DE102017122670A1

DE102017122670A1 - Verfahren und Presswerkzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils sowie Hybridbauteil

Info

Publication number: DE102017122670A1
Application number: DE102017122670.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Böttcher; Günter Fortmeier; Frank Höcker; Matthias Körner
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-04
Also published as: US20190100252A1; CN109572076A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Presswerkzeug 2 zur Herstellung Hybridbauteils 1 sowie ein Hybridbauteil 1. Ein Metallbauteil 3 und ein Fasermaterial 7, beispielsweise ein Stack aus Faserwerkstofflagen werden in dem Presswerkzeug 2 zusammengeführt und verbunden. Hierbei wird das Fasermaterial 7 beim Pressvorgang durch Fließpressen dreidimensional zu einem Funktionsbauteil 4 geformt, zumindest teilweise ausgehärtet und unmittelbar mit dem Metallbauteil 3 gefügt. Die Formgebung des Funktionsbauteils 4 aus faserverstärktem Kunststoff und die Fügung mit dem Metallbauteil 3 erfolgen in einem Verfahrensschritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Presswerkzeug zur Herstellung eines hybriden Fahrzeugbauteils sowie ein Hybridfahrzeugbauteil.
Metallische Werkstoffe, insbesondere Stahl und Aluminium sind gängig im Fahrzeugbau. Zunehmend werden aufgrund von Gewichtsvorteilen auch Fahrzeugbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) entwickelt. Durch die Gewichtseinsparung kann der CO₂-Ausstoß und die Umweltbelastung reduziert werden. Synergieeffekte von metallischen Werkstoffen und faserverstärkten Werkstoffen lassen sich durch Hybridstrukturen erzielen. Vermehrt werden daher Fahrzeugbauteile, insbesondere Karosserie- und/oder Fahrwerksbauteile, in Hybridbauweise hergestellt. Hierbei werden metallische Grundkörper bzw. Metallbauteile mit einem faserverstärkten Verbundwerkstoff bereichsweise verstärkt.
Auf diese Weise erhält man leichte Strukturen mit verbessertem Crashverhalten. Neben der bauteiltechnischen Verbesserung der Fahrzeugbauteile ist man bestrebt, diese auch möglichst kostengünstig herzustellen.
Die Herstellung von hybriden Fahrzeugbauteilen ist fertigungstechnisch relativ aufwändig. Üblich ist unter anderem, die einzelnen Bauteile separat voneinander herzustellen und anschließend miteinander zu verbinden. Neben den mechanischen und klebetechnischen Verfahren sind auch Möglichkeiten des direkten formschlüssigen Verspritzens bekannt.
Die EP 2 990 308 B1 beschreibt einen Achsträger für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung des Achsträgers. Hierbei wird ein Stapel aus Lagen eines faserverstärkten Kunststoffes mit einer thermoplastischen Matrix bereitgestellt. Anschließend wird der Stapel auf Schmelztemperatur erwärmt und in ein Fließpresswerkzeug eingebracht. Dort wird der Stapel in einem Fließpressvorgang umgeformt derart, dass eine erste Lage des Stapels zu einer Unterschale und eine zweite Lage des Stapels zu einer Rippenstruktur geformt werden. Unterschale und Rippenstruktur sind einstückig ausgebildet. Nach dem Entformen von Unterschale und Rippenstruktur werden diese mit einer Oberschale aus einem metallischen Material zum Achsträger gefügt.
Die EP 2 481 569 B1 offenbart ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils, wobei das Kraftfahrzeugbauteil ein Metallbauteil und ein mit dem Metallbauteil gekoppeltes Verstärkungselement aus Faserverbundwerkstoff aufweist. Auch hier wird ein Stapel bwz. Stack aus Faserwerkstofflagen gebildet. Dieser wird an den Metallkörper angeformt, wobei der Stack mit dem Grundkörper während des Anformens oder nach dem Anformen verpresst wird.
Hybride Fahrzeugbauteile, insbesondere B-Säulen, mit einem metallischen Grundkörper und einem Verstärkungselement aus Faserverbundwerkstoff sowie Verfahren zu deren Herstellung zählen auch durch die DE 10 2011 009 892 A1 oder die DE 10 2011 050 701 A1 zum Stand der Technik. Hierbei werden die Verstärkungselemente flächig mit dem metallischen Grundkörper verpresst.
