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Die Erfindung betrifft ein Halbzeug für ein faserverstärktes, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren herstellbares, Kunststoff-Hybridbauteil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhybridbauteils.
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Die
DE 10 2006 026 385 A1 offenbart ein Rahmenelement, insbesondere für einen Karosserierahmen einer Kraftfahrzeugkarosserie, mit einer Mehrzahl an Hohlprofilträgern, welche mittels eines Knotens miteinander verbunden sind. Der Knoten weist eine in die jeweiligen Trägeröffnungen der Hohlprofilträger eingreifende inkompressible Einlage und eine die Einlage umgreifende und die Hohlprofilträger verbindende Umbettung auf. Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen des vorgenannten Rahmenelements offenbart, wobei eine inkompressible Einlage in die jeweiligen Trägeröffnungen der Hohlprofilträger eingeführt wird, wobei die Einlage und die Trägeröffnungen mit einem getränkten, aushärtbaren Faserwerkstoff umgeben werden und wobei der Faserwerkstoff eine Umbettung der Einlage und der Trägeröffnungen bildend und die Hohlprofilträger verbindend ausgehärtet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Halbzeug für ein faserverstärktes, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren herstellbares, Kunststoff-Hybridbauteil bereitzustellen, welches eine steife, crashsichere Struktur aufweist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen faserverstärkten Kunststoff-Hybridbauteils bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Halbzeug für ein faserverstärktes, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren herstellbares, Kunststoff-Hybridbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Halbzeug für ein faserverstärktes, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren herstellbares, Kunststoff-Hybridbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass ein metallisches Hohlprofilelement zumindest bereichsweise eine Kunststoffummantelung aufweist und ein Faserwerkstoff als Faserwerkstoff-Vorformling ausgebildet ist, in welchen das metallische Hohlprofilelement zumindest bereichsweise eingebettet ist. Der Faserwerkstoff-Vorformling, üblicherweise als Preform bezeichnet, kann dabei eine im Wesentlichen flächige Form aufweisen, wobei der Faserwerkstoff-Vorformling aus konsolidierten Fasermatten ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist der Faserwerkstoff-Vorformling einen Faserwerkstoff bzw. Verstärkungsfasern auf, die im Wesentlichen schon so ausgerichtet angeordnet sind, wie sie im fertigen Kunststoff-Hybridbauteil vorliegen sollen. Während das metallische Hohlprofilelement im Wesentlichen eine Steifigkeitsfunktion innerhalb des Kunststoffhybridbauteils übernimmt und somit den Hauptanteil der Tragfähigkeit des Bauteils gewährleistet, erfüllt der flächige Faserwerkstoff-Vorformling im Wesentlichen eine optische Funktion, beispielsweise eine Abdeckung oder eine Verkleidung ausbildende Funktion. In funktioneller Hinsicht kann das Bauteil beispielsweise eine Stirnwand, eine Cockpitfront als auch eine Cockpitrückwand eines Kraftfahrzeugs ausbilden. Das metallische Hohlprofilelement kann wahlweise partiell oder über seine gesamte Längserstreckung hinweg mit der Kunststoffumwandlung versehen sein.
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Mittels der Kunststoffumwandlung kann eine besonders gute Haftung zwischen dem metallischen Hohlprofilelement und dem Faserwerkstoff-Vorformling in einem Herstellprozess, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren, typischerweise als Resin-Transfer-Molding Verfahren (RTM-Verfahren) bezeichnet, sichergestellt werden. Ein im Zuge eines solchen Herstellverfahrens in eine Form eines Werkzeugs eingespritzte Formmasse in Form eines Kunststoffes oder eines Matrixharzes kann sich besonders gut mit dem dabei zumindest teilweise anschmelzenden Kunststoff des Hohlprofilelements vermischen und verbinden, so dass eine besonders feste Verbindung zwischen dem Hohlprofilelement und dem Faserwerkstoff-Vorformling ausgebildet wird.
