DE102012021493A1

DE102012021493A1 - Querträgeranordnung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102012021493A1
Application number: DE102012021493.6A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Reese
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-04-30
Also published as: CN104781060A; US20150284035A1; WO2014067604A1; EP2914408A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Querträgeranordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Querträgeranordnung für ein Kraftfahrzeug bereit. Die Querträgeranordnung besteht aus einem Querträger (1) und zumindest einer unlösbar mit dem Querträger (1) verbundenen Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) für ein am Querträger (1) anzubringendes Bauteil. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte: – Bereitstellen des Querträgers (1) aus einem thermoplastischen FVK-Rohr (1), – Erwärmen des FVK-Rohrs (1) an zumindest einer Fügestelle für die Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) und Einlegen des FVK-Rohrs (1) zusammen mit der an der Fügestelle angeordneten Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) in ein Spritzgusswerkzeug, – Aufbringen eines Stützdrucks (pi) im Inneren des FVK-Rohrs (1), – Verpressen des FVK-Rohrs (1) mit der Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13), – Umspritzen der Fügestelle mit einer Kunststoffstruktur.

Description

Die Erfindung betrifft eine Querträgeranordnung, insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Querträgeranordnung, und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Ein Querträger im Cockpit eines Fahrzeugs wird herkömmlicher Weise aus Stahl gefertigt. Dabei wird der Querträger zur Stabilisierung des Cockpits und zur Anbindung von Lenksäule, Airbag und Instrumententafel genutzt. Hierfür werden verschiedene Montagemittel, Adapterstücke und Modulbauteile eingesetzt, die an dem Querträger befestigt werden. Auch gibt es modular aufgebaute Cockpitbereiche, aufgeteilt in Fahrer-, Mittel- und Beifahrermodul, die über verschiede Anbindungsmittel an dem Querträger befestigt werden können. Zur Befestigung derartiger Haltevorrichtungen am Querträger können etwa Schrauben eingesetzt werden. Ferner besteht bei den aus Stahl gefertigten Querträgern die Möglichkeit, solche Anbindungsstrukturen direkt anzuschweißen.
Die DE 10 2006 040 624 A1 hat die Schaffung einer Querträgeranordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem hochflexiblen gestaltbaren und einsetzbaren Modulbauteil zur Aufgabe. Diese Querträgeranordnung umfasst einen Querträger, vorzugsweise aus Stahl, erwähnt wird aber auch ein Rohr aus faserverstärktem Kunststoff. An dem Querträger ist mindestens ein hochintegratives Modulbauteil angebracht, das zur Anbringung von Bauteilen wie einer Heizungs- oder Klimaanlage am Querträger dient. Das Modulbauteil weist in Teilbereichen eine dem Außenprofil des Querträgers korrespondierende Aufnahme für den Querträger auf, welche einen Kontaktbereich zwischen dem hochintegrativen Modulbauteil und dem Querträger bildet. Das Modulbauteil, das als Gießteil, Spritzgussteil oder Stanz-Biegeteil ausgebildet sein kann, ist am Querträger mittels mindestens eines den Querträger in seinem Umfang zumindest teilweise umschließenden Befestigungselements lösbar angebracht, das eine Lasche, ein Kabelbinder, eine Metallschelle, eine Schlauchschelle, eine Befestigungsschelle oder zumindest ein zweites Modulbauteil sein kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hinsichtlich Leichtbauweise und Funktionsintegration verbesserte Querträgeranordnung mit verbesserten Struktureigenschaften und ein geeignetes und günstiges, vereinfachtes Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Querträgeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Weiterbildungen des Verfahrens und der Querträgeranordnung sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
In einer ersten Ausführungsform des Verfahren zur Herstellung einer Querträgeranordnung für ein Kraftfahrzeug aus einem Querträger und zumindest einer unlösbar mit dem Querträger verbundenen Anbindungsstruktur für ein am Querträger anzubringenden Bauteil umfasst dieses die Schritte:

– Bereitstellen des Querträgers aus einem thermoplastischen FVK-Rohr,
– Erwärmen des FVK-Rohrs an zumindest einer Fügestelle für die Anbindungsstruktur und Einlegen des FVK-Rohrs zusammen mit der an der Fügestelle angeordneten Anbindungsstruktur in ein Spritzgusswerkzeug,
– Aufbringen eines Stützdrucks im Inneren des FVK-Rohrs,
– Verpressen des FVK-Rohrs mit der Anbindungsstruktur,
– Umspritzen der Fügestelle mit einer Kunststoffstruktur.

Damit gelingt es, in wenigen und kostengünstig ausführbaren Schritten eine Querträgeranordnung in Leichtbauweise herzustellen.
In Weiterbildung des Verfahrens wird das thermoplastische FVK-Rohr

– mittels Flechtpultrusion oder Wickeltechnik
– einstückig oder aus mehreren Rohrabschnitten, wobei das Bereitstellen des thermoplastischen FVK-Rohrs aus mehreren Rohrabschnitten ein Fügen der Rohrabschnitte zu dem Querträger durch Verschweißen mit oder ohne Distanzstücke und/oder Organoblechabschnitte umfasst,
– mit konstantem/r oder veränderlichem/r Durchmesser/Wandstärke hergestellt, wobei die veränderliche Wandstärke im Herstellungsprozess in Wickeltechnik oder durch Umwickeln des fertigen Rohrs mit einem Faser-Matrixkunststoff-Material oder Aufschweißen von Organoblechabschnitten geschaffen wird.

Ferner kann beim Verpressen des FVK-Rohrs dieses zumindest an der Fügestelle konturiert werden.
Die angespritzte Kunststoffstruktur kann eine vorteilhaft verstärkte Rippenstruktur sein und aus faserverstärktem, vorzugsweise kurzfaserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyamid (PA) oder Polyphthalamid (PPA) bestehen.
Die Anbindungsstruktur kann ferner in alternativen Ausführungsformen ein Lasteinleitungselement für eine Anbindungsstelle des Querträgers mit einer KFZ-Karosserie wie einer A-Säule sein, wobei das Lasteinleitungselement eine Buchse, bevorzugt eine selbststanzende Buchse, ein Einleger und/oder eine Konuselementegruppe sein kann. Der Einleger wird in diesem Falle vor dem Verpressen in ein Ende des Querträgers eingeführt, die Buchse und die Konuselementegruppe werden jeweils nach dem Verpressen eingebracht.
Die Anbindungsstruktur kann auch eine Airbaghalterung, eine Lenkkonsole und/oder eine Tunnelstrebe sein.
Die Anbindungsstruktur kann zumindest teilweise aus einem Thermoplasten, bevorzugt einem faserverstärkten Thermoplasten, besonders bevorzugt aus Organoblech gefertigt sein. Dann umfasst die Herstellung den Schritt des Erwärmens der Anbindungsstruktur an zumindest einer Fügestelle zu dem Querträger vor dem Einlegen in das Spritzgusswerkzeug.
