DE102014202993A1

DE102014202993A1 - Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, sowie Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils

Info

Publication number: DE102014202993A1
Application number: DE102014202993.7A
Authority: DE
Inventors: Maria Böwingloh; Thessa Gierer; Thomas Hogger; Markus Reimann; Markus Wasöhrl; Andreas Beil
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Außenhautbauteil (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer äußeren Sichtseite (10a) und einer zum Fahrzeug weisenden Seite (10b), wobei das Außenhautbauteil (10) eine an der Sichtseite (10a) angeordnete Lackschicht (15) und eine darunter angeordnete Tragstruktur (20) umfasst, wobei die Tragstruktur (20) ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ist, das eine Matrix (16) umfasst in der mehrere Faserschichten (11, 12, 13, 14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite der Tragstruktur (20), die der Lackschicht (15) zugewandt ist, eine Membran (14) vorgesehen ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Außenhautbauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Außenhautbauteils.
Zur Reduzierung der Emissionen und zur Verringerung des Verbrauchs werden im heutigen Fahrzeugbau Anstrengungen unternommen, mit dem Ziel das Gesamtgewicht der Fahrzeuge zu reduzieren. Ein Ansatz ist hierbei die Verwendung neuer Materialien, wie bspw. faserverstärkter Kunststoffe, zur Herstellung von Strukturbauteilen oder auch Außenhautbauteilen, die bislang überwiegend aus Metall gefertigt wurden. Insbesondere bei Dachkonstruktionen hat sich die Verwendung von Kohlefaserstoffen bewährt.
Aus der DE 20 2012 101 934 U1 ist ein Dachelement eines Cabriolet-Fahrzeugs bekannt, das in RHT (Retractable Hard Top) Bauweise ausgebildet ist und aus Kohlenstofffasern besteht.
Aus der Offenlegungsschrift DE 21 50 253 ist ein Verfahren zur Verformung eines Schichtstoffes auf der Grundlage eines glasfaserverstärkten thermoplastischen Harzes durch Stanzen diese Schichtstoffes in einer mechanischen Presse bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Außenhautbauteil sowie ein alternatives Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Es ist eine spezielle Aufgabe der Erfindung, ein Außenhautbauteil und ein Verfahren anzugeben, bei dem mit reduzierten Fertigungsaufwand besonders leichte Außenhautbauteile herstellbar sind, die sich zudem durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch ein Außenhautbauteil gemäß dem Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug mit einer äußeren Sichtseite und einer zum Fahrzeug weisenden inneren Seite vor, wobei das Außenhautbauteil eine an der Sichtseite angeordnete Lackschicht und eine darunter angeordnete Tragstruktur umfasst. Die Tragstruktur ist als ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildet, das eine Matrix umfasst, in der mehrere Faserschichten angeordnet sind. Auf der Seite der Tragstruktur, die der Lackschicht zugewandt ist, ist eine Membran vorgesehen. Durch den Einsatz der Membran können Unregelmäßigkeiten auf derjenigen Oberfläche der Tragstruktur unter der die Membran angeordnet ist, auf ein Mindestmaß reduziert werden. Dadurch weist die Tragstruktur zumindest in diesem Bereich eine außenhautfähige Oberfläche auf. Außenhautfähige Oberflächen kennzeichnen sich im Fahrzeugbau dadurch aus, dass sie Class-A tauglich sind. Die Membran fungiert dabei als Sperrschicht für die darunter liegenden Faserschichten, so dass keine Fasern durch die Membran hindurch an die Oberfläche der Tragstruktur und damit bis zu der Lackschicht gelangen können. Darüber hinaus bietet die Membran den Vorteil, dass sie als Fließhilfe bei der Infiltration der Faserschichten dient, da sie für das Matrixmaterial permeabel ist. Somit kann gewährleistet werden, dass bei der Infiltration der Faserschichten mit Matrixmaterial, beispielsweise in einem RTM-Werkzeug (Resin-Transfer-Molding) das einfließende Matrixmaterial die Membran besonders gut durchdringt und sich so auch an der Oberfläche der Werkzeugkavität anlegt.
Die Membran kann als Faservlies oder als Fasergewebe ausgebildet sein. Versuche haben gezeigt, dass sowohl gewebte wie auch nicht gewebte Faserschichten als Membran verwendet werden können, um eine glatte Oberfläche zu erzielen. Als besonders geeignet haben sich Vliesmaterialien erwiesen.
