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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Faserverbundbauteils sowie ein verstärktes Faserverbundbauteil in Schalenbauweise.
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Faserverbundbauteile finden zunehmende Verwendung in Kraftfahrzeugen, da sie eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht im Vergleich zu entsprechenden Bauteilen aus rein metallischem Werkstoff aufweisen.
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Hierbei kommen häufig Hohlträger zum Einsatz, die als üblicherweise längserstrecktes Hohlprofil ausgestaltet sind und eine besonders vorteilhafte Steifigkeit bereitstellen. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Fahrzeugstrukturteile oder Verstärkungselemente mit tragender Funktion. Diese Hohlprofile können aus mehreren separat hergestellten schalenförmigen Elementen zusammengesetzt werden, die zunächst einzeln hergestellt und anschließend miteinander verklebt werden, so dass sie gemeinsam einen Hohlraum definieren. Nachteilig hierbei erweist sich jedoch eine geringe Bruchdehnung insbesondere bei Hohlprofilen aus Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, die eine entsprechend geringe Strukturintegrität aufweisen.
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Aus der
DE 10 2010 037 459 A1 ist es zudem bekannt, eine Biegesteifigkeit eines derartigen Hohlträgers zusätzlich zu erhöhen. Hierzu wird der Hohlträger aus zwei schalenförmigen Profilen gebildet und in einem Hohlraum des Hohlträgers eine versteifende metallische Rippenstruktur angeordnet, die mit dem Hohlträger verklebt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verstärktes Faserverbundbauteil bereitzustellen, welches eine möglichst hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und eine möglichst prozesssichere und leicht anpassbare Herstellbarkeit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zum Herstellen eines verstärkten Faserverbundbauteils gemäß Patentanspruch 1 sowie einem Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Faserverbundbauteils mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- a. Bereitstellen eines metallischen Hohlkörpers,
- b. Plastisches Umformen des metallischen Hohlkörpers zum Erzeugen eines metallischen Verstärkungsprofils mit definiertem Querschnitt,
- c. Anordnen des erzeugten Verstärkungsprofils in einer ersten Kavität einer ersten Faserverbundschale,
- d. Anordnen mindestens einer zweiten Faserverbundschale an dem Verstärkungsprofil, so dass die erste Kavität und eine von der zweiten Faserverbundschale definierte zweite Kavität einen das Verstärkungsprofil aufnehmenden Hohlraum bilden.
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Außerdem umfasst mindestens einer der Schritte des Anordnens ein stoffschlüssiges Verbinden des Verstärkungsprofils mit mindestens einer der Faserverbundschalen.
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Vereinfacht dargestellt, wird also der metallische Hohlkörper (unter anderem kann dies ein metallisches Rohr oder ein Hohlprofil mit mehreckigem Querschnitt sein) als Ausgangsform zunächst Querschnittsverändernd verformt, um das Verstärkungsprofil mit dem gewünschten Querschnitt zu erzeugen. Vorzugsweise weist das auf diese Weise erzeugte Verstärkungsprofil entlang einer Längserstreckung einen konstant bleibenden Querschnitt auf, also eine entlang einer Länge gleichbleibende Querschnittsform und Querschnittsgröße.
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Nachfolgend wird das Verstärkungsprofil zwischen den Faserverbundschalen eingeschlossen, indem die Faserverbundschalen mittels der jeweils definierten Kavität gemeinsam das Verstärkungsprofil umschließen. Vorzugsweise werden die Faserverbundschalen hierbei auf eine äußere Oberfläche des Verstärkungsprofils stoffschlüssig aufgebracht, insbesondere verklebt. Der metallische Werkstoff des Verstärkungsprofils weist duktile Werkstoffeigenschaften auf, die eine einfache und bedarfsangepasste Herstellung ermöglichen, und verleiht dem gesamten Faserverbundbauteil eine erhöhte Strukturintegrität. Zusätzlich ermöglicht das Verstärkungsprofil aus metallischem Werkstoff eine vorteilhafte Erhöhung einer Bruchdehnung des gesamten Faserverbundbauteils. Als besonders geeignete Metalle haben sich insbesondere Stahl, Aluminium und Magnesium sowie entsprechende Legierungen erwiesen. Es versteht sich, dass ebenso andere Metalle eingesetzt werden können.
