DE102020126841A1

DE102020126841A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils aus Metall und faserverstärktem Kunststoff durch Fließpressen

Info

Publication number: DE102020126841A1
Application number: DE102020126841.6A
Authority: DE
Inventors: Tim Stallmeister; Thomas Tröster; Simon Pöhler
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: UNIVERSITAET PADERBORN, KOERPERSCHAFT DES OEFF, DE
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils aus Metall und faserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff durch Fließpressen, bei dem in ein Formnest (5a, 5b, 5c) wenigstens zwei Metallbauteile (1) eingelegt werden, die im Formnest (5a, 5b, 5c) zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei in den wenigstens einen Abstandsbereich zwischen den wenigstens zwei Metallbauteilen (1) erwärmter faserverstärkter Kunststoff (2) eingelegt wird und mittels wenigstens eines Stempels (6), der im Presshub in das Formnest (5a, 5b, 5c) und dabei zumindest bereichsweise in den wenigstens einen Abstandsbereich einfährt, der faserverstärkte Kunststoff (2) durch Fließpressen in Form gepresst und dabei an alle im Formnest (5a, 5b, 5c) befindlichen Metallbauteile (1) angebunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils aus Metall und faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff durch Fließpressen.
Die Herstellung von Hybridbauteilen aus Metall und einem faserverstärkten Kunststoff ist grundsätzlich im Stand der Technik bekannt und liefert bekanntermaßen Potential zur Gewichtseinsparung. Besonders in der Kraftfahrzeugbranche, welche auch bevorzugt im Fokus der nachfolgend beschriebenen Erfindung liegt, ergeben sich weiterhin gute Möglichkeiten zur Senkung des Ressourcen- und Energieverbrauchs.
Anders als beim Spritzgießverfahren, bei dem zunächst ein Metallbauteil in eine Form eingelegt wird und hiernach in die geschlossene Form ein thermoplastischer, ggfs. auch faserverstärkter Kunststoff injiziert wird, ist es beim Fließpressen vorgesehen, dass in ein Formnest ein Metallbauteil und faserverstärkter Kunststoff, z.B. ein thermoplastischer Kunststoff gemeinsam vor dem Schließen der Form eingelegt werden.
Beim Schließen der Form kann der plastifizierte Kunststoff durch die Druckausübung und/oder Kraftausübung durch wenigstens einen Stempel in der Form an das Metallbauteil angepresst werden und mit dem Metallbauteil gefügt werden. Durch die Druckausübung mit dem wenigstens einen Stempel fließt das faserverstärkte Kunststoffmaterial und wird dreidimensional druckgeformt. Im Gegensatz zum Spritzgießen lassen sich mit dem Fließpressen größere Faserlängen verarbeiten und im Bauteil erzielen, wodurch die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit des faserverstärkten Kunststoffes und somit auch des Hybridbauteils signifikant erhöht werden.
Ein solches Vorgehen ist z.B. in der Publikation DE 10 2017 122 670 A1 beschrieben. Dort ist es offenbart, aus genau einem schalenförmigen Metallbauteil und aus faserverstärktem Kunststoff ein Hybridbauteil mittels Fließpressen zu fertigen, bei dem der Kunststoff ein Funktionsbauteil bildet in dem Sinn, dass das Funktionsbauteil einseitig versteifend und/oder verstärkend wirkt. Solche bislang bekannten Verfahren bieten nur die Möglichkeit der einseitigen Versteifung / Verstärkung eines Metallbauteils.
Fügeoperationen zur Verbindung von mehreren metallischen Bauteilen, auch mehrerer Hybridbauteile, z.B. zur beabstandeten Anordnung zweier Metallstrukturen, die durch den großen Steiner-Anteil großen Widerstand gegen Biege- und Torsionsbelastung erzielen, werden üblicherweise nachgelagert ausgeführt, was wiederrum eine weitere Fügeoperation darstellt.