Die Membran kann aus Glasfaser, Kohlenstofffaser oder einer Kombination dieser Fasermaterialien gebildet sein.
Darüber hinaus kann die Tragstruktur eine Abstandshalterlage aufweisen, die beidseitig von einem Kohlenstofffasergelege umgeben ist. Das Kohlenstofffasergelege kann aus unidirektional ausgerichteten Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Durch die Abstandshalterlage, die beispielsweise als Abstandsgewebe ausgebildet sein kann, verbessern sich die mechanischen Eigenschaften der Tragstruktur, da die Kohlenstofffasergelege voneinander beabstandet sind und so beispielsweise höhere Torsions- oder Biegesteifigkeiten der Tragstruktur bewirken. Ganz im Sinne einer Funktionsintegration, bietet die Abstandshalterlage auch den Vorteil, dass sie als Flieshilfe fungieren kann, so dass sich infiltrierendes Matrixmaterial gut verteilen kann.
Zusätzlich kann auf einer der Abstandshalterlage abgewandten Seite des Kohlenstofffasergeleges ein Kohlenstofffaservlies angeordnet sein.
Vorzugsweise ergibt sich ein symmetrischer Aufbau mit der Abstandshalterlage als Mittelschicht, daran angeordneten Kohlenstofffasergelege und wiederum darauf angeordnetem Kohlenstofffaservlies. Dieser Aufbau bietet den Vorteil, dass für das Kohlenstofffaservlies nicht nur neue Fasern, sondern auch Recyclingfasern beziehungsweise recycelte Fasermatten verwendet werden können. Durch Vorsehen der unidirektionalen Kohlenstofffasergelege zwischen dem Kohlenstofffaservlies und der Abstandshalterlage kann verhindert werden, dass recycelte Fasern in die Abstandshalterlage eindringen und diese zusetzen, so dass ihre Funktion als Flieshilfe gestört ist. Mit anderen Worten, die unidirektionalen Kohlenstofffasergelege fungieren als eine Art Sperrschicht zwischen dem Kohlenstofffaservlies und der Abstandshalterlage.
Bei Verwendung von recycelten Fasern zur Erzeugung des Kohlenstofffaservlieses können diese Fasern miteinander vernäht sein, um einen Zusammenhalt der Schicht zu gewährleisten. Alternativ können die recycelten Fasern auch mit einem Bindermaterial verpresst sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kohlenstofffaservlies aus einzelnen Vliessegmenten, die aus einem Recyclingprozess gewonnen werden, ausgebildet sein, wobei diese Kohlenstofffaservliessegmente miteinander vernäht sind. Alternativ dazu können auch einstückige Kohlenstofffaservliese verwendet werden, die keine Vernähung aufweisen.
Zusätzlich können die einzelnen Schichten der Tragstruktur vollständig in der Matrix aus thermoplastischem und/oder duroplastischem Material eingebettet sein.
Darüber hinaus kann die Lackschicht als eine UV-filternde Schicht, insbesondere als eine Klarlackschicht oder als Lackfolie ausgebildet sein. Dadurch gelangt weniger UV-Strahlung in die Tragstruktur, d. h. in das Matrixmaterial sowie in die einzelnen Faserschichten. Alterungserscheinungen werden dadurch reduziert, so dass sich die Lebensdauer der Tragstruktur wesentlich verlängert.
Alternativ dazu kann die Lackschicht als ein mehrschichtiger Lackaufbau ausgebildet sein mit einer der Tragstruktur zugewandten Primerschicht und einer darauf angeordneten Lackschicht. Die Primerschicht kann transparent, transluzent oder opak ausgebildet sein. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Primerschicht getönt sein. Sowohl in der Ausführungsform mit einer einfachen Lackschicht, wie auch in der Ausführungsform mit einem mehrschichtigen Lackaufbau kann die Lackschicht als transparenter Klarlack oder als opaker d. h. farbiger Lack ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten: Erzeugen eines Schichtaufbaus, wobei mindestens eine äußere Schicht als eine Membran ausgebildet ist, Infiltrieren des Schichtaufbaus mit einem Matrixmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff, zur Ausbildung einer Tragstruktur, Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer zur Erstarrung oder Aushärtung des Matrixmaterials und Aufbringen einer Lackschicht auf einer Seite der Tragstruktur, auf der sich die Membran befindet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf besonders einfache Weise eine gute Infiltration realisiert werden, wodurch sich eine Tragstruktur ergibt, deren Oberfläche zumindest abschnittsweise für Außenhautanwendungen im Kraftfahrzeugbereich eignet.
