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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofilknotens aus einem Faser-Kunststoff-Verbund für die Verbindung von Hohlprofilbauteilen eines Rahmenelements.
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Rahmenelemente mit einem ersten Hohlprofilbauteil und zumindest einem zweiten Hohlprofilbauteil, die zum Beispiel für einen Karosserierahmen eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sind und bei der Montage mittels eines Hohlprofilknotens miteinander verbunden werden, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Ein derartiges Rahmenelement kann insbesondere Teil einer so genannten Spaceframe-Karosseriestruktur eines Kraftfahrzeugs sein. Eine Spaceframe-Karosseriestruktur zeichnet sich dadurch aus, dass die Beplankung und die eigentliche Tragstruktur der Karosserie funktional voneinander getrennt sind. Die Hohlprofilbauteile und Hohlprofilknoten bestehen im Stand der Technik häufig aus Aluminium und liegen als Aluminiumstrangpressprofile vor. Bei der Herstellung einer Spaceframe-Karosseriestruktur werden die Aluminiumstrangpressprofile und Knoten miteinander verschweißt. Dabei ist ein Toleranzausgleich nicht oder nur mit großem Aufwand möglich. Bei derartigen Rahmenelementen für Spaceframe-Karosseriestrukturen sind komplexe Knoten erforderlich, in denen mehrachsige Spannungszustände auf Grund äußerer Belastungen auftreten können. Um technologische Vorteile metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe nutzen zu können, besteht nicht zuletzt bei den vorstehend genannten Spaceframe-Karosseriestrukturen ein zunehmendes Bedürfnis an Mischbauweisen, bei denen Bauteile aus einem metallischen Werkstoff mit Bauteilen aus einem nichtmetallischen Werkstoff miteinander kombiniert werden. Zu den Vorteilen derartiger Mischbauweisen zählt zum Beispiel eine im Vergleich zu einer herkömmlichen Metallbauweise erreichbaren Gewichtsreduktion.
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Die
DE 10 2006 026 385 A1 offenbart ein Rahmenelement für eine Spaceframe-Struktur mit mehreren Hohlprofilbauteilen, die aus Aluminium, Stahl oder faserverstärkten Kunststoffen bestehen können und die jeweils mittels eines Knotens miteinander verbunden sind. Die Knoten bestehen aus einer Umbettung und einer Einlage, die einen Faserverbundkunststoff und Glasfasern und/oder Aramidfasern aufweist.
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Die
DE 44 23 642 C1 offenbart eine Spaceframe-Karosseriestruktur eines Kraftfahrzeugs mit Rahmenprofilteilen aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem metallischen Werkstoff, die über Knotenstellen miteinander verbunden sind. Die Knotenstellen werden aus Faservorformlingen aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Dabei können als Verstärkungsfasern Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern eingesetzt werden. Die Einbettung der Verstärkungsfasern erfolgt mit Hilfe von Matrixsystemen auf thermoplastischer oder alternativ auch auf duroplastischer Basis. Das Abkühlen und Aushärten wird unter dem Einfluss von Druck und Wärme innerhalb eines Formwerkzeugs durchgeführt. Bei der Verwendung von Matrixsystemen auf duroplastischer Basis kommt ein Harzinjektionsverfahren zum Tränken des Matrixsystems mit einem Duromer zum Einsatz.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofilknotens aus einem Faser-Kunststoff-Verbund für die Verbindung von Hohlprofilbauteilen eines Rahmenelements zur Verfügung zu stellen, das eine einfache und kostengünstige Herstellung von Hohlprofilknoten in großer geometrischer Formvielfalt ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 2 angegeben. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofilknotens umfasst die Schritte
- – Erzeugen eines löslichen Kerns, der hinsichtlich seiner Größe und Form an eine zu bildende Innenkontur des Hohlprofilknotens angepasst ist,
- – zumindest abschnittsweises Aufbringen einer Faserverstärkung, die in eine duroplastische oder thermoplastische Matrix eingebettet ist, auf eine Außenfläche des Kerns,
- – Aushärten der Matrix mit der darin eingebetteten Faserverstärkung, und
- – Entfernen des löslichen Kerns aus dem Inneren des Hohlprofilknotens.
