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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 60 048 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Frontendträgers hervor, bei welchem ein Kunststoffteil, das gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung einen Verbundwerkstoff aus Langfasern und Polypropylen umfasst, und ein Einsatzteil, das aus einem Faser-Kunststoff-Verbund gebildet ist, miteinander verbunden werden. Dabei wird beispielsweise das Einsatzteil mit dem Verbundwerkstoff zum Ausbilden des Kunststoffteils umspritzt. Alternativ wird das Einsatzteil in das Kunststoffteil eingelegt und mit diesem vernietet, verklebt, durch Hülsen befestigt und/oder durch das Setzen von Schweißpunkten verschweißt. Dabei zeigt sich, dass auf die hier beschriebene Weise lediglich eine Struktur darstellbar ist, bei welcher das Einsatzteil in das Kunststoffteil zu dessen Verstärkung eingebaut ist. Somit ist es nicht möglich, mithilfe des bekannten Verfahrens sehr flexibel eine Vielzahl geometrisch verschiedener Leichtbauteile insbesondere für Kraftfahrzeuge herzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches den genannten Nachteil nicht aufweist, wobei es insbesondere auf verfahrensökonomische Weise möglich sein soll, mithilfe des Verfahrens ein Bauteil herzustellen, das hohen Steifigkeitsansprüchen genügt und zugleich dem Leichtbaugedanken Rechnung trägt.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Das Verfahren dient der Herstellung eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug. Es umfasst folgende Schritte: Es wird ein Hohlprofil aus faserverstärktem Kunststoff bereitgestellt. Das Hohlprofil wird mit mindestens einem Anbauteil verbunden, wobei das Anbauteil einen thermoplastischen Werkstoff umfasst. Eine Verbindung zwischen dem Hohlprofil und dem mindestens einen Anbauteil wird zumindest bereichsweise durch Stoffschluss bewirkt. Das Verfahren ist demnach nicht eingeschränkt auf das Einbringen eines Einsatzteils in ein anderes Teil zu dessen Verstärkung, sondern es sind flexibel, verfahrensökonomisch und kostengünstig verschiedenste Bauteile darstellbar, die insbesondere aufgrund der Ausbildung des Hohlprofils aus faserverstärktem Kunststoff hohen Steifigkeitsansprüchen genügen, vor allem auch in Hinblick auf ein sogenanntes Noise-Vibration-Harshness-Verhalten (NVH) eines das Bauteil umfassenden Kraftfahrzeugs.
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Besonders bevorzugt wird mithilfe des Verfahrens ein Frontendträger für ein Kraftfahrzeug hergestellt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Hohlprofil als Grundkörper des Frontendträgers ausgebildet, wobei bevorzugt verschiedene Anbauteile mit dem Hohlprofil verbunden sind, welche Funktionselemente und/oder Anbindungsbereiche zu benachbarten Bauteilen des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Insgesamt ist so eine komplexe geometrische Struktur, die hohen Steifigkeitsansprüchen genügt, verfahrensökonomisch herstellbar.
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Das Hohlprofil umfasst bevorzugt endlosfaserverstärkten Kunststoff, wobei vorzugsweise ein Gestrick, ein Gewebe und/oder ein Gelege aus Fasern oder Faserbündeln, insbesondere sogenannten Rovings, in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist/sind. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein Hohlprofil verwendet, welches faserverstärkten Kunststoff mit unidirektionalen Fasern umfasst. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Steifigkeit in Faserrichtung für das Hohlprofil erhalten werden. Als Verstärkungsfasern für das Hohlprofil werden vorzugsweise Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern, Aramidfasern oder andere geeignete Fasern verwendet. Bevorzugt wird auch ein Hohlprofil, welches als Verstärkungsfasern sogenannte Hybridrovings aufweist, nämlich Faserbündel, welche aus Fasern verschiedener Materialien gebildet sind. Die Fasern des Hohlprofils sind vorzugsweise in eine thermoplastische Matrix eingebettet. Die thermoplastische Matrix umfasst vorzugsweise Polyphthalamid, PPA, Polyamid, PA, Polyetheretherketon, PEEK, Polyethylenterephthalat, PET, Polyproylen, PP, Polyphenylensulfid, PPS, Polysulfon, PSU und/oder Polyehterimid, PEI.
