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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils.
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Fahrzeugkarosserien bestehen aus einer Vielzahl von Karosseriebauteilen, die zunächst gefertigt und zur Karosserie zusammengefügt werden. Die Karosserie durchläuft dann noch weitere Bearbeitungsschritte, wie z.B. eine KTL-Beschichtung/ Lackierung. Die Karosserien der meisten Fahrzeug-Basismodelle bestehen aus Metallbauteilen. Die zugehörigen Produktionsstraßen sind entsprechend auf die Bearbeitung von Metallbauteilen ausgerichtet.
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Aufbauend auf den Basismodellen werden Modellvarianten geschaffen, die sich durch Variation von Karosseriebauteilen, wie z.B. einer Seitenwand, von den Basismodellen unterscheiden. Um hierbei die Möglichkeit zur optischen Differenzierung optimal nutzen zu können und mit dem Vorteil eines geringen Gewichts zu kombinieren, ist es wünschenswert, die veränderten Karosseriebauteile der Modellvarianten als Kunststoffbauteile aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen.
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Um zudem die Fertigungskosten der Modellvarianten gering zu halten, sollen diese mit möglichst geringem Umstrukturierungsaufwand in bestehenden Produktionsstraßen weiterverarbeitet werden können.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2016 206 517 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein faserverstärktes Bauteil in einem Werkzeug hergestellt und in demselben Werkzeug mit einer Beschichtung versehen wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Kunststoffbauteilen mit einer Oberflächenqualität, welche eine Weiterverarbeitung in bestehenden KTL-Beschichtungsanlagen ermöglicht.
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Weiterhin ist aus der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2019 104 818.4 bekannt, eine metallische Schweißklammer zu verwenden um Kunststoffbauteile mit Metallbauteilen zu fügen.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem faserverstärkte Kunststoffbauteile auf kostengünstige Art und Weise hergestellt werden können und das mit geringem Aufwand in bestehende Produktionsstraßen integrierbar ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils eines Kraftfahrzeugs, angegeben mit den Schritten:
- a) Herstellen mindestens eines mit Matrixmaterial imprägnierten Faserhalbzeugs, wozu mehrere Fasertapes über- und nebeneinander angeordnet werden,
- b) Erzeugen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils unter Verwendung des mindestens einen Faserhalbzeugs, wozu das mindestens eine mit Matrixmaterial imprägnierte Faserhalbzeug zwischen zwei Werkzeughälften (11, 12) eines Werkzeugs (10) mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt wird und eine Trägerstruktur ausbildet und eine Beschichtung auf der Trägerstruktur ausgebildet wird, wobei die Trägerstruktur und die Beschichtung in demselben Werkzeug erzeugt werden und
- c) Anordnen mindestens einer metallischen Klammer an dem faserverstärkten Kunststoffbauteil, welche das faserverstärkte Kunststoffbauteil an einer Kante umgreift und eine im faserverstärkten Kunststoffbauteil ausgebildete Durchgangsöffnung beidseitig überdeckt.
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In Schritt a) wird das Faserhalbzeug durch ein Tapelegeverfahren hergestellt. Hierzu werden vorimprägnierte Streifen aus Endlosfasern (Tapes) mittels eines automatisierten Legekopfes auf einer Bauplattform nebeneinander und übereinander abgelegt. Zum Beispiel wird ein Tape mit einem Greifkopf eingefahren, dann fährt ein zweiter Greifkopf dazu, welcher das Tape an einem Ende fasst. Die beiden Greifköpfe fahren in einem bestimmten Abstand auseinander, so dass das Tape gestreckt wird. Zusammen legen die Greifköpfe das Tape ab. Ein höhenverstellbarer und drehbarer Tisch darunter sorgt für die richtige Ablagestelle des Tapes. Jeweils am Bauteilrand am Ende einer Bahn werden die Tapes abgeschnitten und der Vorgang beginnt von neuem. Die Tapes können dabei in frei programmierbaren Bahnen positions- und richtungsvariabel abgelegt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Tapes z.B. lastpfadgerecht entsprechend der Hauptlastpfade in beliebiger Faserorientierung ausgerichtet werden. Weiterhin kommt es durch das schichtweise Ablegen der Tapes nicht zu Faserondulationen, wodurch das volle mechanische Potenzial der Fasern im Halbzeug genutzt werden kann. Durch das Ablegen von einzelnen Tape-Streifen ist es außerdem möglich, ein endkonturnahes Halbzeug zu erstellen und dadurch den Materialverschnitt und in Folge auch die Bauteilkosten zu minimieren.