Zur Herstellung des Querträgers kann auch ein CFK-Rohr verwendet werden. Dann umfasst das Verfahren den Schritt

– Erzeugen einer Korrosionsschutzschicht zumindest entlang einer Kontaktfläche zwischen dem CFK-Rohr und einem metallischen Bauelement aus der Gruppe, umfassend Anbindungsstrukturen, Einleger, Bolzen, Buchsen, wobei das Erzeugen einer Korrosionsschutzschicht das Aufbringen einer Schicht aus einem Thermoplasten, bevorzugt einem nicht kohlefaserverstärkten Thermoplasten, besonders bevorzugt aus einem glasfaserverstärkten Thermoplasten auf das CFK-Rohr entlang der Kontaktfläche und/oder das Beschichten des metallischen Bauelements umfasst.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Querträgeranordnung aus einem Querträger und zumindest einer unlösbar mit dem Querträger verbundenen Anbindungsstruktur für ein am Querträger anbringbares Bauteil, die durch das vorstehende Verfahren hergestellt werden kann, schlägt vor, dass der Querträger aus einem thermoplastischen FVK-Rohr besteht und mit der Anbindungsstruktur verpresst ist, wobei der Querträger und die Anbindungsstruktur zumindest stoffschlüssig durch die thermoplastische Matrix des FVK-Rohrs verbunden und mit einer Kunststoffstruktur umspritzt sind.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Längsschnittansicht eines örtlich mit verschweißten Organoblechen verstärkten FVK-Rohrs (aufgrund der Rotationssymmetrie zur Längsachse nur eine Hälfte des Rohrs dargestellt),
2 eine schematische Seitenschnittansicht von direkt verschweißten FVK-Rohren,
3 eine schematische Seitenschnittansicht zweier mittels FVK-Distanzstücks verbundenen FVK-Rohren,
4 eine schematische Seitenschnittansicht zweier mittels Organoblechverbinder verbundenen FVK-Rohren,
5 eine perspektivische Ansicht eines fahrerseitigen Teils des Querträgers mit Anbindungselementen,
6 eine Detailschnittansicht der Anbindungsstelle Querträger/A-Säule aus 5,
7 eine Querschnittansicht entsprechend A-A aus 6,
8 eine Detailschnittansicht der Anbindungsstelle aus 7,
9 eine Seitenschnittansicht einer geklebten/gepressten Anbindung Querträger/A-Säule,
10 eine Querschnittansicht der Anbindung Querträger/A-Säule entsprechend A-A aus 9,
11 eine Seitenschnittansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule mit umwickeltem Einleger,
12 eine Seitenansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule mit Organoblecheinleger,
13 eine perspektivische Ansicht zur Einbringung eines ovalen Einlegers in ein kreisrundes FVK-Rohr,
14 Queschnittansichten des FVK-Rohrs aus 13 vor und nach dem Einbringen des Einlegers
15 eine Seitenschnittansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule mit Kunststoffeinleger,
16 eine Querschnittansicht entsprechend A-A aus 15,
17 eine Seitenschnittteilansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule ohne Einleger,
18 eine Seitenschnittansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule ohne Kunststoffeinleger mit Distanzstück,
19 eine Seitenschnittteilansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule mit selbststanzender umgebördelter Buchse,
20 eine Seitenschnittansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule über Konuselemente,
21 eine perspektivische Detailansicht der Anbindung Querträger/Lenkkonsole,
22 eine schematische Darstellung zur Anbindung der Lenkkonsole aus Organoblech an den Querträger aus FVK-Rohr durch Erwärmen, Schließkraftfügen und Umspritzen,
23 eine schematische Darstellung eines partiell ausgeschäumten FVK-Rohrs zur Erhöhung der Steifigkeit in perspektivischer Ansicht,
24 verschiedene Ansichten eines Anbindungselemente für einen Airbaghalter,
25 eine Seitenschnittansicht durch ein Spritzgießwerkzeug während des Umspritzvorgangs,
26 eine Seitenansicht einer an dem Querträger-FVK-Rohr angebrachten Tunnelstrebe,
27 eine Schnittansicht durch die Tunnelstrebe entlang A-A aus 26 ohne FVK-Rohr,
28 eine schematische Seitenansicht einer Anbindung der Tunnelstrebe an dem Querträger über einen Flechtprozess,
29 eine perspektivische Detailansicht einer Anbindung der Tunnelstrebe an dem Querträger über ein Verbindungsstück,
30 eine Seitenschnittansicht einer Anbindung Querträger/A-Säule mit Buchse und Unterlegscheibe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf einen Querträger und ein Verfahren zu dessen Herstellung aus faserverstärktem Kunststoff in FVK-Spritzguss-Hybridbauweise.
Um einen Querträger mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit sowie hoher Funktionalität mit möglichst geringem Fertigungsaufwand zu schaffen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein thermoplastisches rohrförmiges FVK-Halbzeug mittels Flechtpultrusion oder einem Wickelverfahren herzustellen, dieses zu erwärmen und anschließend gemeinsam mit Einlegern und/oder Anbindungselementen beispielsweise zur Anbindung des Querträgers an die Karosserie in ein Spritzgusswerkzeug einzulegen. Im Spritzgusswerkzeug werden die Bauelemente unter Einwirkung von Innenhochdruck miteinander verpresst und das Halbzeug wird entsprechend der für den Querträger vorgesehenen Weise konturiert. Abschließend wird das FVK-Rohr zumindest an den Stellen mit dem Einleger und/oder den Anbindungselementen mit Kunststoff umspritzt, der vorzugsweise faserverstärkt ist.
Das Hohlprofil, das den Querträger konstituiert, kann belastungsgerecht aus mehreren Rohrabschnitten gebildet sein, die auch voneinander verschiedene Querschnittsgrößen aufweisen können. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Art der Anbindung des Querträgers an die Karosserie, insbesondere an eine der Säulen (bspw. A-Säule). Ferner betrifft die Erfindung die Anbindung an einzelne Funktionskomponenten, die entlang des Querträgers angeordnet und mit diesem verbunden werden sollen. Dies geschieht durch Verschweißen und Umspritzen dieser Funktionskomponenten.
Ein Nebenaspekt der Erfindung betrifft den Korrosionsschutz, der insbesondere dann wichtig ist, wenn der Querträger aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff gebildet wird. CFK hat im Vergleich zu Stahl und Aluminium ein besonders hohes elektrochemisches Spannungspotential und kann nahezu als „edel” bezeichnet werden. Demgemäß tritt an Fügestellen mit metallischen Einlegern, Anbindungselementen und Schrauben etc. bei unzureichender Abdichtung gegen Feuchtigkeit Kontaktkorrosion auf.
Generell ist die Herstellung mit den entsprechenden angeführten Techniken so konzipiert, dass der Faserverlauf der Fasern in dem zur Bildung des Querträgers verwendeten FVK-Rohr möglichst nicht unterbrochen wird, bzw. die Fasern möglichst nicht beschädigt werden. Daher ist die Erwärmung zumindest des Querträgerhalbzeugs praktisch unumgänglich, wobei das thermoplastische Matrixmaterial weich wird bzw. anschmilzt und die Fasern quasi schwimmend verschoben werden können.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des Querträgers, wie insbesondere eines Kraftfahrzeug-Querträgers, wie er sich unter dem Cockpit findet, unter Verwendung von Leichtbaumaterialien und Strategien unter Einsatz eines Inmouldverfahrens.
Hierbei sind die Anbindungspunkte des Querträgers zur Karosserie/A-Säule von besonderem Interesse, die Anbindungspunkte Querträger/Lenkkonsole, Querträger/Airbaghalter und Querträger/Tunnelstrebe sind aber ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Die Fügetechnik nimmt bei der Verbauung von endlosfaservertärkten thermoplastischen FVK-Rohren und FVK-Blechen eine entscheidende Rolle ein. Die FVK-Rohre und Organobleche bestehen hierbei aus einer thermoplastischen Matrix, beispielsweise PA oder PPA und Verstärkungsfasern, die Glasfasern, Kohlenstofffasern oder andere Verstärkungsfasern wie zum Beispiel Aramidfasern, Metalldrähte, Metallfasern oder hybriden Verstärkungselemente wie Hybridrovings oder Hybridgarne sein können.
Bei den vorliegend zur Herstellung der FVK-Rohre eingesetzten endlosfaserverstärkten FVK-Materialien liegt der Faservolumenanteil bei ca. 60 Vol.-%, um die für den Querträger aufgrund von Strukturanforderungen – insbesondere NVH-Verhalten – benötigte hohe Steifigkeit zu erreichen. Hierdurch wird das Fügen mittels Schweißverfahren – bedingt durch den geringen thermoplastischen Matrixanteil – erschwert. Daher ist als alternative Fügetechnik das Umspritzen der FVK-Strukturen vorgesehen. In beiden Fällen, beim Verschweißen und beim Umspritzen des Rohrs, ist erfindungsgemäß die Erwärmung der FVK-Halbzeuge (Fügepartner) und ein Gegendruck innerhalb des Rohres vorgesehen. Um ein Einfallen des Rohrs durch den für das Fügen notwendigen Spritzdruck zu vermeiden, ist ein Stützdruck (Umformdruck) nötig. Dabei ist für eine geeignete Abdichtung des FVK-Rohrs an den Rohrenden gegenüber dem aufgebrachten Innendruck zu sorgen.
