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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Bauteil für eine Tragstruktur in einem Kraftfahrzeug. Dieses Bauteil besteht aus mindestens einem Metallblech-Grundkörper, mindestens einem Metallblech-Stabilisierungskörper und mindestens einer diesen Metallblechen zugeordneten Kunststoffverstärkung, wobei der Metallblech-Stabilisierungskörper fest verbunden ist in am Metallblech-Grundkörper unmittelbar anliegenden Bereichen und von diesen Bereichen abstehende Bereiche aufweist, die von der Kunststoffverstärkung umschließbar sind und wobei in Bereiche des Metallblech-Stabilisierungskörpers von der Kunststoffverstärkung durchdringbare Perforationen eingebracht sind.
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Aus dem Serien-Kraftfahrzeugbau sind Verbundbauteile bekannt, die aus relativ dünnwandigen Metallblechen und aus an diese angespritzte bzw. angefügte Kunststoffbauteile bestehen. Mit solchen Bauteilen soll – insbesondere in Tragstrukturen von Fahrzeugen – Gewicht gespart werden bei gleichzeitigem Erhalt der Festigkeit bzw. der Stabilität z.B. gegen Knick- bzw. Torsionskräfte.
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So zeigt und beschreibt z.B. die
DE 195 00 790 A1 ein Herstellungsverfahren für einen Kunststoff/Metallverbundkörper für großflächige Teile, bei dem einzelne zu verbindende Bleche in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt, formschlüssig durch Fügen oder Verpressen miteinander verbunden und dann durch Anspritzen mit thermoplastischem Kunststoff überzogen werden.
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Aus der
DE 10 2005 003 978 A1 ist ein Karosserie-Bauteil eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem zwei oder mehrere Profilteile unter Bildung eines Hohlraums miteinander verbunden sind. In den so gebildeten Hohlraum wird ein zusätzliches Verstärkungsprofil eingesetzt bzw. eingeklebt.
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Die
DE 10 2010 014 504 A1 offenbart Karosserie-Bauteile für Kraftfahrzeuge, die in einer Kombination von Innenhochdruck-Umformtechnik und Kunststoffspritzverfahren hergestellt werden, wobei das Kunststoffspritzverfahren in erster Linie zur Umkleidung der vorgeformten metallischen Bauteile dient.
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Die
US 2005/0140173 A1 zeigt und beschreibt einen Instrumententräger für Kraftfahrzeuge, der als Kunststoff-Metall-Hybrid-Bauteil ausgeführt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein insbesondere in Bezug auf Crashfestigkeit höchstbelastbares Bauteil mit gegenüber konventioneller Bauweise deutlich geringerem Gewicht kostengünstig und großserientauglich zur Verfügung zu stellen, das in seinem Aufbau den jeweiligen Anforderungen individueller Fahrzeugkonstruktionen in möglichst weiten Bereichen anpassbar sein soll.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass bei einem wie eingangs erwähnt aufgebauten Verbundbauteil die Perforationen im Wesentlichen in Kanten- bzw. Rundungsbereichen der Metallbleche angeordnet sind. Die Perforationen können in alternativer Ausgestaltung nach der Erfindung von Einprägungen im Metallblech-Stabilisierungskörper umschlossen sein, wobei die Einprägungen einen Hohlraum zwischen den Metallblechen bilden.
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Bei einer solchen Konstruktion werden die relativ dünnwandigen Metallbleche zum einen durch Zusammenfügen bei geringem Gewicht bei entsprechender Konturierung für höhere Belastungen tauglich und es erfolgt eine zusätzliche Stabilisierung bzw. Versteifung durch die aufgebrachte bzw. die die Metallteile teilweise umschließende Kunststoffverstärkung.
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Ein solches Verbundbauteil ist insbesondere für die hohen Belastungen, denen z.B. eine A-Säule oder auch eine B-Säule bei einem Kraftfahrzeug insbesondere im Seitencrash-Fall oder bei einem Überschlag ausgesetzt sind, in besonderer Weise geeignet. Ganz besonders gilt dies z.B. für die A-Säule eines Cabrios oder eines Roadsters. Aufgrund der Profilgestaltung und des mehrschichtigen Aufbaus sowohl der inneren Auskleidung bzw. Versteifung mit Kunststoff hält ein solches Bauteil höheren Belastungen stand als z.B. Bauteile, die lediglich in mehrteiliger Schalenbauweise aus z.B. hochfesten Stählen bestehen. Gleichzeitig weist die Konstruktion nach der Erfindung ein geringes Gewicht auf und sie kann in ihrem Querschnitt optimal an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden.