Aus der DE 10 2014 108 293 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils hervor. Das Leichtbauteil ist aus einem Metallblech, einem Fasergewebe oder Fasergelege, das in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist, und einer Masse aus faserverstärktem Kunststoff gebildet. Zur Herstellung des Leichtbauteils wird ein Formwerkzeug, das ein Formoberteil und ein Formunterteil aufweist, in eine geöffnete Stellung verfahren. Anschließend wird das Metallblech von unten in das temperierte Formoberteil eingesetzt und fixiert. Das Formunterteil weist nach oben gerichtete Vorsprünge auf. Zwischen diese Vorsprünge wird faserverstärkter Kunststoff eingebracht, der aufgeheizt ist. Das Fasergewebe oder Fasergelege, das in die thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist, nennt sich Organoblech. Dieses Organoblech wird aufgeheizt auf die Vorsprünge abgelegt und drapiert. Anschließend wird das Formwerkzeug in die geschlossene Stellung verfahren. Hierbei erfolgt das Verpressen des Organoblechs und des Weiteren das Ausbilden einer Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff, der zwischen dem Organoblech und dem Formunterteil angeordnet ist. Beim Schließen des Formwerkzeugs wird das Organoblech durch den Fluss des faserverstärkten Kunststoffs in die korrespondierende Kontur des Metallblechs gepresst und es wird entsprechend der Geometrie des Formunterteils die Struktur des Leichtbauteils aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildet.
Die Verbindung zwischen dem Metallblech und dem faserverstärkten Kunststoff erfolgt unter Zwischenschaltung des Organoblechs, indirekt bzw. mittelbar. Zusätzlich kann eine Transmitterschicht zwischen dem Metallbauteil und dem Organoblech angeordnet sein.
Diese Herstellung von Leichtbauteilen ist aufwendig und erscheint verbesserungswürdig.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein herstellungstechnisch verbessertes rationelles Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils sowie ein Presswerkzeug hierfür aufzuzeigen und ein herstellungstechnisch verbessertes belastungsoptimiertes Hybridbauteil, insbesondere ein hybrides Fahrzeugbauteil zu schaffen.
Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Anspruch 13 offenbart ein erfindungsgemäßes Presswerkzeug zur Herstellung eines hybriden Fahrzeugbauteils.
Ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil ist Gegenstand von Anspruch 18.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Hybridbauteil, insbesondere ein hybrides Fahrzeugbauteil, weist ein Metallbauteil und ein Funktionsbauteil aus faserverstärktem Kunststoff auf. Das Metallbauteil besteht vorzugsweise aus Stahl oder einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Zur Herstellung des Hybridbauteils werden das Metallbauteil und ein Fasermaterial, insbesondere ein durch eine thermoplastische Matrix vorimprägniertes Fasermaterial, in einem Presswerkzeug zusammengeführt. Hierzu werden das Metallbauteil und das Fasermaterial in das Presswerkzeug gebracht, relativ zueinander positioniert und in einem Pressvorgang unter Temperatur und Druck miteinander verbunden. Beim Pressvorgang wird das Fasermaterial durch Fließpressen dreidimensional zum Funktionsbauteil geformt sowie zumindest teilweise ausgehärtet und unmittelbar mit dem Metallbauteil gefügt.
Unmittelbar im Sinne der Erfindung bedeutet, dass das durch Fließpressen dreidimensional geformte Funktionsbauteil im Fügebereich direkt mit dem Metallbauteil gefügt ist. Es liegt ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Funktionsbauteil und dem Metallbauteil vor, wobei das Metallbauteil optional beschichtet sein kann, beispielsweise mit einer kathodischen Tauchlackierung (KTL), einem Lack oder einem Haftvermittler. Eine zusätzliche Fügeschicht aus Fasergewebe oder Fasergelege, das in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist (Organoblech) sind erfindungsgemäß nicht vorgesehen.
Die Formgebung, insbesondere die Endformgebung des Funktionsbauteils erfolgt erfindungsgemäß im gleichen Verfahrensschritt wie die Fügung des Funktionsbauteils mit dem Metallbauteil. Fließpressen und Fügen des faserverstärkten Kunststoffs bzw. des Fasermaterials sind folglich in einen Verfahrensschritt integriert.
Im Presswerkzeug wird das Fasermaterial druckumgeformt. Während dieses Prozesses entsteht ein so hoher Druck, dass das erwärmte Fasermaterial sowohl geformt als auch unmittelbar mit dem Metallbauteil gefügt werden. Die Formgebung des Funktionsbauteils und die Fügung mit dem Metallbauteil erfolgen zeitparallel in einem Pressvorgang. Beim Fügen von Metallbauteil und Faserverbundkunststoffstruktur entsteht eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen Funktionsbauteil und Metallbauteil.
Ein Funktionsbauteil im Sinne der Erfindung übernimmt insbesondere eine versteifende und/oder verstärkende Funktion im hybriden Fahrzeugbauteil.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Fasermaterial kann als Stack, d. h. einem Stapel aus vorimprägnierten Faserwerkstofflagen bereitgestellt werden. Möglich ist aber auch der Einsatz andersartiger Fasermaterialien. Diese können kunststoff- bzw. harzimprägniert sein oder Kunststoff-/Harzdepots enthalten. Auch kann Harz beim Pressvorgang von extern zugeführt bzw. injiziert werden.
