-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lokal zumindest mit einem Kunststoffmaterial verstärkten Fahrzeugkarosserie sowie die lokal verstärkte Fahrzeugkarosserie selbst.
-
Ein lokales Versagen von einzelnen Flächenelementen eines Karosserie- oder Fahrwerkbauteils eines Kraftfahrzeugs aufgrund von Belastungen durch Knicken, Knittern oder Beulen beispielsweise, kann häufig zu einem vollständigen Verlust der Strukturintegrität des gesamten Bauteils führen.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das Versagensverhalten der Karosserie- oder Fahrwerksbauteilen durch Wahl der Werkstoffparameter – es können artverwandte Werkstoffe mit höherer Festigkeit, beispielsweise hochfeste Stähle, eingesetzt werden oder Wandstärken erhöht werden – oder durch Hybridbauweise, bei der unterschiedliche Werkstoffsysteme genutzt werden, anzupassen. Bei der Hybridbauweise werden z. B. Bauteilelemente aus Metall mit vorgefertigten Bauteilelementen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) verbunden, beispielsweise verklebt. Alternativ können mit Harz imprägnierte Faserlagen direkt auf ein Blechbauteil aufgepresst werden, so dass das aushärtende Harz für die Haftung der FVK-Komponente an dem Blechbauteil sorgt. Jedes Karosserie- oder Fahrwerksbauteil kann so spezifisch für ein gewünschtes Versagensverhalten hinsichtlich Festigkeit und Duktilität angepasst werden.
-
Die
DE 10 2011 113 319 A1 beschreibt ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Karosserie- oder Fahrwerkbauteils von Kraftfahrzeugen mit verbessertem Crash-Verhalten. Dabei wird ein härtbares Harz, das Kurzfasern enthält, auf den metallischen Grundkörper des Bauteils aufgesprüht, so dass eine form- und kraftschlüssig flächig mit dem Grundkörper verbundene FVK-Verstärkung gebildet wird. Da die Kurzfasern in der FVK-Verstärkung ungerichtet sind, können ferner textile Verstärkungsmaterialien in diese Verstärkung eingebettet werden.
-
Durch die lokale Verstärkung verschiedener Kraftfahrzeugbauteile in Hybridbauweise entstehen während der Rohbauphase verschiedene Rohbauvarianten.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anzahl der Rohbauvarianten im Zuge der lokalen Versteifung von Karosseriebauteilen in Hybridbauweise und damit Prozesskosten zu senken.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die weitere Aufgabe, eine hinsichtlich Festigkeit verbesserte und kostengünstiger herstellbare Fahrzeugkarosserie bereitzustellen, wird durch die Fahrzeugkarosserie mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
-
Weiterbildungen der Gegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Fahrzeugkarosserie mit lokalen Verstärkungen, die zumindest ein Kunststoffmaterial umfassen, hergestellt werden, wobei zusätzliche Rohbauvariante vermieden werden, indem festigkeitserhöhende Maßnahmen nicht an den einzelnen Karosseriebauteilen sondern an der fertig montierten Karosserie durchgeführt werden, wodurch Kosten reduziert werden. Dies erlaubt die Bildung von Karosserievarianten zu einem späteren Zeitpunkt im Fertigungsablauf und eröffnet vorteilhaft zudem die Möglichkeit, auf spätere geänderte Belastungsfälle nach Serienanlauf oder Laststufenkonzepte ohne neue Rohbauvariante reagieren zu können. So wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst die Fahrzeugkarosserie aus einer Mehrzahl von Karosseriebauteilen zusammengefügt und auf die Fahrzeugkarosserie die Grundierung mittels bekannter kathodischer Tauchlackierung aufgetragen. Nachdem eine oder üblicherweise mehrere Zonen an der Fahrzeugkarosserie festgelegt werden, die verstärkt werden müssen, wird ein aushärtbares Kunststoffmaterial auf die Grundierung flächig in der oder den Zonen der Fahrzeugkarosserie aufgesprüht, wobei nach dem Aushärten des aufgesprühten Kunststoffmaterials jeweils eine lokal auf die Zone begrenzte Verstärkungslage gebildet wird. Danach kann die nun verstärkte Fahrzeugkarosserie weiterverarbeitet werden, z. B. den weiteren Schritten im Lackierprozess – Auftrag von Füller, Basislack und Klarlack – unterzogen werden. Die Grundierung bietet einen geeigneten Haftgrund für die aufgesprühte Verstärkungslage, unabhängig vom Material der Karosserie, und erübrigt damit das Auftragen zusätzlicher Kleber- bzw. Haftvermittlerschichten. Zudem können aufgrund des Aufbringens der Verstärkung auf die Grundierung Korrosionsprobleme, wie sie z. B. durch Kondenswasser in Spalten oder Wärmeausdehnungsunterschiede entstehen können, nahezu ausgeschlossen werden.
