DE102011003626B4

DE102011003626B4 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils

Info

Publication number: DE102011003626B4
Application number: DE102011003626.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Schillinger; Marco Reisböck; Wolfgang Gruber; Thomas Weiss
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2031-02-05
Also published as: DE102011003626A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils für Fahrzeuge, das mindestens ein vorgefertigtes Faserverbund-Schalenelement (3) und mindestens ein Faserverbund-Hohlbauteil (2) aufweist, wobei das mindestens eine Faserverbund-Schalenelement (3) mit dem mindestens einen Faserverbund-Hohlbauteil (2) zu einer Baueinheit vorkonfektioniert wird, die anschließend mittels eines Spritzpressverfahrens zu dem Faserverbund-Bauteil verfestigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils für Fahrzeuge, das aus mindestens einem vorgefertigten Faserverbund-Schalenelement und mindestens einem Faserverbund-Hohlbauteil gebildet ist. Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Faserverbund-Schalenelement mit dem mindestens einen Faserverbund-Hohlbauteil zu einer Baueinheit vorkonfektioniert und anschließend mittels eines Spritzpressverfahrens verfestigt. Ferner betrifft die Erfindung einen Seitenrahmen eines Automobils bzw. Teilsegmente hiervon, der bzw. die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde/n sowie ein Fahrzeug, das mindestens ein Bauteil aufweist, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Die Erfindung ist insbesondere auf die Herstellung von Faserverbund-Seitenrahmen für Fahrzeuge gerichtet, die zum einen eine tragende Funktion für verschiedene Anbauteile gewährleisten müssen, zum anderen ganz wesentlich zur Bereitstellung der gewünschten Verwindungssteifigkeit der Karosserie beitragen. Ferner kommt dem Seitenrahmen eine besonders wichtige Bedeutung bezüglich der Aufrechterhaltung der Fahrgastzelle bei einem Unfall und entsprechender Krafteinwirkung von außen zu. Automobile Seitenrahmen müssen somit optimal in den Bereichen Lastpfade, Festigkeit und Steifigkeit auslegbar sein und ausgelegt werden. Üblicherweise wurden Seitenrahmen aus Aluminium oder Stahl hergestellt. Soweit Faserverbundwerkstoffe eingesetzt wurden, kennt der Stand der Technik eine reine Schalenbauweise, bei der mit jeweils zusammengehörigen Schalen Hohlprofile erzeugt wurden, die aneinandergereiht und verklebt wurden, um ein Gesamtbauteil darzustellen ( DE 102 51 580 A1 ). Die Viel- zahl der so erzeugten und benötigten Schalenbauteile weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Zum einen kann der fasergerechte und last-/festigkeits- und steifigkeitsoptimale Aufbau eines Seitenrahmens nur bedingt dargestellt werden. Zum anderen sind in den verschiedenen Bereichen des Seitenrahmens unterschiedliche funktionale Auslegungen nötig. Diese wurden zwar durch entsprechend in Wanddicke und Konstruktion angepasste Schalen realisiert, mussten aber in einzelnen Preform-Werkzeugen hergestellt werden. Durch den Preform-Prozess entsteht ein erheblicher prozessbedingter Materialverschnitt, der unter Umständen sogar größer sein kann als das eigentlich verbleibende Bauteil. Die vielen unterschiedlichen Preform-Teile bedeuten ferner einen hohen Bedarf an Anlagenkapazität, wodurch wiederum hohe Prozess- und Herstellkosten generiert werden. Die verschiedenen Schalenbauteile müssen einzeln mit Klebstoff verbunden werden, wodurch konstruktive Einschränkungen aufgrund vorgegebener Fügerichtungen hinzunehmen sind. Durch die klebstoffgerechte Auslegung sind ferner Kompromisse hinsichtlich der Funktion, der Kosten, des Designs und des Gewichts der Schalenbauteile einzugehen.
