DE102018214004A1

DE102018214004A1 - Mittels Ablegetechnik verstärktes Fahrzeugbauteil sowie Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102018214004A1
Application number: DE102018214004.9A
Authority: DE
Inventors: Anja Jäschke
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2020-02-20
Also published as: WO2020038659A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbauteil (100), mit einem Grundbauteil (110) und wenigstens einer darauf aufgebrachten Verstärkung (140) aus einem Faserkunststoffverbund-Material, wobei die Verstärkung (140) wenigstens einen harzgetränkten, auf dem zu verstärkenden Grundbauteil (110) abgelegten sowie anschließend daran angedrückten und UV-gehärteten Strang (220) aufweist.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (200) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrzeugbauteils (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein verstärktes Fahrzeugbauteil gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrzeugbauteils.
Bauteile, insbesondere flächige Bauteile, können durch Aufbringen eines Faserkunststoffverbunds (FKV) bzw. eines faserverstärkten Kunststoffs (FVK) verstärkt werden, wie bspw. in der DE 101 34 372 A1 beschrieben.
Die DE 10 2013 021 672 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, das als ein Bauteilverbund aus einem Trägerprofilteil, insbesondere Blechteil, und einem faserverstärkten Kunststoff bereitgestellt wird. In einer Tapelegetechnik wird zumindest ein mit einem Matrixmaterial vorimprägniertes Faserhalbzeug als ein Band unter Druck und Wärme in einem gemeinsamen Prozessschritt auf das Trägerprofilteil gelegt und irreversibel damit verbunden.
Die thermische Aushärtung erfordert eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung und eine genaue Temperatursteuerung, wofür eine Temperatur-Regel/Steuereinheit benötigt wird. Trotzdem kann es zu Temperaturschwankungen kommen (bspw. durch Wärmestauung oder ungleichmäßige Wärmeableitung), was eine fehlende Reproduzierbarkeit und hohe Ausschussraten zur Folge hat. Zudem können, insbesondere wenn Werkstoffe bzw. Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verbunden bzw. gefügt werden, beim Abkühlen Spannungen auftreten, die die Eigenschaften des Bauteils beeinflussen und zu Bauteilverzügen oder sogar zur Delamination führen können.
Mit der Erfindung soll wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil vermieden oder zumindest vermindert werden.
Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen Bauteil entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil umfasst ein Grundbauteil, das insbesondere flächig oder als Profilteil ausgebildet ist, und wenigstens eine darauf aufgebrachte Verstärkung aus einem Faserkunststoffverbund-Material. Erfindungsgemäß weist die Verstärkung wenigstens einen (mit UV-härtbarem Harz) harzgetränkten, auf dem zu verstärkenden Grundbauteil abgelegten sowie anschließend daran angedrückten und UV-gehärteten Strang auf.
Bei der Verstärkung handelt es sich bevorzugt um eine lokale Verstärkung, die das Grundbauteil bereichsweise bzw. stellenweise verstärkt. Es können mehrere solcher lokalen Verstärkungen vorgesehen sein, die bei einem flächigen Grundbauteil auch beidseitig aufgebracht sein können.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil ist leicht und stabil und kann günstig hergestellt werden, wie nachfolgend noch näher erläutert. Außerdem kann das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil ohne Wärmeeinbringung hergestellt werden, da die Aushärtung des Harzes mittels UV-Licht (d. h. mittels Ultraviolettstrahlung) erfolgt, sodass die oben genannten Nachteile nicht auftreten. Die Erfindung begünstigt zudem neue lastpfadoptimierte Konstruktionskonzepte.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil ist insbesondere ein Karosseriebauteil, womit sowohl ein Strukturbauteil als auch ein Außenhautbauteil gemeint sein kann. Durch die Verstärkung kann z. B. gezielt das Crash-Verhalten von Frontklappen, Stoßfängern, Seitenwandsäulen, Schwellern und dergleichen verbessert werden. Ferner können solche Fahrzeugbauteile auch teure Tailored-Blank-Teile ersetzen. Das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil kann aber auch ein Einbauteil, wie bspw. eine Hutablage oder eine Rücksitzlehne, sein.
Das zu verstärkende Grundbauteil kann aus einem Metallblech (z. B. einem Stahlblech), insbesondere aus einem Leichtblech (z. B. einem Aluminiumblech), aus einem Organoblech, aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem spritzgegossenen oder blasgeformten Kunststoff, aus einem Faserkunststoffverbund (FKV) bzw. faserverstärktem Kunststoff (FVK), aus einem geschäumten Material bzw. einer geschäumten Struktur (sowohl Kunststoff als auch Metall) oder aus einem Metallguss gefertigt sein.
