DE102013021396B3 - Fahrzeugbauteil mit einer Mehrschichtstruktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils mit einer Mehrschichtstruktur mit zumindest einer Deckschicht (3) und zumindest einer Kernschicht (1), in der ein, über die gesamte Kernschicht-Materialstärke (s1) durchgängiges, eine Krafteinleitung (F) von außen aufnehmendes Verstärkungsteil (5) eingebettet wird, das von der Deckschicht (3) überdeckt wird. Erfindungsgemäß wird zur Einbettung des Verstärkungsteils (5) in der Kernschicht (1) das Verstärkungsteil (5) zweiteilig mit einem ersten Element (23) und einem zweiten Element (25) bereitgestellt. Die Elemente (23, 25) werden vor dem Aufbringen der Deckschicht (3) unter Bildung des Verstärkungsteils (5) beidseitig in die Kernschicht (1) eingetrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils mit einer Mehrschichtstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Fahrzeugbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
  • Im Fahrzeug-Leichtbau finden häufig Hybridstrukturen in Kombination mit Faserverbundwerkstoffen Anwendung. In einer solchen Hybridstruktur kann ein metallisches Verstärkungsteil, das heißt ein Insert, eingebettet sein, das als Hauptfunktion die Krafteinleitung in die Hybridstruktur übernimmt. Beispielhaft kann eine solche Hybridstruktur eine Batterieträgerwand bilden, die in eine Rücksitzwand des Fahrzeuges integriert ist. An einer solchen Batterieträgerwand kann die Traktionsbatterie des Fahrzeuges verschraubt sein. Insbesondere im Crashfall wirken daher hohe Lasten auf die Schraubpunkte der Batterieträgerwand, die über das Insert in die Hybridstruktur eingeleitet werden.
  • Eine firmeninterne, druckschriftlich nicht belegbare Sandwichstruktur weist eine Kernschicht auf, die beidseitig von Deckschichten überdeckt ist. In der Kernschicht ist ein Verstärkungsteil, das heißt ein Insert, eingebettet, das sich durchgängig über die gesamte Kernschicht-Materialstärke erstreckt und dessen Stirnseiten jeweils vom Kernschicht-Material freigelegt sind. Die Deckschichten können beispielhaft aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt sein, während die Kernschicht aus einem Strukturschaum gefertigt sein kann.
  • Die Anbindung des Inserts in dieser Sandwichstruktur lässt sich meist nicht kraftflussgerecht gestalten. Aus diesem Grunde weist das Insert eine geometrisch komplexe Formschlusskontur auf. Die in das Insert eingeleiteten Kräfte werden daher über einen Formschluss in die Sandwichstruktur übertragen.
  • In der oben erwähnten Sandwichstruktur gestaltet sich zudem die Einbettung des Inserts in der Kernschicht fertigungstechnisch aufwendig: So werden zunächst in einem ersten Prozessschritt voneinander separate Kernschicht-Halbzeuge bereitgestellt. Diese werden in einem zweiten Prozessschritt unter Zwischenlage des Verstärkungsteils (das heißt das Insert) zusammengefügt, zum Beispiel verklebt. Vor dem Zusammenfügen werden in einem Zwischenschritt in den einander zugewandten Kontaktflächen der Kernschicht-Halbzeuge Aufnahmekonturen eingearbeitet, die in etwa die Negativform des Verstärkungsteils wiedergeben.
  • Aus der DE 195 03 579 B4 ist ein Kunststoff-Formkörper mit einer Lochverstärkung bekannt, bei der in das Loch beidseitig in ihrer Form angepasste Buchsen eingesetzt sind. Aus der DE 10 2010 044 902 A1 ist ein Verfahren zum Einbringen einer Hülse, etwa einer Gewindehülse, in ein Werkstück bekannt.
  • Die US 6,264,412 B1 beschreibt eine Wabenplattenbefestigungsanordnung zur Befestigung einer Wabenplatte, die als Innenmaterial eines bemannten Raumfahrzeuges an einem Rahmen oder dergleichen benutzt wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeugbauteil mit einer Mehrschichtstruktur mit darin eingebettetem Verstärkungsteil bereitzustellen, das fertigungstechnisch einfach herstellbar ist.
