DE102018208375A1

DE102018208375A1 - Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018208375A1
Application number: DE102018208375.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Heim; Thomas Hogger; Andreas Maier; Lin Möllenhoff
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Ein Strukturbauteil (10) für ein Kraftfahrzeug hat wenigstens ein längliches Profil (12) aus faserverstärktem Kunststoff sowie eine an das Profil (12) angespritzte Spritzgussrippenstruktur (14). Weiterhin ist ein flächiges Trägerteil (16) aus Organoblech vorgesehen, das mit dem Profil (12) und/oder der Spritzgussrippenstruktur (14) verbunden ist. Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (10) für ein Kraftfahrzeug beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem länglichen Profil aus faserverstärktem Kunststoff sowie einer an das Profil angespritzten Spritzgussrippenstruktur. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug.
Faserverstärkte Kunststoffe besitzen ein hohes Leichtbaupotential und können aufgrund der eingearbeiteten Fasern hohe Zugkräfte aufnehmen. Dabei sind die gewichtsspezifischen Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen am besten nutzbar, wenn die Fasern im Matrixmaterial entlang der Lastpfade verlaufen, was eine belastungsgerechte Konstruktion des Bauteils voraussetzt.
Aus der gattungsbildenden DE 10 2013 219 820 A1 ist ein Strukturbauteil in sogenannter Skelettbauweise bekannt, das als Karosseriebauteil, z.B. Windlauf eines Fahrzeugs, Verwendung findet. Das Strukturbauteil weist mehrere in eine Kunststoffmatrix eingebettete, ein Profil bildende längliche Faserbündel auf, zwischen denen Verstrebungsmittel angeordnet sind, die insbesondere durch Anspritzen eines Kunststoffmaterials an das Profil erzeugt werden.
Bei diesem bekannten Strukturbauteil besteht die Gefahr, dass es beispielsweise bei einem Unfall mit seitlichem Aufprall des Fahrzeugs brechen oder splittern kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Strukturbauteil bereitzustellen, das sich durch eine verbesserte Strukturintegrität, also eine bessere Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Bauteils, auszeichnet.
Erfindungsgemäß ist hierzu bei einem Strukturbauteil der eingangs genannten Art ein flächiges Trägerteil aus Organoblech vorgesehen, das mit dem Profil und/oder der Spritzgussrippenstruktur verbunden ist. Bei dem Profil handelt es sich insbesondere um einen faserverstärkten Kunststoffstab, der entlang einem Bauteillastpfad angeordnet ist, wodurch eine möglichst belastungsgerechte Konstruktion erreicht wird. Die Spritzgussrippenstruktur ist insbesondere fachwerkartig ausgeführt und dient der Formgebung sowie der Versteifung des Bauteils. Die so realisierte Skelettbauweise erfüllt vor allem Leichtbauanforderungen und ermöglicht eine belastungsgerechte Konstruktion sowie eine lastpfadgerechte Auslegung des Strukturbauteils für eine kostengünstige Produktion in Großserie. Das zusätzliche Trägerteil aus Organoblech, bei dem es sich um ein dünnwandiges, flächiges Faser-Thermoplast-Halbzeug handelt, wird so mit dem Profil und der Spritzgussrippenstruktur kombiniert, dass eine Steifigkeitserhöhung des Strukturbauteils erreicht wird und zudem durch die hohe Bruchdehnung des Organoblechs die Strukturintegrität des Bauteils im Überlastungsfall gewährleistet ist.
Vorzugsweise ist das Trägerteil durch Stoffschluss und/oder Formschluss mit der Spritzgussrippenstruktur und/oder dem Profil verbunden. Eine besonders stabile Verbindung bei zugleich einfacher und kostengünstiger Herstellung lässt sich erzielen, wenn das Trägerteil direkt beim Spritzen der Rippenstruktur mit den übrigen Komponenten verbunden wird.
