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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schalenbauteil für ein Verbundbauteil eines Fahrzeuges, das einen flächigen Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einer ersten Bauteilwandstärke aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug mit einem derartigen Schalenbauteil sowie ein Fahrzeug mit einem Verbundbauteil.
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Im Fahrzeugbau werden Verbundbauteile aus faserverstärktem Kunststoff zur Gewichtsreduktion eingesetzt. Bei der Fertigung derartiger Bauteile spielen einerseits die Maßhaltigkeit und die resultierenden Spaltmaße eine wichtige Rolle und andererseits müssen für die Bauteile die gesetzlich vorgeschrieben Zulassungsbedingungen, beispielsweise vorgeschriebene Mindestradien für die Bauteilsicherheit, eingehalten werden.
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Aktuell werden Front- oder Heckklappen aus faserverstärktem Kunststoff aus zwei Schalenbauteilen gefertigt, die miteinander gefügt, insbesondere verklebt werden. Sind die beiden Schalenbauteile zueinander gefügt, wird die Außenkontur durch eine umlaufende Befräsung realisiert. Die durch den Fräsprozess entstandene scharfe Fräskante ist jedoch nicht zulassungsfähig. Dadurch ist ein aufwändiger Nacharbeitsprozess, welcher die Fräskante zu einem Radius ausformt, notwendig. Der Fräsprozess verursacht jedoch Toleranzen und Kosten. Zudem liegt der Klebespalt im Sichtbereich des Kunden, so dass das optische Erscheinungsbild einer derartigen Front- oder Heckklappe beeinträchtigt ist.
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Aus
DE 10 2011 017 460 A1 ist ein Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, das mindestens einen ersten Flächenabschnitt, mindestens einen zweiten Flächenabschnitt und mindestens einen die beiden Flächenabschnitte miteinander verbindenden Übergangsbereich aufweist, wobei der Übergangsbereich mindestens einen ersten Krümmungsabschnitt und mindestens einen zweiten Krümmungsabschnitt aufweist, deren mittlere Krümmungen sich voneinander unterscheiden und die sich tangentenstetig aneinander anschließen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schalenbauteil, ein Verbundbauteil sowie ein Fahrzeug zu schaffen, die die gesetzlich vorgeschriebenen Zulassungsbedingungen bei gleichbleibender Bauteilqualität erfüllen und zudem ein optisch ansprechendes Erscheinungsbild aufweisen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Schalenbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Schalenbauteils sowie des Verbundbauteils sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
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Ein Schalenbauteil für ein Verbundbauteil eines Fahrzeuges weist einen flächigen Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einer ersten Bauteilwandstärke auf, wobei der Grundkörper wenigstens einen Umformbereich mit einer zweiten Bauteilwandstärke aufweist, wobei die zweite Bauteilwandstärke größer als die erste Bauteilwandstärke ist.
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Durch die Erhöhung der Bauteilwandstärke im Umformbereich kann der gesetzlich vorgeschriebene Mindestaußenradius eingehalten werden und gleichzeitig die Qualität des faserverstärkten Kunststoffs im Umformbereich aufrechterhalten werden. Durch Anpassung der Bauteilwandstärke im Bereich des gesetzlich erforderlichen Mindestaußenradius kann der Innenradius vergrößert werden, so dass die Fasern sich über einen weicheren Innenradius legen können und dadurch nicht abscheren. So zeigen Schnittbilder aus dem Labor, dass der faserverstärkte Kunststoff des Schalenbauteils im Umformbereich porenfrei und stabil ist und damit eine gleichbleibende Bauteilqualität aufweist.
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Unter gesetzlich vorgeschriebenem Mindestaußenradius wird vorliegend ein Radius von mindestens 2,5 mm verstanden. Unter Außenradius wird vorliegend derjenige Radius verstanden, der dem Fahrzeug abgewandt ist, sprich nach außen zeigt und sichtbar ist.
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Der faserverstärkte Kunststoff kann eine Matrix aus einem Thermoplast oder einem Duroplast sowie anorganische oder organische Fasern aufweisen. Die Fasern können als Kurzfasern, Langfasern und/oder Endlosfasern ausgebildet sein.
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Der Umformbereich kann vorliegend auch als gebogener Abschnitt beziehungsweise Bereich oder gekrümmter Abschnitt oder Bereich bezeichnet werden. Der Umformbereich kann an dem Schalenbauteil eine umlaufende Kontur ausbilden.