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils aus Metall und faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff durch Fließpressen bereitzustellen, bei dem im Hybridbauteil das faserverstärkte Kunststoffmaterial nicht nur Versteifungs- und/oder Verstärkungsfunktion ausübt, sondern auch eine Verbindungsfunktion zwischen Metallbauteilen übernimmt. So ist es eine bevorzugte Aufgabe, nachgelagerte Fügeoperationen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren und direkt mit dem Fließpressen lastabtragende Elemente, z.B. biegebelastete, torsionsbelastete Elemente herzustellen, insbesondere solche, in denen die Metallbauteile in den Randbereichen höchster Zug- und Druckspannungen angeordnet sind und sich der dazwischenliegende, verbindende Kunststoff im geringer beanspruchten Bereich um die neutrale Faser liegt. Somit erfüllen die Metallbauteile aufgrund der hohen Steifigkeit und Festigkeit tragende Funktion, während der faserverstärkte Kunststoff die Metallbauteile verbindet, stabilisiert und den Abstand unter Last aufrechterhält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art in ein Formnest wenigstens zwei Metallbauteile eingelegt werden, die im Formnest zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei in den wenigstens einen Abstandsbereich zwischen den wenigstens zwei Metallbauteilen faserverstärkter Kunststoff, vorzugsweise erwärmter faserverstärkter Kunststoff, eingelegt wird und mittels wenigstens eines Stempels, der in das Formnest und dabei zumindest bereichsweise in den wenigstens einen Abstandsbereich einfährt, der faserverstärkte Kunststoff durch Fließpressen in Form gepresst und dabei an alle im Formnest befindlichen Metallbauteile angebunden wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erschließt somit gegenüber den bekannten Verfahren direkt die Möglichkeit zur prozessintegrierten Formgebung des faserverstärkten Kunststoffs und Verbindung von wenigstens zwei Metallbauteilen. Durch die Anordnung im Abstandsbereich zwischen wenigstens zwei Metallbauteilen befindet sich das Kunststoffmaterial zwischen den Metallbauteilen und kann diese im fertigen Hybridbauteil verbinden. Damit übernimmt das Kunststoffmaterial nicht nur Versteifungs- bzw. Verstärkungsaufgaben sondern auch Verbindungsaufgaben.
Das Formnest kann zusammen mit der Form des bis zum vorgesehenen Ende des Hubs in das Formnest eingefahrenen wenigstens einen Stempels, vorzugsweise genau einen Stempels, die spätere Form des Kunststoffs definieren.
Der faserverstärkte Kunststoff ist vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, der weiter bevorzugt im erwärmten, plastifizierten Zustand in die Form eingelegt wird. Es kann dabei vorgesehen sein, auch das Formnest zu beheizen.
Es kann ebenso vorgesehen sein, dass der in das Formnest einzulegende faserverstärkte Kunststoff durch das noch nicht ausgehärtete faserverstärkte Vorprodukt eines später durch Vernetzung ausgehärteten Duroplastes gebildet wird. Ein solches Vorprodukt kann z.B. die Mischung einer Prepolymer- (Harz-) und Härterkomponente sein. Es kann vorgesehen sein, dass das Vorprodukt bis zu einem vorbestimmten Grad vorvernetzt ist, bevor es in die Form eingelegt wird.
Der Kunststoff ist vorzugsweise langfaserverstärkt, insbesondere mit Fasern von einer Länge größer als 5 mm, weiter bevorzugt größer als 10 mm, weiter bevorzugt größer als 15 mm, weiter bevorzugt größer als 20 mm und besonders bevorzugt größer als 25 mm oder mattenverstärkt. Insbesondere können in mattenverstärkten Kunststoffen die Fasern als endlos angesehen werden, wenn sie sich über die gesamte Matte erstrecken.
Als Fasermaterial kommen grundsätzlich jegliche Fasern in Betracht, sowohl solche natürlichen Ursprungs, als auch künstlich hergestellte Fasern, z.B. Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern. Z.B. können die Fasern dabei in dem matrixbildenden Kunststoffmaterial wirr verteilt vorliegen oder als Gelege mit einer Vorzugsrichtung oder als Gewirk oder Gewebe.
Das faserverstärkte Kunststoffmaterial bildet weiter bevorzugt zum Zeitpunkt des Einlegens in das Formnest eine zusammenhängende, insbesondere formlose Masse, vorzugsweise mit einer knetfähigen Konsistenz, weiter bevorzugt also ein vorgefertigtes, handhabbares Halbzeug. Grundsätzlich ist es auch möglich in das Formnest mehrere separate Stücke von faserverstärktem Kunststoff verteilt einzulegen. So kann z.B. die Formfüllung verbessert werden, z.B. zur Realisierung lokal unterschiedlicher Dicken des Kunststoffes im späteren Hybridbauteil, insbesondere auch dann, wenn im fertigen Hybridbauteil nicht gefordert ist, dass der erhärtete Kunststoff eine durchgängige / einstückige Verbindung zwischen den Metallbauteilen bildet. Eine solche einstückige Ausbildung des später erhärteten faserverstärkten Kunststoffes ist hingegen bevorzugt.
Durch die Wirkung des wenigstens einen Stempels auf das Kunststoffmaterial im Abstandsbereich zwischen den wenigstens zwei Metallbauteilen wird beim Vorgang des Fließpressens vorzugsweise zumindest ein Anteil von Querfließpressen erzeugt, wenn nicht gar ein überwiegender Anteil. Beim Querfließpressen wird das Kunststoffmaterial nicht nur in Richtung des Stempelhubs verdrängt, sondern ebenfalls in Richtungen senkrecht zum Hub des Stempel.
Im fertig hergestellten Hybridbauteil kann der faserverstärkte Kunststoff vorzugsweise zumindest formschlüssig an den Metallbauteilen anliegen, ggfs. eines oder mehrere Metallbauteile durchdringen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Kunststoffmaterial beim Fließpressen nicht nur druckgeformt wird, sondern auch stoffschlüssig an die Metallbauteile angebunden wird. Durchdringungen im Metallbauteil können dann z.B. auch entfallen. Z.B. kann diese stoffschlüssige Verbindung dadurch erreicht werden, dass zumindest einige, vorzugsweise alle Metallbauteile eine zum Kunststoff weisende Beschichtung aufweisen, insbesondere eine Haftvermittlerschicht, die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Metallbauteil und dem Kunststoff bewirkt.
