DE102011056202A1 - Hollow body component and method for its production - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hohlkörperbauteil, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Hohlkörperbauteils.The invention relates to a hollow body component, for example for safety-relevant applications in the automotive sector, consisting of a formed by hydroforming in a closed mold composite material, which formed from a metal blank by impressing a forming pressure metallic inner layer and a fiber-reinforced and compressed in the hydroforming and pressed with the metal blank having polymeric outer layer. The invention also provides a process for producing the hollow body component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hohlkörperbauteil, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich. The invention relates to a hollow body component, for example for safety-relevant applications in the automotive sector.

Hohlkörperbauteile, die Gegenstand der Erfindung sind, treten in Konkurrenz zu metallischen Bauteilen, die durch Innenhochdruckumformung hergestellt werden. Bei der Innenhochdruckumformung werden Formstücke aus Metall unter sehr hohem Druck zum Fließen gebracht. Dabei entstehen konturgenaue Bauteile, die sich durch eine extrem hohe Festigkeit auszeichnen. Durch Innenhochdruckumformung können beispielsweise energieabsorbierende Stoßfänger, Fensterrahmen mit integriertem Überrollschutz oder Fahrwerkskomponenten gefertigt werden. In der modernen Motorentechnik werden beispielsweise auch Verbindungen der Hochdruckeinspritzung mit Hilfe der Innenhochdruckumformung produziert. Hollow body components which are the subject of the invention compete with metallic components produced by hydroforming. In hydroforming, metal fittings are made to flow at very high pressure. This results in contour-accurate components that are characterized by an extremely high strength. By hydroforming, for example, energy-absorbing bumpers, window frames with integrated rollover protection or chassis components can be manufactured. In modern engine technology, for example, compounds of the high-pressure injection are produced by means of hydroforming.

Ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen durch Innenhochdruckumformung ist aus EP 1 609 545 A2 bekannt. Durch Verwendung mehrerer ineinander oder nebeneinander angeordneter Hohlprofile können dabei auch mehrschichtige Strukturen gefertigt werden. A process for the production of hollow body components by hydroforming is made EP 1 609 545 A2 known. By using a plurality of hollow profiles arranged one inside the other or adjacent to one another, it is also possible to produce multilayer structures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gewicht eines durch Innenhochdruckumformung gebildeten Bauteils unter Beibehaltung der guten Festigkeitseigenschaften zu reduzieren. The invention has for its object to reduce the weight of a formed by hydroforming component while maintaining the good strength properties.

Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Hohlkörperbauteil nach Anspruch 1. The object of the invention and solution of this problem is a hollow body component according to claim 1.

Das erfindungsgemäße Hohlkörperbauteil besteht aus einem durch Innenhochdruckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist. Der erfindungsgemäße Gegenstand beruht auf der Überlegung, eine Innenhochdruckumformung mit einem Harzinjektionsverfahren zu kombinieren, um hochbelastbare Hybridbauteile fertigen zu können. Durch das Innenhochdruckumformen sind komplexe Geometrien mit Freiformflächen darstellbar. Die Außenschicht besteht aus einem duromeren Harzsystem, welches nach oder während der Innenhochdruckumformung aushärtet. Durch den vor der Aushärtung auf die Außenschicht wirkenden Pressdruck zur Umformung des Metallrohlings kann die Außenschicht durch Austrag von überschüssigem Harz verdichtet werden und sind sehr hohe Faservolumengehalte in der Außenschicht realisierbar. Bei der Aushärtung der Außenschicht tritt ein Schrumpfungsprozess auf, wobei die Schwindung des Materials größer ist als eine etwaige elastische Rückstellung der metallischen Innenschicht. Es resultiert ein fester Verbund zwischen der metallischen Innenschicht und der mit dem Metallrohling zusammen verpressten polymeren Außenschicht. Das erfindungsgemäße Hohlkörperbauteil zeichnet sich gegenüber konventionellen metallischen Bauteilen, die durch Innenhochdruckumformung gefertigt worden sind, durch Gewichtsvorteile aus. Eine Gewichtsreduzierung um etwa 20 % bei gleicher Bauteilfestigkeit ist ohne Weiteres möglich. The hollow body component according to the invention consists of a composite material formed by hydroforming in a closed mold which has a metallic inner layer formed from a metal blank by impressing a forming pressure and a fiber-reinforced polymeric outer layer compacted in hydroforming and pressed with the metal blank. The object according to the invention is based on the idea of combining hydroforming with a resin injection process in order to be able to produce highly resilient hybrid components. By hydroforming complex geometries with free-form surfaces are represented. The outer layer consists of a thermosetting resin system, which cures after or during hydroforming. By acting on the outer layer prior to curing pressure for forming the metal blank, the outer layer can be compacted by discharging excess resin and very high fiber volume contents in the outer layer can be realized. During the curing of the outer layer, a shrinkage process occurs, wherein the shrinkage of the material is greater than any elastic recovery of the metallic inner layer. The result is a firm bond between the metallic inner layer and the pressed together with the metal blank polymeric outer layer. The hollow body component according to the invention is characterized by weight advantages over conventional metallic components that have been manufactured by hydroforming. A weight reduction of about 20% with the same component strength is readily possible.

