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Die Erfindung betrifft ein Leichtbauteil mit einem ersten Strukturteil, einem zweiten Strukturteil sowie einem zwischen den beiden Strukturteilen angeordneten Verstärkungsteil, wobei das Verstärkungsteil mit mindestens einem der Strukturteile durch einen wärmeexpandierten Strukturschaum verklebt ist.
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Ein derartiges Leichtbauteil, das vorzugsweise bei einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere bei einer Fahrzeugsäule Verwendung findet, ist aus der
DE 10 2009 051 460 A1 bekannt. Bei diesem Leichtbauteil sind die beiden aus Stahlblech bestehenden Strukturteile miteinander verschweißt und das innerhalb der Strukturteile angeordnete, über Halter lagegenau positionierte Verstärkungsteil mittels eines durch Temperaturbeaufschlagung aushärtbaren Strukturklebers mit den Strukturteilen verklebt. Im weiteren Fertigungsablauf wird der Strukturkleber in einem Lackierofen eines mehrstufigen Lackierprozesses mit Temperatur beaufschlagt und härtet aus, insbesondere nach einer kathodischen Tauchlackierung (KTL).
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In der
DE 10 2010 023 073 A1 ist ein Strukturteil einer Fahrzeugkarosserie beschrieben, mit einem Formteil aus Metall und einem Verstärkungsteil aus Kunststoff, welches abschnittsweise eine mit dem Formteil korrespondierende Formgebung aufweist und zur strukturellen Verstärkung des Formteils zumindest abschnittsweise mit diesem verbunden ist.
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In der
DE 10 2007 022 385 A1 ist ein Hybridbauteil beschrieben, welches ein Hohlbauteil in Form einer Schale sowie ein Kunststoffeinlegebauteil aufweist, wobei das Kunststoffeinlegebauteil Verbindungselemente in Form von Schnappverbindungselementen aufweist, die in Verbindungselementen im Hohlbauteil in Form von Rastöffnungen fixiert werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leichtbauteil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die stoffschlüssige Strukturschaumverbindung eine hohe Leistungsfähigkeit besitzt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Leichtbauteil, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Leichtbauteil ist somit vorgesehen, dass das Verstärkungsteil nicht nur mit mindestens einem der Strukturteile durch den expandierten Strukturschaum verklebt ist, sondern dass das Verstärkungsteil zusätzlich in wenigstens einem lokalen Bereich formschlüssig mit einem der Strukturteile verbunden ist. Durch diesen unterstützenden Formschlussbereich bzw. durch mehrere unterstützende Formschlussbereiche wird die Leistungsfähigkeit der stoffschlüssigen Strukturschaumverbindung erhöht.
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Das jeweilige Strukturteil bzw. die Strukturteile sind vorzugsweise als Schalenteile ausgebildet. Insbesondere sind die Strukturteile mindestens ein Außenschalenteil und mindestens ein Innenschalenteil einer Fahrzeugsäule. Die Fahrzeugsäule ist in Schalenbauweise gefertigt und besteht demnach mindestens aus einem oder mehreren Bauteilen auf der Innenschalenseite und mindestens einem Außenschalenbauteil sowie dem zwischen den beiden Schalenteilen angeordneten Verstärkungsteil.
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Die Strukturteile, insbesondere die Schalenteile der Säule, sind vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff, Leichtmetall oder Stahl gefertigt.
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Als baulich besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Verstärkungsteil in verrippter Bauweise ausgebildet ist. Eine besonders hohe Festigkeit des Verstärkungsteils lässt sich erreichen, wenn dieses als Hybridbauteil ausgebildet ist. Dieses zeichnet sich zudem durch ein geringes Gewicht aus. Insbesondere ist das Verstärkungsteil als Hybridbauteil zumindest in wesentlichen Teilen aus thermoplastischem Kunststoff, der in Teilen mit Endlosfasern und in Teilen mit Kurz- und/oder Langfasern verstärkt ist, gebildet.
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Vorzugsweise ist das Verstärkungsteil mit mindestens einem der Strukturteile durch einen in einem KTL (Kathodische Tauchlackierung)-Trocknungsprozess durch Wärme expandierten Strukturschaum verklebt.
