DE102016102253A1 - Component, in particular for a support structure in a motor vehicle and method for its construction - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für eine Tragstruktur in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus mindestens einem Metallblech-Grundkörper (1), mindestens einem Metallblech-Stabilisierungskörper (2) und mindestens einer diesen Metallblechen (1, 2) zugeordneten Kunststoffverstärkung (5), wobei der Metallblech-Stabilisierungskörper (2) fest verbunden ist in zumindest zwei am Metallblech-Grundkörper (1) unmittelbar anliegenden Bereichen und zwischen diesen Bereichen zumindest einem Bereich aufweist, der vom Metallblech-Grundkörper (1) beabstandet ist und mit diesem einen Hohlraum zwischen den Metallblechen (1, 2) bildet, der von der Kunststoffverstärkung (5) zumindest teilweise ausfüllbar ist, sowie Verfahren zum Aufbau eines Verbundbauteils.The invention relates to a component, in particular for a support structure in a motor vehicle, comprising at least one metal sheet base body (1), at least one metal sheet stabilization body (2) and at least one plastic reinforcement (5) associated with said metal sheets (1, 2) the metal sheet stabilizing body (2) is firmly connected in at least two areas directly adjacent to the sheet metal base body (1) and between these areas at least a region which is spaced from the sheet metal base body (1) and with this a cavity between the metal sheets (1, 2), which is at least partially fillable by the plastic reinforcement (5), as well as methods for building a composite component.
Description
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. The invention relates to a component, in particular a component for a support structure in a motor vehicle. This component consists of at least one metal sheet base body, at least one metal sheet stabilization body and at least one plastic reinforcement associated with these metal sheets, wherein the metal sheet stabilization body is firmly connected in regions directly adjoining the metal sheet main body and has regions protruding from these regions Plastic reinforcement are encompassed and wherein in areas of the metal sheet stabilization body of the plastic reinforcement permeable perforations are introduced.
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. From serial production motor vehicle composite components are known which consist of relatively thin-walled metal sheets and molded or attached to these plastic components. With such components - especially in support structures of vehicles - weight should be saved while maintaining the strength or stability, e.g. against buckling or torsional forces.
So zeigt und beschreibt z.B. die
Aus der
Die
Die
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. The invention is based on the object of providing a component which is particularly resilient in terms of crash resistance and has a significantly lower weight compared to a conventional design and which can be adapted to the requirements of individual vehicle designs in as wide a range as possible in terms of its design.
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. This object is achieved by the invention in that in a composite component constructed as mentioned above, the perforations are arranged essentially in edge or rounding areas of the metal sheets. The perforations may be enclosed in an alternative embodiment according to the invention of indentations in the sheet metal stabilization body, wherein the indentations form a cavity between the metal sheets.
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. In such a construction, the relatively thin-walled metal sheets on the one hand by joining at low weight with appropriate contouring suitable for higher loads and there is an additional stabilization or stiffening by the applied or the metal parts partially enclosing plastic reinforcement.
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. Such a composite component is particularly suitable for the high loads imposed by e.g. an A-pillar or a B-pillar are exposed in a motor vehicle, especially in the side crash case or in a rollover, suitable in a special way. This is especially true, e.g. for the A-pillar of a convertible or a roadster. Due to the profile design and the multilayer construction of both the inner lining or stiffening with plastic, such a component withstands higher loads than e.g. Components which are only in a multi-part shell construction of e.g. high strength steels exist. At the same time, the construction according to the invention has a low weight and it can be optimally adapted in its cross section to the respective conditions.
In vorteilhafter Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung wird der Metallblech-Grundkörper mit dem Metallblech-Stabilisierungskörper vorzugsweise mittels Schweißen, Kleben oder mechanisches Fügen verbunden. In an advantageous refinement of the subject matter of the invention, the sheet metal base body is preferably connected to the sheet metal stabilization body by means of welding, gluing or mechanical joining.
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. It is furthermore advantageous if the plastic reinforcement is sprayed onto the metal sheet base body and the metal sheet stabilizing body and / or into the perforations and / or indentations while bonding a cohesive connection and the protruding areas of the metal sheet stabilization body and / or the perforations or cavities / Impressions with the plastic reinforcement are injected or ejected.
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. A constructed according to the invention component will usually be executed in its cross section as a whole or a large part closed profile part. Accordingly, it is expedient to substantially fill the interior of the profile formed thereby with the plastic reinforcement. To further increase stability, this plastic reinforcement can form stiffening structures. These stiffening structures may preferably be formed substantially following the profile profile of the sheet metal stabilization part. It is useful to form these stiffening structures as the profile cross-section stabilizing stiffening ribs.
