DE102014019724A1

DE102014019724A1 - Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen aus Funktionselement und Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil und Strukturelemente

Info

Publication number: DE102014019724A1
Application number: DE102014019724.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Garthaus; Florian Lenz; Maik Gude; Bernhard Witschel; Werner Hufenbach
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements (20) aus Funktionselement und Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) mit thermoplastischem Matrixmaterial und Strukturelemente, wobei das Strukturelement (20) zumindest aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) mit thermoplastischem Matrixmaterial und einem konturgebenden Element (31) besteht, wobei das Strukturelement (20) umfasst – das konturgebende Element (31) mit mindestens einem Hinterschnitt (6), wobei das konturgebende Element (31) in das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) eingefügt ist, – zumindest einen in den Hinterschnitt (6) des konturgebenden Elements (31) passgenau anliegenden Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) in formschlüssiger Verbindung in Form eines Strukturelement-Halbzeuges, – ein in den Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) eingreifendes und angespritztes Funktionselement (42), das aus einer unter Druck injizierten und nachfolgend erstarrten Spritzgussmasse besteht, – wobei sich durch das Anspritzen der geschmolzenen Spritzgussmasse an den das Funktionselement (42) stützenden Hinterschnitt (13) eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) und dem erstarrten Funktionselement (42) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen aus Funktionselement und Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil mit thermoplastischem Matrixmaterial und Strukturelemente.
Ein Anspritzen eines Funktionselements an ein stabförmiges Bauteil aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff ist in der Druckschrift DE 10 2012 020 184 A1 beschrieben. Das Funktionselement wird aus einer geflochtenen Preform hergestellt, die mittels Innenhochdruckumformen an ein Außenwerkzeug angeformt wird. Vor oder nach dem Abkühlen wird dann das Funktionselement angespritzt, wobei der Querschnitt, an den angespritzt wird, nicht rund sein muss. Das Verfahren erfordert eine vollständige Erwärmung der Preform und ein Stützen durch Innendruck. Die Preform ist nicht vorkonsolidiert, der Umformprozess findet nur durch Innendruck statt. Somit sind immer mehrere Prozessschritte nötig.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anspritzen von Funktionselementen an durch Innenhochdruckformen in einem Werkzeug umgeformte Profile aus vorkonsolidierten faserverstärktem Thermoplastmaterial sind in der Druckschrift DE 10 2011 108 219 A1 beschrieben. Dabei wird das vorkonsolidierte Halbzeug erwärmt und mit Hilfe eines Handhabungssystems in ein Werkzeug eingelegt. Anschließend erfolgt der Umformprozess. In einem darauf folgenden Schritt wird ein Funktionselement auf das umgeformte Profil angespritzt. Nachteile des Verfahrens sind die Notwendigkeit mehrerer Schritte für die Herstellung des Funktionselements durch eine Trennung von Umformprozess und Anspritzprozess und die mangelnde Flexibilität bei der Positionierung der Funktionselemente.
Ein Faserverbundprofil, insbesondere ein PKW-Stoßfänger ist in der Druckschrift DE 10 2009 056 472 A1 beschrieben. Das Faserverbundprofil besteht aus pultrudierten und nachträglich biegetechnisch umgeformten faserverstäkten Thermoplasten. An das Profil werden in einem nachgelagerten Schritt Funktionselemente, z. B. Flansche oder Rippen, angespritzt.
Nachteilig ist hier auch die mangelnde Flexibilität des Anspritzprozesses. Zusätzlich ist das biegetechnische Umformen von axial verstärkten Faserverbundprofilen mit großem Querschnitt nur bedingt möglich, da sich die Fasern weder plastisch strecken noch stauchen können, ohne zu knicken.
Das Anspritzen eines formschlüssig fixierten Funktionselements an ein thermoplastisches Faserverbundbauteil ist in der Druckschrift DE 10 2007 060 628 A1 beschrieben. Dabei werden in einem ersten Schritt mittels eines lokalen Umformverfahrens Vertiefungen oder Ausbeulungen am Profil erzeugt. Die Vertiefungen werden durch die in einem nachgelagerten Schritt applizierte Spritzgussmasse umschlossen und ausgefüllt, wodurch diese formschlüssig mit dem Grundbauteil verbunden ist.
Nachteilig ist hier das Erfordernis mehrerer Prozessschritte zur Erzeugung des Formschlusses. Außerdem bezieht sich das Verfahren auf ein in einem Einzelverfahren hergestellten Bauteil und es ist keine Variation der Position der angespritzten Elemente ohne Anpassung des Werkzeugs möglich.
Ein Verfahren zum Anspritzen von Rippenstrukturen an einen Hohlprofilkörper ist in der Druckschrift DE 100 14 332 A1 beschrieben. Dabei wird der Grundkörper an mehreren diskreten Verbindungsstellen durch die Spritzgussmasse umgeben, wodurch ein Formschluss entsteht. Zusätzlich erfolgt das Erzeugen der Formschlussgeometrie in einem vorgelagerten Schritt, wodurch auch hier wieder mehrere Prozessschritte notwendig sind.
Das Anspritzen von Rippenstrukturen an ein Faserverbundbauteil ist in einer weiteren Druckschrift DE 10 2006 010 271 A1 beschrieben. Das Faserverbundbauteil wird in einem ersten Schritt erwärmt, wobei besondere Positionen, an denen später die Rippen angespritzt werden, oberhalb der Schmelztemperatur erhitzt werden, um eine gute Anbindung der Spritzgussmasse an das Grundmaterial zu erreichen. Anschließend wird das Bauteil in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt, das geschlossen wird. Von einer Seite werden nun die Rippenstrukturen angespritzt. Dabei ist es möglich, in der gegenüberliegenden Seite des Spritzgusswerkzeugs Vertiefungen vorzusehen, in die das Grundmaterial während des Spritzgussprozesses eingeformt wird, um einen Formschluss zu erzeugen.
Ein Nachteil des Verfahrens ist die Beschränkung auf weitgehend ebene Bauteile. Die Herstellung von Hohlstrukturen ist so nicht möglich.
Ein Verfahren zur Aufweitung eines Faserverbundhohlprofils in eine Endform mittels fluidischen Innendrucks ist in der Druckschrift DE 10 2007 017 414 A1 beschrieben, wobei das Hohlprofil im Aufweitungsbereich mit einem Spritzgussmaterial umspritzt wird. Dies kann nach der Aufweitung oder, um die Taktzeit zu senken und eine hochgenaue reproduzierbare Kontur zu erzeugen, gleichzeitig mit dieser geschehen. Bei gleichzeitigem Umformen und Anspritzen wird der Innendruck im Profil genutzt, um einen Nachdruck auf die Spritzgussmasse aufzubauen und so die Schrumpfung zu minimieren.
Nachteilig an dem Verfahren sind die relativ undefinierte Umformung des Profils nach außen sowie der benötigte Innendruck, wodurch die prozesstechnische Ausgestaltung besonders im Rahmen eines Serienfertigungsprozesses, kompliziert ist.
Ein Verfahren zum Umspritzen eines metallischen Hohlkörpers ist in der Druckschrift DE 10 2006 038 930 A1 beschrieben, wobei der Rohrkörper die Kavität eines Spritzgusswerkzeuges durchragt. Um eine Verformung des Rohrkörpers während des Spritzgussprozesses zu verhindern, wird ein Innendruck an den Rohrkörper angelegt, der dem Spritzgussdruck entgegen wirkt.
Nachteilig an dem Verfahren ist der nicht vorhandene Formschluss. Da es sich außerdem um einen umspritzten metallischen Formkörper handelt, wird die Fixierung des Spritzgussmaterials auch nicht durch einen Stoffschluss gewährleistet, sondern nur durch den Kraftschluss, der durch Schrumpfung des Kunststoffs entsteht und gegebenenfalls durch einer Klebung entsprechende Adhäsionskräfte. Weiterhin ist auch hier eine freie Positionierung des Spritzgussteils auf dem Grundkörper nicht möglich.
In der Druckschrift DE 19 538 360 C1 kommt ein zur Gänze kurzfaserverstärkter Thermoplast-Flansch zum Einsatz, der über in das Faserverbundrohr vorab spanend eingebrachte Bohrungen einen Hinterschnitt ausbildet. Auch hier kann grundsätzlich ein Rohrhalbzeug zur Anwendung kommen. Es findet keine Umformung des Rohres statt.
Die Druckschrift US 5 411 300 A betrifft eine Schlauchverbindungsbaugruppe, die aufweist