Die Innenschicht des erfindungsgemäßen Hohlkörperbauteils kann insbesondere aus einem unlegierten oder legierten Stahl oder einer Leichtmetalllegierung bestehen. Die Außenschicht kann eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweisen. The inner layer of the hollow body component according to the invention can in particular consist of a non-alloyed or alloyed steel or a light metal alloy. The outer layer may comprise a polymer matrix of a polyester, vinyl ester, epoxy or phenolic resin.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Außenschicht ein aus Endlosfasern gefertigtes textiles Material, insbesondere einen aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch als Faserverstärkung auf. Als Faserverstärkung kommen zugfeste Fasern in Betracht, die textiltechnisch verarbeitet werden können. Insbesondere sind Glasfasern, Aramidfasern und Kohlenstofffasern geeignet. According to a preferred embodiment of the invention, the outer layer has a textile material made of continuous fibers, in particular a textile tube made of continuous fibers as fiber reinforcement. As fiber reinforcement tensile fibers come into consideration, which can be processed by textile technology. In particular, glass fibers, aramid fibers and carbon fibers are suitable.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung des beschriebenen Hohlkörperbauteils. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den nachgeordneten Ansprüchen 8 bis 12 beschrieben. The invention also provides a method according to claim 7 for the production of the described hollow body component. Advantageous embodiments of the method are described in the dependent claims 8 to 12.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einen Metallrohling, der eine an das Hohlkörperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufgebracht. Das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt wird danach in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohlkörperbauteil umgeformt. Dabei wird das Hohlkörperbauteil einerseits geformt und gleichzeitig wird der Materialverbund zwischen der faserverstärkten Außenschicht und der metallischen Innenschicht des Verbundmaterials gebildet. Überschüssiges Harz wird durch den bei der Innenhochdruckumformung auftretenden Pressdruck durch eine Entlüftungsöffnung der Form herausgedrückt. Nach dem Aushärten der Matrix kann das Hohlkörperbauteil entformt werden. In the method according to the invention, a jacket consisting of a thermosetting resin thermosetting system and reinforcing fibers embedded therein is applied to a metal blank which has a basic shape with an inner surface and an outer surface adapted to the hollow body component. The intermediate product consisting of the metal blank and the jacket is then reshaped in a closed mold to the hollow body component by means of a forming pressure acting on the inner surface of the metal blank. In this case, the hollow body component is formed on the one hand and at the same time the composite material is formed between the fiber-reinforced outer layer and the metallic inner layer of the composite material. Excess resin is pushed out through the pressure of the hydroforming occurring during the hydroforming through a vent in the mold. After curing of the matrix, the hollow body component can be removed from the mold.

