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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Werkzeug zur Erzeugung einer Baugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Im zeitgenössischen Fahrzeugbau werden Karosserien aus Stahl gefertigt. Dabei werden einzelne Strukturelemente im sogenannten Rohbau miteinander verschweißt. Bevorzugt wird dabei das Punktschweißverfahren eingesetzt. Bei dieser Verbindungstechnik werden verhältnismäßig große Schweißzangen benötigt, welche die Bleche an diskreten Punkten miteinander verschweißen.
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Diese Technologie stößt an ihre Grenzen jedoch in Bereichen, in denen die Zugänglichkeit für die Schweißzange nicht gegeben ist. In solchen Bereichen besteht die Gefahr, dass die Schweißpunkte nicht ordnungsgemäß und prozesssicher realisiert sind, so dass die verschweißten Bauteile sich voneinander lösen können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Baugruppe, ein Verfahren zur Herstellung dieser Baugruppe, sowie ein Werkzeug zur Erzeugung der Baugruppe anzugeben, bei dem sich die Fügestelle zwischen zwei Bauteilen durch besonders gute mechanische Eigenschaften auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Baugruppe mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil vor, wobei jedes Bauteil aus einem metallischen Material ausgebildet ist und wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil so zueinander positioniert sind, dass ein Bauteil das andere Bauteil zumindest abschnittsweise überlappt und in einem Überlappungsabschnitt über eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind. Weiterhin kann ein drittes Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff abschnittsweise jeweils mit dem ersten Bauteil und mit dem zweiten Bauteil über eine stoffschlüssige Verbindung verbunden sein. Indem das erste und das zweite Bauteil zusätzlich zu ihrer stoffschlüssigen Verbindung noch über das dritte Bauteil miteinander verbunden sind, kann eine Baugruppe mit besonders hohen mechanischen Eigenschaften geschaffen werden. Mit anderen Worten kann an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil eine größere Kraftübertragung realisiert werden, wobei - beispielsweise bei einer Krafteinleitung in Längsrichtung der Bauteile, d.h. in im Wesentlichen quer zu der Verbindungsstelle - ein lokales Ausbeulen des ersten und/oder zweiten Bauteils an der Verbindungsstelle verhindert wird.
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Weiterhin kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil als Schweißverbindung, insbesondere als Punktschweißverbindung, ausgebildet sein. Punktschweißverfahren bieten den Vorteil einer sehr rationalen Fertigungsmöglichkeit mit niedrigen Taktzeiten.
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Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann Verstärkungsfasern umfassen, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei die Matrix die stoffschlüssige Verbindung mit jeweils dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ausbildet. Im Sinne einer Funktionsintegration ergibt sich somit der Vorteil, dass das Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffs wie ein Klebstoff, insbesondere wie ein Zwei-Komponenten-Klebstoff, fungiert und somit gleichzeitig die Matrix ausbildet und die stoffschlüssige Verbindung jeweils zu dem ersten Bauteil und zu dem zweiten Bauteil herstellt.
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Weiterhin können die Verstärkungsfasern als Glasfasern ausgebildet sein. Mit Glasfasern verstärkte Faserverbundbauteile haben den Vorteil, dass deren Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten von Blechen aus Metall ist, so dass Spannungsrisse in der stoffschlüssigen Verbindung aufgrund thermischer Ausdehnungen unwahrscheinlich sind. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen. Darüber hinaus haben Glasfasern den Vorteil, dass sie elektrisch nicht leitend sind, so dass gegenüber kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteilen geringere Korrosionseffekte entstehen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei jedes Bauteil aus einem metallischen Material ausgebildet ist, mit den Schritten: Ausrichten der zwei Bauteile zueinander, so dass ein Bauteil das andere Bauteil zumindest abschnittsweise überlappt, Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung in dem Überlappabschnitt zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Weiterhin kann das Verfahren die Schritte umfassen: Anordnen eines dritten Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff, wobei das dritte Bauteil zumindest abschnittsweise das erste Bauteil und abschnittsweise das zweite Bauteil überlappt, und Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen jeweils dem ersten Bauteil und dem dritten Bauteil, und dem zweiten Bauteil und dem dritten Bauteil.