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Bei der duroplastischen Fertigung von Hohlprofilknoten können vorteilhaft vorimprägnierte Halbzeuge (so genannte Prepregs) verwendet werden, die aus der Faserverstärkung und einer ungehärteten duroplastischen Matrix bestehen. Bei der thermoplastischen Fertigung können insbesondere thermoplastische, faserverstärkte Bänder verwendet werden.
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Gemäß der in Anspruch 2 angegebenen Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte
- – Bereitstellen eines löslichen Kerns, der hinsichtlich seiner Größe und Form an eine zu bildende Innenkontur des Hohlprofilknotens angepasst ist,
- – zumindest abschnittsweises Aufbringen einer trockenen Faserverstärkung auf eine Außenfläche des Kern,
- – Tränken der Faserverstärkung mit einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix,
- – Aushärten der mit der Matrix getränkten Faserverstärkung, und
- – Entfernen des löslichen Kerns aus dem Inneren des Hohlprofilknotens.
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Beide erfindungsgemäßen Verfahren, bei denen der Hohlprofilknoten unter Verwendung einer duroplastischen Matrix (zum Beispiel Epoxydharz) oder einer thermoplastischen Matrix hergestellt werden kann, haben die Verwendung löslicher Kerne für die Herstellung des Hohlprofilknotens gemeinsam. Neben duroplastischen oder thermoplastischen Matrixsystemen können Matrixsysteme auf Basis von Biopolymeren verwendet werden. Die beiden hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren unterscheiden sich dadurch, dass gemäß Anspruch 1 die Faserverstärkung bereits in eine thermoplastische oder duroplastische Matrix eingebettet ist, wohingegen bei der Verfahrensvariante gemäß Anspruch 2 eine trockene Faserbelegung des Kerns erfolgt und die Faserverstärkung in einem zusätzlichen Verfahrensschritt mit einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix getränkt wird. Die Verwendung löslicher Kerne ermöglicht es in beiden Verfahren, Hohlprofilknoten mit komplexen geometrischen Formgestaltungen einfach und kostengünstig herzustellen. Insbesondere können auch komplexer geformte Hohlprofilknoten mit Hinterschnitten oder sich verändernden Querschnitten auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Dadurch, dass der Kern nach der Herstellung nicht im Hohlprofilknoten verbleibt, sondern aus dem Inneren des Hohlprofilknotens gelöst wird, wird zudem eine Massereduktion ermöglicht, so dass sich die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hohlprofilknoten in vorteilhafter Weise auch für Leichtbauanwendungen eignen. Durch eine gezielte Ausnutzung anisotroper Materialeigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbunds können sehr stabile Hohlprofilknoten in Leichtbauweise hergestellt werden. Die mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlprofilknoten ermöglichen in vorteilhafter Weise eine momentenfeste, faserverbundgerechte Krafteineinleitung im Belastungsfall. Dabei können sowohl Klebeverbindungen als auch Querpress-Passungen mit den Hohlprofilbauteilen realisiert werden. Um eine hohe Formsteifigkeit zu erhalten, wird kein Material im Inneren des Hohlprofilknotens benötigt, wodurch Material und damit auch Gewicht eingespart werden können. Als Verstärkungsfasern können insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern verwendet werden. Die Aushärtung beziehungsweise Abkühlung der faserverstärkten Matrixsysteme erfolgt in einem geschlossenen Werkzeug oder in einer beheizbaren druckdichten Kammer.
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Um überschüssiges Matrixmaterial zu entfernen und einen hohen Faser-pro-Volumen-Anteil zu erhalten, wird während des Aushärtens/Abkühlens vorzugsweise ein Druck auf den Faser-Kunststoff-Verbund ausgeübt, so dass dieser Verbund entsprechend kompaktiert wird. Die mittels der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlprofilknoten ermöglichen in vorteilhafter Weise Mischbauweisen von Hohlprofilbauteilen, die zum Beispiel aus Aluminium, Stahl, CFK oder GFK bestehen können. Die Hohlprofilknoten erlauben beispielweise auch eine momentenfeste Verbindung metallischer Strangpressprofile (vergleichbar mit einer Muffenverbindung), die sehr kostengünstig hergestellt werden können. Hohlprofilknoten aus einem Faser-Kunststoff-Verbund bieten auf Grund einer Vielzahl inhärenter Schädigungsmechanismen und des daraus resultierenden hohen Energieabsorptionsvermögens speziell in Bezug auf das Crashverhalten besondere Vorteile.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die trockene Faserverstärkung durch Verwendung vorgeformter textiler Halbzeuge gebildet wird. Derartige vorgeformte textile Halbzeuge können relativ einfach und damit kostengünstig hergestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die trockene Faserverstärkung durch Harzinjektion, Vakuuminjektion oder Pressen von Hybridgarn-Halbzeugen mit der duroplastischen oder thermoplastischen Matrix getränkt wird. Durch diese Maßnahmen kann ein homogene Durchtränkung der Faserverstärkung mit der duroplastischen oder thermoplastischen Matrix erreicht werden.
