DE102016207354A1

DE102016207354A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016207354A1
Application number: DE102016207354.0A
Authority: DE
Inventors: Selahattin Türel Memili; Igor LICKO; Raphael Koch
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US20170313000A1; CN107415287A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1, 4) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Karosseriebauteils, welches einen Grundkörper (2) aus einem Metallwerkstoff aufweist, der wenigstens teilweise mit zumindest einem Verstärkungselement (3, 5) aus einem Faserverbundkunststoff versehen ist, umfassend wenigstens die Schritte: – Bereitstellen des Grundkörpers (2); – Bereitstellen des Verstärkungselements (3, 5); – Zusammenfügen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5); und – Gleichzeitiges Erwärmen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5) auf eine Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend hoch gewählt sind, um sowohl den Metallwerkstoff des Grundkörpers (2) als auch den Faserverbundkunststoff des Verstärkungselements (3, 5) auszuhärten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Karosseriebauteils wie zum Beispiel Träger oder Säulen, welches einen Grundkörper aus einem Metallwerkstoff aufweist, der wenigstens teilweise mit zumindest einem Verstärkungselement aus einem Faserverbundkunststoff versehen ist.
Karosserien von Kraftfahrzeugen sollen einerseits eine hohe Verwindungssteifigkeit und Stabilität für den Kraftfahrzeugaufbau bereitstellen. Andererseits ist ein möglichst geringes Gewicht gefordert, um zum Beispiel den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs senken zu können. Seit einiger Zeit rücken daher Strukturbauteile, die als Verbundbauteile aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Metall gebildet sind, in den Mittelpunkt des Interesses. Die hohen mechanischen Eigenschaften in Kombination mit dem geringen Gewicht führen insbesondere im Fahrzeugbau oft zu einer Überlegenheit solcher FVK-Metall-Verbundbauteile gegenüber herkömmlichen Aluminium- bzw. Stahlbauteilen.
Als FVK-Metall-Verbundbauteile ausgebildete Strukturbauteile sowie entsprechende Herstellungsverfahren dieser sind beispielsweise aus der WO 2014/111376 A1 , der DE 10 2012 001 577 A1 , der EP 2 033 849 A1 , der CN 104197790 A , der EP 2 650 108 A1 sowie der US 4 545 105 bekannt. Diesen ist im Wesentlichen gemein, dass ein Metallgrundkörper mit einem faserverstärkten Kunststoff verstärkt wird oder ein faserverstärkter Kunststoff mit Metalleinlegeteilen verstärkt wird. Der faserverstärkte Kunststoff kann hierbei durch Zuführen von Wärme ausgehärtet werden, wobei er zuvor mit dem Metallkörper zusammengefügt wurde, so dass sich nach der Aushärtung des Kunststoffs eine form- und stoffschlüssige Einheit aus Metallkörper und faserverstärktem Kunststoff bildet.
Um dem Metallkörper ferner eine hohe Festigkeit zu verleihen, beispielsweise bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen, ist es allgemein bekannt, diesen einer Wärmebehandlung zu unterziehen, zum Beispiel einer Ausscheidungshärtung (auch „age hardening“) oder einem „bake hardening“.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein technisch sowie hinsichtlich der Dauer und Kosten verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Karosseriebauteils wie zum Beispiel Träger oder Säulen, bereitzustellen. Hierbei soll das Verfahren möglichst wenige Verfahrensschritte zur Herstellung des Strukturbauteils erfordern und ein hochfestes Strukturbauteil mit geringem Gewicht hervorbringen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Karosseriebauteils wie zum Beispiel Träger oder Säulen, das einen Grundkörper aus einem Metallwerkstoff, zum Beispiel Aluminium, Stahl, Magnesium, einer die vorstehenden Metallwerkstoffe umfassenden Legierung und dergleichen, aufweist, der wenigstens teilweise mit zumindest einem Verstärkungselement aus einem Faserverbundkunststoff bzw. einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) versehen ist, wenigstens die folgenden Schritte:

– Bereitstellen des Grundkörpers;
– Bereitstellen des Verstärkungselements;
– Zusammenfügen von Grundkörper und Verstärkungselement; und
– Gleichzeitiges Erwärmen von Grundkörper und Verstärkungselement auf eine Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend hoch gewählt sind, um sowohl den Metallwerkstoff des Grundkörpers als auch den Faserverbundkunststoff des Verstärkungselements auszuhärten.

Auf diese Weise werden im Schritt des gleichzeitigen Erwärmens in vorteilhafter Weise zwei Verfahrensschritte kombiniert und zugleich ausgeführt, nämlich das Aushärten des metallischen Grundkörpers sowie das Aushärten des Faserverbundkunststoffs. Hierdurch werden gleichzeitig sowohl die Festigkeit des metallischen Grundkörpers erhöht als auch die Festigkeit des Faserverbundkunststoffs, der zudem nach dem Aushärten eine form- und/oder stoffschlüssige Einheit mit dem Grundkörper bildet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es folglich möglich, mit wenigen Verfahrensschritten ein hochfestes Strukturbauteil mit geringem Gewicht herzustellen, wodurch sich die Herstellungskosten und die Herstellungsdauer für das Strukturbauteil reduzieren lassen. Der metallische Grundkörper kann aufgrund der durch das Verstärkungselement bewirkten Verstärkung des Grundkörpers eine vergleichsweise geringe und somit gewichtsreduzierende Wandstärke aufweisen.
