DE102018213371A1

DE102018213371A1 - Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018213371A1
Application number: DE102018213371.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Heim; Thomas Hogger; Octavian Knoll; Oleg Konrad; Sebastian Krull; Matthias Nagel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-02-13
Also published as: WO2020030349A1

Abstract

Ein Strukturbauteil (10) für ein Kraftfahrzeug hat wenigstens ein längliches Profil (12) aus faserverstärktem Kunststoff, das eine Kunststoffmatrix sowie darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist, und eine an das Profil (12) angespritzte Spritzgussrippenstruktur (32). Dabei weist das Profil (12) mehrere längliche, in die Kunststoffmatrix eingebettete Stabilisierungsfasern auf, die sich durch eine höhere Bruchdehnung als die Verstärkungsfasern auszeichnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem länglichen Profil aus faserverstärktem Kunststoff, das eine Kunststoffmatrix sowie darin eingebettete Verstärkungsfasern aufweist, und einer an das Profil angespritzten Spritzgussrippenstruktur.
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. Ein solches Strukturbauteil 1 gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt und weist zwei Profile 2 in Form von faserverstärkten Kunststoffstäben auf, zwischen denen Verstrebungsmittel 4 angeordnet sind, die der Formgebung des Bauteils dienen und insbesondere durch Anspritzen eines Kunststoffmaterials an die Profile 2 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 vorgesehen, dass das Profil mehrere längliche, in die Kunststoffmatrix eingebettete Stabilisierungsfasern aufweist, die sich durch eine höhere Bruchdehnung als die Verstärkungsfasern auszeichnen. Diese Stabilisierungsfasern, die neben den eigentlichen Verstärkungsfasern und der Kunststoffmatrix eine dritte Komponente des länglichen Profils bilden, verhindern im Falle einer Überlastung des Profils, etwa bei einem Unfall, aufgrund ihrer höheren Duktilität einen Bruch bzw. ein Splittern zumindest soweit, dass keine spitzen Bruchkanten entstehen, die dann in den Innenraum des Fahrzeugs ragen könnten. Hierbei ist zu beachten, dass im Sinne der Erfindung unter „Fasern“ verschiedene längliche, faserartige Materialien zu verstehen sind, z.B. auch Drähte und/oder Geflechte. Bei dem Profil handelt es sich insbesondere um einen faserverstärkten Kunststoffstab, der entlang eines Bauteillastpfads angeordnet ist, wodurch eine möglichst belastungsgerechte Konstruktion erreicht wird. Die Spritzgussrippenstruktur ist vorzugsweise 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. Auf diese Weise lassen sich insbesondere leichte und gleichzeitig stabile Strukturversteifungselemente für den Kraftfahrzeug-Karosseriebau kostengünstig in Großserie herstellen, die sich durch eine sichere Gewährleistung der Strukturintegrität auszeichnen.
Die Stabilisierungsfasern sind aus einem anderen Material als die Verstärkungsfasern.
Vorzugsweise ist eine Vielzahl von länglichen Stabilisierungsfasern vorgesehen, was die Strukturintegrität im Überlastungsfall sicher gewährleistet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um Carbonfasern, wodurch besonders leichte Bauteile erzielt werden. Alternativ ist auch der Einsatz von Glasfasern denkbar.
Bei den länglichen Stabilisierungsfasern handelt es sich vorzugsweise um Glasfasern. Diese weisen eine höhere Bruchdehnung bzw. Duktilität als Carbonfasern auf. Falls als Verstärkungsfasern bereits Glasfasern verwendet werden, wird für die Stabilisierungsfasern insbesondere auf ein anderes Glas mit höherer Duktilität zurückgegriffen.
Die Kombination zweier unterschiedlicher Materialien als Verstärkungsfasern und Stabilisierungsfasern (etwa zweier unterschiedlicher Glasarten oder Carbon und Glas) kann gegenüber der alleinigen Verwendung von Fasern mit hoher Duktilität Vorteile hinsichtlich Stabilität, Steifigkeit, Gewicht und/oder Fertigungskosten des Strukturbauteils bieten.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei den länglichen Stabilisierungsfasern um Metalldrähte handeln, die ebenfalls eine hohe Bruchdehnung aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Profil in einem Pultrusionsverfahren hergestellt, bei dem sowohl die Verstärkungsfasern als auch die länglichen Stabilisierungsfasern in die Kunststoffmatrix eingebettet werden. So lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise stabartige Profile mit unterschiedlichen Querschnitten fertigen.