Bei den Faserwerkstofflagen, die in einer Stapelform zum Stack aufeinander positioniert werden, handelt es sich um Kurz- und/oder Langfasermatten. Diese sind harzimprägniert, bevorzugt auf Basis von Thermoplasten.
Die Fasern des faserverstärkten Kunststoffs sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus aus Naturfasern, Kunstfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern, Metallfasern und/oder Mineralfasern, insbesondere Kohlefasern oder Basaltfasern.
Das Fasermaterial bzw. die Fasern des Fasermaterials können als Gewebe oder Gelege uni- oder multiaxial oder quasiisotrop als Wirrfasern angeordnet sein. Die Längen der Fasern können endlos, kurz oder lang sein. Mischungen aus Gewebe und/oder Gelege und/oder Wirrfasern ebenso wie Mischungen aus Fasern mit unterschiedlichen Längen können als Fasermaterial eingesetzt werden.
Insbesondere ist das Metallbauteil schalenförmig konfiguriert und besitzt einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einem Basissteg sowie zwei Seitenschenkeln. Das Funktionsbauteil ist insbesondere innenseitig des schalenförmigen Metallbauteils angeordnet. Hierbei erstreckt sich das Funktionsbauteil quer zwischen den Seitenschenkeln.
Das Funktionsbauteil aus FVK ist mit dem Basissteg und/oder mit den Seitenschenkeln gefügt.
Zur Herstellung des hybriden Funktionsbauteils wird ein Metallbauteil bereitgestellt.
Bei dem Metallbauteil kann es sich um eine ebene Platine, ein vorgeformtes Formbauteil (Vorformling) oder um ein bereits ausgeformtes bzw. endgeformtes Metallbauteil handeln. Das Metallbauteil kann auch als Gussbauteil ausgeführt sein.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine ebene Metallplatine oder ein metallisches Formbauteil beim Pressvorgang in die Endform gepresst wird. Dies bedeutet, das Metallblech bzw. Metallbauteil wird zusammen mit dem Fasermaterial um- und endgeformt sowie die beiden Werkstoffpartner miteinander unmittelbar gefügt.
Ein vorkonfektioniertes bzw. endgeformtes Metallbauteil ist insbesondere schalenförmig konfiguriert.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Metallbauteil mit einer zumindest bereichsweise strukturierten Oberfläche versehen ist. Die Strukturierung der Metalloberfläche kann mechanisch insbesondere durch Prägen, Bürsten oder Schleifen oder durch eine chemische Behandlung ebenso wie durch eine thermische Behandlung erzielt werden. Eine Strukturierung der Oberfläche kann an einer Ausgangsplatine des Metallbauteils, bei einem Vorformbauteil oder am fertig geformten Metallbauteil erfolgen.
Durch die Strukturierung der Metalloberfläche wird der Hafteffekt zwischen Metalloberfläche und angefügtem Funktionsbauteil aus faserverstärktem Kunststoff verbessert. Diese Maßnahme trägt auch zur Erhöhung der Struktursteifigkeit der Hybridfahrzeugteile bei. Die strukturierte Oberfläche weist insbesondere eine Haken-, Klett- und/oder Krallstruktur auf.
Der Verbund zwischen Metallbauteil und Funktionsbauteil im Fügebereich kann des Weiteren dadurch verbessert werden, dass vor dem Pressvorgang zumindest bereichsweise auf das Metallbauteil und/oder auf das Fasermaterial, insbesondere auf die obere Deckschicht des Fasermaterials ein Haftvermittler appliziert wird. Bei dem Haftvermittler handelt es sich insbesondere um einen Klebstoff, beispielsweise einen Zwei-Komponentenkleber. Auch thermische Haftvermittler und/oder andere Klebesysteme können zur Anwendung kommen.
Zur Formgebung des Fasermaterials wird dieses temperiert. Hierzu kann das Metallbauteil zumindest partiell erwärmt werden. Dies erfolgt vor dem Pressvorgang. Anschließend wird das erwärmte Metallbauteil in das Presswerkzeug eingelegt.
Ein weiterer Aspekt zur Temperierung sieht vor, dass das Fasermaterial vor und/oder während und/oder nach dem Pressvorgang erwärmt wird. Hierbei kann das Fasermaterial vor dem Einlegen in das Presswerkzeug erwärmt werden. Es kann auch eine Erwärmung des Fasermaterials im Presswerkzeug erfolgen, und zwar sowohl vor als auch während oder nach dem Schließen des Presswerkzeugs.
Das Metallbauteil kann vor dem Pressvorgang bereichsweise mit einer Abdeckung, einer Maske oder Beschichtung versehen werden. Dies erfolgt insbesondere mit dem Zweck, die abgedeckten Oberflächenbereiche im Pressvorgang zu schützen, so dass diese insbesondere nicht mit Kunststoffmatrix versehen werden.