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Beispielsweise erfolgt der Schritt des plastischen Umformens mittels eines Innenhochdruckumformens oder eines sogenannten „Blow-Form-Hardening”-Verfahrens. Beim sogenannten „Innenhochdruckumformen” wird – vereinfacht dargestellt – der metallische Hohlkörper durch eine in das Innere des Hohlkörpers eingebrachte und druckbeaufschlagte Flüssigkeit, zum Beispiel eine Wasser-Öl-Emulsion, von innen durch Aufweitung gegen eine formgebende Negativform gepresst und somit entsprechend umgeformt. Dies geschieht in der Regel bei bis zu 3000 bar Innendruck. Das Verfahren ist „kalt”, weshalb eine Kaltverfestigung des Materials stattfindet, so dass reduzierte ertragbare Spannungen bei Belastung möglich sind.
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Beim sogenannten „Blow-Form-Hardening”-Verfahren wird – ebenfalls stark vereinfacht dargestellt – der metallische Hohlkörper stark erhitzt, zum Beispiel bis ca. 980°C, und über Druckluft von innen druckbeaufschlagt. Auf diese Weise erfolgt ebenfalls ein Umformen durch Aufweiten gegen eine formgebende Negativform. Anschließend wird der umgeformte Hohlkörper mit Wasser abgeschreckt, wodurch ein Verstärkungsprofil mit sehr hoher Festigkeit erzeugt werden kann.
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Des Weiteren kann der definierte Querschnitt des erzeugten metallischen Verstärkungsprofils eine Form aufweisen, die zumindest abschnittsweise, vorzugsweise jedoch vollständig, komplementär zu einer geometrischen Form einer zu verbindenden ersten und/oder zweiten Kavität ausgebildet ist, so dass das metallische Verstärkungsprofil zumindest abschnittsweise flächig mit der ersten und/oder zweiten Faserverbundschale verbindbar ist. Auf diese Weise kann in diesen Abschnitten eine gegenseitige, stoffschlüssige Verbindung vorgesehen werden, die eine feste Verbindung zwischen beiden Fügepartnern herstellt, wodurch eine Festigkeit und Biegesteifigkeit des gesamten Faserverbundbauteils sowie dessen Strukturintegrität deutlich erhöht wird.
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Dies bedeutet, dass der definierte Querschnitt des metallischen Verstärkungsprofils derart auf eine Form der Kavität abgestimmt ist, dass eine entsprechende Oberfläche des Verstärkungsprofils (zumindest in diesem Bereich) flächig an eine innere Oberfläche der jeweiligen Faserverbundschale, welche die jeweilige Kavität definiert, anliegen kann.
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Die Faserverbundschalen selbst können aus Faserverbund-Werkstoff bestehen. Als Fasern eignen sich hierbei insbesondere Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, andere Kunstfasern oder Naturfasern, die mit einer geeigneten duroplastischen Matrix oder thermoplastischen Matrix imprägniert sind. Vorzugsweise sind die erste und/oder die zweite Faserverbundschale mittels des Resin-Transfer-Moulding Verfahrens (kurz: RTM) oder mittels des Nasspressverfahrens hergestellt. In diesen Fällen werden die Faserverbundschalen also in separaten Arbeitsschritten vorbereitet und vorzugsweise in ausgehärtetem Zustand bereitgestellt.
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Eine einfache und leicht herzustellende Verbindung zwischen den beiden Faserverbundschalen wird erzielt, indem die erste und die zweite Faserverbundschale mittels mindestens einer Flanschverbindung miteinander verbunden werden. So können die Flansche insbesondere durch Verkleben miteinander verbunden sein.
