DE102013109396A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für den Automobilbau - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für den Automobilbau, wobei ein Metallformteil (1) mit einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) verbunden wird, wobei ein Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) mit mindestens einem Flansch (3) geformt wird und auf eine Temperatur erwärmt wird, die eine Umformbarkeit des Faserverbundwerkstoffes ermöglicht, das Metallformteil (1) in Bereichen, die dazu bestimmt sind mit dem Flansch (3) oder den Flanschen (3) verbunden zu werden, gelocht wird, dass das Metallformteil (1) mit den die Lochungen (4) aufweisenden Bereichen auf den oder die Flansche (3) des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) aufgelegt wird und das noch warme Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) durch Aufbringen einer Presskraft in den Bereichen, die auf den Lochungen (4) aufliegen, in die Lochungen (4) gequetscht wird, so dass eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für den Automobilbau, wobei ein Metallformteil mit einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff verbunden wird.
  • Metallformteile sind zweckmäßig geformte Bauteile aus Metall, insbesondere aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder anderen vergleichbaren Materialien. Unter Faserverbundwerkstoff werden Werkstoffe verstanden, die so genannte Organobleche sind. Diese bestehen aus zwei oder mehreren Materialien, die die Eigenschaften der einzelnen Komponenten verbessern. In der Regel versteht man hierunter einen Verbund aus hochfesten Fasern und einem Kunststoff. Als Fasern kommen zum Beispiel Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern in Betracht. Die Zielrichtung der Auswahl der Faser ist einerseits eine hohe Festigkeit und Zugsteifigkeit, andererseits aber auch eine niedrige Dichte, um mit dem Bauteil Gewichtsvorteile zu erreichen. Für Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe, die vornehmlich für die Erfindung vorgesehen sind, kommen ausschließlich Endlosfasern in Form von Geweben oder Gelegen zum Einsatz. Der Matrixwerkstoff, in den die Fasern eingebettet sind, überträgt die Kräfte zwischen den Fasern und stützt diese gegen Ausknicken und gegen äußere Angriffe. Gemäß der Erfindung kommen im Wesentlichen thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz, beispielsweise PP, TPU, PA, PPS.
  • Diese bieten im Hinblick auf die Umformbarkeit und Gestaltungsfreiheit (Schweißbarkeit, Umspritzbarkeit mit anderen Thermoplasten), Lager- und Recyclingfähigkeit gute Eigenschaften. Bevorzugt werden Polyamide (PA) eingesetzt. Bevorzugte Polyamide dieser Art weisen eine Schmelztemperatur von ca. 220°C auf. Eine Umformung ist bei 240°C bis 260°C möglich.
  • Ausgehend von diesen Überlegungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem in einfacher Weise ein Verbundbauteil aus einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff und einem Metallformteil hergestellt werden kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass ein Formteil aus Faserverbundwerkstoff mit mindestens einem Flansch geformt wird und auf eine Temperatur erwärmt wird, die eine Umformbarkeit des Faserverbundwerkstoffes ermöglicht, dass das Metallformteil in Bereichen, die dazu bestimmt sind mit dem Flansch oder den Flanschen verbunden zu werden, gelocht wird, dass das Metallformteil mit den die Lochungen aufweisenden Bereichen auf den oder die Flansche des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff aufgelegt wird und das noch warme Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff durch Aufbringen einer Presskraft in den Bereichen, die auf den Lochungen aufliegen, in die Lochungen gequetscht wird, so dass eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird.
  • Demzufolge wird ein Formteil aus Faserverbundwerkstoff mit mindestens einem Flansch hergestellt und zur Verfügung gestellt, welches auf eine Temperatur erwärmt wird, die eine Umformbarkeit des Faserverbundwerkstoffes ermöglicht. Dieses Teil wird mit einem Metallformteil verbunden, welches in bestimmten Bereichen, die nämlich mit dem Flansch oder den Flanschen verbunden werden sollen, gelocht wird. Auf die Bereiche, die die Lochungen aufweisen, wird das Formteil aus Faserverbundwerkstoff aufgelegt und das warme Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff wird vor allem in den Bereichen, die auf den Lochungen aufliegen, in die Lochungen gepresst und verquetscht, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen den Teilen hergestellt wird.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Lochungen des Metallformteils durchgezogen werden, so dass auf der dem Formteil aus Faserverbundwerkstoff abgewandten Seite ein vorzugsweise konischer Kragen gebildet wird, der durch das Aufpressen des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff von dessen Material vollständig gefüllt wird.