Aus dem Rennsport ist ferner bekannt, Monocoques aus Faserverbundwerkstoff herzustellen. Solche Verfahren eignen sich aus Kostengründen und der hohen benötigten Fertigungszeit nicht für eine Massenproduktion, wie sie für Automobile notwendig ist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils, insbesondere eines Kfz-Seitenrahmens bereitzustellen, bei dem die Anzahl der zu verarbeitenden Einzelteile sowie das Gewicht reduziert werden. Das neue Verfahren soll Faserverbund-Bauteile erzeugen, die kostengünstiger, ressourcenschonender herstellbar und hinsichtlich der Festigkeit und Steifigkeit anpassbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Bauteilen für Fahrzeuge gemäß dem Anspruch 1. Bei einem derartigen Herstellungsverfahren werden Faserverbund-Schalenelemente mit Faserverbund-Hohlbauteilen zu einer Baueinheit vorkonfektioniert, die anschließend mittels eines Spritzpressverfahrens verfestigt wird und somit das Faserverbund-Bauteil bildet. Die Kombination von Faserverbund-Schalenelementen mit Faserverbund-Hohlbauteilen ermöglicht es, jede beliebige Form von Faserverbund-Bauteilen zu realisieren, welche die jeweiligen Anforderungen an technische sowie designbezogene Faktoren erfüllt. Die Faserverbund-Hohlbauteile weisen eine hohe Steifigkeit auf, wobei diese durch Anpassung der Wandstärke des Bauteils gut einstellbar ist. Bei Faserverbund-Bauteilen in Schalenbauweise gemäß dem Stand der Technik können zwar auch Hohlprofile erzeugt werden, diese müssen dann jedoch deutlich größer dimensioniert werden, um die Schwachstellen an den Verbindungen auszugleichen. Faserverbund-Hohlbauteile können bei gleicher Stabilität deutlich dünnwandiger und somit gewichtsreduzierter ausgebildet werden. Ferner können sie fasergerecht ausgelegt werden, so dass Kraftflüsse im Bauteil besser steuerbar sind. Die Verwendung der zusätzlichen Faserverbund-Schalenelementen beschränkt sich vorzugsweise auf Designelemente, Anschlussflächen für angrenzende Bauteile und Flansche für Dichtungen, die nicht geeignet sind, mit Hohlbauteilen realisiert zu werden. Sämtliche hochintegrale Strukturen zur Realisierung technischer Anforderungen hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit und Deformationsverhalten werden mehrheitlich mit Faserverbund-Hohlbauteilen dargestellt.
Die für das Faserverbund-Bauteil verwendeten Faserverbund-Schalenelemente und Faserverbund-Hohlbauteile können in einer Konfektionierstation vorkonfektioniert werden, um anschließend als Gesamtbaueinheit dem Spritzpresswerkzeug zugeführt zu werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Spritzpressverfahren (RTM-Verfahren: Resin-Transfer-Molding) eingesetzt, bei dem die in der Konfektionierstation vorkonfektionierte Baueinheit in ein entsprechendes RTM-Werkzeug eingelegt wird. Anschließend wird die Form geschlossen und ein Harz-Härtergemisch über einen oder mehrere Harzinjektionsports unter einem vorbestimmten Druck in die Form gespritzt. In der Form kann hierzu ein Vakuum angelegt sein, um den Harzfluss zu verbessern. Zur Beschleunigung des Aushärtevorgangs des Harzes kann die Form bzw. das Werkzeug beheizt sein. Schließlich wird das Faserverbund-Bauteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen. Bei dem RTM-Verfahren können unterschiedliche Harzsysteme wie zum Beispiel Polyester-, Vinylester-, Epoxid-, BMI- oder Phenol-Harze zum Einsatz kommen.
