-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Querkammern aufweisenden lang gestreckten Hohlprofilbauteils aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff. Die Erfindung betrifft ferner einen hiermit hergestellten Seitenschutz für ein Kraftfahrzeug, der als Querkammern aufweisendes Hohlprofilbauteil aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist.
-
Unter einem Hohlprofilbauteil wird ein lang gestrecktes Bauteil verstanden, welches nicht massiv, sondern mit Hohlquerschnitten bzw. Hohlkammern ausgebildet ist. Bei einem Hohlprofilbauteil betreffender Art verlaufen die Hohlkammern aber nicht in Längsrichtung, sondern sind quer zur Längs- bzw. Hauptrichtung des Bauteils ausgebildet. Solche Hohlkammern werden im Sinne der Erfindung als Querkammern bezeichnet.
-
Ein derartiges Bauteil ist aus der
DE 10 2011 004 249 A1 bekannt. Das vorbekannte Bauteil ist aus einem Faserverbund gebildet und weist Fasern auf, die in einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind. Die Herstellung des vorbekannten Bauteils kann dadurch erfolgen, dass in mindestens eine Hälfte eines offenen Spritzgießwerkzeugs die Fasern und der thermoplastische Kunststoff als beispielsweise plattenförmiges oder profilförmiges Vorprodukt, das bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug Hohl- und/oder Freiräume bildet, teigig erwärmt eingelegt und danach das erwärmte Spritzgießwerkzeug geschlossen wird, worauf das Spritzgießwerkzeug einen zusätzlichen thermoplastischen Kunststoff in die Hohl- und/oder Freiräume einspritzt, und danach das Spritzgießwerkzeug geöffnet und das Faserverbund-Bauteil dem Spritzgießwerkzeug entnommen wird. Der eingespritzte thermoplastische Kunststoff bildet bspw. zusätzliche Bereiche des Faserverbund-Bauteils oder auch Versteifungsrippen.
-
Die
DE 10 2014 205 231 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturformteils umfassend die Schritte:
- • Umformen von einem oder mehreren Organoblechteilen mit jeweils mindestens einer Kante,
- • Einlegen und Anordnen des oder der vorgeformten Organoblechteile in einem Spritzgusswerkzeug,
- • Schließen des Spritzgusswerkzeugs und
- • mindestens teilweises miteinander Verbinden des oder der Organoblechteile an den Kanten durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials, insbesondere eines thermoplastischen faserhaltigen Kunststoffmaterials.
-
Die
DE 10 2014 104 294 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte a) Erzeugen einer Verstärkungsstruktur des Strukturbauteils mit einer Anzahl von Verstärkungsrippen oder dergleichen Verstärkungsmitteln durch Spritzgießen einer ersten Kunststoffkomponente in einer ersten Kavität eines Spritzgusswerkzeugs, wodurch ein Vorspritzling erzeugt wird, b) Überführen des im Schritt a) erzeugten Vorspritzlings in eine zweite Kavität des Spritzgusswerkzeugs, c) Erzeugen zumindest eines Teils einer Außenstruktur des Strukturbauteils durch Spritzgießen einer zweiten Kunststoffkomponente in der zweiten Kavität des Spritzgusswerkzeugs.
-
Die
DE 101 43 564 A1 offenbart ein Hohlprofilverbundbauteil umfassend mindestens einen Verbundformkörper, welcher eine Folienschicht und ein hinterspritztes Kunststoffmaterial umfasst, und mindestens einen Kunststoffformkörper, bei dem der Kunststoffformkörper über mindestens zwei Rippen oder mindestens eine umlaufende Rippe mit dem hinterspritzten Kunststoffmaterial verbunden ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofilbauteils mit Querkammern anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen erfindungsgemäß hergestellten Seitenschutz für ein Kraftfahrzeug. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Querkammern aufweisenden Hohlprofilbauteils aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff umfasst die Schritte:
- - Platzieren bzw. Einlegen von wenigstens zwei vorgefertigten, flächigen und biegesteifen FVK-Einlegern in der Kavität eines geöffneten Spritzgießwerkzeugs, derart, dass diese in der späteren Entformungsrichtung des herzustellenden Hohlprofilbauteils ausgerichtet sind und dass zwischen wenigstens zwei beabstandeten FVK-Einlegern ein Zwischenraum besteht;
- - Schließen des Spritzgießwerkzeugs;
- - Einspritzen eines thermoplastischen Kunststoffs (in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs), wobei im Zwischenraum stegartige bzw. wandartige Verbindungselemente erzeugt werden, die die beabstandeten FVK-Einleger unter Ausbildung von Querkammern miteinander verbinden und die ebenfalls in der Entformungsrichtung ausgerichtet sind;
- - (nach dem Abkühlen) Öffnen des Spritzgießwerkzeugs und Entformen des Hohlprofilbauteils, wobei aufgrund der in Entformungsrichtung ausgerichteten Flächen ein problemloses Entnehmen möglich ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also die Verwendung flächiger, d. h. flacher oder blattartiger FVK-Einleger vor, die in Entformungsrichtung des herzustellenden Hohlprofilbauteils in das Spritzgießwerkzeug eingelegt werden, so dass deren Flächennormalenvektoren senkrecht zur Entformungsrichtung ausgerichtet sind, und aus denen dann durch Anspritzen von Trennstegen bzw. Trennwänden ein stabiles Hohlprofilbauteil bzw. Mehrkammerprofilbauteil mit Querkammern erzeugt wird.