– ein Verbindungsrohr,
– einen flexiblen Schlauch mit zumindest einem offenen Ende, in dem ein Endabschnitt des Verbindungsrohrs eingesetzt ist, wobei ein Endabschnitt der flexiblen Schlauchumhüllung der Endabschnitt des Verbindungsrohres ist,
– eine Abdeckung, die darüber und über den Endabschnitt des flexiblen Schlauches derart geformt ist, dass der Endabschnitt des flexiblen Schlauches eng anliegend zwischen dem Formdeckel und dem Endabschnitt des Verbindungsrohres gehalten ist,

US 5 411 300 A

Die Druckschrift FR 755 494 A1 betrifft ein Verfahren zum Verriegeln des Aufsteck-Endes eines Rohrs aus Kunststoffmaterial auf einem Anschlussstück, wobei ein Anschlussstück gewählt wird, das ringförmige äußere Konturen hat, und eine zumindest elastische Verformung eines ringförmigen Abschnitts des Rohres bewirkt und beibehält, um das Rohr zu zwingen, in zumindest einen ringförmigen Hohlraum des Anschlussstückes einzudringen.
Dabei wird ein fluides aushärtefähiges Material unter Druck um den Abschnitt des Rohres herum aufgebracht, um das Verformen zu bewirken und das unter Druck gehaltene Material ausgehärtet wird, um die Verformung beizubehalten. Der Abschnitt des Rohres ist als „Elastomer” – also als Schlauch ausgebildet.
Die Duckschrift DE 37 30 427 A1 betrifft eine Anordnung zum Befestigen von Schläuchen an Schlauchstutzen, bei der der Schlauch auf den Schlauchstutzen aufgeschoben und von einem Ring umgeben ist. Dabei ist der Ring zum Schlauch beabstandet. Die Befestigungsstelle ist zumindest im Bereich zwischen dem Schlauch und dem Ring mit einer verfestigten plastischen Masse umhüllt. Der Ring weist zur Lagefixierung vor der Umhüllung partielle Verquetschungen auf. Es erstarrt nur die Spritzgussmasse.
In der Druckschrift DE 37 30 427 A1 werden als Hohlprofile elastische Schläuche, also „Elastomere” und somit nichtstarre hohle Profile eingesetzt. Mit den Schlauchverbindungen entstehen reversible Strukturen. Die Schläuche erstarren nicht und bleiben elastisch.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen aus Funktionselement und Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil und Strukturelemente anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass ein Strukturelement aus Funktionselement an Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlstrukturen geschaffen wird, wobei eine kombinierte automatisierbare Herstellung und eine positionsvariable form- und stoffschlüssige Anbindung von thermoplastischen Funktionselementen (Getriebebauteile, Hebel, Exzenter, Lagersitze) an/auf endlosfaserverstärkten, endlos oder diskontinuierlich hergestellten Hohlprofilen möglich sind.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Das Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen aus Funktionselement und Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil mit thermoplastischem Matrixmaterial umfasst zumindest folgende Schritte:

– Einfügen eines mit mindestens einem Hinterschnitt versehenen konturgebenden Elements in das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil zur Ausbildung eines Strukturelement-Halbzeugs,
– Einlegen des Strukturelement-Halbzeugs in ein Werkzeug, wobei die drei vorgenannten Schritte in unterschiedlich veränderter Abfolge durchgeführt werden können,
– Anspritzen des verformbaren Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils mit fließfähiger Spritzgussmasse im Werkzeug in den Bereich des Hinterschnitts des konturgebenden Elements zur Ausbildung mindestens eines Hinterschnittes des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils, wobei die ausgebildeten Hinterschnitte des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils passgenau an die Hinterschnitte des konturgebenden Elements zumindest formschlüssig aneinander gefügt sind,
– Erstarren der fließfähigen Spritzgussmasse zu mindestens einem in den Hinterschnitten des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils ausgebildeten Funktionselement und somit zu dem finalen Strukturelement,
– Entformen des finalen Strukturelements aus dem Werkzeug, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
– in der wahlweisen Abfolge des Einfügens des konturgebenden Elements und des Einlegend des Strukturelement-Halbzeuges ein lokales Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils bis zur Verformbarkeit des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils im Bereich des Hinterschnitts des konturgebenden Elements durchgeführt wird.