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In vorteilhafter Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung wird der Metallblech-Grundkörper mit dem Metallblech-Stabilisierungskörper vorzugsweise mittels Schweißen, Kleben oder mechanisches Fügen verbunden.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Kunststoffverstärkung auf den Metallblech-Grundkörper und den Metallblech-Stabilisierungskörper und/oder in die Perforationen und/oder Einprägungen unter Bindung einer stoffschlüssigen Verbindung aufgespritzt und die abstehenden Bereiche des Metallblech-Stabilisierungskörpers und/oder die Perforationen bzw. Hohlräume/Einprägungen mit der Kunststoffverstärkung um- bzw. ausgespritzt sind.
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Ein nach der Erfindung aufgebautes Bauteil wird üblicherweise in seinem Querschnitt als Ganzes oder zu einem großen Teil geschlossenes Profilteil ausgeführt sein. Dementsprechend ist es zweckmäßig, den dadurch gebildeten Innenraum des Profils mit der Kunststoffverstärkung im Wesentlichen auszufüllen. Um die Stabilität weiter zu erhöhen, kann diese Kunststoffverstärkung Versteifungsstrukturen ausbilden. Diese Versteifungsstrukturen können vorzugsweise den Profilverlauf des Metallblech-Stabilisierungsteils im Wesentlichen folgend ausgeformt sein. Zweckmäßig ist es, diese Versteifungsstrukturen als den Profilquerschnitt stabilisierende Versteifungsrippen auszuformen.
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Die Kunststoffverstärkung kann in ihren an den Metallblechen anliegenden Bereichen stoffschlüssig auf die Metallbleche aufgebracht sein.
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Besonders zweckmäßig ist, für die Kunststoffverstärkung einen Thermoplast, vorzugsweise Polyamid, Polycarbonat, Polypropylen oder Polyphthalamide (PPA) zu verwenden. Als Partikel- oder Faserverstärkung bieten sich insbesondere Glas-, Baslat-, Aramid- und/oder Kohlenstofffasern an. Die Fasern können als Kurzfasern, Langfasern, Endlosfasern ausgeführt sein. Ebenso ist es denkbar – z.B. abhängig von den aufzunehmenden Belastungen – Partikel- und/oder Faserkombinationen für die Kunststoffverstärkung zu verwenden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführung zum Gegenstand der Erfindung bei entsprechend hohen Belastungen ergibt sich dadurch, dass der Verbund aus Metallblech-Grundteil und Metallblech-Stabilisierungskörper durch die Anfügung eines Organoblechs (= endlosfaserverstärkter thermoplastischer Faserverbundwerkstoff) zusätzlich stabilisiert wird, wobei das Organoblech der Kontur des Metallblech-Stabilisierungskörpers im Wesentlichen entsprechend ausgeführt ist und mit diesem vorzugsweise stoffschlüssig verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft das weiteren ein Verfahren zum Aufbau eines Bauteils in Hybrid-Struktur, insbesondere eines Bauteils für eine Tragstruktur in einem Kraftfahrzeug aus mindestens einem Metallblech-Grundkörper, mindestens einem Metallblech-Stabilisierungskörper mit mindestens einer diesen Metallblechen zugeordneten Kunststoffverstärkung, das durch mindestens die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- – Formen des Metallblech-Grundkörpers;
- – Formen des Metallblech-Stabilisierungskörpers;
- – Verbinden der Metallbleche durch Schweißen, Kleben und/oder mechanisches Fügen;
- – Einlegen des Metallblech-Verbunds in eine Kunststoff-Spritzgussmaschine;
- – Einspritzen der Kunststoffverstärkung auf oder um die vorgesehenen Bereiche und/oder in die Perforierungen im Metallblech-Stabilisierungskörper bzw. am Metallblechverbund.
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Die Erfindung betrifft ferner ein alternatives Verfahren zum Aufbau eines Hybrid-Bauteils, bei dem ein mit Endlosfasern verstärktes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug (= Organoblech) erwärmt und im erwärmten Zustand in eine Spritzgussmaschine eingelegt und darin umgeformt an den Metallblechverbund angefügt und mit der Kunststoffverstärkung be- bzw. umspritzt wird.
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Die Erfindung betrifft weiter ein drittes alternatives Verfahren zum Aufbau eines Hybrid-Bauteils, bei dem eine kurz- oder langfaserverstärkte thermoplastische Pressmasse in einer Presse mit den Metallblech-Verbundteilen verbunden bzw. umschlossen wird.