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Somit ist ein verbessertes Halbzeug für ein faserverstärktes, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren herstellbares, Kunststoff-Hybridbauteil geschaffen, da steife, crashsichere, metallische Profilstrukturen auf einfache und sichere Weise in ein solches Halbzeug bzw. ein daraus herstellbares Kunststoff-Hybridbauteil integriert sind. Infolgedessen wird ein mittels eines RTM-Verfahrens herstellbares Kunststoff-Hybridbauteil mit erhöhter Steifigkeit und Festigkeit bereitgestellt, welches zugleich ein duktiles Verhalten aufweist und dementsprechend eine verbesserte Energieabsorption, beispielsweise in einem Crash-Fall, zu eigen hat. Darüber hinaus weist das aus dem Halbzeug herstellbare Kunststoff-Hybridbauteil ein geringes Gewicht im Verhältnis zu seinen Steifigkeits- und Festigkeitswerten auf.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kunststoffummantelung aus kurzfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist. Eine solche aus kurzfaserverstärktem Kunststoff ausgebildete Kunststoffummantelung kann durch geeignete Auswahl der in die Kunststoffummantelung eingebetteten Kurzfasern ein an bestimmte Lasterfordernisse angepasstes Materialverhalten des Kunststoff-Hybridbauteils ermöglichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an der Kunststoffummantelung Formschlusselemente und/oder Halteelemente ausgebildet sind. Solche Fixierhilfen nach Art von Formschlusselementen oder Halteelementen können beispielsweise an der Kunststoffummantelung angespritzt sein, mittels derer das metallische Hohlprofilelement in der dem eine Fasermattenumbettung ausbildenden Faserwerkstoff-Vorformling positionsgenau gehalten werden kann. Solche Fixierhilfen können ebenfalls in Form von Hinterschnitten ausgebildet sein, die einen Formschluss zwischen dem metallischen Hohlprofilelement und dem Faserwerkstoff-Vorformling auf einfache Weise ermöglichen. Zudem kann mittels solcher Fixierhilfen eine Möglichkeit geschaffen werden, das Halbzeug selbst in einem Werkzeug auf einfache Art und Weise zu positionieren und zu fixieren, so dass es beispielsweise in einem Harzinjektionsverfahren, positionsgenau gehalten wird, wodurch eine besonders exakte und reproduzierbare Herstellung solcher faserverstärkter Kunststoff-Hybridbauteile ermöglicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Halbzeug wenigstens ein Schaumstoffelement auf, welches von zumindest einem der an der Kunststoffummantelung ausgebildeten Halteelemente gehalten ist. Ein solches Schaumstoffelement, beispielsweise in Form eines Schaumkerns, kann an zusätzlichen Haltern, welche an der Kunststoffummantelung angeordnet sind, ausgebildet sein, wodurch ein Beitrag zur Crashsicherheit und/oder zum Leichtbau geleistet wird. Insbesondere wenn ein solches Schaumstoffelement aus Leichtbaugründen eingesetzt wird, kann ein jeweiliges Schaumstoffelement die Faserstruktur innerhalb des Halbzeugs lokal ersetzen, wodurch eine Gewichtsreduzierung des Halbzeugs und somit auch des faserverstärkten Kunststoff-Hybridbauteils erreicht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Hohlprofilelement vollständig von einer Kunststoffummantelung umgeben ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der den Faserwerkstoff-Vorformling ausbildende Faserwerkstoff aus Kohlefasern ausgebildet ist. Durch vollständige Ummantelung des Hohlprofilelements mit dem Kunststoff wird eine Kontakterosion zwischen dem Faserwerkstoff und dem metallischen Hohlprofilelement, welches beispielsweise aus Stahl ausgebildet sein kann, verhindert. Eine solche Kontakterosion würde anderenfalls zwischen dem metallischen Hohlprofilelement und den Kohlefasern erfolgen.