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Weiterhin kann als drittes Bauteil ein mit Matrixmaterial vorimprägniertes Faserhalbzeug verwendet werden.
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In einem weiteren Schritt kann durch Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur das Matrixmaterial des dritten Bauteils ausgehärtet werden, zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung jeweils zwischen dem dritten Bauteil und dem ersten Bauteil sowie zwischen dem zweiten Bauteil und dem dritten Bauteil.
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Optional kann zusätzlich auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Matrixmaterial des dritten Bauteils und jeweils dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil erzeugt werden. Hierzu wird in einem vorhergehenden Schritt die Oberfläche des ersten Bauteils und die Oberfläche des zweiten Bauteils aufgeraut, so dass das Matrixmaterial des dritten Bauteils hinterschnittartig in diese Oberflächenstruktur eindringt und damit - nach dem Aushärten - zusätzlich zu dem stoffschlüssigen Verbund auch einen formschlüssigen Verbund erstellt. Dadurch kann erreicht werden, dass die mechanischen Eigenschaften, d. h. die Kraftübertragung an der Verbindungsstelle der Baugruppe, erhöht werden.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Werkzeug zur Erzeugung einer Baugruppe mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei sich das Werkzeug zum Aufbringen eines faserverstärkten Bauteils auf sich zumindest abschnittsweise überlappende Bauteilbereiche des ersten und zweiten Bauteils eignet. Das Werkzeug kann eine fluiddichte Kammer aufweisen, deren Außenwandung zumindest abschnittsweise durch eine verschiebbare Membran gebildet wird, wobei auf der Membran ein faserverstärktes Bauteil anordenbar ist. Die Verwendung einer verschiebbaren Membran bietet den Vorteil, dass sich die Membran an die äußere Kontur bzw. äußere Form des faserverstärkten Bauteils, das auf der Membran angeordnet ist, anpassen kann und somit eine feste Aufnahme des faserverstärkten Bauteils gewährleistet ist.
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Weiterhin kann die Kammer volumenvariabel ausgebildet sein, wobei durch eine Variation des Kammervolumens eine Relativbewegung des auf der Membran angeordneten faserverstärkten Bauteils erzeugbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass durch Befüllen des Kammervolumens mit einem Fluid, beispielsweise in flüssigem oder gasförmigem Zustand, die Membran und somit das auf der Membran angeordnete faserverstärkte Kunststoffbauteil in Richtung einer Klebestelle bewegt werden kann.
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Das Werkzeug kann gabel- oder zangenartig ausgebildet sein, mit einem ersten Gabelarm, der einen formstabilen Abschnitt der Außenwandung der fluiddichten Kammer bildet, und einem zweiten Gabelarm, der als ein Gegenlager zur Membran fungiert.
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Weiterhin kann durch eine Erhöhung des Kammervolumens eine Relativbewegung der Membran zu dem zweiten Gabelarm hin und durch eine Reduktion des Kammervolumens eine Relativbewegung der Membran von dem Gabelarm weg erzeugt werden.
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Im Sinne dieser Erfindung können die Verstärkungsfasern als organische oder anorganische Verstärkungsfasern ausgebildet sein. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff; englisch „Carbon-Fiber-Reinforced Plastic“, CFRP) genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein CFK- Bauteil. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise auch Glasfasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen glasfaserverstärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein GFK-Bauteil. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Verstärkungsfasern können z. B. auch Aramidfasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, PMMA-Fasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern und/oder Naturfasern sein. Die Verstärkungsfasern können als Kurzfaser mit einer Gesamtlänge bis zu 20 mm, als Langfaser mit einer Länge von 20 mm bis 50 mm oder als Endlosfaser mit einer Gesamtlänge größer 50 mm ausgebildet sein. Das Material der Kunststoffmatrix mag insbesondere ein oder mehrere thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) und/oder duroplastische Kunststoffe (Duroplaste) aufweisen. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich beispielsweise: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE). Faserverstärkte Kunststoffe mit einer duroplastischen Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe bzw. Matrix können z. B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF).