Bei der Herstellung des Querträgers aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen, wenn etwa gegebenenfalls aus fertigungstechnischen Aspekten die Herstellung der Struktur in endlosfaserverstärkter Bauweise nicht als ein Bauteil kostengünstig möglich ist, kann eine Teilung des Querträgers in mehrere Bauteilabschnitte vorgesehen sein, die in einem Spritzgusswerkzeug verbunden/gefügt werden.
Ein erfindungsgemäßer Querträger wird unter Einsatz eines Innenhochdruckverfahrens (IHU-Verfahren) hergestellt. Es werden thermoplastische FVK-Rohre eingesetzt, die im Verfahren der Flechtpultrusion oder mittels eines Wickelverfahrens hergestellt werden. Bei der Flechtpultrusion eines thermoplastischen FVK-Hohlprofils wird zunächst ein rotationssymmetrisches, mehrlagiges Hohlprofilgeflecht aus Verstärkungsfasern erzeugt, das in einem erwärmten Werkzeug mit schmelzflüssigem Thermoplast imprägniert und danach gezielt abgekühlt wird, so dass nach dem Abkühlen des Thermoplasten das konsolidierte FVK-Rohr erhalten wird. In vorteilhafter Weise können beim Flechten des Hohlprofils auch Hybridrovings eingesetzt werden, die Verstärkungsfasern und thermoplastisches Matrixmaterial umfassen, das als Fasern vorliegen kann, die zusammen mit Verstärkungsfasern in den Rovings vorliegen, oder das als thermoplastische Matrixschlichte vorliegt, die die Rovings aus Verstärkungsfasern umhüllen. So enthält schon das Hohlprofilgeflecht zumindest einen Anteil des Matrixmaterials, und zwar gleichmäßig verteilt, der auch bei dickeren Wandstärken später beim Erwärmen eine vollständige und gleichmäßige Imprägnierung und Konsolidierung des Hohlprofilgeflechts zu dem thermoplastischen FVK-Hohlprofil sichert.
Die FVK-Rohrhalbzeuge werden mit den Einlegern und den Anbindungselementen in einem Arbeitsgang in einem Spritzgießwerkzeug verpresst und umspritzt. Dazu wird ein Innendruck aufgebracht, der die erwärmten Rohre in die Form presst und ihnen somit ihre Querschnittsform verleiht und gleichzeitig als Stützdruck für den Umspritzvorgang dient. Der Umspritzvorgang wiederum dient zum einen dazu, die Verschweißung der Elemente miteinander zu ermöglichen und zum anderen, die Verbindungselemente mit angespritzten Rippen auszusteifen.
Die Ausführung des Querträgers und der Anbindungselemente wird im Folgenden beschrieben. Es wird vorgeschlagen, bei der Ausführung des Querträgers zu beachten, dass der Querträger durch die Anbindung der einzelnen Elemente, wie z. B. Lenkkonsole, Tunnelstrebe oder Airbaghalter in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Belastungen erfährt. So wird er im Allgemeinen z. B. auf der Fahrerseite stärker belastet als auf der Beifahrerseite. Dementsprechend sollte der Querträger in seinem Querschnitt an die unterschiedlichen Belastungen angepasst werden.
Der Querträger kann als durchgehendes Profil ausgeführt werden. Hier kommen die vorher gefertigten FVK-Rohre zum Einsatz. Diese können im Rahmen des Wickelprozesses mit veränderlichem Querschnitt hergestellt werden, um den Querträger an die unterschiedlichen Belastungen anzupassen. Im Wickelprozess lassen sich die Faserwinkel und die Wandstärke sehr gut variieren und an die Belastungen anpassen.
Das so gefertigte FVK-Rohr wird erwärmt und zusammen mit den Anbindungselementen in die dafür vorgesehene Querträgerform eingelegt. Anschließend wird ein Innendruck aufgebracht, der das FVK-Rohr in die Form presst. Im Anschluss findet ein Umspritzprozess statt, um die Verbindung von Querträger und Anbindungselementen zu unterstützen.
Alternativ kann der Querträger mit konstantem Querschnitt ohne Anpassung der Querschnitte ausgeführt werden. Hierbei kann das FVK-Rohr sowohl durch Wickeltechnik als auch mittels der Flechtpultrusion hergestellt werden, wobei in diesem Fall die Anpassung des Querschnittes an die Belastung entfällt oder örtlich eine Verstärkung vorgesehen wird.
Hierfür kann eine Möglichkeit darin bestehen, dass ein pultrudiertes Rohr je nach Belastung örtlich umwickelt wird. An Stellen größerer Belastung wird entsprechend mehr Material aufgebracht. Hierzu kann z. B. mit laserunterstützten Ringwickelköpfen ein Prepregband auf das pultrudierte Rohr abgelegt werden. Dabei lässt sich der Querschnitt örtlich sehr gut anpassen. Die Wickelköpfe legen die Tapes/Prepregbänder an der gewünschten Stelle ab und mit der durch Laser eingebrachte Energie werden die Prepregbänder zumindest teilweise aufgeschmolzen. Somit wird die Haftung zwischen Faser und Matrix sowie die Haftung auf dem Rohr erreicht. Anschließend werden die Tapes mit einer Rolle auf das Rohr gepresst. Danach durchläuft dieses Rohr zusammen mit den vorgesehenen Einlegern/Anbindungselementen den beschriebenen IHU-Prozess.
1 zeigt ein FVK-Rohr 1 mit zur Verstärkung örtlich aufgeschweißten Organoblechen 2, um auf der lokal unterschiedlichen Belastung des Querträgers Rechnung zu tragen, wenn ein durchgehendes Rohr 1 gleichen Querschnitts verwendet wird. Das Rohr 1 wird nach seiner Herstellung, beispielsweise mittels Flechtpultrusion, in Bereichen höherer Belastung, bzw. an Anbindungsstellen der Einzelkomponenten mit Organoblechen 2 verstärkt. Dazu wird zunächst, wie bei dem durchgehenden Profil beschrieben, verfahren. Zusätzlich werden an den höher beanspruchten Stellen erwärmte Organobleche 2 in die Querträgerform eingelegt, welche ebenfalls unter Druck mit dem den Querträger bildenden Rohr 1 verschweißt werden und diesen örtlich verstärken. Hierbei dient wieder der Innendruck zur Stabilisierung des Rohres 1 gegen Einfallen und zur Formgebung des Querträger-Rohrs 1. Durch Temperatur und Druck werden die Organobleche 2 stoffschlüssig durch das die Verschweißung 3 bildende, zumindest angeschmolzene und wieder erhärtete Matrixmaterial mit dem FVK-Rohr 1 verschweißt.
Die unterschiedlichen Belastungen können durch die Unterteilung des Querträgers in einzelne Teilstücke 1 unterschiedlichen oder konstanten Querschnitts berücksichtigt werden. Die thermoplastischen FVK-Teilstücke, die mittels Flechtpultrusion oder in einem Wickelverfahren hergestellt werden, werden erwärmt und mit den Anbindungselementen gemeinsam in das Querträgerformwerkzeug eingelegt. Für die Verbindung der einzelnen Teilstücke 1 des Querträgers gibt es mehrere Varianten, die in Zusammenhang mit 2 bis 4 beschrieben werden.
Die erste Variante, die keine Zusatzelemente erfordert, besteht darin, dass die Enden der einzelnen Rohre 1 verjüngt, bzw. aufgeweitet und im Spritzgießwerkzeug miteinander verpresst werden (siehe 2). Das Ende des links dargestellten Rohrs 1 mit dem größeren Durchmesser nimmt das Rohrende des zweiten Rohrs 1 auf, so dass in dem Überlapp die Verschweißung 3 mit dem aufgeschmolzenen Matrixmaterial erfolgt. Durch die Verschweißung der Teilstücke 1 entsteht ein Stoffschluss, während gleichzeitig beim Verpressen der Enden der Teilstücke 1 ein Formschluss durch die zumindest in diesem Bereich nichtrunde Form des Querträgers erzeugt wird, der eine Sicherung gegen Verdrehen bildet.