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Weiterhin ist gemäß Patentanspruch 6 ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhybridbauteils, insbesondere in einem Harzinjektionsverfahren, vorgesehen, welches die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen eines metallischen Hohlprofilelements, welches zumindest bereichsweise eine Kunststoffummantelung aufweist;
- – Einbetten des Hohlprofilelements in einen Faserwerkstoff-Vorformling unter Ausbildung eines Halbzeugs;
- – Positionieren des Halbzeugs in einer Form eines Werkzeugs, insbesondere eines Harzinjektionswerkzeugs;
- – Schließen des Werkzeugs und Einbringen einer Formmasse, insbesondere eines Kunststoffes oder eines Harzes, in die Form;
- – Aushärten der Formmasse bei einem definierten Druck und einer definierten Temperatur; und
- – Öffnen des Werkzeugs und Entnehmen des faserverstärkten Kunststoff-Hybridbauteils.
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Es wird somit ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Hybridbauteils bereitgestellt, in welchem das metallische Hohlprofilelement in die Verfahrensschritte eines Herstellverfahrens, beispielsweise eines Harzinjektionsverfahrens (RTM-Verfahren), eingebunden ist. Dadurch können auf effiziente Art und Weise faserverstärkte Kunststoff-Hybridbauteile in einem einzigen Werkzeug hergestellt werden, in welchen steife, crashsichere, metallische Profilstrukturen, beispielsweise in Form eines Hohlprofilelements, eingebettet sind.
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Zeitaufwendige Werkzeugwechsel zwischen mehreren Werkzeugen können entfallen, wodurch die Taktzeiten und Herstellkosten gesenkt werden können.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich in weiterer Ausgestaltung dadurch aus, dass das metallische Hohlprofilelement mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens hergestellt wird. Dadurch bestehen weitestgehend große Gestaltungsfreiheiten bei der Formgebung des metallischen Hohlprofilelements, welches infolgedessen an entsprechende Lasten, welche bei der Verwendung des faserverstärkten Kunststoff-Hybridbauteils im Gebrauch auftreten können, angepasst werden kann. Des Weiteren können relativ komplexe Geometrien eines solchen metallischen Hohlprofilelements als Integralbauteil ausgeführt werden, wodurch zum einen Einzelteile zur Realisierung des Hohlprofilelements eingespart werden können und zum anderen weitere Montage- und/oder Schweißoperationen entfallen können. Zudem erfolgt eine Kaltverfestigung des Werkstoffs beim Innenhochdruckumformprozess, wodurch eine besonders steife und crashsichere Struktur des Hohlprofilelements realisiert werden kann. Insgesamt kann ein mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens hergestelltes Hohlprofilelement besonders gewichtssparend bei einer gleichzeitig relativ hohen Festigkeit ausgestaltet sein, da mittels dieses Verfahrens die Wandstärke bedarfsgerecht angepasst und ausgeformt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Kunststoffummantelung mittels eines Beschichtungs- oder Spritzgießverfahrens auf das metallische Hohlprofilelement aufgebracht. Dadurch können auf einfache Weise die Kunststoffummantelung an dem Hohlprofilelement realisiert sowie auf einfache Art und Weise Fixierhilfen nach Art von Formschlusselementen oder Haltern an der Kunststoffummantelung angebracht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Schnittansicht eines Halbzeugs für ein faserverstärktes in einem Harzinjektionsverfahren herstellbares Kunststoff-Hybridbauteil mit einem metallischen Hohlprofilelement, welches eine Kunststoffummantelung aufweist, und in einen Faserwerkstoff-Vorformling eingebettet ist.
