DE102013019677A1

DE102013019677A1 - Außenhautbauteil für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013019677A1
Application number: DE102013019677.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lungershausen; Tino Jakob
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-05-28
Also published as: US20150147536A1; GB201419847D0; US9623638B2; CN104648488B; CN104648488A; GB2523220A

Abstract

Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere Dachmodul (1), Motorraumklappe, Kofferraumklappe, das mindestens eine Tragschicht (8, 9) und eine Schutzschicht (11) umfasst, wobei die Schutzschicht (11) durch ein faserverstärktes, entlang mindestens einer Außenkante (6) des Außenhautbauteils verlegtes Band gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere ein Dachmodul, eine Motorraumklappe oder eine Kofferraumklappe aus einem Verbundwerkstoff, der eine duroplastische Matrix, mindestens eine Tragschicht aus Verstärkungsfasern und eine Schutzschicht umfasst.
Für Außenhautteile von Fahrzeugen werden verstärkt Kunststoffteile oder Teile aus Verbundwerkstoffen mit Kunststoffmatrix eingesetzt. Werden aus Festigkeitsgründen Verbundwerkstoffe mit duroplastischer Matrix und hochfesten Verstärkungsfasern eingesetzt, so kann es bei einem Unfall durch einen heftigen Aufprall zu einem Brechen der Teile kommen. Dabei entstehenden meist große, scharfkantige, schollenförmige Bruchstücke.
Um diese scharfen Bruchkanten zu vermeiden, werden vereinzelt Splitterschutzfolien eingesetzt, die auf die Außenhautteile aufgebracht werden. Dabei kann es jedoch zu Problemen der Haftung und des optischen Aussehens kommen.
WO 2010/006718 A1 beschreibt ein Außenhautbauteil aus Kunststoff am Beispiel eines Dachmoduls, bei dem der Splitterschutz zwischen den Schichten des Dachaufbaus liegt. Das Außenhautbauteil besteht aus einer ersten Tragschicht, einem Splitterschutzgewebe, einer Kernschicht, einer zweiten Tragschicht, einem Splitterschutzgewebe, einer Entkopplungsschicht und einer Außenhaut, wobei die Verbindung der einzelnen Schichten im CMS-Verfahren erfolgt. Der Aufbau der Außenhaut aus einer Vielzahl von Schichten und die Verbindung der Schichten im CMS-Verfahren sind aufwendig und teuer.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, Außenhautbauteile aus Kunststoff, insbesondere Verbundwerkstoffen, so zu gestalten, dass ein wirksamer Splitterschutz mit geringem Aufwand realisierbar ist.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, das mindestens eine Tragschicht und eine Schutzschicht umfasst,
wobei die Schutzschicht durch ein faserverstärktes, entlang mindestens einer Außenkante des Außenhautbauteils verlegtes Band gebildet ist. Das Band bietet einen wirksamen Schutz gegen vom Rand des Außenhautbauteils ausgehende mechanische Belastungen bei geringem Materialaufwand. Verschnitt kann, anders als bei Verwendung von die gesamte Fläche des Außenhautbauteils überdeckenden Gewebebahnen, fast vollständig vermieden werden. Die Gesamtmenge der für die Schutzschicht verwendeten Fasern ist daher gering, so dass auch bei Verwendung von hochwertigen, kostspieligen Fasern in der Schutzschicht das Außenhautbauteil als Ganzes zu einem günstigen Preis gefertigt werden kann.
Die Fasern der Schutzschicht können zwischen zwei Tragschichten angeordnet sein. Dadurch wird eine tragfähige Integration der Schutzschicht in das Außenhautbauteil erreicht und eine optische Beeinträchtigung der Bauteiloberfläche vermieden.
Die Fasern der Schutzschicht können aus einem vorgereckten Thermoplast oder Stahl bestehen.
Gewebe sind zwar in intaktem Zustand hoch belastbar, wenn jedoch unter Last ein Schaden aufgetreten und erste Fäden gerissen sind, bewirken die quer zu den gerissenen Fäden verlaufenden Fäden eine Konzentration der Last auf engem Raum und begünstigen so eine Ausbreitung des Risses. Um eine solche Lastkonzentration zu vermeiden, können die Fasern der Schutzschicht unverwoben sein.
Um eine Belastung entlang der Ränder des Außenhautbauteils abzuleiten, ohne zu reißen, können die Fasern insbesondere in Längsrichtung des Bandes orientiert sein.
Das Band kann nach Fertigstellung des Außenhautbauteils von einer duroplastischen Matrix der wenigstens einen Tragschicht durchdrungen sein. Dies gelingt insbesondere mit einem lockeren Band aus untereinander unverbundenen Fasern.
Bequemer zu verlegen ist ein Band, dessen Fasern durch Einbettung in eine bandeigene Matrix oder Trägerschicht zusammengehalten sind. Eine solche Matrix kann nach Fertigstellung des Außenhautbauteils mit einer duroplastischen Matrix der wenigstens einen Tragschicht verschmolzen sein.