Eine solche Haftvermittlerschicht kann z.B. umfassen oder ausgebildet sein aus: Co-Polyolefinen (z.B.: Polypropylen-PP, Polyethylen-PE, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer-EVA) oder Co-Polyamid (CoPA) oder Co-Polyester (CoPet) oder thermoplastisches Polyurethan (aromatisch - aliphatisch, Ester- und ethertypen). Eine Haftvermittlerschicht kann vorzugsweise als thermoplastische Klebeschicht ausgebildet sein. Als Haftvermittlerschicht geeignete Produkte sind z.B. erhältlich von der Firma Nolax, als Produkte Cox 391, Cox 422, Cox 435, oder von der Firma Evonik, als Produkt Vestamelt X1333-P1 oder von der Firma Hexcel, als Produkte TGA25.01 A bzw. DLS 1857.
Die Haftvermittlerschicht kann vorzugsweise durch einen Kaschierungsprozess (z.B. Flachbettkaschierung oder Kalander) auf ein Metallbauteil aufgetragen werden, das während dieses Prozesses z.B. in Form einer Metalltafel oder als Metallcoil, bzw. Band von einem Metallcoil vorliegt, aus denen das Metallbauteil gebildet wird, z.B. durch Ausschneiden oder Ausstanzen oder eine Umformung. Weiter bevorzugt werden beim Metallbauteil zumindest die vom Kunststoff beim Fließpressen kontaktierten Oberflächenbereiche mit dem Haftvermittler beschichtet. Vom Kunststoff nicht kontaktierte Bereiche können unbeschichtet bleiben.
In einer möglichen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Metallbauteile, vorzugsweise genau zwei Metallbauteile, im Formnest in einer Richtung senkrecht zur Stempelhub-Richtung beabstandet angeordnet werden. So können Metallbauteile und Kunststoff problemlos unabhängig voneinander im Formnest positioniert werden. Der Kunststoff kommt weiterhin erst dann mit den Metallbauteilen, mit denen der Fügeprozess stattfinden soll, in Kontakt, wenn der wenigstens eine Stempel den Kunststoff kontaktiert hat und zum Fließen gebracht hat. Eine thermische Beeinflussung zwischen Metall und Kunststoff bleibt somit bis zu dem durch die Umformung bedingten Kontakt verhindert.
Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass wenigstens zwei Metallbauteile, vorzugsweise genau zwei Metallbauteile, im Formnest an sich gegenüberliegenden, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Stempelhub-Richtung gegenüberliegenden Wandungen des Formnestes angelegt werden und durch die jeweilige Wandung im Hub des Stempels zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig lagestabilisiert werden. Die Anordnung bewirkt vorteilhafter Weise, dass durch den fließenden Kunststoff von innen nach außen gerichtet in Richtung senkrecht zum Stempelhub eine Kraft mittelbar über den Kunststoff auf die Metallbauteile ausgeübt wird. Diese werden somit durch den Kunststoff an die Innenwandung des Formnestes gedrückt und in Position gehalten. Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Metallbauteil mittels Fixiermaßnahmen lagestabilisiert wird, z.B. mittels wenigstens eines Fixierelementes, z.B. einer Klammer, das eine Verbindung des Metallbauteils zu einem anderen lagestabilen Element, z.B einer Wand des Formnestes herstellt, oder durch eine Unterdruckbeaufschlagung des Metallbauteils, wobei durch den Unterdruck eine fixierende Kraft erzeugt wird, insbesondere die das Metallbauteil an ein lagestabiles Element, z.B. eine Formnestwand andrückt.
Bezogen auf die Hybridbauteilmitte legt sich somit der Kunstsoff von innen an die Metallbauteile an. Vorzugsweise kann so erzielt werden, dass die Metallbauteile im fertigen Hybridbauteil eine zur Umgebung freie, sichtbare Metalloberfläche aufweisen. Vorzugsweise kann das sichergestellt werden, wenn verhindert wird, dass der Kunstsoff bei dem Fließpressen um das jeweilige Metallbauteil herumfließt, insbesondere also nicht auf die vom Stempel abgewandte Seite des Metallbauteils fließt.
Um dies allgemein in dieser und anderen Situationen sicherzustellen kann das Metallbauteil dicht an der Formnestwand mit seiner vom Stempel wegweisenden Oberfläche anliegen. Eine dichte Anlage kann zumindest zwischen einer Formnestwand und einem Randbereich der von dem Stempel wegweisenden Oberfläche vorgesehen sein, ggfs. auch vollflächig.