Vorzugsweise verlaufen die Verstärkungsfasern im Wesentlichen parallel zueinander, insbesondere sind sie unidirektional ausgerichtet. Derartige Verstärkungsfasern zeigen ein anisotropes Materialverhalten, wodurch das Strukturbauteil vor allem in Längsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bilden die Verstärkungsfasern ein Bündel, das an seiner Mantelfläche von einer Schicht aus länglichen Stabilisierungsfasern umgeben ist. Alternativ bilden die länglichen Stabilisierungsfasern ein Bündel, das an seiner Mantelfläche von einer Schicht aus Verstärkungsfasern umgeben ist. Dabei hat das innere Bündel aus der ersten Materialkomponente (Verstärkungsfasern oder Stabilisierungsfasern) die geometrische Form eines Zylinders bzw. Prismas, insbesondere mit rundem, elliptischem oder eckigem Querschnitt, und wird außenseitig vollständig von einer Schicht der zweiten Materialkomponente umgeben. Diese Anordnung ist fertigungstechnisch einfach zu realisieren und zeichnet sich durch eine sichere Gewährleistung der Strukturintegrität aus.
Bevorzugt 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.
Zur weiteren Verbesserung der Stabilität kann die Spritzgussrippenstruktur aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff bestehen. Zudem eignen sich kurzfaserverstärkte Thermoplaste besonders gut für Spritzgussanwendungen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein flächiges Trägerteil aus Organoblech vorgesehen, das mit dem Profil und/oder der Spritzgussrippenstruktur verbunden ist und sich insbesondere zumindest in einer Ebene über die gesamte Fläche des Strukturbauteils erstreckt. 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. Zudem weist Organoblech ebenfalls eine hohe Bruchdehnung auf, was sich zusätzlich positiv auf die Strukturintegrität des Bauteils im Überlastungsfall auswirkt.
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 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.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:

- 1 eine schematische Darstellung eines Strukturbauteils gemäß dem Stand der Technik in Seitenansicht;
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils in Seitenansicht;
- 3 schematische Querschnittsansichten zweier beim erfindungsgemäßen Strukturbauteil verwendeten Profile; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Strukturbauteils gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Seitenansicht.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 für ein Kraftfahrzeug, 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 eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender Verstärkungsfasern 14 gebildet (siehe 3a und 3b), bei denen es sich vorzugsweise um unidirektional ausgerichtete Endlosfasern handelt, die in eine Kunststoffmatrix 16, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, eingebettet sind, wie 3 entnommen werden kann.
Zusätzlich weisen die Profile 12 zahlreiche längliche, mit in die Kunststoffmatrix 16 eingebettete Stabilisierungsfasern 18 auf, die sich durch eine höhere Bruchdehnung bzw. Duktilität als die Verstärkungsfasern 14 auszeichnen. Während als Verstärkungsfasern 14 bevorzugt Carbonfasern eingesetzt werden, handelt es sich bei den länglichen Stabilisierungsfasern 18 um Glasfasern, die eine höhere Duktilität als Carbonfasern aufweisen, oder um Metalldrähte.
Die Profile 12 werden in einem Pultrusionsverfahren hergestellt, bei dem sowohl die Verstärkungsfasern 14 als auch die länglichen Stabilisierungsfasern 18 in die Kunststoffmatrix 16 eingebettet werden.
Dabei bilden die Verstärkungsfasern 14 ein Bündel 20, das an seiner Mantelfläche 22 von einer Schicht 24 aus Stabilisierungsfasern 18 umgeben ist. Die Verstärkungsfasern 14 erstrecken sich hier nicht in die Schicht der Stabilisierungsfasern 18. Diese Variante ist in 3a gezeigt.
Alternativ bilden die länglichen Stabilisierungsfasern 18 ein Bündel 26, das an seiner Mantelfläche 28 von einer Schicht 30 aus Verstärkungsfasern 14 umgeben ist (siehe 3b).
Neben den gezeigten Varianten der Profile 12 mit kreisförmigen Querschnitt ist natürlich auch ein elliptischer oder eckiger, insbesondere rechteckiger oder quadratischer, Querschnitt denkbar. Ebenso ist es möglich, dass Verstärkungsfasern 14 und Stabilisierungsfasern 18 abwechselnd, regelmäßig oder willkürlich, in einem gemeinsamen Bündel angeordnet sind.
Das Strukturbauteil 10 weist weiterhin eine an die Profile 12 angespritzte, fachwerkartig ausgeführte Spritzgussrippenstruktur 32 auf, die die beiden Profile 12 miteinander verbindet (siehe 2) und aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff besteht, welcher z.B. auch über in-situ-Polymerisation hergestellt ist..