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Vorzugsweise wird ein Bauteil hergestellt, welches mehr als ein Anbauteil aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, eine besonders flexible und vielgestaltige Geometrie für verschiedene Bauteile im Rahmen des Verfahrens zu schaffen.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Anbauteil verwendet wird, welches faserverstärkten Kunststoff umfasst. Vorzugweise umfasst das Anbauteil endlosfaserverstärkten Kunststoff. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Anbauteil vorzugsweise faserverstärkten Kunststoff mit unidirektionalen Fasern. Als Fasern für das Anbauteil werden vorzugsweise Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern, Aramidfasern oder andere geeignete Fasern verwendet. Es ist auch möglich, dass für das Anbauteil Hybridrovings verwendet werden. Bevorzugt wird ein Anbauteil verwendet, bei dem die Fasern in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind. Die thermoplastische Matrix des Anbauteils umfasst vorzugsweise PA, PPA, PEEK, PET, PP, PPS, PSU und/oder PEI beziehungsweise besteht vorzugsweise aus einer der genannten Komponenten.
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Als Anbauteil wird vorzugsweise ein Organoblech, also ein Faser-Matrix-Halbzeug, das bevorzugt aus einem in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebetteten Fasergewebe und einem ebenfalls in die Matrix eingebetteten Fasergelege besteht, oder ein sogenanntes thermoplastisches Prepreg, also ein Halbzeug, das aus Endlosfasern und einer ungehärteten, thermoplastischen Kunststoffmatrix besteht, verwendet.
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Mithilfe der hier genannten Materialien ist es sowohl für das Hohlprofil als auch für das mindestens eine Anbauteil möglich, einen Werkstoff auszuwählen, der eine hohe Steifigkeit mit einem sehr geringen Gewicht bei zugleich einfacher, verfahrensökonomischer Fertigung verbindet.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein rohrförmiges Hohlprofil verwendet wird, welches vorzugsweise durch Flechtpultrusion hergestellt wird. Dabei werden zunächst Faserstränge, insbesondere Garn oder sogenannte Rovings, zu einem schlauchförmigen textilen Halbzeug verarbeitet, das anschließend zur Formgebung und Konsolidierung mit einer Kunststoffmatrix, insbesondere mit einem Kunstharz oder einem Thermoplast, durch ein ringförmiges Düsensystem gezogen wird. Mithilfe der Flechtpultrusion lassen sich insbesondere biege- und/oder torsionssteife Rohrprofile herstellen. Alternativ oder zusätzlich wird ein rohrförmiges Hohlprofil verwendet, das durch Wickeln von Textillagen hergestellt ist. Auf beide Weisen ist es möglich, ein besonders stabiles, hohen Steifigkeitsansprüchen genügendes geschlossenes Profil, insbesondere Hohlprofil bereitzustellen.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Hohlprofil zumindest bereichsweise erwärmt wird. Insbesondere wird das Hohlprofil bevorzugt in einem Anbindungsbereich zu dem Anbauteil erwärmt, um in diesem Bereich einen Stoffschluss zu bewirken. Alternativ oder zusätzlich wird das Anbauteil zumindest bereichsweise erwärmt. Bevorzugt wird das Anbauteil in einem Anbindungsbereich zur Anbindung an das Hohlprofil erwärmt, um so einen Stoffschluss zu bewirken. Das Hohlprofil und das Anbauteil werden vorzugsweise in erwärmten Zustand in das gleiche Werkzeug eingelegt. Dabei wird das Hohlprofil mit einem Innenhochdruck beaufschlagt. Wie sich noch zeigt, dient der Innenhochdruck als Stützdruck gegen ungewollte Verformung des Hohlprofils. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Hohlprofil mithilfe des Stützdrucks in vorherbestimmter Weise umgeformt wird.
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Es ist möglich, dass das Hohlprofil und/oder das Anbauteil in dem Werkzeug erwärmt werden, insbesondere bevor oder während sie bevorzugt miteinander verpresst werden.