Das innerhalb des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils befindliche konturgebende und stützende Element kann nach seiner Entfernung aus dem Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils als nur im Herstellungsprozess notwendiges konturgebendes Element eingesetzt werden.
Die Hinterschnitte können in axialer Richtung zur Hohlprofilachse und/oder in Umfangsrichtung ausgebildet sein.
Ein Strukturelement, zumindest hergestellt aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil mit thermoplastischem Matrixmaterial und einem konturgebenden Element,
umfasst gemäß Patentanspruch 4 zumindest

– das konturgebende Element mit mindestens einem Hinterschnitt, wobei das konturgebende Element in das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil eingefügt ist,
– zumindest einen in den Hinterschnitt des konturgebenden Elements passgenau anliegenden Hinterschnitt des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils in formschlüssiger Verbindung in Form eines Struktur-Halbzeuges,
– ein in den Hinterschnitt des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils eingreifendes und angespritztes Funktionselement, das aus einer unter Druck injizierten Schmelze einer Spritzgussmasse und nachfolgend erstarrten Spritzgussmasse besteht,
– wobei durch das Anspritzen der geschmolzenen Spritzgussmasse an den das Funktionselement stützenden Hinterschnitt eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Hinterschnitt des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils und dem erstarrten Funktionselement ausbildet und sich damit das finale Strukturelement bildet.

Das in den Hinterschnitt des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils erstarrte Funktionselement kann als Druckstück zur Stützung der ausgebildeten formschlüssigen Verbindung dienen.
Das konturgebundene Element kann werkstoff- und kraftflussgerecht an das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil angepasst oder stoff- und formschlüssig angebunden sein.
Die Hinterschnitte sind in Bezug auf die Belastung des finalen Strukturelements ausgeprägt.
Die Spritzgussmasse kann eine geringe Dichte aufweisen.
Das konturgebende Element kann dünnwandig sein.
Das Funktionselement kann lokal mit Spritzgussmasse aus thermoplastischem Matrixmaterial angespritzt sein, wobei die Spritzgussmasse faserverstärkt sein kann.
Das Funktionselement kann im Bereich des Hinterschnitts des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils angespritzt sein, so dass zumindest eine formschlüssige Verbindung des Funktionselements am Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil vorhanden ist.
Das konturgebende Element kann aus festem Material z. B. aus Metall oder Kunststoff sein.
Das konturgebende Element kann z. B. auch aus Sand oder aus einem lösbaren oder auswaschbaren Stoff sein und nach der Erstarrung des Funktionselements aus dem Faser-Kunststoff-Verbund(FKV)-Hohlprofil entfernbar sein.
Im Folgenden wird noch das Wesentliche der erfindungsgemäßen Verfahren und Strukturelemente erläutert.
Das erfindungsgemäße Strukturelement wird insbesondere durch ein formschlüssig (und gegebenenfalls kraft- und stoffschlüssig) in das FKV-Hohlprofil eingebrachtes konturgebendes Element geschaffen, wobei das konturgebende Element zumindest einen Hinterschnitt aufweist.
Kern der Erfindung ist das Umformen zumindest eines Teils eines konsolidierten und lokal erwärmten faserverstärkten Hohlprofils in den Hinterschnitten eines konturgebenden Elements durch mit Druck injizierte vorzugsweise thermoplastische Schmelze. Die Schmelze füllt dabei den Hinterschnitt aus und dient nach dem Erstarren als Funktionselement zur Stützung eines Formschlusses zwischen konturgebenden Element und FKV-Hohlprofil.
Die Erfindung befasst sich mit der Ausgestaltung und fertigungstechnologischen Umsetzung von Funktionselementen. Je nach Ausprägung des Funktionselements werden axiale Lasten, Biegemomente und insbesondere Torsionsmomente in die lastfernübertragende Faserverbundstruktur bei weitgehendem Verzicht auf artfremde Werkstoffe wie etwa Stahl oder Titan in die Struktur eingeleitet. Das Funktionselement wird auf die Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur angespritzt, wobei die Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur lokal verformt an einer Stützstruktur anliegt. Der sich dabei zwischen Funktionselement und Hohlprofil ausbildende Hinterschnitt wird bei Belastung des Funktionselements zur formschlüssigen Übertragung von Kräften und Momenten genutzt, was eine formschlüssige Anbindung des Funktionselementes erlaubt (Spritzformen).
Dabei wird der Querschnitt des thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils/-Rohres während des Spritzformens lokal durch ein vorgegebenes konturgebendes Formelement gestützt. Dieses kann z. B. auch aus einer dünnen konturierten metallischen Hülse oder einem konturierten Kunststoffteil bestehen. In diesem Fall verbleibt das Stützelement nach der Fertigung im Hohlprofil. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von auswaschbaren Sandkernen oder aufblasbaren konturierten Kernen, wodurch das Stützelement nach dem Spritzformprozess entfernt werden kann. Durch eine vorgegebene innere Werkzeugkonstruktion können konturgebende Formelemente an vorgegebener Stelle eines vorgegeben langen Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils appliziert werden, wobei das Werkzeug selbst bei einer Veränderung des Randabstandes nicht geändert werden muss. Dadurch ist eine hohe Individualisierbarkeit von Wellen- oder Stabsystemen im Serienfertigungsprozess möglich.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit ein Verfahren zur Herstellung eines formschlüssig und stoffschlüssig angebundenen Funktionselements aus (faserverstärktem) thermoplastischem Kunststoff auf einem endlosfaserverstärkten Hohlprofil.
Das Funktionselement ist über eine hinterschnittige Kontur formschlüssig (und gegebenenfalls zusätzlich kraft- und/oder stoffschlüssig) mit dem Hohlprofil verbunden. Die Ausprägung der Hinterschnitte ist an die im Anwendungsfall vorliegende Belastung angepasst. Das konturgebende Stützelement kann je nach Beschaffenheit nach dem Spritzprozess im Bauteil verbunden bleiben oder auch entfernt werden. Ein verbleibendes Stützelement z. B. in Form einer Metallhülse, stützt den Querschnitt des Hohlprofils zusätzlich. Abhängig von den auftretenden Lasten kann durch die Wahl eines vorgegebenen Stützelements der Leichtbaugrad gesteigert werden.
In das erfindungsgemäße, mindestens ein Funktionselement enthaltende Strukturelement ist die Herstellung und Anbindung eines thermoplastischen Funktionselementes auf einem endlosfaserverstärkten Hohlprofil in einem Prozessschritt wesentlich, wobei das Funktionselement stoffschlüssig und, durch einen im Herstellungsprozess des Funktionselements entstehenden Hinterschnitt, formschlüssig mit dem Hohlprofil verbunden sein kann.
Die Vorteile der Erfindung bezüglich des das Funktionselement enthaltenden Strukturelements in Verbindung mit dem Hohlprofil bestehen in