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Die formschlüssige Verbindung von Verstärkungsteil und Strukturteil kann auf unterschiedliche Art und Weise gestaltet sein. So können das Verstärkungsteil und das Strukturteil insbesondere auf Schub zueinander fixiert werden. Alternativ kann die formschlüssige Verbindung so gestaltet sein, dass die beiden Bauteile in allen Richtungen zueinander fixiert sind.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Strukturteil, mit dem das Verstärkungsteil formschlüssig verbunden ist, eine Ausnehmung zum Durchtritt des Verstärkungsteils aufweist. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise die formschlüssige Verbindung der Bauteile erreichen. Die Ausnehmung ist insbesondere als Loch oder Durchgang im Strukturteil gestaltet. Es liegt durchaus im Rahmen der Erfindung, dass das Verstärkungsteil mit mehreren Strukturteilen formschlüssig verbunden ist.
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Das Verstärkungsteil kann im Bereich der Ausnehmung des Strukturteils unterschiedlich gestaltet sein, insbesondere als Formschlussdom oder als Formschlussdom mit integriertem Distanzelement. Insbesondere wird vor Expansion des Strukturschaums mittels des Distanzelements, das beispielsweise die Form einer Abstandsnase aufweist, ein definierter Abstand von 1 bis 5 mm zwischen dem Verstärkungsteil und den Strukturteilen eingestellt, um eine ausreichende Benetzung der Strukturteile, insbesondere der Stahlbleche, während des KTL-Bads zum Korrosionsschutz zu gewährleisten.
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Das Verstärkungsteil wird insbesondere durch Heißverstemmen/Umformen des Formschlussdoms bzw. der Formschlussdome formschlüssig zu dem Strukturteil bzw. dem Stahlblech mit der Aussparung bzw. mit den Aussparungen verbunden. Durch Expansion des Strukturschaums im KTL-Trockner wird der Abstand anschließend mittels expandierenden Strukturschaums überbrückt.
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Die Funktion des Distanzelements bzw. der Abstandsnase kann in den Formschlussdom integriert werden, beispielsweise durch eine abgestufte Ausgestaltung des jeweiligen Formschlussdoms.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist somit vorgesehen, dass das die Ausnehmung durchsetzende Distanzelement bzw. der die Ausnehmung durchsetzende Formschlussdom im Bereich dessen freien Endes verformt wird. Hierbei weist vorzugsweise das Strukturteil im Bereich der Ausnehmung, auf der Außenseite des Leichtbauteils, eine Einprägung auf, in die das Distanzelement bzw. der Formschlussdom im Bereich dessen freien Endes verformt ist.
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Das erfindungsgemäße Leichtbauteil und dessen Weiterbildung zeichnen sich durch ein reduziertes Gewicht, einen stabilisierten Querschnitt sowie eine definierte Vorfixierung der beiden Bauteile zueinander aus. Ferner ist ein vereinfachter Toleranzausgleich durch den Schaumstoffeinsatz gewährleistet und es wird durch unterstützende Formschlussbereiche die Leistungsfähigkeit der stoffschlüssigen Strukturschaumverbindung erhöht.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
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1 eine Ansicht eines Leichtbauteils, über eine Teillänge des Leichtbauteils gezeigt, veranschaulicht bezüglich eines ersten Strukturteils und eines mit diesem verbundenen Verstärkungsteil, somit ohne ein mit dem ersten Strukturteil verbundenes zweites Strukturteil des Leichtbauteils,
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2 einen Schnitt A-A durch die Anordnung gemäß 1, allerdings durch das gesamte Leichtbauteil, somit auch durch das zweite Strukturteil,
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3 einen Schnitt B-B durch die Anordnung gemäß 1, allerdings durch das gesamte Leichtbauteil, somit auch durch das zweite Strukturteil,
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4 einen Schnitt C-C durch die Anordnung gemäß 1, allerdings durch das gesamte Leichtbauteil, somit auch durch das zweite Strukturteil,
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5 eine Ansicht D gemäß 2 eines Teilbereichs des Leichtbauteils,
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6 eine Ansicht E gemäß der 3 und 4 eines Teilbereichs des Leichtbauteils,
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7 einen Schnitt durch ein Leichtbauteil, das gegenüber der Ausführungsform nach den 1 bis 6 modifiziert ist, mit Darstellung eines Formschlussdoms, entsprechend der Darstellung in 2,
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8 eine gegenüber der Ausführungsform nach 7 modifizierte Gestaltung des Formschlussdoms mit integrierter Funktion eines Distanzelements bzw. einer Abstandsnase,
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9 einen Schnitt durch ein Leichtbauteil, das gegenüber der Ausführungsform nach 3 modifiziert ist, mit Darstellung eines Formschlussdoms, entsprechend der Darstellung in 3,
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10 eine gegenüber der Ausführungsform nach 9 modifizierte Gestaltung des Formschlussdoms mit integrierter Funktion eines Distanzelements bzw. einer Abstandsnase.