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In beiden gemäß Anspruch 1 und 2 angegebenen Verfahrensvarianten ist es sowohl bei der duroplastischen als auch bei der thermoplastischen Fertigung der Hohlprofilknoten möglich, ein maßgeschneidertes, beanspruchungsgerechtes Faserlegeverfahren von Endlos- oder Langfasern anzuwenden (engl.: „Tailored Fiber Placement”). Die Verstärkungsfasern können dabei trocken verlegt und anschließend mit einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix getränkt werden. Sie können alternativ auch duroplastisch oder thermoplastisch vorimprägniert sein.
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Hilfsmittel zur Herstellung der Hohlprofilknoten auf Basis der hier beschriebenen Verfahren sind jeweils Kerne, die auf Grund ihrer Löslichkeit nach der Fertigstellung des Hohlprofilknotens wieder aus der Struktur entfernt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass ein wasserlöslicher Sandkern erzeugt wird, der nach dem Aushärten der Matrix und der Faserverstärkung durch Beaufschlagen mit Wasser aus dem Inneren des Hohlprofilknotens entfernt wird. Sandkerne haben den Vorteil, dass sie in großer Formvielfalt sehr kostengünstig hergestellt werden können. Um eine hohe Festigkeit und Stabilität des Sandkerns zu erhalten, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Sandkern aus Quarzsand und einem Wasserglas-Ester-Binder hergestellt wird. Beispielhaft können Sandkerne mit der Zusammensetzung 100 Gewichtsanteile Quarzsand, 13 Gewichtsanteile Wasserglas-Ester-Binder und 2,6 Gewichtsanteile Wasser verwendet werden.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Kern aus einem niedrigschmelzenden thermoplastischen Werkstoff, insbesondere aus Polyethylen, oder aus einem niedrigschmelzenden metallischen Werkstoff, insbesondere aus einer Zinnlegierung oder Zinklegierung, hergestellt wird und nach dem Aushärten der Matrix und der Faserverstärkung durch Erwärmen geschmolzen und aus dem Inneren des Hohlprofilknotens entfernt wird. Vorzugsweise werden solche Werkstoffe zur Herstellung des Kerns verwendet, die bei Temperaturen < 100°C geschmolzen werden können. Thermoplastische Kerne können zum Beispiel durch Blasformen, Pressen oder Spritzgießen hergestellt werden.
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Um die Formfüllung während des Herstellungsprozesses zu verbessern, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass Guss-Polyamid als Matrixwerkstoff verwendet wird. Guss-Polyamid zeichnet sich insbesondere durch eine geringe Viskosität aus, so dass die Formfüllung verbessert werden kann.
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Um die Struktursteifigkeit des Hohlprofilknotens zu erhöhen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Kern so geformt wird, dass innerhalb des Hohlprofilknotens und/oder an einer Außenfläche des Hohlprofilknotens ein oder mehrere Verstärkungsrippen aus dem Faser-Kunststoff-Verbund erzeugt werden.
