-
Die Erfindung betrifft ein Profilelement, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Profilelements gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
-
Profilelemente mit zumindest einem aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Extrusionsprofil sind aus dem Serienbau von Personenkraftwagen hinlänglich bekannt. Derartige Profilelemente werden beispielsweise als Längs- oder Querträger, Schweller oder dergleichen für die Karosserie des Personenkraftwagens verwendet. Dabei weist das Extrusionsprofil wenigstens eine in Umfangsrichtung geschlossene Hohlkammer auf. Mit anderen Worten weist das Extrusionsprofil zumindest in einem Längenbereich einen geschlossenen Hohlquerschnitt auf, durch welchen eine Hohlkammer gebildet ist. Hierdurch ist es möglich, eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig einem geringen Gewicht zu realisieren.
-
Es hat sich jedoch gezeigt, dass Steifigkeits- und Festigkeitserhöhungen des Extrusionsprofils beziehungsweise des Profilelements nur durch eine entsprechende Vergrößerung des Hohlquerschnitts und/oder durch eine Wanddickenvergrößerung realisierbar sind. Hierzu ist jedoch ein erhöhter Materialbedarf erforderlich, was wiederum zu einem erhöhten Gewicht und/oder zu einem erhöhten Bauraumbedarf des Profilelements führt.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Profilelement sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Profilelements zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders hohe Steifigkeit und Festigkeit bei einem nur sehr geringen Gewicht des Profilelements realisieren lassen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Profilelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Um ein Profilelement, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein nur sehr geringes Gewicht sowie eine sehr hohe Steifigkeit und Festigkeit des Profilelements realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest in einem Längenbereich der Hohlkammer wenigstens ein aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoff gebildetes Kernelement zum Verstärken des Extrusionsprofils angeordnet ist. Das Profilelement ist somit als Hybridbauteil ausgebildet, welches das aus dem metallischen Werkstoff gebildete Extrusionsprofil sowie das aus dem endlosfaserverstärkten Kunststoff gebildete Kernelement umfasst. Mittels des Kernelements ist es dabei möglich, die Steifigkeit und Festigkeit des Profilelements zu erhöhen, ohne die Abmessungen, Wanddicken und das Gewicht des Extrusionsprofils erhöhen zu müssen. Das Kernelement selbst weist dabei ein nur sehr geringes Gewicht auf, so dass auch das Gewicht des Profilelements insgesamt besonders gering gehalten werden kann. Durch die gezielte Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit des Profilelements können die Wanddicken und Querschnitte beziehungsweise Abmessungen des Extrusionsprofils im Vergleich zu einem Profilelement ohne ein Kernelement reduziert werden, so dass das ohnehin nur sehr geringe Gewicht des Kernelements zumindest kompensiert werden kann. Insgesamt lässt sich dadurch das Gewicht verringern bei gleichzeitiger Realisierung einer verbesserten Strukturintegrität und Leistungsfähigkeit des Profilelements beispielsweise hinsichtlich der Aufnahme und Abstützung von Kräften.
