DE102013216032A1

DE102013216032A1 - Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff und Verfahren zum Ausrichten von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102013216032A1
Application number: DE102013216032.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Paßreiter; Thomas Schnaufer; Andreas Beil; Christian Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-02-19
Also published as: EP3033219A2; WO2015022160A3; EP3033219B1; WO2015022160A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Material Verstärkungsfasern, die in der Matrix angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein lokaler Vorsprung und/oder eine lokale Vertiefung aus reinem Matrixmaterial vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Material, in der Verstärkungsfasern angeordnet sind.
Die Rohkarosserien heutiger Fahrzeuge werden aus metallischen Blechen zusammengesetzt, wobei gemäß dem Stand der Technik bevorzugt Bleche aus Stahl verwendet werden. Um jedoch das Gesamtgewicht eines Fahrzeuges zu reduzieren und damit ökologische Gesichtspunkte wie Fahrzeugverbrauch und Recyclingfähigkeit zu verbessern, wurde in letzter Zeit Aluminium als Werkstoff für solche Bleche eingesetzt. Unabhängig aus welchem Material diese Bleche sind, werden daraus Strukturteile hergestellt. Dabei wird zunächst ein Blech mit Hilfe eines Presswerkzeugs umgeformt. Beim Pressen oder im Anschluss an den Pressvorgang werden Durchgangslöcher in das Bauteil gestanzt oder geformt. Mit Hilfe dieser Durchgangslöcher kann bspw. ein Montageroboter das Bauteil aufnehmen und es an einem vorbestimmten Ort in einer vorbestimmten Position ausrichten. Hierzu weisen die Roboter Greifeinrichtungen auf, die in die Durchgangslöcher eingreifen können. Zusätzlich zu den Durchgangslöchern weisen die Blechbauteile Ausrichtungpunkte auf, mit denen sie an einem anderen Blechbauteil ausgerichtet werden können, damit beide Blechbauteile in einer vorbestimmten Position zueinander, miteinander verbunden werden können. Um eine kleine Toleranzkette zu realisieren, werden die Ausrichtpunkte und die Durchgangslöcher mit demselben Werkzeug erstellt. Vorzugsweise werden die Ausrichtpunkte und die Durchgangslöcher in dem formgebenden Presswerkzeug erstellt. Nach dem Fügen der beiden Blechbauteile müssen die Durchgangslöcher mit einem Stopfen oder ähnlichem abgedichtet werden.
Obige Fügeschritte finden auch bei der Herstellung von Karosserien aus faserverstärktem Kunststoff Anwendung. Hier werden die Durchgangslöcher, zur Aufnahme des Bauteils durch einen Roboter, jedoch in einem zweiten Bearbeitungsschritt nach der Formgebung eingebracht. Durch dieses nachgeschaltete Einbringen der Ausrichtlöcher in einem separaten Werkzeug entsteht bei Karosserien aus faserverstärktem Kunststoff eine größere Toleranzkette. Zusätzlich werden die lasttragenden Fasern durchtrennt, wodurch eine Schwächung im Bauteil entsteht. Dabei muss präzise darauf geachtet werden, dass eine vorbestimmte Positionierung der Durchgangslöcher zu den Ausrichtpunkten gewahrt bleibt. Nur dadurch kann gewährleistet werden, dass zwei zu fügende Bauteile korrekt zueinander ausgerichtet werden und die dabei entstehende Bauteilgruppe innerhalb der Toleranzwerte liegt. Durch das nachträgliche Verschließen der Durchgangslöcher erhöht sich bei der Karosseriefertigung der Montageaufwand, unabhängig davon, ob eine faserverstärkte Kunststoffkarosserie oder eine Blech-Schalen-Karosserie erzeugt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf besonders einfache Weise faserverstärkte Bauteile herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7.
Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit einer Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Material vor, in dem Verstärkungsfasern angeordnet sind. Weiterhin kann mindestens ein lokaler Vorsprung und/oder eine lokale Vertiefung aus reinem Matrixmaterial vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann die Vertiefung als Aufnahme, zum Aufnehmen des Bauteils fungieren. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Bauteilaufnahme nicht als Durchgangsloch, sondern als Vertiefung ausgebildet ist und nach dem Fügen nicht mehr durch einen Blindstopfen verschlossen werden muss.