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Figurenbeschreibung
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Die 1 bis 6 zeigen für eine Teillänge eines Leichtbauteils 1 dessen Gestaltung. Bei diesem Leichtbauteil 1 handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugsäule eines Personenkraftwagens, beispielsweise eine A-Säule eines offenen Fahrzeugs (Cabriolet bzw. Roadster).
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Das Leichtbauteil 1 weist ein erstes Strukturteil 2, ein zweites Strukturteil 3 sowie ein zwischen den beiden Strukturteilen 1 und 2 angeordnetes Verstärkungsteil 4 auf. Das Verstärkungsteil 4 ist mit dem Strukturteil 2, bei dem es sich um eine Außenschale des Leichtbauteils 1 bzw. der Fahrzeugsäule handelt, mittels eines wärmeexpandierenden Strukturschaums 5 verklebt. Das Strukturteil 3 bildet eine Innenschale des Leichtbauteils bzw. der Fahrzeugsäule. Das Strukturteil 2 ist mit mehreren Ausnehmungen 6 in Form von Löchern bzw. Durchgängen zum Durchtritt des Verstärkungsteils 4 versehen. Im Bereich dieser Ausnehmungen 6, somit in diesen lokalen Bereichen, ist das Verstärkungsteil 4 formschlüssig mit dem Strukturteil 2 verbunden. Diese formschlüssige Verbindung ist gemäß den veranschaulichten Teilbereichen des Leichtbauteils 1 unterschiedlich gestaltet.
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Das Verstärkungsteil 4 ist als Verstärkungseinleger ausgebildet. Insbesondere der Darstellung der 1 ist zu entnehmen, dass das Verstärkungsteil 4 in verrippter Bauweise gestaltet ist. Bei dem Verstärkungsteil 4 handelt es sich um ein Hybridbauteil. Dieses Hybridbauteil ist zumindest in wesentlichen Teilen aus thermoplastischem Kunststoff, der in Teilen mit Endlosfasern und in Teilen mit Kurz- und/oder Langfasern verstärkt ist, gebildet. Konkret ist das Verstärkungsteil 4 aus einem Fasergewebe oder Fasergelege, sowie einer thermoplastischem Kunststoffmatrix, in die das Fasergewebe bzw. das Fasergelege eingebettet ist – als Organoblech 7 bezeichnet –, ferner aus Rippen 8 aus Kunststoff mit Kurzfaser- oder Langfaserverstärkung gebildet. Zwischen dem endlosfaserverstärkten Thermoplast 7 und dem Strukturteil 2 ist der Strukturschaum 5 angeordnet.
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Die Strukturteile 2 und 3 bzw. Schalen des Leichtbauteils 1 bzw. der Säule sind aus faserverstärktem Kunststoff, Leichtmetall oder Stahl gefertigt.
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Das Verstärkungsteil 4 wird insbesondere in einer Spritzgussmaschine hergestellt, in der der vorgewärmte, endlosfaserverstärkte Thermoplast 7 in einem Schließvorgang umgeformt und mittels kurz- oder langfaserverstärktem Kunststoff hinterspritzt wird. Danach erfolgt das Auftragen des Strukturschaums 5 ebenfalls mittels Spritzguss. Im endlosfaserverstärkten Thermoplast 7 befinden sich den Ausnehmungen 6 entsprechende Ausnehmungen 9, durch die kurz- bzw. langfaserverstärkter Kunststoff für Formschlussdome 10, die ggf. Distanzelemente 11 bzw. Abstandsnasen aufweisen, hindurchgespritzt wird. Alternativ können die Ausnehmungen 9 im endlosfaserverstärkten Thermoplast 7 während des Herstellungsprozesses des Verstärkungsteils 4 geschaffen beispielsweise durch Verdrängen des endlosfaserverstärkten Thermoplasts 7 durch Nadeln geschaffen werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, keine Aussparungen vorzusehen und den Kunststoff direkt durch den endlosfaserverstärkten Thermoplast 7 hindurch zu spritzen.