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Um die Anbindung eines oder mehrerer Hohlprofilbauteile nach der Herstellung des Hohlprofilknotens zu vereinfachen, besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Kern so geformt wird, dass innerhalb des Hohlprofilknotens und/oder an einer Außenfläche des Hohlprofilknotens Fügeflächen gebildet werden. Mit anderen Worten können für eine einfache Anbindung der Hohlprofilbauteile somit innenliegende und/oder außenliegende Fügeflächen am Hohlprofilknoten ausgebildet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine schematisch stark vereinfachte Seitenansicht einer Kernschießvorrichtung, mittels derer Kerne, die für die Herstellung von Hohlprofilknoten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden hergestellt werden können;
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2a bis 2c schematisch stark vereinfachte Seitenansichten der Kernschießvorrichtung während der Herstellung eines Kerns;
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3 eine perspektivische Ansicht eines Hohlprofilknotens mit drei daran angebundenen Hohlprofilbauteilen;
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4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Hohlprofilknotens mit vier Hohlprofilbauteilen;
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5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Hohlprofilknotens mit zwei Hohlprofilbauteilen.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2a bis 2c soll nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung eines löslichen Kerns 9 näher erläutert werden, der seinerseits für die Herstellung eines Hohlprofilknotens 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird. Der Kern 9 ist vorliegend ein wasserlöslicher Sandkern, der nach der Herstellung des Hohlprofilknotens 1 durch Beaufschlagung mit einem Wasserstrahl wieder aus dem Inneren des Hohlprofilknotens 1 gelöst werden kann.
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Beispielhaft können Kerne 9 mit folgender Zusammensetzung hergestellt werden:
100 Gewichtsanteile Quarzsand,
13 Gewichtsanteile Wasserglas-Ester-Binder und
2,6 Gewichtsanteile Wasser.
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Bei dem verwendeten Quarzsand handelt es sich um einen aufbereiteten (das heißt gewaschenen und getrockneten) Natursand, der vorzugsweise eine mittlere Korngröße von etwa 0,32 mm aufweist. Dieser Quarzsand kann als Schüttgut oder als Sackware vorgehalten werden. Ein derartiger Quarzsand weist eine sehr gute Kapillarwirkung auf, welche die rasche Wasserlöslichkeit des Kerns 9 begünstigt. Der Wasserglas-Ester-Binder liegt in flüssiger Form vor und bildet ein anorganisches Bindersystem auf silikatischer Basis. Für selbsthärtende Form- und Kernsande wird das Wasserglas als Binder mit einem Esterzusatz als Härter verwendet. Bei der Herstellung wird das Sand-Binder-Gemisch in ein heißes Formwerkzeug 4 geschossen. Durch den Entzug von Wasser (Dehydration) werden Salzkristalle gebildet, die für eine dauerhafte Verfestigung des Kernsandes sorgen. Um die Aushärtung zu beschleunigen und dadurch kürzere Taktzeiten zu erreichen, kann das Binder-Sandgemisch nach dem Schließen des Formwerkzeugs 4 zusätzlich mit heißer Luft beaufschlagt werden. Dadurch wird die Dehydration des Quarzsandes begünstigt. Das Aushärtungsprinzip bei einem Wasserglas-Ester-Verfahren basiert auf einer Sol-Gel-Umwandlung durch Dehydration des Wassers aus der Binderlösung. Die eigentliche Härtungsreaktion erfolgt dabei durch die Bildung der (SiOH)4-Gele. Deren Eigenschaften werden in erster Linie durch Abspaltung beziehungsweise chemische Bindung von Wasser bestimmt.
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Die Vorteile eines anorganischen Wasserglas-Ester-Binders liegen insbesondere in einer guten Umweltverträglichkeit. So entstehen zum Beispiel bei der Verarbeitung keine schädlichen Emissionen und Geruchsbelastungen, wie sie beispielsweise bei der Verwendung organischer Binder auftreten können. Darüber hinaus ist prinzipiell eine vollständige Rückgewinnung des Quarzsandes möglich. Weiterhin ist die gute Wasserlöslichkeit des verwendeten Binders für die Entfernung des Kerns 9 nach der Herstellung des Hohlprofilknotens 1 vorteilhaft. Durch die Zugabe von Wasser nach der Herstellung des Hohlprofilknotens 1 kann der Kern 9 aufgelöst werden und der Quarzsand kann wiedergewonnen und erneut für die Kernherstellung verwendet werden.
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Die für die Herstellung der Hohlprofilknoten 1 erforderlichen löslichen Kerne 9 werden mittels einer Kernschießvorrichtung 3 hergestellt, deren grundlegender Aufbau in 1 gezeigt ist. Zu diesem Zweck wird ein zwei- oder mehrteiliges Formwerkzeug 4 (der so genannte Kernkasten), das vorzugsweise aus Aluminium besteht, bereitgestellt, innerhalb dessen der Kern 9 hergestellt wird. Die Kernschießvorrichtung 3 umfasst ferner einen Vorratsbehälter 5 zur Aufnahme des Binder-Sandgemischs, einen Schießkopf 6 sowie eine plattenförmige Begasungsvorrichtung 7.