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Die Erwärmung wird vorzugsweise vor dem Einlegen in das gemeinsame Werkzeug oder in dem gemeinsamen Werkzeug durch Wärmeleitung, Strahlung, Induktion und/oder durch Konvektion bewirkt. Vorzugsweise wird/werden das Hohlprofil und/oder das Anbindungsteil an den miteinander zu fügenden Stellen bis auf die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix erwärmt. Es ist auch möglich, dass das komplette Hohlprofil insbesondere in dem Werkzeug auf die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix erwärmt wird. Dabei kann es gleichwohl seine Form behalten, das durch den Innenhochdruck gestützt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Hohlprofil mit dem mindestens einen Anbauteil bevorzugt durch Heißpressen verbunden. Es wird ein Verfahren bevorzugt, bei welchem das Hohlprofil und das Anbauteil in dem Werkzeug, in welches sie eingelegt sind, miteinander verpresst werden. Insbesondere dann, wenn sie in erwärmten Zustand in das Werkzeug eingelegt wurden, werden sie bevorzugt in dem Werkzeug miteinander verschweißt. Besonders bevorzugt werden das Hohlprofil und das Anbauteil beim Verpressen miteinander verschweißt. Hierdurch ist es auf verfahrensökonomische Weise möglich, in nur einem Werkzeug einen Stoffschluss zwischen dem Hohlprofil und dem Anbauteil zu bewirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden das Hohlprofil und das mindestens eine Anbauteil durch Umspritzen stoffschlüssig miteinander verbunden. Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Hohlprofil und das Anbauteil mit einem Kunststoff umspritzt werden. Vorzugsweise werden das . Anbauteil und das Hohlprofil mit einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem endlosfaserverstärkten Kunststoff, besonders bevorzugt mit unidirektionalen Fasern, umspritzt. Vorzugsweise wird ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, insbesondere ein Kunststoff, der Fasern in einer thermoplastischen Matrix umfasst. Es ist möglich, dass der Kunststoff Langfasern umfasst. Als Verstärkungsfasern für den Kunststoff kommen Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Metallfasern oder andere geeignete Fasern in Frage. Als thermoplastischer Werkstoff, insbesondere als thermoplastische Matrix kommt/kommen PA, PPA, PEEK, PET, PP, PPS, PSU und/oder PEI in Frage.
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Zum Umspritzen werden das Hohlprofil und das Anbauteil vorzugsweise in einem Kombinationswerkzeug positioniert, das zugleich als Spritzgusswerkzeug und zur Beaufschlagung des Hohlprofils mit einem Innenhochdruck ausgebildet ist. Das Werkzeug weist vorzugsweise ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, zwischen dem das Hohlprofil und das mindestens eine Anbauteil in einer Kavität angeordnet werden. Dabei verbleiben im Bereich der Kavität Freiräume, in welche der Kunststoff eingespritzt wird, mit dem das Hohlprofil einerseits und das Anbauteil andererseits umspritzt werden.
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Es ist möglich, dass das Hohlprofil und/oder das Anbauteil in erwärmtem Zustand in das Werkzeug eingelegt wird/werden, oder dass diese während des Umspritzens – gegebenenfalls durch den warmen, eingespritzten Kunststoff – erwärmt werden. Dabei kann eine Erwärmung bis auf die Schmelztemperatur des Kunststoffs des Hohlprofils und/oder des Anbauteils erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, einen Stoffschluss zwischen dem eingespritzten Kunststoff einerseits und dem Hohlprofil beziehungsweise dem Anbauteil andererseits zu bewirken. Wird/werden dabei das Hohlprofil und/oder das Anbauteil ebenfalls lokal angeschmolzen, wird bevorzugt auch ein Stoffschluss zwischen dem Hohlprofil und dem Anbauteil bewirkt.
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Vorzugsweise wird mindestens eine Verbindungsstelle zwischen dem Hohlprofil und dem Anbauteil mit einer Rippenstruktur umspritzt. Auf diese Weise ist es möglich, das entstehende Bauteil zusätzlich zu versteifen.
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Mittels des Umspritzens ist es auch möglich, einen Formschluss zwischen dem Anbauteil und dem Hohlprofil zu bewirken. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn eine äußere Kontur des Hohlprofils nicht rund ist. Besonders dann, wenn das Hohlprofil mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung, beispielsweise eine Nut, aufweist, ist es ohne Weiteres möglich, mittels Umspritzen einen Formschluss zu bewirken.