– einer werkstoff- und kraftflussgerechten Anbindung des Funktionselements an die faserverstärkte Hohlstruktur,
– einer Anpassung der Ausprägung des Hinterschnitts an den Belastungszustand,
– einem sehr hohen Leichtbaupotential mit geringer Dichte der Spritzgussmasse, mit Verwendung dünnwandiger und wahlweise nachträglich entfernbarer formgebender Elemente, mit angepassten Eigenschaften durch Mehrkomponentenspritzguss, wobei keine zusätzlichen Fügeelemente notwendig sind,
– einer Nutzung des vollen Potenzials der ungestörten Tragstruktur durch lokale Aufdickung des Funktionselementbereichs,
– einem stoffgleichen Strukturelement aus Funktionselement und Hohlprofil, wobei daher reduzierte zusätzliche Herausforderungen in den Bereichen der Kontaktkorrosion sowie induzierten Spannungen in Folge von differierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten vorhanden sind.

Die Vorteile des Verfahrens zur Herstellung von mindestens einem ein Funktionselement enthaltenden Strukturelement bestehen in

– einem Umformen des Hohlprofils und Erzeugen eines Funktionselements in einem Prozessschritt,
– einem Anspritzen der Funktionselemente ohne Werkzeuganpassungen an vorgegebener Stelle auf beliebig lange Hohlhalbzeuge,
– eine Variierung der Ausprägung des durch den Anspritzprozess entstehenden Hinterschnitts im Profil ohne Anpassungen am Außenwerkzeug, wobei nur das konturgebende Element angepasst werden muss,
– einer Verwendung von endlos und damit effizient herstellbaren Hohlprofil-Halbzeugen,
– einer hohen Automatisierbarkeit und einer gleichzeitigen Flexibilität bei der Integration von Funktionselementen in den Hinterschnitten des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils.

Weiterbildungen und zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels Ausführungsbeispielen anhand mehrerer Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
1 eine schematische Längsschnitt-Darstellung des Aufbaus eines Strukturelements aus einer Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur und aus einem angespritzten Funktionselement,
2 eine Querschnitt-Darstellung A-A des Strukturelements nach 1,
3 einen ersten Verfahrensschritt des Prozesses zur Herstellung des Strukturelements nach 1 und 2: Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbund-Profils im Bereich der Hinterschnitte des als Stützelement eingeschobenen konturgebenden Elements, wobei 3a einen Querschnitt B-B gemäß 3 zeigt,
4 einen zweiten Verfahrensschritt des Prozesses zur Herstellung des Strukturelements: Einlegen des lokal erwärmten Strukturelement-Halbzeugs in den Anspritzbereich des Werkzeugs,
5 einen dritten Verfahrensschritt des Prozesses zur Herstellung des Strukturelements: Anspritzen des Funktionselements mit einer Schmelze der Spritzgussmasse und druckinduziertes Umformen des erwärmten Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils an die Hinterschnitte des stützenden konturgebenden Elements und Ausbildung des finalen Strukturelements in der dafür vorgesehenen Werkzeug-Kavität.
Im Folgenden wird das konturgebende Element näher beschrieben.
Das konturgebende Element kann aus festem Material, z. B. aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein. Vorzugsweise ist ein hydrogeformtes metallisches Rohrstück vorgesehen. Die geometrische Form des konturgebenden Elements kann so gewählt werden, dass eine möglichst gleichförmige Lastübertragung vom konturgebenden Eelement zum faserverstärkten Hohlprofil 2 erfolgt. Dabei können sowohl die Wandstärken als auch die Ausprägung von mindestens einem Hinterschnitt 6 angepasst werden. Je nach Belastung 29, wie in 1 gezeigt ist, können die Hinterschnitte 6 in axialer Richtung, tangentialer Richtung oder einer Kombination aus beiden Richtungen vorgesehen sein. Bei der Gestaltung der Hinterschnitte 6 ist das Verformungspotenzial der umzuformenden Hohlhalbzeuge zu berücksichtigen. Als angepasste Hinterschnittgeometrie haben sich Hyperzykloide erwiesen, deren Umfang dem Umfang des ungestörten Hohlprofils 2 entspricht, so dass das faserverstärkte Hohlprofil 2 in diesem Bereich umgeformt, aber nicht gestreckt oder gestaucht werden muss.
Im Folgenden wird die eingesetzte Spritzgussmasse 41 näher charakterisiert: Die Spritzgussmasse 41 kann dem Matrixmaterial des Hohlprofils 2 entsprechen. Je nach Materialkombination kann die Spritzgussmasse 41 nach der Erstarrung stoffschlüssig an das Hohlprofil 2 anbinden. Im Herstellungsprozess wird die Spritzgussmasse 41 zur Umformung des Verbund-Hohlprofils 2 genutzt.
Vorteilhaft ist dabei, dass sich die Spritzgussmasse 41 an die Geometrie der Hinterschnitte 6 anpasst und somit eine Variation der Hinterschnittgeometrie ohne Anpassungen am Spritzgussmasse-Werkzeug 10 erfolgen kann.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturelement 20 anwendungs- und funktionsbezogen realisiert werden. Ein Funktionselement 42 kann in Verbindung mit einem faserverstärkten Hohlprofil 21 und einem stützenden konturgebenden Element 31 gebracht werden.
Die 1 zeigt eine schematische Längsschnitt-Darstellung des Aufbaus eines Strukturelements 20 aus einem Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21, aus einem angespritzten Funktionselement 42 und aus einem konturgebenden Element 31 mit Hinterschnitten 6.
In 2 ist eine Querschnitt-Darstellung A-A des Strukturelements 20 nach 1 angegeben.
Ein Verfahren zur Herstellung des Strukturelements 20 aus Funktionselement und Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 mit thermoplastischem Matrixmaterial umfasst zumindest folgende Schritte:

– Einfügen eines mit mindestens einem Hinterschnitt 6 versehenen konturgebenden Elements 31 in das Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 zur Ausbildung eines Strukturelement-Halbzeugs 15 gemäß 4,
– erfindungsgemäßes lokales Erwärmen des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 bis zur Verformbarkeit des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 im Bereich des Hinterschnitts des konturgebenden Elements 31,
– Einlegen des Strukturelement-Halbzeugs 15 in ein Werkzeug 10, wobei die Abfolge der genannten Schritte unterschiedlich sein kann,
– Anspritzen des verformbaren Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 mit fließfähiger Spritzgussmasse 41 im Werkzeug 10 in den Bereich des Hinterschnitts des konturgebenden Elements 31 zur Ausbildung mindestens eines Hinterschnittes 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21, wobei die ausgebildeten Hinterschnitte 13 Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 passgenau an die Hinterschnitte 6 des konturgebenden Elements 31 zumindest formschlüssig aneinander gefügt sind,
– Erstarren der fließfähigen Spritzgussmasse 41 zu mindestens einem in den Hinterschnitten 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 2 zur Ausbildung eines Funktionselements 42 und somit zu dem finalen Strukturelement 20,
– Entformen des finalen Strukturelements 20 aus dem Werkzeug 10.

Das innerhalb des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 befindliche konturgebende und stützende Element 31 kann nach seiner Entfernung aus dem Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 als nur konturgebendes Element 31 oder Konturgebungs-Element bzw. Hinterschnitt-Formelement eingesetzt werden.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Strukturelement 20 ist zumindest aus einem Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 mit thermoplastischem Matrixmaterial und einem konturgebenden Element 31 nach einem vorgenannten Verfahren hergestellt und umfasst

– das konturgebende Element 31 mit mindestens einem Hinterschnitt 6, wobei das konturgebende Element 31 in das Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 eingefügt ist,
– zumindest einen im Hinterschnitt 6 des konturgebenden Elements 31 passgenau anliegenden Hinterschnitt 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 in formschlüssiger Verbindung in Form eines Strukturelement-Halbzeuges 15 gemäß 4,
– ein in den Hinterschnitt 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 eingreifendes und angespritztes Funktionselement 42, das aus einer unter Druck injizierten thermoplastischen Schmelze einer Spritzgussmasse 41 und nachfolgend erstarrten Spritzgussmasse 41 besteht,
– wobei durch das Anspritzen 28 der geschmolzenen Spritzgussmasse 41 an den das Funktionselement 42 stützenden Hinterschnitt 13 eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Hinterschnitt 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 und dem erstarrten Funktionselement 42 ausbildet und sich damit das finale Strukturelement 20 bildet.