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Für die Herstellung der Kerne 9 mittels der Kernschießvorrichtung 3 wird zunächst gemäß der oben angegebenen Rezeptur der Wasserglas-Ester-Binder mit dem Wasser vorgemischt. Anschließend wird diesem Gemisch der Sand zugemischt. Dabei bildet sich, ein dickflüssiges, gipsartiges Material, das eine gewisse Klebrigkeit aufweist. Dieses Material wird in den Vorratsbehälter 5 der Kernschießvorrichtung 3 gegeben. Unter Bezugnahme auf 2a bis 2d umfasst das Verfahren zur Herstellung des Kerns 9 für den Hohlprofilknoten 1 die nachfolgenden Schritte.
- 1. Das Formwerkzeug 4 (Kernkasten) wird geschlossen und mit Hilfe von Verriegelungsmitteln verriegelt.
- 2. Das Formwerkzeug 4 wird gegen den Schießkopf 6 gedrückt.
- 3. Der Vorratsbehälter 5, innerhalb dessen sich das Binder-Sand-Gemisch befindet, wird mit unbeheizter Druckluft beaufschlagt. Sobald ein zwischen 4 und 6 bar voreingestellter Druck im Inneren des Vorratsbehälters 5 erreicht wird, werden ein oder mehrere Auslassventile im Schießkopf 6 geöffnet und das Binder-Sandgemisch strömt in einem Zeitintervall von etwa 5 Sekunden in das Innere des auf etwa 140 bis 150°C vorgewärmten Formwerkzeugs 4 ein (2a).
- 4. Nach dem Füllen des Formwerkzeugs 4 mit dem Binder-Sandgemisch wird das Formwerkzeug 4 zurück in seine Ausgangsposition gebracht. Dabei härtet das Binder-Sandgemisch in einer Randschicht zum aufgeheizten Formwerkzeug 4 aus.
- 5. Anschließend wird die Begasungsvorrichtung 7 oberhalb des Formwerkzeugs 4 positioniert und der Kern 9 wird für etwa 1 bis 3 Minuten mit 120° bis 130°C warmer Luft beaufschlagt (2b). Dadurch wird ein schnelleres Durchhärten des Kerns 9 in einer Größenordnung von 1 bis 3 mm pro Minute realisiert.
- 6. Danach wird die Begasungsvorrichtung 7 wieder entfernt. Wie in 2c zu erkennen, kann das Formwerkzeug 4 geöffnet werden und der Kern 9 kann mit Hilfe geeigneter Auswerfermittel entnommen werden.
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Nach dem Abkühlen wird der Kern 9 entgratet und der Anguss wird entfernt. Durch eine Sichtprüfung kann festgestellt werden, ob der Kern 9 unter Umständen Risse oder sonstige Oberflächenfehler aufweist, die eine Nachbehandlung erforderlich machen könnten.
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Da die Kerne 9 auf Grund ihrer hydrophilen Eigenschaften empfindlich auf Luftfeuchtigkeit reagieren, sollten sie vorzugsweise nicht über einen längeren Zeitraum im Freien oder bei hoher Luftfeuchtigkeit gelagert werden, da sie ansonsten rasch an Festigkeit verlieren können. Um die Lagerfähigkeit der Kerne 9, insbesondere derjenigen Kerne 9 mit organischem Bindersystem, zu erhöhen, können sie vorteilhaft mit einer thermoplastischen Schrumpffolie luftdicht verschweißt und dadurch versiegelt werden. Dabei kann insbesondere eine Schrumpffolie aus Polyolefin verwendet werden. Es kann zum Beispiel auch vorgesehen sein, in die auf den Kern 9 aufgebrachte Schrumpffolie zumindest ein Loch einzubringen und daran eine Vakuumpumpe anzuschließen, um einen Unterdruck (zum Beispiel in einer Größenordnung von etwa 500 mbar) zu erzeugen. Gleichzeitig mit dem Erzeugen des Unterdrucks kann die Schrumpffolie dann erwärmt werden, so dass sie sich zusammenziehen kann und im Wesentlichen faltenfrei an der Außenfläche des Kerns 9 anliegen kann. Anschließend wird die Anschlussleitung der Vakuumpumpe entnommen und das Loch in der Schrumpffolie wird daraufhin verklebt.