-
FVK-Einleger im Sinne der Erfindung sind flächig (s. o.) ausgebildete Einlagen bzw. Einsätze aus Faserverbundkunststoff, die aus Verstärkungsfasern und einer thermoplastischen Matrix gebildet sind. Die Verstärkungsfasern sind insbesondere Kohlenstoff-, Glas- oder Kunstfasern. Bevorzugt handelt es sich um Lang- oder Endlosfasern, gegebenenfalls auch Kurzfasern, die zumindest bereichsweise ein gegebenenfalls auch mehrlagiges Gewebe, Gewirke, Vlies oder dergleichen bilden, das mit einer thermoplastischen Matrix imprägniert und insbesondere bereits vorkonsolidiert ist. Die verwendeten FVK-Einleger sind biegesteif und dadurch im Gegensatz zu biegeschlaffen Einlegern unter Eigenlast formbeständig. Die vorgefertigten FVK-Einleger weisen also eine globale bzw. generelle Biegesteifigkeit auf. Die FVK-Einleger werden vorgefertigt, z. B. durch vorausgehende Herstellung oder durch Zuschnitt aus entsprechenden Halbzeugen, wozu bspw. auch FVK-Laminate, UD-Tapes und Organobleche gehören können.
-
Die erfindungsgemäße Herstellung eines Mehrkammerprofils mit Querkammern erfolgt kostengünstig in einem Werkzeughub bzw. in einem Arbeitsgang (One-Shot-Technologie). Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein diskontinuierliches Herstellverfahren, das sich grundlegend von kontinuierlichen Herstellverfahren (bspw. Strangpressen, Pultrusion, Wickeln, Flechten, Extrusion, etc.) unterscheidet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung geometrisch komplexerer Hohlprofilbauteile mit Querkammern, ohne dass hierfür zwingend Gießkerne, Werkzeugschieber oder dergleichen erforderlich sind. Die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise automatisiert und insbesondere vollautomatisiert ausgeführt.
-
Bei der thermoplastischen Matrix des FVK-Einlegers und/oder bei dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoff handelt es sich bspw. um Polypropylen (PP), Polyamid (PA) oder dergleichen. Der eingespritzte thermoplastische Kunststoff kann faserverstärkt sein.
-
Die Verbindungselemente zwischen den FVK-Einlegern können jede geeignete Gestalt aufweisen. Die Verbindungselemente können, zumindest abschnittsweise, auch als Kreuzverrippung oder dergleichen ausgebildet werden, mit der die Entformung des Hohlprofilbauteils ungehindert möglich ist. Bei anderen Herstellungsverfahren ist die Entformung mitunter aufwändiger, da bspw. zuerst Werkzeugschieber zurückgefahren werden müssen.
-
Die vorgefertigten FVK-Einleger sind bevorzugt eben ausgebildet (2-D-Kontur), woraus viele Vorteile resultieren. Wenigstens einer der vorgefertigten FVK-Einleger kann durch eine entsprechende urformende Herstellung oder umformende Verarbeitung (d. h. der bzw. die betreffenden FVK-Einleger werden in einem vorangehenden Schritt vorgeformt) eine räumliche Form aufweisen, womit insbesondere eine einfache bzw. eindimensionale Krümmung gemeint ist (2,5-D-Kontur), die der leichten Entformung nicht entgegensteht. Der oder die FVK-Einleger können z. B. ein Welleprofil oder dergleichen aufweisen, wodurch bei gleichem Bauraum bspw. die Stabilität und/oder das Crash-Verhalten des Hohlprofilbauteils verbessert ist.
