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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteil aus glasfaserverstärktem Kunststoff und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteils.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Exterieur-Strukturbauteile aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit einem Glasfaseranteil von 10% bis 50% herzustellen. Bevorzugte Einsatzgebiete finden sich im Bereich von Nutzfahrzeugen, wie Lastkraftwagen, wofür die Materialeigenschaften der GFK-Materialien optimal geeignet sind. Solche Exterieur-Strukturbauteile werden bevorzugt durch das SMC-(Sheet Moulding Compound) oder das RTM-(Resin Transfer Moulding)Verfahren hergestellt. Die nach diesen Verfahren hergestellten Exterieur-Strukturbauteile weisen ein flächenmäßig homogenes, mit Glasfasern versetztes Material auf.
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Bei Einsatz eines speziellen Sensors, bspw. eines Radarsensors in der Fahrzeugfront für einen Active Brake Assistent (ABA oder auch ART genannt) dämpfen die eingebetteten Glasfasern die Radarstrahlung deutlich ab, so dass die Funktion des Sensors negativ beeinflusst wird. Durch die starken Dämpfungseigenschaften ist die Materialdicke des GFK-Bauteils dann in dem Bereich vor dem Sensor nur in einem sehr engen Toleranzfenster geeignet.
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Eine Möglichkeit, die Durchlässigkeit des Exterieur-Strukturbauteils für Radarstrahlung zu erhöhen, ist es, den Anteil an Fasern im Exterieur-Strukturbauteil zu variieren. Dazu sind aus dem Stand der Technik Verfahren und unterschiedliche Zusammensetzungen bekannt.
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In der
DE 10 2007 051 129 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Polyurethan-Verbundmaterialien offenbart. Dort wird ein Polyurethan-Sprühmischkopf mit definierter Sprührichtung und mindestens einem Auftragsorgan zum gerichteten Applizieren von Fasern beschrieben, wobei die Austrittsrichtung der Fasern relativ zur Sprührichtung des Sprühmischkopfes räumlich veränderbar ist. Das Verfahren sieht bahngesteuertes Faserauftragen vor.
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Die
DE 10 2006 046 130 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten flächigen Elements nach dem LFI-Verfahren (Long Fibre Injection – Langfaserinjektion), bei dem ein die Beschichtung bildendes Element in eine Form eingelegt wird und das die Beschichtung bildende Element mit einem noch nicht ausreagierten Polyurethan-Material überzogen wird. Um Verbiegung oder Verformung des flächigen Elements zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass in unterschiedlichen Schichten die Menge oder die Zusammensetzung des Polyurethaneintrags verändert wird. Der Anteil der Glasfasern liegt hierbei zwischen 10% und 70%.
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Variable Faseranteile in Strukturbauteilen sind ferner aus der
DE 10 2009 040 164 A1 bekannt. Eine Tragkonstruktion weist eine Tragplatte aus faserverstärktem Kunststoff auf, wobei die Fasern in einer unterschiedlichen Dichte und in unterschiedlichen Bereichen, wie Stellen hoher Beanspruchung, vorliegen. Die Tragkonstruktion ist aus vielen Einzelteilen aufgebaut und die Tragplatte ist fest in diesem Teileverbund eingefügt.
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Die
EP 1 331 164 B1 beschreibt ein Verbundbauteil für eine Fahrzeugkarosserie, insbesondere einem Fahrzeugdach, bei dem mit einer faserfreien Außenhaut und einer faserverstärkten Trägerstruktur, welche an der Innenseite der Außenhaut aufgebracht ist, um die Außenhaut zu verstärken, im Grenzflächenbereich in der Trägerstruktur eine Grenzschicht ausgebildet ist. Innerhalb der Grenzschicht ist der Faseranteil bezüglich des außerhalb der Grenzschicht liegenden Bereichs der Trägerstruktur erhöht.
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Die vorgenannten Möglichkeiten schaffen Bauteile, die sich jedoch nur bedingt für das Zusammenwirken mit Radarsensoren eignen, da die erreichbaren Faseranteile bisher nur in einzelnen Schichten verändert werden können. Grundsätzlich entstehen flächige GFK-Schichten, die wiederum die Funktionalität der verwendeten Radarsensoren einschränkt.