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Ein Halbzeug 10 umfasst ein metallisches Hohlprofilelement 12, welches im vorliegenden Fall vollständig von einem aus einem Faserwerkstoff ausgebildeten Faserwerkstoff-Vorformling 14 umgeben ist. Das metallische Hohlprofilelement 12 weist einen Bereich mit einer u-förmigen Kontur auf, wobei das metallische Hohlprofilelement 12, je nach dem, welche Lasten es aufnehmen soll, auch eine andere Form aufweisen kann. Beispielsweise kann das metallische Hohlprofilelement 12 eine an einen jeweiligen Lastfall angepasste, sich über seine Länge verändernde Wandstärke aufweisen. insbesondere bei komplexeren Geometrien des metallischen Hohlprofilelements 12 kann dieses mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens hergestellt werden. Dabei sind Werkstoffe mit einem hohen Dehnvermögen, beispielsweise Edelstähle oder Kupfer, besser für das Innenhochdruckumformverfahren geeignet als solche mit einem geringeren Dehnvermögen, wie beispielsweise hochfeste Stähle oder Aluminium. Allerdings können auch solche Werkstoffe mit geringem Dehnvermögen für das metallische Hohlprofilelement 12 eingesetzt werden.
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Eine Kunststoffummantelung 16 umgibt das metallische Hohlprofilelement 12 vollständig. Es ist allerdings genauso gut möglich, dass das metallische Hohlprofilelement 12 nur bereichsweise von der Kunststoffummantelung 16 umgeben ist. Die Kunststoffummantelung 16 kann beispielsweise aus kurzfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein. Zudem kann die Kunststoffummantelung 16 mittels eines Beschichtungs- oder Spritzgießverfahrens an das metallische Hohlprofilelement 12 angebracht werden. An der Kunststoffummantelung 16 sind an verschiedenen Positionen Fixierelemente 18 angebracht. Diese Fixierelemente 18 können beispielsweise als Formschlusselemente und/oder Halteelemente ausgebildet sein. Mithilfe der Fixierelemente 18 kann das metallische Hohlprofilelement 12 in dem eine Fasermattenumbettung ausbildenden Faserwerkstoff-Vorformling 14 positionsgenau gehalten werden. Die Fixierelemente 18 können zusätzlich auch als Halter für hier nicht dargestellte Schaumstoffelemente oder Schaumkerne dienen, die sowohl einen Beitrag zur Crashsicherheit und/oder zum Leichtbau des Halbzeugs 10 bzw. des fertigen Kunststoff-Hybridbauteils beitragen können. Insbesondere wenn solche Schaumstoffelemente unter Leichtbauaspekten eingesetzt werden, kann das Schaumstoffelement die Faserstrukturen innerhalb des Faserwerkstoff-Vorformlings 14 lokale ersetzen, wodurch eine Gewichtsreduzierung erreicht wird. Des Weiteren können die Fixierelemente 18 auch als Distanzgeber für Fasermatten dienen, welche den Faserwerkstoff-Vorformling 14 ausbilden, und so die Verbindung des metallischen Hohlprofilelements 12 mit dem Faserwerkstoff bzw. dem Faserwerkstoff-Vorformling 14 in einem so genannten Harzinjektionsverfahren, welches üblicherweise als Resin-Transfer-Molding Verfahren (RTM-Verfahren) bezeichnet wird, erleichtern. Es ist allerdings genauso gut möglich, dass das Kunststoff-Hybridteil mittels anderer Verfahren hergestellt wird. Beispielsweise kann eine Durchtränkung des Faserwerkstoff-Vorformlings 14 erfolgen, bevor das gesamte Halbzeug 10 in ein Werkzeug zur Weiterverarbeitung eingelegt wird.
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Der hier vorliegende Faserwerkstoff-Vorformling 14, welcher das metallische Hohlprofilelement 20 umgibt, ist aus konsolidierten Fasermatten aufgebaut. Mit anderen Worten sind die Fasern des Faserwerkstoffs, welche die Fasermatten und letzten Endes den Faserwerkstoff-Vorformling 14 ausbilden, bereits im Wesentlichen in ihrer endgültigen Orientierung ausgerichtet, so wie sie im fertigen Kunststoff-Hybridbauteil angeordnet sein sollen, um die im Gebrauch des Kunststoff-Hybridbauteils auftretenden Lasten bestmöglich aufnehmen zu können. Der Faserwerkstoff-Vorformling 14, üblicherweise auch Preform genannt, weist im vorliegenden Fall eine im Wesentlichen flächige Form auf. Während das metallische Hohlprofilelement 12 im Wesentlichen eine Steifigkeitsfunktion übernimmt und den Hauptanteil der Tragfähigkeit des fertigen Kunststoff-Hyridbauteils gewährleistet, erfüllt der aus einem flächigen Fasermattenprofil aufgebaute Faserwerkstoff-Vorformling 14 im Wesentlichen eine Verkleidungsfunktion, beispielsweise wenn das Kunststoff-Hybridbauteil eine Stirnwand einer Cockpitfront oder auch einer Cockpitrückwand eines Kraftwagens ausbildet.