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Vorteilhaft weist der flächige Grundkörper einen ersten Flächenabschnitt und einen zweiten Flächenabschnitt auf, die über den Umformbereich miteinander verbunden sind. Weiterhin vorteilhaft sind die beiden Flächenabschnitte winklig, insbesondere in einem rechten Winkel, zueinander angeordnet. Vorteilhaft weisen die beiden Flächenabschnitte die erste Bauteilwandstärke auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die zweite Bauteilwandstärke zwischen ca. 1,6 mm und ca. 2 mm, insbesondere zwischen ca. 1,7 mm und ca. 1,8 mm. Weiterhin vorteilhaft beträgt die erste Bauteilwandstärke 1,5 mm.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umformbereich einen dem Außenradius zugewandten Außenabschnitt und einen dem Innenradius zugewandten Innenabschnitt auf. Vorteilhaft sind die Fasern in dem Innenabschnitt angeordnet. Weiterhin vorteilhaft befindet sich im Außenabschnitt ausschließlich thermoplastisches oder duroplastisches Matrixmaterial.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Umformbereich durch eine werkzeugfallende Kontur im Formgebungswerkzeug, insbesondere im Presswerkzeug, erzeugt. So kann das Presswerkzeug ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweisen, wobei das Oberwerkzeug den gesetzlich vorgeschriebenen Mindestaußenradius von 2,5 mm und das Unterwerkzeug den Innenradius erzeugt. Bei der Umformung des flächigen Grundkörpers wird selbiger zwischen dem Ober- und Unterwerkzeug unter Kraft umgeformt, insbesondere gepresst, wobei der Abstand von Ober- und Unterwerkzeug im Umformbereich erhöht ist, um die zweite Bauteilwandstärke zu erzeugen. Während der Umformung wird der Druck im Bereich des Innenabschnittes auf den flächigen Grundkörper aufgebracht. Aufgrund der Mechanik und des hydraulischen Drucks im Bereich des Innenabschnittes beziehungsweise des Innenradius lagern sich die Fasern im Bereich des Innenradius an und legen sich über selbigen. Dadurch sind im Außenabschnitt beziehungsweise im Bereich des Außenradius keine Fasern, sondern nur thermoplastisches oder duroplastisches Matrixmaterial vorhanden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umformbereich einen Außenradius und einen dazu korrespondierenden Innenradius auf, wobei der Innenradius kleiner oder gleich dem Außenradius ist. Da der Innenradius kleiner oder gleich dem Außenradius ist, ist der Innenradius nicht scharfkantig sondern weich ausgebildet, so dass die Fasern nicht am Innenradius abscheren, sondern sich über den Innenradius legen. Vorteilhaft beträgt der Innenradius zwischen ca. 1,5 mm und ca. 2 mm.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Innenradius größer oder gleich 1,5 mm, wenn eine Differenz von Außenradius und zweiter Bauteilwandstärke kleiner als 1,5 mm ist. Dabei sollte der Innenradius aber nicht größer als der Außenradius sein, um zu viel thermoplastisches oder duroplastisches Matrixmaterial in dem Außenabschnitt zu vermeiden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Innenradius größer oder gleich 1, 5 mm im Bereich zwischen 70° und 110°, wenn eine Differenz von Außenradius und zweiter Bauteilwandstärke kleiner als 1,5 mm ist. Eine Senkrechte, die parallel zu dem zweiten Flächenabschnitt und senkrecht zu dem ersten Flächenabschnitt ist, definiert einen Winkel von 90°, so dass sich der Bereich zwischen 70° und 110° ausgehend von der Senkrechten 20° im und entgegen dem Uhrzeigersinn erstreckt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung legen sich die Fasern des faserverstärkten Kunststoffes über den Innenradius. Aufgrund der vergrößerten Bauteilwandstärke in dem Umformbereich und dem daraus resultierenden vergrößerten Innenradius können sich die Fasern über diesen legen und scheren nicht ab.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht ein Außenabschnitt des Umformbereichs nahezu vollständig aus Matrixmaterial. Insbesondere besteht der Außenabschnitt des Umformbereichs nahezu vollständig aus Reinharz. Bei der Herstellung des Schalenbauteils durch Pressen in einem Formgebungswerkzeug herrscht am Außenradius beziehungsweise am Außenabschnitt des Schalenbauteils ein niedriger Pressdruck als am Innenradius beziehungsweise am Innenabschnitt, so dass der hydraulische Druck zunimmt, welcher zur Durchtränkung und Füllung des Außenbereichs mit dem Matrixmaterial führt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Faservolumengehalt in dem Umformbereich reduziert. Durch die Erhöhung der Bauteilwandstärke in dem Umformbereich ist der Faservolumengehalt reduziert, und die Fasern legen sich über den Innenradius. Die Qualität des faserverstärkten Kunststoffs leidet nicht unter der Reduzierung des Faservolumengehalts. Schnittbilder aus dem Labor zeigen, dass der faserverstärkte Kunststoff in dem Umformbereich porenfrei und stabil ist.