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Die Ausführungsform des Verfahrens, bei welchem das Anbauteil und das Hohlprofil miteinander verpresst und damit verschweißt werden, wird bevorzugt dann gewählt, wenn einer der beiden oder auch beide Fügepartner, also das Hohlprofil und/oder das Anbauteil, einen vergleichsweise hohen Anteil an thermoplastischer Matrix aufweisen, insbesondere mehr als 50 Vol.-%. Die Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die Fügepartner umspritzt werden, wird dagegen bevorzugt, wenn einer der beiden oder beide Fügepartner einen geringeren thermoplastischen Anteil der Matrix aufweisen, insbesondere weniger als 50 Vol.-%. In diesem Fall ist es schwierig, die Fügepartner miteinander zu schweißen, weshalb das Umspritzen die stabilere, geeignetere Verbindung ermöglicht. Insbesondere dann, wenn der thermoplastische Anteil der Matrix ungefähr 50 Vol.-% beträgt, ist es ohne Weiteres möglich, zwischen beiden alternativen Vorgehensweisen zu wählen.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass an das Hohlprofil und/oder an das Anbauteil mindestens ein Funktionselement angespritzt wird. Als Funktionselement kann vorzugsweise eine Verstärkungsrippe, ein Halter, eine Konsole, ein Anbindungsbereich, eine Kabelführung, und/oder ein anderes geeignetes Funktionselement angespitzt werden. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass das mindestens eine Funktionselement an das Hohlprofil angespritzt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das mindestens eine Funktionselement an das Anbauteil angespritzt wird. Besonders bevorzugt werden mehrere Funktionselemente an das Hohlprofil und/oder an das Anbauteil angespritzt.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Hohlprofil mittels des Innenhochdrucks zumindest bereichsweise umgeformt oder ausgeformt wird. Dabei spricht ein Umformen des Hohlprofils an, dass dieses insbesondere entlang seiner Längserstreckung gesehen verformt, beispielsweise gebogen, abgekrümmt, abgeknickt oder in sonstiger Weise verändert wird. Ein Ausformen spricht demgegenüber an, dass vorzugsweise – in Längsrichtung gesehen – lokal ein Querschnitt des Hohlprofils geändert wird, beispielsweise indem eine Ausstülpung oder eine Einbuchtung vorgesehen wird. Insgesamt ist es durch Umformen und/oder Ausformen mittels des Innenhochdrucks möglich, das Hohlprofil – insbesondere im Querschnitt – an mechanische Belastungsanforderungen maßgeschneidert anzupassen. Insbesondere ist mittels Ausformen ein lokal bedarfsgerecht ausgebildeter Querschnitt darstellbar. Bevorzugt wird an dem Hohlprofil mindestens eine Anbindungsfläche ausgeformt. Diese dient vorzugsweise der Anbindung benachbarter Elemente eines Kraftfahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich können mittels Umformen und/oder Ausformen Querschnittsgeometrien und -größen erzielt werden, die für die Ausbildung von Funktionselementen nur noch geringe Anteile an Spritzguss erfordern.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass mindestens ein Formschlusselement an dem Hohlprofil ausgeformt wird. Wie bereits zuvor angedeutet, kann der angespritzte Kunststoff an dem mindestens ein Formschlusselement einen Ankerpunkt finden, sodass ihm ausreichender Halt an dem Hohlprofil verliehen wird. Insbesondere spricht dies an, dass die Geometrie des Hohlprofils lokal unrund ausgebildet wird, um einen entsprechenden Formschluss mit dem umspritzten Kunststoff zu ermöglichen.
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In dem Verfahren wird vorzugsweise ein Kombinationswerkzeug eingesetzt, welches in einem einzigen Arbeitsgang ein Verpressen und/oder Verschweißen, ein Umformen und/oder Ausformen und ein Anspritzen in demselben Werkzeug erlaubt. Zugleich ist es mithilfe des Kombinationswerkzeugs möglich, das Hohlprofil unter Innenhochdruck zu setzen.
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Es zeigt sich, dass der Innenhochdruck zum einen zum Stützen des Hohlprofils beim Verpressen und/oder Verschweißen verwendet wird, aber auch als Stützdruck gegen den Spritzdruck beim Umspritzen wirkt. Zugleich zeigt sich, dass das Hohlprofil mithilfe des Innenhochdrucks umgeformt oder ausgeformt werden kann. Weiterhin ist es möglich, dass mithilfe des Innenhochdrucks das Material des Hohlprofils gegen das Anbindungselement und gegebenenfalls auch gegen den eingespritzten Kunststoff gedrängt wird, um die Verbindung zwischen den Fügepartnern zu verbessern.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Hohlprofil und das Anbauteil mit einem Band umwickelt werden. Dabei wird ein Stoffschluss zwischen dem Hohlprofil und dem Band, zwischen dem Anbauteil und dem Band und/oder zwischen dem Hohlprofil und dem Band, sowie zwischen dem Anbauteil und dem Band bewirkt. Zusätzlich oder alternativ kann ein Stoffschluss zwischen dem Hohlprofil und dem Anbauteil bewirkt werden. Es ist möglich, dass das Verfahren als sogenanntes Tapewickeln durchgeführt wird.