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Als Faserwerkstoffe, welche den Faserwerkstoff-Vorformling 14 ausbilden, kommen beispielsweise metallische, organische oder auch Naturfasern in Betracht. Je nach dem, welche Lasten an dem Kunststoff-Hybridbauteil im späteren Anwendungsfall auftreten, kommen unterschiedliche Verstärkungsfasern in Betracht. Falls der Faserwerkstoff-Vorformling 14 ebenfalls eine lasttragende Funktion erfüllen soll, kommen insbesondere metallische Verstärkungsfasern, beispielsweise Stahlfasern, oder organische Verstärkungsfasern in Form von Aramit- oder Kohlenstofffasern oder dergleichen in Betracht. Insbesondere ist bei der Verwendung von Kohlenstofffasern eine Kunststoffvollummantelung des metallischen Hohlprofilelements 12 vorteilhaft, da hierdurch eine Kontakterosion zwischen dem aus Kohlenstofffasern ausgebildeten Faserwerkstoff-Vorformling 14 und dem metallischen Hohlprofilelement 12 verhindert wird, die sonst aufgrund des großen elektrischen Spannungspotenzialunterschieds auftreten würde.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des faserverstärktem Kunststoff-Hybridbauteils mittels eines Harzinjektionsverfahrens, bei dem es sich üblicherweise um ein sogenanntes Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) handelt, erläutert. Bei einem solchen Harzinjektionsverfahren werden vor allem Formteile aus Duroplasten und Elastomeren hergestellt.
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Das metallische Hohlprofilelement 12 wird mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens hergestellt. In einem anschließenden Fertigungsschritt wird die Kunststoffummantelung 16 mittels eines Beschichtungs- oder Spritzgießverfahrens auf das metallische Hohlprofilelement 12 aufgebracht. Beim Aufbringen der Kunststoffummantelung 16 wird eine Mehrzahl an Fixierelementen 18 in Form von Formschlusselementen und/oder Halteelementen ausgebildet. Der Faserwerkstoff-Vorformling 16 wird aus einer Mehrzahl von Fasermatten ausgebildet, wobei das metallische Hohlprofilelement 12 in den Faserwerkstoff-Vorformling 14 eingebettet wird, wodurch das Halbzeug 10 ausgebildet wird. Anschließend wird das Halbzeug 10 in einer Form eines hier nicht dargestellten Werkzeugs positioniert, wobei es sich bei dem Werkzeug um ein Harzinjektionswerkzeug zur Durchführung eines RTM-Verfahrens handelt. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und eine Formmasse, insbesondere in Form eines Kunststoffs oder eines Harzes, in die Form eingebracht, wodurch der Faserwerkstoff-Vorformling 14 mit der Formmasse durchtränkt wird. Anschließend wird die Formmasse bei einem definierten Druck und einer definierten Temperatur ausgehärtet, wobei zumindest teilweise die Kunststoffummantelung 16 aufschmilzt und sich mit der Formmasse verbindet. Schließlich wird das Werkzeug geöffnet und das fertige faserverstärkte Kunststoff-Hybridbauteil kann aus dem Werkzeug entnommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Halbzeug
- 12
- metallisches Hohlprofilelement
- 14
- Faserwerkstoff-Vorformling
- 16
- Kunststoffummantelung
- 18
- Fixierelemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006026385 A1 [0002]