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Schließlich betrifft die Erfindung eine weitere Variante eines Verfahrens zum Aufbau eines Hybrid-Bauteils, bei dem ein mit Endlosfasern verstärktes thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeug in einer Presse mit einer kurz- oder langfaserverstärkten thermoplastischen Pressmasse zusammengebracht und mit der Metallblech-Struktur verbunden wird.
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Soweit das Verbund-Bauteil als Profil nicht ohnehin rundumlaufend geschlossen bzw. weitgehend geschlossen aufgebaut ist, können die offenen, z.B. die inneren Bereiche einer A-Säule eines Kraftfahrzeugs durch ein Schließblech abgeschlossen werden. Dieses Schließblech kann aber ohne weiteres auch integrierter Bestandteil der Verbund-Struktur nach der Erfindung sein.
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Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung hiermit zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in den 1–8 schematisch im Querschnitt unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Verbund-Bauteils nach der Erfindung.
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Für gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnungen werden zum besseren Verständnis der Erfindungsmerkmale jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist mit 1 ein entsprechend seiner konstruktiven Anforderungen umgeformter Metallblech-Grundkörper eines Verbund-Bauteils VB, z.B. für die A-Säule eines Kraftfahrzeugs bezeichnet (Zeichnungsdarstellung: Querschnitt durch das Profil). Mit dem Metallblech-Grundkörper 1 ist ein Metallblech-Stabilisierungskörper 2 verbunden, der insbesondere an den Stellen, in denen die Verbund-Konstruktion VB hohen Belastungen ausgesetzt sein kann, dem Konturenverlauf des Metallblech-Grundkörpers 1 entsprechend geformt ist. In den aneinander anliegenden Bereichen von Grundkörper 1 und Stabilisierungskörper 2 sind die beiden relativ dünnen Metallbleche vorzugsweise fest miteinander verbunden. Diese Verbindung kann durch Schweißen, Kleben und/oder mechanisches Fügen erzeugt werden. Der Stabilisierungskörper 2 weist vom Grundkörper 1 abstehende Bereiche 3 und 4 auf, die in den Innenraum des durch den Grundkörper gebildeten Profils hineinragen. Ferner weist der Stabilisierungskörper 2 Perforationen 21 und 22 auf.
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Der Innenraum des durch den Grundkörper gebildeten Profils ist im Wesentlichen ganz mit einer Kunststoffverstärkung 5 ausgefüllt (vorzugsweise eingespritzt). Diese Kunststoffverstärkung 5 kann aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen, z.B. aus Polyamid, Polycarbonat, Polypropylen oder Polyphtalamide (PPA). Vorzugsweise weist die Kunststoffverstärkung 5 zusätzlich Verstärkungsstrukturen 6.1, 6.2 und 6.3 auf. Dabei kann der thermoplastische Kunststoff mittels Partikeln oder Fasern verstärkt sein. Als Faserwerkstoff zur Verstärkung kommt insbesondere Glas, Basalt-, Aramid oder Kohlenstoff in Betracht. Diese Fasern können als Partikel, Kurzfasern, Langfasern, Endlosfasern und/oder in einer Kombination daraus Anwendung finden.
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Die abstehenden Bereiche 3 bzw. 4 des Metallblech-Stabilisierungskörpers 2 sind dabei von der stabilisierenden Kunststoffverstärkung 6.1 bzw. 6.3 komplett umschlossen. Die Versteifungsstruktur 6.2 der Kunststoffverstärkung 5 ist als rippenartiges Gebilde (Versteifungsrippe) ausgeformt; sie dient in erster Linie zur Versteifung des Profilquerschnitts, wobei die Verstärkungsstruktur 6.1, 6.2, 6.3 dabei vorzugsweise entsprechend der vom Verbund-Bauteil VB geforderten Kraftaufnahme und Steifigkeit ausgerichtet sein sollte.
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Um zusätzlich zu der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Metallblech-Körpern 1 und 2 und der Kunststoffverstärkungen 5, 6.1, 6.2 und 6.3 eine weitere Stabilisierung bzw. Haftung des Verbund-Bauteils VB erreichen zu können, können in den Metallblech-Stabilisierungskörper 2 Perforationen 21 bzw. 22 eingebracht werden, die beim Einspritzen der Kunststoffverstärkung 5 bzw. der Verstärkungsstruktur 6.1, 6.2, 6.3 vom jeweiligen Material durchdrungen bzw. ausgefüllt werden und somit zusätzlich zu einem Stoffschluss zwischen den einzelnen Bauteilen des Verbund-Bauteils VB einen Formschluss zwischen Metallblech-Stabilisierungskörper 2 und der Kunststoffverstärkungen 5, 6.1, 6.2 und 6.3 herstellen.