Eine Variante sieht vor, dass auf der Oberfläche des Metallbauteils im Bereich benachbart zum Funktionsbauteil eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet wird. Hierbei handelt es sich um eine sehr dünne hautartige Schicht. Diese ist nach praktischen Versuchen zwischen 0,2 mm und 2,0 mm stark.
Ein erfindungsgemäßes Presswerkzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils weist ein erstes Werkzeugteil und ein zweites Werkzeugteil auf. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Presswerkzeugs handelt es sich bei dem ersten Werkzeugteil um ein Pressenoberwerkzeug und bei dem zweiten Werkzeugteil um ein Pressenunterwerkzeug. Das erste Werkzeugteil weist eine an die Außenkontur eines Metallbauteils angepasste Aufnahme auf. Das zweite Werkzeugteil ist zur Aufnahme eines Fasermaterials ausgebildet. Charakteristisch für das erfindungsgemäße Presswerkzeug ist ein Formraum zur Formung eines Funktionsbauteils aus faserverstärktem Kunststoff durch Fließpressen des Fasermaterials beim Pressvorgang. Gleichzeitig ist der Formraum so konfiguriert, dass das Funktionsbauteil beim Fließpressen mit dem Metallbauteil unmittelbar gefügt wird.
Vorzugsweise ist der Formraum im zweiten Werkzeugteil bzw. im Pressenunterwerkzeug vorgesehen.
Das erste Werkzeugteil und das zweite Werkzeugteil sind relativ zueinander und/oder gemeinsam miteinander verlagerbar.
Eine für die Praxis vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Presswerkzeugs sieht vor, dass ein Stempel vorgesehen ist, welcher relativ zum Formraum und/oder zum ersten Werkzeugteil und/oder zum zweiten Werkzeugteil verlagerbar ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist im zweiten Werkzeugteil, bevorzugt im Pressenunterwerkzeug ein Formraum in Form einer Ausnehmung ausgebildet. Im Formraum ist ein Stempel in Form eines beweglichen Mittelstücks von unten in das zweite Werkzeugteil eingesetzt.
Ein erfindungsgemäßes Presswerkzeug kann mehrere Aufnahmen, Formräume und/oder Stempel aufweisen. Das Pressenwerkzeug ist so konfiguriert, dass bei einem Pressenhub mehrere Funktionsbauteile mit einem Metallbauteil unmittelbar gefügt werden. Bei dem Pressvorgang kann das Metallbauteil gleichzeitig geformt und in seine Endform gepresst werden.
Das Fasermaterial wird im zweiten Werkzeugteil im Bereich des Formraums in oder auf der Ausnehmung positioniert. Das zweite Werkzeugteil weist benachbart zum Formraum eine an die Innenkontur des Metallbauteils angepasste Stützkontur auf.
Nach dem Einbringen des Fasermaterials wird das Metallbauteil auf dem zweiten Werkzeugteil positioniert. Hierbei kann eine Fixierung des Metallbauteils durch Halteelemente erfolgen. Die Halteelemente können das Metallbauteil auch beim Pressvorgang lageorientieren.
Das Presswerkzeug wird dann zugefahren. Hierbei wird das erste Werkzeugteil (Pressenoberwerkzeug) relativ zum Pressenunterwerkzeug bewegt, bis das Presswerkzeug geschlossen ist. Pressenoberwerkzeug und Pressenunterwerkzeug kommen zur Anlage. Das Metallbauteil liegt bei einer Vorgehensweise mit seiner Außenkontur zumindest bereichsweise in der Aufnahme des Pressenoberwerkzeugs an. Nachdem das Pressenoberwerkzeug und das Pressenunterwerkzeug in Kontakt gelangt und das Presswerkzeug geschlossen ist, fahren sowohl Pressenoberwerkzeug als auch Pressenunterwerkzeug gemeinsam in Richtung der Hubbewegung. Hierbei bewegen sie sich relativ zum im Formraum integrierten Stempel. Nachdem die Hubbewegung von Pressenoberwerkzeug und Pressenunterwerkzeug abgeschlossen ist oder parallel hierzu, wird der Stempel gegen die Hubbewegung von Pressenoberwerkzeug und Pressenunterwerkzeug verlagert und das Fasermaterial fließverpresst sowie in seine dreidimensionale Endkontur druckumgeformt. Gleichzeitig wird das so hergestellte Funktionsbauteil unmittelbar mit dem Metallbauteil gefügt. Hierbei wird eine unmittelbare kraft- und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen Metallbauteil und Funktionsbauteil hergestellt. Die Fügung bzw. Verbindung zwischen Metallbauteil und Funktionsbauteil kann durch Haftvermittler, wie Klebstoff oder durch eine Strukturierung der Oberfläche des Metallbauteils im Fügebereich unterstützt werden.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils kann auch eine ebene Metallblechplatine zum Einsatz gelangen. Diese wird beim Pressvorgang zusammen mit dem Fasermaterial umgeformt und in die Endform gebracht. Hierzu wird die Metallplatine in die Aufnahme im Pressenoberwerkzeug umgeformt. Gleichzeitig erfolgt das Verpressen und das Fügen des Fasermaterials, die Ausbildung des Funktionsbauteils und die unmittelbare Verbindung mit dem Metallbauteil.