Dabei kann der gedichtet an einer Formnestwand anliegende Randbereich vom Rand einen Abstand aufweisen, wodurch bewirkt werden kann, dass der Kunststoff beim Fließpressen auch um den Rand herumfließt, insbesondere aber nur bis zum gedichtete Randbereich, somit also nicht vollflächig. Durch das Umfließen der Metallkante deckt der Kunststoff die Schnittkanten vom Metall ab und kann somit einen Schutz vor Schnittkantenkorrosion erzielen.
Die Erfindung kann vorsehen, die im Hybridbauteil zugängliche metallische Oberfläche, also die sichtbare Metalloberfläche weiter zu behandeln, z.B. zu beschichten, beispielsweise mit einer kathodischen Tauchlackierung.
Es besteht ebenso die Möglichkeit, dass wenigstens eines der Metallbauteile gegenüber der Formnestwand zumindest bereichsweise hohlliegend angeordnet wird und beim Stempelhub der verpresste Kunststoff als Wirkmedium genutzt wird, um eine umformende Kraft auf das wenigstens eine hohlliegende Metallbauteil auszuüben, durch welche das hohlliegende Metallbauteil in den Hohlraum hinein umgeformt wird.
So kann erzielt werden, dass mit dem Hub des Stempels nicht nur eine Druckformung des Kunststoffs erfolgt, sondern auch eine wirkmedienbasierte Umformung wenigstens eines Metallbauteiles durch die Kräfte, die mittelbar vom Stempel über das Kunststoffmaterial auf das Metallbauteil ausgeübt werden. Auch hier wird vorzugsweise sichergestellt, dass das umzuformende Metallbauteil dicht an einem Randbereich einer Kavität in der Formnestwand mit seiner vom Stempel wegweisenden Oberfläche anliegt, damit ein Hineinfließen des Kunststoffes in die Kavität verhindert wird, in die das Metallbauteil durch die Umformung hineingeformt werden soll.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante kann es vorsehen, dass als Hybridbauteil ein Trägerelement ausgebildet wird, bei dem wenigstens zwei Metallbauteile sich gegenüberliegende Metallgurte in dem herzustellenden Hybridbauteil ausbilden, die durch den faserverstärkten Kunststoff verbunden sind. Es kann so ein Hybridbauteil mit der Funktion und/oder der Konstruktion eines Trägers, z.B. Doppel-T-Trägers gebildet werden, in welchem der Stegbereich zwischen den Gurten durch das Kunststoffmaterial gebildet wird. Die Gurte werden oft auch alternativ als Flansche des Trägers bezeichnet.
Diese Ausführung ist besonders gut zu realisieren, wenn zwei sich mit Abstand gegenüberliegenden bandförmige Metallbauteile verfahrensgemäß mit dem Kunststoff verbunden werden. In diesem Fall übernimmt der Kunststoff im späteren Träger eine Verbindungs- und Stützwirkung der Gurte, ist aber statisch wenig belastet, weil das Kunststoffmaterial im Stegbereich des Trägers die neutrale Zone umfasst, in der Zug- und Druckspannungen gering ausfallen, also ein Kraftminimum vorliegt. Besonders in dieser Anwendung können die nach außen weisenden Gurtflächen der Metallbauteile sichtbar und somit beschichtbar sein.
Die Anordnung der bandförmigen Metallbauteile im Formnest kann vorzugsweise so sein, dass die größten aller Flächen der Metallbauteile, insbesondere also faktisch die Bandoberflächen parallel zur Stempelhubrichtung liegen. Bei einem Stempelhub in Schwerkraftrichtung liegen die bandförmigen Metallbauteile somit im allgemeinen Verständnis eines Fachmannes hochkant im Formnest.
Bei einer Anordnung von zwei sich mit Abstand gegenüberliegenden Metallbauteilen, insbesondere bandförmigen Metallbauteilen, kann es die Erfindung vorsehen, dass der Abstand zwischen den Metallbauteilen über die Längenerstreckung der Metallbauteile hinweg gleich ist. Der Abstand kann aber auch über die Längserstreckung hinweg betrachtet verschieden sein. Z.B. kann zwischen den Enden der Metallbauteile, insbesondere mittig bezogen auch deren Länge, der Abstand größer sein als an den Enden. Es können einfacher belastungsangepasste Querschnittsformen im Hybridbauteil realisiert werden, insbesondere wodurch sich die bei biege- und torsionsbelasteten Strukturen maßgebenden mechanischen Kenngrößen Flächenträgheitsmoment und Widerstandsmoment effektiv beeinflussen lassen.
Ein entlang der Erstreckung der Metallbauteile verschiedener Abstand, insbesondere eine Ausbauchung zwischen den Enden der Metallbauteile kann auch durch eine Umformung der Metallbauteile beim Durchführen des Stempelhubes erzeugt werden.