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Vorzugsweise werden das Hohlprofil und das Anbauteil mit einem Band aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus endlosfaserverstärktem Kunststoff, und besonders bevorzugt mit einem Band aus unidirektionale Fasern umfassendem, faserverstärkten Kunststoff, umwickelt. Dies hat den Vorteil, dass die Faserverstärkungen nicht an den Fügestellen der beiden Fügepartner enden. Vielmehr werden Kräfte durch das faserverstärkten Kunststoff umfassende Band von dem Hohlprofil in das angefügte Anbauteil übertragen, sodass der Kraftfluss nicht ausschließlich über die thermoplastische Matrix erfolgt. Hieraus resultiert eine erhöhte Festigkeit der Fügestelle. Das Umwickeln eignet sich auch dazu, Materialien miteinander zu verbinden, die nicht miteinander verschweißbar sind. Bevorzugt wird das Band beim Abwickeln gezielt auf den Pfaden der höchsten Spannung, also auf den Kraftübertragungs- oder Lastpfaden abgelegt. Dabei wirkt es sich besonders vorteilhaft aus, wenn das Band unidirektionale Fasern umfasst, insbesondere wenn diese sich in Richtung der Kraftübertragungs- oder Lastpfade erstrecken. Hierdurch kann die Steifigkeit des Bauteils deutlich gesteigert werden. Das anisotrope Verhalten unidirektionaler Faserverbundwerkstoffe kann so optimal ausgenutzt werden. Es ist auch möglich, durch Variation der Faserspannung die Eigenschaften der Fügestelle, zum Beispiel deren Steifigkeit, einzustellen.
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Vorzugsweise wird das Band vor dem Umwickeln oder beim Umwickeln lokal zumindest bereichsweise angeschmolzen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Anbauteil vor oder bei dem Umwickeln zumindest bereichsweise lokal angeschmolzen wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Hohlprofil vor oder bei dem Umwickeln zumindest bereichsweise lokal angeschmolzen wird. Auf diese Weise kann ein Stoffschluss zwischen dem Band einerseits und mindestens einem Fügepartner andererseits, vorzugsweise zwischen dem Band und beiden Fügepartnern, in besonders inniger Weise bewirkt werden. Zum Anschmelzen des Bandes, des Hohlprofils und/oder des Anbauteils wird vorzugsweise ein Laser verwendet. Dieser eignet sich besonders für ein gezieltes, definiertes, lokales Anschmelzen.
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Das Band wird vorzugsweise mittels einer Spanneinrichtung mit den Fügepartnern verpresst. Hierbei wird insbesondere in erwärmten Zustand und besonders dann, wenn die Fügepartner eine thermoplastische Matrix aufweisen, ein Stoffschluss erreicht. Wie bereits angedeutet, kann durch geschicktes Verlegen des Bandes das Bauteil belastungsgerecht optimal gestaltet werden.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass in einem Anbindungsbereich des Bauteils an benachbarte Bauteile mindestens eine Buchse aus faserverstärktem Kunststoff zur Durchführung einer Schraube vorgesehen wird. Bevorzugt wird eine Buchse verwendet, die aus endlosfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich wird eine Buchse verwendet, die aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist, der unidirektionale Fasern umfasst.
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Vorzugsweise wird zuvor in dem Anbindungsbereich eine Freistelle oder ein Durchbruch ausgebildet, in den die Buchse eingebracht wird. Sie wird dann bevorzugt in dem Durchbruch oder in der Freistelle heißverpresst und/oder verschweißt.
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Der Anbindungsbereich ist vorzugsweise an dem Hohlprofil ausgebildet, welches endseitig verpresst ist, wobei bevorzugt an dem verpressten Ende ein vorzugsweise flacher Anbindungsbereich ausgebildet ist.
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Problematisch bei Schraubverbindungen thermoplastischer Kunststoffe ist, dass diese im Allgemeinen eine Neigung zum Fließen aufweisen. Hierdurch lässt die Vorspannkraft der Schraubverbindungen mit der Zeit nach, so dass sie gelockert werden. Dieses Problem wird gelöst, indem in den Anbindungsbereich eine Buchse eingebracht wird, deren Werkstoff nicht zum Fließen neigt. Hierzu kommt vorzugsweise eine Buchse aus Kunststoff, der mit unidirektionalen Fasern verstärkt ist, zum Einsatz, wobei sich die unidirektionalen Fasern in Längsrichtung der Schraubverbindung erstrecken. Um die Fließneigung weiter zu verringern, wird bevorzugt der Querschnitt der Lasteinleitung vergrößert, insbesondere durch mindestens eine Unterlegscheibe.