  • Entsprechend sind die Lochungen des Metallformteiles nicht einfache Stanzlochungen, sondern die Lochung wird durchgezogen, so dass die Ränder der Lochung zu einer Seite des Formteiles hin vorragen. Auf die Seite des Formteiles, die dem vorragenden Kragen abgewandt ist, wird das Formteil aus Faserverbundwerkstoff aufgelegt und aufgepresst, so dass das Material des Faserverbundwerkstoffes in die Lochungen verdrängt wird und sich an den Rändern der Lochung verkrallt, so dass ein vorzüglicher Formschluss erreicht wird.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff und/oder das Formteil auf eine Temperatur von 240°C bis 280°C erwärmt wird.
  • Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Temperatur des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff bis zur Beendigung des Pressvorganges aufrechterhalten wird.
  • Hierbei ist unter der Temperatur eine solche zu verstehen, die die Umformung des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff noch ermöglicht.
  • Eine zudem bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass der Flansch des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff mindestens an einer Stelle im warmem Zustand gelocht wird, wobei das die Lochung erzeugende Werkzeug durch das Gewebe des Faserverbundwerkstoffes geführt wird und die Fasern des Gewebes nicht zerstört, sondern seitlich verdrängt.
  • Eine solche Lochung kann zum Beispiel zur Anordnung von Verbindungsmitteln wie Nieten oder Schrauben genutzt werden. Wesentlich ist dabei, dass beim Herstellen der Lochung die Fasern des Gewebes nicht durchtrennt werden, sondern seitlich verdrängt werden, so dass ein ungestörter Faserverlauf beibehalten wird, so dass die Gesamtfestigkeit auch durch die Lochung nicht beeinträchtigt wird. Entsprechend dem Anwendungsbereich können solche Lochungen an mehreren Stellen vorgesehen sein.
  • Bevorzugt ist dabei zudem vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff beim Lochen durch die erzeugte Lochung gedrückt wird und mit der durchgedrückten Masse ein die Lochung umgebender Kragenvorsprung erzeugt wird.
  • Der Kragenvorsprung dient als Hilfe für die Anordnung von Befestigungsmitteln der oben angegebenen Art.
  • Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass im Bereich der Lochung, auf der dem die Lochung erzeugenden Werkzeug zugewandten oder abgewandten Seite des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff, eine Masse an Zusatzkunststoffmaterial auf das Formteil aufgebracht wird, die vom die Lochung erzeugenden Werkzeug durchdrungen wird und somit gelocht wird, so dass ein gelochter Kragenvorsprung gebildet wird.
  • Hierdurch ist es möglich, den Kragenvorsprung mit größerer Höhe auszubilden, da durch den Zusatzkunststoff ausreichend Material zur Verfügung steht, um den entsprechenden Kragenvorsprung in ausreichender Höhe auszugestalten.
  • Bevorzugt ist dabei zudem vorgesehen, dass auf den Kragenvorsprung ein Formteil oder ein Ring aus formfestem Werkstoff, zum Beispiel Metall, aufgebracht wird.
  • Beispielsweise kann auf den Kragenvorsprung ein metallischer Ring oder ein Formteil anderer Art mit einer entsprechenden Lochung aufgebracht und mit dem Faserverbundmaterial verbunden werden. Auch dies dient dazu, spätere Niet- oder Schraubverbindungen vorzusehen.
  • Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Ring oder das Formteil auf dem Kragenvorsprung verklebt wird, so dass sein Innenmantel mit dem Außenmantel des Kragenvorsprunges verbunden wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung wird darin gesehen, dass das Formteil aus Faserverbundwerkstoff neben dem Flansch mit mindestens einer Fläche geformt wird, die nach dem Aufbringen des Metallformteiles einen Abstand von diesem aufweist, und dass diese Fläche in gleicher Richtung wie das in die Lochung eingedrückte Material geprägt wird, so dass auf der gegenüberliegenden Seite eine Rippe gebildet wird.
  • Durch diese Ausbildung ist es möglich, in Bereichen, in denen das Formteil aus Faserverbundstoff nicht unmittelbar auf dem Metallformteil aufliegt, Versteifungsrippen oder dergleichen auszubilden.
  • Auch hierbei kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Fläche zusätzliches Kunststoffmaterial aufgebracht wird, welches durch den Prägevorgang einen Teil der Rippe oder die vollständige Rippe bildet.
  • Da das Material des Faserverbundwerkstoffes möglicherweise nicht ausreicht, um eine entsprechend ausgestaltete Rippe auszugestalten, wird zusätzliches Kunststoffmaterial aufgebracht und entsprechend verarbeitet.
  • Das aufgebrachte Kunststoffmaterial ist in jedem Falle vorzugsweise das gleiche Material, aus welchem die Matrix des Faserverbundwerkstoffes besteht.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung wird zudem darin gesehen, dass das Formteil aus Faserverbundwerkstoff zu einem U-förmigen Profil mit nach außen abragenden Flanschen geformt wird.