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Ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug weist ein Außenschalenbauteil, das aus einem erfindungsgemäßen Schalenbauteil gebildet ist, und einem Innenschalenbauteil aus faserverstärktem Kunststoff auf, wobei das Außenschalenbauteil und das Innenschalenbauteil miteinander verbunden sind, und wobei im verbundenen Zustand der Umformbereich des Außenschalenbauteils das Innenschalenbauteil umfasst.
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Dadurch entsteht ein optisch hochwertig anmutendes Verbundbauteil, da der Umformbereich des Außenschalenbauteils einen Fügespalt zwischen dem Außenschalenbauteil und dem Innenschalenbauteil verdeckt, so dass dieser außerhalb des Sichtbereichs liegt. Darüber hinaus entstehen, da das Außenschalenbauteil das Innenschalenbauteil umfasst, keine Toleranzen und zudem, da das Außenschalenbauteil den gesetzlich vorgeschriebenen Mindestaußenradius von 2,5 mm aufweist, entstehen keine scharfen Kanten. Darüber hinaus kann das Innenschalenbauteil zum Außenschalenbauteil optimal ausgerichtet werden.
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Unter Außenschalenbauteil wird vorliegend ein Bauteil verstanden, das der Umgebung zugewandt, also dem Fahrzeug abgewandt ist. Unter Innenschalenbauteil wird vorliegend ein Bauteil verstanden, das dem Fahrzeug zugewandt ist. Unter Umfassen wird vorliegend verstanden, dass der Umformbereich einen stirnseitigen Bereich des Innenschalenbauteils umfasst.
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Unter Umfassen wird vorliegend das Verdecken einer Stirnseite des Innenschalenbauteils durch den Umformbereich und den sich an den Umformbereich anschließende Flächenabschnitt verstanden.
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Das Verbundbauteil kann eine Frontklappe oder eine Heckklappe eines Fahrzeugs sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Schalenteile formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. So können das Außenschalenteil und das Innenschalenteil miteinander verklebt, vernietet oder verschraubt sein. Wenn das Außenschalenteil und das Innenschalenteil miteinander verklebt sind, dann ist zwischen dem Außenschalenbauteil und dem Innenschalenbauteil eine Klebstoffschicht vorgesehen. Die Klebstoffschicht kann ein Einkomponenten-Klebstoff oder ein Mehrkomponenten-Klebstoffsystem sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Verbundbauteil vorgeschlagen.
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Nachfolgend werden ein Schalenbauteil, ein Verbundbauteil, ein Fahrzeug sowie weitere Merkmale und Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Figuren schematisch dargestellt ist. Hierbei zeigen:
- 1 ein Fahrzeug mit einem Verbundbauteil; und
- 2 einen vergrößerten Querschnitt durch das Verbundbauteil.
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In 1 ist ein Fahrzeug 10 dargestellt, dessen Frontklappe 12 als Verbundbauteil 20 ausgebildet ist. Das Fahrzeug 10 kann ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor oder einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmaschine sein.
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Wie in 2 ersichtlich ist, weist das Verbundbauteil 20 ein Außenschalenbauteil 22, ein Innenschalenbauteil 24 und eine das Außenschalenbauteil 22 und das Innenschalenbauteil 24 miteinander verbindende Klebstoffschicht 26 auf. Das Außenschalenbauteil 22 und das Innenschalenbauteil 24 sind aus faserverstärktem Kunststoff. Der faserverstärkte Kunststoff kann eine Matrix aus einem Thermoplast oder einem Duroplast sowie anorganische oder organische Fasern aufweisen. Die Fasern können als Kurzfasern, Langfasern und/oder Endlosfasern ausgebildet sein.
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Das Außenschalenbauteil 22 ist aus einem Schalenbauteil 28 mit einem flächigen Grundkörper 30 gebildet. Das Außenschalenbauteil 22 ist konturiert ausgeführt und dem Fahrzeug 10 abgewandt.
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Das Innenschalenbauteil 24 ist aus einem Schalenbauteil 28 mit einem flächigen Grundkörper 30 gebildet. Das Innenschalenbauteil 24 ist vorliegend eben ausgeführt und dem Fahrzeug 10 zugewandt.
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Die Klebstoffschicht 26 ist in einem zwischen dem Außenschalenbauteil 22 und dem Innenschalenbauteil 24 vorgesehenen Spalt 44 angeordnet. Die Klebstoffschicht 26 kann ein Einkomponenten-Klebstoff oder ein Mehrkomponenten-Klebstoffsystem sein.