Die Aushärtung des duromeren Harzsystems geht einher mit einer Schrumpfung des Materials, wobei die Materialschwindung größer ist als eine etwaige elastische Rückstellung der metallischen Innenschicht. Die beschriebenen Effekte tragen zu einer Verbesserung der Verbundfestigkeit zwischen dem metallischen Teil des Hohlkörperbauteils und der faserverstärkten Außenschicht bei. Die Effekte sind besonders wirksam, wenn der Umformdruck reduziert oder vollständig abgebaut wird, bevor das Harz des Mantels aushärtet.The curing of the thermosetting resin system is accompanied by a shrinkage of the material, wherein the material shrinkage is greater than any elastic recovery of the metallic Inner layer. The described effects contribute to an improvement in the bond strength between the metallic part of the hollow body component and the fiber-reinforced outer layer. The effects are particularly effective when the forming pressure is reduced or completely degraded before the resin of the shell cures.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material, insbesondere ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch, auf dem Metallrohling aufgebracht. Die Verwendung eines Textilschlauches ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Metallrohling aus einem rohrförmigen Werkstück besteht. According to a preferred embodiment of the method according to the invention, a textile material produced from the reinforcing fibers, in particular a textile tube knitted or woven from the reinforcing fibers, is applied to the metal blank. The use of a textile tube is particularly advantageous if the metal blank consists of a tubular workpiece.

Es ergeben sich mehrere Möglichkeiten, um das duromere Harzsystem in die Kavität zwischen dem Metallrohling und die für eine Innenhochdruckumformung verwendete Form einzubringen. So kann der Mantel aus Verstärkungsfasern geformt werden, die mit Harz oder einer Bindemittelkomponente eines zweikomponentigen reaktiven Harzsystems beschichtet sind. There are several possibilities for introducing the thermosetting resin system into the cavity between the metal blank and the mold used for hydroforming. Thus, the sheath can be formed from reinforcing fibers coated with resin or a binder component of a two-component reactive resin system.

Eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein aus dem Metallrohling und den Verstärkungsfasern bestehendes Werkstück in die Form eingelegt wird und dass nach dem Schließen der Form das duromere Harzsystem in die Form injiziert wird, welches die Kavität zwischen der Form und dem Werkstück ausfüllt und in die aus den Verstärkungsfasern bestehende Schicht des Werkstücks eindringt. Die Form ist mit einem Entlüftungsventil ausgerüstet, durch das überschüssiges Matrixmaterial herausgedrückt werden kann.An alternative embodiment variant of the method according to the invention provides that a workpiece consisting of the metal blank and the reinforcing fibers is inserted into the mold and that after closing the mold, the thermosetting resin system is injected into the mold, which fills the cavity between the mold and the workpiece and penetrates into the existing of the reinforcing fibers layer of the workpiece. The mold is equipped with a vent valve, through which excess matrix material can be forced out.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches eine Innenhochdruckumformung metallischer Teile mit einem Harzinjektionsverfahren zur Herstellung faserverstärkter Schichten kombiniert, lassen sich komplexe Hybridbauteile fertigen, die gegenüber konventionellen, durch Innenhochdruckumformung gebildeten metallischen Bauteile Gewichtsvorteile haben. Das Verfahren kann beispielsweise angewendet werden zur Herstellung von Bauteilen für die Fahrzeugindustrie, die sich durch hohe Festigkeit auszeichnen und für sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden können. Auf diesen Anwendungsbereich ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teile können überall dort eingesetzt werden, wo Bauteile gefordert werden, die sich durch ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit auszeichnen.By means of the method according to the invention, which combines hydroforming of metallic parts with a resin injection process for producing fiber-reinforced layers, it is possible to produce complex hybrid components which have weight advantages over conventional metallic components formed by hydroforming. The method can be used for example for the production of components for the automotive industry, which are characterized by high strength and can be used for safety-related applications. However, the invention is not limited to this field of application. The parts produced by the process according to the invention can be used wherever components are required, which are characterized by a low weight and high strength.

Die faserverstärkte polymere Außenschicht leistet einen wesentlichen Beitrag zur Festigkeit des erfindungsgemäßen Hohlkörperbauteils. Entsprechend kann die Wandstärke des Metallrohlings reduziert werden. Infolge einer geringeren Wandstärke des Metallrohlings kann die Innenhochdruckumformung mit einem geringeren Umformdruck durchgeführt werden, wenn man zum Vergleich den Umformdruck heranzieht, der für ein metallisches Hohlkörperbauteil gleicher Festigkeit benötigt würde. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren einfacher und wirtschaftlicher betrieben werden als eine konventionelle Innenhochdruckformung metallischer Bauteile. Dies erschließt mögliche neue Anwendungsbereiche, z. B. die Herstellung von Fahrradkomponenten. The fiber-reinforced polymeric outer layer makes a significant contribution to the strength of the hollow body component according to the invention. Accordingly, the wall thickness of the metal blank can be reduced. As a result of a smaller wall thickness of the metal blank, the hydroforming can be carried out with a lower forming pressure, if one uses for comparison the forming pressure that would be required for a metallic hollow body component of equal strength. As a result, the method according to the invention can be operated more simply and more economically than a conventional hydroforming of metallic components. This opens up potential new applications, eg. B. the production of bicycle components.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1609545 A2 [0003] EP 1609545 A2 [0003]

