4, so dass nach dem Imprägnieren und Aushärten das Blechbauteil 2 umlaminiert ist und durch diese Oberflächenstruktur 4 ein hoher Form- und Kraftschluss zwischen dem Blechbauteil 2 und dem Faserverbundteil 3 entsteht. Beim Umwickeln des Blechbauteil 2 werden gleichzeitig die Anbindungslaschen 5 mit dem Fasermaterial derart umflochten oder umwickelt, dass diese Anbindungslaschen 5 aus dem Fasermaterial bzw. nach dem Aushärten aus dem Faserverbundteil 3 herausragen, wie dies in 1 dargestellt ist.
  • Als Fasermaterial können auch vorimprägnierte Fasern, als Prepreg bezeichnet, verwendet werden.
  • Ferner ist das Blechbauteil 2 derart zugeschnitten, dass zusätzlich zu den Anbindungslaschen 5 weitere Anbindungslaschen 6 und 7 aus dem Faserverbundteil 3 herausragen. Wie insbesondere aus 1 ersichtlich, ist die Anbindungslasche 7 eine stirnseitige Fortsetzung der Außenseite 2a bzw. Innenseite 2b und wird nicht von Fasermaterial umwickelt. Die beiden weiteren Anbindungslaschen 6 bilden jeweils eine stirnseitige Fortsetzung der beiden Schenkel 2c und 2d.
  • 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Metallteils 2 und besteht aus einem rechteck- und plattenförmigen Blechbauteil mit stirnseitig angeformten Anbindungslaschen 5, so dass deren Flächen in der gleichen Ebene liegen. Die Außenseite 2a dieses Blechbauteils 2 ist ebenfalls mit einer Oberflächenstruktur 4, bspw. mit stachelartigen Vorsprüngen ausgebildet.
  • Das Metallteil 2 kann auch als Hohlkörper mit geschlossenem Umfang hergestellt werden, wie in 6 gezeigt ist. Dieses flache und rechteckförmige Blechbauteil 2 weist jeweils auf seinen langen Stirnseiten 2c und 2d zwei Anbindungslaschen 5 sowie weitere stirnseitig angeordnete Anbindungslaschen 6 und 7 auf. Diese zusätzlichen Anbindungslaschen 6 und 7 sind an einer offenen Stirnseite des Blechbauteils 2 angeordnet, wobei die beiden Anbindungslaschen 6 die Stirnseiten 2c und 2d und die beiden Anbindungslaschen 7 die obere Außenseite 2a und die untere Außenseite 2b verlängern. Die Oberfläche des Blechbauteils 2, welche mit einer Oberflächenstruktur 4 (schraffiert dargestellt) versehen ist, umläuft den gesamten Umfang des Blechbauteils 2 und wird mit Fasermaterial bedeckt, so dass nach einer Imprägnierung und Aushärtung diese Anbindungslaschen 5, 6 und 7 aus dem Faserverbundteil 3, entsprechend der Darstellung nach 1, herausragen.
  • Die Anbindungslaschen 5 können nicht nur randseitig, wie in den 2, 3, und 4 dargestellt ist, angeformt werden, sondern entsprechend der 5 auch im Bereich einer Fläche des Metallteils 2 durch Ausschneiden und anschließendes Ausklappen aus der Ebene des flächigen Bereichs.