Das in den Hinterschnitt 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 erstarrte Funktionselement 42 kann als Druckstück zur Stützung der ausgebildeten formschlüssigen Verbindung dienen.
Das angespritzte und erstarrte Funktionselement 42 ist in der Kavität 23 des Werkzeugs 10 ausgebildet.
Das konturgebende Element 31 kann werkstoff- und kraftflussgerecht an das Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 2 angebunden sein.
Die Hinterschnitte 6 und 13 können in Bezug auf die Belastung 29 des finalen Strukturelements 20 ausgeprägt sein.
Die Spritzgussmasse 41 kann eine geringe Dichte aufweisen.
Das konturgebende Element 31 kann dünnwandig ausgebildet sein.
Das Funktionselement 42 kann lokal mit Spritzgussmasse 41 aufgedrückt sein.
Das Funktionselement 42 kann im Bereich des Hinterschnitts 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 angespritzt sein, so dass zumindest eine formschlüssige Verbindung des Funktionselements 42 am Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 vorhanden ist.
Das konturgebende Element 31 kann als Stützelement dienen.
Das konturgebende Element 31 kann aus Metall oder Kunststoff sein.
Das konturgebende Element 31 kann aber auch z. B. aus Sand oder aus einem lösbaren/auswaschbaren Stoff sein und nach der Erstarrung des Funktionselements 42 aus dem Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 entfernt werden.
Die 3 stellt einen ersten Verfahrensschritt des Prozesses zur Herstellung des Strukturelements 20: Erfindungsgemäßes Erwärmen 26 des FTV-Profils 21 im Bereich der Hinterschnitte 6 des als Stützelement eingeschobenen konturgebenden Elements 31, dar, wobei 3a einen Querschnitt B-B mit einem Kontureinleger 24 zur Ausbildung der Kontur des Funktionselements 42 gemäß 3 zeigt.
In 4 ist ein zweiter Verfahrensschritt des Prozesses zur Herstellung des Strukturelements 20: Einlegen 27 und Positionieren des erwärmten Strukturelement-Halbzeugs 15 in den Anspritzhohlraum/der Kavität 23 des Werkzeugs 10, dargestellt.
Die 5 zeigt einen dritten wesentlichen Verfahrensschritt des Prozesses zur Herstellung des zweiten Strukturelements 20: Anspritzen 28 des Funktionselements 42 und Umformen des erwärmten FTV-Hohlprofils 21 in die Hinterschnitte 6 des stützenden konturgebenden Elements 31 und Ausbildung des Funktionselements 42 in der Werkzeug-Kavität 23. Die mit dem Bezugszeichen 30 ausgewiesenen strich-punktierten Linen stellen die Hohlprofilachse dar.
Zu Schritt 1:
Erfindungsgemäß erfolgt gemäß 3 ein lokales Erwärmen 26 des faserverstärkten thermoplastischen Hohlprofils 21 in einer Heizzone 22 oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Spritzmasse 41 in dem zur Anspritzung vorgesehenen Bereich 19, an dem das Funktionselement 42 angespritzt werden soll, um die Umformung zu ermöglichen. Dabei können die Verwendung verschiedener Erwärmungsverfahren in Frage (z. B. Heißgas, Induktion, Infrarot) kommen. Das innerhalb des Hohlprofils 21 befindliche konturgebende Element 31 kann entweder bereits in diesem Moment in dem Anspritzbereich 19 positioniert sein und mit erwärmt werden oder in einem nachgelagerten Schritt im kalten oder erwärmten Zustand in das Hohlprofil 21 eingebracht werden.
Innerhalb des für das Anspritzen vorgesehenen Bereiches (Kavität) 23 des Werkzeugs 10 kann sich ein Kontureinleger 24 für die äußere Gestaltung des Strukturelements 20 befinden.
Zu Schritt 2:
Positionieren des Hohlprofils 21 mit dem konturgebenden Element 31 in dem Spritzgusswerkzeug 10, das geschlossen wird, wie in 4 gezeigt ist, und Einlegen des Strukturelement-Halbzeuges 15 in das Werkzeug 10. Danach erfolgt ein Schließen (Richtungspfeil 25) des Werkzeugs 10, um den Betriebszustand zu erreichen.
Zu Schritt 3:
Die geschmolzene Spritzgussmasse 41 wird, je nach Anforderung kurzfaser-, langfaser- oder unverstärkt, mit oder ohne Füllstoff, aus der Spritzgusseinheit 18 über die Kavitätsleitung 17 in die Kavität 23 und auf den noch schmelzflüssigen Faser-Thermoplast-Verbund(FTV)-Bereich 19 gemäß 5 gespritzt. Dabei wird das erwärmte Faser-Thermoplast-Verbund-Profil 21 an das konturgebende mit den Hinterschnitten 6 versehene Element 31 angepresst, die dabei entstehende Hinterschnitte 13 im Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 und die das Funktionselement 42 abbildende Werkzeugkavität 23 werden mittels der geschmolzenen thermoplastischen Spritzgussmasse 41 gefüllt. Nach dem Erstarren der Schmelze 41 werden das Werkzeug 10 geöffnet, abhängig von der Geometrie des Funktionselements 42 gegebenenfalls erforderliche Werkzeugkontureinleger 24 entfernt und das als Bauteil ausgebildete Strukturelement 20 entformt.
Das als Bauteil ausgebildete Strukturelement 20 ergibt sich aus einer kombinierten automatisierbaren Herstellung und positionsvariablen form- sowie stoffschlüssigen Anbindung von thermoplastischen Funktionselementen 42 (Getriebebauteile, Hebel, Exzenter, Lagersitze) auf endlosfaserverstärkten, endlos oder diskontinuierlich hergestellten Hohlprofilen 21.
Das konturgebende Element 31 ist über eine hinterschnittige Kontur 13 des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 formschlüssig (und ggf. zusätzlich kraft- bzw. stoffschlüssig) mit dem Hohlprofil 21 zum Strukturelement 20 verbunden. Die Ausprägung der Hinterschnitte 13 ist an die im Anwendungsfall vorliegende Belastung 29 angepasst.
Das konturgebende Element 31 kann, je nach Beschaffenheit, nach dem Spritzprozess im Bauteil 20 bleiben oder auch entfernt werden. Ein bleibendes konturgebendes Element 31, z. B. in Form einer Metallhülse, stützt den Querschnitt des Hohlprofils 21, wie in 1 und 5 gezeigt ist, zusätzlich und verbessert die mechanischen Eigenschaften des Lasteinleitungsbereichs. Abhängig von den auftretenden Lasten kann durch die Wahl des konturgebenden Elements 31 der Leichtbaugrad gesteigert werden.
Bei der Herstellung und der Anbindung eines thermoplastischen Funktionselements 42 auf einer endlosfaserverstärkten Hohlstruktur 21 in einem Prozessschritt wird das Funktionselement 42 stoffschlüssig und, durch mindestens einen im Herstellungsprozess des Funktionselements 42 entstehenden Hinterschnitt 13, formschlüssig mit dem Hohlprofil 21 verbunden.
Das faserverstärkte thermoplastische Hohlprofil (FTV-Profil) 21 der Strukturelemente 20 besteht aus Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Basaltfasern oder Naturfasern) und einer thermoplastischen Matrix (z. B. PA, PPS, PEEK). Die Orientierung der Fasern kann an die Belastungen 29 des jeweiligen Anwendungsfalls angepasst werden. Bei vorwiegend zug- und druckbelasteten Hohlprofilen 21 sind die Verstärkungsfasern vorwiegend axial orientiert und bei vorwiegend torsionsbelasteten Hohlprofilen 21 sind die Verstärkungsfasern vorwiegend im 45° Winkel orientiert. Die Hohlprofile 21 können kontinuierlich, z. B. einem Pultrusionsverfahren, oder diskontinuierlich, z. B. einem Schlauchblasverfahren, hergestellt werden. Sie können einen konstanten, aber auch einen über die Länge des Hohlprofils 21 variierenden Querschnitt aufweisen.
Das konturgebende Element 31 ist als Gegenwerkzeug für die definierte Ausbildung mindestens eines Hinterschnitts 13 im Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 bei der Umformung notwendig. Die Geometrie des Hinterschnitts 13 ist dabei frei wählbar, jedoch an die am fertigen Bauteil 20 auftretenden Belastungen 29 anzupassen. Dabei können Hinterschnitte 13 in axialer, tangentialer oder einer Kombination aus beiden Richtungen vorgesehen werden. Bei der Gestaltung der Hinterschnittgeometrie ist das Verformungspotential des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 zu berücksichtigen. Vorteilhafterweise ist die Umfangslänge des verformten Faser-Thermoplast-Verbund-Profils 21 gleich der Umfangslänge des unverformten Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21, sodass dieses nur umgeformt und nicht gestreckt oder gestaucht werden muss. Das konturgebende Element 31 verbleibt in einer ersten bevorzugten Variante, wie in 1 gezeigt ist, im fertigen Bauteil 20 und stützt dieses zusätzlich. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, z. B. ein metallisches hydrogeformtes oder ein aus einem im Vergleich zur Matrix des Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofils 21 höherschmelzenden Kunststoff spritzgegossenes Kunststoffelement zu verwenden. In einer zweiten bevorzugten Variante (nicht dargestellt) kann das konturgebende Element 31 nach dem Spritzprozess entfernt werden, sodass es im fertigen Bauteil 20 nicht mehr vorhanden ist.
Das angespritzte Funktionselement 42, im Fall von 1 und 2 ein Zahnrad, bildet im umgeformten Bereich eine hinterschnittige Kontur aus, sodass es sowohl formschlüssig als auch stoffschlüssig mit dem faserverstärkten thermoplastischen Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlprofil 21 verbunden ist. Während des Spritzgussprozesses können in das Funktionselement 42 metallische Funktionsflächen (z. B. Buchsen) integriert werden, die vorher im Spritzgusswerkzeug 10 eingelegt werden. Außerdem ist die Verwendung verschiedener spritzgießbarer Materialien in einem Mehrkomponentenspritzgießverfahren möglich, um die mechanischen Eigenschaften des Funktionselements 42 lokal anzupassen.
Die Vorteile der als Bauteil ausgebildeten Strukturelemente 20 bestehen in