Claims (12)

Hohlkörperbauteil, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist. Hollow body component, for example for safety-relevant applications in the automotive sector, consisting of a formed by hydroforming in a closed mold composite material having a formed of a metal blank by impressing a forming pressure metallic inner layer and a fiber reinforced and compressed in the hydroforming and pressed with the metal blank polymeric outer layer. Hohlkörperbauteil nach Anspruch 1, wobei die Innenschicht aus unlegiertem oder legiertem Stahl oder einer Leichtmetalllegierung besteht. A hollow body component according to claim 1, wherein the inner layer consists of unalloyed or alloyed steel or a light metal alloy. Hohlkörperbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenschicht eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweist. A hollow body component according to claim 1 or 2, wherein the outer layer comprises a polymer matrix of a polyester, vinyl ester, epoxy or phenolic resin. Hohlkörperbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Außenschicht ein aus Endlosfasern gebildetes textiles Material als Faserverstärkung aufweist.Hollow body component according to one of claims 1 to 3, wherein the outer layer comprises a textile material formed from continuous fibers as fiber reinforcement. Hohlkörperbauteil nach Anspruch 4, wobei die Faserverstärkung aus einem aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch besteht. A hollow body component according to claim 4, wherein the fiber reinforcement consists of a textile tube made of continuous fibers. Hohlkörperbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faserverstärkung von zugfesten Fasern, insbesondere Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern, gebildet ist. Hollow body component according to one of claims 1 to 4, wherein the fiber reinforcement of tensile strength fibers, in particular glass fibers, aramid fibers or carbon fibers, is formed. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei auf einen Metallrohling, der eine an das Hohlkörperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufgebracht wird und wobei das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohlkörperbauteil umgeformt wird.Process for producing a hollow body component according to one of Claims 1 to 6, a shell consisting of a thermosetting resin thermosetting system and reinforcing fibers embedded therein being applied to a metal blank having a basic shape with an inner surface and an outer surface adapted to the hollow body component, and wherein the precursor consisting of the metal blank and the jacket is reshaped in a closed mold to the hollow body component by a forming pressure acting on the inner surface of the metal blank. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Umformdruck reduziert oder vollständig abgebaut wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet. The method of claim 7, wherein the forming pressure is reduced or completely degraded before the thermosetting resin system of the shell cures. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material auf dem Metallrohling aufgebracht wird.A method according to claim 7 or 8, wherein a fabric made of the reinforcing fibers textile material is applied to the metal blank. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch auf den Metallrohling aufgebracht wird. A method according to claim 7 or 8, wherein a fabric tube knitted or woven from the reinforcing fibers is applied to the metal blank. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Mantel aus Verstärkungsfasern geformt wird, die mit Gießharz oder einer Bindemittelkomponente eines zweikomponentigen reaktiven Gießharzsystems beschichtet sind. A method according to any one of claims 7 to 10, wherein the sheath is formed from reinforcing fibers coated with casting resin or a binder component of a two-component reactive casting resin system. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein aus dem Metallrohling und den Verstärkungsfasern bestehendes Werkstück in die Form eingelegt wird und wobei nach dem Schließen der Form flüssiges Gießharz in die Form injiziert wird, welches die Kavität zwischen der Form und dem Werkstück ausfüllt und in die aus den Verstärkungsfasern bestehende Schicht des Werkstücks eindringt. A method according to any one of claims 7 to 10, wherein a workpiece consisting of the metal blank and the reinforcing fibers is placed in the mold and after closing the mold liquid casting resin is injected into the mold which fills the cavity between the mold and the workpiece and penetrates into the existing of the reinforcing fibers layer of the workpiece.
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