In vorteilhafter Weise erstreckt sich das Trägerteil zumindest in einer Ebene über die gesamte Fläche des Strukturbauteils, um die Strukturintegrität des Bauteils im Überlastungsfall zuverlässig zu gewährleisten. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Ebene, die von zwei Kunststoffprofilen aufgespannt wird, bzw. um eine dazu parallele Ebene.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr längliche Profile aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen, die durch die Spritzgussrippenstruktur verbunden sind. Die Profile verlaufen dabei insbesondere entlang der Bauteillastpfade, wodurch sich ein leichtes und stabiles Bauteil mit lastpfadgerechter Auslegung ergibt, das besonders hohe Belastungen aufnehmen kann. Verlaufen die faserverstärkten Kunststoffprofile dabei entlang einer Außenfläche des Strukturbauteils, erleichtert dies zudem die Herstellung des Strukturbauteils, da die faserverstärkten Kunststoffprofile einfach in ein Werkzeug eingelegt werden können.
Vorzugsweise ist die Faserverstärkung des Profils bzw. der Profile durch ein Faserbündel mit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Verstärkungsfasern gebildet, insbesondere durch ein Faserbündel mit unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern. Diese zeigen ein anisotropes Materialverhalten, wodurch das Strukturbauteil vor allem in Längsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweist.
Zur weiteren Verbesserung der Stabilität kann die Spritzgussrippenstruktur aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischem Kunststoff bestehen. Zudem eignen sich kurzfaserverstärkte Thermoplaste besonders gut für Spritzgussanwendungen.
In einer möglichen Ausgestaltung erstreckt sich die Spritzgussrippenstruktur im Wesentlichen auf einer Seite des flächigen Trägerteils. Dadurch wird eine besonders einfache Herstellung mit hinreichender Stabilität und Strukturintegrität erreicht.
Vorzugsweise weist das flächige Trägerteil mehrere von der Spritzgussrippenstruktur durchsetzte Durchbrüche auf, an denen die Spritzgussrippenstruktur formschlüssig verankert ist, insbesondere, indem sie sich auf beiden Seiten des Trägerteils über die Ränder des Durchbruchs hinaus erstreckt. So ergibt sich eine besonders zuverlässige Anbindung des Trägerteils an die Spritzgussrippenstruktur .
In einer alternativen Ausgestaltung erstreckt sich die Spritzgussrippenstruktur zum überwiegenden Teil auf beiden Seiten des flächigen Trägerteils, insbesondere symmetrisch. Hier ist also das Trägerteil aus Organoblech (im Querschnitt gesehen) in der Mitte des Strukturbauteils angeordnet und wird zu beiden Seiten von der Spritzgussrippenstruktur flankiert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Anbindungselement aus Metall vorgesehen, das mit der Spritzgussrippenstruktur durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss verbunden ist. Dies ermöglicht eine Verbindung des Strukturbauteils mit einer angrenzenden Fahrzeugstruktur durch warme Verbindungstechniken für metallische Materialien wie z.B. Schweißen. Dabei kann das Anbindungselement zum Beispiel Aussparungen aufweisen und als Einlegeteil beim Erzeugen der Spritzgussrippenstruktur teilweise mit umspritzt werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere wie bisher beschrieben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen einer Werkzeugform;
b) Erwärmen wenigstens eines länglichen Profils aus faserverstärktem Kunststoff;
c) Umformen des wenigstens einen Profils;
d) Erwärmen eines flächigen Trägerteils aus Organoblech;
e) Einlegen des wenigstens einen umgeformten Profils sowie des Trägerteils in die Werkzeugform;
f) zumindest teilweises Umspritzen des Profils sowie des Trägerteils mit Kunststoff, wobei eine Spritzgussrippenstruktur gebildet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise leichte und gleichzeitig stabile Strukturbauteile mit fachwerkartiger Profilstruktur, insbesondere als Strukturversteifungselemente für den Kraftfahrzeug-Karosseriebau in Großserie, herstellen, die sich zudem durch eine sichere Gewährleistung der Strukturintegrität auszeichnen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Anbindungselement aus Metall am Strukturbauteil angebracht, indem es im Schritt e) mit in die Werkzeugform gelegt und im Schritt f) teilweise mit umspritzt wird. Dadurch ergibt sich ein einfaches, kostengünstiges und großseriengeeignetes Verfahren. Alternativ ist es natürlich denkbar, das Anbindungselement nachträglich am Strukturbauteil zu befestigen.