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Ein in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellter Kern 9 kann dann für die Herstellung eines Hohlprofilknotens 1 verwendet werden. Gemäß einer ersten Variante wird eine Faserverstärkung, die in eine duroplastische oder thermoplastische Matrix eingebettet ist, zumindest abschnittsweise auf eine Außenfläche des Kerns 9 aufgebracht. Anschließend erfolgt ein Aushärten der Matrix mit der darin eingebetteten Faserverstärkung. Dann wird das Innere des Hohlprofilknotens 1 mit Wasser beaufschlagt. Der aus Quarzsand hergestellte Kern 9 löst sich und kann so aus dem Inneren des Hohlprofilknotens 1 entfernt werden. Bei der duroplastischen Fertigung von Hohlprofilknoten 1 können vorimprägnierte Halbzeuge (so genannte Prepregs) verwendet werden, die aus der Faserverstärkung und einer ungehärteten duroplastischen Matrix bestehen. Bei der thermoplastischen Fertigung können insbesondere thermoplastische, faserverstärkte Bänder verwendet werden. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Variante des Verfahrens wird eine trockene Faserverstärkung zumindest abschnittsweise auf eine Außenfläche des Kerns 9 aufgebracht. Dann wird die Faserverstärkung mit einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix getränkt und anschließend ausgehärtet. Dann wird das Innere des Hohlprofilknotens 1 mit Wasser beaufschlagt. Der aus Quarzsand hergestellte Kern 9 löst sich und kann so aus dem Inneren des Hohlprofilknotens 1 entfernt werden.
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Beide Verfahren, bei denen der Hohlprofilknoten 1 unter Verwendung einer duroplastischen Matrix (zum Beispiel Epoxydharz) oder einer thermoplastischen Matrix hergestellt werden kann, haben die Verwendung löslicher Quarzsandkerne für die Herstellung des Hohlprofilknotens 1 gemeinsam. Neben duroplastischen oder thermoplastischen Matrixsystemen können auch Matrixsysteme auf Basis von Biopolymeren verwendet werden. Die beiden Verfahren unterscheiden sich dadurch, dass gemäß der ersten Verfahrensvariante die Faserverstärkung bereits in eine thermoplastische oder duroplastische Matrix eingebettet ist, wohingegen bei der zweiten Verfahrensvariante eine trockene Faserbelegung des Kerns 9 erfolgt und die Faserverstärkung in einem zusätzlichen Verfahrensschritt mit einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix getränkt wird. Die Verwendung löslicher Quarzsandkerne ermöglicht es in beiden Verfahren, Hohlprofilknoten 1 mit komplexen geometrischen Formgestaltungen einfach und kostengünstig herzustellen. Als Faserverstärkungen können insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern verwendet werden. Dadurch, dass der Sandkern nach der Herstellung nicht im Hohlprofilknoten 1 verbleibt, sondern vielmehr aus dem Inneren des Hohlprofilknotens 1 gelöst wird, wird zudem eine Massereduktion ermöglicht, so dass sich die mittels der hier beschriebenen Verfahren hergestellten Hohlprofilknoten 1 somit in vorteilhafter Weise auch für Leichtbauanwendungen eignen. Die Aushärtung beziehungsweise Abkühlung der faserverstärkten Matrixsysteme erfolgt auf unterschiedliche Weise. Bei der Verwendung eines duroplastischen Matrixsystems wird der mit einer trockenen Faserverstärkung belegte Kern 9 in ein verschließbares Werkzeug eingebracht und darin zum Beispiel durch ein Harzinjektionsverfahren mit einem Duromer durchtränkt und anschließend unter Einwirkung von Druck und Wärme ausgehärtet und danach abgekühlt. Alternativ können auch vorimprägnierte duroplastische Halbzeuge (Prepregs) verwendet werden. Bei der Verwendung eines thermoplastischen Matrixsystems wird der mit der Faserverstärkung belegte Kern 9 in eine beheizbare druckdichten Kammer eingebracht und darin erwärmt, so dass die thermoplastischen Anteile erweichen und sich gleichmäßig über die Faserverstärkung verteilen. Alternativ können auch trockene Verstärkungsfasern verwendet werden, die anschließend mit einer thermoplastischen Matrix durchtränkt werden. Um überschüssiges Matrixmaterial zu entfernen und einen hohen Faser-pro-Volumen-Anteil zu erhalten, wird während des Aushärtens/Abkühlens stets ein Druck auf den Faser-Kunststoff-Verbund ausgeübt, so dass dieser Verbund entsprechend kompaktiert wird.