Weiterhin kann in dem Schichtaufbau auf einer Abstandshalterlage beidseitig ein Kohlenstofffasergelege angeordnet sein, auf jedes Kohlenstofffasergelege ein Kohlenstofffaservlies angeordnet sein und auf mindestens ein Kohlenstofffasergelege ein Faservlies aufgebracht sein.
Dadurch ergibt sich ein Aufbau mit einer Schichtfolge von Abstandshalterlage, Kohlenstofffasergelege, Kohlenstofffaservlies und Membran ausgehend von der Abstandshalterlage zur Sichtseite des Außenhautbauteils und eine Schichtfolge Abstandshalterlage, Kohlenstofffasergelege und Kohlenstofffaservlies in Richtung einer Seite des Außenhautbauteils, die der Sichtseite gegenüber liegt.
Nach dem Erzeugen des Schichtaufbaus, wird das mehrschichtige Gelege in ein RTM-Werkzeug eingelegt. Beim Schließen des RTM-Werkzeuges werden die einzelnen Schichten aufeinander gedrückt und dadurch kompaktiert. Anschließend erfolgt die Infiltration mit Harzmaterial. Sofern ein duroplastisches Harz verwendet wird, muss eine vorbestimmte Zeit abgewartet werden, bis es vollständig aushärtet. Falls ein thermoplastisches Material verwendet wird, muss eine Zeitdauer abgewartet werden, bis die Matrix erstarrt. Sobald die Matrix ihre Handlings-Festigkeit erreicht hat, kann der mit Harz versehene Schichtaufbau, d. h. die Tragstruktur aus dem RTM-Werkzeug entnommen werden. Danach wird in einem abschließenden Schritt eine Lackschicht aufgetragen. Die Lackschicht kann als Klarlack auf die Tragstruktur aufgesprüht oder als Lackfolie auf die Tragstruktur geklebt werden. Wie bereits oben beschrieben, kann auch hier die Lackschicht als mehrschichtiger Lackaufbau ausgebildet sein. Nach dem Aufbringen der Primerschicht wird diese abgeschliffen, um sie für den Auftrag der Lackschicht vorzubereiten.
In einer weiteren Variante des Verfahrens kann die Tragstruktur, beziehungsweise die Oberfläche der Tragstruktur zumindest abschnittsweise mit einem Lack überflutet werden. Hierbei wird die Tragstruktur mit Lack übergossen. Überschüssiger Lack tropft durch die Gewichtskraft an der Tragstruktur ab. Dieser Lack kann gesammelt und wieder verwendet werden. Alternativ dazu kann das Überfluten auch in einem Formwerkzeug erfolgen. Zur Herstellung der Tragstruktur wird ein Formwerkzeug, insbesondere ein RTM-Werkzeug oder ein Spritzgusswerkzeug verwendet. Nach der Erzeugung der Tragstruktur wird das Formwerkzeug leicht geöffnet und das lackbildende Material in den Spalt zwischen Formwerkzeug und Tragstruktur eingebracht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figur und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigt in schematischer Darstellung
1 einen Querschnitt durch ein Außenhautbauteil.
In 1 ist ein Außenhautbauteil 10 abgebildet, das eine Tragstruktur 20 und eine Lackschicht 15 umfasst. Die Tragstruktur 20 ist aus einer Matrix 16 ausgebildet, in der verschiedene Faserschichten 11, 12, 13, 14 angeordnet sind. Der Schichtaufbau der Tragstruktur 20 ist nahezu symmetrisch, wobei ausgehend von einer Abstandshalterschicht 11 beidseitig davon unidirektionale Kohlenstofffasergelege 12 angeordnet sind. Oberhalb und unterhalb der Kohlenstofffasergelege 12 ist je ein Kohlenstofffaservlies 13 vorgesehen. Im in 1 dargestellten oberen Endbereich der Tragstruktur 20 ist eine Membran 14 eingebettet. Diese ist in unmittelbarer in der Nähe der sichtbaren Oberfläche 10a des Außenhautbauteils 10 angeordnet. Auf die in 1 obere Seite der Tragstruktur 20 ist eine Lackschicht 15 aufgebracht, die damit auch die sichtbare Fläche bzw. Sichtseite 10a des Außenhautbauteils bildet. Die der Sichtseite 10a gegenüberliegende Seite 10b ist eine nicht sichtbare Seite des Außenhautbauteils 10.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann jedoch ein vollständig symmetrischer Aufbau realisiert sein. Ein solches Bauteil weist zwei oder mehrere Sichtseiten auf. Gegebenenfalls kann die Sichtseite von innen, d. h. aus der Fahrgastzelle, oder aus dem Kofferraum eines Kraftfahrzeuges sichtbar sein.