Unter einem Strang wird allgemein ein band-, schnur- oder schlauchartiges Gebilde aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Material verstanden. Ein Strang im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Verstärkungsfasern enthaltendes Band (Tape) oder eine Verstärkungsfasern enthaltende Schnur (Roving) oder dergleichen, wobei auch schlauchförmige Ausbildungen möglich sind. Bei den Verstärkungsfasern kann es sich um Kohlenstofffasern, Glasfasern, Kunstfasern oder Metallfasern handeln, wobei auch Fasergemische möglich sind. Bevorzugt handelt es sich um Endlosfasern, wobei auch Stapelfasern (mit begrenzter Länge) verwendet werden können. Die Verstärkungsfasern können im Strang als UD-Lage(n) mit unidirektional orientierten Fasern, als Geflecht oder auch als Gestrick vorliegen. Bevorzugt ist der Strang textilartig ausgebildet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Strang für die Verstärkung

- aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Material;
- aus einem Verstärkungsfasern, insbesondere Metallfasern, enthaltenden Textil, das mit Zusatzstoffen (z. B. Füllstoffen oder sonstigen Hilfsmitteln) versehen ist, welche die Anhaftung bzw. den Stoffschluss am/zum Grundbauteil verbessern und/oder die Haftung zwischen den Verstärkungsfasern verbessern und/oder den Wärme- bzw. Längenausdehnungskoeffizient der Verstärkung an das Grundbauteil anpassen;
- aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Band (Tape) mit Zusatzstoffen, welche die Anhaftung am Grundbauteil verbessern und/oder den Wärmeausdehnungskoeffizient anpassen; oder
- aus einem Gemisch von Verstärkungsfasern und anderen Verstärkungsstoffen (wie z. B. Hohlkugeln, Blähglas, Ton, womit insbesondere im Crashfall Energie abgebaut werden kann, wobei sich diese Verstärkungsstoffe bevorzugt im Inneren eines schlauchartigen Strangs befinden können); gefertigt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dafür vorgesehen, wenigstens einen harzgetränkten Strang an ein damit zu verstärkendes Grundbauteil anzudrücken und den harzgetränkten Strang dabei zumindest bereichsweise mit UV-Licht zu beleuchten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Andrückeinrichtung auf, mit der der harzgetränkte Strang (beim Ablegen und/oder nach dem Ablegen) an das zu verstärkende Grundbauteil andrückbar ist, und wenigstens eine UV-Lampe, mit der der abgelegte und angedrückte Strang zumindest bereichsweise mit UV-Licht beleuchtbar und dadurch aushärtbar ist bzw. UV-gehärtet wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Andrückeinrichtung eine Andrückrolle oder -walze ist, die zumindest teilweise aus einem transparenten oder transluzenten Material gebildet ist, und dass die UV-Lampe in die Andrückrolle integriert ist, sodass gleichzeitig mit dem Andrücken die UV-Härtung erfolgen kann. Die Andrückrolle wird beim Einschalten der UV-Lampe quasi mit UV-Licht durchflutet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise automatisch auf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt und umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Ablegen des harzgetränkten Strangs auf dem Grundbauteil;
- Andrücken des abgelegten Strangs (mittels einer Andrückeinrichtung, insbesondere einer Andrückrolle), wobei das Andrücken direkt beim Ablegen erfolgen kann;
- UV-Härten des angedrückten Strangs, bevorzugt direkt nach dem Andrücken oder unmittelbar beim Andrücken, insbesondere mittels einer in der Andrückrolle angeordneten UV-Lampe (s. o.).

Dabei können auch Geometrieelemente mit angeformt werden, die dann bspw. als Abstandshalter fungieren.
Dieser Prozess bzw. Verfahrensablauf kommt ohne Temperaturregelung aus und ist daher sehr stabil und reproduzierbar sowie auch kostengünstig.
Auf diese Weise können mehrere Verstärkungslagen erzeugt werden. Außerdem können (nacheinander) mehrere Stränge lastpfadgerecht abgelegt werden, auch mit unterschiedlichen Ausrichtungen, wobei auch Überschneidungen erzeugt werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Sandwichbauteile mit einem Schaumkern hergestellt werden.