  • Die Aufgabe ist durch Merkmale des Patentanspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im obigen Stand der Technik die Einbettung des Verstärkungsteiles in einem, bereits vorgefertigten Kernschicht-Halbzeug mit aufwendigen Prozessschritten verbunden ist. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 die Einbettung des Inserts (Verstärkungsteil) in die Kernschicht dahingehend vereinfacht, dass zunächst separat voneinander ein vorgefertigtes Kernschicht-Halbzeug und das Verstärkungsteil bereitgestellt werden. Das vorgefertigte Kernschicht-Halbzeug ist bereits endkonturnah bearbeitet, zum Beispiel in einem Fräsvorgang. Das Verstärkungsteil ist erfindungsgemäß nicht mehr einstückig, sondern vielmehr zweiteilig mit einem ersten Element und einem zweiten Element bereitgestellt. Die beiden Elemente des Verstärkungsteiles werden, noch vor dem Aufbringen der Deckschichten, von jeweils beiden Seiten der Kernschicht in dieselbe eingetrieben, und zwar unter Bildung des Verstärkungsteils. Im Unterschied zum Stand der Technik müssen daher zur Einbettung nicht mehr zunächst zwei Kernschicht-Halbzeuge bereitgestellt werden, die unter Zwischenlage des Verstärkungsteils zusammengefügt werden müssen.
  • Die beiden Elemente des Verstärkungsteils können unter Materialverdrängung in die Kernschicht eingetrieben werden. Um das Eintreiben der beiden Elemente in das Deckschicht-Halbzeug zu vereinfachen, kann in der Kernschicht eine Vorbohrung bereitgestellt sein, in die die beiden Elemente eingetrieben, insbesondere eingeschraubt, eingesteckt oder eingedreht werden. Die beiden Elemente können bevorzugt Steckpartner sein, die zur Bildung des Verstärkungsteils in einer Steckverbindung zusammenzufügen sind.
  • In einer im Hinblick auf Leichtbau-Anforderungen bevorzugten Ausführungsform kann die Kernschicht aus einem Strukturschaum gefertigt sein, während die beiden Deckschichten aus Faserverbundkunststoffen gefertigt sein können. Die Schaumstruktur kann so ausgelegt sein, dass die beiden Elemente des Verstärkungsteils bei Aufbringung einer vorgegebenen Presskraft unter Materialverdrängung in die Kernschicht eingetrieben werden können. Das Verstärkungsteil kann bevorzugt aus einem Leichtbau-Metall gefertigt sein, etwa Aluminium.
  • Bei der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur kann die Anbindung des Verstärkungsteils in der Kernschicht meist nicht kraftflussgerecht, das heißt kraftschlüssig gestaltet werden. Eine solche kraftschlüssige Anbindung würde sich bei einer reinen Zylinderkontur des Verstärkungsteils ergeben. Im Gegensatz dazu kann das Verstärkungsteil mit einer Formschlusskontur versehen sein. Auf diese Weise können von außen eingeleitete Kräfte vom Verstärkungsteil über den Formschluss in die Kernschicht übertragen werden. Zur Bildung der Formschlusskontur kann das Verstärkungsteil einen mittleren Schaft kleineren Querschnitts sowie daran anschließende Kopfabschnitte mit ausgeweitetem Querschnitt aufweisen. Die Kopfabschnitte können nach erfolgter Einbettung in das Kernschicht-Material jeweils an der Kernschicht-Oberfläche zumindest teilweise freigelegt sein. Das Verstärkungsteil kann beispielhaft rotationssymmetrisch ausgebildet sein und ist zum Beispiel als eine Schraubbuchse einsetzbar.
  • Zur Bildung einer Krafteinleitungsstelle kann, zum Beispiel in einem Bohrvorgang, eine Aufnahmebohrung in das Verstärkungsteil eingebracht werden. Bevorzugt kann der Bohrvorgang erfolgen, nachdem die Mehrschichtstruktur bereits fertiggestellt ist.
  • In einer bevorzugten Prozessführung kann die Mehrschichtstruktur des Fahrzeugbauteils im Rahmen eines RTM-Prozesses hergestellt werden. In diesem Fall kann ein Kernschicht-Halbzeug (mit bereits eingebettetem Insert) zusammen mit, die Deckschichten bildenden Faserhalbzeugen in ein RTM-Werkzeug eingelegt werden. Die Faserhalbzeuge sind in diesem Fall noch trocken, das heißt noch nicht vom Matrixmaterial durchtränkt. Anschließend kann unter Druck und Wärme die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials in das RTM-Werkzeug injiziert werden, wodurch das noch trockene Faserhalbzeug vollständig mit dem Matrixmaterial durchtränkt wird.