Weiterhin kann der Vorsprung als Ausrichtelement, zum Ausrichten des Bauteils an einem anderen Bauteil fungieren.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Vorsprung und/oder die Vertiefung integral im Bauteil ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass bei der Herstellung des Bauteils die Bauteilaufnahme wie auch das Ausrichtelement einstückig mit dem Bauteil ausgebildet werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vertiefung oder das Ausrichtelement in Reinharz ausgebildet. Das heißt bei Herstellung des Bauteils, wird eine mit Harz vorgetränkte Fasermatte in einem Werkzeug umgeformt und dabei das Harz ausgehärtet bzw. erstarrt. In dieser Form kann eine werkzeugfallende Karosseriebauaufnahme als Durchzug realisiert werden. Auch die Vorsprünge können werkzeugfallend in Reinharz ausgebildet werden, um zur Ausrichtung der Bauteile genutzt zu werden.
Weiter kann die Vertiefung hohl, insbesondere als Sackloch ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Vorsprung sich auf einer ersten Seite des Bauteils befinden und die Vertiefung sich auf einer zweiten Seite des Bauteils befinden, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, wobei sich die Vertiefung von der zweiten Seite. her in den Vorsprung hinein erstreckt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine Integration der Bauteilaufnahme in das Ausrichtelement realisiert werden kann. Dadurch kann auch die Komplexität der Werkzeuge zur Herstellung des Bauteils reduziert werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum aneinander Ausrichten zweier Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff mit den Schritten: Aufnehmen eines ersten Bauteils mit einer Aufnahmeeinheit, insbesondere einem Handling-Roboter, Aufnehmen eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Aufnahmeeinheit, insbesondere mit einem zweiten Handling-Roboter, Ausrichten der beiden Bauteile zueinander in einer vorbestimmten Position, wobei zum Aufnehmen eines Bauteils ein Handling-Roboter mit einer Greifeinheit in eine Vertiefung eines Bauteils eingreift.
Weiterhin kann in der vorbestimmten Position, ein Vorsprung eines ersten Bauteils in eine Vertiefung eines zweiten Bauteils eingreifen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachtet, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1a eine Seitenansicht auf einen Seitenrahmen eines viertürigen Kraftfahrzeugs gemäß des Standes der Technik,
1b eine Schnittansicht durch den in 1a gezeigten Seitenrahmen entlang der Schnittlinie A-A,
2a eine Seitenansicht auf einen Seitenrahmen gemäß der vorliegenden Erfindung,
2b verschiedene Ausprägungen von Vorsprüngen 11 in einer Detailansicht entsprechend dem Detail C aus 2a,
2c eine Vertiefung 12, als Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2a,
2d einen Vorsprung 11,
3 zwei Bauteile 10, die über ein Ausrichtelement 11 zueinander ausgerichtet sind und
4 eine Auswahl alternativ geformter Vorsprünge 11.
In 1a ist ein Seitenrahmen eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Dieser Seitenrahmen ist aus Blech ausgebildet und weist eine Vielzahl von Durchgangslöchern 31 auf, die zur Aufnahme des Seitenrahmens geeignet sind. Nach dem Fügen des Seitenrahmens 30 mit einem weiteren Fahrzeugbauteil, bspw. einem Unterboden (nicht gezeigt), müssen die Durchgangsbohrungen 31 mit Hilfe von Montagestopfen 32 wieder verschlossen werden. Ein solcher Montagestopfen 32 ist in 1b dargestellt. Diese Figur zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 1.