Die Kunststoffverstärkung kann in ihren an den Metallblechen anliegenden Bereichen stoffschlüssig auf die Metallbleche aufgebracht sein. The plastic reinforcement may be applied cohesively to the metal sheets in their areas adjacent to the metal sheets.
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. It is particularly expedient to use a thermoplastic, preferably polyamide, polycarbonate, polypropylene or polyphthalamide (PPA) for the plastic reinforcement. In particular, glass, basalt, aramid and / or carbon fibers are suitable as particle or fiber reinforcement. The fibers can be designed as short fibers, long fibers, continuous fibers. It is also conceivable - e.g. depending on the loads to be absorbed - to use particle and / or fiber combinations for plastic reinforcement.
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. A particularly preferred embodiment of the subject invention at correspondingly high loads results from the fact that the composite of sheet metal base and metal sheet stabilization body is additionally stabilized by the addition of an organic sheet (= continuous fiber reinforced thermoplastic fiber composite material), wherein the organo sheet of the contour of the sheet metal Stabilizing body is executed substantially in accordance with and is preferably connected to this materially.
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.
- - Forming the sheet metal base body;
- - Forming the sheet metal stabilization body;
- - joining the metal sheets by welding, gluing and / or mechanical joining;
- - Inserting the metal sheet composite in a plastic injection molding machine;
- - Injection of the plastic reinforcement on or around the intended areas and / or in the perforations in the metal sheet stabilizing body or on the metal sheet composite.
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. The invention further relates to an alternative method for constructing a hybrid component, in which an endless fiber reinforced thermoplastic fiber-plastic composite semifinished product (= organo sheet) heated and placed in the heated state in an injection molding machine and reshaped added to the sheet metal composite and with the plastic reinforcement is injected or encapsulated.
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. The invention further relates to a third alternative method for constructing a hybrid component, in which a short- or long-fiber-reinforced thermoplastic molding compound is connected or enclosed in a press with the metal sheet composite parts.
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. Finally, the invention relates to a further variant of a method for constructing a hybrid component, in which an endless fiber reinforced thermoplastic fiber-plastic composite semi-finished product is brought together in a press with a short- or long-fiber reinforced thermoplastic molding compound and bonded to the sheet metal structure ,
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. Insofar as the composite component as a profile is not already completely closed or largely closed, the open, e.g. the inner areas of an A-pillar of a motor vehicle are completed by a strike plate. However, this strike plate can readily be an integral part of the composite structure according to the invention.
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. Advantages, features and details of the subject matter of the invention will become apparent from the following description of several preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations shown below in the figures of the drawing can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention hereby.
Die Zeichnung zeigt in den
Für gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnungen werden zum besseren Verständnis der Erfindungsmerkmale jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. For identical components in the figures of the drawings, the same reference numerals are used to better understand the inventive features.
In
Der Innenraum des durch den Grundkörper gebildeten Profils ist im Wesentlichen ganz mit einer Kunststoffverstärkung
Die abstehenden Bereiche
Um zusätzlich zu der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Metallblech-Körpern
Die Perforationen
In
Die
Das Bauteil nach
Die Ausführungsbeispiele in den
Die
Zur seriellen Herstellung des Verbund-Bauteils VB nach der Erfindung sind verschiedene Verfahren denkbar. Nach dem Formen der Metallblech-Grundkörper
Zweckmäßig kann es sein, zumindest die Bereiche der Metallbleche
Das Verfahren zur Herstellung von Verbund-Bauteilen nach den
- – 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 indie vorgesehenen Perforationen 21 ,22 ,23 bzw.Einprägungen 24 im Stabilisierungskörper 2 bzw.im Organoblech 9 .
- - Heating of a fiber-plastic composite semi-finished product (organic sheet
9 ) made of a thermoplastic reinforced with continuous fibers; - - Insert the heated
organic sheet 9 in the mold of an injection molding machine; - - Closing of the injection molding machine or the tool with simultaneous forming of the heated
organic sheet 9 in the contours of themetal sheet composite 1 .2 ; - - Injection of the
plastic reinforcement 5 in through themetal sheet composite 1 .2 formed interior of the profile and in the intendedperforations 21 .22 .23 orimprints 24 in the stabilizingbody 2 or inorganic sheet 9 ,
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
Der Aufbau einer Verbundstruktur, die neben dem Metallblech-Grundkörper
- –
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;
- - Heating an
organic sheet 9 and inserting into the tool of a press; - - Extruding a molding compound of thermoplastic material, short and / or long fiber reinforced, and inserting the molding compound in the press;
Schließen der Presse bzw. des Presswerkzeugs mit gleichzeitigem Umformen des Organoblechs
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 2005/0140173 A1 [0006] US 2005/0140173 A1 [0006]
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