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Die Ablage der Faser-Tapes wird solange wiederholt, bis die berechnete Dicke des Faserhalbzeugs erreicht ist. Hierbei ist es vorteilhafter Weise auch möglich, das Faserhalbzeug in Bereichen hoher zu erwartender Belastungen in der Art eines Tailored-blank lokal zu verstärken, indem dort zusätzliche Lagen von Tapes aufgebracht werden.
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Die Tapes sind aus vorimprägnierten Endlosfasern aufgebaut. Bei den Endlosfasern kann es sich um organische oder anorganische Endlosfasern handeln. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern oder Glasfasern sein. 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.
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Für die Herstellung von Fahrzeugbauteilen werden vorzugsweise Kohlenstofffasern eingesetzt, aufgrund der hohen erzielbaren Festigkeiten des resultierenden Kunststoffbauteils. In einer Ausgestaltung weist das Faserhalbzeug daher Kohlenstofffasern auf.
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Um den Anforderungen im Crashfall Rechnung zu tragen, kann das Faserhalbzeug in einer Ausgestaltung einen hybriden Aufbau aus unterschiedlichen Fasermaterialien aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Faserhalbzeug in Bereichen mit Crashanforderungen, wie z.B. im Bereich eines Schweller oder einer Fahrzeugsäule, zusätzlich mit Tapes aus Glasfasern verstärkt. Ein derartiges Faserhalbzeug weist dann mehrere Schichten aus Kohlenstofffasern auf, wobei in den zu verstärkenden Bereichen ein oder mehrere Schichten aus Glasfasern zwischen den Kohlenstofffaserschichten angeordnet werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Fasern symmetrisch aufeinander liegen um eine höhere Elastizität zu gewährleisten. Insgesamt bleibt im Hybridtape die Festigkeit durch das Kohlenstofftape hoch, aber die Spannungsspitzen können im Crashfall durch die höhere Elastizität der Glasfasern reduziert werden.
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Die Verstärkungsfasern sind im Tape bereits mit einem Matrixmaterial und ggf. einem Binder vorimprägniert. Das Matrixmaterial kann 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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In Schritt b) wird das Faserhalbzeug zum faserverstärkten Bauteil weiterverarbeitet. Hierbei bildet das Faserhalbzeug eine Trägerstruktur aus, die im gleichen Werkzeug direkt mit einer Beschichtung versehen wird.
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Zur Erzeugung der Trägerstruktur wird mindestens ein mit Matrixmaterial imprägniertes Faserhalbzeug zwischen zwei Werkzeughälften des Werkzeugs mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt. Dadurch können auf besonders einfache Weise sogenannte monolithische Teile hergestellt werden. Solche Teile weisen eine Trägerstruktur mit verhältnismäßig einfachem Aufbau auf. Die Trägerstruktur solcher Bauteile umfasst somit ein Faserhalbzeug aus Fasermaterial, das ggf. mehrlagig d.h. aus mehreren Faserlagen ausgebildet sein kann, und Matrixmaterial. Solche monolithische Bauteile eignen sich besonders gut zur Verwendung von Seitenwandbauteilen, wie beispielsweise Kotflügeln, Seitenrahmen und dergleichen.
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Alternativ dazu können zur Erzeugung der Trägerstruktur zwei mit Matrixmaterial vorimprägnierte Faserhalbzeuge, zwischen denen eine Abstandsschicht vorgesehen ist, zwischen den Werkzeughälften des Werkzeugs mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt werden. Derartige Trägerstrukturen weisen einen mehrschichtigen, sandwichartigen Aufbau auf. Dieser Aufbau verleiht der Trägerstruktur besonders hohe Festigkeitseigenschaften. Darüber hinaus können akustische Dämpfungsmaßnahmen realisiert werden. Kunststoffbauteile mit einem solchen Aufbau eignen sich insbesondere zur Verwendung für Fahrzeugklappen, wie beispielsweise Motorhauben oder Kofferraumdeckel.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Erzeugung der Trägerstruktur das Werkzeug um einen vorbestimmten Hub geöffnet, wobei die Werkzeughälften um den vorbestimmten Hub voneinander weg bewegt werden und in die dadurch freigegebene Kavität ein Material zur Erzeugung der Beschichtung eingebracht wird. Dadurch kann auf besonders einfache Weise die Oberfläche der Trägerstruktur, die später der Sichtoberfläche des Kraftfahrzeugbauteils zugewandt ist, mit einem Kunststoffmaterial überzogen bzw. beschichtet werden.