Vorzugsweise kann die Erfindung bei allen möglichen Ausführungsformen vorsehen, dass die Menge an zu verpressendem faserverstärkten Kunststoff so bemessen wird, dass am Ende des Stempelhubes sich zwischen dem wenigstens einen Stempel und wenigstens einem Metallbauteil (insbesondere dem in Hubrichtung höchsten), insbesondere allen an den Wandungen des Formnestes anliegenden Metallbauteilen, ein Polster aus faserverstärktem Kunststoff ergibt, über welches Stempel und Metallbauteil in Hubrichtung beabstandet sind. Es kann so verhindert werden, dass der Stempel am Ende des Hubs auf ein Metallbauteil aufschlägt. In dieser Ausführungsform bildet somit der am Hubende nicht mehr weiter verpressbare Kunststoff einen großflächigen, zerstörungsfreien Endanschlag für den Stempel.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zwischen zwei beabstandeten Metallbauteilen, insbesondere die jeweils an einer Wandung des Formnestes anliegen, wenigstens ein weiteres in Stempelhubrichtung zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig hohles Metallbauteil angeordnet wird, wobei das weitere Metallbauteil im Formnest, an einem Halteelement lagestabil befestigt wird. Ein solches weiteres Metallbauteil kann z.B. eine Hülse sein. Vorzugsweise kann mit dieser im fertigen Hybridbauteil eine Durchdringung ausbildet werden. Die Befestigung des weiteren Metallbauteils kann z.B. am Matrizenunterteil des Formnestes erfolgen, beispielsweise auf einem Haltedorn, auf welchen das Metallbauteil aufgestekt wird. Vorzugsweise füllt der Haltedorn das Innere des Metallbauteil so aus, dass sich zwischen der Innenwand des Metallbauteil und dem Haltedorn kein mit dem Kunststoffmaterial füllbarer Spalt ergibt.
Die Erfindung kann vorsehen, dass ein in Richtung zum Stempel weisender Bereich eines im Formnest angeordneten Metallbauteils, insbesondere ein in Richtung zum Stempel offener hohler Bereich eines im Formnest angeordneten Metallbauteils der vorgenannten Art, wie z.B. eine Hülse, während des Stempelhubes durch einen im Stempel beweglich angeordneten Teilstempel überdeckt wird. Dieser Teilstempel kann gegen eine Kraft, die z.B. von einer Feder erzeugt ist, beweglich im Stempel gelagert sein. Vorzugsweise ragt der Teilstempel, insbesondere bei noch nicht in das Formnest eingefahrenem Stempel, in Hubrichtung aus dem Stempel heraus, insbesondere derart, dass der Teilstempel mit dem abzudeckenden Metallbauteil in Kontakt kommt, bevor der restliche Bereich des Stempels mit dem Kunststoff in Kontakt gelangt, also der Fließpressvorgang beginnt, zumindest aber bevor verpresster Kunststoff in den Bereich der abzudeckenden Öffnung kommt.
In dieser Ausführung kann sich der Teilstempel kontaktierend auf das Metallbauteil auflegen, dieses abdecken, wobei der den Teilstempel umgebende Bereich des Stempels in der Hubrichtung weiterbewegt wird, insbesondere am abgedeckten Metallbauteil zumindest bereichsweise vorbeifährt, und die Funktion des Fließpressens ausführt. Relativ zum umgebenden Stempelbereich bewegt sich somit der Teilstempel, vorzugsweise gegen die genannte Kraft, die auch sicherstellt, dass der Teilstempel im Rückhub auf dem Metallbauteil liegen bliebt, insbesondere bis dass der Stempel sich insgesamt über das Metallbauteil erhebt oder aus dem Formnest herausfährt. Mit dieser Ausführung wird somit sichergestellt, dass in die Öffnung des Metallbauteils kein Kunststoff eindringen oder diese verdecken kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass wenigstens zwei in das Formnest eingelegte Metallbauteile, vorzugsweise alle Metallbauteile, vor und/oder während der Verpressung des faserverstärkten Kunststoffes elektrisch leitend verbunden werden, insbesondere wofür metallische Verbindungselemente verwendet werden können, die zusammen mit den zu verbindenden oder verbundenen Metallbauteilen in das Formnest vor dem Stempelhub eingelegt werden.
Vorzugsweise kann es sich bei den zu verbindenden Metallbauteilen um solche handeln, die später im Hybridbauteil nach außen sichtbar sind, insbesondere die in einem als Träger ausgebildeten Hybridbauteil vorgesehenen Gurte. Durch die elektrisch leitfähige Verbindung der Metallbauteile untereinander können deren nach außen sichtbaren Oberflächen besonders einfach nachträglich beschichtet werden, z.B. mittels kathodischer Tauchlackierung.
Die Erfindung kann grundsätzlich vorsehen, dass die zu verbindenden Metallbauteile durch die Verbindungselemente bereits vor der Durchführung des Stempelhubes, also unabhängig vom Vorgang des Fließpressens verbunden werden.
Besonders bevorzugt ist es hingegen, wenn die Verbindungselemente und die zu verbindenden Metallbauteile durch den Stempel, insbesondere am Ende von dessen Hub, oder durch ein in gleicher Richtung verfahrbares Hilfselement kontaktbildend aufeinandergepresst werden, insbesondere hierbei eine form- und/oder kraftschließende Pressverbindung eingehen. Die Verbindungselemente können z.B. an den Metallbauteilen einstückig befestigt sein oder separate zu diesen ausgebildet sein.