-
Die dargestellten Gewichtseinsparungen können beispielsweise zur Darstellung von Laststufenkonzepten herangezogen werden. Kommt es zu nur geringen Belastungen des Profilelements beispielsweise in entsprechenden Bereichen des Profilelements, so kann dort auf die Verwendung eines Kernelements verzichtet werden. Bei demgegenüber größeren Lasten können in entsprechenden Bereichen Kernelemente eingesetzt werden, um dort das Profilelement beziehungsweise das Extrusionsprofil gezielt zu verstärken.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Profilelements, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass zumindest in einem Längenbereich der Hohlkammer wenigstens ein aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoff gebildetes Kernelement zum Verstärken des Extrusionsprofils eingebracht wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Profilelements sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
-
1 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht auf ein Profilelement gemäß einer ersten Ausführungsform, mit einem aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Extrusionsprofil, welches in Umfangsrichtung geschlossene Hohlkammern aufweist, wobei in zwei der Hohlkammern zumindest in einem jeweiligen Längenbereich der jeweiligen Hohlkammern wenigstens ein aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoff gebildetes Kernelement zum Verstärken des Extrusionsprofils angeordnet ist;
-
2 eine schematische und perspektivische Explosionsansicht des Profilelements;
-
3 eine schematische Querschnittsansicht durch eines der Kernelemente des Profilelements;
-
4 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht durch das Profilelement gemäß der ersten Ausführungsform;
-
5 eine schematische und perspektivische Explosionsdarstellung des Profilelements gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei das Extrusionsprofil eine von einer linearen Erstreckung unterschiedliche, gekrümmte Erstreckung aufweist;
-
6 eine schematische und perspektivische Draufsicht auf das Profilelement gemäß der zweiten Ausführungsform; und
-
7 eine schematische Vorderansicht auf das Profilelement gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Draufsicht ein Profilelement 10 mit einem aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Extrusionsprofil 12. Das Profilelement 10 kann beispielsweise als Längsträger, Querträger oder Schweller, insbesondere Seitenschweller, oder als anderweitiges Bauteil, insbesondere Strukturbauteil, eines Personenkraftwagens verwendet werden. Insbesondere kann das Profilelement 10 als Karosseriebauteil verwendet werden. Das Extrusionsprofil ist linear extrudiert und weist demzufolge einen linearen beziehungsweise zumindest im Wesentlichen geraden Verlauf auf. Das Extrusionsprofil 12 ist beispielsweise als Strangpressprofil ausgebildet. Als metallischer Werkstoff des Extrusionsprofils 12 kann beispielsweise Aluminium beziehungsweise eine Aluminiumlegierung verwendet werden.
-
Wie besonders gut aus 2 erkennbar ist, weist das Extrusionsprofil 12 drei in Umfangsrichtung des Extrusionsprofils 12 geschlossene Hohlkammern 14a–c auf, welche durch einen jeweiligen, geschlossenen Hohlquerschnitt des Extrusionsprofils 12 gebildet sind.
-
Zur Realisierung einer gezielten Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit des metallischen Extrusionsprofils 12 ist in die Hohlkammern 14a und 14c jeweils ein Kernelement 16a und 16b eingebracht, wobei – wie in 2 durch Richtungspfeile angedeutet ist – das Kernelement 16a zumindest in einem Längenbereich der Hohlkammer 14a und das Kernelement 16 zumindest in einem korrespondierenden Längenbereich der Hohlkammer 14c angeordnet ist.
-
Die Kernelemente 16a und 16b sind dabei aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoff gebildet. Der jeweilige Kunststoff fungiert als Matrixwerkstoff, in welchen Fasern in Form von Endlosfasern zumindest teilweise eingebettet sind. Durch diese gezielte Steifigkeits- und Festigkeitserhöhung können im Vergleich zum Profilelement 10 ohne die Kernelemente 16a und 16b geringere Wandstärken beziehungsweise kleinere Querschnitte bei verbesserter Strukturintegrität und Leistungsfähigkeit des Profilelements 10 realisiert werden.
-
Die Kernelemente 16a und 16b sind faserverstärkte Kunststoffbauteile (FVK-Bauteile), welche beispielsweise nach Art eines Extrusionsprozesses in die jeweiligen Hohlkammern 14a und 14c eingebracht werden können. Das Einbringen erfolgt beispielsweise derart, dass die komplett ausgehärteten beziehungsweise fertig hergestellten Kernelemente 16a und 16b in Längsrichtung des metallischen Extrusionsprofils 12 in die Hohlkammern 14a und 14c eingeschoben werden.
-
Wie aus 4 erkennbar ist, erfolgt eine Anbindung des jeweiligen Kernelements 16a und 16b an das metallische Extrusionsprofil 12 beispielsweise über wenigstens eine Klebeverbindung, die einen zusätzlich zum Extrusionsprofil 12 und zu den Kernelementen 16a und 16b vorgesehenen Klebstoff 18 umfasst. Bei dem Klebstoff 18 kann es sich um einen zunächst flüssigen oder festen Klebstoff handeln, welcher beispielsweise durch Wärmeeinwirkung beziehungsweise durch Beheizung des Klebstoffs 18 aktiviert und dadurch ausgehärtet beziehungsweise in seiner Aushärtung unterstützt wird.
-
Die Verbindung des jeweiligen Kernelements 16a und 16b mit dem Extrusionsprofil 12 kann auch nach Art eines aufschäumenden Systems erfolgen, wobei der in einen jeweiligen Klebespalt zwischen dem Kernelement 16a und dem Extrusionsprofil 12 beziehungsweise zwischen dem Kernelement 16b und dem Extrusionsprofil 12 eingebrachte Klebstoff aufschäumt.