-
Wenigstens einer der vorgefertigten FVK-Einleger kann vor dem Platzieren im Spritzgießwerkzeug zumindest lokal auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur (relevant für amorphe Thermoplaste) oder Schmelzetemperatur (relevant für teilkristalline Thermoplaste) erwärmt werden, um die Verbindung mit dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoff zu verbessern. Die oben beschriebene Biegesteifheit bleibt dabei erhalten, so dass der FVK-Einleger in Entformungsrichtung im Spritzgießwerkzeug bzw. dessen Kavität platziert werden kann. Die Erwärmung kann z. B. mittels IR-Strahler oder Heißgas erfolgen.
-
Um die Verbindung mit dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoff zu verbessern kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens einer der vorgefertigten FVK-Einleger vor dem Platzieren im Spritzgießwerkzeug lokal an den Verbindungsstellen zu den stegartigen Verbindungselementen angeschmolzen wird (d. h. lokale Erwärmung über die Schmelzetemperatur), insbesondere nur oberflächlich, wodurch die generelle Biegesteifigkeit des FVK-Einleger nicht beeinträchtigt wird. Das Anschmelzen kann z. B. mittels IR-Strahler oder Heißgas erfolgen.
-
Wenigstens einige der vorgefertigten FVK-Einleger können mit Formschlusselementen, wie bspw. eingeformte Vertiefungen oder eingestanzte Löcher, ausgebildet sein, so dass sich beim Spritzgießen eine formschlüssige Verbindung mit dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoff ausbilden kann.
-
Ferner können wenigstens einige der vorgefertigten FVK-Einleger zumindest lokal mit einem Haftvermittler versehen sein, um die Verbindung mit dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoff zu verbessern.
-
Beim Spritzgießen können ferner auch Versteifungselemente und/oder Funktionselemente erzeugt werden. Außerdem können in an und für sich bekannter Weise Inserts bzw. Inlays z. B. aus Kunststoff, Gummi, Metall oder Keramik eingegossen werden, die dann bspw. als Krafteinleitungspunkte (z. B. Gewindebuchsen) dienen.
-
Bei dem hergestellten Hohlprofilbauteil kann es sich um ein beliebiges, vorzugsweise lasttragendes (auch Unfalllast tragendes) Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere Karosseriebauteil, handeln. Das Hohlprofilbauteil ist urformend einteilig, d. h. in einem Stück, hergestellt und unterscheidet sich somit hinsichtlich des Herstellungsaufwands, des Leichtbaupotentials und der Festigkeit bzw. Belastbarkeit erheblich von ähnlichen Kunststoffbauteilen, die aus mehreren miteinander verklebten oder verschweißten Einzelteilen gebildet sind. Zumindest in Längsrichtung können die äußere Wandung bzw. die Außenwände und dazwischen in selber Längsrichtung verlaufende Zwischenwände bzw. -böden endlosfaserverstärkte Gurte sein, die aus entsprechenden FVK-Einlegern (mit thermoplastischer Matrix) gebildet sind. Die Gurte bzw. FVK-Einleger sind durch dazwischen (d. h. im Beabstandungszwischenraum) angespritzte stegartige Verbindungselemente (aus wenigstens einem thermoplastischen Kunststoff) miteinander verbunden, wobei durch diese stegartigen Verbindungselemente, gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit Zwischengurten, auch die Querkammern gebildet sind. Bevorzugt ist das Hohlprofilbauteil an einer Seite oder zwei Seiten offen, d. h. ohne Seitenwand/Seitenwände ausgebildet. Diese Bauweise ist neu.
-
Bei diesem Querkammern aufweisenden Hohlprofilbauteil handelt es sich bspw. um einen Seitenschutz für einen Personenkraftwagen. Im Stand der Technik sind solche Seitenschutze aus Aluminiumstrangpressprofilen mit Längskammern gebildet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht schematisch und nicht maßstabsgerecht einen Seitenschutz für einen Personenkraftwagen der als Hohlprofilbauteil mit Querkammern aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
- 2 veranschaulicht die Herstellung des Hohlprofilbauteils aus 1.