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Aus diesem Grund werden üblicher Weise separate Bauteile mit geringeren Radar-Dämpfungseigenschaften, sogenannte Radome, vor dem Radarsensor in den GFK-Bauteilen verbaut. Radome sind in der Regel Spritzgußbauteile und bestehen bspw. aus Polycarbonat. Diese weisen oft günstigere Materialeigenschaften hinsichtlich der Radardurchlässigkeit auf und werden in die GFK-Strukturbauteile nachträglich manuell eingesetzt. Dadurch entstehen Mehraufwendungen, wie ein erhöhter Montageaufwand, Zusatzkosten für Entwicklung, Werkzeuge und Bauteile. Zudem sind um die Radome Fugen sichtbar, die auf die Position der Sensoren hinweisen und das Erscheinungsbild des Strukturbauteils nach außen hin beeinträchtigen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteil aus glasfaserverstärktem Kunststoff zu verbessern, so dass ein Radarsensor ohne Funktionalitätsverluste an der Karosserie, die dieses Bauteil umfasst, verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteils zu schaffen, das die Funktionssicherheit erhöht und eine Bauteilreduzierung auf eine einfache und kostengünstige Weise ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Weiterbildungen des Exterieur-Strukturbauteils und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteil aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit abschnittweise variierenden Glasfaseranteilen für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Radarsensor, wobei das Exterieur-Strukturbauteil zumindest einen integralen Abschnitt mit Radom-Eigenschaften aufweist. Der integrale Abschnitt ist hierbei einstückig und fugenfrei mit dem umgebenden Exterieur-Strukturbauteilmaterial verbunden und als solches Teil des Exteriur-Strukurbauteils. Ferner weist der integrale Abschnitt einen Glasfaseranteil auf, so dass er relativ zum umgebenden Exterieur-Strukturbauteilmaterial glasfaserarm ist.
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Gerade hierdurch ist es für die Strahlung einfacher das GFK-Material zu passieren. Die Grundlagen dazu sind in der
EP 0 685 056 B1 beschrieben. Vorteilhaft sind damit separate Radome nicht mehr notwendig, so dass eine Bauteilreduzierung erreicht werden kann.
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Für eine glasfaserarme Ausgestaltung des integralen Abschnitts sieht die Erfindung besonders bevorzugt vor, dass der integrale Abschnitt einen Glasfaseranteil kleiner als 5%, sogar kleiner als 2%, aufweisen kann. Damit kann eine sehr gute Durchlässigkeit der Radarwellen und damit eine sehr gute Funktionsfähigkeit des Radarsensors ermöglicht werden.
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Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das den integralen Abschnitt umgebende Exterieur-Strukturbauteilmaterial einen Glasfaseranteil in einem Bereich von 10% bis 70%, bevorzugt in einem Bereich von 20% bis 50%, aufweist. Das Exterieur-Strukturbauteil kann damit als fugenfreies Großbauteil vor dem Radarsensor verwendet werden und weist einen hohen Glasanteil mit sehr geringem Radar-Dämpfungswerten auf.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der integrale Abschnitt und das umgebende Exterieur-Strukturbauteilmaterial jeweils in Bezug auf den Anteil der Glasfasern in dem Kunststoff homogen sein können. Die homogene Ausgestaltung begünstigt ein besonders stabiles Strukturbauteil.
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Auch können der integrale Abschnitt und das umgebende Exterieur-Strukturbauteilmaterial jeweils eine gleichbleibende Materialdicke aufweisen, so dass das Bauteil insgesamt über seine Fläche eine hohe Festigkeit aufweist, respektive in allen Bereichen stabil ist.