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Es zeigt sich, dass bei einer Werkstoffpaarung Metall-Faserverbundwerkstoff eine elektrochemische Potentialdifferenz besteht, welche dazu führt, dass in einem Kontaktbereich dieser Werkstoffe vermehrt Korrosion auftritt. Dies ist insbesondere bei einer Werkstoffpaarung von Stahl mit kohlefaserverstärktem Kunststoff oder von Aluminium mit kohlefaserverstärktem Kunststoff der Fall. Um eine Kontaktkorrosion zu vermeiden, wird vorzugsweise zur Herstellung der Schraubverbindung mindestens eine Unterlegscheibe aus glasfaserverstärktem Kunststoff verwendet, der stark elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Besonders bevorzugt wird eine Unterlegscheibe aus glasfaserverstärktem Kunststoff verwendet, der unidirektionale Glasfasern umfasst. Dabei wird die Ausrichtung der unidirektionalen Fasern bevorzugt parallel zu einer Längsrichtung der Schraubverbindung, mithin zur Schraubenachse, gewählt. Bevorzugt wird eine solche Unterlegscheibe auf jeder Auflagefläche der Schraubverbindung verwendet. Um zugleich die Fließneigung des Kunststoffs zu reduzieren und die Kraftverteilung besonders günstig zu gestalten, wird die Unterlegscheibe möglichst groß gewählt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einen möglichst großen Schraubenkopf zu verwenden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kombinationswerkzeugs zur Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens;
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2 eine schematische Darstellung des Umwickelns eines Hohlprofils mit einem Anbauteil im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfs zum Umwickeln im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens, und
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4 ein Ausführungsbeispiel einer im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens hergestellten Schraubverbindung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs 1, das im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Herstellung eines Frontendträgers, verwendet wird. Das Werkzeug 1 weist ein Unterwerkzeug 3 und ein Oberwerkzeug 5 auf, wobei zwischen dem Unterwerkzeug 3 und dem Oberwerkzeug 5 eine Kavität 7 ausgebildet ist. In 1 ist das Werkzeug 1 in geschlossenem Zustand dargestellt, wobei das Unterwerkzeug 3 und das Oberwerkzeug 5 maximal aufeinander zu verlagert sind, sodass die Kavität 7 ihr vorgesehenes, minimales Volumen aufweist. In der Kavität 7 ist ein Hohlprofil 9 aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet. Das Werkzeug 1 umfasst einen mithilfe eines Dichtelements 11 gedichteten Zugang 13 zu der Kavität 7, wobei durch den Zugang 13 ein Innenhochdruck in der Kavität 7 und damit in einem Inneren des Hohlprofils 9 aufgebaut werden kann.
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Weiterhin weist das Werkzeug 1 in dem Unterwerkzeug 3 und/oder in dem Oberwerkzeug 5, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in beiden Werkzeugteilen, Spritzgussausnehmungen 15 auf, in welche im Rahmen des Verfahrens ein Kunststoff, vorzugsweise ein faserverstärkter Kunststoff, eingespritzt wird, wodurch das Hohlprofil 9 bereichsweise umspritzt wird.
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In dem Werkzeug 1 kann außer dem Hohlprofil 9 in mindestens einem Bereich, der in 1 nicht dargestellt ist, und/oder in den Spritzgussausnehmungen 15 mindestens ein Anbauteil angeordnet werden, das im Rahmen des Verfahrens mit dem Hohlprofil 9 verbunden wird. Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Mehrzahl von Anbauteilen mit dem Hohlprofil 9 verbunden.
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Das Werkzeug 1 ist vorzugsweise als Kombinationswerkzeug ausgebildet, wobei die Anbauteile mit dem Hohlprofil 9 bevorzugt durch Verpressen und/oder Verschweißen und/oder durch Umspritzen miteinander verbunden werden. Der Innenhochdruck in dem Hohlprofil 9 dient dabei zum einen als Stützdruck, zum anderen ist es aber auch möglich, dass das Unterwerkzeug 3 und/oder das Oberwerkzeug 5 in 1 nicht dargestellte Kavitäten oder Vorsprünge umfasst/umfassen, an deren Wandung das Hohlprofil 9 unter Einwirkung des Innenhochdrucks angelegt wird, sodass es mithilfe des Innenhochdrucks umgeformt oder zumindest bereichsweise ausgeformt wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils 17, welches durch eine alternative Ausführungsform des Verfahrens hergestellt ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das Bauteil 17 umfasst ein Hohlprofil 9, welches durch Wickeln, insbesondere durch Tapewickeln, mit einem Anbauteil 19 verbunden ist. Hierbei ist ein schematisch angedeutetes Band 21 um eine Fügestelle 23 des Hohlprofils 9 und des Anbauteils 19 herumgewickelt, wobei das Band 21 vorzugsweise einen faserverstärkten Kunststoff mit unidirektionalen Fasern aufweist.