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Zusätzlich kann das Verfahren einen Schritt des Beschichtens des erzeugten Verstärkungsprofils mit einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) umfassen. Es kann auf diese Weise ein geeigneter Korrosionsschutz auf das metallische Verstärkungsprofil aufgebracht werden.
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Im Rahmen des plastischen Umformens wird der metallische Hohlkörper in eine neue Form mit dem definierten Querschnitt gebracht. Der definierte Querschnitt ist beispielsweise ein kreisrunder, ovaler oder mehreckiger geschlossener Querschnitt. Als „mehreckig” sind insbesondere drei-, vier-, fünf- oder sechseckige Querschnitte zu verstehen. Selbstverständlich sind auch Querschnitte mit einer größeren Anzahl an Ecken möglich. Unabhängig hiervon kann der definierte Querschnitt in jeder Ausführungsform eine regelmäßige, insbesondere spiegel- oder rotationssymmetrische Form oder eine unregelmäßige beziehungsweise asymmetrische Form aufweisen. Es versteht sich, dass Ecken eines mehreckigen Querschnitts zu ihren Spitzen nicht zwingend spitz zulaufend ausgestaltet sein müssen, sondern alternativ eine abgerundete Spitze aufweisen können.
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Des Weiteren wird ein verstärktes Faserverbundbauteil vorgeschlagen, mit mindestens zwei miteinander verbundenen Faserverbundschalen, die jeweils eine Kavität umfassen, wobei die Kavitäten gemeinsam einen Hohlraum definieren, und in dem Hohlraum ein mit mindestens einer Faserverbundschale stoffschlüssig verbundenes, metallisches Verstärkungsprofil angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das Faserverbundbauteil mit einem Verfahren gemäß der Beschreibung hergestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Faserverbundbauteil ein faserverstärktes Karosseriestrukturbauteil oder ein Verstärkungsbauteil eines Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel kann das Karosseriestrukturbauteil ein Spriegel, Schweller, Motorträger, Längsträger, Seitenrahmen oder dergleichen sein. Ebenso kann das Faserverbundbauteil ein Verstärkungsbauteil sein, das mit einem Karosseriestrukturbauteil verbindbar ist, wie beispielsweise eine A-, B- oder C-Säulen-Verstärkung, die zwischen einen äußeren und einen inneren Seitenrahmen eingesetzt wird.
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Es lässt sich also ein Faserverbundbauteil erzeugen, welches aufgrund der Verstärkungsmaßnahmen des stoffschlüssig eingebundenen Verstärkungsprofils eine besonders hohe Strukturintegrität aufweist. Es lassen sich somit besonders hohe Belastungsniveaus erreichen. Je nach zu erwartender Belastung lässt sich außerdem eine entsprechende Wanddickenanpassung des Verstärkungsprofils und/oder der beiden Faserverbundschalen variieren und anpassen. In gewissen Grenzen ist es somit insbesondere möglich eine äußere Geometrie der Faserverbundschalen gleichbleibend zu erhalten und lediglich im Inneren der Faserverbundschalen die entsprechenden Geometrien zu variieren. Das gesamte Bauteil bleibt in diesem Fall nach außen hin unverändert. Dies ist insbesondere bei Derivaten oder anderen Differenzierungsmaßnahmen der Fahrzeuge von Vorteil und erspart eine entsprechende Anpassung benachbarter Bauteile.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein verstärktes Faserverbundbauteil gemäß der Beschreibung in einer Seitenansicht, und
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2 einen Querschnitt des verstärkten Faserverbundbauteils aus 1.
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In 1 ist ein verstärktes Faserverbundbauteil 10 gezeigt, das in der dargestellten Ausführungsform beispielhaft als Verstärkungsbauteil für eine Fahrzeug A-Säule ausgeführt ist. Selbstverständlich können auch andere Hohlprofile insbesondere Karosseriestrukturbauteile oder andere Verstärkungsbauteile eines Kraftfahrzeugs entsprechend ausgeführt werden.