Eine Fügealternative für Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern ist in 3 zu sehen. Dort werden die mit unterschiedlichen Durchmessern gefertigten Teilstücke 1 mittels eines Zusatzelementes 4, das etwa ein FVK-Distanzstück 4 sein kann, verbunden. Dieses wird zwischen die erwärmten, überlappenden FVK-Rohrenden 1 eingebracht und mit diesen verpresst. So lässt sich durch Verschweißen des Distanzstückes 4 mit den Rohren 1 ein Stoffschluss erzeugen.
Des Weiteren kann, wie in 4 gezeigt, die Verbindung der Querträgerteile 1 über ein thermoplastisches, faserverstärktes Verbinderstück 5 geschehen, welches um die Verbindungsstelle der hier mit gleichem Durchmesser ausgebildeten Rohrteilstücke 1 gelegt wird (analog zum Verbinderstück 5 zur Anbindung der Tunnelstrebe, siehe 29). Zu diesem Zweck kann ein Organoblech als Verbinderstück 5 erwärmt und unter Druck mit den Querträgerteilen 1 verschweißt werden. Dabei entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbinderstück 5 und den Rohrenden 1.
In 5 ist ein fahrerseitiger Abschnitt eines erfindungsgemäßen FVK-Querträgers 1 mit verschiedenen Anbindungselementen wie dem Anbindungselement 10 zur A-Säule, dem Airbaghalter 11, der Tunnelstrebe 13 und der Lenkkonsole 12 dargestellt.
In 6 bis 8 wird die Anbindung Querträger/A-Säule, die mittels Metalleinlegern erfolgen kann, erläutert. 6 ist ein Detailausschnitt der Anbindung 10 Querträger/A-Säule, die in 5 mit dem gestrichelten Kreis markiert ist. Die Anbindung von Querträger und Cockpit geschieht an den A-Säulen mittels einer Verschraubung. Da der Querträger 1 aus einem FVK-Rohr 1 besteht, ist das Fließen des Werkstoffes unter anhaltender Last, was ein Nachlassen der Vorspannkraft der Schraubenverbindung zur Folge hat, ein Hauptproblem bei der Anbindung des Querträgers an die A-Säule. Diesem Problem wird durch die Einbringung eines metallischen Lasteinleitungselementes in das FVK-Rohr 1 begegnet. Das Lasteinleiteelement, das vorliegend ein Einleger 6 ist, kann beispielsweise aus Edelstahl konzipiert sein und wird mittels eines kombinierten Fügeverfahrens mit dem FVK-Rohr 1 verbunden. Die Anbindung des Einlegers 6 mit dem FVK-Rohr 1 geschieht hierbei durch Stoff- und Formschluss. Der Formschluss wird durch ein Aufpressen des an seinen Enden erwärmten FVK-Rohrs 1 auf den Einleger 6 erreicht und gewährleistet sowohl die axiale als auch die Verdrehsicherung. Anschließend wird in den Querträger eine selbststanzende Buchse 7 eingebracht, durch die ein Bolzen 8 geführt wird. Um an der Auflage des Bolzenkopfs bzw. der Mutter 8' ein Fließen des FVK-Werkstoffes zu unterbinden, können Unterlegscheiben 9 eingesetzt werden. Hierdurch wird dort die Flächenlast minimiert. Im Falle der Verwendung von Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern im Verbundwerkstoff wird vorgeschlagen, geeignete Vorkehrungen zu treffen, um Kontaktkorrosion zwischen metallischem Einleger und Kohlenstofffaser zu verhindern.
Solche Vorkehrungen können zum Beispiel Zwischenschichten aus reinem thermoplastischen Kunststoff ohne Verstärkungsfasern oder einem nicht kohlefaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoff sein, oder auch Beschichtungen, welche die Korrosion des Einlegers verhindern. Solche Beschichtungen können mit diversen Verfahren zur Oberflächenbeschichtung aufgebracht werden. Die Korrosionsproblematik tritt im Allgemeinen nur bei kohlenstofffaserverstärken Werkstoffen auf.
Um eine weitere Aussteifung der Fügestelle zwischen FVK-Rohr 1 und Einleger 6 zu erreichen, wird ein Umspritzen von FVK-Rohr 1 und Einleger 6 vorgenommen. Hierbei wird eine Rippenstruktur erzeugt, die zu einer Versteifung führt. Ein weiterer Vorteil der Umspritzung ist die Verbesserung der Verbundhaftung. Um eine solche Verbundhaftung zwischen Metalleinleger und thermoplastischem Kunststoff zu erreichen, ist eine Vorbehandlung der Metallteils erforderlich. Diese Vorbehandlung – das Primern – ermöglicht einen Stoffschluss zwischen Kunststoff und Metall. Um ein Einfallen des FVK-Rohres 1 infolge des Spritzdrucks zu unterbinden, ist in geeigneter Weise ein Innendruck aufzubringen, was nachfolgend detailliert erläutert wird. Die Verschraubung von Querträger und A-Säule geschieht mittels einer in den Einleger 6 eingebrachten selbststanzenden Buchse 7 und einer Schraubenverbindung 8.
Eine weitere Variante besteht in der Verwendung eines mit einer Bohrung versehenen massiven Metalleinlegers 6 (siehe 9 und 10). Dieser wird stoff- und formschlüssig mit dem FVK-Rohr 1 verbunden. Dazu wird das FVK-Rohr 1 zunächst erwärmt und in einem Arbeitsschritt mit dem Einleger 6 verpresst und verklebt. Dadurch wird zum einen eine Sicherung gegen Verdrehen durch den Formschluss und zum anderen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Einleger 6 und Rohr 1 durch die Verklebung hergestellt. Anschließend wird eine selbststanzende Buchse 7 eingebracht. Hierbei ist eine sehr genaue Positionierung von Buchse 7 und Einleger 6 bzw. der in den Einleger 6 eingebrachten Bohrung erforderlich. Alternativ gibt es die Möglichkeit, die Bohrung des FVK-Rohres 1 vor der Einbringung der Buchse 7 herzustellen, beispielsweise durch Lasern, und anschließend eine nicht selbststanzende Buchse 7 einzubringen. Auch bei dieser Variante ist gegebenenfalls auf ausreichenden Korrosionsschutz, wie oben beschrieben, zu achten.
Weitere Möglichkeiten der Anbindung des Querträgers an die A-Säule ergeben sich aus einem veränderten Herstellungsprozess für den Querträger. Hierbei wird mit einem im späteren Bauteil verbleibenden Aluminiumkern 6 gearbeitet (siehe 11), d. h. das Rohr wird auf den Aluminiumkern 6 gewickelt bzw. geflochten. Dieser Aluminiumkern 6 besteht aus einer Aluminiumrohrstruktur. Hierdurch kann der oben genannte Einleger entfallen, da die Funktionen des Einlegers durch den Kern 6 als Lasteinleitungselement übernommen werden. Hierfür wird die Geometrie des Kerns 6 wie folgt ausgeführt: Die Kernenden werden dicker, den Belastungen für die Verschraubung zwischen A-Säule und Querträger entsprechend, ausgeführt, wohingegen der Mittelteil des Kerns 6 die Form eines dünnwandigen Rohres hat. In einem Wickelprozess werden endlosfaserverstärkte, thermoplastische Tapes mittels Wickeltechnik auf den vorbereiteten Kern aufgebracht und zum FVK-Rohr 1 konsolidiert. Die Verbindung zwischen FVK-Werkstoff und Aluminium entsteht zum einen durch einen Formschluss, beispielsweise durch auf der Mantelaußenfläche des Kerns 6 eingebrachte Formschlusselemente wie Ausnehmungen, und zum anderen durch eine stoffschlüssige Verbindung, die durch das Primern der Aluminiumoberfläche in einem Vorbehandlungsschritt vor dem Wickelprozess geschaffen wird. Die Anbindung zwischen Querträger und A-Säule geschieht über eine Verschraubung und eine in den Querträger eingebrachte selbststanzende Buchse 7. Um bei Verwendung von Kohlefasern Korrosion zwischen CFK-Rohr und Metallkern zu unterbinden, kann beispielsweise eine glasfaserverstärkte Zwischenschicht eingezogen werden.