Für die Faserverbund-Schalenelemente und die Faserverbund-Hohlbauteile können unterschiedliche Faserwerkstoffe wie Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern oder Naturfasern verwendet werden. Vorzugsweise handelt es sich jedoch jeweils um einen CFK-Faserverbund.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Faserverbund-Hohlbauteile in Flechttechnik gebildet, da hierdurch unterschiedliche Faserbereiche unter äußerst geringem Fertigungsaufwand und Materialeinsatz herstellbar sind. Hierzu wird ein Kern bereitgestellt, um den mindestens eine Faserlage gelegt ist. Die Kerne können verschiedene Außenkonturen aufweisen, so dass beliebige Hohlbauteilformen erzielbar sind. Je nach Einsatzposition und entsprechend benötigter Auslegung des Bauteils im letztlich erzeugten Faserverbund-Bauteil kann die Faserlage angepasst werden, die entsprechenden Eigenschaften aufzuweisen.
In Bereichen hoher notwendiger Verwindungssteifigkeit kann hierzu die Faserlage dicker bzw. können mehrere Faserlagen übereinander angeordnet werden. In Bereichen verringerter Steifigkeit, um gegebenenfalls eine vordefinierte Deformationseigenschaft aufzuweisen und Aufprallenergie abzubauen, kann die Faserlage dünner ausgebildet sein bzw. kann die Anzahl der übereinander angeordneten Faserlagen reduziert sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass sich die Fasern der Faserlage in eine vorbestimmte Richtung erstrecken, um kraftflussoptimierte Übergänge zu den sich anschließenden Schalenelementen oder Hohlbauteilen bereitzustellen. Durch die fasergerechte Auslegung können Kraftflüsse im Bauteil gezielt gesteuert und mit einem vergleichsweise geringeren Materialeinsatz umgesetzt werden.
Als Kerne für die Hohlbauteile können Sand oder eine Hohlglaskugelmischung, Blaskerne, expandierte Polypropylen (EPP) oder Polyurethan-Schaumkerne (PUR) verwendet werden. In einer günstigen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei dem Vorkonfektionieren Zusatzelemente an das mindestens einen Faserverbund-Schalelement und/oder das mindestens eine Faserverbund-Hohlbauteil angelegt werden, die an dem jeweiligen Bauteil in vordefinierten Bereichen zur Verstärkung führen. Üblicherweise wird dies nur an den Faserverbund-Hohlbauteilen erfolgen, da die Schalelemente im Verhältnis zu den Hohlbauteilen kaum zu den technischen Eigenschaften des Gesamtbauteils im Crashfall beitragen. Als Zusatzelemente sind Crash-Deformationswaben, Crash-Kegel, Crash-Platten, Crash-Sinuswellen, Kerne oder sonstige Abstützungen verwendbar. Die Zusatzelemente sind vorgefertigte Bauteile und werden bei der Konfektionierstation mit eingelegt, um anschließend bei dem Spritzpressverfahren feste Bestandteile des Faserverbund-Bauteils zu werden. Mittels der Zusatzelemente ist eine funktionsgerechte Auslegung des Faserverbund-Bauteils möglich, wobei beispielsweise bei einem Seitenrahmen eines Kraftfahrzeugs Crash-Deformationswaben im Zentralbereich auf Höhe des Fahrgasts angeordnet sein können, um diesen bestmöglich gegen eindringende Gegenstände zu schützen. Die aufwendige Anpassung einzelner Schalen zur Verstärkung entsprechender Bereiche, wie es im Stand der Technik vorgesehen war, ist somit überwunden. Durch die fasergerechte Auslegung der Hohlbauteile sowie der möglichen Verstärkung mittels Zusatzelemente sind die Kraftverteilungen im Bauteil gut steuerbar, so dass länderspezifische Deformationsauslegungen im Falle eines Unfalls ermöglicht sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist wie oben dargestellt insbesondere auf die Herstellung eines automobilen Seitenrahmens oder von Teilsegmenten eines derartigen Seitenrahmens gerichtet, da in diesem Fall der Kombination von Steifigkeit, Festigkeit und Kraftaufnahme eine besonders wichtige Bedeutung zukommt. Durch die mehrteilige Kombination aus Faserverbund-Hohlbauteilen und Faserverbund-Schalenelementen, die in Fügeoperation durch den Karosseriebau zu einem kompletten Seitenrahmen zusammensetzbar sind, können ferner verschiedene Varianten für unterschiedliche Fahrzeugtypen wie Limousinen, Coupés oder Cabrios erzielt werden. Aufgrund des fehlenden Daches sind die Anforderungen an die Verwindungssteifigkeit des Seitenrahmens bei Cabrios erhöht. Durch eine Verdickung der Wandstärke der Faserlage bzw. eine Übereinanderanordnung kann dieser gesteigerten Steifigkeitsanforderung Rechnung getragen werden, ohne dass Fahrzeuggewicht in einer Weise zu erhöhen, wie es bei Stahl oder Aluminiumkonstruktionen der Fall ist.