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Der Grundkörper 30 des Außenschalenbauteils 22 weist einen ersten Flächenabschnitt 32 mit einer ersten Bauteil wandstärke D1, einen zweiten Flächenabschnitt 34 mit der ersten Bauteil wandstärke D1 und einen die beiden Flächenabschnitte 32, 34 miteinander verbindenden Umformbereich 36 mit einer zweiten Bauteil wandstärke D2 auf.
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Wie in 2 ersichtlich ist, ist die zweite Bauteilwandstärke D2 größer als die erste Bauteilwandstärke D1. Die erste Bauteilwandstärke D1 beträgt ca. 1,5 mm, und die zweite Bauteilwandstärke D2 beträgt zwischen ca. 1,7 mm und ca. 1,8 mm.
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Der Umformbereich 36 weist einen Außenabschnitt 42 mit einem Außenradius Ra und einen Innenabschnitt 40 mit einem zu dem Außenradius Ra korrespondierenden Innenradius Ri auf.
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Der Außenradius Ra entspricht vorliegend einem gesetzlich vorgeschriebenen Mindestaußenradius von 2,5 mm.
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Der Innenradius Ri ist bevorzugt größer oder gleich 1,5 mm zu wählen, wenn in einem Winkelbereich zwischen 70° und 110° zwischen den beiden Flächenabschnitten 32, 34 die Differenz zwischen dem Außenradius Ra und der zweiten Bauteildicke D2 kleiner als 1,5 mm ist. Wichtig ist, dass der Innenradius Ri aber nicht größer als der Außenradius Ra sein sollte.
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Der Umformbereich 36 wird durch eine werkzeugfallende Kontur in einem nicht dargestellten Formgebungswerkzeug, insbesondere in einem nicht dargestellten Presswerkzeug, erzeugt. So kann das Presswerkzeug ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweisen, wobei das Oberwerkzeug den Außenradius Ra und das Unterwerkzeug den Innenradius Ri erzeugt. Bei der Umformung des flächigen Grundkörpers 30 wird selbiger zwischen dem Ober- und Unterwerkzeug unter Kraft umgeformt, insbesondere gepresst. Zur Erzeugung der zweiten Bauteilwandstärke D2 ist ein Abstand zwischen dem Ober- und Unterwerkzeug im Umformbereich 30 erhöht. Während der Umformung wird der Druck im Bereich der werkzeugfallenden Kontur auf den Innenabschnitt 40 aufgebracht. Dadurch lagern sich die Fasern im Bereich des Innenradius Ri an und legen sich über selbigen. Im Außenabschnitt 42 sind keine Fasern, sondern nur thermoplastisches oder duroplastisches Matrixmaterial vorhanden.
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Durch die Erhöhung der Bauteilwandstärke im Umformbereich 36 kann der gesetzlich vorgeschriebene Mindestaußenradius von 2,5 mm eingehalten werden und gleichzeitig die Qualität des faserverstärkten Kunststoffs im Umformbereich 36 aufrechterhalten werden, da sich die Fasern 38 des faserverstärkten Kunststoffs über einen weicheren Innenradius Ri legen können und dadurch nicht abscheren. So zeigen Schnittbilder aus dem Labor, dass der faserverstärkte Kunststoff des Schalenbauteils im Umformbereich porenfrei und stabil ist.
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Des Weiteren wie in 2 ersichtlich ist, umfasst im verbundenen Zustand von Außenschalenbauteil 22 und Innenschalenbauteil 24 er Umformbereich 36 den Klebespalt 42 und das Innenschalenbauteil 24. Dadurch wird der Spalt 44 verdeckt und liegt außerhalb des Sichtbereichs. Zudem entstehen keine Toleranzen oder scharfen Kanten, da das Außenschalenbauteil 22, insbesondere dessen Außenradius Ra, den gesetzlich vorgeschriebenen Mindestaußenradius von 2 mm aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- Frontklappe
- 20
- Verbundbauteil
- 22
- Außenschalenbauteil
- 24
- Innenschalenbauteil
- 26
- Klebstoffschicht
- 28
- Schalenbauteil
- 30
- Grundkörper
- 32
- erster Flächenabschnitt
- 34
- zweiter Flächenabschnitt
- 36
- Umformbereich
- 38
- Faser
- 40
- Innenabschnitt
- 42
- Außenabschnitt
- 44
- Spalt
- D1
- erste Bauteilwandstärke
- D2
- zweite Bauteilwandstärke
- Ra
- Außenradius
- Ri
- Innenradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011017460 A1 [0004]