Darüber hinaus gelten sämtliche mit Bezug auf das erfindungsgemäße Strukturbauteil genannten Weiterbildungen und Vorteile auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:

- 1 eine schematische Darstellung eines Strukturbauteils gemäß dem Stand der Technik in Seitenansicht; und
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils in Seitenansicht.

1 zeigt ein Strukturbauteil 1 gemäß dem Stand der Technik. Dieses weist zwei Profile 2 in Form von faserverstärkten Kunststoffstäben sowie eine die Profile verbindende Spritzgussrippenstruktur 4 auf, die der Formgebung des Bauteils dient.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 für ein Kraftfahrzeug dargestellt, bei dem es sich insbesondere um ein Karosseriebauteil wie etwa einen Dachspriegel handelt. Das Strukturbauteil 10 weist zwei längliche Profile 12 aus faserverstärktem Kunststoff auf, die hier als Stäbe ausgeführt sind. Die Faserverstärkung der Profile 12 wird durch je ein Faserbündel mit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Verstärkungsfasern gebildet, bei denen es sich insbesondere um unidirektional ausgerichtete Endlosfasern handelt und die in eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff eingebettet sind.
Darüber hinaus ist eine an die Profile 12 angespritzte Spritzgussrippenstruktur 14 vorgesehen, die aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischem Kunststoff besteht und die beiden Profile 12 miteinander verbindet. Die Spritzgussrippenstruktur 14 ist fachwerkartig ausgeführt.
Weiterhin weist das Strukturbauteil 10 ein flächiges Trägerteil 16 aus Organoblech auf, das stoffschlüssig bzw. formschlüssig zumindest mit der Spritzgussrippenstruktur 14 verbunden ist. Das Trägerteil 16 erstreckt sich in einer Ebene, die hier der Zeichenebene entspricht und parallel zu der durch die beiden Profile 12 definierten Ebene verläuft, über die gesamte Fläche des Strukturbauteils 10, also insbesondere bis an dessen Rand.
Die Spritzgussrippenstruktur 14 ist beim gezeigten Beispiel im Wesentlichen auf einer Seite (nämlich der in 2 sichtbaren vorderen Seite) des flächigen Trägerteils 16 vorgesehen, wobei das Trägerteil 16 mehrere von der Spritzgussrippenstruktur 14 durchsetzte Durchbrüche aufweist, an denen die Spritzgussrippenstruktur 14 formschlüssig verankert ist, indem sie sich auch auf der in der Figur hinteren Seite des Trägerteils 16 über die Ränder der Durchbrüche hinaus erstreckt. Insbesondere wird das Trägerteil 16 beim Erzeugen der Spritzgussrippenstruktur 14 mit in die Werkzeugform eingelegt, wobei sich im Bereich der Durchbrüche beim Spritzen quasi „Nietköpfe“ der Spritzgussrippenstruktur 14 ergeben, die diese am flächigen Trägerteil 16 verankern.
Alternativ zur gezeigten Ausgestaltung kann die Spritzgussrippenstruktur 14 auch vollständig (oder zumindest zum überwiegenden Teil) auf beiden Seiten des flächigen Trägerteils 16 vorliegen, insbesondere symmetrisch. Für die gezeigte Ausgestaltung hieße dies, dass eine entsprechende Spritzgussrippenstruktur 14 auf der nicht sichtbaren Seite hinter dem Trägerteil 16 vorgesehen ist.
Weiterhin ist ein Anbindungselement 18 aus Metall, hier ein Metallflansch, vorgesehen, der mit der Spritzgussrippenstruktur 14 durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss verbunden ist, hier insbesondere durch Formschluss. Das Anbindungselement 18 aus Metall ist jedoch kein zwingender Bestandteil des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10.