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Das erfindungsgemäße Exterieur-Strukturbauteil kann damit beispielsweise in einer Fahrzeugfront als Bug-Logoträger mit einer Fläche von bis zu 1500 mm × 300 mm, mit hohem Glasfaseranteil, vor einem Radarsensor Verwendung finden. Dabei kann der Bereich, sprich zumindest der integrale Abschnitt direkt vor dem Radarsensor, mit einem geringen Glasfaseranteil bis zu einer Fläche von beispielsweise 150 mm × 200 mm ausgebildet sein, ohne dass das Bauteil insgesamt merklich an Stabilität oder den durch die Glasfasern bedingten positiven Eigenschaften verliert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff bevorzugt die Schritte:
- a) Bereitstellen eines Werkzeuges mit einer Werkzeugoberfläche zum Aufsprühen des Kunststoffs und der Glasfasern zur Herstellung des Exterieur-Strukturbauteils,
- b) Vorbestimmen von Position und Abmessung zumindest eines integralen Abschnitts mit Radom-Eigenschaften auf der Werkzeugoberfläche,
- c) Aufsprühen von Kunststoff auf die Werkzeugoberfläche zum Ausbilden einer Trägerschicht und
Aufsprühen von Glasfasern mit einer gesteuerten Ausgaberate, wobei auf den integralen Abschnitt ein Glasfaseranteil aufgebracht wird, der relativ zum umgebenden Exterieur-Strukturbauteil material glasfaserarm ist,
- d) Aushärten der Trägerschicht innerhalb des Werkzeugs und
- e) Entnehmen des aus d) erhaltenen Exterieur-Strukturbauteils aus dem Werkzeug.
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Durch die erfindungsgemäße Verfahren sind einstückige Bauteile kostengünstig produzierbar, wobei die Kosten neben einer Bauteilreduzierung auch durch geringere Investitionskosten für Werkzeuge beeinflusst werden, da keine Radome als separat einzusetzende Bauteile mehr nötig sind. Es können bereits vorhandene Werkzeuge genutzt werden. Separate Werkzeuge zur Herstellung von Radomen oder spezielle Stanz- bzw. Montagewerkzeuge können ebenfalls eingespart werden. Vorteilhaft kann das Exterieur-Strukturbauteil fugenfrei gestaltet werden und das Bauteil dennoch aus GFK mit hohen Glasanteil und seinen vielen positiven Materialeigenschaften dargestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung von sprühfähigen Kunststoffen, die bevorzugt Polyurethan enthalten. Es können jedoch auch andere sprühfähige Kunststoffe verwendet werden, die sich zur Herstellung eines GFK-Materials eignen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das LFI-Verfahren (Long Fibre Injection) oder auch PUR-Sprühverfahrenstechnik mit LFI verwendet werden. Dazu ist gleichzeitiges Aufsprühen von Kunststoff und Glasfasern vorgesehen. Die Sprühvorrichtung kann zum gleichmäßigen Aufbringen der Komponenten parallel beabstandet über die Werkzeugoberfläche bewegt werden. Die Ansteuerung der unterschiedlichen Abschnitte erfolgt über eine Programmierung der Steuereinheit. Bevorzugt kann die Menge oder die Ausgaberate des Kunststoff- oder des Glasfaseranteils über eine Programmierung des Sprüh- und Schneidkopfes gesteuert werden.
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Die Materialdicke unterliegt einem breiteren Toleranzfenster, was sich positiv in den Bauteilkosten widerspiegelt. Zudem kann eine Erhöhung der Prozess- und Funktionssicherheit, insbesondere für ABA-Sensoren bei der Bauteilherstellung erreicht werden, wodurch Ausschuss gegenüber alternativen Herstellverfahren mit hohem Glasanteil deutlich reduziert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für In-Mould-Coating-Verfahren, wie es in der
DE 10 2010 048 077 A1 beschrieben wird, eingesetzt werden. Dazu kann das Aufbringen von zumindest einer Oberflächenschicht auf die Werkzeugoberfläche vorgesehen sein, wobei die zumindest eine Oberflächenschicht bevorzugt eine Lackschicht ist. Damit können Grundierungen und Finish-Lacksysteme bereits vor Herstellung der Trägerschicht in das Werkzeug eingebracht werden und sind stoffschlüssig mit der Trägerschicht verbunden. Ferner können auch Dekorfolien in das Werkzeug eingelegt und hinterschäumt werden. Vorteilhaft entfällt dadurch ein nachträglicher Lackierungsschritt, wobei gleichzeitig eine optimale Radardurchlässigkeit seitens des Trägermaterials gegeben ist. Es besteht durch die einstückige Ausbildung des Exterieur-Strukturbauteils eine hohe Dekorfreiheit, die unabhängig von separat einzufügenden Radomen ist. Daneben erhöht sich die Designfreiheit, indem keine Fugen mehr den Gesamteindruck des Exterieur-Strukturbauteils stören können. Es sind die unterschiedlichsten Formen und Ausgestaltungen für das Exterieur-Strukturbauteil möglich.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Werkzeugs mit einer Sprühvorrichtung.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugexterieur-Strukturbauteils sowie eines Exterieur-Strukturbauteils.
