EP2782746A2 - Verfahren zum herstellen eines hohlprofils sowie hohlprofilbauteil - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines hohlprofils sowie hohlprofilbauteilInfo
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- EP2782746A2 EP2782746A2 EP12783883.7A EP12783883A EP2782746A2 EP 2782746 A2 EP2782746 A2 EP 2782746A2 EP 12783883 A EP12783883 A EP 12783883A EP 2782746 A2 EP2782746 A2 EP 2782746A2
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a hollow profile according to the preamble of claim 1 and a hollow profile component according to the preamble of claim 10.
- the present invention is therefore an object of the invention to provide a method according to the preamble of claim 1, which allows the production of complex shaped hollow profiles of fiber composites in a particularly simple and economical manner.
- the invention is further based on the object to provide a hollow profile component according to the preamble of claim 10, which is particularly resistant to force effects during driving and which is at the same time particularly economical and easy to produce.
- endless fibers are braided around a core which images the inner contour of the hollow profile to be produced to form a hollow fiber structure.
- the fibrous hollow structure is removed from the core in the elastic state in a non-destructive manner, formed into an end contour by pressurization with internal pressure, and encapsulated with a plastic. Even after encapsulation, the workpiece can be removed from the core in the elastic state.
- the inner contour of the hollow profile is imaged with a permanent core. Due to the elastic nature of the braided hollow fiber structure and a complex shaped permanent core, which has, for example, undercuts, branches or the like, non-destructive be removed from the hollow fiber structure. The additional expense of providing ever new lost cores and the costly destruction and disposal of the cores is therefore eliminated.
- the core has at least one branch. This allows the production of particularly complex shaped hollow profiles, in addition to the actual force-absorbing and force-conducting support structure additional integrally and cohesively molded functional elements, such as additional struts, consoles or the like.
- the hollow fiber structure is brought into a near-net shape before the internal pressure is applied by means of at least one handling device, in particular a robot.
- at least one handling device in particular a robot.
- thermoplastic matrix material for example, PA or PPA find application.
- a short fiber reinforced plastic more preferably also a thermoplastic, is used. This allows a particularly high strength can be achieved.
- a melting of the matrix material of the hybrid rovings or towpregs takes place at the same time, so that a homogeneous, both long and short fiber reinforced hollow profile body results, which has excellent mechanical properties.
- the hollow fiber structure is raised above the glass transition temperature and until shortly before the melting point of the matrix material. as heated so that it is already optimally flowable and malleable and optimally adapts to the final contour.
- inserts which may also be made of fiber composite materials, may also form functional components, such as consoles, carriers, holders, struts or the like on the hollow profile.
- the encapsulation can be carried out according to known methods in common injection molds.
- the invention further relates to a hollow profile component, in particular a cockpit cross member for a motor vehicle, which has a hollow profile with at least one branch, which is reinforced with a continuous, branched fiber braid.
- the at least one branch forms a functional part, in particular a console, a tunnel brace or the like.
- a particularly stable hollow profile component is obtained.
- a particularly high functional integration can be achieved by using the at least one branch for the formation of the functional part. This makes it possible to dispense with a non-material connection of the functional parts, for example by encapsulation or other mechanical joining methods that would possibly weaken the hollow profile component.
- FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a cockpit cross member according to the invention.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of a hybrid roving
- Fig. 3 is a cross-sectional view of a Towpregs
- FIG. 5 shows a braid produced by means of the braiding machine according to FIG. 4;
- FIG. 6 shows a perspective view of a permanent core which can be used in the context of an embodiment of the method according to the invention;
- FIG. 7 is a sectional view through a branch region of an exemplary embodiment of a cockpit cross member according to the invention.
- FIG. 8 shows a schematic view of a robotic system for aligning a fiber hollow body produced in the context of a method according to the invention into a final contour near position
- FIG. 9 shows a schematic representation of possible positions for inserts during encapsulation of the fiber hollow body according to FIG. 8;
- FIG. 11 shows a view of a detailed structure of the exemplary embodiment of a cockpit cross member according to the invention.
- FIG. 6 is a perspective view of an insert for a holder structure for a front passenger airbag of an embodiment of a cockpit cross member according to the invention
- a designated as a whole with 10 cockpit crossmember for a motor vehicle includes a cross member 12, which is designed as a hollow profile, and also a hollow profiled tunnel strut 14, which supports the cockpit cross member 10 at the tunnel of the motor vehicle.
- the cross member 12 and the Tunnel strut 14 made as a one-piece, branched hollow body made of a fiber-reinforced plastic.
- On the cross brace 12 are also still overmolded attachments, such as a support frame 16 for a passenger airbag or a handlebar bracket 18 attached. Also mounting brackets 20 for lateral attachment of the cockpit cross member 10 are connected as overmolded plastic parts with the cockpit cross member 10.
- hybrid cavings for producing such a branched fiber composite hollow profile, hybrid cavings, as shown in FIG. 2, can be used.
- a hybrid roving 22 comprises a plurality of reinforcing fibers 24, for example carbon fibers, which are bundled together with matrix fibers 26 of a thermoplastic such as PPA.
- matrix fibers 26 of a thermoplastic such as PPA.
- both a regularly alternating fiber arrangement 28, as well as a disordered fiber arrangement 30 are possible.
- the advantage of hybrid rovings 22 is that the matrix material is already contained in the preform. Due to the very fine, homogeneous distribution of the reinforcing and matrix fibers, the matrix material is already in the braid before the braiding process. This allows a fast and particularly reliable consolidation due to short flow paths of the later melted matrix fibers 26.
- the fibers 24, 26 are arranged axially parallel and without twists or knots, which significantly increases the resilience of the material.