  • Beispielsweise kann ein Formteil aus Faserverbundwerkstoff ein im Wesentlichen U-förmiges Profil sein, dass nach außen abragende Flanschränder aufweist. Auf diese Flanschränder kann das Metallformteil mit entsprechenden Bereichen aufgelegt werden und in der oben angegebenen Weise damit verbunden werden.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Metallformteil als flacher Blechstreifen geformt wird.
  • Durch diese Kombination wird ein Verbundformteil zur Verfügung gestellt, welches hohe Festigkeit hat und dennoch relativ geringes Gewicht hat, so dass es für den Kraftfahrzeugbau hervorragend einsetzbar ist.
  • Des Weiteren beschreibt die Erfindung ein Verbundbauteil aus einem Metallformteil und einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff, welches mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 bis 3 ein Verbundbauteil aus einem Metallformteil und einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff in unterschiedlichen Ansichten;
  • 4 ein Detail des Metallformteiles in Einzeldarstellung;
  • 5 die Verbundstelle zwischen dem Metallformteil und dem Formteil aus Faserverbundwerkstoff in Einzeldarstellung;
  • 6 desgleichen in anderer Orientierung;
  • 7 ein Formteil aus Faserverbundwerkstoff mit einer zusätzlichen Ausgestaltung;
  • 8 desgleichen von der anderen Seite gesehen;
  • 9 eine Variante eines Verbundbauteiles in Ansicht;
  • 10 eine weitere Ausgestaltung des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff in einer ersten Ansicht;
  • 11 desgleichen in Unteransicht.
  • In den Zeichnungen ist ein nach der Erfindung hergestelltes Verbundbauteil sowie Einzelteile desselben dargestellt. Erfindungsgemäß wird insbesondere für den Automobilbau ein Metallformteil 1 mit einem Formteil 2 aus Faserverbundwerkstoff kombiniert und verbunden. Dazu weist das Formteil aus Faserverbundwerkstoff 2 mindestens einen Flansch 3 auf. Zur Verbindung der Teile wird das Formteil aus Faserverbundwerkstoff 2 auf eine geeignete, zur Umformung ausreichende Temperatur erwärmt. Das Metallformteil 1 ist in Bereichen, die dazu bestimmt sind, mit dem Flansch 3 verbunden zu werden, gelocht. Die Lochungen sind bei 4 angegeben. Zur Verbindung der Teile wird das Metallformteil 1 mit den die Lochungen 4 aufweisenden Bereichen auf die Flansche 3 des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 aufgelegt und das noch warme Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 wird durch Aufbringen von Presskräften in den Bereichen, die auf den Lochungen 4 aufliegen, in die Lochungen gequetscht, so dass eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird. Bevorzugt sind dazu die Lochungen 4 des Metallformteiles 1 durchgezogen, wie in 4 bis 6 gezeigt ist. Es entsteht so auf der dem Formteil aus Faserverbundwerkstoff 2 abgewandten Seite ein konischer Kragen 5, der durch das Aufpressen des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 von dessen Material vollständig gefüllt wird, wie in 5 und 6 veranschaulicht ist. Es wird damit eine hervorragende formschlüssige Verbindung erzeugt. Die Umformung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff von ca. 240°C bis 280°C. Diese Temperatur wird möglichst über den gesamten Umformungsvorgang aufrechterhalten. Eine geringe Absenkung der Temperatur während der Umformung ist unschädlich.
  • Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Flansch 3 des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 mindestens an einer Stelle in warmem Zustand gelocht wird. Das die Lochung 6 erzeugende Werkzeug wird durch das Gewebe des Faserverbundwerkstoffes 2 geführt, so dass die Fasern des Gewebes nicht durchtrennt werden, sondern seitlich verdrängt werden, so dass die Festigkeit des Bauteiles hierdurch nicht geschwächt wird. Das Kunststoffmaterial des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 wird beim Lochen oder anschließend durch die erzeugte Lochung gedrückt und mit der durchgedrückten Masse wird ein die Lochung umgebender Kragenvorsprung 7 erzeugt. Zusätzlich kann im Bereich der Lochung 6 auf der dem die Lochung 6 erzeugendem Werkzeug zugewandten oder abgewandten Seite des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 eine Masse an Zusatzkunststoffmaterial auf das Formteil aufgebracht werden, die von dem die Lochung erzeugenden Werkzeug durchdrungen wird und somit gelocht wird, so dass ein gelochter Kragenvorsprung 7 entsteht. Zu bestimmten Zwecken kann es vorteilhaft sein, auf diesen Kragenvorsprung 7 ein Formteil oder einen Ring 8 aus formfesten Werkstoff, beispielsweise Metall, aufzubringen. Dieses Formteil oder der Ring 8 kann auf dem Kragenvorsprung 7 verklebt sein, um eine feste Verbindung zu erzeugen.