Als Kunststoffmatrix wird insbesondere ein UV-härtender Duroplast verwendet. Der zunächst noch trockene (d. h. nicht vorimprägnierte) Strang kann zur Tränkung durch ein Harzbad mit dem flüssigen Matrixmaterial (Kunstharz) geführt werden (wie in der DE 10 2013 021 672 A1 ) beschrieben. Anschließend kann der derart harzgetränkte Strang im Nasszustand auf dem Grundbauteil abgelegt, angedrückt und durch UV-Beleuchtung bzw. mittels UV-Licht ausgehärtet werden. Die Verstärkungsfasern werden dabei in die Kunststoffmatrix eingebettet, sodass ein Faserkunststoffverbund entsteht. Der Matrixwerkstoff kann einen Haftvermittler enthalten.
Das Harz, mit dem der Strang getränkt ist bzw. getränkt wird, kann ein aufschäumendes Harz sein, das dann, insbesondere nach dem Ablegen, vor oder während der UV-Härtung bzw. beim UV-Härten aufschäumt, sodass die Verstärkung zumindest abschnittsweise eine geschäumte Kunststoffmatrix aufweist. Die Verstärkung kann dadurch zusätzlich eine Dichtfunktion, Schallschutz- oder Wärmeschutzfunktion und/oder Energieabsorptionsfunktion übernehmen. Es kann sich um ein physikalisches Schäumen oder chemisches Schäumen handeln. Bevorzugt wird der Schäumvorgang erst durch das UV-Licht aktiviert.
Das Grundbauteil kann beim Ablegen des harzgetränkten Strangs zumindest an der zu verstärkenden Stelle vom Strang umwickelt werden. Das Ablegen des Strangs kann also in einem wickelprozessartigen Vorgang erfolgen. Auf diese Weise können bspw. sogenannte Gussknoten (Knotenelemente), die bei einer sogenannten Space-Frame-Karosserie zum Einsatz kommen, verstärkt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Fahrzeugbauteil.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das in 1 gezeigte Fahrzeugbauteil herstellbar ist.

Bei dem in 1 gezeigten Fahrzeugbauteil 100 handelt es sich lediglich beispielhaft um eine Rücksitzlehnenverstärkung. Die Rücksitzlehnenverstärkung 100 weist ein aus Blech, insbesondere Aluminiumblech, gefertigtes und rahmenartig ausgebildetes Grundbauteil 110 auf. Das Grundbauteil 110 kann aber auch aus einem anderen Material gefertigt sein, wie oben beschrieben. Dieses Grundbauteil 110 ist bspw. ein Tiefzieh-/Stanzteil und kann somit eine räumliche Formgebung aufweisen. Die sich zwischen Ausnehmungen bzw. Ausstanzungen 120 erstreckenden Streben 130 sind mittels Verstärkungen 140 aus einem Faserkunststoffverbund-Material gezielt verstärkt bzw. versteift, um Lastpfade zu optimieren und/oder eine höhere Crashsicherheit zu erreichen. Ferner wirken diese streifenartigen Verstärkungen 140 wie Zugbänder und bewirken, insbesondere bei Punktbelastung, eine Lastverteilung. Erfindungsgemäß weisen die Verstärkungen 140 wenigstens einen harzgetränkten, auf dem zu verstärkenden Grundbauteil 110 abgelegten sowie anschließend daran angedrückten und UV-gehärteten Strang auf bzw. sind daraus gebildet.
2 veranschaulicht die Herstellung des Fahrzeugbauteils 100 mithilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200 ist bspw. als Ablegekopf ausgebildet und kann an einem Roboterarm befestigt sein und so mithilfe des Roboters bewegt werden, wie durch die Pfeil F veranschaulicht. (Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der bereits oben zitierten Patentschrift DE 10 2013 021 672 A1 bekannt).
Die Vorrichtung 200 weist eine Wickelspule 210 auf, von der kontinuierlich ein Verstärkungsfasern enthaltender, bandartiger Strang (auch als Tape bezeichnet) 220 abgewickelt wird. Der Strang 220 kann eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm aufweisen, kann aber auch dünner oder dicker sein. Der abgewickelte Strang 220 wird in einem Harzbad 230 (oder einer funktionsgleichen Einrichtung) mit flüssigem, UV-härtbarem Harzmaterial getränkt und dann auf dem Grundbauteil 110 abgelegt, das dabei durch einen Tisch 300 oder dergleichen abgestützt wird. Der biegeschlaffe Strang 220 lässt sich sehr gut an die Kontur des Grundbauteils 110 anlegen.