Die Tragschicht kann ihrerseits ebenfalls durch Fasern verstärkt sein, allerdings sind die Anforderungen an die Belastbarkeit bei diesen Fasern geringer als bei denen der Schutzschicht, was bei ihrer Konzentration in der Matrix, ihrer Faserlänge und/oder ihrer chemischen Zusammensetzung berücksichtigt werden kann. Fasern der Tragschicht können insbesondere Kohlenstoff- oder Glas oder natürliche Fasern pflanzlichen Ursprungs sein.
Die Fasern der Tragschicht können als Gewebe strukturiert sein, um ihre Handhabung bei der Fertigung des Außenhautbauteils zu erleichtern.
Die Fasern der Tragschicht können vorimprägniert sein (Prepreg-Fasern).
Die Herstellung des Außenhautbauteils kann durch Infiltrieren von Tragschicht und Schutzschicht mit dem Matrixduroplast, durch Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) oder durch Spaltimprägnieren erfolgen. Dadurch erhält man eine vollständige Umhüllung der Fasern der Schutzschicht mit der Matrix
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines oberen Teils eines Fahrzeugs mit einem Dachmodul;
2 einen Ausschnitt aus dem Dachmodul im Bereich der Außenkante.
1 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Dachbereichs einer Kraftfahrzeugkarosserie. Ein Dachrahmen 2 umfasst seitliche Profile, die sich an rechter und linker Seite des Fahrzeugs über dessen Türen hinweg erstrecken und A- und C-Säulen miteinander verbinden, sowie vordere und hintere Querträger 3, 4. 1 zeigt nur eines der zwei seitlichen Profile; der vordere Querträger 3 erstreckt sich, wie durch eine gestrichelte Linieangedeutet, angrenzend an eine Frontscheibe unterhalb des Dachmoduls 1; der hintere Querträger 4 verläuft unter der Hinterkante des Dachmoduls 1.
Das Dachmodul 1 ist ein aus mehreren Schichten zusammengesetztes Verbundbauteil. Es umfasst wenigstens eine Tragschicht, die sich über die gesamte Ausdehnung des Dachmoduls 1 erstreckt, und eine Schutzschicht 11, die sich streifenförmig am Rand des Dachmoduls 1 entlangzieht, die Mitte des Dachmoduls 1 aber ausspart.
Bei der Ausgestaltung der 1 erstreckt sich ein Streifen der Schutzschicht 11, wie gezeigt, entlang einer dem Betrachter zugewandten linken Außenkante 6 des Dachmoduls 1, und ein zweiter entlang der in der 1 nicht gezeigten rechten Außenkante. Diese sind die Außenkanten, die bei einem Unfall in Kontakt mit den Profilen 5 am ehesten bruchgefährdet sind. Weitere, nicht gezeigte Streifen der Schutzschicht 11 können an vorderen und hinteren Kanten des Dachmoduls 1 vorgesehen sein.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Dachmodul 1 in der Nähe der Außenkante 6. Das Dachmodul 1 umfasst hier zwei Tragschichten 8, 9, die einander in einem zentralen Bereich des Dachmoduls 1 direkt berühren und zwischen denen sich benachbart zu Rand die Schutzschicht 11 erstreckt.
Die erste und die zweite Tragschicht 8, 9 umfassen jeweils ein Gewebe 13, dessen Fäden aus hochfesten Kohlenstoff-, Glas- und/oder Pflanzenfasern bestehen, und eine duroplastische Matrix 12, in die das Gewebe 13 eingebettet ist. Das Gewebe 13 könnte auch durch ein Vlies aus ungesponnenen Fasern ersetzt sein. Als Duroplast der Matrix 12 kommt insbesondere ein Epoxidharz, ein Polyesterharz oder ein Polyurethan in Betracht.
Die Schutzschicht 11 besteht hier aus parallel zum Rand 6 ausgerichteten Fasern 14, die ursprünglich ohne feste Verbindung untereinander, z. B. in Form eines längsgekämmten Vlieses, zwischen die Gewebe 13 der Tragschichten 8, 9 eingelegt worden und dann zusammen mit diesen mit der duroplastischen Matrix 12 durchtränkt worden sind, um das Dachmodul 1 zu erhalten. Um die Durchtränkung zu erleichtern, können die Fasern sowohl der Schutzschicht 11 als auch der Tragschichten 8, 9 vorimprägniert, d. h. sogenannte Prepreg-Fasern sein.
Die Fasern 14 der Schutzschicht 11 müssen eine hohe Bruchdehnung aufweisen. Sie bestehen daher bevorzugt aus einem vorgereckten Thermoplast, insbesondere Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) und/oder aus einem Stahl.
Zur Erleichterung des Verlegens kann die Schutzschicht 11 neben den Fasern 14 auch ein Band aus einem Trägermaterial enthalten, in das die Fasern 14 eingebettet oder auf das sie aufgeklebt sind. Insbesondere kann die Schutzschicht durch sogenanntes UD-Tape gebildet sein. Das Trägermaterial kann nach dem Imprägnieren mit der Matrix 12 mit dieser innig verklebt oder verschmolzen sein, so dass es in der Darstellung der 2 von dieser nicht unterschieden ist.
Prinzipiell sind auch andere Schichtaufbauten möglich:

– Es ist nur eine Tragschicht 8 ausgebildet;
– Auf mindestens einer Seite der Schutzschicht 11 ist die Tragschicht 8 aus mehreren übereinanderliegenden Fasergeweben ausgebildet;
– zwischen mehreren Tragschichten 8, 9 ist jeweils eine Schutzschicht 11 ausgebildet;
– eine Schutzschicht 11 bildet die äußerste Schicht des Dachmoduls 1.

Kommt es bei einem Seitenaufprall des Fahrzeugs zu einer Belastung des Dachmoduls 1 ausgehend von einem der seitlichen Profile 5, können sich zwar Risse in der Matrix 12 bilden und eventuell auch Fasern oder ganze Fäden der Tragschichten 8, 9 zerstört werden, die Fasern 14 der Schutzschicht 11 brechen jedoch nicht, sondern verformen sich elastoplastisch. Die Ausbreitung der Risse wird dadurch behindert, und Flanken der Risse werden nahe beieinander gehalten. Einzelne Bruchstücke des Dachmoduls 1 können sich nicht herauslösen. Scharfe Ecken und Kanten, die aus dem Dachmodul 1 herausstehen könnten, werden vermieden.
Fasern der Schutzschicht 11 können auch entlang der Außenkante 6 des Dachmoduls 1 längs des vorderen oder des hinteren Dachrahmens 3, 4 angeordnet sein. Ebenso ist der für das Dachmodul 1 gewählte Aufbau des Verbundwerkstoffs auch bei anderen Außenhautbauteilen, wie Motorraumklappe, Kofferraumklappe, Kotflügel und Türen einsetzbar. Dabei verlaufen die Fasern der Schutzschicht 11 entlang der beim Aufprall durch einen Unfall besonders belasteten und bruchgefährdeten Außenkanten des Bauteils. Sie können aber ebenso andere bruchgefährdete Bauteilbereiche überdecken.
Die Herstellung des Dachmoduls 1 erfolgt durch die Schritte:

– Einlegen des Fasergewebes 13 der Tragschicht 8 in ein Formwerkzeug für das Dachmodul 1;
– Ablegen der Fasern der Schutzschicht 11 einzeln, nebeneinander oder in Form von unidirektionalen Faserbändern, wie UD-Tapes;
– Auflegen des Fasergewebes der zweiten Tragschicht 9;
– Infiltrieren von Tragschichten 8, 9 und Schutzschicht 11 mit dem Matrixduroplast 12, im Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) oder durch Spaltimprägnieren

Wird ein anderer Schichtaufbau gewählt, erfolgt das Einlegen der Schichten 8, 9, 11 in das Werkzeug in entsprechender Weise vor dem Infiltrieren der Schichten.
In einer ersten Abwandlung wird das Fasergewebe der Tragschichten 8, 9 aus vorimprägnierten Fasern (Prepreg-Fasern) gebildet. Die Imprägnierung umfasst ein Harz und einen Härter, die bei der Verarbeitung zu einem Duroplast reagieren. Bevorzugte Duroplaste sind Epoxidharz, Polyesterharz oder Polyurethan. Durch ein Heißpressen der Schichten in einem Werkzeug oder Autoklaven reagiert die Imprägnierung, durchdringt und umhüllt die Tragschichten 8, 9 und die Schutzschicht 11 völlig und bildet die Matrix 12.
Die Herstellung des Dachmoduls 1 in der ersten Abwandlung erfolgt durch die Schritte:

– Einlegen des vorimprägnierten Fasergewebes der Tragschicht 8 in das Werkzeug für das Dachmodul 1;
– Ablegen der Fasern der Schutzschicht 11 einzeln, nebeneinander oder in Form von unidirektionalen Faserbändern, wie UD-Tapes;
– Auflegen des imprägnierten Fasergewebes der zweiten Tragschicht 9;
– Heißpressen der Schichten 8, 9, 11 im Werkzeug oder Autoklaven.

Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Dachmodul
2: Dachrahmen
3: vorderer Querträger
4: hinterer Querträger
5: Profil
6: Außenkante
8: Tragschicht
9: Tragschicht
11: Schutzschicht
12: Matrix
13: Gewebe
14: Faser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/006718 A1 [0004]

Claims

Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, das mindestens eine Tragschicht (8, 9) und eine Schutzschicht (11) umfasst, wobei die Schutzschicht (11) durch ein faserverstärktes, entlang mindestens einer Außenkante (6) des Außenhautbauteils verlegtes Band gebildet ist.
Außenhautbauteil nach Anspruch 1 bei dem die Schutzschicht (11) zwischen zwei Tragschichten (8, 9) angeordnet ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Fasern der Schutzschicht (11) aus einem vorgereckten Thermoplast oder Stahl bestehen.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Fasern der Schutzschicht (11) unverwoben sind.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Fasern der Schutzschicht (11) in Längsrichtung des Bandes orientiert sind.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schutzschicht eine Faserschicht ist, die von einer duroplastischen Matrix (12) der wenigstens einen Tragschicht durchdrungen ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schutzschicht eine Matrix umfasst, die mit einer duroplastischen Matrix (12) der wenigstens einen Tragschicht verschmolzen ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Tragschicht (8, 9) durch Fasern, insbesondere aus Kohlenstoff, Glas und/oder pflanzlichen Ursprungs verstärkt ist.
Außenhautbauteil nach Anspruch 8, bei dem die Fasern der Tragschicht (8, 9) ein Gewebe bilden.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Tragschicht (8, 9) aus vorimprägnierten Fasern (Prepreg-Fasern) gebildet ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, das als Dachmodul (1), Motorraumklappe oder Kofferraumklappe ausgebildet ist.
Außenhautbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Herstellung des Außenhautbauteils durch Infiltrieren von Tragschicht (8, 9) und Schutzschicht (11) mit dem Matrixduroplast (12), durch Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) oder durch Spaltimprägnieren erfolgt.