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Insbesondere können auch komplexer geformte Hohlprofilknoten 1 mit Hinterschnitten oder sich verändernden Querschnitten auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Durch eine gezielte Ausnutzung anisotroper Materialeigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbunds können sehr stabile Hohlprofilknoten 1 in Leichtbauweise hergestellt werden. Die mit den hier beschriebenen Verfahren hergestellten Hohlprofilknoten 1 ermöglichen in vorteilhafter Weise eine momentenfeste, faserverbundgerechte Krafteineinleitung im Belastungsfall. Dabei können sowohl Klebeverbindungen als auch Querpress-Passungen realisiert werden. Um eine hohe Formsteifigkeit zu erhalten, wird kein Material im Inneren des Hohlprofilknotens 1 benötigt, wodurch Material und damit auch Gewicht eingespart werden können. Die mittels der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlprofilknoten 1 ermöglichen in vorteilhafter Weise Mischbauweisen von Hohlprofilbauteilen 2a, 2b, 2c, 2d, die zum Beispiel aus Aluminium, Stahl, CFK oder GFK bestehen können. Die Hohlprofilknoten 1 erlauben beispielweise auch eine momentenfeste Verbindung metallischer Strangpressprofile (vergleichbar mit einer Muffenverbindung), die sehr kostengünstig hergestellt werden können. Hohlprofilknoten 1 bieten auf Grund einer Vielzahl inhärenter Schädigungsmechanismen und des daraus resultierenden hohen Energieabsorptionsvermögens speziell in Bezug auf das Crashverhalten besondere Vorteile.
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In 3 ist ein Hohlprofilknoten 1 mit drei Hohlprofilbauteilen 2a, 2b, 2c perspektivisch dargestellt. Durch eine variable Länge der Überlappungsbereiche, also derjenigen für eine Klebung und/oder einen Querpressverbund vorgesehenen Bereiche, kann auf einfache Weise ein Toleranzausgleich erreicht werden.
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4 zeigt eine weitere Variante eines Hohlprofilknotens 1, der hinterschnitten ausgeführt ist und die Möglichkeit einer Mischbauweise und Anbindung von Hohlprofilbauteilen 2a, 2b, 2c mit unterschiedlichen Querschnittsformen veranschaulichen soll. Ein erstes Hohlprofilbauteil 2a aus Stahl weist einen rechteckigen Querschnitt auf und wird außen an den Hohlprofilknoten 1 angebunden. Ein zweites Hohlprofilbauteil 2b aus GFK weist einen kreisrunden Querschnitt auf und wird außen an den Hohlprofilknoten 1 angebunden. Ein drittes Hohlprofilbauteil 2c aus CFK weist einen kreisrunden Querschnitt auf und wird innen an den Hohlprofilknoten 1 angebunden. Ein viertes Hohlprofilbauteil 2d aus Aluminium weist wiederum einen kreisrunden Querschnitt auf und wird außen an den Hohlprofilknoten 1 angebunden.
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Der in 5 dargestellte Hohlprofilknoten 1 weist einen polygonalen Querschnitt sowie eine Anzahl innenliegender Verstärkungsrippen 8 auf. Für die Ausbildung derartiger Verstärkungsrippen 8, mittels derer die Steifigkeit des Hohlprofilknotens 1 vorteilhaft erhöht werden kann, eignen sich insbesondere Hohlprofilknoten 1 mit thermoplastischen Matrixsystemen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlprofilknoten
- 2a bis 2d
- Hohlprofilbauteil
- 3
- Kernschießvorrichtung
- 4
- Formwerkzeug
- 5
- Vorratsbehälter
- 6
- Schießkopf
- 7
- Begasungsvorrichtung
- 8
- Verstärkungsrippe
- 9
- Kern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006026385 A1 [0003]
- DE 4423642 C1 [0004]