Eine weitere alternative Möglichkeit zur Herstellung eines erfindungsgemäßen hybriden Fahrzeugbauteils sieht ein Presswerkzeug vor, bei dem kein separat beweglicher Stempel vorgesehen ist. Im Pressenunterwerkzeug des Presswerkzeugs ist der Formraum eingearbeitet. Dieser besitzt eine an die Form des herzustellenden Funktionsbauteils angepasste komplementäre Kontur. Das Relief des Formraums ist umgekehrt zur dreidimensionalen Kontur des Funktionsbauteils gestaltet. Das Fasermaterial, beispielsweise ein Stack aus Faserwerkstofflagen bestehend aus Kurz- oder Langfasermatten in Stapelform wird im Bereich des Formraums eingelegt. Anschließend werden Pressenoberwerkzeug und Pressenunterwerkzeug geschlossen. Das Fasermaterial wird plastifiziert und in den Formraum fließverpresst. Gleichzeitig wird ein Teil des Faserverbundkunststoffs aus dem Bereich des Formraums verdrängt und zumindest bereichsweise benachbart zum Fügebereich zwischen Funktionsbauteil und Metallbauteil über die Metalloberfläche verteilt. Dabei entsteht eine sehr dünne hautartige FVK-Schicht.
Auch bei dieser Vorgehensweise kann ein Haftvermittler auf die Oberfläche des Metallbauteils aufgebracht werden, und zwar sowohl insgesamt als auch bereichsweise.
Ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil weist ein Metallbauteil und ein mit dem Metallbauteil gefügtes Funktionsbauteil aus faserverstärktem Kunststoff auf. Das Funktionsbauteil ist fließpresstechnisch aus Fasermaterial, beispielsweise einem Stack aus Faserwerkstofflagen, gebildet und in einem Presswerkzeug bei einem Fließpressvorgang sowohl geformt als auch unmittelbar mit dem Metallbauteil gefügt. Das erfindungsgemäße Hybridbauteil ist rationell in der Herstellungsweise gewichtsoptimiert und sowohl dynamisch als auch statisch hoch belastbar. Funktionsbauteile werden an belastungsausgelegten Stellen an Metallbauteilen integriert.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Hybridbauteils sieht vor, dass das Metallbauteil schalenförmig bzw. im Querschnitt U-förmig ist mit einem Basissteg sowie zwei Seitenschenkeln. Das Funktionsbauteil erstreckt sich quer zwischen den Seitenschenkeln. Das Funktionsbauteil kann wandartig in Form einer Rippe oder eines Schotts zwischen den Seitenschenkeln ausgebildet sein. Ein schottförmig gestaltetes Funktionsbauteil erstreckt sich als Wand zwischen den Seitenschenkeln. Das Funktionsbauteil kann auch fachwerkartig konfiguriert sein. Besonders zweckmäßig ist das Funktionsbauteil mit dem Basissteg und/oder mit den Seitenschenkeln gefügt.
Bevorzugt ist das Funktionsbauteil über den gesamten Kontaktbereich mit dem Metallbauteil unmittelbar gefügt. Beim Fließpressvorgang wird das Fasermaterial dreidimensional geformt und im Fügebereich an die Kontur des Metallbauteils angepasst. Durch eine rippenförmige und/oder schottartige Ausgestaltung übernimmt das Funktionsbauteil insbesondere Verstärkungs- und Versteifungsfunktion.
Ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen hybriden Fahrzeugbauteil oder mit einem Hybridbauteil, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, ist gewichtsmäßig verbessert. Die Ausgestaltung und der Einsatz von erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugbauteilen lässt im Gesamtsystem des Kraftfahrzeugs eine Verbesserung im Belastungsverhalten sowie eine weitere Gewichtsreduktion erwarten. Durch die kostengünstige und rationelle Herstellung der Hybridfahrzeugbauteile kann auch ein Beitrag zur Kostenreduktion der Kraftfahrzeuge geleistet werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

1 a bis 1g eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines hybriden Fahrzeugbauteils mit der Darstellung von einzelnen Verfahrensschritten,
2 technisch stark vereinfacht und schematisiert ein Presswerkzeug bei der Durchführung einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
3 einen Ausschnitt aus einem Metallbauteil mit der Darstellung einer strukturierten Oberfläche und
4 eine weitere Gestaltung einer Oberflächenstruktur an einem Metallbauteil.

