DE102013218205A1

DE102013218205A1 - Verfahren zum zusätzlichen Verstärken eines faserverstärkten Strukturbauteils

Info

Publication number: DE102013218205A1
Application number: DE201310218205
Authority: DE
Inventors: Michael Heisler; Thomas Schnaufer; Andreas Beil
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-26
Also published as: CN104421600A; CN104421600B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum zusätzlichen Verstärken eines faserverstärkten Strukturbauteils; insbesondere eines faserverstärkten Karosseriestrukturbauteils eines Kraftfahrzeugs, mit den folgenden Schritten bereitgestellt: Bereitstellen eines mindestens einen Hohlraum definierenden, faserverstärkten Strukturbauteils, und anschließendes Einleiten eines Schaummaterials in den mindestens einen Hohlraum, Zumindest teilweises Ausfüllen des mindestens einen Hohlraums mit dem Schaummaterial und Aushärten des Schaummaterials. Außerdem wird ein entsprechend hergestelltes Strukturbauteil beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zusätzlichen Verstärken eines faserverstärkten Strukturbauteils, insbesondere eines faserverstärkten Karosseriestrukturbauteils eines Kraftfahrzeugs.
Faserverstärkte Strukturbauteile finden zunehmende Verwendung in Kraftfahrzeugen, da sie eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht im Vergleich zu entsprechenden Bauteilen aus metallischem Werkstoff aufweisen.
Es ist bekannt, in einen Hohlraum der faserverstärkten Strukturbauteile einen Schaumkern zu integrieren, der als Stützkern dient und das Strukturbauteil zusätzlich stützt, wodurch eine Festigkeit bzw. Steifigkeit des gesamten Bauteils nochmals erhöht wird.
Üblicherweise werden die faserverstärkten Strukturbauteile in Schalenbauweise hergestellt, wobei die beiden Schalen einen zuvor vorgefertigten und zwischen den Schalen angeordneten Schaumkern umschließen. Voraussetzung ist, dass der Schaumkern exakt auf den von den beiden Schalen definierten Hohlraum zugeschnitten und in einem separaten Arbeitsschritt eingelegt und positioniert werden muss. Zudem erstreckt sich der Schaumkern in der Regel über weite Bereiche des Strukturbauteils, um an mehreren Stellen stützend zu wirken. Es ergeben sich hieraus Nachteile hinsichtlich eines Materialaufwandes und eines resultierenden Bauteilgewichts.
Alterantiv ist beispielsweise aus der DE 10 2011 083 162 A1 bekannt, einen Schaumkern zwischen zwei Faserverbundlagen anzuordnen und bereits beim Verpressen mittels eines Formgebungswerkzeugs in dem Bauteil zu integrieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein möglichst einfaches Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils vorzusehen, das eine verbesserte Verstärkung des Strukturbauteils bei gleichzeitig möglichst geringem Materialeinsatz und Gewicht ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 sowie einem Strukturbauteil gemäß Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach wird ein Verfahren zum zusätzlichen Verstärken eines faserverstärkten Strukturbauteils, insbesondere eines faserverstärkten Karosseriestrukturbauteils eines Kraftfahrzeugs, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

– Bereitstellen eines mindestens einen Hohlraum definierenden, faserverstärkten Strukturbauteils, und anschließendes
– Einleiten eines Schaummaterials in den mindestens einen Hohlraum,
– Zumindest teilweises Ausfüllen des mindestens einen Hohlraums mit dem Schaummaterial, und
– Aushärten des Schaummaterials.