– einer werkstoff- und kraftflussgerechten Anbindung des Funktionselementes 42 an das faserverstärkte Hohlprofil 21,
– einer Anpassung der Ausprägung der Hinterschnitte 6, 13 an den Belastungszustand 29,
– einem sehr hohen Leichtbaupotential mit einer geringen Dichte der Spritzgussmasse 41, mit einer Verwendung dünnwandiger oder nachträglich entfernbarer konturgebender Elemente 31, sowie mit angepassten Eigenschaften durch Mehrkomponentenspritzguss, wobei keine zusätzlichen Fügeelemente notwendig sind,
– einer lokalen Aufdickung des Funktionselementsbereichs, so dass das volle Potenzial der ungestörten Tragstruktur genutzt werden kann,
– einem stoffgleichen Strukturelement-System zumindest aus Funktionselement 42 und Hohlprofil 21 mit reduzierten zusätzlichen Herausforderungen in den Bereichen der Kontaktkorrosion sowie induzierten Spannungen in Folge von differierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Die Vorteile des Verfahrens zur Herstellung des Strukturelements 20 bestehen in

– einem Umformen des Hohlprofils 21 und Erzeugen des Funktionselements 42 in einem Prozessschritt,
– einem Anspritzen der Funktionselemente 42 ohne Werkzeuganpassungen an beliebiger Stelle auf beliebig lange Hohlhalbzeuge,
– einer Variierung der Ausprägung der durch den Anspritzprozess entstehenden Hinterschnitte 13 im Hohlprofil 21 ohne Anpassungen am Werkzeug 10, wobei nur das konturgebende Element 31 angepasst werden muss,
– einer Verwendung von endlos und damit effizient herstellbaren Hohlprofil-Halbzeugen, einer hohen Automatisierbarkeit und einer gleichzeitigen Flexibilität bei der Integration von Funktionselementen 42 an die Hohlprofile 21.

Die Erfindung bezieht sich auf meist zylindrische Hohlstrukturen in Faser-Thermoplast-Verbund-(FTV)-Bauweise mit Funktionselementen. Endlosfaserverstärkte Hohlprofile mit thermoplastischem Matrixmaterial lassen sich zum Beispiel im Pultrusionsverfahren endlos, energieeffizient und damit kostengünstig fertigen.
Die Orientierungen der endlosen Verstärkungsfasern lassen sich dabei an die Belastungen des jeweiligen Anwendungsfalls anpassen. Derartige FTV-Hohlprofile haben, verglichen mit metallischen Hohlprofilen, eine sehr geringe Masse und eignen sich hervorragend für die Übertragung von Kräften, Torsionsmomenten sowie gegebenenfalls Biegemomenten. Sie sind grundsätzlich für viele technische Anwendungen wie etwa Achsen, Wellen, Rohrleitungen oder Hydraulikzylinder geeignet.
Zur Einleitung von Lasten in derartige Hohlprofile eignen sich isotrope Werkstoffe wie Metalle. Die Verwendung eines thermoplastischen Matrixsystems für derartige Hohlprofile ermöglicht eine lokale Warmumformung des Hohlprofils nach der Konsolidierung des Hohlprofils bei der Herstellung.
Die Erfindung betrifft Hohlstrukturen, die aus einem Faser-Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix bestehen. Sie sind grundsätzlich für viele technische Anwendungen wie etwa Achsen, Wellen, Rohrleitungen und Hydraulikzylinder geeignet. Solche Hohlstrukturen lassen sich zum Beispiel im Pultrusionsverfahren kontinuierlich und energieeffizient mit einer vorab definierten Faserorientierung fertigen. Sie können als Standard-Halbzeuge vorgehalten und dann passend zu dem jeweiligen Anwendungsfall individuell abgelängt werden. Die Orientierungen der endlosen Verstärkungsfasern lassen sich dabei an die Belastungen des jeweiligen Anwendungsfalls anpassen. Derartige Faser-Thermoplast-Verbund(FTV)-Strukturen haben, verglichen mit metallischen Strukturen, eine sehr geringe Masse und eignen sich hervorragend für die Übertragung von Kräften und Torsionsmomenten sowie gegebenenfalls Biegemomenten. Für den weiteren technischen Einsatz derartiger Faser-Thermoplast-Verbund-Hohlstrukturen sind in vielen Fällen Funktionselemente wie z. B. Zahnräder, Riemenscheiben, Lagersitze, Hebel oder Exzenter erforderlich, die sich bei möglichst beliebiger Länge des Halbzeuges einfach und kostengünstig an einer beliebigen Position in die Faser-Thermoplast-Verbund-Struktur integrieren lassen. Die Verwendung von thermoplastischen Matrixsystemen für derartige Hohlstrukturen ermöglicht die lokale Warmumformung des Profils, wodurch neuartige, auch formschlüssig wirkende Anbindungsmöglichkeiten geschaffen werden.
Bezugszeichenliste