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Nach dem Einbringen des Beschichtungsmaterials wird mittels der Werkzeughälften dieses Material mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt. Zur Erzeugung des Drucks können die beiden Werkzeughälften aufeinander zu bewegt werden. Die Einbringung von Temperatur erfolgt zum Beispiel durch temperierbare bzw. heizbare Werkzeughälften. Die Beschichtung bietet den Vorteil, dass sich auf der Bauteiloberfläche, die der Sichtfläche entspricht, die Gefahr von Faserabzeichnungen reduziert.
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Als Material zur Erzeugung der Beschichtung eignen sich insbesondere Polyurethan (PUR), Epoxidharze und/oder Acrylharze wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA).
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Das Beschichtungsmaterial kann dabei als Flüssigkeit, als teigförmige Masse, oder in fester Form, insbesondere als Folie oder Pulver, auf die Trägerstruktur aufgebracht werden.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform des Verfahrensschrittes b) wird zunächst auf eine Wirkoberfläche einer Werkzeughälfte eine Beschichtung aus Pulvermaterial aufgebracht und danach das Material zur Ausbildung der Beschichtung aus dem Pulvermaterial und zur Ausbildung der Trägerstruktur aus faserverstärktem Kunststoff mit den Werkzeughälften des Werkzeugs eine Druck und/oder Temperaturbeaufschlagung durchgeführt, wodurch die Beschichtung und die Trägerstruktur gleichzeitig ausgebildet werden. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Beschichtung und die Trägerstruktur gleichzeitig ausgehärtet, so dass sich ein verkürzter Prozesszyklus ergibt.
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Weiterhin kann zur Erzeugung der Beschichtung zuerst eine erste Schicht Pulvermaterial auf die Wirkoberfläche einer Werkzeughälfte und danach eine zweite Schicht Pulvermaterial auf die vorbeschichtete Werkzeughälfte aufgebracht werden, wobei die erste Schicht Pulvermaterial schneller aushärtet als die zweite Schicht Pulvermaterial. Durch die Eigenschaft schnell auszuhärten, bildet die erste Schicht Pulvermaterial die Oberfläche der Werkzeugfläche besonders konturgetreu ab. Die erste Pulverschicht stellt somit eine harte Oberfläche im fertigen Bauteil dar. Die zweite, langsamer aushärtende Pulverschicht bietet den Vorteil einer besonders guten Anbindung an die Trägerstruktur. Dadurch haftet die erste Pulverschicht fest an der Trägerstruktur. Gleichzeitig dringen Unebenheiten auf der Oberfläche der Trägerstruktur - wie sie z.B. durch hervorstehende einzelne Fasern oder durch Abzeichnungen der Form des Kernes entstehen können - in die zweite Pulverschicht ein, da diese noch weich und nachgiebig ist. Durch die harte erste Pulverschicht werden jedoch Abzeichnungen auf der Bauteiloberfläche verhindert. Ferner können physikalische Schrumpfungseffekte, die bei der Herstellung der Trägerstruktur entstehen durch die zweite Pulverschicht kompensiert werden.
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Nach ausreichender Aushärtung bzw. Konsolidierung des Matrixmaterials kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil dem Werkzeug entnommen und weiterverarbeitet werden. Es können sich z.B. ein Kantenbeschnitt und ein Versäubern der Kante des Bauteils anschließen.
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In Schritt c) des Verfahrens wird mindestens eine metallische Klammer an dem faserverstärkten Kunststoffbauteil angeordnet, welche eine Kante des faserverstärkten Kunststoffbauteils umgreift, wobei die Klammer eine im faserverstärkten Kunststoffbauteil ausgebildete Durchgangsöffnung beidseitig überdeckt.
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Derart wird eine Möglichkeit geschaffen, wie das faserverstärkte Kunststoffbauteil mit herkömmlichem Schweißequipment, z.B. Schweißpunktzangen, mit einem Metallbauteil verbunden werden kann. Die Schweißzange wird an der metallischen Klammer im Bereich des Durchgangslochs angesetzt. Dort liegen nur die beiden das Bauteil umgreifenden Schenkel der Klammer vor. Für die Verschweißung liegen folglich nur Metalle aufeinander auf, so dass eine Verschweißung mit einem Metallbauteil problemlos möglich ist. Nach der Verschweißung ist die metallische Klammer formschlüssig mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil und stoffschlüssig mit dem Metallbauteil verbunden, wodurch sich hohe Festigkeiten des Bauteilverbundes realisieren lassen. Insbesondere ermöglicht die metallische Klammer die Weiterverarbeitung des faserverstärkten Kunststoffbauteils im Rahmen einer Fertigungslinie, wie sie für herkömmliche Metallkarosserien vorgesehen ist. Ein zusätzlicher Anlageninvest zur Anbindung des faserverstärkten Kunststoffbauteils an die restliche Fahrzeugkarosserie ist nicht notwendig.