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Die Perforationen 21 bzw. 22 sind vorzugsweise in Rundungs- bzw. Kanten-Bereichen unter Bildung von Hohlräumen zwischen dem Metallblech-Grundkörper 1 und dem Metallblech-Stabilisierungskörper 2 zum Einbringen von Kunststoff 5 bzw. 6.1, 6.2, 6.3 gelegt.
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In 3 ist eine alternative Anordnung einer (oder auch mehrerer) Perforationen 23 gezeigt. Dabei ist der Metallblech-Stabilisierungskörper 2 im Bereich der Perforation 23 mit einer diese umgebenden Einprägung 24 versehen. Der durch die Perforation 23 durchdringende Kunststoff 5, 6.1, 6.2, 6.3 erzeugt so einen Formschluss zwischen Metallblech und Kunststoff.
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Die 2 und 4 zeigen bei im Wesentlichen übereinstimmend aufgebauten Grundprofil wie in den 1 und 3 einen alternativen Aufbau hinsichtlich der Verstärkungsstruktur des Profils: Ein Metallblech-Grundkörper 1 ist wiederum mit einem Metallblech-Stabilisierungskörper 2 durch Schweißen, Kleben und/oder mechanisches Fügen fest aneinander anliegend verbunden. Zur zusätzlichen Stabilisierung wird in das Profil ein Organoblech 9 – angepasst an den Konturenverlauf der Bleche 1 bzw. 2 – eingebracht. Der Prozess der Einbringung des Organoblechs 9 in die Profilstruktur wird im Folgenden im Zusammenhang mit den Verfahren zum Aufbau eines erfinderischen Bauteils beschrieben.
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Das Bauteil nach 2 bzw. 4 entspricht wiederum im Wesentlichen in seinem Aufbau dem zuvor beschriebenen Aufbau eines Bauteils nach 1 bzw. 3. Zur zusätzlichen Stabilisierung ist in beiden Ausführungsformen ein Organoblech 9, das in seiner Kontur der Kontur dem Metallblech-Stabilisierungskörper 2 entsprechend gestaltet ist, an den Verbund aus Metallblech-Grundkörper 1 und Metallblech-Stabilisierungskörper 2 angepasst befestigt. Zusätzlich sind wie bei den Ausführungsbeispielen nach 2 bzw. nach 4 in den Stabilisierungskörper 2 Perforationen 21, 22, bzw. 23 eingebracht, über die eine formschlüssige Verbindung zwischen Stabilisierungskörper 2 und Kunststoffverstärkung 5 bzw. 6.1, 6.2 durch das Einspritzen von Kunststoff in die Perforationen 21, 22, 23 erreicht wird. Die Perforationen 21, 22, 23 können kongruent auch im Organoblech 9 angebracht sein, so dass sowohl zwischen Stabilisierungskörper 2 und dem Organoblech 9 sowie der Kunststoffverstärkung 5 bzw. 6.1, 6.2 eine formschlüssige Verbindung entsteht.
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Die Ausführungsbeispiele in den 5 und 6 entsprechen im Hinblick auf den Aufbau des Verbund-Bauteils den Ausführungsbeispielen, die anhand der 1 und 2 gezeigt und vorstehend beschrieben worden sind. Zusätzlich ist hier dargestellt, wie das Verbund-Bauteil nach der Erfindung im Querschnitt zu einer A-Säule eines Kraftfahrzeugs komplettiert werden kann. Dazu wird außenseitig auf das Bauteil nach 1 als Verkleidung ein Außenhautblech 10 befestigt, z.B. durch Schweißen und/oder Aufkleben o.ä. Auf der dem Passagierraum zugewandten Innenseite wird ein Schließblech 11 aufgebracht und ebenfalls durch z.B. Kleben und/oder Schweißen befestigt. Ansonsten entspricht der Aufbau dem Aufbau des Verbund-Bauteils VB, wie es vorstehend im Einzelnen beschrieben worden ist.
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Die 7 bzw. 8 zeigen entsprechend die vorstehend anhand der 3 und 4 beschriebenen Ausführungen eines Verbund-Bauteils VB nach der Erfindung. Wie anhand der 5 und 6 beschrieben, ist dabei das dem Grundaufbau des Bauteils entsprechende Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 durch das Aufbringen von Außenhautblech 10 und Schließblech 11 zu einer Komplettkonstruktion einer A-Säule eines Kraftfahrzeugs vervollständigt.
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Zur seriellen Herstellung des Verbund-Bauteils VB nach der Erfindung sind verschiedene Verfahren denkbar. Nach dem Formen der Metallblech-Grundkörper 1 bzw. des Metallblech-Stabilisierungskörpers 2 können diese durch Schweißen, Kleben und/oder mechanisches Fügen bleibend zusammengebracht werden.