-
Wie aus 3 erkennbar ist, dienen zur Einstellung eines definierten Klebespalts zwischen dem Extrusionsprofil 12 und den jeweiligen Kernelementen 16a und 16b jeweilige Führungseinrichtungen 20a beziehungsweise 20b der jeweiligen Kernelemente 16a und 16b, wobei die Führungseinrichtungen 20a und 20b jeweilige, in das jeweilige Kernelement 16a und 16b integrierte Führungselemente 22 umfasst. Wie in Zusammenschau mit 4 erkennbar ist, dienen die Führungselemente 22 als Abstandshalteelemente, über welche das jeweilige Kernelement 16a und 16b an die jeweilige Hohlkammer 14a und 14c begrenzenden, innenumfangsseitigen Mantelflächen des Extrusionsprofils 12 derart abgestützt ist, dass zwischen den Führungselementen 22 angeordnete Teilbereiche 24 des jeweiligen Kernelements 16 in einem Abstand zu dem Extrusionsprofil 12 gehalten ist. Der jeweilige, daraus resultierende Klebespalt ist in 4 im Ganzen mit 26 bezeichnet.
-
Bei den Fasern des endlosfaserverstärkten Kunststoffs kann es sich beispielsweise um Glas-, Kohlenstoff-, Aramidfasern und/oder um anderweitige Fasern handeln, welche in einer jeweiligen, durch das Extrusionsprofil 12 vorgegebenen Gravität in Form der jeweiligen Hohlkammer 14a und 14c angeordnet sind.
-
Infolge des nur sehr geringen Gewichts des Profilelements 10 kann auch das Gewicht des Personenkraftwagens insgesamt besonders gering gehalten werden, so dass ein besonders geringer Kraftstoffverbrauch sowie geringe CO2-Emissionen des Personenkraftwagens realisiert werden können. Durch den Einsatz eines Profilelements mit einem metallischen Extrusionsprofil, welches nicht mit Faserverbund-Kernelementen versehen ist, können in Kombination mit dem Profilelement 10 Laststufenkonzepte dargestellt werden. Bei einem solchen Laststufenkonzept weist das mit den Kernelementen 16a und 16b versehene Profilelement 10 eine wesentlich höhere Steifigkeit auf als das Profilelement ohne Kernelemente, so dass diese bei Einwirkung unterschiedlich hoher Lasten versagen beziehungsweise dass ein gezieltes Versagen des Profilelements ohne Kernelemente darstellbar ist, während das Profilelement 10 strukturell intakt bleibt und beispielsweise eine Sicherheitszelle für Insassen des Personenkraftwagens gewährleistet.
-
5 bis 7 zeigen das Profilelement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Wie aus 5 erkennbar ist, weist das fertig hergestellte Extrusionsprofil 20 keine lineare beziehungsweise gerade Erstreckung, sondern im Gegensatz dazu einen gebogenen Verlauf auf. Das Extrusionsprofil 20 gemäß der zweiten Ausführungsform wird beispielsweise derart hergestellt, dass es zunächst als Strangpressprofil, beispielsweise aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung, gebildet wird. Im Anschluss an das Strangpressen weist das Extrusionsprofil 20 zunächst noch einen linearen beziehungsweise geraden Verlauf auf. Im Anschluss an das Strangpressen wird das Extrusionsprofil 20 jedoch gebogen, um seinen gebogenen Verlauf auszubilden. Bei einem solchen gebogenen Verlauf ist es nicht oder nicht ohne weiteres möglich, das jeweilige, bereits fertig ausgehärtete Kernelement 16a und 16b in die jeweilige Hohlkammer 14a beziehungsweise 14c einzuschieben.