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An dem faserverstärkten Kunststoffbauteil können je nach Anzahl der erforderlichen Schweißpunkte auch mehrere metallische Klammern angeordnet werden, die z.B. entlang der Kontur des faserverstärkten Bauteils angeordnet werden. Die Durchgangslöcher können bereits bei der Bauteilherstellung in Schritt b) mit ausgebildet werden oder nachträglich in das Bauteil eingebracht werden, z.B. durch Bohren.
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Die Klammer weist vorzugsweise einen metallischen Hauptkörper mit einem ersten und zweiten Klammerschenkel auf, die durch Zusammendrücken der Schenkel in einem Kontaktbereich lokal begrenzt miteinander in Anlage bringbar sind. Außerhalb des Kontaktbereichs bleiben die Schenkel beabstandet zueinander, wodurch ein Raum zur Aufnahme des Bauteils geschaffen ist. Die Klammer wird auf das Kunststoffbauteill aufgeschoben, so dass sie das Bauteil von der Kante her umgreift. Das Kunststoffbauteil weist eine Durchgangsöffnung auf an der Stelle, an der das Kunststoffbauteil mit einem weiteren Bauteil, z.B. einem Metallbauteil, verbunden werden soll. Die Klammer wird nun so positioniert, dass der Kontaktbereich an der Durchgangsöffnung anliegt. Werden die Schenkel der Klammer zusammengedrückt, so kommen sie im Bereich der Durchgangsöffnung in Kontakt miteinander. Die Klammer kann auch derart geformt sein, dass die Schenkel im Kontaktbereich bereits in Kontakt sind ohne hierzu zusammengedrückt werden zu müssen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Klammer weiterhin eine Isolationsschicht auf der Innenseite der Klammerschenkel auf, die im Kontaktbereich ausgespart ist. Die Isolationsschicht ist auf der Innenseite der Schenkel angeordnet, d.h. der Seite der Klammerschenkel, die einander zugewandt sind. Die Isolationsschicht ist jedoch nicht im Kontaktbereich ausgebildet. Dieser ist frei von der Isolationsschicht. Werden die Klammerschenkel zusammengedrückt, so liegt im Kontaktbereich das Metall des einen Schenkels auf dem Metall des anderen Klammerschenkels auf. Hierdurch wird ein elektrischer Kontakt realisiert, der für das spätere Verschweißen wichtig ist. Gleichzeitig stellt die Isolationsschicht eine galvanische Trennung von Metallklammer und einzuklemmendem Kunststoffbauteil bereit. Hierdurch können faserverstärkte Kunststoffbauteile, wie z.B. kohlenstofffaserverstärkte Bauteile (CFK-Bauteile) mit Metallbauteilen verschweißt werden, wobei eine Kontaktkorrosion verhindert wird.
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Die metallische Klammer ist vorzugsweise aus einem Metall ausgebildet, das mit dem Metall des Metallbauteils verschweißbar ist. Bei dem Metall kann es sich z.B. um Stahl oder ein Leichtmetall wie z.B. eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung handeln.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Isolationsschicht der Klammer eine elastomere Schicht ist. Beispielsweise kann die Isolationsschicht aus einem Kautschukmaterial gebildet sein, wie zum Beispiel dem Material Kraibon. Das elastomere Material hat aufgrund seiner Elastizität dämpfende Eigenschaften und beugt somit dem Klappern der anliegenden Bauteile vor. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien durch das elastische Material der Isolationsschicht aufgefangen werden. Thermisch induzierte Spannungen im Bauteilverbund können reduziert werden.
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Ein weiterer Vorteil einer elastomeren Isolationsschicht besteht darin, dass diese mit dem Kunststoffbauteil vulkanisiert sein kann. Hierdurch wird eine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung zwischen Klammer und Kunststoffbauteil ausgebildet, wodurch auch die Festigkeit der gesamten Bauteilverbindung gegenüber einer Verbindung ohne die elastische Isolationsschicht gesteigert wird. Zudem steigt die Energieaufnahme der Bauteilverbindung im Crashfall.
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Vorzugsweise ist die Klammer derart ausgebildet, dass der zweite Klammerschenkel eine Vertiefung aufweist, die in Richtung auf den ersten Klammerschenkel vorsteht. Durch die vorstehende Vertiefung kann eine einfache Kontaktierung der Klammerschenkel erreicht werden. Die Materialdicke der Klammerschenkel kann gleichbleibend sein, was sich vorteilhaft auf den Schweißprozess auswirkt.