Der nass abgelegte Strang 220 wird sodann mithilfe einer Andrückrolle 240 mit einem vorgegebenen Anpressdruck an das Grundbauteil 110 angedrückt und währenddessen und/oder direkt danach durch UV-Licht ausgehärtet, wozu in der Andrückrolle 240 und/oder neben der Andrückrolle 240 (d. h. der Andrückrolle 240 nachgeordnet) wenigstens eine UV-Lampe 250 angeordnet ist. Dadurch entsteht ohne Wärmeeinbringung eine untrennbare stoffschlüssige Verbindung mit dem Grundbauteil 110. Um die Haftung zu verbessern, kann das Grundbauteil 110 zumindest an den betreffenden Stellen vorbehandelt werden (bspw. durch Sand- oder Plasmastrahlen). Am Ende des Ablegevorgangs kann der Strang 220 dann mithilfe einer Schneideinrichtung 260 abgeschnitten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10134372 A1 [0002]
DE 102013021672 A1 [0003, 0021, 0026]

Claims

Fahrzeugbauteil (100), mit einem Grundbauteil (110), das insbesondere flächig ausgebildet ist, und wenigstens einer darauf aufgebrachten Verstärkung (140) aus einem Faserkunststoffverbund-Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (140) wenigstens einen harzgetränkten, auf dem zu verstärkenden Grundbauteil (110) abgelegten sowie anschließend daran angedrückten und UV-gehärteten Strang (220) aufweist.
Fahrzeugbauteil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verstärkende Grundbauteil (110) aus einem Metallblech, insbesondere aus einem Aluminiumblech, aus einem Organoblech, aus einem Kunststoff, aus einem Faserkunststoffverbund, aus einem Schaummaterial oder aus einem Metallguss gefertigt ist.
Fahrzeugbauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Strang (220) für die Verstärkung (140) - aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Material; - aus einem Verstärkungsfasern, insbesondere Metallfasern, enthaltenden Textil, das mit Zusatzstoffen versehen ist, welche die Anhaftung am Grundbauteil (110) verbessern und/oder die Haftung zwischen den Verstärkungsfasern verbessern und/oder den Wärmeausdehnungskoeffizient anpassen; - aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Band mit Zusatzstoffen, welche die Anhaftung am Grundbauteil (110) verbessern und/oder den Wärmeausdehnungskoeffizient anpassen; oder - aus einem Gemisch von Verstärkungsfasern und anderen Verstärkungsstoffen; gefertigt ist.
Fahrzeugbauteil (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Karosseriebauteil oder ein Einbauteil ist.
Vorrichtung (200) zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils (100), das ein Grundbauteil (110) und wenigstens eine darauf aufgebrachte Verstärkung (140) aus einem Faserkunststoffverbund-Material aufweist, wobei die Verstärkung (140) aus wenigstens einem harzgetränkten Strang (220) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung (200) eine Andrückeinrichtung (240) aufweist, mit der der harzgetränkte Strang (220) an das zu verstärkende Grundbauteil (110) andrückbar ist, und wenigstens eine UV-Lampe (250), mit der der angedrückte Strang (220) zumindest bereichsweise mit UV-Licht beleuchtbar und dadurch aushärtbar ist.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Andrückeinrichtung (240) eine Andrückrolle ist, die aus einem transparenten oder transluzenten Material gebildet ist, wobei die UV-Lampe (250) in die Andrückrolle (240) integriert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugbauteils (100), das ein Grundbauteil (110) und wenigstens eine darauf aufgebrachte Verstärkung (140) aus einem Faserkunststoffverbund-Material aufweist, wobei die Verstärkung (140) aus wenigstens einem harzgetränkten Strang (220) gebildet wird, wobei dieses Verfahren insbesondere mit einer Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 5 oder 6 automatisch ausgeführt wird, umfassend die Schritte: -Ablegen des harzgetränkten Strangs (220) auf dem Grundbauteil (110); - Andrücken des abgelegten Strangs (220); - UV-Härten des angedrückten Strangs (220).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stränge (220) lastpfadgerecht abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz, mit dem der Strang (220) getränkt ist, ein aufschäumendes Harz ist, das vor oder während dem UV-Härten aufschäumt.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundbauteil (110) beim Ablegen vom harzgetränkten Strang (220) umwickelt wird.