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Zweckmäßig kann es sein, zumindest die Bereiche der Metallbleche 1 bzw. 2 für das Aufbringen der Kunststoffverstärkung 5 vor oder auch nach deren Verbinden in bekannter Weise mit einem Primer und/oder einem Haftvermittler vorzubehandeln. Anschließend kann dieser Metallblech-Verbund 1, 2 in ein entsprechendes Werkzeug einer Kunststoff-Spritzgussmaschine eingelegt werden und es erfolgt das Einspritzen der Kunststoffverstärkung 5 bzw. 6.1, 6.2, 6.3 auf bzw. um die vorgesehenen Bereiche (insbesondere Bereiche 3 und 4) und/oder in die Perforationen 21, 22 bzw. 23 bzw. Einprägungen 24 im Stabilisierungskörper 2 bzw. im Organoblech 9.
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Das Verfahren zur Herstellung von Verbund-Bauteilen nach den 2, 4, 6 und 8 kann wie folgt ablaufen:
- – Erwärmung eines Faser-Kunststoff-Verbundhalbzeugs (Organoblech 9) aus einem Thermoplast, verstärkt mit Endlosfasern;
- – Einlegen des erwärmten Organoblechs 9 in das Werkzeug einer Spritzgussmaschine;
- – Schließen der Spritzgussmaschine bzw. des Werkzeugs mit gleichzeitigem Umformen des erwärmten Organoblechs 9 in den Konturenverlauf des Metallblech-Verbunds 1, 2;
- – Einspritzen der Kunststoffverstärkung 5 in den durch den Metallblech-Verbund 1, 2 gebildeten Innenraum des Profils und in die vorgesehenen Perforationen 21, 22, 23 bzw. Einprägungen 24 im Stabilisierungskörper 2 bzw. im Organoblech 9.
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Eine Variante dieses Verfahrens zum Aufbau eines Verbund-Bauteils ergibt sich dadurch, dass anstelle des Spritzgussprozesses eine Pressmasse aus thermoplastischem Kunststoff, verstärkt mit Kurz- oder Langfasern in die Presse bzw. in das Werkzeug der Presse eingelegt wird und daraus unter Druck die Kunststoffverstärkung 5, ggf. auch mit der Verstärkungsstruktur 6.1, 6.2, 6.3 (dichtere Faseranordnung) gebildet wird.
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Der Aufbau einer Verbundstruktur, die neben dem Metallblech-Grundkörper 1 und dem Metallblech-Stabilisierungskörper 2 sowohl ein Organoblech 9 als auch eine Kunststoffverstärkung 5 mit Verstärkungsstruktur 6.1, 6.2 und 6.3 aufweist, kann in einem kombinierten Verfahrensablauf wie folgt erzeugt werden:
- – Erwärmen eines Organoblechs 9 und Einlegen in das Werkzeug einer Presse;
- – Extrudieren einer Pressmasse aus thermoplastischem Kunststoff, kurz- und/oder langfaserverstärkt, und Einlegen der Pressmasse in die Presse;
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Schließen der Presse bzw. des Presswerkzeugs mit gleichzeitigem Umformen des Organoblechs 9 und dessen Anpassung an die Innenstruktur des Metallblech-Verbunds 1, 2 und gleichzeitigem Urformen der Kunststoffverstärkung 5, 6.1, 6.2, 6.3 aus der thermoplastischen Pressmasse.
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Mit einem Aufbau eines Verbund-Bauteils VB nach der Erfindung nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren ist neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung gegenüber konventionellen Bauweisen von Bauteilen in Tragstrukturen in einem Kraftfahrzeug neben einer sehr kostengünstigen Herstellung, die auch für den Großserieneinsatz tauglich ist, eine hohe oder höchste Belastbarkeit erreichbar. Dabei kann der Aufbau des Verbund-Bauteils VB bzw. die Anordnung der Verstärkungsstruktur 6.1, 6.2, 6.3 den jeweiligen Anforderungen in einem Kraftfahrzeug individuell angepasst werden. Mit einer solchen Konstruktion können die hohen und ständig steigenden Anforderungen an die Crash-Resistenz, wie sie z.B. in den Vorschriften des Insurance Institute for Highway Safety oder auch in U.S. New Car Assessment Program aufgestellt sind erfüllt und übertroffen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19500790 A1 [0003]
- DE 102005003978 A1 [0004]
- DE 102010014504 A1 [0005]
- US 2005/0140173 A1 [0006]