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Das Hohlprofil 9 und das Anbauteil 19 weisen vorzugsweise ebenfalls einen faserverstärkten Kunststoff, besonders bevorzugt ebenfalls mit unidirektionalen Fasern auf. Das Bauteil 17 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 hat den Vorteil, dass die Faserverstärkungen nicht an der Fügestelle 23 enden, sodass Kräfte von dem Anbauteil 19 in das Hohlprofil 9 oder umgekehrt nicht ausschließlich über eine die Fasern umfassende Matrix übertragen werden, sondern zusätzlich über das Band 21, wobei sie insbesondere von den unidirektionalen Fasern des Bandes 21 aufgenommen und weitergeleitet werden. Besonders bevorzugt wird das Band 21 so verlegt, dass die Fasern in Richtung von Lastpfaden beziehungsweise in Richtung eines Kraftflusses zwischen den Fügepartnern verlaufen. Es ist demnach möglich, durch geschicktes Verlegen des Bandes 21 das Bauteil 17 belastungsgerecht optimal zu gestalten.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Wickelkopfs 25, der dem Abwickeln des Bandes 21 auf ein Bauteil 17 dient, sodass ein Bauteil 17 gemäß 2 mithilfe des Wickelkopfs 25 herstellbar ist. Hierzu weist der Wickelkopf 25 eine Bandrolle 27 auf, von der das Band 21 abgewickelt wird. Um das Band 21 bedarfsgerecht spannen und gegebenenfalls an das Bauteil 17 anpressen zu können, ist eine Spanneinheit 29 vorgesehen. Der Wickelkopf 25 umfasst weiterhin einen Stator 31, in dem relativ zu dem Stator drehbar ein Rotor 33 gelagert ist. Sowohl der Rotor 33 als auch der Stator 31 weisen – entlang ihres Umfangs gesehen – eine Öffnung 35 auf, durch die das Bauteil 17 zentral im Bereich einer Drehachse des Rotors 33 angeordnet werden kann. Um das Bauteil 17 zu umwickeln, wird der Rotor 33 relativ zu dem Stator 31 und relativ zu dem Bauteil 17 gedreht, wobei das Band 21 über Führungsrollen 37 abgewickelt wird.
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Mithilfe der Öffnung 35 ist es insbesondere möglich, dass der bevorzugt an einem Roboter angeordnete Wickelkopf 25 in eine geschlossene Rahmenstruktur des Bauteils 17 eingreifen kann, um dieses zu umwickeln. Der Wickelkopf 25 ist vorzugsweise mit einem Flansch 39 an einem Roboterarm befestigt.
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Um das Band 21 und/oder das Bauteil 17 bereichsweise lokal anzuschmelzen, ist ein Laser 41 vorgesehen, der einen Laserstrahl 43 emittieren kann. Mithilfe des Laserstrahls kann insbesondere eine thermoplastische Matrix des Bands 21 auf Schmelztemperatur erwärmt werden, so dass das Band 21 mit dem Bauteil 17 stoffschlüssig gefügt, insbesondere mit diesem verschweißt werden kann. Die hierzu nötige Anpresskraft wird durch die Spanneinheit 29 aufgebracht. Mithilfe des Wickelkopfs 25 ist es vorzugsweise möglich, das Band 21 in einem optimalen Winkel auf dem Bauteil 17 abzulegen, wobei es besonders bevorzugt auf den Pfaden der höchsten Spannung abgelegt wird. Hierdurch ist es möglich, die anisotopen Eigenschaften des Bandes 21, welches vorzugsweise unidirektionale Fasern aufweist, optimal auszunutzen.
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Vorzugsweise ist die Spannung des Bandes 21 mithilfe der Spanneinheit 29 variierbar. Auf diese Weise können durch Variation der Faserspannung des Bandes 21 die mechanischen Eigenschaften der Fügestelle 23, wie beispielsweise deren Steifigkeit, eingestellt werden.
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Es zeigt sich, dass bei einem herkömmlichen Tapewickeln oder Tapelegen das Bauteil 17 gedreht wird. Im Gegensatz hierzu wird im Rahmen des Verfahrens, das mithilfe des Wickelkopfs 25 durchgeführt wird, das Bauteil 17 nicht gedreht, sondern es wird vielmehr der Rotor 33 des Wickelkopfs 25 relativ zu dem Bauteil 17 und relativ zu dem Stator 31 gedreht. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Rotor 33 und das Bauteil 17 relativ zueinander zu drehen.
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Der Wickelkopf 25 weist eine vergleichsweise kompakte Bauweise auf, sodass auch enge Radien sicher umwickelt werden können.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Anbindungsbereichs 45 eines Bauteils 17. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Der Anbindungsbereich 45 ist in einem Endbereich 47 angeordnet, in dem das Hohlprofil 9 verpresst ist. In den verpressten Endbereich 47 ist ein Durchbruch 49 eingebracht, welcher dazu vorgesehen ist, eine Schraubverbindung des Hohlprofils 9 und damit des Bauteils 17 mit einem benachbarten Element 51 zu bewirken. Das Element 51 ist mithilfe einer Schraube 53 und einer Mutter 55 an dem Bauteil 17, insbesondere einem Hohlprofil 9 befestigt. Die Schraube 53 und die Mutter 55 weisen bevorzugt Metall auf beziehungsweise bestehen aus Metall.