2a zeigt eine Seitenansicht auf ein Bauteil 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Bauteil ist als ein Seitenrahmen ausgebildet. Im Sinne dieser Erfindung sind Bauteile Fahrzeugstrukturbauteile wie bspw. Seitengerippe, Dachspriegel, Seitenrahmen, Unterbodenverkleidungen, Dachelemente usw. Das Bauteil 10 umfasst mehrere Vorsprünge 11, die als Ausrichtungselement dienen. Über diese Vorsprünge 11 kann der Seitenrahmen 10 bspw. an einem nicht dargestellten Seitenschweller ausgerichtet werden. Zur Fixierung des Schwellers an den Seitenrahmen kommen die bekannten Fügeverfahren, bspw. Kleben oder Schweißen zum Einsatz. Im oberen Bereich der A-Säule ist ein Detail C abgebildet. Die Vergrößerung dieses Details C ist in 2b gezeigt. Die dort dargestellten Vorsprünge 11 sind Erhebungen bzw. Vorsprünge, die sich aus der Oberfläche des Bauteils 10 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche erstrecken. Wie in 2b gezeigt, können diese Vorsprünge 11 eine längliche, quaderförmige äußere Gestalt aufweisen oder auch in einer T-Form ausgebildet sein.
In 2a ist weiterhin eine Schnittlinie B-B dargestellt, deren dazugehörige Schnittansicht in 2c abgebildet ist. Daraus ist eine Vertiefung 12 in der Oberfläche des Bauteiles 10 erkennbar. In diese Vertiefung 12 kann eine Greifeinrichtung eines Handling-Roboters eingreifen, um dadurch das Bauteil bzw. das Bauteil 10 aufzunehmen, zu positionieren und an einem weiteren Bauteil auszurichten.
Alternativ zu den in 2b dargestellten Vorsprüngen 11 ist ein weiterer Vorsprung 11 in 2d dargestellt.
In 3 ist eine Baugruppe dargestellt, in der zwei Bauteile 10, 10' zueinander ausgerichtet sind. Als Ausrichthilfe dient das Ausrichtelement 11. Wie daraus erkennbar ist, ist das Ausrichtelement 11 als Vorsprung an dem in 3 linken Bauteil 10 ausgebildet. Dieser Vorsprung 11 greift in eine Ausnehmung des zweiten Bauteils 10', in 3 rechts dargestellt, ein. Der Einfachheit halber ist in 3 nur ein Ausrichtelement 11 dargestellt. Durch vorsehen mehrerer Ausrichtelemente 11, kann jedoch das Bauteil 10 an dem Bauteil 10' in einer vorbestimmten Position ausgerichtet werden.
Die Vorsprünge 11 wie auch die Vertiefungen 12 sind in Reinharzgeometrie ausgebildet. Das heißt, im Bereich der Vorsprünge 11 bzw. der Vertiefungen 12 weist das Bauteil 10 nur Matrixmaterial auf, das nicht mit Fasern verstärkt ist. Da die Fasern nicht durch die Vorsprünge 11 bzw. die Vertiefungen 12 verlaufen, bietet dies den Vorteil, dass die Elemente 11, 12 in einer Vielzahl von Geometrieen designt werden können, ohne Rücksicht nehmen zu müssen auf Faserverläufe und dergleichen. Der Gestaltungsfreiraum wird dadurch wesentlich erhöht. Selbstverständlich können in diesem Bereich 11, 12 auch Fasern vorgesehen sein. In diesem Fall sind jedoch fasergerechte Konstruktionsrandbedingungen zu beachten.
4 zeigt eine Platte 13, auf der eine Vielzahl von Erhebungen 11 abgebildet sind, zur Verdeutlichung, dass diese Erhebungen bzw. Vorsprünge 11 in unterschiedlichen Geometrien ausgebildet werden können. Diese reichen von prismenförmigen bzw. zylindrischen Vorsprüngen 11, über kegelstumpfartige Vorsprünge 11, deren Seitenneigung unterschiedliche Winkel einnehmen kann, bis hin zu halbkugelförmigen Vorsprüngen. Darüber hinaus sind auch längliche Vorsprünge 11 realisierbar, die von ihrer Basis auf der Platte 13 zu ihrer Spitze, d. h. dem von der Basis am weitesten entfernten Punkt, spitz zulaufen. Solche Vorsprünge können auch gekreuzt angeordnet werden, so dass sich die kreuzförmigen Geometrien ergeben wie in 4 dargestellt.
Kern der Erfindung ist es, Vorsprünge 11 oder Vertiefungen 12 in einem Bauteil 10 auszubilden. Dieses Bauteil kann im Sinne der Erfindung zur Herstellung von Fahrzeugstrukturteil weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Endkonturbeschnitt nach der Erstellung des Bauteils.