Anhand der 1 a bis 1g ist eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines hybriden Fahrzeugbauteils 1 und ein Presswerkzeug 2 hierfür beschrieben.
Ein Hybridbauteil bzw. ein hybrides Fahrzeugbauteil 1 ist in der 1g dargestellt. Die 1g zeigt eine Ansicht auf das Fahrzeugbauteil 1 in einer Perspektive schräg von unten. Das Fahrzeugbauteil 1 weist ein schalenförmiges Metallbauteil 3 und ein mit dem Metallbauteil 3 gefügtes Funktionsbauteil 4 aus faserverstärktem Kunststoff auf. Das Metallbauteil 3 besteht aus einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff. Das Funktionsbauteil 4 besteht aus faserverstärktem Kunststoff, beispielsweise einem glasfaserverstärkten Thermoplast.
Das Metallbauteil 3 ist im Querschnitt U-förmig konfiguriert und besitzt einen Basissteg 5 sowie zwei Seitenschenkel 6. Das Funktionsbauteil 4 erstreckt sich quer zwischen den Seitenschenkeln 6. Das Funktionsbauteil 4 ist mit dem Basissteg 5 und den Seitenschenkeln 6 über den gesamten Kontaktbereich zwischen Metallbauteil 3 und Funktionsbauteil 4 gefügt. Das Funktionsbauteil 4 dient zur Versteifung und Verstärkung des hybriden Fahrzeugbauteils 1. Das Funktionsbauteil 4 ist fließpresstechnisch aus Fasermaterial 7 gebildet und beim Fließpressvorgang unmittelbar mit dem Metallbauteil 3 gefügt. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Fasermaterial 7 in Form eines Stacks bzw. Stapels aus Faserwerkstofflagen bereitgestellt.
Das Presswerkzeug 2 weist ein erstes Werkzeugteil in Form eines Pressenoberwerkzeugs 8 und ein zweites Werkzeugteil in Form eines Pressenunterwerkzeugs 9 auf.
Das Pressenoberwerkzeug 8 besitzt eine Aufnahme 10 für das Metallbauteil 3. Diese ist an die Außenkontur des Metallbauteils 3 angepasst. Das Pressenunterwerkzeug 9 weist einen Stützkörper 11 auf, der komplementär zur Innenkontur des Metallbauteils 3 gestaltet ist. Beidseitig des Stützkörpers 11 erstrecken sich nach außen gerichtete Randleisten 12. Im Pressenunterwerkzeug 9 ist eine Ausnehmung 13 vorgesehen, in welcher ein Stempel 14 verlagerbar angeordnet ist. Die Ausnehmung 13 und der Stempel 14 bilden einen Formraum 15.
Zur Herstellung eines Hybridfahrzeugbauteils 1 wird das Fasermaterial 7 aus Faserwerkstofflagen im Formraum 15 oberhalb des Stempels 14 in die Ausnehmung 13 eingelegt (1c). Anschließend wird das Metallbauteil 3 aufgelegt (1d).
Das Metallbauteil 3 kann vollständig oder bereichsweise mit einem Haftvermittler, insbesondere einem Klebstoff versehen sein. Auch kann das Metallbauteil 3 zumindest in dem Bereich, in welchem das Funktionsbauteil 4 gefügt werden soll, eine strukturierte Oberfläche aufweisen.
Nachdem das Fasermaterial 7 und das Metallbauteil 3 im Presswerkzeug 2 auf dem Pressenunterwerkzeug 9 zusammengeführt und positioniert sind, fährt das Presswerkzeug 2 zusammen (1e). Das Pressenoberwerkzeug 8 bewegt sich abwärts von oben nach unten (Pfeil P1). Luft kann durch Entlüftungen entweichen. Nachdem das Pressenoberwerkzeug 8 mit dem Pressenunterwerkzeug 9 in Kontakt gelangt ist, fahren das Pressenoberwerkzeug 8 und das Pressenunterwerkzeug 9 gemeinsam weiter abwärts (Pfeil P1 und P2). Bei dieser Hubbewegung wird das Metallbauteil 3 durch Halteelemente 16 festgehalten. Das Pressenoberwerkzeug 8 und das Pressenunterwerkzeug 9 werden bei der abwärts gerichteten Hubbewegung gegen die Kraft von Federelementen 17, welche unterhalb der Halteelemente 16 angeordnet sind, verlagert. Im Anschluss fährt der Stempel 14 entgegengesetzt in Hubrichtung nach oben (Pfeil P3). Durch den hohen Druck und Temperatureinfluss wird das Fasermaterial 7 in einem Fließpressvorgang dreidimensional zum Funktionsbauteil 4 geformt und gleichzeitig unmittelbar mit dem Metallbauteil 3 gefügt. Beim Fließpressen findet auch eine zumindest teilweise Aushärtung des Funktionsbauteils 4 statt. Zur Formgebung ist eine Temperierung notwendig. Hierzu kann das Metallbauteil 3 vor dem Pressvorgang zumindest partiell erwärmt werden. Findet die Herstellung des hybriden Fahrzeugbauteils 1 unmittelbar im Anschluss an eine Warmumformung des Metallbauteils 3 statt, kann auch die Restwärme des umgeformten Metallbauteils 3 für den Fließpressvorgang genutzt werden. Möglich ist auch, dass das Fasermaterial 7 vor dem Einlegen in das Presswerkzeug 2 erwärmt wird. Weiterhin kann eine Erwärmung im Presswerkzeug 2 vor, während oder nach Schließen des Presswerkzeugs 2 erfolgen.