12 zeigt eine weitere Variante der Anbindung Querträger/A-Säule. Um weitere Gewichtseinsparungen zu erreichen und der Korrosionsproblematik entgegen zu wirken, bietet sich die Verwendung eines Organoblecheinlegers 6 an. Mit Organoblech wird eine endlosfaserverstärkte Thermoplastplatte bezeichnet. Hierfür wird in einem vorgelagerten Prozessschritt der Organoblecheinleger 6 mit einer sternförmigen Rippenstruktur 6' umspritzt. Im Zentrum der Rippenstruktur 6 ist mit einer selbststanzenden Buchse 7 ein Krafteinleitungselement vorgesehen. Die selbststanzende Buchse 7 wird hierbei im One-Shot-Verfahren eingebracht und an ihren Enden umgebördelt. Hierdurch kann eine höhere Tragfestigkeit und ein höheres Verdrehmoment der Buchse 7 erreicht werden. Die Rippenstruktur 6' wird hierbei aus einem faserverstärkten thermoplastischen Spritzwerkstoff aufgebracht.
Die Rippenstruktur 6' dient der späteren problemlosen Verschweißung zwischen FVK-Rohr 1 und Organoblecheinleger 6. Zur Vorbereitung auf den Schweißprozess wird das FVK-Rohr 1 unter Einwirkung eines Infrarotstrahlers außerhalb der Werkzeugkavität über den Schmelzpunkt des thermoplastischen Matrixwerkstoffes erwärmt und an seinen Enden plattiert. Im Weiteren wird das plattierte FVK-Rohr 1 mit dem umspritzten Organoblecheinleger 6 verschweißt und mit einer weiteren Rippenstruktur 6'' umspritzt. Dies geschieht beides in der Werkzeugkavität der Spritzmaschine. Die Rippenstruktur 6'' ist für die nötige Steifigkeit des Querträgers an seinen Enden verantwortlich, da durch das Plattieren des Rohrs 1 ansonsten erhebliche Einbußen in Hinsicht auf den Widerstand gegen Ausknicken zu erwarten sind.
Eine weitere Variante der Anbindung des Querträgers an die A-Säule ist in 13 angedeutet und besteht in der Verwendung eines massiven, im FVK-Rohr 1 verbleibenden Kunststoffeinlegers 6. Er besitzt den gleichen Umfang wie das FVK-Rohr 1, jedoch einen ovalen, insbesondere elliptischen Querschnitt, und wird im Vorfeld mit einer (in 13 nicht dargestellten) Bohrung versehen. Vor dem Einbringen des Einlegers 6 besitzt das FVK-Rohr 1 einen runden Querschnitt (siehe 14a). Das FVK-Rohr 1 wird nun erwärmt und der Einleger 6 wird mittels einer Schräge in das Rohr 1 eingeschoben, so dass das Rohr 1 vor dem eigentlichen Umformprozess nach dem Einbringen des Einlegers 6 in eine von der Kreisform abweichende abgeplattete Form gebracht wird, wie in 14b) dargestellt. Entsprechend dem Einlegerquerschnitt kann das Rohr nach dem Einbringen des Einlegers in diesem Abschnitt auch einen ovalen bzw. elliptischen Querschnitt erhalten.
Anschließend wird beides in das Querträgerwerkzeug eingelegt und in der Spritzgießmaschine miteinander verpresst. Die komplett fertige Verbindung ist in Längsschnittansicht in 15 und in Querschnittansicht in 16 dargestellt. Durch das Verpressen des erwärmten FVK-Rohrs 1 mit dem Kunststoffeinleger 6 entstehen ein Form- und ein Stoffschluss. Der Formschluss entsteht durch die nichtrunde Form des den Querträger bildenden FVK-Rohrs 1 und stellt eine Sicherung gegen Verdrehen dar. Durch das Verschweißen von FVK-Rohr 1 und Kunststoffeinleger 6 – dargestellt wird dies durch die die Verschweißung bildenden Matrixkunststoffschicht 3 – wird der Stoffschluss erzeugt. Im Anschluss an den Spritzgießprozess wird wie beim massiven Metalleinleger eine Buchse 7 eingebracht. Hierzu kann unter der Voraussetzung einer sehr genauen Positionierung eine selbststanzende Buchse 7 eingebracht werden. Alternativ kann die Bohrung vorab in die FVK-Rohrstruktur eingebracht werden, z. B. durch Lasern. Die Vorteile gegenüber dem Metalleinleger bestehen in der resultierenden Gewichtseinsparung und der besseren Verbindung, die durch das Verschweißen im Vergleich zum Kleben erreicht werden kann.
Eine weitere Möglichkeit der Anbindung zwischen Querträger und A-Säule stellt die Verbindung ohne Lasteinleiteelement dar, wie in 17 dargestellt. Hierdurch kann auf einen metallischen Einleger verzichtet werden. Dies bringt in besonderem Maße Gewichtsvorteile im Vergleich zu der Variante mit metallischem Einleger mit sich. Die Lasteinleitung in das FVK-Rohr 1 geschieht hierbei durch eine Verschraubung zwischen A-Säule und Querträger. Hierfür werden selbststanzende Buchsen 7 in das Endstück des Querträgers eingebracht und durch ein Aufpressen des FVK-Rohrs 1 fixiert. Um eine möglichst große Flächenpressung unter dem Schraubenkopf 8 zu erhalten und somit ein Fließen des FVK-Werkstoffes zu vermeiden, werden Unterlegscheiben 9 Verwendung finden. Um ein Setzen der Schraubenvorspannkraft zu verhindern ist darauf zu achten, dass das FVK-Rohr 1 ein Übermaß gegenüber der selbststanzenden Buchse 7 aufweist.
Hierdurch wird beim Anziehen der Schraube 8 der FVK-Werkstoff zum Fließen gebracht und die Schraube 8 geht mit der selbststanzenden Buchse 7 auf Block. Hierdurch wird ein späteres Setzen der Schraube 8 verhindert und eine dauerhafte Verspannung erreicht. Sollte das FVK-Rohr 1 nicht im Übermaß zu der selbststanzenden Buchse 7 gefertigt worden sein, so ist in definierten Intervallen für ein Nachziehen der Schraube 8 auf das definierte Anzugdrehmoment zu sorgen. Für eine weitere Krafteinleitung in das FVK-Rohr 1 kann das Endstück des Rohres 1 nach dem Setzen der selbststanzenden Buchsen 7 gegebenenfalls ausgeschäumt werden. Hierfür bieten sich eine Reihe von technischen Schäumen wie zum Beispiel ein PUR-Schaum an.
Zur Anbindung zwischen Querträger und A-Säule kann des Weiteren ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem eine Buchse 7 mit einem mittig angebrachten Distanzstück 4 eingebracht wird (siehe 18). Hierfür wird die Buchse 7 in das FVK-Rohr 1 eingelegt und das Rohr 1 um die Buchse 7 gepresst. Hierbei wird das Rohr 1 flachgedrückt. Das Distanzstück 4 hat hierbei die Aufgabe eine Faserschädigung infolge zu geringer Biegeradien zu unterbinden. Nachdem die selbststanzende Buchse 7 das FVK-Rohr 1 durchstoßen hat, erfolgt eine plastische Umformung derselben. Hierbei werden die über die Randfaser des plattgedrückten FVK-Rohrs 1 überstehenden Buchsenenden 7' umgeklappt. Es bildet sich eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen Querträger 1 und Buchse 7 aus. Auch bei diesem Konzept ist ein Ausschäumen des Randbereiches des Rohres möglich. Hierdurch wird die Stabilität des Querträgeranschlussstückes erhöht.
Um die Krafteinleitung in den Querträger 1 weiter zu optimieren, bietet sich ein weiteres Konzept basierend auf einer in das FVK-Rohr 1 eingebrachten selbststanzenden Buchse 7 an, wie in 19 skizziert. Hierfür wird die selbststanzende Buchse 7 nach dem Stanzvorgang an beiden Enden umgebördelt (in 19 nur eine Hälfte des Rohrs 1 und die entsprechende Hälfte der Buchse 7 dargestellt, wegen Symmetrie gilt für das zweite Buchsenende entsprechendes). Das Rohr 1 muss für diesen Stanzvorgang an seinen Enden erwärmt werden, da es in gewissen Maßen zusammengedrückt bzw. ovalisiert werden muss, damit ein Durchdringen der Buchse 7 durch das FVK-Material möglich wird. Die Kraftleitung von der A-Säule in den Querträger 1 erfolgt hierbei über Kraftschluss, wobei die Krafteinleitung von der Buchse in das FVK-Rohr durch einen Formschluss geschieht.