  • Des Weiteren kann das Formteil aus Faserverbundwerkstoff 2 neben dem Flansch 3 mindestens eine Fläche aufweisen, die nach dem Aufbringen des Metallformteiles 1 einen Abstand von diesem aufweist. Diese Fläche wird in gleicher Richtung wie das in die Lochungen eingedrückte Material geprägt, so dass auf der gegenüberliegenden Seite eine Rippe 9 entsteht. Die auf der anderen Seite entstehende Einprägung 10 ist in 10 dargestellt. Auch hierbei kann im Bereich dieser Fläche zusätzliches Kunststoffmaterial aufgebracht werden, welches durch den Prägevorgang einen Teil der Rippe 9 oder die vollständige Rippe 9 bildet.
  • Auch hierbei ist vorgesehen, dass die Ausformung der Rippe 9 im warmen Zustand des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff 2 vorgenommen wird. In den Ausführungsbeispielen ist das Formteil aus Faserverbundwerkstoff 2 ein im Wesentlichen U-förmiges Profil mit nach außen abragenden Flanschen 3. Das Metallformteil 1 ist ein flacher Blechstreifen.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ein relativ leichtgewichtiges Verbundbauteil erzeugt, welches insbesondere den Anforderungen in der Automobiltechnik außerordentlich gut genügt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
  • Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für den Automobilbau, wobei ein Metallformteil (1) mit einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) mit mindestens einem Flansch (3) geformt wird und auf eine Temperatur erwärmt wird, die eine Umformbarkeit des Faserverbundwerkstoffes ermöglicht, dass das Metallformteil (1) in Bereichen, die dazu bestimmt sind mit dem Flansch (3) oder den Flanschen (3) verbunden zu werden, gelocht wird, dass das Metallformteil (1) mit den die Lochungen (4) aufweisenden Bereichen auf den oder die Flansche (3) des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) aufgelegt wird und das noch warme Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) durch Aufbringen einer Presskraft in den Bereichen, die auf den Lochungen (4) aufliegen, in die Lochungen (4) gequetscht wird, so dass eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochungen (4) des Metallformteils (1) durchgezogen werden, so dass auf der dem Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) abgewandten Seite ein vorzugsweise konischer Kragen (5) gebildet wird, der durch das Aufpressen des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) von dessen Material vollständig gefüllt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) und/oder das Formteil (1) auf eine Temperatur von 240°C bis 280°C erwärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) bis zur Beendigung des Pressvorganges aufrechterhalten wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (3) des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) mindestens an einer Stelle im warmem Zustand gelocht wird, wobei das die Lochung (6) erzeugende Werkzeug durch das Gewebe des Faserverbundwerkstoffes geführt wird und die Fasern des Gewebes nicht zerstört, sondern seitlich verdrängt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) beim Lochen durch die erzeugte Lochung (6) gedrückt wird und mit der durchgedrückten Masse ein die Lochung (6) umgebender Kragenvorsprung (7) erzeugt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Lochung (6), auf der dem die Lochung (6) erzeugenden Werkzeug zugewandten oder abgewandten Seite des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2), eine Masse an Zusatzkunststoffmaterial auf das Formteil (2) aufgebracht wird, die vom die Lochung (6) erzeugenden Werkzeug durchdrungen wird und somit gelocht wird, so dass ein gelochter Kragenvorsprung (7) gebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kragenvorsprung (7) ein Formteil oder ein Ring (8) aus formfestem Werkstoff, zum Beispiel Metall, aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (8) oder das Formteil auf dem Kragenvorsprung (7) verklebt wird, so dass sein Innenmantel mit dem Außenmantel des Kragenvorsprunges (7) verbunden wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) neben dem Flansch (3) mit mindestens einer Fläche geformt wird, die nach dem Aufbringen des Metallformteiles (1) einen Abstand von diesem aufweist, und dass diese Fläche in gleicher Richtung wie das in die Lochung (4) eingedrückte Material geprägt wird, so dass auf der gegenüberliegenden Seite eine Rippe (9) gebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Fläche zusätzliches Kunststoffmaterial aufgebracht wird, welches durch den Prägevorgang einen Teil der Rippe (9) oder die vollständige Rippe (9) bildet.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung der Rippe (9) in warmem Zustand des Formteiles aus Faserverbundwerkstoff (2) vorgenommen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2) zu einem U-förmigen Profil mit nach außen abragenden Flanschen (3) geformt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallformteil (1) als flacher Blechstreifen geformt wird.
  15. Verbundbauteil aus einem Metallformteil (1) und einem Formteil aus Faserverbundwerkstoff (2), hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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