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Zudem ermöglicht die vorstehende Vertiefung, die Klammer bereits vor dem Verschweißen formschlüssig am Kunststoffbauteil festzulegen, indem die Vertiefung in ein korrespondierendes Loch im Kunststoffbauteil eingreift. Für die Festigkeit des Bauteilverbundes ist es von Vorteil, wenn die Klammer mit einer wie voranstehend beschriebene Vertiefung ausgebildet ist, die in Richtung auf den ersten Klammerschenkel vorsteht und die Vertiefung in die Durchgangsöffnung im Kunststoffbauteil eingreift. Die zusätzliche formschlüssige Fixierung der Klammer am Kunststoffbauteil erleichtert nicht nur die Montage sondern erhöht auch die Festigkeit der Verbindung.
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Im Anschluss an das Aufbringen der metallischen Klammer(n) kann das ausgebildete faserverstärkte Kunststoffbauteil mit einer kathodischen Tauchlackierung versehen werden.
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Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung nochmals zusammengefasst werden. Durch die Ausbildung des Faserhalbzeugs im Tapelegeverfahren können der Materialverbrauch reduziert und die Materialkosten gesenkt werden. Zudem können bessere Bauteileigenschaften hinsichtlich der Crashsicherheit erzielt werden. Durch die Kombination der Herstellung einer Trägerstruktur durch Pressen zwischen zwei Werkzeughälften und der Beschichtung in demselben Presswerkzeug entstehen kurze Zykluszeiten. Durch die Erzeugung einer zusätzlichen Beschichtung auf der Verstärkungsstruktur kann die Gefahr von Faserabzeichnungen reduziert werden. Das Bauteil kann einen KTL (Kathoden-Tauchlack)-Prozess durchlaufen, wobei Class-A Oberflächen erreicht werden. Der Einsatz der metallischen Klammern am Bauteil ermöglicht es, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil wie ein herkömmliches Metallbauteil verschweißt werden kann, wobei insbesondere existierende Schweißanlagen weiterverwendet werden können. Die Verwendung einer elastomeren Isolationsschicht zwischen Klammer und Bauteil sorgt zudem für eine galvanische Trennung zwischen metallischen Bestandteilen der Karosserie und dem faserverstärkten Kunststoffbauteil. Im Zusammenwirken der einzelnen Verfahrensschritte entsteht ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, das mit reduzierten Kosten herstellbar ist und in existierenden Produktionsstraßen, die ansonsten für die Fertigung von Metallkarosserien verwendet werden, weiterverarbeitet werden kann. Dies ermöglicht die kostengünstige Fertigung zusätzlicher Karosserie-Modellvarianten, die auf herkömmlichen Basismodellen aufgebaut werden. Werden mit dem Verfahren Karosseriebauteile hergestellt, so können diese den sogenannten Online-Fertigungsprozess durchlaufen wie alle anderen Blechbauteile der Karosserie. Eine gesonderte Behandlung des faserverstärkten Bauteils, bei dem dieses offline lackiert wird und letztlich gesondert an die Karosserie montiert wird, ist nicht erforderlich.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2A bis 2E beispielhafte Ausführungsformen des Schrittes B des Verfahrens,
- 3A bis 3E weitere beispielhafte Ausführungsformen des Schrittes B des Verfahrens und
- 4 und 5 Ansichten einer beispielhaften Klammer.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Schritte A, B und C entsprechen dabei den Schritten a), b) und c) des voranstehend beschriebenen Verfahrens. In Schritt A wird zunächst ein Faserhalbzeug hergestellt. Dies erfolgt in einem Tapelegeverfahren. Hierzu werden Fasertapes je nach Anforderungen an das Bauteil in frei programmierbaren Bahnen nebeneinander und übereinander durch einen automatisierten Faserlegekopf abgelegt. Die Fasertapes sind bereits mit einem Matrixmaterial vorimprägniert, so dass sich ein resultierender Faserstapel (stack) in der Art eines Prepregs ergibt. Das Faserhalbzeug kann aufgrund der verwendeten Tapes bereits endkonturnah ausgebildet werden, so dass Verschnitt reduziert wird. In Bereichen hoher zu erwartender Belastung im Bauteil können lokal zusätzliche Fasertapes aufgebracht werden, so dass der Stack Bereiche mit unterschiedlichen Dicken aufweist. Zur Erhöhung der Crashsicherheit kann es vorgesehen sein, dass das Faserhalbzeug - zumindest in Bereichen mit Crashanforderungen, wie z.B. im Bereich der Fahrzeugsäulen oder im Schwellerbereich, Fasertapes aus Kohlenstofffasern und aus Glasfasern beinhaltet.