Es wird also in den einen oder in die mehreren Hohlräume eines bereits hergestellten Strukturbauteils das Schaummaterial eingefüllt. Der Hohlraum wird mit dem Schaummaterial zu einem Teil oder vollständig ausgefüllt. Vorzugsweise ist der Hohlraum zumindest nach dem Aushärten vollständig mit dem Schaummaterial gefüllt.
Das nachträgliche Einleiten des Schaummaterials nach der eigentlichen Herstellung des faserverstärkten Strukturbauteils ermöglicht eine einheitliche Herstellung des Strukturbauteils und eine spätere Definition von Festigkeitseigenschaften über das eingesetzte Schaummaterial. So können auf besonders einfache Weise mittels einer Verwendung von unterschiedlichem Schaummaterial Bauteile mit unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften erzeugt werden. Dies ist beispielsweise bei Fahrzeugderivaten mit unterschiedlichen Festigkeitsanforderungen von besonderem Vorteil, da das Strukturbauteil zunächst als Gleichteil hergestellt werden kann und sich erst anschließend aufgrund einer unterschiedlichen Wahl des Schaummaterials unterscheidet.
Als Material für das faserverstärkte Strukturbauteil ist insbesondere faserverstärkter Kunststoff verwendbar, der mit Glasfasern, Aramidfasern und/oder Kohlefasern verstärkt ist. Es versteht sich, dass jedoch ebenso andere zur Verstärkung eines Kunststoffs geeignete Fasern einsetzbar sind.
Vorzugsweise haftet das in den Hohlraum eingeleitete Schaummaterial an einer den Hohlraum zumindest teilweise begrenzenden Wandung an und erlaubt somit eine Kraftübertragung zwischen dem Schaummaterial und dem Strukturbauteil, wodurch die Festigkeit des Strukturbauteils insbesondere durch Aufnahme und Übertragung von Schubkräften erhöht wird.
Beispielsweise kann das Schaummaterial einen expandierfähigen Kunststoffschaum umfassen, insbesondere Polyurethan- oder Epoxidharz-Schaum. Der Polyurethan- oder Epoxidharz-Schaum kann aus einem 2- oder Mehrkomponentensystem bestehen. Die Verwendung des expandierfähigen Kunststoffschaums bietet den Vorteil, dass das Schaummaterial beim Einfüllen bzw. vor dem Aushärten sein Volumen vergrößert und auf diese Weise für eine möglichst vollständige Füllung des mindestens einen Hohlraums geeignet ist. Dies kann bereits beim Einfüllen des Schaummaterials berücksichtigt werden, so dass je nach Expansionsfähigkeit des Schaummaterials lediglich so viel Schaummaterial in den Hohlraum eingeleitet wird, dass dieses erst in expandiertem Zustand den Hohlraum vollständig ausfüllt.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Einleiten des Schaummaterials beispielsweise über eine Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung, in einer den mindestens einen Hohlraum begrenzenden Wandung.
Vorzugsweise definiert der mindestens eine Hohlraum einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum. Dies bedeutet, dass der jeweilige Hohlraum zu allen Seiten entweder vollständig (mit Ausnahme der Ausnehmung zum Einleiten des Schaummaterials) gegenüber einer Umgebung oder anderen Hohlräumen abgeschlossen ist, so dass das eingefüllte Schaummaterial nicht entweichen kann. Alternativ kann der Raum zum gleichen Zweck lediglich soweit abgeschlossen sein, dass zwar Öffnungen bestehen, diese jedoch derart dimensioniert sind, dass ein Austritt von Schaummaterial im Wesentlichen verhindert wird. Beispielsweise kann dies dadurch erzielt werden, dass die Größe der Öffnung ausreichend klein dimensioniert und eine Aushärteeigenschaft derart abgestimmt ist, dass das Schaummaterial beim Durchtritt durch die Öffnung bereits derart schnell aushärtet und die Öffnung somit für ansonsten nachströmendes Schaummaterial verschließt. In jedem Fall wird ein definiertes Volumen des Schaummaterials in dem Hohlraum ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das faserverstärkte Strukturbauteil aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schalenelementen, insbesondere zwei Halbschalenelementen, gebildet. Diese sind derart miteinander verbunden, dass zwischen beiden Schalenelementen der mindestens eine Hohlraum definiert wird.
Alternativ kann das faserverstärkte Strukturbauteil ein Hohlprofil, insbesondere ein geflochtenes Hohlprofil, umfassen. Verfahren zur Erzeugung von hohlen Flechtprofilen sind bekannt, so dass auf eine ausführliche Darstellung der Herstellung verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das faserverstärkte Strukturbauteil eine Mehrzahl von Hohlräumen, wobei jeweils zwei aneinandergrenzende Hohlräume durch mindestens eine Trennwand voneinander abgetrennt sind. Als Trennwände sind auch Verstärkungsrippen des Strukturbauteils zu verstehen.
Dies bietet die Möglichkeit, dass die Schritte des Einleitens des Schaummaterials und des Ausfüllens entweder in lediglich einen oder in mehrere Hohlräume erfolgen können, um den jeweiligen Hohlraum zumindest teilweise auszufüllen. Es ist auf diese Weise möglich, einzelne ausgewählte Hohlräume des Strukturbauteils mit Schaummaterial zu befüllen, so dass das Strukturbauteil an definierten Stellen verstärkt wird. Andere Hohlräume können dagegen unbefüllt bleiben.
Auch können die einzelnen gefüllten Hohlräume voneinander beabstandet angeordnet sein. Dagegen kann im Bereich des übrigen Strukturbauteils oder weiterer Hohlräume auf das Schaummaterial verzichtet und somit ein Materialbedarf sowie ein resultierendes Bauteilgewicht verringert werden, da kein durchgängiger Schaumkern in den unbefüllten Hohlräumen zwischen den gefüllten Hohlräumen des Strukturelements vorgesehen werden muss.