Zudem ist ein Anbindungselement 34 aus Metall, hier ein Metallflansch, vorgesehen, der mit der Spritzgussrippenstruktur 32 durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss verbunden ist, hier insbesondere durch Formschluss. Das Anbindungselement 34 aus Metall ist jedoch kein zwingender Bestandteil des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10.
4 zeigt ein Strukturbauteil 10 gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, das zusätzlich zu den bisher beschriebenen Komponenten ein flächiges Trägerteil 36 aus Organoblech aufweist, das stoffschlüssig bzw. formschlüssig zumindest mit der Spritzgussrippenstruktur 32 verbunden ist. Das Trägerteil 36 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.
Dabei kann die Spritzgussrippenstruktur 32 auf einer Seite (nämlich der in 4 sichtbaren vorderen Seite) des flächigen Trägerteils 36 vorgesehen sein oder auf beiden Seiten des flächigen Trägerteils 36 vorliegen, insbesondere symmetrisch.
Zur Fertigung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 wird zunächst eine passende Werkzeugform bereitgestellt, und die im Pultrusionsverfahren vorgefertigten länglichen Profile 12 werden erwärmt und gegebenenfalls warm umgeformt. Kommt ein flächiges Trägerteil 36 aus Organoblech zum Einsatz, wird auch dieses erwärmt und zusammen mit den umgeformten Profilen 12 in die Werkzeugform eingelegt. Schließlich werden die Profile 12 (und gegebenenfalls das Trägerteil 36) zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt, wobei gleichzeitig die Spritzgussrippenstruktur 32 gebildet wird.
Ist ein Anbindungselement 34 aus Metall vorgesehen, so wird vorzugsweise auch dieses zusammen mit den umgeformten Profilen 12 sowie dem Trägerteil 36 in die Werkzeugform eingelegt und beim Spritzen der Spritzgussrippenstruktur 32 teilweise mit umspritzt, um die gewünschte Verbindung herzustellen.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil 10 zeichnet sich aufgrund der Skelettbauweise durch ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität aus. Die Stabilisierungsfasern 18 sorgen für eine sichere Gewährleistung der Strukturintegrität. Durch die optionale Verwendung eines Trägerteils 36 aus Organoblech lässt sich zusätzlich die Steifigkeit erhöhen und die Bruchdehnung noch weiter verbessern.
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, das eine Kunststoffmatrix (16) sowie darin eingebettete Verstärkungsfasern (14) aufweist, und einer an das Profil (12) angespritzten Spritzgussrippenstruktur (32), dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (12) mehrere längliche, in die Kunststoffmatrix (16) eingebettete Stabilisierungsfasern (18) aufweist, die sich durch eine höhere Bruchdehnung als die Verstärkungsfasern (14) auszeichnen.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von länglichen Stabilisierungsfasern (18) vorgesehen ist.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verstärkungsfasern (14) um Carbonfasern handelt.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den länglichen Stabilisierungsfasern (18) um Glasfasern handelt.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den länglichen Stabilisierungsfasern (18) um Metalldrähte handelt.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (12) in einem Pultrusionsverfahren hergestellt ist, bei dem sowohl die Verstärkungsfasern (14) als auch die länglichen Stabilisierungsfasern (18) in die Kunststoffmatrix (16) eingebettet werden.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (14) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, insbesondere dass sie unidirektional ausgerichtet sind.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (14) ein Bündel (20) bilden, das an seiner Mantelfläche (22) von einer Schicht (24) aus länglichen Stabilisierungsfasern (18) umgeben ist bzw. dass die länglichen Stabilisierungsfasern (18) ein Bündel (26) bilden, das an seiner Mantelfläche (28) von einer Schicht (30) aus Verstärkungsfasern (14) umgeben ist.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr längliche Profile (12) aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen sind, die durch die Spritzgussrippenstruktur (32) verbunden sind.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussrippenstruktur (32) aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff besteht.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein flächiges Trägerteil (36) aus Organoblech vorgesehen ist, das mit dem Profil (12) und/oder der Spritzgussrippenstruktur (32) verbunden ist und sich insbesondere zumindest in einer Ebene über die gesamte Fläche des Strukturbauteils (10) erstreckt.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anbindungselement (34) aus Metall vorgesehen ist, das mit der Spritzgussrippenstruktur (32) durch Stoffschluss, Reibschluss und/oder Formschluss verbunden ist.