31: Konturgebendes Element/Konturgebungs-Element
41: Spritzgussmasse
42: Funktionselement
6: Hinterschnitt des Lasteinleitungselements
10: Werkzeug/Spritzguss-Werkzeug
13: Hinterschnitt des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils
15: Strukturelement-Halbzeug
17: Kavitätsleitung
18: Spritzgusseinheit
19: Anzuspritzender Bereich des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils
20: Strukturelement für Funktionen
21: Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil
22: Heizzone
23: Anspritzkavität im Innern des Werkzeuges
24: Kontureinleger
25: Schließrichtung der beiden Werkzeugteile
26: Schritt Erwärmen
27: Schritt Einlegen
28: Schritt Anspritzen
29: Belastung
30: Hohlprofilachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012020184 A1 [0002]
DE 102011108219 A1 [0003]
DE 102009056472 A1 [0004]
DE 102007060628 A1 [0006]
DE 10014332 A1 [0008]
DE 102006010271 A1 [0009]
DE 102007017414 A1 [0011]
DE 102006038930 A1 [0013]
DE 19538360 C1 [0015]
US 5411300 A [0016, 0016]
FR 755494 A1 [0017]
DE 3730427 A1 [0019, 0020]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements (20) aus Funktionselement und Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) mit thermoplastischem Matrixmaterial, zumindest umfassend folgende Schritte: – Einfügen eines mit mindestens einem Hinterschnitt (6) versehenen konturgebenden Elements (31) in das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) zur Ausbildung eines Strukturelement-Halbzeugs (15), – Einlegen des Strukturelement-Halbzeugs (15) in ein Werkzeug (10), wobei die vorgenannten Verfahrensschritte wahlweise in ihrer Abfolge unterschiedlich durchgeführt werden, – Anspritzen des verformbaren Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) mit fließfähiger Spritzgussmasse (41) im Werkzeug (10) in den Bereich des Hinterschnitts des konturgebenden Elements (31) zur Ausbildung mindestens eines Hinterschnittes (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21), wobei die ausgebildeten Hinterschnitte (13) Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) passgenau an die Hinterschnitte (6) des konturgebenden Elements (31) zumindest formschlüssig aneinander gefügt sind, – Erstarren der fließfähigen Spritzgussmasse (41) zu mindestens einem in den Hinterschnitten (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (2) ausgebildeten Funktionselements (42) und somit zu einem finalen Strukturelement (20), – Entformen des finalen Strukturelements (20) aus dem Werkzeug (10), dadurch gekennzeichnet, dass in der wahlweisen Abfolge des Einfügens des konturgebenden Elements (31) und des Einlegens des Strukturelement-Halbzeugs (15) ein lokales Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) bis zur Verformbarkeit des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) im Bereich des Hinterschnitts des konturgebenden Elements (31) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) befindliche konturgebende und stützende Element (31) nach seiner Entfernung aus dem Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) als nur konturgebendes Element (31) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte (6, 13) in axialer Richtung zur Hohlprofilachse (30) und/oder in Umfangsrichtung ausgebildet werden.
Strukturelement (20), zumindest aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) mit thermoplastischem Matrixmaterial und einem konturgebenden Element (31) bestehend, hergestellt nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst – das konturgebende Element (31) mit mindestens einem Hinterschnitt (6), wobei das konturgebende Element (31) in das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) eingefügt ist, – zumindest einen in den Hinterschnitt (6) des konturgebenden Elements (31) passgenau anliegenden Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) in formschlüssiger Verbindung in Form eines Strukturelement-Halbzeuges (15), – ein in den Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) eingreifendes und angespritztes Funktionselement (42), das aus einer unter Druck injizierten und nachfolgend erstarrten Spritzgussmasse (41) besteht, – wobei sich durch das Anspritzen (28) der geschmolzenen Spritzgussmasse (41) an den das Funktionselement (42) stützenden Hinterschnitt (13) eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Vebund-Hohlprofils (21) und dem erstarrten Funktionselement (42) ausbildet.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Hinterschnitt (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) erstarrte Funktionselement (42) als Druckstück zur Stützung der ausgebildeten formschlüssigen Verbindung dient.
Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das angespritzte und erstarrte Funktionselement (42) in der Kavität (23) eines Werkzeugs (10) ausgebildet ist.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das konturgebende Element (31) werkstoff- und kraftflussgerecht an das Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (2) angebunden ist.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte (6, 13) in Bezug auf die Belastung (29) des finalen Strukturelements (20) ausgeprägt sind.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussmasse (41) aus Thermoplast oder faserverstärktem Thermoplast besteht.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (42) lokal mit Spritzgussmasse (41) angespritzt ist.
Strukturelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (42) im Bereich des Hinterschnitts (13) des Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofils (21) angespritzt ist, so dass zumindest eine formschlüssige Verbindung des Funktionselements (42) am Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) vorhanden ist.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das konturgebende Element (31) als Stützelement dient.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das konturgebende Element (31) aus festem Material ist.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das konturgebende Element (31) aus Sand oder aus einem anderen lösbaren/auswaschbaren Stoff ist und nach der Erstarrung des Funktionselements (42) aus dem Faser-Kunststoff-Verbund-Hohlprofil (21) entfernbar ist.