- 3 zeigt in einer Schnittansicht in dem in 2 gekennzeichneten Bereich (A-A) verschiedene Ausführungsmöglichkeiten für Verbindungselemente am Hohlprofilbauteil der 1.
-
Bei dem in 1 gezeigten Hohlprofibauteil 100 handelt es sich um einen Seitenschutz für einen Personenkraftwagen, der unter dem Schweller angeordnet werden kann und als Seitenaufprallschutz dient, um bspw. eine im Fahrzeugbodenbereich angeordnete Traktionsbatterie oder einen Kraftstofftank (auch Gastank) zu schützen. Das Hohlprofilbauteil 100 ist aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff hergestellt und weist eine Längs- bzw. Hauptrichtung L auf, die im Wesentlichen in Fahrtrichtung F des Kraftfahrzeugs verläuft. Das Hohlprofilbauteil 100 weist eine umlaufende Wandung auf, die einen Obergurt 120, einen Untergurt 130 und zwei Endstücke 140 umfasst. Ferner weist das Hohlprofilbauteil 100 mehrere neben- bzw. über- und hintereinanderliegende Querkammern 110 auf, die sich quer zur Längsrichtung L erstrecken und durch einen Mittelgurt 150 und trennwandartige Verbindungselemente 160 ausgebildet sind. Der Mittelgurt 150 bildet eine in Längsrichtung L verlaufende Zwischenwand (bzw. einen Zwischenboden). In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Obergurt 120, der Mittelgurt 150 und der Untergurt 130 flächenparallel. Ebenso sind die Endstücke 140 und die flächigen Trennwände 160 flächenparallel. An den Seitenflächen ist das Hohlprofilbauteil 100 offen, d. h. die Querkammern 110 sind beidseitig zugänglich, wobei auch eine ein- oder beidseitig geschlossene Bauweise möglich ist.
-
Das Hohlprofilbauteil 100 wird durch Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt, wobei die in Längsrichtung L verlaufenden Gurte 120, 130 und 150 durch vorgefertigte, flächige und biegesteife FVK-Einleger mit Endlosfasern gebildet werden und die Endstücke 140 sowie die Trennwände 160 aus spritzgegossenem Kunststoff gebildet werden. Prinzipiell können auch die Endstücke 140 aus FVK-Einlegern gebildet sein. Ferner können die FVK-Einleger nicht nur eben ausgebildet sein, sondern eine räumliche Form, bspw. eine Wellenform, aufweisen, wie oben beschrieben.
-
2 zeigt schematisch das für die Herstellung verwendete Spritzgießwerkzeug 200, von dem nur ein Werkzeugteil bzw. eine Werkzeughälfte dargestellt ist. Zur Herstellung des Hohlprofilbauteils 100 werden zunächst wenigstens drei, die Gurte 120, 130 und 150 bildenden FVK-Einleger in der Kavität 210 des geöffneten Spritzgießwerkzeugs 200 platziert und zwar derart, dass diese in der Entformungsrichtung E ausgerichtet sind. Eine konventionelle Drapierung im Spritzgießwerkzeug ist nicht möglich. Daher sind im Spritzgießwerkzeug 200 bzw. dessen Kavität 210 entsprechende Schlitze oder Aussparungen 220 ausgebildet, in die die FVK-Einleger (in bzw. entgegen der Entformungsrichtung E) ganz eingesteckt bzw. eingeschoben werden und dabei aufgrund ihrer Biegesteifigkeit ihre Form behalten. Bevorzugt werden die FVK-Einleger vor dem Einlegen in das Spritzgießwerkzeug 200 erwärmt, wie oben erläutert. Bevorzugt erfolgt nur ein lokales Erwärmen oder Anschmelzen an den Verbindungsstellen 170 (siehe 3a), so dass später der spritzgegossene Thermoplast gut anhaftet.