Die 1f zeigt das Presswerkzeug 2 im geschlossenen Zustand mit hochgefahrenem Stempel 14. Der Stack 7 aus faserverstärktem Kunststoff FVK ist fließpresstechnisch dreidimensional zum Funktionsbauteil 4 geformt und mit dem Metallbauteil 3 gefügt. Hierbei findet eine stoffschlüssige Verbindung statt. Bei strukturierten Oberflächen am Metallbauteil 3 erfolgt zusätzlich eine form- und kraftschlüssige Verbindung.
Anhand der schematischen Darstellung der 2 ist ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines hybriden Fahrzeugbauteils 18 beschrieben. Hierbei kommt ein Presswerkzeug 19 zur Anwendung mit einem ersten Werkzeugteil in Form eines Pressenoberwerkzeugs 20 und einem zweiten Werkzeugteil in Form eines Pressenunterwerkzeugs 21. Im Pressenunterwerkzeug 21 ist ein Formraum 22 vorhanden. Dieser besitzt eine an die Außenkontur des herzustellenden Funktionsbauteils 23 angepasste komplementäre Kontur. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Hohlform zur Herstellung des rippen- oder wandförmigen Funktionsbauteils 23.
Auf das Pressenunterwerkzeug 21 wird im Bereich des Formraums 22 ein Fasermaterial (nicht dargestellt), beispielsweise ein Stack, aus Faserwerkstoffmatten (Kurz- oder Langfasermatten) positioniert. Darauf wird ein Metallbauteil 24 auf das Pressenunterwerkzeug 21 gelegt. Das Fasermaterial ist zwischen dem Pressenunterwerkzeug 21 und der Innenkontur des Metallbauteils 24 eingeschlossen. Anschließend wird das Presswerkzeug 19 zusammengefahren. Unter der Einwirkung von Temperatur und dem hohen Druck beim Zusammenfahren des Presswerkzeugs 19 wird das Fasermaterial in den Formraum 21 druckumgeformt und fließverpresst. Hierbei wird im Formraum 22 das Fasermaterial durch Fließpressen dreidimensional zum Funktionsbauteil 23 geformt und unmittelbar mit dem Metallbauteil 24 gefügt sowie ganz oder teilweise ausgehärtet. Gleichzeitig wird faserverstärkter Kunststoff etwas aus dem Bereich des Formraums 22 verdrängt und bildet zumindest bereichsweise eine dünne hautartige Schicht 25 auf der Oberfläche des Metallbauteils 24.
Auch bei der anhand der 2 beschriebenen Herstellungsweise kann das Metallbauteil 24 oder das Fasermaterial vor dem Pressvorgang zumindest bereichsweise mit einem Haftvermittler versehen worden sein. Ferner kann das Metallbauteil 24 zumindest im Bereich der Fügefläche eine strukturierte Oberfläche besitzen. Eine Erwärmung des Stacks kann vor und/oder während und/oder nach dem Pressvorgang erfolgen. Auch kann das Metallbauteil 24 vor dem Pressvorgang zumindest partiell erwärmt worden sein.
Die 3 und 4 zeigen exemplarisch mögliche strukturierte Oberflächen eines Metallbauteils 26, 27. Die Strukturierung kann durch Prägen oder ähnliche mechanische Bearbeitungen, wie Bürsten oder Schleifen erfolgen. Auch eine chemische Behandlung zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche ist möglich. Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung der Oberfläche bei der Herstellung des Metallbauteils 26, 27 beispielsweise durch eine zusätzliche Stufe in einer Umformvorrichtung bei der Kaltumformung. Die Strukturierung der Oberfläche kann durch Hinterschneidungen 28, Ausnehmungen 29 und Rippen 30 ebenso wie durch eine schuppenartige Verprägung ausgeführt sein.