  • Alternativ dazu können die Deckschicht-Halbzeuge auch als Prepregs oder Organoblechteile bereitgestellt sein. Unter einem Organoblechteil ist in der vorliegenden Anmeldung ein Blechteil aus einem endlos faserverstärkten, thermoplastischen Faser-Verbund-Kunststoff zu verstehen. Das Organoblechteil kann dabei aus verschiedenen Endlosfaser-Materialien, wie zum Beispiel Kohlenstoff, Basalt und verschiedenen thermoplastischen Matrixsystemen, zum Beispiel Polyamid, Polypropylen, bestehen.
  • Die Organoblechteile oder die Prepregs werden zur Herstellung der Mehrschichtstruktur unter Druck und/oder Wärme auf das Kernschicht-Halbzeug aufgebracht.
  • Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
  • Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 in einer Teilschnittdarstellung ein fertiggestelltes Fahrzeugbauteil;
  • 2a bis 2e jeweils Ansichten, die die Prozessfolge zur Herstellung des Fahrzeugbauteils veranschaulichen; und
  • 3 in einer Explosionsansicht ein Verstärkungsteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • In der 1 ist die Sandwichstruktur eines erfindungsgemäßen Fahrzeugbauteils gezeigt. Demzufolge ist die Sandwichstruktur insgesamt dreiteilig aufgebaut, und zwar mit einer inneren Kernschicht 1 sowie beidseitig auf der Kernschicht 1 aufgebrachten Deckschichten 3. Die Kernschicht 1 besteht in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft aus einem Strukturschaum, während die beiden Deckschichten 3 aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt sind. Alternativ dazu kann die Kernschicht 1 auch aus jeglichem anderen, geeigneten Kernmaterial hergestellt sein, zum Beispiel aus Kunststoff oder aus einem Aluminiummaterial.
  • In der Sandwichstruktur ist gemäß der 1 ein Verstärkungsteil 5 integriert. Dessen Hauptfunktion besteht darin, äußere Kräfte F in die Sandwichstruktur des Fahrzeugbauteils einzuleiten. Das Verstärkungsteil 5 ist in den Figuren beispielhaft eine Schraubbuchse mit einer Aufnahmebohrung 7, mit der das Fahrzeugbauteil zum Beispiel an der Fahrzeug-Karosserie anbindbar ist.
  • Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist das Verstärkungsteil 5 in der Kernschicht 1 so eingebettet, dass es sich über die gesamte Kernschicht-Materialstärke s1 durchgängig bis zu den beiden gegenüberliegenden Kernschicht-Flächen 9 erstreckt. Die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 11 des Verstärkungsteils 5 sind jeweils vom Kernschicht-Material freigelegt. Sowohl die Kernschicht-Oberfläche 9 als auch die freigelegten Stirnseiten 11 des Verstärkungsteils 5 sind jeweils von den beiden Deckschichten 3 überdeckt und daher geschützt vor äußeren mechanischen Einflüssen.
  • Das Verstärkungsteil 5 weist eine rotationssymmetrische Außenform auf, und zwar mit Bezug auf die in der 1 eingezeichnete Rotationsachse A. In der Zusammenbaulage können die Kräfte F entlang der Rotationsachse A über das Verstärkungsteil 5 in die Sandwichstruktur eingeleitet werden. Für eine einwandfreie Krafteinleitung ist die Geometrie des Verstärkungsteils 1 von großer Bedeutung: Bei einer Zylinderform würde nämlich das Verstärkungsteil 5 lediglich kraftschlüssig in der Kernschicht 1 eingebettet sein. In einem solchen Fall besteht die Gefahr von Spannungsspitzen an den Rändern des Verstärkungsteils 5, was gegebenenfalls zu einem Ausreißen des Verstärkungsteils 5 aus der Sandwichstruktur führt.