-
Um die Kernelemente 16a und 16b in die jeweiligen Hohlkammern 14a beziehungsweise 14c einzubringen, ist es beispielsweise vorgesehen, dass die Fasern beispielsweise in Form von Faserlagen in trockenem und somit noch formlabilem beziehungsweise biegeschlaffem Zustand in die Hohlkammern 14a und 14c eingebracht werden. Mit anderen Worten werden die Fasern in einem solchen Zustand in die Hohlkammern 14a und 14c eingebracht, in dem die Fasern noch nicht mit dem Matrixwerkstoff in Form des Kunststoffes versehen sind oder in dem der Matrixwerkstoff, mit dem die Fasern versehen sind, noch nicht ausgehärtet ist. Hierzu werden die Fasern beispielsweise ähnlich dem Einziehen von Stromkabeln in Gebäuden mittels wenigstens eines jeweiligen Zugdrahts in die Hohlkammern 14a und 14c hineinbewegt.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kernelemente 16a und 16b in einem solchen Zustand in die Hohlkammern 14a und 14c eingebracht werden, in dem die Kernelemente 16a und 16b beziehungsweise ihr jeweiliger Kunststoff noch nicht ausgehärtet ist. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Fasern zwar bereits mit dem Kunststoff versehen, jedoch ist der Kunststoff noch nicht ausgehärtet. Die Kernelemente 16a und 16b sind somit noch formlabil. Das Aushärten der Kernelemente 16a und 16b beziehungsweise des jeweiligen Kunststoffs erfolgt dann in den Hohlkammern 14a und 14c. Werden die Fasern in trockenem Zustand in die Hohlkammern 14a und 14c eingebracht, so werden die Fasern beispielsweise derart mit dem noch flüssigen Kunststoff versehen, indem das metallische Extrusionsprofil 20 mit den in den Hohlkammern 14a und 14c eingebrachten, noch trockenen Fasern einenends in ein Harzbad beziehungsweise in den noch flüssigen Kunststoff eingetaucht wird, während andernends, das heißt an der entsprechend gegenüberliegenden Seite des metallischen Extrusionsprofil 20 ein Vakuum aufgebaut wird. Hierdurch wird der noch flüssige Kunststoff des Harzbades durch das Vakuum angesaugt, so dass die trockenen Fasern nach Art eines Vakuuminfusionsverfahrens mit dem noch flüssigen Kunststoff beziehungsweise Harz infiltriert werden.
-
Alternativ oder zusätzlich wäre auch die Injektion des noch flüssigen Matrixwerkstoffes über wenigstens ein Durchgangsloch des Extrusionsprofils 20 denkbar, so dass die noch trockenen Fasern über das Durchgangsloch mit dem noch flüssigen Kunststoff versehen werden. Das Durchgangsloch ist beispielsweise mittig am Extrusionsprofil 20 angeordnet, um gleichmäßige Fließwege und somit eine gleichmäßige Verteilung des Kunststoffs zu realisieren. Hierbei werden die noch trockenen Fasern nach Art eines RTM-Verfahrens mit dem Kunststoff versehen (RTM – Raisin Transfer Moulding).
-
Die Koppelung beziehungsweise Anbindung des jeweiligen Kernelements 16a und 16b kann hierbei beispielsweise über den Matrixwerkstoff ähnlich dem sogenannten Co-Curing-Verfahren erfolgen. Mit anderen Worten kann hierbei vorgesehen sein, dass die Kernelemente 16a und 16b über ihren jeweiligen Kunststoff mit dem Extrusionsprofil 20 verbunden werden. Hierbei kann beispielsweise eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung realisiert werden. Die formschlüssige Verbindung wird beispielsweise derart realisiert, dass der noch flüssige Kunststoff einen Wandungsbereich des Extrusionsprofils 20 hinterfließen kann, so dass der dann ausgehärtete Kunststoff mit dem Wandungsbereich eine Hintergreifung ausbildet.
-
Hierbei kann eine Klebeverbindung mit zusätzlich zu den Kernelementen 16a und 16b und zusätzlich zu dem Extrusionsprofil 20 vorgesehenen Klebstoffes entfallen, so dass ein besonders geringes Gewicht des Profilelements 10 realisiert werden kann. Darüber hinaus kann auf Werkzeuge zur Herstellung der Kernelemente 16a und 16b verzichtet werden, so dass auch entsprechende Werkzeugkosten entfallen. Hierbei übernimmt das Extrusionsprofil 12 die Funktion des Werkzeugs, da die Kernelemente 16a und 16b mittels des Extrusionsprofils 12 entsprechend des gekrümmten Verlaufs des Extrusionsprofils 12 geformt werden können. 6 und 7 zeigen das fertig hergestellte Profilelement 10 gemäß der zweiten Ausführungsform.