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Das erste Bauteil und das zweite Bauteil können als Bleche aus einem metallischen Material ausgebildet sein. Bei diesen Bauteilen kann es sich insbesondere um warmumgeformte Bauteile oder um pressgehärtete Bauteile handeln, wie sie derzeit im Automobilbau zur Erzeugung von Strukturbauteilen verwendet werden. Strukturbauteile im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Längsträger, Querträger, A-, B-, C-, D-Säulen, Schweller, Dachseitenrahmen, Dachspriegel, usw.
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Im Sinne dieser Erfindung sind vorimprägnierte Faserhalbzeuge, auch sogenannte Prepregs, Fasermatten, die als Gelege, Gewebe oder Geflecht vorliegen können und mit einem noch nicht ausgehärteten Kunststoffmaterial imprägniert sind.
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Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung kurz zusammengefasst werden. Die Vorteile der Erfindung gelten dabei gleichzeitig für die Baugruppe, das erfinderische Verfahren sowie für das Werkzeug. Durch Verwendung eines dritten faserverstärkten Bauteils können die mechanischen Eigenschaften in der Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil wesentlich verbessert werden. Das faserverstärkte Bauteil liegt dabei zunächst als Prepreg, d.h. vorimprägniertes Faserhalbzeug vor. Die Fasern können dabei als Gelege, Gewebe, Geflecht oder Vlies ausgebildet sein. Nach dem Aushärten entsteht dann ein sogenanntes Patch. Aufgrund der doppelten Verbindung, d. h. der zusätzlichen Verbindung durch das faserverstärkte Kunststoffbauteil zusätzlich zu der Schweißverbindung, kann die Sicherheit erhöht werden im Falle des Versagens der Schweißverbindung. Insbesondere in schwer zugänglichen Stellen, in denen nicht genügend Schweißpunkte gesetzt werden können, wird durch die Verwendung der zusätzlichen Klebeverbindungen mit dem faserverstärkten Kunststoffpatch eine ausreichende mechanische Kraftübertragung sichergestellt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 eine Seitenansicht auf eine Baugruppe,
- 2 eine Draufsicht auf eine Baugruppe,
- 3 eine Seitenansicht eines Werkzeugs zur Herstellung einer Baugruppe,
- 4a eine Seitenansicht auf einen Schweißroboter, und
- 4b eine Seitenansicht auf ein Werkzeug zum Aufbringen eines Faserverbundbauteils auf einen Bauteilverbund.
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1 zeigt eine Baugruppe 10, bei der ein erstes metallisches Bauteil 11 mit einem zweiten metallischen Bauteil 12 über mehrere Schweißpunkte 14 miteinander verbunden sind. Das zweite Bauteil 12 ist mit einem S-Schlag ausgebildet, so dass es das erste Bauteil 11 abschnittsweise überlappt. In dem Überlappungsbereich A berühren sich die Oberflächen des ersten Bauteils 11 und des zweiten Bauteils 12. Aus Gründen der besseren Darstellung sind die metallischen Bauteile schraffiert dargestellt.
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In dem Verbindungabschnitt B der Baugruppe 10 wird eine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung geschaffen, um die mechanischen Eigenschaften des Verbindungsabschnitts B zu erhöhen. Hierfür ist ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 13 in dem Verbindungsabschnitt B vorgesehen. Dieses befindet sich im Überlappungsbereich A des Bauteils 11 und des zweiten Bauteils 12 und ragt zudem über diesen Überlappungsbereich A hinaus. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 13 steht dabei abschnittsweise in berührendem Kontakt mit einer Oberfläche des ersten Bauteils 11 und einem Abschnitt der Oberfläche des zweiten Bauteils 12.
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In 2 ist eine Draufsicht auf die Baugruppe 10 aus 1 dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist das faserverstärkte Kunststoffbauteil 13 transparent dargestellt. Wie aus der Draufsicht erkennbar ist, überragt das faserverstärkte Kunststoffbauteil 13 den Überlappungsbereich A des ersten Bauteils 11 mit dem zweiten Bauteil 12, in dem mehrere Schweißpunkte 14 angeordnet sind.