  • Um diese Problematik zu vermeiden, weist das Verstärkungsteil 5 eine Formschlusskontur 13 (1) auf, mittels der die in das Verstärkungsteil 5 eingeleiteten Kräfte F in die Kernschicht 1 übertragen werden. Die Formschlusskontur 13 des Verstärkungsteils 5 ist gemäß der 1 durch einen mittleren Schaft 15 kleineren Durchmessers sowie durch stirnseitig anschließende Kopfabschnitte 17 größeren Durchmessers ausgeführt.
  • Die beiden Deckschichten 3 sind jeweils aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial aufgebaut, in dem ein Faserhalbzeug 19 in einem Matrixmaterial 21 eingebettet ist. Wie aus der 1 weiter hervorgeht, geht der Schaft 15 jeweils an Abrundungen in den oberen und unteren Kopfabschnitt 17 über. Auf diese Weise ergibt sich eine quer zur Achse A auslaufende Geometrie, mit der eine besonders günstige Verteilung der Bauteilsteifigkeit des Verstärkungsteils 5 erreicht wird. Das heißt das Verstärkungsteil 5 weist entlang der Krafteinleitungsachse A seine größte Wanddicke auf, die radial nach außen mittels der Abrundungen kontinuierlich reduziert wird. Auf diese Weise ist eine homogene, fasergerechte Krafteinleitung in das Fahrzeugbauteil ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß ist das Verstärkungsteil 5 nicht einteilig ausgeführt, sondern vielmehr zweiteilig mit einem ersten Element 23 und einem zweiten Element 25. Die beiden Elemente 23 sind als Steckpartner in einer Steckverbindung zusammengefügt. Hierfür weist das erste Element 23 im Schaftbereich eine Aufnahmekontur 27 auf, in die das untere Element 25 eingesteckt ist.
  • Nachfolgend wird anhand der 2a bis 2e das Verfahren zur Herstellung des in der 1 gezeigten Fahrzeugbauteils erläutert. Demzufolge werden gemäß der 2a zunächst ein Deckschicht-Halbzeug 29 sowie die beiden Elemente 23, 25 voneinander unabhängig bereitgestellt. Das Deckschicht-Halbzeug 29 ist bereits durch eine Fräsbearbeitung endkonturnah vorgefertigt und weist eine Vorbohrung 31 auf. Anschließend werden die beiden Elemente 23, 25 in der Pfeilrichtung (2a) beidseitig in eine durchgängige Vorbohrung 31 des Kernschicht-Halbwerkzeugs 29 eingetrieben, und zwar unter Materialverdrängung des Kernschicht-Materials. Die Funktion der Vorbohrung 31 besteht darin, das Eintreiben der beiden Elemente 23, 25 zu vereinfachen. Die beiden Elemente 23, 25 werden unter Bildung des Verstärkungsteils 1 bis in die, in der 1 gezeigten Steckverbindung zusammengefügt.
  • Der Kopfabschnitt 17 des oberen Elements 23 ist dabei mit seiner Stirnseite 11 flächenbündig in der Kernschicht-Oberfläche 9 eingebracht, während der Kopfabschnitt 17 des unteren Elementes 25 von der unteren Kernschicht-Oberfläche 9 vorragt.
  • In der 2b ist die fertiggestellte Kernschicht 1 mit darin eingebettetem Verstärkungsteil 5 gezeigt. Die Kernschicht 1 wird anschließend gemäß der 2c einem RTM-Prozess unterworfen, bei dem die Kernschicht 1 zusammen mit trockenen Faserhalbzeugen 19 in eine Formkammer 35 eines RTM-Werkzeugs 37 eingelegt werden. Anschließend wird eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials 21 in die Formkammer 35 injiziert, wodurch das Faserhalbzeug 19 der beiden Deckschichten 3 vollständig vom Matrixmaterial 21 durchtränkt wird. Nach erfolgter Aushärtung wird das fertig gestellte Fahrzeugbauteil entnommen (2d). Anschließend wird unter Bildung einer Krafteinleitungsstelle in einem Bohrvorgang die Aufnahmebohrung 7 in das Verstärkungsteil 5 eingebracht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das in den 2a bis 2e veranschaulichte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr kann beispielhaft gemäß der 3 bereits die Aufnahmebohrung 7 noch vor der Einbettung des Verstärkungsteils 5 in die Kernschicht 1 ausgebildet werden. In diesem Fall ist die Aufnahmebohrung 7 während des RTM-Prozesses fluiddicht abzudichten. Für eine solche Abdichtung kann im RTM-Werkzeug ein Zapfen vorgesehen sein. Der Zapfen kann beim Schließen des RTM-Werkzeugs unter Verdrängung des trockenen Fasermaterials des Faserhalbzeugs 19 in die Aufnahmebohrung 7 eingefahren werden.