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In Schritt B wird unter Verwendung des Faserhalbzeugs das faserverstärkte Kunststoffbauteil ausgebildet. Hierbei wird das Faserhalbzeug in einem Werkzeug zu einer Trägerschicht verpresst, auf der in demselben Werkzeug zusätzlich eine Beschichtung ausgebildet wird.
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In Schritt C wird an dem faserverstärkten Kunststoffbauteil mindestens eine metallischen Klammer angeordnet, welche das faserverstärkte Kunststoffbauteil an einer Kante umgreift, wobei die Klammer eine im faserverstärkten Kunststoffbauteil ausgebildete Durchgangsöffnung überdeckt.
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Zwischen Schritt B und C können weitere Bearbeitungen, wie z.B. ein Zuschneiden des Bauteils und Versäubern der Bauteilkanten vorgesehen sein. Die Durchgangsöffnungen, an denen die Klammern angesetzt werden, können bereits während der Bauteilherstellung in Schritt B erzeugt werden, z.B. durch die Verwendung von Platzhaltern im Faserhalbzeug, oder sie können nachträglich in das Bauteil eingebracht werden, z.B. durch Bohren etc.
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Mit Bezug auf die 2A bis 2E werden beispielhafte Ausführungsformen des Schrittes B des Verfahrens beschrieben. Gemäß einer ersten Ausführungsform des Schrittes B wird ein in Schritt A hergestelltes Faserhalbzeug, welches mit einem Harz vorimprägniert ist, zwischen zwei Werkzeughälften 11, 12 eines Werkzeugs 10 eingelegt. Zur Herstellung der Trägerstruktur 21 wird mit den Werkzeughälften 11, 12 ein Druck gezielt aufgebaut und damit das Faserhalbzeug zwischen den Werkzeughälften gepresst, um das Faserhalbzeug zu kompaktieren und die Matrix des vorimprägnierten Halbzeugs auszuhärten. Dies ist in 2A dargestellt. Nachdem das Harz ausreichend ausgehärtet ist, wird der Pressdruck reduziert und die obere Werkzeughälfte 11 um einen vorbestimmten Hub h angehoben. Dadurch bildet sich ein Spalt zwischen der oberen Werkzeughälfte 11 und der Trägerstruktur 21 aus, vgl. 2B. In diesen Spalt bzw. Kavität wird ein Beschichtungsmaterial eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Aufsprühen des Beschichtungsmaterials mit Hilfe einer Sprüheinrichtung 13 erfolgen. Nachdem der Spalt mit dem Beschichtungsmaterial befüllt ist, werden die Werkzeughälften 11, 12 wieder aufeinander zubewegt und damit das Material, welches die Beschichtung 22 ausbildet, in einem zweiten Pressschritt mit Druck und/oder mit Temperatur beaufschlagt. Dieser Schritt ist in 2C dargestellt. Durch die Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur erfolgt eine Aushärtung des Beschichtungsmaterials zur Beschichtung 22.
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Der in den 2A bis 2C beschriebene Verfahrensschritt B gemäß der ersten Ausführungsform umfasst somit zwei Schritte, in denen das Bauteil verpresst wird. In einem ersten Pressschritt wird folglich die Trägerstruktur 21 erzeugt und in einem zweiten Pressschritt die Beschichtung 22. Alternativ zu der in 2B dargestellten Ausführungsform, in der das Material für die Beschichtung in flüssiger oder pastöser Form über die Sprüheinrichtung 13 in den Spalt zwischen den Werkzeughälften 11 und 12 eingebracht wird, kann das Beschichtungsmaterial auch in Pulverform oder als Folie zwischen die Werkzeughälften 11, 12 eingebracht werden. Hierzu muss das Werkzeug 10 entsprechend ausgebildet sein bzw. die Werkzeughälften 11, 12 entsprechend weit auseinander aufgefahren werden.