Zur Fertigung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 wird zunächst eine passende Werkzeugform bereitgestellt, und die länglichen Profile 12 aus faserverstärktem Kunststoff werden erwärmt und warm umgeformt. Auch das flächige Trägerteil 16 aus Organoblech wird erwärmt und zusammen mit den umgeformten Profilen 12 in die Werkzeugform eingelegt. Schließlich werden die Profile 12 und das Trägerteil 16 zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt, wobei gleichzeitig die Spritzgussrippenstruktur 14 gebildet wird.
Dabei ist es möglich, das Trägerteil 16 vor dem Einlegen in die Werkzeugform umzuformen. Alternativ wird das nur erwärmte Trägerteil in die Werkzeugform eingelegt und direkt beim Spritzen der Spritzgussrippenstruktur 14 in die gewünschte Form gebracht.
Ist ein Anbindungselement 18 aus Metall vorgesehen, so wird vorzugsweise auch dieses zusammen mit den umgeformten Profilen 12 sowie dem Trägerteil 16 in die Werkzeugform eingelegt und beim Spritzen der Spritzgussrippenstruktur 14 teilweise mit umspritzt, um die gewünschte Verbindung herzustellen.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil 10 zeichnet sich aufgrund der Verbindung eines Bauteils in Skelettbauweise mit einem flächigen Trägerteil 16 aus Organoblech durch eine erhöhte Steifigkeit aus und gewährleistet im Überlastungsfall durch die höhere Bruchdehnung des Organoblechs (im Vergleich zu einem ausschließlich in Skelettbauweise ausgeführten Bauteil) die Strukturintegrität des Strukturbauteils 10.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013219820 A1 [0003]

Claims

Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem länglichen Profil (12) aus faserverstärktem Kunststoff sowie einer an das Profil (12) angespritzten Spritzgussrippenstruktur (14), dadurch gekennzeichnet, dass ein flächiges Trägerteil (16) aus Organoblech vorgesehen ist, das mit dem Profil (12) und/oder der Spritzgussrippenstruktur (14) verbunden ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (16) durch Stoffschluss und/oder Formschluss mit der Spritzgussrippenstruktur (14) und/oder dem Profil (12) verbunden ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Trägerteil (16) zumindest in einer Ebene über die gesamte Fläche des Strukturbauteils (10) erstreckt.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr längliche Profile (12) aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen sind, die durch die Spritzgussrippenstruktur (14) verbunden sind.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des Profils (12) bzw. der Profile (12) durch ein Faserbündel mit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Verstärkungsfasern gebildet ist, insbesondere durch ein Faserbündel mit unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussrippenstruktur (14) aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff besteht.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spritzgussrippenstruktur (14) im Wesentlichen auf einer Seite des flächigen Trägerteils (16) erstreckt.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Trägerteil (16) mehrere von der Spritzgussrippenstruktur (14) durchsetzte Durchbrüche aufweist, an denen die Spritzgussrippenstruktur (14) formschlüssig verankert ist, insbesondere, indem sie sich auf beiden Seiten des Trägerteils (16) über die Ränder des jeweiligen Durchbruchs hinaus erstreckt.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spritzgussrippenstruktur (14) zum überwiegenden Teil auf beiden Seiten des flächigen Trägerteils (16) erstreckt, insbesondere symmetrisch.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anbindungselement (18) aus Metall vorgesehen ist, das mit der Spritzgussrippenstruktur (14) durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (10) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Werkzeugform; b) Erwärmen wenigstens eines länglichen Profils (12) aus faserverstärktem Kunststoff; c) Umformen des wenigstens einen Profils (12); d) Erwärmen eines flächigen Trägerteils (16) aus Organoblech; e) Einlegen des wenigstens einen umgeformten Profils (12) sowie des Trägerteils (16) in die Werkzeugform; f) zumindest teilweises Umspritzen des Profils (12) sowie des Trägerteils (16) mit Kunststoff, wobei eine Spritzgussrippenstruktur (14) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anbindungselement (18) aus Metall am Strukturbauteil (10) angebracht wird, indem es im Schritt e) mit in die Werkzeugform gelegt und im Schritt f) teilweise mit umspritzt wird.