Zudem ist es möglich, zum Zwecke einer gewichtsoptimierten Auslegung in den jeweiligen Hohlräumen eines Strukturelements unterschiedliches Schaummaterial vorzusehen. Dieses kann sich also beispielsweise hinsichtlich einer Dichte, einer Festigkeit und/oder eines Gewicht unterscheiden, um das Strukturbauteil lokal auf die zu erwartenden Belastungen anzupassen. Es besteht also die Möglichkeit in einem ersten Hohlraum (in einem hochbelasteten Bereich) ein hochfestes, aber möglicherweise schwereres Schaummaterial einzusetzen, als in einem zweiten Hohlraum (in einem gering belasteten Bereich), wo ein Schaummaterial mit geringerer Festigkeit aber gleichzeitig geringerem Gewicht vorgesehen werden kann, um das gesamte Gewicht des Strukturbauteils mit einer gewichtsoptimalen Auslegung je nach Anforderungsbereich gering zu halten.
Beispielsweise kann der mit dem Schaummaterial ausgefüllte mindestens eine Hohlraum im Bereich eines Anbindungsabschnitts oder eines Krafteinleitungsabschnitts des Strukturbauteils angeordnet sein. Es lassen sich somit insbesondere diese in einem späteren Einsatz des Strukturbauteils besonders belasteten Abschnitte gezielt lokal verstärken. Von weiterem Vorteil ist diese Ausführung für den Fall, dass mehrere zu verstärkende Bereiche beabstandet voneinander angeordnet sind, da somit auf einen einheitlichen Schaumkern verzichtet werden kann, der sich über beide verstärkte Bereiche sowie die dazwischen angeordneten Bereiche niedriger Belastung erstreckt.
Des Weiteren wird ein faserverstärktes Strukturbauteil, insbesondere ein faserverstärktes Karosseriestrukturbauteil eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, welches nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Beispielsweise kann das Karosseriestrukturbauteil eine Fahrzeugsäule, ein Schweller, ein seitlicher Dachrahmen, eine Seitenwand oder ein Quer- oder Längsträger einer Bodenbaugruppe oder eines Vorderwagens sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Schnittansicht eines faserverstärkten Strukturbauteils 10. Dieses ist in Schalenbauweise ausgestaltet und umfasst zwei miteinander verbundene Schalenelemente 11, 12, die jeweils eine Kavität aufweisen und derart miteinander verbunden sind, dass beide Kavitäten gemeinsam einen Hohlraum 13 des Strukturbauteils 10 definieren.
Der Hohlraum 13 definiert einen abgeschlossenen Raum, der durch das jeweilige Schalenelement 11, 12 als Wandung begrenzt und zumindest teilweise mit einem Schaummaterial 14 ausgefüllt ist. Es versteht sich, dass der Hohlraum 13 ebenso vollständig mit dem Schaummaterial 14 gefüllt sein kann.
Zur Herstellung dieses mit dem Schaummaterial 14 verstärkten Strukturbauteils 10 ist eine Ausnehmung 15 in dem Strukturbauteil, hier in einem der beiden Schalenelemente 11, vorgesehen, durch das das Schaummaterial in das bereitgestellte Strukturbauteil 10 eingeleitet wird. Selbstverständlich kann die Ausnehmung 15 jedoch auch in dem anderen Strukturbauteil 11 vorgesehen sein.
Das dargestellte faserverstärkte Strukturbauteil lässt sich besonders einfach als Gleichteil ausführen, welches erst durch Einleiten des entsprechenden Schaummaterials an den erforderlichen Stellen lokal verstärkt werden kann.
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 102011083162 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum zusätzlichen Verstärken eines faserverstärkten Strukturbauteils; insbesondere eines faserverstärkten Karosseriestrukturbauteils eines Kraftfahrzeugs, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines mindestens einen Hohlraum definierenden, faserverstärkten Strukturbauteils, und anschließendes – Einleiten eines Schaummaterials in den mindestens einen Hohlraum, – Zumindest teilweises Ausfüllen des mindestens einen Hohlraums mit dem Schaummaterial – Aushärten des Schaummaterials.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schaummaterial einen expandierfähigen Kunststoffschaum umfasst, insbesondere Polyurethan- oder Epoxidharz-Schaum.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Hohlraum einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum definiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Einleiten des Schaummaterials über eine Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung, in einer den mindestens einen Hohlraum begrenzenden Wandung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das faserverstärkte Strukturbauteil aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schalenelementen, insbesondere zwei Halbschalenelementen, gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das faserverstärkte Strukturbauteil ein Hohlprofil, insbesondere ein geflochtenes Hohlprofil, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das faserverstärkte Strukturbauteil eine Mehrzahl von Hohlräumen umfasst und jeweils zwei aneinandergrenzende Hohlräume durch mindestens eine Trennwand voneinander abgetrennt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der mit dem Schaummaterial ausgefüllte mindestens eine Hohlraum im Bereich eines Anbindungsabschnitts oder eines Krafteinleitungsabschnitts des Strukturbauteils angeordnet ist.
Faserverstärktes Strukturbauteil, insbesondere ein faserverstärktes Karosseriestrukturbauteil eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil nach einem Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.