In 20 ist die Anbindung Querträger und A-Säule mittels Verspannung über ein Konuselement gezeigt, was eine weitere Möglichkeit zur Anbindung des Lasteinleitelementes darstellt. Hierdurch ist eine nachträgliche Montage des Anbindungselementes möglich. Die komplette Anbindung geschieht hierbei mittels eines Druckrings 15, eines Außenkonus 16 (beispielsweise aus Aluminium), eines Innenkonus (beispielsweise Aluminium) 17 und eines Schraubenelementes 18. Die Funktionsweise stellt sich hierbei folgendermaßen dar: In das mittels einer Umfangswicklung 1' mit einem FVK-Werkstoff, z. B. CFK, vorbereitete Rohr 1 wird der Innenkonus 17 und der Außenkonus 16 eingebracht und mittels einer Zugschraube 18 mit dem FVK-Rohr 1 verspannt. Durch die Umfangswicklung 1' wird ein Fließen des FVK-Rohrs 1 verhindert und die für die Lasteinleitung nötige Spannung aufgebracht. Der Korrosion zwischen den C-Fasern und dem Aluminium kann durch Glasfaserzwischenschichten 20 entgegengewirkt werden. Eine Abstützung gegen Druckkräfte und eine weitere Aussteifung des Querträgers 1 kann durch eine Ausschäumung 19 des Hohlprofils erfolgen.
Im folgenden wird die Anbindung der Lenkkonsole 12 an den Querträger 1 aus FVK-Rohr gezeigt (siehe 21). Das Anbinden der Lenkkonsole 12 wird ebenfalls über einen kombinierten Fügeprozess realisiert, wobei auch hier ein klassisches Schweißverfahren mit dem Umspritzen kombiniert wird. Die Lenkkonsolenkonstruktion 12 ist eine Konstruktion aus umspritztem Organoblech. Für die Anbindung der Lenkkonsole 12 an das FVK-Rohr 1 werden zunächst die Fügepartner im Bereich der Fügestellen erwärmt (siehe 22). Die Erwärmung der Fügestellen kann hierbei wie dargestellt durch Infrarotstrahler 30 oder etwa auch durch Heißgas erfolgen. Die Erwärmung ist ein dem Spritzprozess vorgelagerter Prozess und wird außerhalb des Werkzeugs 40 vorgenommen. Der eigentliche Fügeprozess erfolgt im Spritzgusswerkzeug 40. Durch die Schließkraft des Werkzeugs 40, das eine Schließseite 41 und eine Düsenseite 42 umfasst, wird der benötigte Fügedruck aufgebracht und ein erstes Verschweißen der Bauteile 1, 12 durchgeführt. Im Weiteren wird nun zur Aussteifung und zur Erhöhung der Fügefläche ein Umspritzen der zuvor mittels der Schließkraft gefügten Struktur im Spritzgussverfahren durchgeführt, wobei die Fügestelle der an den Querträger 1 gefügten Lenkkonsole 12 umspritzt wird. Für das Umspritzen eignet sich beispielsweise ein kurzfaserverstärkter Thermoplast (z. B. PA, PPA).
Für Anwendungen mit besonders hohen Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen im Bereich der Anbindung Lenkkonsole/Querträger (oder auch in anderen Bereichen mit erhöhten Steifigkeitsanforderungen) kann zusätzlich ein partielles Ausschäumen des den Querträger bildenden FVK-Hohlprofils 1 vorgenommen werden, wie in 23 dargestellt. Das FVK-Rohr 1 ist partiell in dem zur Anordnung der Lenkkonsole vorgesehenen Bereich, der durch eine Schaumbarriere 19' begrenzt ist, zur Erhöhung der Steifigkeit mit einem Schaum 19 gefüllt. Hierfür kommen technische Schäume wie zum Beispiel PUR-Schäume zum Einsatz. Die Ausschäumung kann hierbei chemisch oder physikalisch erfolgen. Die Schaumbarrieren können hierbei von den Schäumen selbst gebildet werden. Die Befüllung der Querträger 1 geschieht entweder von Seiten der offenen Seite der Hohlprofile oder durch in das Hohlprofil eingebrachte Bohrungen, über welche der Schaum bzw. die Vorstufe des Schaums eingebracht wird.
Ein weiteres, an dem Querträger 1 vorgesehenes Anbindungselement ist ein Airbaghalter 11, der in 24 in perspektivischer Draufsicht (a), Seitenansicht (b), Draufsicht (c) und perspektivischer Vorderansicht (d) gezeigt ist. Der Airbaghalter 11 wird in einer Konstruktion bestehend aus Organoblech 21 und angespritzter Rippen 22 ausgeführt. Hierzu wird das erwärmte Organoblech in das Werkzeug eingelegt und mit einem Thermoplasten umspritzt. In der Seitenansicht 24b) des Airbaghalters 11 ist die zur Aufnahme des Querträgers vorgesehene Öffnung 24 zu sehen. Die von einer sternförmigen Rippenstruktur 22 zur Verstärkung umgebenen Öffnungen 24 (24c) sind die Anschraubpunkte für den Airbag, die Öffnung 23 ist als Anschraubpunkt an dem Querträger vorgesehen. Die in die flächigen Abschnitte des Airbaghalters 11 eingebrachten, in 24d) zu erkennenden Wölbungen 25 (auch als „Kalotten” bezeichnet) dienen zusätzlich der Verbesserung der Steifigkeit.
Zur Verbindung des Airbaghalters mit dem Querträger werden die an der Fügestelle erwärmte Organoblechstruktur und das ebenfalls an der Fügestelle erwärmte FVK-Rohr in das Werkzeug eingelegt, in dem das Verschweißen und die Umspritzung von FVK-Rohr und Organoblechstruktur zur Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Teilen stattfindet. Dies ist auf das Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix sowohl der Organoblechstruktur, als auch des FVK-Rohrs zurückzuführen. Für eine Aussteifung der Komponenten werden Rippen aufgespritzt. Die Konstruktion des Airbaghalters kann analog zu der Konstruktion der Lenkkonsole gesehen werden.
Weitere Einzelkomponenten wie weitere Airbaghalter (z. B. Kneebag), der Halter für eine Klimaanlage bzw. für ein Klimaanlagenbauteil, der Leitungssatz-Halter und die Mittelkonsolenhalterung werden ebenfalls im Spritzgussverfahren angespritzt. Auch hierfür wird ein kurzfaserverstärkter Thermoplast bevorzugt. Die Anbindung der oben genannten Einzelkomponenten erfolgt hierbei durch Stoffschluss. Die stoffschlüssige Verbindung wird jeweils durch eine vorgelagerte Wärmebehandlung des FVK-Rohrs begünstigt. Es wird analog zu dem für die Anbindung der Lenkkonsole beschriebenen Verfahren vorgegangen. Auch in diesem Falle wird die Erwärmung des Matrixmaterials des FVK-Rohrs durch Infrarotstrahler vor dem Einlegen des FVK-Rohrs in das Werkzeug erreicht. Die Abstützung des Rohres 1 gegen den Spritzdruck p_s geschieht auch hierbei durch eine Druckbeaufschlagung p_i des Rohrinneren mit einem Fluid, also einem Gas oder einer hydraulischen Flüssigkeit (siehe 25). Die Kavität des Werkzeugs 40 ist mit einem durchbohrten Stopfen 43 abgedichtet, durch den die Zuleitung des Fluids zur Erzeugung des Stützdruckes p_i erfolgt. Pfeil 45 symbolisiert den Anschluss zu einer Druckerzeugungseinheit. Der Stützdruck p_i wird so gewählt, dass ein Kollabieren des FVK-Rohrs 1 durch den von den Kunststoffinjektionseinheiten 44 aufgebrachten Spritzdruck p_s verhindert wird. Eine weitere Möglichkeit der Abstützung gegen den Spritzdruck bieten Verfahren mit ausschmelzbaren, verlorenen Kernen. Hierbei können Materialien wie Metalllegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt zum Einsatz kommen.