-
Je nach Lage und Lastfall der zu verstärkenden Zone kann die einschichtige Verstärkungslage aus einem Kunststoffmaterial bereits für eine ausreichende Verstärkung sorgen; in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann allerdings vorgesehen sein, dass auf eine oder mehrere Verstärkungslage(n) zumindest eine weitere Schicht aus einem aushärtbaren Kunststoffmaterial flächig aufgesprüht wird, was sowohl vor dem Aushärten des auf die Grundierung aufgesprühten Kunststoffmaterials der Verstärkungslage erfolgen kann, so dass sich die Kunststoffmaterialien der beiden Schichten an der Grenze vermischen, als auch danach erfolgen kann, so dass die weitere aufgesprühte Schicht eine diskrete Grenzfläche zu der Verstärkungslage aufweist. Das Kunststoffmaterial der weiteren Schicht(en) kann das gleiche sein, wie das Kunststoffmaterial der Verstärkungslage, es kann aber auch ein Kunststoffmaterial für die weitere(n) Schicht(en) gewählt werden, das sich in Art und/oder Füllstoff- und/oder Fasergehalt von dem Kunststoffmaterial der Verstärkungslage unterscheidet. Nach dem Aushärten der weiteren Schicht(en) liegt in der entsprechenden verstärkten Zone ein Mehrschichtaufbau vor, der aus der Verstärkungslage und der zumindest einen weiteren Schicht besteht.
-
Während in der einfachsten Ausführungsform die Verstärkungslage aus einem unverstärkten Kunststoffmaterial bestehen kann – gegebenenfalls kann die Verstärkungslage aber auch aus FVK sein – können die Lagen eines Mehrschichtaufbaus mehrere Funktionen erfüllen, beispielsweise neben der Festigkeitserhöhung durch einen graduellen Schichtaufbau für eine optimierte Akustikperformance sorgen.
-
Ferner kann in zumindest einer der zu verstärkenden Zonen eine oder mehrere Funktionslagen vorgesehen werden, die vor, während oder nach dem Aufsprühen des Kunststoffmaterials, das die lokal begrenzte Verstärkungslage bildet, eingebettet wird/werden. Die Funktionslage kann damit in der Verstärkungslage integriert werden oder darauf aufliegen; sie kann aber auch zwischen der Verstärkungslage und einer weiteren Schicht eingebettet sein.
-
Bei der Funktionslage kann es sich um eine Armierung zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Zone der Fahrzeugkarosserie handeln. Eine solche Armierung kann bevorzugt eine kraftflussgerecht an der Fahrzeugkarosserie in der zu verstärkenden Zone angeordnet werden und aus einer oder mehreren Faserlagen, ausgewählt aus Fasertextilien, umfassend Matten, Vliese, Gelege, Gewebe, Netze, Gestricke, und/oder aus kontinuierlichen oder durchbrochenen metallischen Flächenelementen oder Bändern und/oder aus Trägern, Profilteilen, Stäben aus einem Metallwerkstoff, einem Kunststoff oder einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
-
Alternativ oder zusätzlich kann mit einer Funktionslage eine Schalldämmungslage integriert werden, die beispielsweise aus Schaumstoff und/oder einer Dämmmatte bestehen kann, wodurch gezielt das NVH-Verhalten der Karosserie beeinflusst bzw. verbessert werden kann.
-
So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren außer der lokalen Festigkeitssteigerung gezielte Verbesserungen des NVH-Verhaltens oder der Beulsteifigkeit von Exterieur-Flächen kombiniert und eingebracht werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein faserverstärktes Kunststoffmaterial in das innere von profilartigen Hohlbauteilen, beispielsweise Hohlträger, Säulen oder Schweller aufgetragen. Die Verstärkung kann insbesondere nach dem Zusammenbau und der KTL-Beschichtung des Rohbaus durchgeführt werden. Das Aufspritzen kann durch Spritzlanzen, die in die Hohlkörper eingeführt werden erfolgen.