Die Vorsprünge 11 bzw. Vertiefungen 12 werden dabei als Reinharzgeometrie erzeugt. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung des Bauteils darauf geachtet wird, dass in den Bereichen, in denen die Vorsprünge 11 oder die Vertiefungen 12 vorgesehen werden, keine Fasern angeordnet sind. Derartige Bauteile werden im Allgemeinen im Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM) hergestellt. In diesem Verfahren wird eine trockene Fasermatte in ein RTM-Werkzeug eingelegt und anschließend mit Harz infiltriert. Durch Vorsehen eines Dorns bzw. einer Vertiefung in dem RTM-Werkzeug als Negativ kann ein entsprechendes Positiv in dem Bauteil generiert werden, wobei nur Harz in diese Aussparung der Kavität des RTM-Werkzeuges gelangt, ohne dass Fasern mit eingebracht werden.
Alternativ zum RTM-Verfahren, können faserverstärkte Bauteile im sogenanntes Nasspressverfahren hergestellt werden. In diesem Verfahren wird ein vorimprägniertes Rohteil, bspw. eine vorimprägnierte Fasermatte, ein sogenanntes Prepreg in ein Presswerkzeug eingelegt. Anschließend wird mit dem Presswerkzeug umgeformt und mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt, damit die Matrix aushärtet. Im Gegenverfahren müssen in dem Umformwerkzeug ebenfalls Vertiefungen oder Vorsprünge vorgesehen sein. Diese Vorsprünge verdrängen die Fasern in der Matte und formen nur das Harz um. Dadurch kann beim Aushärten in diesem Bereich eine Reinharzgeometrie erzeugt werden.
Durch die vorliegende Erfindung kann im Verbauprozess der Karosserie, d. h. beim Fügen der einzelnen Karosseriekomponenten zu einer Rohkarosse, die Genauigkeit erhöht werden, weil eine kleinere Toleranzkette generiert wird. Dadurch kann der Aufwand an Nacharbeit reduziert werden. Der Bearbeitungsaufwand für faserverstärkte Kunststoffbauteile wird ebenfalls reduziert. Nicht zuletzt entfällt der Abdichtprozess, in dem Stopfen oder Ähnliches in Durchgangslöcher eingebracht werden.

Claims

Bauteil (10) aus faserverstärktem Kunststoff mit: – einer Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Material – Verstärkungsfasern, die in der Matrix angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein lokaler Vorsprung (11) und/oder eine lokale Vertiefung (12) aus reinem Matrixmaterial vorgesehen ist.
Bauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (11) als Aufnahme, zum Aufnehmen des Bauteils (10), fungiert.
Bauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (12) als Ausrichtelement, zum Ausrichten des Bauteils (10) an einem anderen Bauteil (10) fungiert.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (11) und/oder die Vertiefung (12) integral im Bauteil (10) ausgebildet ist.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (11) hohl, insbesondere als Sackloch ausgebildet ist.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (11) sich auf einer ersten Seite des Bauteils (10) befindet, und die Vertiefung (12) sich auf einer zweiten Seite des. Bauteils (10) befindet, die der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, wobei sich die Vertiefung (12) von der zweiten Seite her in den Vorsprung (11) erstreckt.
Verfahren zum aneinander Ausrichten zweier Bauteile (10) aus faserverstärktem Kunststoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: – Aufnehmen eines ersten Bauteils (10) mit einer Aufnahmeeinheit, insbesondere einem Handlingroboter, – Aufnehmen eines zweiten Bauteils (12) mit einer zweiten Aufnahmeeinheit, insbesondere mit einem zweiten Handlingroboter, – Ausrichten der beiden Bauteile (10) zueinander in einer vorbestimmten Position, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen eines Bauteils (10) ein Handlingroboter mit einer Greifeinheit in eine Vertiefung (11) eines Bauteils (10) eingreift.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorbestimmten Position, ein Vorsprung (12) eines ersten Bauteils (10) in eine Vertiefung (11) eines zweiten Bauteil (10') eingreift.