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Durch die Formschlussdome 10 entsteht, wie zu den unterschiedlichen Schnitten gemäß der 2, 3 und 4 veranschaulicht, ein Formschluss in lokalen Bereichen zwischen dem Verstärkungsteil 4 und dem Strukturteil 2. Vorzugsweise ist das Strukturteil 2 im Bereich der Ausnehmungen 6, durch die die Formschlussdome 10 hindurchtreten, mit einer Einprägung 12 versehen.
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Durchsetzt der jeweilige Formschlussdom 10 das Strukturteil 2 entsprechend der Ausgestaltung gemäß der 2 und 5, sind die durch den Strukturschaum 5, der endlosfaserverstärkte Thermoplast 7 und die Rippen 8 gebildete Einheit und das Strukturteil 2 insbesondere auf Schub zueinander fixiert. Ist die formschlüssige Verbindung derart gestaltet, dass der Formschlussdom 10 im Bereich seines auf der Außenseite des Leichtbauteils 1 befindlichen Seite verstemmt wird, wie es für die Ausführungsform nach den 3, 4 und 6 veranschaulicht ist, sind die genannte Einheit und das Strukturteil 2 in allen Richtungen zueinander fixiert. Das heißverstemmte bzw. umgeformte Ende 13 des Formschlussdoms 10 wird von der Einprägung 12 aufgenommen.
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Zwischen den beiden Strukturteilen 2 und 3, somit den beiden Schalen, ist das Verstärkungsteil 4 in verrippter Bauweise angeordnet. Das Verstärkungsteil 4 wird mit dem Strukturteil 2 durch den im KTL-Trocknungsprozess durch Wärme expandierenden Strukturschaum 5 stoffschlüssig verbunden bzw. verklebt und ist wenigstens in einem lokalen Bereich, gemäß dem Ausführungsbeispiel in den mehreren lokalen Bereichen, formschlüssig mit dem Strukturteil 2 verbunden.
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Die erörterten grundsätzlichen Gestaltungen mit Formschlussdom 10 ohne Verstemmung dessen Endes bzw. mit Verstemmung dessen Endes sind für geringfügig modifizierte Gestaltungen des Leichtbauteils 1 in den 7 und 9 veranschaulicht. Für die Variante 7 zeigt die Variante nach 8 und für die Variante nach 9 die Variante gemäß 10 eine Modifizierung des jeweiligen Formschlussdoms 10 dahingehend, dass dieser ein Distanzelement 11 bzw. eine Abstandsnase aufweist. So wird vor Expansion des Strukturschaums mittels des jeweiligen Distanzelements 11 ein definierter Abstand von 1 bis 5 mm zwischen dem Verstärkungsteil 4 und den beiden Strukturteilen 2, 3 eingestellt, um eine ausreichende Benetzung der insbesondere als Stahlbleche ausgebildeten Strukturteile 2, 3 während des KTL-Bads zum Korrosionsschutz zu gewährleisten. Das Verstärkungsteil 4 wird durch Heißverstemmen/Umformen der Formschlussdome 10 formschlüssig zu dem Strukturteil 2 verbunden. Durch Expansion des Strukturschaums im KTL-Trockner wird der Abstand anschließend mittels expandierenden Strukturschaums 5 überbrückt. Die Funktion der Distanzelemente 11 ist in die Formschlussdome 10 integriert, beispielsweise durch eine abgestufte Ausgestaltung der Formschlussdome 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leichtbauteil
- 2
- Strukturteil
- 3
- Strukturteil
- 4
- Verstärkungsteil
- 5
- Strukturschaum
- 6
- Ausnehmung
- 7
- endlosfaserverstärkter Thermoplast
- 8
- Rippe
- 9
- Ausnehmung
- 10
- Formschlussdom
- 11
- Distanzelement
- 12
- Einprägung
- 13
- Ende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009051460 A1 [0002]
- DE 102010023073 A1 [0003]
- DE 102007022385 A1 [0004]