Bezugszeichen:

1 -: Fahrzeugbauteil
2 -: Presswerkzeug
3 -: Metallbauteil
4 -: Funktionsbauteil
5 -: Basissteg
6 -: Seitenschenkel
7 -: Fasermaterial
8 -: Pressenoberwerkzeug
9 -: Pressenunterwerkzeug
10 -: Aufnahme
11 -: Stützkörper
12-: Randleisten
13 -: Ausnehmung
14 -: Stempel
15 -: Formraum
16 -: Halteelemente
17 -: Federelement
18 -: Fahrzeugbauteil
19 -: Presswerkzeug
20 -: Pressenoberwerkzeug
21 -: Pressenunterwerkzeug
22 -: Formraum
23 -: Funktionsbauteil
24 -: Metallbauteil
25 -: hautartige Schicht
26 -: Metallbauteil
27 -: Metallbauteil
28 -: Hinterschneidungen
29 -: Ausnehmungen
30 -: Rippen
P1 -: Pfeil
P2 -: Pfeil
P3 -: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2990308 B1 [0005]
EP 2481569 B1 [0006]
DE 102011009892 A1 [0007]
DE 102011050701 A1 [0007]
DE 102014108293 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (1, 18), welches ein Metallbauteil (3, 24) und ein Funktionsbauteil (4, 23) aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, wobei das Metallbauteil (3, 24) und ein Fasermaterial (7) in einem Presswerkzeug (2, 19) zusammengeführt und in einem Pressvorgang verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (7) beim Pressvorgang durch Fließpressen dreidimensional zum Funktionsbauteil (4, 23) geformt sowie zumindest teilweise ausgehärtet und unmittelbar mit dem Metallbauteil (3, 24) gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein schalenförmiges Metallbauteil (3) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallblech beim Pressvorgang zum Metallbauteil umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil (4, 23) beim Pressvorgang rippenförmig oder schottförmig geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallbauteil (3, 24) mit einer zumindest bereichsweise strukturierten Oberfläche bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Pressvorgang zumindest bereichsweise auf das Metallbauteil (3, 24) und/oder auf das Fasermaterial (7) ein Haftvermittler, insbesondere ein Klebstoff, appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (3, 24) vor dem Pressvorgang zumindest partiell erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (7) vor und/oder während und/oder nach dem Pressvorgang erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (3, 24) vor dem Pressvorgang bereichsweise mit einer Abdeckung, einer Maske oder einer Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Metallbauteils (3) im Bereich benachbart zum Funktionsbauteil (4) eine Schicht (25) aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern des faserverstärkten Kunststoffs ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturfasern, Kunstfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern, Metallfasern und/oder Mineralfasern, insbesondere Kohlefasern oder Basaltfasern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (7) in Form eines Stacks aus Faserwerkstofflagen bereitgestellt wird.
Presswerkzeug zur Herstellung eines Hybridbauteils, insbesondere zur Herstellung eines hybriden Fahrzeugbauteils gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches ein erstes Werkzeugteil (8, 20) und ein zweites Werkzeugteil (9, 21) aufweist, wobei das erste Werkzeugteil (8, 20) eine an die Außenkontur eines Metallbauteils (3, 24) angepassten Aufnahme (10) besitzt und das zweite Werkzeugteil (9, 21) zur Aufnahme eines Fasermaterials (7) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch mindestens einen Formraum (15, 22) zur Formung eines Funktionsbauteils (4, 23) aus faserverstärktem Kunststoff durch Fließpressen des Fasermaterials (7).
Presswerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Formraum (15, 22) im zweiten Werkzeugteil (9, 21) vorgesehen ist.
Presswerkzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (8, 20) und das zweite Werkzeugteil (9, 21) relativ zueinander und/oder gemeinsam miteinander verlagerbar sind.
Presswerkzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stempel (14) vorgesehen ist, welcher relativ zum Formraum (15) und/oder zum ersten Werkzeugteil (8) und/oder zum zweiten Werkzeugteil (9) verlagerbar ist.
Presswerkzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Halteelemente (16) vorgesehen zur sind zur Fixierung des Metallbauteils (3) beim Pressvorgang.
Hybridbauteil, welches ein Metallbauteil (3, 24) und ein mit dem Metallbauteil (3, 24) gefügtes Funktionsbauteil (4, 23) aus faserverstärktem Kunststoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil (4, 23) fließpresstechnisch aus einem Fasermaterial (7) gebildet und beim Fließpressvorgang unmittelbar mit dem Metallbauteil (3, 24) gefügt ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (3) im Querschnitt U-förmig ist und einen Basissteg (5) sowie zwei Seitenschenkel (6) aufweist und das Funktionsbauteil (4) sich quer zwischen den Seitenschenkeln (6) erstreckt.
Hybridbauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil (4) mit dem Basissteg (5) und/oder mit den Seitenschenkeln (6) gefügt ist.
Kraftfahrzeug mit einem Hybridbauteil (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 20 oder mit einem Hybridbauteil (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 12.