Im Folgenden wird die Anbindung der Tunnelstrebe 13 am Querträger in Verbindung mit 26 und 27 beschrieben. Die Anbindung der Tunnelstrebe 13 kann über ein Schweißverfahren erfolgen. Das Ausgangsmaterial für die Tunnelstrebe 13 in 26 sind zwei Organoblechhalbschalen 26. Diese Halbschalen 26 werden analog zu dem für die Lenkkonsole vorgestellten Verfahren mit dem FVK-Querträger unter Cockpit 1 verschweißt und umspritzt. Auch hierbei werden Rippen 27 zur Versteifung der Struktur eingebracht. In einem vorgelagerten Prozessschritt werden auf die Innenseiten der Organoblechhalbschalen 26 Rippen 27' aufgespritzt (siehe 27), um die nötige Steifigkeit der Tunnelstrebe 13 nach dem Verschweißen sicher zu stellen. In der in 27 gezeigten Schnittdarstellung der Tunnelstrebe 13 entlang A-A aus 26 ist das FVK-Rohr nicht dargestellt, um die innere Verrippung der Organoblechhalbschale 26 besser darzustellen.
Als Verstärkungsfaser in den Organoblechhalbzeugen 26 kommen beispielsweise Hybridgewebe zum Einsatz. Diese Hybridgewebe bestehen aus verschiedenen Materialien, so dass eine Anpassung der Organobleche 26 an die vorliegenden Lastfälle erleichtert wird. Da die Tunnelstrebe 13 ein crashbelastetes Bauteil ist, ist eine Sicherung der Tunnelstrebe 13 gegen Eindringen in den Fahrgastraum vorzusehen. Hierbei bieten sich insbesondere zusätzlich zu Kohlenstofffasern mit Stahldrähten verstärkte Organobleche an. Hierdurch wird die Duktilität eben dieser Organoblechkonstruktionen erhöht und es kann einem Sprödbruchversagen im Crashfall entgegengewirkt werden, da die einzelnen durch Sprödbruch entstanden Teile durch die weitaus duktileren Stahldrähte immer noch einen Restverbund bilden.
Eine zweite Möglichkeit der Anbindung der Tunnelstrebe 13 an den Querträger 1 ist die direkte Integration der Tunnelstrebe 13 in den Querträger 1, wie in 28 angedeutet. Diese Möglichkeit bietet sich für Kleinserien an, da ein kontinuierlicher Prozess bei der Querträger-Herstellung nicht möglich ist. Hierfür wird die Querträger-Tunnelstrebenstruktur geflochten, d. h. die Anbindung der Tunnelstrebe 13 an die Querstrebe 1 erfolgt über einen Flechtprozess. Anschließend wird die Querträger-Tunnelstrebenstruktur in einem Werkzeug konsolidiert. In dieser Variante existiert vorteilhaft keine Fügestelle zwischen Querträger 1 und Tunnelstrebe 13. Hierdurch wird das Leichtbaupotential der FVK-Werkstoffe durch Funktionsintegration voll ausgenutzt. Bekannte Problematiken, wie die unzureichenden Festigkeiten im Fügebereich aufgrund fehlender Faserverstärkung werden so umgangen. Insbesondere die Steifigkeit der gesamten Querträgerstruktur kann durch die Zusammenfassung von Querträger 1 und Tunnelstrebe 13 erhöht werden. Im Rahmen der Konsolidierung kann zudem eine zusätzliche Verrippung an der Tunnelstrebe 13 vorgenommen werden. Diese Verrippung kann zur Erhöhung der Steifigkeit der Konstruktion genutzt werden.
Eine weitere, in 29 dargestellte Möglichkeit der Anbindung der Tunnelstrebe 13 an den Querträger 1 ist ein Verbinderstück 5 aus einem faserverstärkten thermoplastischen Material aus einem zugeschnittenen Organoblech. Dieses Organoblech wird erwärmt und um die zu verbindenden Teile 1, 13 gelegt. Unter Druck wird nun eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt, das Organoblechstück 5 ist dann mit dem Querträger 1 und der Tunnelstrebe 5 verschweißt.
Im Falle der Verwendung von CFK-Werkstoffen und metallischem Elementen sind Maßnahmen zum Schutz vor Korrosion der Werkstoffe aufgrund des großen elektrochemischen Potentialunterschieds von großer Bedeutung. Die Korrosionsproblematik spielt insbesondere bei der Anbindung von Querträger/A-Säule eine bedeutende Rolle, da hierbei metallische Verbindungselemente wie selbststanzende Buchsen und Lasteinleiteelemente vorgesehen sind. Im Falle der Einleger kann der Korrosionsproblematik mit Hilfe von Zwischenschichten aus GFK entgegengewirkt werden. Die GFK-Schicht ist hierbei die einzig berührende Lage zwischen metallischem Einleger und CFK-Werkstoff. Aufgrund der fehlenden Leitfähigkeit der Glasfasern ist die Korrosionsproblematik konstruktiv gelöst. Bei der Verwendung von selbststanzenden Buchsen kommen Zwischenschichten aus GFK nicht in Frage, da die Buchse den kompletten Durchschnitt des CFK-Werkstoffes durchdringt. Im Falle der selbststanzenden Buchsen ist also eine andere Möglichkeit des Korrosionsschutzes zu bevorzugen. In Betracht kommen hierbei Beschichtungen der Buchse, um die Korrosion zu verhindern. Solche Beschichtungen können galvanischer Natur sein oder auch durch andere schichtbildende Prozesse aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit bietet die Substitution des Werkstoffes des metallischen Einlegers oder der metallischen Buchse. Durch die Verwendung von Titan oder rostfreiem Stahl anstelle von Aluminium kann die Potentialdifferenz zwischen metallischem Bauteil und CFK-Werkstoff um ein Fünftel des ursprünglichen Wertes abgesenkt werden.
Eine korrosionsgerechte Ausführung der Anbindung an die A-Säule 50 ist in 30 dargestellt. Hierbei kommt eine UD-verstärkte Glasfaserbuchse 7 zum Einsatz. Dabei spielt es keine Rolle, ob wie in 30 dargestellt, die Enden 1' des CFK-Rohrs 1 verpresst werden, oder ob eine der anderen vorgestellten Varianten zum Einsatz kommt. Die Anbindung des Querträgers an die A-Säule 50 geschieht über eine Verschraubung 8. Um Korrosion zwischen dem Metall der Schraube 8 und dem CFK-Werkstoff zu verhindern, kommt die Buchse 7 aus Glasfaserverbundkunststoff zum Einsatz. Dazu wird in das Rohrende 1' vor dem Einbringen der Buchse 7 eine Öffnung eingebracht, beispielsweise durch Lasern. Anschließend wird die Buchse 7 eingepresst. Um ein Fließen der Matrix des CFK-Rohrs 1 zu behindern und eine großflächige Lasteinleitung in das CFK-Rohr 1 zu gewährleisten, sind Unterlegscheiben 9, die ebenfalls aus GFK gefertigt sein können, um den direkten Kontakt eines Schraubenkopfes oder einer Mutter mit dem CFK-Material des Querträgers 1 zu vermeiden, vorgesehen.
Der Gesamtprozess zur Herstellung der Querträgeranordnung mit den verschiedenen Anbindungsstellen unterteilt sich in insgesamt vier bzw. fünf Teilprozesse:

– Das Erwärmen des FVK-Rohrs an den Fügestellen und das Erwärmen der Anbauteile, vorzugsweise über Infrarotstrahler.
– Das Einlegen, Fügen und Umspritzen der Komponenten in die Spritzgussmaschine.
– Das Entnehmen des Querträgers mit den Anbindungselementen und das Erwärmen desselben an seinen Enden.
– Das Einschieben der Lasteinleiteelemente oder selbststanzende Buchsen an den Enden und Verpressen der Enden.