-
Nach dem Schließen des Spritzgießwerkzeugs 200 wird ein thermoplastischer und gegebenenfalls faserverstärkter Kunststoff in die entsprechend ausgebildete Kavität 210 eingespritzt, wodurch die Endstücke 140 und in den Zwischenräumen zwischen den beabstandeten FVK-Einlegern die stegartigen Verbindungselemente bzw. Trennwände 160 erzeugt werden. Die Kavität 210 ist mit entsprechenden Kavitätsabschnitten ausgebildet, die von dem eingespritzten thermoplastischen Kunststoff ausgefüllt werden. Während des Einspritzvorgangs werden die flächenparallelen FVK-Einleger durch die Aussparungen 220 der Kavität 210 auf Distanz gehalten, so dass sie sich nicht verschieben können und den zuweilen hohen Einspritzdrücken standhalten. Dies gilt insbesondere auch für den wenigstens einen den Mittelgurt 150 bildenden FVK-Einleger, der in der beschriebenen Weise fixiert und beim Spritzgießen abgestützt wird. Durch die angespritzten Trennwände 160 werden einerseits die FVK-Einleger verbunden und gegeneinander stabilisiert. Andererseits werden durch die Trennwände 160 die Querkammern 110 ausgebildet. Die Querkammern 110 werden also erst beim Spritzgießen erzeugt. Die durch Spritzgießen erzeugten Trennwände 160 und Endstücke 140 sind ebenfalls in der Entformungsrichtung E ausgerichtet.
-
Nach dem Abkühlen wird das Spritzgießwerkzeug 200 geöffnet und das in einem Stück hergestellte Hohlprofilbauteil 100 entformt, wie in 2 gezeigt (das Hohlprofilbauteil 100 ist bereits ein Stück weit - nach oben - aus der Kavität 210 herausgeschoben). Das gezeigte Hohlprofilbauteil 100 weist bezüglich der Entformungsrichtung E keine Hinterschnitte auf, so dass dieses problemlos entnommen werden kann. Zumindest sind keine Hinterschnitte zwischen den Gurten 120, 130 und/oder 150 bzw. in den Querkammern 110 vorgesehen, da diese Bereiche mit einem Werkzeugschieber nicht zugänglich sind. An den Außenflächen des Hohlprofilbauteils 100 können beim Spritzgießen Zusatzelemente (Funktionselemente, Versteifungselemente, etc.) angespritzt werden, die auch hinterschnittige Geometrien aufweisen können, da diese Bereiche mittels Werkzeugschieber zugänglich sind. Ferner können die vorgefertigten FVK-Einleger auch hinterschnittig vorgeformt und so im Spritzgießwerkzeug 200 platziert werden, dass nach dem Spritzgießen ein problemloses Entformen möglich ist.
-
3 zeigt zwei Möglichkeiten zur Ausbildung der stegartigen Verbindungselemente bzw. Trennwände 160. Bei der in 3a gezeigten Ausführungsmöglichkeit sind die Trennwände 160 als einfache, geradwandige und senkrecht zu den Gurten 120, 130 und 150 ausgerichtete Verbindungsstege ausgebildet, die mit den FVK-Einlegern stoffschlüssig verbunden sind. Um eine verbesserte Verbindung zu erreichen, sind die Trennwände 160 an den Verbindungsstellen 170 zu den FVK-Einlegern mit Radien bzw. Verrundungen ausgebildet. Bei der in 3b gezeigten Ausführungsmöglichkeit sind zusätzlich als Kreuzverrippung ausgebildete Verbindungselemente 165 vorgesehen.
-
Das beschriebene Spritzgieß-Herstellverfahren ist sehr wirtschaftlich. Das hergestellte Hohlprofilbauteil 100 ist wegen der verwendeten FVK-Einleger mechanisch hoch belastbar und verfügt außerdem über ein recht hohes Energieabsorptionsvermögen (bspw. im Crashfall). Durch die Kombination aus FVK-Einlegern und spritzgegossenen Verbindungselementen wird ein hoher Leichtbaugrad erreicht, ohne dass bei der Herstellung, d. h. im Spritzgießwerkzeug, eine Stabilisierung der FVK-Einleger durch zusätzliche Maßnahmen erforderlich ist (die FVK-Einleger müssen beim Spritzgießen nicht zusätzlich stabilisiert werden, so dass auf Gießkerne, Werkzeugschieber und/oder andere Gegendruckmaßnahmen verzichtet werden kann). Außerdem besteht ein großes Potential zur Funktionsintegration, bspw. durch angespritzte Zusatzelemente, z. B. Dome, Dichtflansche, Anschlussgeometrien zu anderen Bauteilen, etc.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Hohlprofilbauteil
- 110
- Querkammer
- 120
- Obergurt
- 130
- Untergurt
- 140
- Endstück
- 150
- Mittelgurt
- 160
- Verbindungselement, Trennwand
- 165
- Kreuzverrippung
- 170
- Verbindungsstelle
- 200
- Spritzgießwerkzeug
- 210
- Kavität
- 220
- Aussparung