-
Vorzugsweise erfolgt das Aufsprühen des aushärtbaren Kunststoffmaterials, nachdem die mittels der kathodischen Tauchlackierung aufgetragenen Grundierung ausgehärtet ist, was entweder bei Raumtemperatur, unterstützt durch entsprechende Katalysatoren, oder bei erhöhter Temperatur erfolgen kann. Vorteilhaft kann zum Aufsprühen des aushärtbaren Kunststoffmaterials, durch das die Zonen der Karosserie verstärkt wird, ein mit einer Sprühvorrichtung ausgestatteter Roboter bzw. mehrere entsprechend ausgestattete Roboter eingesetzt werden, bei denen es sich um die in einer Lackierstraße bei der Fahrzeugherstellung üblichen Lackierroboter mit Lackspritzpistolen handeln kann.
-
Auf diese Weise erfordert das erfindungsgemäße Verfahren nur minimale Anpassung bestehender Fertigungsanlagen, um die Karosserie mit lokaler Verstärkung herzustellen. Üblicherweise weisen die Lackierstraßen mehrere Lackierroboter auf, so dass auch der Mehrschichtaufbau, der gegebenenfalls unterschiedliche Kunststoffe umfasst, einfach realisiert werden kann, um eine optimierte Akustikperformance bzw. ein optimiertes NVH-Verhalten zu erzielen. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert damit keine speziellen und damit kostenintensiven Werkzeuge zur Erzeugung der Verstärkungslage.
-
Als aushärtbares Kunststoffmaterial kann ein unverstärkter Kunststoff eingesetzt Geeignete thermoplastische Kunststoffe sind beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, Polyethylen, Polypropylen, Polyoxymethylen, Cyclo-Olefin-Copolymere, Polyphenylensulfid, während als geeignete duropastische Kunststoffe Polyurethan, Epoxidharz und Formaldehydharze genannt werden können.
-
In weiterer Ausgestaltung enthält der aushärtbare Kunststoff der Verstärkungslage und/oder der weiteren Schichten für bestimmte Zonen auch Fasern, bevorzugt Kurzfasern, und/oder Füll- bzw. Zuschlagsstoffe.
-
Diese Fasern sowie die Fasern der Armierungs-Faserlagen können unabhängig voneinander aus Glasfasern, Carbonfasern, Polymerfasern, insbes. Aramidfasern, Naturfasern, Basaltfasern, Metallfasern und Keramikfasern sowie Kombinationen davon ausgewählt sein.
-
Da das Aufsprühen der Verstärkung erst nach der Grundierung erfolgt, ist der Werkstoff der Fahrzeugkarosserie in der jeweiligen zu verstärkenden Zone von untergeordneter Bedeutung und kann damit sowohl ein Metallwerkstoff, als auch ein Kunststoff oder ein faserverstärkter Kunststoff sein.
-
Theoretisch kann jede Stelle der Karosserie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Verstärkung versehen werden, insbesondere auch Zonen, die sich über zusammengefügte Karosseriebauteile erstrecken. Zu verstärkende Zonen der Karosserie können beispielsweise an den Karosseriekomponenten Säule, Träger, Schweller, Boden, Türe, Klappe vorliegen.
-
So weist eine erfindungsgemäße Fahrzeugkarosserie, die aus einer Mehrzahl von Karosseriebauteilen zusammengefügt ist, zumindest eine vorzugsweise aber mehrere lokale Verstärkungen auf, die ein Kunststoffmaterial umfassen, das als lokal begrenzt auf die Grundierung aufgesprühte Verstärkungslage vorliegt, die jeweils die zu verstärkenden Zone der Fahrzeugkarosserie bedeckt.
-
Auf der Verstärkungslage wenigstens einer Zone kann zumindest eine weitere Schicht aus einem Kunststoffmaterial vorliegen, das dem Kunststoffmaterial der Verstärkungslage entspricht oder sich in Art und/oder Füllstoff- und/oder Fasergehalt davon unterscheidet. Die lokale Verstärkung weist dann einen Mehrschichtaufbau auf, der aus der Verstärkungslage und der zumindest einen weiteren Schicht besteht. In die Verstärkungslage bzw. in den Mehrschichtaufbau kann ferner eine Funktionslage (oder können mehrere Funktionslagen) eingebettet sein, die eine Armierung, bevorzugt eine kraftflussgerecht an der Fahrzeugkarosserie in der zu verstärkenden Zone angeordnete Armierung, und/oder eine Schalldämmungslage sein kann. Eine Armierung kann aus einer oder mehreren Faserlagen, ausgewählt aus Fasertextilien, umfassend Matten, Vliese, Gelege, Gewebe, Netze, Gestricke, etc. und/oder aus metallischen Flächenelementen oder Bändern und/oder aus Trägern, Profilteilen, Stäben aus einem Metallwerkstoff, einem Kunststoff oder einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, während eine Schalldämmungslage Schaumstoffe und/oder Dämmmatten umfassen kann.