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In 1 ist ein einseitig offenes Werkzeug 1 dargestellt, das dem herzustellenden Exterieur-Strukturbauteil im Negativ entspricht. Das Werkzeug 1 weist eine Werkzeugoberfläche 2 auf, auf die die Komponenten des herzustellenden Exterieur-Strukturbauteils aufgebracht werden. Oberhalb der Werkzeugoberfläche 2 ist eine Sprühvorrichtung 10 angeordnet, die jeweils eine zur Werkzeugoberfläche 2 gerichtete erste Düse 11 und eine zweite Düse 12 aufweist. Der ersten Düse 11 ist ein Sprühkopf 13 vorgeordnet, der die erste Düse 11 mit einer sprühfähigen ersten Komponente versorgt, die einen sprühfähigen Kunststoff 15 bspw. Polyurethan (PUR) aufweist. Die zweite Düse 12 ist einem Schneidkopf 14 zugeordnet, der eine zweite Komponente der zweiten Düse 12 zuführt. Die zweite Komponente besteht aus einer eingebetteten Faserverstärkung aus Glasfasern 16, die wegen ihrer positiven Materialeigenschaften in Verbindung mit Polyurethan verwendet werden. Die Fasern können in Form von Monofilen oder losen Faserstücken vorliegen, die gleichzeitig mit dem Kunststoff 15 auf die Werkzeugoberfläche 2 aufgetragen werden.
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Die Sprühvorrichtung 10 ist entlang der Werkzeugoberfläche 2 beweglich gelagert und wird mittels einer Steuereinheit 20 gesteuert. Die Steuereinheit 20 ist dazu ausgebildet, nicht nur die Position der Sprühvorrichtung 10 über der Werkzeugoberfläche 2 zu bestimmen, sondern auch die aufzutragende Menge bzw. Ausgaberate der beiden Komponenten Kunststoff 15 und Glasfasern 16 zu steuern.
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Nach Bereitstellen des Werkzeugs 1 wird zunächst eine Position eines integralen Abschnitts A bestimmt, der einen deutlich geringeren Glasfaseranteil als ein umgebendes Exterieur-Strukturbauteilmaterial B aufweist. Ferner werden die Abmessungen des integralen Abschnitts A bestimmt. Die Positionsbestimmung richtet sich nach dem Bereich, der später Radom-Eigenschaften aufweist. Position und Abmessungen richten sich hierbei nach der Position eines Radarsensors an der Kraftfahrzeug-Karosserie, so dass bei Montage des fertigen Strukturbauteils der integrale Abschnitt A direkt über den genannten Radarsensor angeordnet ist. Über Positionssensoren, die über dem Werkzeug 1 oder an der Sprühvorrichtung 10 angeordnet sind (nicht dargestellt), oder eine manuelle Eingabe durch einen Benutzer werden diese Informationen der Steuereinheit 20 zugänglich und gespeichert. Dem integralen Abschnitt A wird ein bestimmter Glasfaseranteil zugewiesen, der kleiner als 5% bzw. kleiner als 2% ist. Dem umgebenden Exterieur-Strukturbauteilmaterial B wird ein für die Stabilität des Bauteils notwendiger Anteil, bspw. etwa 20%, zugewiesen.
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Nach der Positionsbestimmung wird eine Trägerschicht 3 in das Werkzeug 1 eingetragen. Die Trägerschicht 3 wird hierbei aus dem sprühfähigen Kunststoff 15 und den Glasfasern 16 gebildet. Zum Auftragen der Trägerschicht 3 kann das LFI-Verfahren (Long Fibre Injection – Langfaserinjektion), PUR-LFI oder auch das CSM-Verfahren (Composite Spray Moulding – Verbundsprühgießen) eingesetzt werden. In der Sprühvorrichtung 10 der 1 werden dem Schneidkopf 14 bspw. Faser-Monofile zugeführt (nicht dargestellt) und von dem Schneidkopf 14 vor dem Aufbringen auf die Werkzeugoberfläche 2 in bestimmte Längen zerschnitten, die sich nach dem jeweilig zu erreichenden Faseranteil in der Trägerschicht 3 richten, wobei Längen von einigen wenigen mm bis zu einigen cm Verwendung finden. Der Auftrag von Kunststoff 15 und zerschnittenen Glasfasern 16 findet durch Sprühen statt, wobei beim Aufsprühen auf die Werkzeugoberfläche 2 sich beide Komponenten vermischen und nach dem Aushärten die faserverstärkte Trägerschicht 3 bilden.