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Um einer Neigung zum Fließen des Materials, welches das Hohlprofil 9 umfasst, entgegenzuwirken und damit ein Nachlassen der Vorspannkraft der in 4 dargestellten Verschraubung zu vermeiden, ist in den Durchbruch 49 eine Buchse 57 eingebracht, welche aus faserverstärktem Kunststoff mit unidirektionalen Fasern besteht, wobei die Fasern in Richtung einer Längsachse A der Schraube 53 ausgerichtet sind. Die Buche 57 ist daher in der Lage, die im Bereich der Verschraubung auftretenden Kräfte aufzunehmen, ohne dabei zum Fließen zu neigen. Sie ist nämlich durch die in Richtung des Kraftflusses verlaufenden, unidirektionalen Fasern verstärkt.
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Um eine elektrochemische Korrosion zwischen dem Metall der Schraube 53 und der Mutter 55 und dem faserverstärkten Kunststoff insbesondere des Hohlprofils 9 und/oder der Buchse 57 zu vermeiden, sind zwei Unterlegscheiben 59, 59' aus glasfaserverstärktem Kunststoff an einer oberen Auflagefläche 61 und an einer unteren Auflagefläche 63 des Hohlprofils 9 beziehungsweise des verpressten Endbereichs 47 angeordnet. Die Unterlegscheiben 59, 59' umfassen vorzugsweise unidirektionale Glasfasern, die besonders bevorzugt in Richtung des Kraftflusses, mithin in Richtung der Achse A ausgerichtet sind. Da glasfaserverstärkter Kunststoff stark elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, kann auf diese Weise einer Kontaktkorrosion wirksam vorgebeugt werden.
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Um darüber hinaus die Kraftverteilung in dem verpressten Endbereich 47 besonders günstig zu gestalten, werden besonders große Unterlegscheiben 59, 59' verwendet, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser aufweisen, der doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines Schraubenkopfs 65 der Schraube 53, oder der Mutter 55. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, einen vergrößerten Schraubenkopf 65 und/oder eine vergrößerte Mutter 55 zu verwenden. Diese weisen vorzugsweise einen mindestens 3- bis höchstens 5-mal so großen Durchmesser wie der Nenndurchmesser des Durchbruchs 49 auf.
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Zusätzlich zu der Unterlegscheibe 59', die glasfaserverstärkten Kunststoff umfasst, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch eine Unterlegscheibe 67 aus Metall vorgesehen. Diese ist hier zwischen der Unterlegscheibe 59' und der Mutter 55 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, in gleicher Weise eine metallische Unterlegscheibe zwischen der Unterlegscheibe 59 und dem Element 51 anzuordnen. Weiterhin ist es alternativ oder zusätzlich möglich, eine Unterlegscheibe – sei es aus glasfaserverstärktem Kunststoff und/oder aus Metall – zwischen dem Element 51 und dem Schraubenkopf 65 anzuordnen.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Verfahrens möglich ist, auf verfahrensökonomische Weise ein Leichtbauteil für ein Kraftfahrzeug herzustellen, das hohen Steifigkeitsansprüchen genügt. Dabei werden Gewichtseinsparungen und entsprechend Einsparungen im Kraftstoffverbrauch und in einer Kohlendioxid-Emission für das Kraftfahrzeug möglich. Mit der Gewichtseinsparung geht auch ein besseres Fahrverhalten einher. Mithilfe des Verfahrens ist es möglich, auf mechanische Verbindungen, beispielsweise durch Schrauben oder Nieten, zumindest im Bereich des Bauteils 17 selbst zu verzichten, was zu einer verbesserten Ausnutzung der mechanischen Werkstoffeigenschaften insbesondere faserverstärkter Kunststoffe mit unidirektionalen Fasern führt. Es fallen nämlich faserschädigende Fügemethoden, insbesondere Fügemethoden, welche auf materialabhebenden, insbesondere zerspanenden Verfahren basieren, weg. Zugleich wird durch das Fehlen von Fügelementen auf das Einbringen von gewichtserhöhenden Elementen in das Bauteil 17 verzichtet. So kann das Leichtbaupotential der Faserverbundwerkstoffe voll ausgeschöpft werden. Auch eine Korrosionsproblematik kann im Rahmen des Verfahrens vermieden werden, ohne dass auf eine teure Versiegelung des Bauteils 17 zurückgegriffen werden muss. Hierdurch entfällt ein Verfahrensschritt, was weitere Kosten spart.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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