Unter dem Aushärten des metallischen Grundkörpers ist erfindungsgemäß insbesondere eine Ausscheidungshärtung („age hardening“) oder ein „bake hardening“ zu verstehen. Beide Verfahren erzielen eine Festigkeitssteigerung des Metallwerkstoffs durch Erwärmen desselben. Die Ausscheidungshärtung beruht auf der Ausscheidung von metastabilen Phasen in fein verteilter Form, so dass diese ein wirksames Hindernis für Versetzungsbewegungen darstellen und somit die Festigkeit des Metallwerkstoffs erheblich erhöhen. Beim Bake-hardening steigt die Festigkeit des Metallwerkstoffs durch das Anlagern von Kohlenstoffatomen an Versetzungen. Das Bake-hardening kann beispielsweise auch gleichzeitig mit dem Einbrennen eines Lackes in den Metallwerkstoff erfolgen, sofern ein solcher vorzusehen ist. Vorzugsweise wird der Metallwerkstoff zum Aushärten auf eine Temperatur von etwa 200 °C erwärmt.
Bevorzugt sind in dem Faserverbundkunststoff Fasern aus Glas, Karbon, Aramid und dergleichen eingebettet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt des Bereitstellens des Grundkörpers das Formen des Grundkörpers in eine gewünschte Form. Somit kann der metallische Grundkörper vor dem Zusammenfügen mit dem Verstärkungselement bereits vorgeformt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schritt des Bereitstellens des Verstärkungselements das Vorimprägnieren von Verstärkungsfasern mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix umfasst. Die Matrix umgibt die Fasern, zum Beispiel Glas-, Karbon, Aramidfasern und dergleichen, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Hierdurch lässt sich ein Verstärkungselement geringen Gewichts mit hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten erzielen, wobei sich diese Eigenschaften durch den Verbund mit dem metallischen Grundkörper auf das herzustellende Strukturbauteil übertragen lassen.
Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt des Zusammenfügens das Aneinanderpressen von Grundkörper und Verstärkungselement, so dass das Verstärkungselement nach dem Aneinanderpressen wenigstens abschnittsweise eine mit dem Grundkörper korrespondierende Formgebung aufweist, wodurch sich die Festigkeitseigenschaften des Strukturbauteils noch weiter verbessern lassen.
Um nach dem Zusammenfügen von Grundkörper und Verstärkungselement eine relative Verschiebung zwischen diesen zu verhindern, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Schritt des Zusammenfügens das zumindest lokale und temporäre Befestigen des Verstärkungselements am Grundkörper umfasst. Die Befestigung kann beispielsweise stoffschlüssig erfolgen, indem beispielsweise vor dem Zusammenfügen von Grundkörper und Verstärkungselement ein Klebstoff auf den Grundkörper und/oder das Verstärkungselement aufgetragen wird, um nach dem Zusammenfügen von Grundkörper und Verstärkungselement eine stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen zu bilden. Die Befestigung des Verstärkungselements am Grundkörper kann zusätzlich oder alternativ auch mittels wenigstens eines Form- und/oder Kraftschlusselements erfolgen. Dieses kann zum Beispiel am Verstärkungselement selbst, beispielsweise in Form eines Clips, Hakens und dergleichen, und/oder auch am Grundkörper vorgesehen sein, um nach dem Zusammenfügen einen Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem Grundkörper und dem Verstärkungselement zu bilden. Auf jeden Fall ist so ein relatives Verschieben vermieden. Die Form- und/oder Kraftschlusselemente können nach der gemeinsamen Wärmebehandlung entfernt werden.
Nach der Wärmebehandlung ist der Grundkörper mit dem Verstärkungselement verbunden, so dass ein separater Verbindungsprozess vermieden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird. In den Figuren zeigen schematisch:
1 mehrere perspektivische Ansichten eines Vorgangs zum Zusammenfügen eines Grundkörpers aus einem Metallwerkstoff mit einem Verstärkungselement aus einem Faserverbundkunststoff, um ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strukturbauteils gemäß der Erfindung zu erhalten und
2 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Strukturbauteils gemäß der Erfindung mit Form- und/oder Kraftschlusselementen.
In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strukturbauteils 1 gemäß der Erfindung dar. Insbesondere stellt 1 eine Abfolge mehrerer perspektivischer Ansichten A bis H eines Vorgangs zum Zusammenfügen eines Grundkörpers 2 aus einem Metallwerkstoff mit einem Verstärkungselement 3 aus einem Faserverbundkunststoff (FVK) dar, um das Strukturbauteil 1 gemäß der Erfindung zu erhalten.