  • Alternativ zu dem oben genannten RTM-Prozess können die Deckschicht-Halbzeuge auch als Organoblechteile oder als sog. Prepregs bereitgestellt sein, in denen die Verstärkungsfasern bereits mit Matrixmaterial vorimprägniert sind.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils mit einer Mehrschichtstruktur mit zumindest einer Deckschicht (3) und zumindest einer Kernschicht (1), in der ein, über die gesamte Kernschicht-Materialstärke (s1) durchgängiges, eine Krafteinleitung (F) von außen aufnehmendes Verstärkungsteil (5) eingebettet wird, das von der Deckschicht (3) überdeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbettung des Verstärkungsteils (5) in der Kernschicht (1) das Verstärkungsteil (5) zweiteilig mit einem ersten Element (23) und einem zweiten Element (25) bereitgestellt wird, und dass die Elemente (23, 25) vor dem Aufbringen der Deckschicht (3) unter Bildung des Verstärkungsteils (5) beidseitig in die Kernschicht (1) eingetrieben werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kernschicht (1) eine bevorzugt durchgängige Vorbohrung (31) bereitgestellt wird, in die die beiden Elemente (23, 25) eingetrieben werden, und/oder dass die beiden Elemente (23, 25) unter Materialverdrängung in die Kernschicht (1) eingetrieben, insbesondere eingeschraubt, eingesteckt oder eingedreht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsteil (5) eine Formschlusskontur (13) aufweist, mit der in das Verstärkungsteil (5) eingeleitete Kräfte (F) über einen Formschluss in die Kernschicht (1) übertragbar sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Formschlusskontur (13) das Verstärkungsteil (5) einen mittleren Schaft (15), dessen Querschnitt kleiner ist als der von dem daran anschließenden Kopfabschnitt (17), sowie zumindest einen, daran anschließenden Kopfabschnitt (17) mit ausgeweitetem Querschnitt aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Bildung einer Sandwichstruktur beidseitig der Kernschicht (1) Deckschichten (3) aufgebracht werden, und/oder dass an beiden Schaftenden ein Kopfabschnitt (17) anschließt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Krafteinleitungsstelle in dem Verstärkungsteil (5), insbesondere in einem Bohrvorgang, ein Aufnahmeloch (7) ausgebildet wird, und dass insbesondere das Aufnahmeloch (7) in die fertiggestellte Mehrschichtstruktur eingebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Deckschicht (3) aus einem Faserverbundkunststoff ausgebildet wird, in dem ein Faserhalbzeug (19) in einem Matrixmaterial (21) eingebettet ist, und/oder dass die Kernschicht (1) aus einem Strukturschaum aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Mehrschichtstruktur das trockene, das heißt noch nicht vom Matrixmaterial (21) durchtränkte Faserhalbzeug (19) zusammen mit der Kernschicht (1) in ein RTM-Werkzeug (37) eingelegt werden, und dass anschließend unter Druck und Wärme die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials (21) in das RTM-Werkzeug (37) injiziert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Mehrschichtstruktur ein vorimprägniertes, das heißt von Matrixmaterial (21) bereits teilweise benetztes Faserhalbzeug (19) unter Wärme und/oder Druck auf die Kernschicht (1) aufgebracht wird.
  10. Fahrzeugbauteil mit einer Mehrschichtstruktur, das in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, welche Mehrschichtstruktur zumindest eine Deckschicht (3) und zumindest eine, von dieser überdeckte Kernschicht (1) aufweist, in der ein Verstärkungsteil (5) eingebettet ist, das sich durchgängig über die gesamte Materialstärke (s1) der Kernschicht (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsteil (5) zweiteilig mit einem ersten Element (23) und mit einem zweiten Element (25) aufgebaut ist, und dass die beiden Elemente (23, 25) unter Bildung des Verstärkungsteils (5) beidseitig in die Kernschicht (1) eingetrieben sind.
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