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2 zeigt einen Querschnitt A-A des in 1 dargestellten verstärkten Faserverbundbauteils 10. Dieses umfasst zwei miteinander verbundene Faserverbundschalen 11, 12, die jeweils eine Kavität 13, 14 umfassen. Die beiden Faserverbundschalen 11, 12 sind derart miteinander verbunden, dass deren Kavitäten 13, 14 einander zugewandt angeordnet sind und gemeinsam einen Hohlraum 15 definieren. In diesem Hohlraum 15 ist ein metallisches Verstärkungsprofil 20 angeordnet. Das Verstärkungsprofil 20 weist einen definierten Querschnitt auf, der in der dargestellten Ausführungsform als unregelmäßige (asymmetrische), sechseckige geschlossene Form mit abgerundeten Ecken ausgeführt ist. Diese ist vollständig komplementär zu einer Form der beiden Faserverbundschalen 11, 12 ausgestaltet.
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Dies bedeutet, dass die Form des Querschnitts bzw. des Verstärkungsprofils 20 und die Form der jeweiligen Kavität 13, 14 bzw. der Faserverbundschale 11, 12 gleichlaufend ausgeführt sind, so dass beide Bauteile passend ineinander eingesetzt werden können. Dies bietet den Vorteil, dass das metallische Verstärkungsprofil 20 zumindest abschnittsweise flächig mit der ersten und der zweiten Faserverbundschale 11, 12 verbindbar ist. Eine Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Kleben (beispielhafte Klebestellen 16). Eine Dicke der Klebung ist lediglich schematisch dargestellt, es versteht sich, dass die Dicke der Klebung an die jeweiligen Anforderungen anzupassen sind. Entsprechend ist eine Dimensionierung der Kavitäten 13, 14 und des Querschnitts des Verstärkungsprofils 20 zu wählen, um eine möglichst optimale komplementäre Form zu erzielen.
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Zusätzlich zur jeweiligen Verklebung mit dem Verstärkungsprofil 20 sind die erste 11 und die zweite Faserverbundschale 12 mittels zweier Flanschverbindungen 17 miteinander verbunden, insbesondere mittels Klebestellen 18 miteinander verklebt.
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Das Faserverbundbauteil 20 kann beispielsweise mit einem Verfahren mit mindestens den folgenden Schritten hergestellt werden (nicht dargestellt):
- a. Bereitstellen eines metallischen Hohlkörpers, beispielsweise in Form eines rohrförmigen Hohlzylinders mit kreisrundem Querschnitt,
- b. Plastisches Umformen des metallischen Hohlkörpers zum Erzeugen eines metallischen Verstärkungsprofils 20 mit definiertem Querschnitt, insbesondere als unregelmäßiger, sechseckiger geschlossener Querschnitt mit abgerundeten Ecken,
- c. Anordnen des Verstärkungsprofils 20 in der ersten Kavität 13 der ersten Faserverbundschale 11,
- d. Anordnen der zweiten Faserverbundschale 12 an dem Verstärkungsprofil 20, so dass die erste Kavität 13 und die von der zweiten Faserverbundschale 12 definierte zweite Kavität 14 den das Verstärkungsprofil 20 aufnehmenden Hohlraum 15 bilden.
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Beide Schritte des Anordnens umfassen dabei ein stoffschlüssiges Verbinden (zum Beispiel Verkleben) des Verstärkungsprofils 20 mit der jeweiligen Faserverbundschale 11, 12. Der Schritt des plastischen Umformens kann insbesondere mittels eines Innenhochdruckumformens oder eines sogenannten Blow-Form-Hardening-Verfahrens erfolgen. Zusätzlich kann optional das Verfahren einen Schritt des Beschichtens des erzeugten Verstärkungsprofils 20 mit einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010037459 A1 [0004]