In der Ansicht A der 1 werden der vorgeformte metallische Grundkörper 2 und das ungeformte Verstärkungselement 3, das eine Vielzahl an in einer duroplastischen Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern aufweist, jeweils bereitgestellt. In den nachfolgenden Ansichten B bis H werden der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 derart zusammengefügt bzw. aneinandergepresst, dass das Verstärkungselement 3 nach dem Aneinanderpressen eine mit dem Grundkörper 2 korrespondierende Formgebung aufweist, wie in Ansicht H dargestellt ist.
Nach dem Zusammenfügen wird das in der Ansicht H dargestellte Strukturbauteil 1 erwärmt, so dass gleichzeitig der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 3 auf eine Temperatur und für eine Zeitdauer erwärmt werden, die ausreichend hoch gewählt sind, um sowohl den Metallwerkstoff des Grundkörpers 2 als auch den Faserverbundkunststoff des Verstärkungselements 3 auszuhärten. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung des Strukturbauteils, zum Beispiel in einem Autoklav oder einem Ofen, eine Temperatur von etwa 200 °C umfassen. Nach dem Aushärten des Verstärkungselements 3 ist dieses mit dem Grundkörper 2 verbunden. Idealer Weise ist eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung erstellt. Dabei dient die Matrix bzw. das Harz quasi als Klebstoff zwischen dem Grundkörper und dem Verstärkungselement.
2 stellt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Strukturbauteils 4 gemäß der Erfindung dar. Bei dem gezeigten Strukturbauteil 4 wurde ein Verstärkungselement 5, nachdem es mit dem metallischen Grundkörper 2 zusammengefügt wurde, mit Hilfe mehrerer Form- und/oder Kraftschlusselemente 6, hier als clipförmige Elemente 6 dargestellt, temporär form- und/oder kraftschlüssig mit dem Grundkörper 2 verbunden, das heißt an diesem lagesicher befestigt, um zu verhindern, dass sich das Verstärkungselement 5 und der Grundkörper 2 nach dem Zusammenfügen und vor dem gleichzeitigen Erwärmen relativ zueinander verschieben können. Nach dem Aushärten des Verstärkungselements 5 ist dieses form- und/oder stoffschlüssig mit dem Grundkörper 2 verbunden.
Alternativ oder zusätzlich zu den Form- und/oder Kraftschlusselementen 6 kann das Verstärkungselement 5 während des Zusammenfügens auch mit Hilfe eines Klebstoffs an dem Grundkörper 2 lagesicher befestigt werden. Hierzu wird in bevorzugter Weise vor dem Zusammenfügen von Grundkörper 2 und Verstärkungselement 5 auf letzteres ein Klebstoff aufgetragen. Durch den Klebstoff sind der Grundkörper 2 und das Verstärkungselement 5 auch schon vor dem gemeinsamen Aushärten stoffschlüssig miteinander verbunden.
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen.
In bevorzugter Ausführung wird das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Strukturbauteil als Karosseriebauteil, zum Beispiel als Kraftfahrzeug-B-Säule, in einem Kraftfahrzeug verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Strukturbauteil
2: Grundkörper aus Metallwerkstoff
3: Verstärkungselement aus Faserverbundkunststoff
4: Strukturbauteil
5: Verstärkungselement
6: Form- und/oder Kraftschlusselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/111376 A1 [0003]
DE 102012001577 A1 [0003]
EP 2033849 A1 [0003]
CN 104197790 A [0003]
EP 2650108 A1 [0003]
US 4545105 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1, 4) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Karosseriebauteils, welches einen Grundkörper (2) aus einem Metallwerkstoff aufweist, der wenigstens teilweise mit zumindest einem Verstärkungselement (3, 5) aus einem Faserverbundkunststoff versehen ist, umfassend wenigstens die Schritte: – Bereitstellen des Grundkörpers (2); – Bereitstellen des Verstärkungselements (3, 5); – Zusammenfügen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5); und – Gleichzeitiges Erwärmen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5) auf eine Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend hoch gewählt sind, um sowohl den Metallwerkstoff des Grundkörpers (2) als auch den Faserverbundkunststoff des Verstärkungselements (3, 5) auszuhärten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens des Grundkörpers (2) das Formen des Grundkörpers (2) in eine gewünschte Form umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens des Verstärkungselements (3, 5) das Vorimprägnieren von Verstärkungsfasern mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Zusammenfügens das Aneinanderpressen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5) umfasst, so dass das Verstärkungselement (3, 5) nach dem Aneinanderpressen wenigstens abschnittsweise eine mit dem Grundkörper (2) korrespondierende Formgebung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Zusammenfügens das zumindest temporäre lagesichere Befestigen des Verstärkungselements (3, 5) am Grundkörper (2) umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zusammenfügen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5) ein Klebstoff auf das Verstärkungselement (3, 5) aufgetragen wird, um nach dem Zusammenfügen von Grundkörper (2) und Verstärkungselement (3, 5) und vor dem gemeinsamen Aushärten eine stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen zu bilden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (5) mittels wenigstens eines Form- und/oder Kraftschlusselements (6) zumindest temporär am Grundkörper (2) lagesicher befestigt wird.