Nachfolgend ist beispielhaft eine Ausführung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten automobilen Seitenrahmens dargestellt. Es zeigt:
1 eine Seitenansicht eines automobilen Seitenrahmens.
In 1 ist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faserverbund-Bauteil in Form eines automobilen Seitenrahmens 1 dargestellt, bei dem mehrere Faserverbund-Hohlbauteile 2 derart zusammengesetzt und verklebt sind, die tragende Struktur des Seitenrahmens 1 zu bilden. Die Darstellung des Seitenrahmens 1 ist beispielhaft schematisch von seiner Außenseite, d. h. der Anprallseite im Falle eines Unfalls. Die Faserverbund-Hohlbauteile 2 weisen jeweils oberseitig eine Faserlage auf, deren Außenkontur durch Auflegen auf einen auswaschbaren Kern vordefiniert wurde. Die Richtung der einzelnen Fasern ist derart abgestimmt, dass die Kraftflüsse im Bauteil optimiert sind. Die Faserverbund-Hohlbauteile 2 sind abschnittsweise mit Zusatzelementen verstärkt, wobei im Zentralbereich eine thermoplastische Crash-Deformationswabe 4, im Vorder- und Hinterbereich (in der 1 linksseitig und rechtsseitig) des Rahmens 1 je ein Crash-Kegel 5 angedeutet sind. Die Crash-Deformationswabe 4 gleicht einer Deformationsplatte mit Ausnehmungen zur Bildung der Wabenform und eignet sich besonders gut zur Aufnahme von Deformationskräften. Der Crash-Kegel 5 weist im Wesentlichen eine Kegel- oder Zylinderform auf und dient als zusätzliches Deformationselement zur Energieabsorption beim Anprall auf die entsprechende Position. Zusätzlich ist im Bereich der B-Säule des Seitenrahmens 1 zwischen einem Faserverbund-Schalenelement 3 und dem Faserverbund-Hohlbauteil 2 eine Crash-Sinuswelle 6 angeordnet, die aus Kunststoff gebildet ist und das Gesamtgewicht des Seitenrahmens 1 nur geringfügig erhöht. Bei einem Anprall auf die Crash-Sinuswelle 6 wird diese wie der Crash-Kegel 5 deformiert und absorbiert zumindest Teile der kinetischen Anprallenergie, die dann nicht unmittelbar auf den Seitenrahmen 1 wirkt.
Die Anordnung der gezeigten Zusatzelemente 4, 5, 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel frei gewählt und stellt lediglich eine der vielen Möglichkeiten zur Strukturverbesserung des Seitenrahmens 1 dar. Letztlich erfolgt die Auswahl und Positionierung der Zusatzelemente 4, 5, 6 nach berechneten und empirisch ermittelten Werten für das gewünschte Crashverhalten des Seitenrahmens 1.