– Ggf. Umspritzen des eingelegten Lasteinleiteelements und Einbringen eines Bolzens.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Querträgers unter Cockpit in FVK-Bauweise werden hohe Gewichtseinsparungen möglich. Diese Gewichtseinsparungen können mit dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch der Kraftfahrzeuge zu verringern und somit die gesetzten Ziele zum CO₂-Ausstoß zu erreichen. Dies ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Die technischen Vorteile liegen neben einer Gewichtsreduzierung und einem hiermit einhergehenden besseren Fahrverhalten der Fahrzeuge insbesondere in den für FVK-Werkstoffen geeigneten Fügetechniken, welche vorliegend zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zu konventionellen Verbindungstechniken wie Schrauben oder Nieten wird durch das Verschweißen und Umspritzen eine Reihe von Verbesserungen möglich. Hierzu zählt unter Anderem die verbesserte Ausnutzung der mechanischen Werkstoffeigenschaften durch den Wegfall der faserschädigenden Fügemethoden. Sowohl beim Schrauben, als auch beim Setzen von Nietverbindungen bleibt eine Verletzung der Faser und somit eine Verringerung der Festigkeiten des Bauteils nicht aus. Klassische Probleme der Verbindungstechnologie, insbesondere bei thermoplastischen Verbundwerkstoffen, wie Lochleibung bei Schrauben- und Bolzenverbindungen werden durch die Anwendung von Schweißverfahren ausgeschlossen. Zudem wird durch das Fehlen von Fügelementen auf das Einbringen von gewichtserhöhenden Elementen verzichtet. Hierdurch wird das Leichtbaupotential der Faserverbundwerkstoffe voll ausgenutzt. Auch wird durch das Vermeiden von Durchbrüchen durch die Verbundstruktur die Korrosionsproblematik auf Seiten des Verbundwerkstoffes minimiert, da ein Eindringen von Feuchtigkeit und anderen korrosiven Medien verhindert wird. Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine Versiegelung der Struktur verzichtet werden und ein Prozessschritt eingespart werden. Infolge dessen lassen sich in nicht unerheblichem Maße Kosten sparen. Zudem wird durch den Verzicht auf Fügehilfsmittel wie Schrauben oder Niete die Absicherung gegen Korrosion bei Verwendung von metallischen Bauteilen einfacher, da nur eine Lage des FVK-Werkstoffs mit dem metallischen Bauteil in Kontakt kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006040624 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Querträgeranordnung für ein Kraftfahrzeug aus einem Querträger (1) und zumindest einer unlösbar mit dem Querträger (1) verbundenen Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) für ein am Querträger (1) anzubringendes Bauteil, umfassend die Schritte: – Bereitstellen des Querträgers (1) aus einem thermoplastischen FVK-Rohr (1), – Erwärmen des FVK-Rohrs (1) an zumindest einer Fügestelle für die Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) und Einlegen des FVK-Rohrs (1) zusammen mit der an der Fügestelle angeordneten Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) in ein Spritzgusswerkzeug, – Aufbringen eines Stützdrucks (p_i) im Inneren des FVK-Rohrs (1), – Verpressen des FVK-Rohrs (1) mit der Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13), – Umspritzen der Fügestelle mit einer Kunststoffstruktur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische FVK-Rohr (1) – mittels Flechtpultrusion oder Wickeltechnik – einstückig oder aus mehreren Rohrabschnitten, wobei das Bereitstellen des thermoplastischen FVK-Rohrs (1) aus mehreren Rohrabschnitten ein Fügen der Rohrabschnitte zu dem Querträger (1) durch Verschweißen mit oder ohne Distanzstücke (4) und/oder Organoblechabschnitte (5) umfasst, – mit konstantem/r oder veränderlichem/r Durchmesser/Wandstärke hergestellt wird, wobei die veränderliche Wandstärke im Herstellungsprozess in Wickeltechnik oder durch Umwickeln des fertigen Rohrs (1) mit einem Faser-Matrixkunststoff-Material oder Aufschweißen von Organoblechabschnitten (2) geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt beim Verpressen Konturieren des FVK-Rohrs (1) zumindest an der Fügestelle.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die angespritzte Kunststoffstruktur eine Rippenstruktur (6'', 27) ist und aus faserverstärktem, vorzugsweise kurzfaserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyamid (PA) oder Polyphthalamid (PPA) besteht.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) – ein Lasteinleitungselement (10) für eine Anbindungsstelle des Querträgers (1) mit einer Karosserie, vorzugsweise einer A-Säule, wobei das Lasteinleitungselement (10) eine Buchse (7), bevorzugt eine selbststanzende Buchse (7), einen Einleger (6) und/oder eine Konuselementegruppe (16, 17) umfasst, wobei der Einleger (6) vor dem Verpressen in ein Ende des Querträgers (1) eingeführt wird, die Buchse (7) und die Konuselementegruppe (16, 17) jeweils nach dem Verpressen eingebracht werden, – eine Airbaghalterung (11), – eine Lenkkonsole (12) und/oder – eine Tunnelstrebe (13) ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) zumindest teilweise aus einem Thermoplasten, bevorzugt einem faserverstärkten Thermoplasten, besonders bevorzugt aus Organoblech gefertigt ist, umfassend den Schritt Erwärmen der Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) an zumindest einer Fügestelle zu dem Querträger (1) vor dem Einlegen in das Spritzgusswerkzeug.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Herstellung des Querträgers ein CFK-Rohr verwendet wird, umfassend den Schritt – Erzeugen einer Korrosionsschutzschicht zumindest entlang einer Kontaktfläche zwischen dem CFK-Rohr und einem metallischen Bauelement aus der Gruppe, umfassend Anbindungsstrukturen (10, 11, 12, 13), Einleger (6), Bolzen (8), wobei das Erzeugen einer Korrosionsschutzschicht das Aufbringen einer Schicht aus einem Thermoplasten, bevorzugt einem nicht kohlefaserverstärkten Thermoplasten, besonders bevorzugt aus einem glasfaserverstärkten Thermoplasten auf das CFK-Rohr (1) entlang der Kontaktfläche und/oder das Beschichten des metallischen Bauelements umfasst, und/oder – Einfügen zumindest eines Korrosionsschutzelements aus der Gruppe, umfassend Buchsen (7), Unterlegscheiben (9), zumindest entlang einer Kontaktfläche zwischen dem CFK-Rohr und dem metallischen Bauelement, wobei das Korrosionsschutzelement bevorzugt aus einem nicht kohlefaserverstärkten Thermoplasten, besonders bevorzugt aus einem glasfaserverstärkten Thermoplasten gebildet ist.
Querträgeranordnung aus einem Querträger (1) und zumindest einer unlösbar mit dem Querträger verbundenen Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) für ein am Querträger (1) anbringbares Bauteil, herstellbar durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querträger (1) aus einem thermoplastischen FVK-Rohr (1) besteht und mit der Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) verpresst ist, wobei der Querträger (1) und die Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) zumindest stoffschlüssig durch die thermoplastische Matrix des FVK-Rohrs (1) verbunden und mit einer Kunststoffstruktur umspritzt sind.
Querträgeranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsstruktur (10, 11, 12, 13) – ein Lasteinleitungselement (10) für eine Anbindungsstelle des Querträgers (1) mit einer Karosserie, vorzugsweise einer A-Säule, wobei das Lasteinleitungselement (10) eine Buchse (7), bevorzugt eine selbststanzende Buchse (7), einen Einleger (6) und/oder eine Konuselementegruppe (16, 17) umfasst, – eine Airbaghalterung (11), – eine Lenkkonsole (12) und/oder – eine Tunnelstrebe (13) ist,
Querträgeranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die angespritzte Kunststoffstruktur eine Rippenstruktur (6'', 27) ist und aus faserverstärktem, vorzugsweise kurzfaserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyamid (PA) oder Polyphthalamid (PPA) besteht, und/oder dass die Querträgeranordnung eine Korrosionsschutzschicht und/oder ein Korrosionsschutzelement aus der Gruppe, umfassend Buchsen (7), Unterlegscheiben (9), zwischen dem Querträger (1), der aus einem CFK-Rohr besteht, und einem metallischen Bauelement aus der Gruppe, umfassend Anbindungsstrukturen (10, 11, 12, 13), Einleger (6), Bolzen (8), aufweist, wobei die Korrosionsschutzschicht und/oder das Korrosionsschutzelement aus einem Thermoplasten, bevorzugt aus einem nicht kohlefaserverstärkten, besonders bevorzugt aus einem glasfaserverstärkten Thermoplasten besteht, und/oder das metallischen Bauelement eine Beschichtung, bevorzugt eine galvanische Beschichtung aufweist.