-
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.
-
Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient 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 Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt in schematischer Seitenansicht eine Fahrzeugkarosserie in der kathodischen Tauchlackierung und der anschließenden Sprühstation zum Auftrag der lokalen Verstärkung.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine lokal mit Kunststoffmaterial verstärkte Fahrzeugkarosserie und auf ein Verfahren zur Herstellung einer lokal zumindest mit einem Kunststoffmaterial verstärkten Fahrzeugkarosserie.
-
Zunächst wird eine Fahrzeugkarosserie 1, wie sie beispielhaft in der Figur dargestellt ist, aus den verschiedenen Karosseriebauteilen zusammengefügt und gegebenenfalls einer Vorbehandlung (Phosphatierung) unterzogen, ehe sie in das Tauchbad 2 überführt wird, in dem die kathodische Tauchlackierung erfolgt, durch die die gesamte Oberfläche der Karosserie mit der Grundierung überzogen wird. Diese weist eine sehr gute Haftung sowohl an Blech als auch an Kunststoffkomponenten der Karosserie auf und dient der Verhinderung oder zumindest Verlangsamung von Korrosion. Die Aushärtung des KTL-Lacks, der zur Grundierung verwendet wird, kann entweder bei Raumtemperatur mit Hilfe von Katalysatoren chemisch oder durch hohe Temperaturen (ca. 185°C) aktiviert erfolgen. Die Karosserie wird dann durch bekannte Transportvorrichtungen weiter durch die Lackierstraße geführt.
-
Nachdem sämtliche zu verstärkenden Zonen der Fahrzeugkarosserie 1 festgelegt wurden, im vorliegenden Beispiel der Übersichtlichkeit wegen nur eine Zone A am Dach und eine Zone B an der D-Säule – selbstverständlich können sehr viel mehr Zonen festgelegt werden – wird mittels Lackierroboter 3 ein aushärtbares Kunststoffmaterial flächig in den Zonen A, B auf die Grundierung aufgesprüht, wodurch jeweils eine lokal begrenzte Verstärkungslage aus dem Kunststoffmaterial nach dessen Aushärtung gebildet wird.
-
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass in einem Mehrkomponenten-Sprühverfahren unterschiedliche Kunststoffmaterialien durch die Lackierroboter 3 aufgetragen werden können, so dass durch einen ersten Lackierroboter 3 ein erstes, beispielsweise unverstärktes Kunststoffmaterial appliziert werden kann, während durch einen weiteren Lackierroboter 3 ein Kunststoffmaterial aufgespritzt werden kann, das beispielsweise Fasern oder Füllstoffe enthält. Durch entsprechende Steuerung der Lackierroboter 3 können dann verschiedene Zonen unterschiedlich verstärkt werden oder bestimmte Zonen mit einer mehrschichtigen Verstärkung ausgestattet werden oder beides kombiniert werden.
-
Zusätzlich kann – beispielsweise durch mit Greifern ausgestattete Roboter – eine Funktionslage wie eine Armierung oder Schalldämmlage in das Kunststoffmaterial einer oder mehrerer Zonen integriert werden. Die Funktionslage kann vor, während oder nach der Applikation des aushärtbaren Kunststoffmaterials aufgelegt werden – je nach dem kommt die Funktionslage eher grundierungsnah oder grundierungsfern zur Anlage.
-
Die Vermeidung von zusätzlichen Rohbauvarianten sowie die Möglichkeit, festigkeitserhöhende Maßnahmen auf beliebige Flächenelemente der Karosserie in der Montage aufbringen zu können, führt zu reduzierten Kosten und erlaubt eine Variantenbildung zu einem späteren Zeitpunkt im Fertigungsablauf bei gleichzeitiger Möglichkeit, auf spätere geänderte Belastungsfälle (nach Serienanlauf) oder Laststufenkonzepte ohne neue Rohbauvariante reagieren zu können.
-
Nach der erfindungsgemäß erfolgten Aufbringung der Verstärkung und Aushärtung der Kunststoffmaterialien kann die Karosserie den weiteren Lackierschritten (ggf. Füller, Basislack und Klarlack) zugeführt werden.
-
Neben der Festigkeitssteigerung durch die Verstärkungslage können gezielt NVH-Verbesserungen oder verbesserte Beulsteifigkeiten von Exterieur-Flächen kombiniert und eingebracht werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011113319 A1 [0004]