Es kann so dann z.B. vorgesehen sein, dass ein jeweiliges Verbindungselement und Kontaktelemente oder Kontaktbereiche der zu verbindenden Metallbauteile in der Hubrichtung des Stempels hintereinanderliegend und sich lose kontaktierend im Formnest angeordnet werden. Durch den Hub des Stempels, oder mittels eines mit dem Stempel gleichzeitig oder zuvor bewegten Hilfselementes kann sodann eine in der Richtung der Hintereinanderanordnung wirkende Kraft auf die hintereinanderliegenden Elemente ausgeübt werden, durch welche die Elemente elektrisch leitend verbunden werden.
Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass ein Rückhub des wenigstens einen Stempels, insbesondere somit ein Öffnen des Formnestes nach dem Fließpressen erst dann erfolgt, wenn der verwendete Kunststoff formstabil ist. Dies kann bei einem thermoplastischen Kunststoff nach dem Abkühlen des Kunststoffs unter eine vorbestimmte Temperatur sein oder bei einem Duroplast nach Erzielen eines vorbestimmten Grades der Vernetzung. Besonders bei Einsatz von Duroplasten als Kunststoff kann es die Erfindung vorsehen, das Formnest zu beheizen, insbesondere bis zum Erreichen dieses gewünschten Grades der Vernetzung zu beheizen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

1: verschiedene Schnittansichten und eine Explosionsdarstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hybridbauteils
2: Das Formnest in zwei verschiedenen Schnitten am Ende des Stempelhubes bei der Durchführung des Verfahrens
3: ein alternatives, reale und komplexe Bauteilstrukturen nachbildendes Hybridbauteil mit elektrischer Verbindung der sich gegenüberliegenden Metallbauteile

Die 1 zeigen ein mit dem Verfahren hergestelltes Hybridbauteil, dass z.B. die Funktion eines maßgeblich biegebelasteten Trägerelementes, im Wesentlichen analog zu einem bekannten Doppel-T-Träger darstellen kann. Das Hybridbauteil weist zwei sich mit Abstand gegenüberliegende Metallbauteile 1 auf, die vorliegend als bandförmige Metallbauteile ausgebildet sind und im Hybridbauteil über die gesamte Erstreckung hinweg einen gleichbleibenden Abstand zueinander haben.
Die bandförmigen Metallbauteile sind hier über einen faserverstärken beim Fließpressen druckgeformten Kunststoffkörper 2 verbunden, in dem weiterhin zur Bildung von Durchdringungen Hülsen, z.B. metallische Hülsen 3 und zur Bildung von Befestigungsausnehmungen metallische hohle Einsätze 4 angeordnet sind, die die Funktion von Sacklöchern/Gewindeträgern haben können. Der Kunststoffkörper 2 kann Streben 2a umfassen, die hier quer, z.B. in einem Winkel von 45 Grad zu den Metallbauteilen 1 verlaufen. Der Kunststoff kann vorzugsweise ein Thermoplast sein.
Die 2 verdeutlichen das Herstellungsverfahren anhand der Darstellung eines Formnestes. 2A zeigt das Formnest und den noch nicht darin eingefahrenen Stempel. Die 2B und 2C zeigen verschiedene Schnitte des Formnestes am Ende des Hubes eines Stempels 5.
Erkennbar ist in den 2 jeweils das Formnest 5 aus dem Unterteil 5a und den seitlichen Wänden 5b. Im Formnest sind an die beiden Seitenwände 5b von innen die bandförmigen Metallbauteile 1 angelegt und werden von den Seitenwänden 5b beim Fließpressen gegen eine vom Kunststoff 2 ausgeübte seitliche Kraft in Position gehalten. Auf einem am Unterteil 5b befestigten Haltedorn 5c ist eine metallische hohle Hülse 3 angeordnet.
Vor der Durchführung des Hubes mit dem Stempel 6 wird faserverstärkter Kunststoff 2, insbesondere in einem gegenüber das Umgebungstemperatur erwärmten Zustand, z.B. als eine vorbestimmte Menge knetfähiger, vorzugsweise formloser Masse, in das Formnest 5 zwischen die Metallbauteile 1 gelegt, wie es 2A verdeutlicht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kunststoffmasse um ein zu umgebendes Metallbauteil, wie z.B. hier das hohle Metallbauteil 3, so herumgelegt wird, dass die Kunststoffmasse schon vor dem Fließpressen einen stoffschlüssig geschlossenen Umfang um das zu umgebende Metallbauteil herum bildet. Dies hat den Vorteil, dass sich am Ort des zu umgebenden Metallbauteils keine zwei oder mehr separate Fließfronten im Kunststoff beim Fließpressen ausbilden. Diese Ausführung kann allgemein gelten, also nicht nur in Bezug auf das gezeigte Beispiel.
Hiernach führt der Stempel 6 den zum Fließpressen benötigten Hub aus, wobei das Kunststoffmaterial verpresst, dabei durch den ausgeübten Druck geformt und an die Metallbauteile angefügt wird, vorzugsweise stoffschlüssig.