Die Faserverbund-Hohlbauteile 2 bilden die tragende Struktur, die zur Verwindungssteifigkeit, Festigkeit sowie zur Aufnahme von Deformationsenergie dient. Zusätzlich sind Faserverbund-Schalenelemente 3 auf den Faserverbund-Hohlbauteilen 2 angeordnet, um dem Seitenrahmen 1 das gewünschte Außendesign zu verleihen sowie Teile bereitzustellen, die nicht in Hohlbauform realisierbar sind. Die Schalenelemente 3 sind in 1 nur abschnittsweise im Dachbereich und zu den übrigen Teilen des Seitenrahmens 1 abgeschnitten dargestellt. Dies dient lediglich der Veranschaulichung, schließt jedoch nicht aus, dass Faserverbund-Schalenelemente 3 die gesamte Außen- und Innenkontur des Seitenrahmens 1 bilden und über den Faserverbund-Hohlbauteilen 2 angeordnet werden. Die Faserverbund-Schalenelemente 3 sind vorgefertigte Teile, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Faserverbund-Hohlbauteilen kombiniert werden. Der Seitenrahmen 1 ist aus Teilsegmenten gebildet, die in einer Konfektionierstation zu einer Baueinheit vorkonfektioniert und anschließend in einem RTM-Spritzpressverfahren ausgehärtet werden. Zur Vorkonfektionierung sind die Bauteile aneinander geklebt oder mit anderen, dem Fachmann geläufigen Verfahren miteinander befestigt. Die Zusatzelemente werden in der Konfektionierstation an die entsprechende Position mit eingelegt.
In der gezeigten Ausführung sind die Faserverbund-Schalenelemente 3 ausschließlich als Außen-Designelemente dargestellt, es sind an jedem Seitenrahmen 1 jedoch auch Anschlussflächen für angrenzende Bauteile wie beispielsweise Türaufnahmen oder Flansche für Dichtungen vorgesehen, die vorliegend nicht explizit dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Seitenrahmen
2: Faserverbund-Hohlbauteil
3: Faserverbund-Schalenelement
4: Crash-Deformationswabe
5: Crash-Kegel
6: Crash-Sinuswelle

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils für Fahrzeuge, das mindestens ein vorgefertigtes Faserverbund-Schalenelement (3) und mindestens ein Faserverbund-Hohlbauteil (2) aufweist, wobei das mindestens eine Faserverbund-Schalenelement (3) mit dem mindestens einen Faserverbund-Hohlbauteil (2) zu einer Baueinheit vorkonfektioniert wird, die anschließend mittels eines Spritzpressverfahrens zu dem Faserverbund-Bauteil verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Faserverbund-Schalenelement (3) mit dem mindestens einen Faserverbund-Hohlbauteil (2) in einer Konfektionierstation vorkonfektioniert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Faserverbund-Hohlbauteil (2) in Flechttechnik gebildet ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Faserverbund-Hohlbauteil (2) einen Kern aufweist, um den die mindestens eine Faserlage gelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich Fasern der Faserlage in vorbestimmte Richtungen erstrecken, um kraftflussoptimierte Übergänge zu einem sich anschließenden Faserverbund-Schalenelement (3) oder Faserverbund-Hohlbauteil (2) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern als auswaschbarer Kern, Blaskern oder EPP- oder PUR-Schaumkern gebildet ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Vorkonfektionieren Zusatzelemente an das mindestens eine Fa- serverbund-Schalenelement (3) und/oder das mindestens eine Faserverbund-Hohlbauteil (2) angelegt werden, die das mindestens eine Faserverbund- Schalenelement (3) und/oder das mindestens eine Faserverbund-Hohlbauteil (2) in vordefinierten Bereichen verstärken.
Verfahren nach zumindest dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzelemente Crash-Deformationswaben (4), Crash-Kegel (5), Crash-Platten, Crash-Sinuswellen (6), Kerne oder Abstützungen verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung eines automobilen Seitenrahmens (1) oder von Teilsegmenten eines automobilen Seitenrahmens nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 8.
Fahrzeug umfassend mindestens ein Bauteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 9.