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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruck-umformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faser-verstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist, 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, wobei das Hohlkörperbauteil erst nach der Aushärtung des duromeren Harzes entformt wird und wobei der Umformdruck reduziert wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet.A method for producing a hollow body component, for example for safety-relevant applications in the automotive sector, consisting of a composite material formed by hydroforming in a closed mold, which formed from a metal blank by impressing a forming pressure metallic inner layer and a fiber-reinforced and compressed in the hydroforming and polymer outer layer compressed with the metal blank, wherein a metal blank, which has a basic shape adapted to the hollow body component having an inner surface and an outer surface, consisting of a thermosetting thermosetting resin system and embedded reinforcing fibers jacket is applied and wherein the metal blank and the Sheath existing precursor is formed in a closed mold by acting on the inner surface of the metal blank forming pressure to the hollow body component, wherein the hollow body b Auteil only after the curing of the thermosetting resin is removed from the mold and wherein the forming pressure is reduced before the thermosetting resin system of the shell hardens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich. The invention relates to a method for producing 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.

Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2010 063 094 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines metallhybriden Bauteils mit einem metallischen Hohlprofil und einer daran angeordneten Ummantelung. Es ist offenbart, dass das metallische Hohlprofil mit einem Innendruck beaufschlagt wird. The post-published publication DE 10 2010 063 094 A1 discloses a method of making a metal hybrid component having a metallic hollow profile and a shell disposed thereon. It is disclosed that the metallic hollow profile is subjected to an internal pressure.

Die ebenfalls nachveröffentlichte DE 10 2011 116 744 betrifft ein Halbzeug für ein faserverstärktes Kunststoff-Hybridbauteil mit zumindest einem metallischen Hohlprofilelement und einem dieses zumindest Bereichsweise umgebenden Faserwerkstoff. Das metallische Hohlprofilelement kann mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens vorproduziert werden. The also nachveröffentlichte DE 10 2011 116 744 relates to a semifinished product for a fiber-reinforced plastic hybrid component with at least one metallic hollow profile element and a fiber material surrounding this at least in regions. The metallic hollow profile element can be pre-produced by means of a hydroforming process.

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 out 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 Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils nach Anspruch 1. The object of the invention and solution of this problem is a method for producing a hollow body component according to claim 1.

Das erfindungsgemäß hergestellte 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. Das erfindungsgemäße Verfahren 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 produced 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 method 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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.  Advantageous embodiments of the method are described in the dependent claims.

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. 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.

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. Erfindungsgemäß wird das Hohlkörperbauteil nach dem Aushärten der Matrix entformt. 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. According to the invention, the hollow body component is removed from the mold after curing of the matrix.

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. Der erfindungsgemäße Effekt ist besonders wirksam, da der Umformdruck reduziert wird, bevor das Harz des Mantels aushärtet. Vorzugsweise wird der Umformdruck vollständig abgebaut, 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 effect of the invention is particularly effective because the forming pressure is reduced before the resin of the shell cures. Preferably, the forming pressure is completely reduced before the resin of the shell hardens.

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.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruck-umformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faser-verstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist, 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, wobei das Hohlkörperbauteil erst nach der Aushärtung des duromeren Harzes entformt wird und wobei der Umformdruck reduziert wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet. A method for producing a hollow body component, for example for safety-relevant applications in the automotive sector, consisting of a composite material formed by hydroforming in a closed mold, which formed from a metal blank by impressing a forming pressure metallic inner layer and a fiber-reinforced and compressed in the hydroforming and polymer outer layer compressed with the metal blank, wherein a metal blank, which has a basic shape adapted to the hollow body component having an inner surface and an outer surface, consisting of a thermosetting thermosetting resin system and embedded reinforcing fibers jacket is applied and wherein the metal blank and the Sheath existing precursor is formed in a closed mold by acting on the inner surface of the metal blank forming pressure to the hollow body component, wherein the hollow body b Auteil only after the curing of the thermosetting resin is removed from the mold and wherein the forming pressure is reduced before the thermosetting resin system of the shell hardens. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umformdruck vollständig abgebaut wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet. The method of claim 1, wherein the forming pressure is completely degraded before the thermosetting resin system of the shell cures. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material auf dem Metallrohling aufgebracht wird. The method of claim 1 or 2, wherein a made of the reinforcing fibers textile material is applied to the metal blank. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch auf den Metallrohling aufgebracht wird.  A method according to claim 2 or 3, wherein a fabric tube knitted or woven from the reinforcing fibers is applied to the metal blank. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 1 to 4, 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 1 bis 5, 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. Method according to one of claims 1 to 5, wherein a workpiece consisting of the metal blank and the reinforcing fibers is inserted into the mold and wherein 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Innenschicht aus unlegiertem oder legiertem Stahl oder einer Leichtmetalllegierung besteht.  Method according to one of claims 1 to 6, wherein the inner layer consists of unalloyed or alloyed steel or a light metal alloy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Außenschicht eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweist.  Method according to one of claims 1 to 7, wherein the outer layer comprises a polymer matrix of a polyester, vinyl ester, epoxy or phenolic resin. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Außenschicht ein aus Endlosfasern gebildetes textiles Material als Faserverstärkung aufweist. Method according to one of claims 1 to 8, wherein the outer layer comprises a textile material formed from continuous fibers as fiber reinforcement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Faserverstärkung aus einem aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch besteht.  Method according to one of claims 1 to 9, wherein the fiber reinforcement consists of a textile tube made of continuous fibers. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Faserverstärkung von zugfesten Fasern, insbesondere Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern, gebildet ist. Method according to one of claims 1 to 10, wherein the fiber reinforcement of tensile fibers, in particular glass fibers, aramid fibers or carbon fibers, is formed.
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