Die 2B und 2C zeigen dabei den Zustand des Formnestes am Ende des Hubweges des Stempels 6.
Die 2B verdeutlicht dabei, dass der Stempel 6 einen Teilstempel 6a umfasst, der im Stempel 6 gegen die Kraft der Feder 6b in der Hubrichtung verschieblich gelagert ist. Sofern der Stempel 6 noch nicht in Hubrichtung in das Formnest eingefahren ist, ragt der Teilstempel 6a mit seiner unteren Stirnfläche 6a1 aus dem Stempel 1 in Hubrichtung vor, wie in 2A gezeigt, und legt sich beim Hub zunächst auf die in Richtung zum Stempel 6 offene Hülse 3 dichtend auf, wonach der Teilstempel 6a ortsfest auf der Hülse 3 zu stehen kommt und der umgebende Bereich des Stempel 6 an dem Teilstempel 6a vorbei weiterfährt und das Fließpressen ausführt.
Die in der 2B gezeigte Endlage des Stempels 6 zeigt weiterhin, dass die Menge an Kunststoffmaterial 2 so bemessen ist, dass am Ende des Hubes sich ein Kunststoffpolster 2b in Hubrichtung über den Metallbauteilen 1 ergibt, wodurch ein Anschlagen des Stempels 6 an dem Metallbauteilen verhindert wird. Das ähnlich aussehende Kunststoffpolster 2c unten an den Metallbauteilen 1 kann dadurch erzielt werden, dass die Metallbauteile mit einem der Polsterdicke entsprechenden Abstand über dem Formnestunterteil 5a befestigt sind.
Im Rückhub wird der Stempel 6 angehoben, wobei der Teilstempel 6a zunächst aufgrund der Kraftbelastung durch die Feder 6b auf der Hülse 3 liegen bleibt, bis dass dessen Anschlagschulter 6a2 innen am Stempel 6 zur Anlage kommt, wonach der Teilstempel 6a von der Hülse 3 abgehoben wird.
Besonders die 2C verdeutlich, dass der Stempel 6 vorspringende Stempelbereiche 6c aufweist, die beim Hub des Stempels 6 in den Abstandsbereich zwischen die Metallbauteile 1 einfahren. Entgegengerichtete vorspringende Bereiche 5a1, insbesondere die den Vorsprüngen 6c im Stempel 6 genau gegenüberliegen, sind auch im Unterteil 5a des Formnestes 5 angeordnet. Am Ende des Hubes entspricht vorzugsweise das im Formnest zwischen dem Stempel 6 und den Metallbauteilen eingeschlossene Volumen dem Volumen des Kunststoffmaterials 2.
Insbesondere durch eine den Stoffschluß unterstützende Beschichtung auf den Metallbauteilen 1 und 3 bzw. 4 (in 2 nicht gezeigt) wird zusätzlich zur formschlüssigen Anlage des Kunststoffes an die Metallbauteile 1, 3, 4 auch eine stoffschlüssige Verbindung des Kunststoffes mit diesen erzielt.
Die 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Hybridbauteils, die grundsätzlich mit derselben zur 2 beschriebenen Verfahrensdurchführung hergestellt werden kann.
Anders als beim Hybridbauteil der 1 haben hier im Hybridbauteil die beiden beabstandeten und durch den Kunststoffkörper 2 nach dem Fließpressen verbundenen Metallbauteile 1 in der Erstreckungsrichtung zwischen den Enden keinen gleichbleibenden Abstand. Vielmehr ist hier der Abstand im Bereich zwischen den Enden größer als an den Enden.
Die Metallbauteile 1 dieser Ausführung haben eine komplexere Form als die bandförmigen Metallbauteile 1 der 1. Die Metallbauteile 1 der 3 können z.B. in einem dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgelagerten Schritt durch Umformung oder Urformung hergestellt sein.
Erkennbar ist hier, dass die Metallbauteile 1 Kontaktbereiche oder Kontaktelemente 1a aufweisen, die hier beispielsweise konkret als Ösen aufweisende Laschen ausgebildet sind. Die Ösenmittelpunkte der sich gegenüberliegenden Kontaktelemente benachbarter Metallbauteile und die Mittenachsen von zur Verbindung vorgesehenen Hülsen 3 liegen in der Hubrichtung des hier nicht gezeigten Stempels hintereinander. Am Ende des Hubes des Stempels kann mit dem Stempel eine Kraft auf die Kontaktelemente 1 a und die Hülse 3 ausgeübt werden, welche eine elektrische Verbindung zwischen diesen Elementen bewirkt. Dies erleichtert eine nachfolgende kathodische Tauchlackierung der im Hybridbauteil sichtbaren Metalloberflächen aller Metallbauteile.