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Mit Bezug zur 3 soll der Aufbau eines Werkzeugs 20 erläutert werden, das geeignet ist, ein faserverstärktes Bauteil 13 auf zwei miteinander verschweißte Bauteile 11, 12 aufzubringen. Das Werkzeug 20 ist ähnlich einer Schweißzange ausgebildet und hat eine im Wesentlichen gabelartige Form. Ein erster Gabelarm, figürlich als oberer Gabelarm dargestellt, ist als eine formstabile Außenwandung 23 einer fluiddichten Kammer 22 ausgebildet. Die Kammer 22 wird durch eine verschiebbare, formvariable Membran 21 verschlossen. Mit anderen Worten wird die das Kammervolumen bildende Außenwandung durch einen formstabilen Abschnitt 23 und einen formvariablen Bereich, nämlich die Membran 21, gebildet. Auf der Membran 21 ist ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 13 angeordnet. Bei diesem faserverstärkten Kunststoffbauteil 13 handelt es sich bevorzugterweise um eine Glasfaserstruktur, die mit einem Matrixmaterial imprägniert ist. Dieses Matrixmaterial befindet sich in einem noch nicht ausgehärteten, teigförmigen Zustand. Durch eine Erhöhung des Kammervolumens 22 kann die Membran 21 bewegt werden, und zwar in Richtung des zweiten Gabelarms 24. Durch eine Reduktion des Kammervolumens wird die Membran 21 in Richtung des Inneren der Kammer gesogen, so dass ein auf der Membran 21 angeordnetes faserverstärktes Kunststoffbauteil 13 von dem zweiten Gabelarm 24 wegbewegt wird. Der zweite Gabelarm 24 übernimmt die Aufgabe eines Gegenlagers, so dass die Bauteile 11, 12 darauf angeordnet werden können, die dann mit dem faserverstärkten Bauteil 13 verbunden werden.
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Um eine automatisierte Fertigung zu realisieren, kann das Werkzeug 20 beispielsweise an einem Roboterarm 30 angeordnet sein, so dass verschiedene Fügebereiche angefahren werden können, um an dieser Stelle die faserverstärkten Bauteile 13 als sogenannte Patche aufzubringen.
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Mit Bezug zu den 4a und 4b soll im Folgenden das Verfahren zur Herstellung der Baugruppe 10 erläutert werden. In 4a ist ein weiterer Roboter 40 dargestellt, an dem eine Schweißzange 41 angeordnet ist. Ein erstes Bauteil 11 und ein zweites Bauteil 12 sind so angeordnet, dass sie in einem Überlappungsbereich A, in dem sich deren Oberflächen teilweise überdecken, miteinander in berührendem Kontakt stehen. Mit Hilfe der Schweißzange 41 werden in diesem Überlappungsbereich A mehrere einzelne Schweißpunkte 14 erzeugt. Als Zwischenprodukt entsteht somit eine Unterbaugruppe aus einem ersten Bauteil 11 und einem zweiten Bauteil 12, die über die Schweißpunkte 14 stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Diese Unterbaugruppe wird gemäß 4b auf den als Gegenlager ausgebildet zweiten Gabelarm 24 aufgelegt. Danach wird durch Erhöhung des Fluids in der fluiddichten Kammer 22 die Membran 21 mit dem darauf angeordneten faserverstärkten Kunststoffbauteil 13 in Richtung der Unterbaugruppe bewegt. In einer Endposition dieser Bewegung liegt das faserverstärkte Kunststoffbauteil 13 auf der Unterbaugruppe auf und berührt abschnittsweise das erste Bauteil 11 und das zweite Bauteil 12. Durch Erhöhung des Drucks und/oder des Volumens in der Kammer 22 kann das faserverstärkte Halbzeug 13 mit Druck beaufschlagt werden, so dass die Matrix des faserverstärkten Halbzeugs 13 zum faserverstärkten Kunststoffbauteil aushärtet. Optional oder alternativ kann anstatt einer Beaufschlagung des noch nicht ausgehärteten Matrixmaterials mit Druck auch eine Beaufschlagung mit Temperatur erfolgen. Beim Aushärten verbindet sich das Matrixmaterial stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 und schafft somit eine zweite, zusätzliche Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12. Als Endprodukt, nach dem in 4b dargestellten Verfahrensschritt, entsteht die in den 1 und 2 dargestellte Bauteilgruppe 10.