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Der Aufbau eines Kunststoffbauteils 20, das mit der in den 2A bis 2C dargestellten Ausführungsform des Verfahrens hergestellt wurde, ist in 2D dargestellt. Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst dieses Kunststoffbauteil eine Trägerstruktur 21, die aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, auf der eine Beschichtung 22 ausgebildet ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform des Schrittes B, welcher dieselben Verfahrensschritte umfasst, die in den 2A bis 2C dargestellt sind, kann ein Aufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform erzeugt werden. Dieser Aufbau ist in der 2E dargestellt. Der Aufbau des Kunststoffbauteils 20' gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich prinzipiell nur durch den Aufbau der Trägerstruktur 21' von der in 2D dargestellten Ausführungsform. Wie aus 2E ersichtlich ist, ist die Trägerstruktur 21' in Sandwichbauweise ausgebildet. Diese umfasst zwei Decklagen 210, 212 aus Faserverbundmaterial. Darüber hinaus umfasst sie einen temperaturbeständigen Kern 211, beispielsweise aus Polyamidschaum. Analog zum im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren wird die Trägerstruktur bzw. das Halbzeug zur Ausbildung der Trägerstruktur 21' gemäß 2A zwischen zwei Werkzeughälften 11, 12 mit Druck und Temperatur beaufschlagt, um dieses auszuhärten bzw. zu erstellen. Danach erfolgt erneut ein Hub H der Werkzeughälften 11, 12, um Beschichtungsmaterial dazwischen einzubringen. Durch ein erneutes Verpressen wird die Beschichtung 22 auf der Trägerstruktur 21' erzeugt.
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Um die Trägerstruktur 21, 21' nicht zu beschädigen, dürfen beim Aufbringen des Beschichtungsmaterials sowie während des Pressvorgangs bestimmte Drücke nicht überschritten werden. Bei der Herstellung eines Bauteils 20, vgl. 2D, mit monolithischer Trägerstruktur 21 liegen diese Drücke im Bereich von 12 Bar bis 15 Bar bevorzugt im Bereich von 12 Bar bis 13 Bar. Bei der Herstellung eines Bauteils 20', vgl. 2E, mit einem sandwichartigen Aufbau, besteht die Gefahr, dass der Kern 211 kollabiert. In dieser Variante liegen die Drücke im Bereich bis zu 10 Bar. Jedoch können je nach Aufbau oder Material des Kerns 211 auch Drücke über 2 Bar den Kern beschädigen. In diesen Fällen liegen die Pressdrücke sowie der Druck beim Aufbringen des Beschichtungsmaterials im Bereich von bis zu 2 Bar.
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Von den im Vorhergehenden beschriebenen zwei Ausführungsformen des Schritte B unterscheidet sich die dritte Variante grundsätzlich. Diese Variante ist in den 3A bis 3C gezeigt und umfasst nur einen einzigen Pressschritt.
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Ausgangspunkt dieser Variante ist der Auftrag einer Pulverschicht auf eine Wirkoberfläche der oberen Werkzeughälfte 11. In 3A ist das Werkzeug 10 in einer symbolischen, geöffneten Position dargestellt, in der die obere Werkzeughälfte 11 zur unteren Werkzeughälfte 12 angewinkelt ist. Gegebenenfalls erfolgt ein Auftrag einer zweiten, schneller härtenden Pulverschicht auf die vorbeschichtete Wirkoberfläche der oberen Werkzeughälfte 11. Danach wird ein mit Harzmaterial vorimprägniertes Faserhalbzeug 21A auf die Wirkoberfläche der unteren Werkzeughälfte 12 aufgelegt, vgl. die Darstellung in 3B. Anschließend erfolgt in 3C ein Pressschritt. In diesem Pressschritt wird mit dem Werkzeug 10 bzw. mit den Werkzeughälften 11, 12 das dazwischenliegende Faserhalbzeug und das zwischen den Werkzeughälften liegende Pulvermaterial mit Temperatur und/oder mit Druck beaufschlagt. Dadurch wird zeitgleich die Matrix der Trägerstruktur 21 und das Material zur Ausbildung der Beschichtung 22 ausgehärtet, so dass sowohl die Beschichtung 22 wie auch die Trägerstruktur 21 zeitgleich ausgebildet werden.
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Analog zur obigen Beschreibung mit Bezug zur 2D und 2E kann auch mit den in den 3A bis 3C beschriebenen Variante des Schrittes B ein monolithischer Aufbau eines Kunststoffbauteils erzeugt werden, vgl. 3D. Alternativ kann auch ein Aufbau generiert werden, in dem die Trägerstruktur 21' einen Sandwichaufbau aufweist, vgl. 3E.
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Das in Schritt B gefertigte Kunststoffbauteil 20 bzw. 20' wird dem Werkzeug 10 entnommen und kann noch weiterbearbeitet werden, z.B. beschnitten und an den Kanten versäubert. Sofern noch nicht werkzeugfallend vorgesehen, werden im Bereich der Fügestellen, an denen das Bauteil mit der weiteren Karosserie verbunden werden soll, Durchgangslöcher ausgebildet.