Die hier gezeigte Ausführung weist auch einen Kugelkopfbolzen 7 auf, der sich in der Abstandsrichtung zwischen den Metallbauteilen 1 erstreckt und der im Hub des Stempels in sich gegenüberliegende Laschen 1b und deren Ösen eingepresst werden kann. Über den Bolzen kann besonders gut eine (zusätzliche) Lasteinleitung in die Metallbauteile 1 unter Entlastung des verbindenden fließgepressten Kunststoffkörpers 2 erzielt werden.
Die in den Ausführungsformen der 1 und 3 gezeigten Hybridbauteile haben den Vorteil, dass die hauptsächlich lastabtragenden Bereiche des hybriden Trägers metallisch ausgeführt sind. Der im Abstandsbereich zwischen den Metallbauteilen 1 liegende fließgepresste Kunststoffkörper hingegen liegt um die neutrale Zone herum, in der Zug- und Druckspannungen gering ausfallen. Somit kann ein leichter Werkstoff eingesetzt werden, der mit geringeren mechanischen Eigenschaften wie die des Metalls trotzdem alle Anforderungen erfüllt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017122670 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils aus Metall und faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise faserverstärktem thermoplastischen Kunststoff durch Fließpressen, dadurch gekennzeichnet, dass in ein Formnest (5a, 5b, 5c) wenigstens zwei Metallbauteile (1) eingelegt werden, die im Formnest (5a, 5b, 5c) zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei in den wenigstens einen Abstandsbereich zwischen den wenigstens zwei Metallbauteilen (1) faserverstärkter Kunststoff (2) vorzugsweise erwärmter faserverstärkter Kunststoff (2), eingelegt wird und mittels wenigstens eines Stempels (6), der in das Formnest (5a, 5b, 5c) und dabei zumindest bereichsweise in den wenigstens einen Abstandsbereich einfährt, der faserverstärkte Kunststoff (2) durch Fließpressen in Form gepresst und dabei an alle im Formnest (5a, 5b, 5c) befindlichen Metallbauteile (1) angebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Metallbauteile (1) im Formnest (5a, 5b, 5c) in einer Richtung senkrecht zur Stempelhub-Richtung (8) beabstandet angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Metallbauteile (1) im Formnest (5a, 5b, 5c) an sich gegenüberliegenden, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Stempelhub-Richtung (8) gegenüberliegenden Wandungen(5b) des Formnestes (5a, 5b, 5c) angelegt werden, insbesondere die Metallbauteile durch die jeweilige Wandung (5b) im Hub des Stempels (6) zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig lagestabilisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Metallbauteile (1) gegenüber der Formnestwand (5b) zumindest bereichsweise hohlliegend angeordnet wird und beim Hub des Stempels (6) durch den verpressten Kunststoff (2) eine umformende Kraft auf das wenigstens eine hohlliegende Metallbauteil (1) ausgeübt wird, durch welche das hohlliegende Metallbauteil (1) in den Hohlraum hinein umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hybridbauteil ein Trägerelement ausgebildet wird, bei dem wenigstens zwei Metallbauteile (1) sich gegenüberliegende Metallgurte ausbilden, die durch den faserverstärkten Kunststoff (2) verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an zu verpressendem faserverstärktem Kunststoff (2) so bemessen wird, dass am Ende des Hubs des Stempels (6) sich zwischen dem wenigstens einen Stempel (6) und einem Metallbauteil (1) ein Polster (2b) aus faserverstärktem Kunststoff (2) ergibt, über welches Stempel (6) und Metallbauteil (1) in Hubrichtung (8) beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei beabstandeten Metallbauteilen (1), wenigstens ein weiteres in Stempelhubrichtung (8) zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig hohles Metallbauteil (3) angeordnet wird, wobei das weitere Metallbauteil (3) im Formnest (5a, 5b, 5c) an einem Halteelement (5c) lagestabil befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Richtung zum Stempel (6) weisender Bereich eines im Formnest (5a, 5b, 5c) angeordneten Metallbauteils (3), insbesondere ein offener hohler Bereich eines im Formnest (5a, 5b, 5c) angeordneten Metallbauteils (3) nach Anspruch 7, während des Hubs des Stempels (6) durch einen im Stempel (6) beweglich angeordneten Teilstempel (6a) überdeckt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in das Formnest (5a, 5b, 5c) eingelegte Metallbauteile (1), vorzugsweise alle Metallbauteile (1), vor und/oder während der Verpressung des faserverstärkten Kunststoffes (2) mit metallischen Verbindungselementen (3, 7) elektrisch leitend verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (3, 7) und die zu verbindenden Metallbauteile (1) durch den Stempel (6), insbesondere am Ende von dessen Hub, oder durch ein in gleicher Richtung verfahrbares Hilfselement, kontaktbildend aufeinandergepresst werden, insbesondere hierbei eine form- und/oder kraftschließende Pressverbindung eingehen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Verbindungselement (3) und Kontaktelemente (1a, 1b) oder Kontaktbereiche der zu verbindenden Metallbauteile (1) in der Hubrichtung (8) des Stempels (6) hintereinanderliegend und sich lose kontaktierend im Formnest (5a, 5b, 5c) angeordnet werden.