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Die Sprühvorrichtung 10 wird mittels der Steuereinheit 20 gesteuert, wobei die Menge bzw. die Ausgaberate an aufzusprühenden Komponenten gezielt beeinflusst werden kann. Kunststoff 15 und Glasfasern 16 können gleichzeitig oder auch zeitlich aufeinanderfolgend aufgebracht werden, wobei der Auftrag für definierte Bereiche, wie oben beschrieben, unterschiedlich sein kann. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Materialdicke des integralen Abschnitts A mit der des umgebenden Strukturbauteilmaterials B gleich ist, so dass das Bauteil an den Übergängen zum Abschnitt A in sich stabil bleibt.
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Mittels der Steuereinheit 20 wird die Sprühvorrichtung 10 derart gesteuert, dass für den integralen Abschnitt A der Auftrag der Glasfasern 16 relativ zum umgebenden Material B reduziert wird, wobei der Glasfaseranteil auf ca. 2% reduziert werden kann. Der integrale Abschnitt A kann beispielsweise eine Fläche von etwa 150 × 200 mm ausmachen, ohne die Stabilität des Exterieur-Strukturbauteils merklich zu vermindern. Verlässt die Sprühvorrichtung 10 diesen Bereich wieder, wird die Ausgaberate der Glasfasern 16 erhöht und der Glasfaseranteil des Exterieur-Strukturbauteilmaterials B wiederum auf den erhöhten Prozentsatz eingestellt. Für eine stabile Trägerschicht 3 wird für das Material B ein Glasfaseranteil in einem Bereich von ca. 30% bis 50% angestrebt. Für noch festere Exterieur-Strukturbauteile kann der Glasfaseranteil auch bspw. bis zu 70% betragen. In Bezug auf das umgebende Exterieur-Strukturbauteilmaterial B ist der integrale Abschnitt A nach Fertigstellung des Bauteils dann als glasfaserarm anzusehen. Dies ergibt einen Bereich, der für die Radarwellen durchlässiger ist. Die Funktionsfähigkeit des Radarsensors kann so optimiert werden.
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Zusätzlich kann das Exterieur-Strukturbauteil mit einer Oberflächenschicht (nicht figurativ dargestellt) versehen werden, wie in der
DE 2010 048 077 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Dazu wird in einem Schritt vor dem Auftrag der Trägerschicht
3 die Werkzeugoberfläche
2 mit einer ersten Oberflächenschicht in Form einer Lackschicht abgedeckt, wobei eine Maske verwendet werden kann, die einen Bereich der Werkzeugoberfläche abdeckt oder freilässt. Dieser Bereich kann bspw. einem Buglogo eines Kraftfahrzeuges entsprechen. In einem nachfolgenden Schritt wird die Maske entfernt und eine zweite Oberflächenschicht aufgebracht, die wiederum in Form einer Lackschicht aufgetragen wird. Die Oberflächenschichten können grundsätzlich mit einer geeigneten Sprühvorrichtung aufgebracht werden und werden als In-Mould-Coating (IMC) bezeichnet.
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Hiernach wird die Trägerschicht 3 auf die Innenseite der Oberflächenschichten in der oben beschriebenen Weise mittels der Sprühvorrichtung 10 aufgetragen. Das Exterieur-Strukturbauteil ist auf diese Weise gleich lackiert, wobei durch die Anwendung der Maske beliebig viele Lackschichten unterschiedlicher Farbe aufgetragen sein können.
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Nach Auftrag der Trägerschicht 3 in der oben beschriebenen Weise wird das Exterieur-Strukturbauteil ausgehärtet, wobei die faserverstärkte Trägerschicht 3 gebildet wird. In einem letzen Schritt wird dem Werkzeug 1 das fertige Exterieur-Strukturbauteil entnommen und steht zur Montage bereit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007051129 A1 [0005]
- DE 102006046130 A1 [0006]
- DE 102009040164 A1 [0007]
- EP 1331164 B1 [0008]
- EP 0685056 B1 [0017]
- DE 102010048077 A1 [0028]
- DE 2010048077 A1 [0037]