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In Schritt C wird nun an den Fügestellen jeweils eine Metallklammer auf das Kunststoffbauteil 20 bzw. 20' aufgeschoben, siehe 4, die das Kunststoffbauteil 20 umgreift und ein im Bauteil ausgebildetes Durchgangsloch 23 bedeckt.
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4 zeigt eine beispielhafte Klammer 30, die auf ein beispielhaftes Kunststoffbauteil 20 aufgeschoben ist. Die Klammer 30 weist einen metallischen Hauptkörper 32, z.B. aus einem Stahlblech, auf mit einem ersten und zweiten Klammerschenkel 34, 36, welche das Bauteil 20 umgreifen, so dass das Bauteil 20 zwischen den Schenkeln 34, 36 angeordnet ist. Im Bauteil 20 ist eine Durchgangsöffnung 23 ausgebildet. Der zweite Schenkel der Klammer weist eine Vertiefung 38 auf, welche in Richtung auf den ersten Schenkel 34 vorsteht.
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5 zeigt eine Draufsicht auf die Klammer 30 aus 4 mit der kreisförmigen Vertiefung 38. Die Vertiefung 38 dient der Fixierung der Klammer am faserverstärkten Bauteil 20, wozu die Vertiefung in die entsprechend geformte Durchgangsöffnung 23 eingreift. Im Bereich der Durchgangsöffnung 23 sind die beiden Schenkel 34, 36 der Klammer 30 in Kontakt miteinander bzw. können durch Zusammendrücken der Schenkel in Kontakt miteinander gebracht werden. Hierdurch wird eine direkte elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Klammerschenkeln erzeugt.
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Weiterhin weist die Klammer 30 eine elastomere Isolationsschicht 39 aus Kraibon auf, welche auf der Innenseite der Klammerschenkel angeordnet ist. Diese Isolationsschicht 39 isoliert das faserverstärkte Bauteil 20 von dem metallischen Hauptkörper 32 der Klammer. Die Isolationsschicht 39 weist im Kontaktbereich eine Aussparung auf, so dass dort die metallischen Schenkel direkt aufeinander aufliegen (können).
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Zur Herstellung eines Bauteilverbundes wird das Kunststoffbauteil 20 mit daran fixierter Klammer 30 z. B. mit einem Metallbauteil verschweißt, z.B. durch Widerstandsschweißen. Hierzu werden beispielsweise die Elektroden einer Widerstandsschweißanlage auf die Vertiefung der Klammer und die entgegengesetzte Seite des Metallbauteils gedrückt und es wird ein Strom hindurch geleitet. Die entstehende Schweißverbindung verbindet beide Schenkel der Klammer mit dem Metallbauteil. Das Kunststoffbauteil ist durch die umgreifende Klammer formschlüssig am Metallbauteil fixiert. Ist die Isolationsschicht 39 der Klammer 30 auf den metallischen Grundkörper 32 und auf das Kunststoffbauteil 20 aufvulkanisiert, so ist das Kunststoffbauteil 20 zusätzlich stoffschlüssig angebunden, wodurch die Festigkeit der Verbindung weiter gesteigert wird.
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Ein mit den vorhergehenden Verfahrensvarianten beschriebenes Kunststoffbauteil bietet den Vorteil, dass es mit extrem wenig Verschnitt kostengünstig herstellbar ist und in nachfolgenden Verfahrensschritten wie ein bisher bekanntes Blechbauteil behandelt werden kann und KTL-fähig ist. Dadurch kann es im Rohbau, d. h. im Montageprozess der Karosserie, bereits verbunden werden. Das Bauteil durchläuft damit den sogenannten Online-Fertigungsprozess, wie alle anderen Blechbauteile der Karosserie. Eine gesonderte Behandlung des Bauteils, bei dem dieses offline bearbeitet und lackiert wird und letztlich gesondert an die Karosserie montiert wird, kann entfallen. Dadurch können nachträgliche Montageschritte eingespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkzeug
- 11, 12
- Werkzeughälften
- 13
- Sprüheinrichtung
- 20, 20'
- faserverstärktes Bauteil
- 21A
- Faserhalbzeug
- 21, 21'
- Trägerstruktur
- 22
- Beschichtung
- 23
- Durchgangsloch
- 210,212
- Decklagen
- 211
- Kern
- 30
- Klammer
- 32
- metallischer Hauptkörper
- 34, 36
- Klammerschenkel
- 38
- Vertiefung
- 39
- Isolationsschicht
- A, B, C
- Verfahrensschritte
- H
- Hub
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016206517 A1 [0005]