  • 7 zeigt eine Verwendung des Metall-Faserverbund-Bauteils 1 gemäß 1 zur Verstärkung eines Strukturbleches, hier ein Säulenblech 8 für eine A-Säule einer Fahrzeugkarosserie. Dieses Säulenblech 8 weist einen U-förmigen Querschnitt mit abgewinkelten Flanschflächen 8a auf, wobei der U-förmige Querschnitt mit dem rechteckförmigen Querschnitt des Metall-Faserverbund-Bauteils 1 übereinstimmt, so dass dieses flächenbündig entsprechend 7 in diese U-Form eingelegt werden kann. In dieser Lage liegen die Anbindungslaschen 5 flächig auf den Flanschflächen 8a, die Anbindungslasche 7 flächig auf der Mittelfläche 8b und die Anbindungslaschen 6 an den Schenkelflächen 8c an. Damit können diese Anbindungslaschen 5, 6 und 7 mittels standardisierten Verbindungstechniken bzw. Fügemethoden mit dem Säulenblech 8 verbunden werden, wie bspw. mittels Widerstandpunktschweißen und/oder Klebetechniken. Durch die Verteilung der Anbindungslasche 5, 6 und 7 über die Oberfläche des Metallteils 2 wird eine Lastübertragung an mehreren Punkten erreicht, wodurch eine gleichmäßige Belastung des Metall-Faserverbund-Bauteils 1 erzielt wird.
  • Damit wird eine Verstärkung der A-Säule erzielt, die insbesondere bei Cabriolets notwendig ist. Ferner bewirkt dieses Metall-Faserverbund-Bauteil 1 zusätzlich eine Versteifung der A-Säule, die insbesondere bei Lasteintrag in Crashfällen wirksam ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Metall-Faserverbund-Bauteil
    2
    Metallteil, Blechbauteil
    2a
    Außenseite, obere Außenseite des Metallteils 2
    2b
    Innenseite; untere Außenseite des Metallteils 2
    2c
    Schenkelseite des Metallteils 2
    2d
    Schenkelseite des Metallteils 2
    3
    Faserverbundteil
    4
    Oberflächenstruktur
    5
    Anbindungslasche
    6
    Anbindungslasche
    7
    Anbindungslasche
    8
    Säulenblech der A-Säule
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2008/110835 A1 [0003, 0026]
    • WO 2009/003207 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Faserverbund-Bauteiles (1) aus zumindest einem Metallteil (2) und einem Faserverbundteil (3), bei dem das Metallteil (2) wenigstens bereichsweise eine Oberflächenstruktur (4) aufweist, welche mit Fasermaterial belegt und das anschließend imprägniert und ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil (2) im mit dem Fasermaterial belegten Bereich mit wenigstens einer abstehenden Anbindungslasche (5, 6, 7) ausgebildet ist, welche mit Fasermaterial derart umgeben, umflochten oder umwickelt wird, dass es aus dem Fasermaterial herausragt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil (2) als flächiges Blechbauteil ausgebildet ist, bei dem die wenigstens eine Anbindungslasche (5, 6, 7) randseitig absteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil (2) als flächiges U-förmiges Blechbauteil ausgebildet ist, bei dem die wenigstens eine Anbindungslasche (5) an einem Schenkel (2c, 2d) der U-Form randseitig absteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil (2) hohlprofilartig ausgebildet ist, bei dem von der äußeren Oberfläche (2a, 2b) die wenigstens eine Anbindungslasche (5, 6) absteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anbindungslasche (5) durch Ausschneiden aus dem flächigen Bereich des Metallteils (2) und durch anschließendes Ausklappen aus der Ebene des flächigen Bereichs hergestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Faserverbund-Bauteil (1) als Hohlkörper mit geschlossenem Umfang hergestellt wird, indem das Metallteil (2) wenigstens teilweise mittels eines Kernes umlaminiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (3) gerillt oder geriffelt ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Oberflächenstruktur (3) stachelartige Fortsätze bzw. Vorsprünge erzeugt werden.
  9. Metall-Faserverbund-Bauteil (1) für eine Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Faserverbund-Bauteil (2) mittels der Anbindungslaschen (5, 6, 7) mit einem Karosserieteil (8) der Fahrzeugkarosserie verbunden wird.
  10. Metall-Faserverbund-Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungslasche (4, 5, 6) mittels Punktschweißen und/oder Kleben mit dem Karosserieteil (7) verbunden wird.
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