Außenhautbauteile im Sinne dieser Erfindung sind vor allem Fahrzeugdächer, Motorhauben, Kofferraumklappen, Türen, Stoßfängerverkleidungen, Abdeckungen für Spiegel, Schweller oder Dachseitenrahmen. Recycelte Faservliese im Sinne dieser Erfindung sind Vliesmaterialien, die beispielsweise als Verschnittreste entstehen oder anderweitige Abfallprodukte, beispielsweise nach einem Pyrolyseprozess.
Mit der vorliegenden Erfindung kann gegenüber einem Stahlaußenhautbauteil das Gewicht deutlich reduziert werden. Durch die Verwendung der Lackschicht und in Kombination mit den vernähten Kohlefaservliessegmenten entsteht eine von der Sichtseite 10a her neuartige Kohlefaserkunststoffsichtoptik.
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 202012101934 U1 [0003]
DE 2150253 A [0004]

Claims

Außenhautbauteil (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer äußeren Sichtseite (10a) und einer zum Fahrzeug weisenden Seite (10b), wobei das Außenhautbauteil (10) eine an der Sichtseite (10a) angeordnete Lackschicht (15) und eine darunter angeordnete Tragstruktur (20) umfasst, wobei die Tragstruktur (20) ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ist, das eine Matrix (16) umfasst in der mehrere Faserschichten (11, 12, 13, 14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite der Tragstruktur (20), die der Lackschicht (15) zugewandt ist, eine Membran (14) vorgesehen ist.
Außenhautbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) als Faservlies oder als Fasergewebe ausgebildet ist.
Außenhautbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) aus Glasfaser und/oder Kohlenstofffaser gebildet ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (20) eine Abstandshalterlage (11) aufweist, die beidseitig von einem Kohlenstofffasergelege (12) umgeben ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Abstandshalterlage (11) abgewandten Seite des Kohlenstofffasergeleges (12) ein Kohlenstofffaservlies (13) angeordnet ist.
Außenhautbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstofffaservlies (13) vernäht ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (11, 12, 13, 14) der Tragstruktur (20) vollständig in der Matrix (16) aus thermoplastischem und/oder duroplastischem Kunststoff eingebettet sind.
Außenhautbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht (15) als eine UV-filternde Schicht, insbesondere als eine Klarlackschicht ausgebildet ist.
Außenhautbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht (15) als ein mehrschichtiger Lackaufbau ausgebildet ist mit einer der Tragstruktur (20) zugewandten Primerschicht und einer darauf angeordneten Lackschicht.
Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Schritten: – Erzeugen eines Schichtaufbaus, wobei mindestens eine äußere Schicht, als eine Membran (14) ausgebildet ist, – Infiltrieren des Schichtaufbaus mit einem Matrixmaterial (16), insbesondere mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff, zur Ausbildung einer Tragstruktur (20), – Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer, zur Erstarrung oder Aushärtung des Matrixmaterials (16), und – Aufbringen einer Lackschicht (10) auf einer Seite der Tragstruktur (20), auf der sich die Membran (14) befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Schichtaufbaus, – an einer Abstandshalterlage (11) beidseitig ein Kohlenstofffasergelege (12) angeordnet wird, – auf jedes Kohlenstofffasergelege (12) ein Kohlenstofffaservlies (13) angeordnet wird und – auf mindestens ein Kohlenstofffasergelege (12) eine Membran (14) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kohlenstofffaservlies (13) durch Vernähen einzelner recycelter Kohlstofffaservliessegmente erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lackschicht (15) als Klarlack auf die Tragstruktur (20) aufgesprüht oder als Lackfolie auf die Tragstruktur (20) geklebt wird, oder – die Tragstruktur (20) mit Lack überflutet wird, zur Ausbildung der Lackschicht (15).