- the so-called towpregs 32 shown in FIG. 3 can also be used. These are reinforcing fibers 24, which are coated with a jacket 34 of matrix material. Again, particularly short flow paths result in the subsequent consolidation.
- the reinforcing fibers 24 may be formed as carbon fibers, glass fibers or the like. Also mixed fiber compositions, for example with additional integrated steel or aramid threads are possible.
- a braiding machine 36 for braiding the hollow profile around a permanent core, a braiding machine 36 as shown in Fig. 4 is used.
- a braiding machine 36 Around the permanent core 38 is a plurality of braiding wheels 40, each of which carries a plurality of reels 42. From the reels 42, the respective hybrid rovings 22 are unwound and braided around the core 38.
- infrared radiator 44 By infrared radiator 44, a partial melting of the material of the matrix fibers 26 can already be achieved.
- the use of multiple braiding wheels 40 enables the production of a multi-layer braid. In this way, in particular thickness jumps can be realized, wherein in more heavily used areas several layers of the braid are braided over each other.
- the braiding angle represented by a section of the braid 46 may be +/- 5 ° to +/- 80 ° in such braiding processes.
- additional standing threads can be fed to the braiding wheel. These strained into the network and thus have virtually no undulation.
- the so-called UD braiding can be used in which hybrid rovings are braided with pure matrix threads and the matrix is subsequently melted.
- a mandrel 48 according to FIG. 6 is used.
- the mold core 48 shown in FIG. 6a has a multi-part construction and has a branched center piece 50 which can be assembled with end pieces 52 to form the finished core 48.
- the branch can also be realized by inserting an end piece 52 into a corresponding receptacle of the center piece 50.
- hybrid rovings 22 or towpregs 32 Due to the flexible nature of hybrid rovings 22 or towpregs 32, it is possible to completely braid such a core 48 even in the branching area and nevertheless subsequently detach it non-destructively from the braid 46. If, in the case of stronger branching angles, as illustrated in FIG. 7, complete braiding of the branching region is not possible, then it may optionally be provided later with an encapsulation 54.
- the braid 46 After loosening the braid 46 from the core 48, this is gripped by a handling robot 56, as shown in FIG. This has a plurality of manipulators 58, which grip the braid 46 and hold it in a near net shape position. In this position, the braid 46 is finally inserted into an injection molding machine 62, wherein it is optionally still provided at several points with inserts 60 made of a thermoplastic material, which are held in the injection molding tool 62 at the corresponding positions. Before the actual encapsulation of the mesh 46, the mesh 46 is subjected to internal pressure, so that it retains the desired hollow contour even during injection molding. Subsequently, the braid 46 and possibly the insert 60 is encapsulated with a thermoplastic material, which may possibly even contain short fibers for further reinforcement.
- thermoplastic mass enters into the mesh 46 and at the same time melts the matrix fibers 26, resulting in a homogeneous plastic body having the desired internal fiber structure.
- the insert made of thermoplastic material 60 for example, from FVK, thereby connect cohesively with the cross member, so that a one-piece cross member 10 is created with high functional integration.
- stiffening ribs 64 can additionally be injected, as shown in FIG. 11.
- FIGS. 12 to 16 show a plurality of examples for different shapes of the inserts 60.
- FIGS. 12 to 15 show different views of an insert 60 for forming the steering console 18.
- the insert can be constructed from planar organic sheet structures 66 which can be connected to the braid via a plastic rib structure 68 which forms a cavity 70.
- Corresponding receiving openings 72 serve for screwing the steering bracket 18 with components to be fastened to it.
- stiffening ribs 74 may be provided which give the steering console 18 a particular strength.
- FIG. 16 shows an insert 60 for forming the holder 16 for an occupant airbag.
- the insert 60 here consists of a rectangular circumferential frame 78 made of thermoplastic material, which in turn is provided with a fabric rib structure 68 which receives the braid 46 to be encapsulated. Again, a cohesive connection can be generated by melting the rib structure 68 during encapsulation, so that here a particularly good hold can be realized.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils (10), insbesondere eines Cockpitquerträgers für einen Kraftwagen, bei welchem Endlosfasern (22, 32) um einen die Innenkontur des herzustellenden Hohlprofils abbildenden Kern (48) zu einer Faserhohlstruktur (46) geflochten werden, wobei nach dem Flechten die Faserhohlstruktur (46) im elastischen Zustand zerstörungsfrei vom Kern (48) entnommen, durch Innendruckbeaufschlagung in eine Endkontur geformt und mit einem Kunststoff umspritzt wird.
Description
Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils sowie Hohlprofilbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Hohlprofilbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Aus Leichtbauüberlegungen werden im Kraftwagenbau zunehmend Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Üblicherweise können solche Bauteile nur in Form von Platten oder hinterschnittfreien, geradlinig verlaufenden Hohlprofilen gefertigt werden. Komplex geformte Bauteile, beispielsweise Cockpitquerträger, die eine Mehrzahl von An- bauteilen wie die Lenkkonsole, die Mittelkonsole, den Airbagträger und die Tunnelstrebe tragen müssen, werden daher gerade beim Leichtbau mehrteilig ausgeführt und anschließend gefügt. Bei der Konstruktion von Hohlprofilbauteilen ist dabei keine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Bereichen des Bauteils möglich, so dass der Halt nicht immer optimal ist.
Zum Herstellen von komplexer geformten faserverstärkten Hohlprofilbauteilen ist es aus der DE 10 2007 057 198 A1 bekannt, beharzte Endlosfasern auf eine verlorene Form kraftschluss- und spannungsoptimiert aufzubringen, was beispielsweise durch Weben, Flechten, Sticken oder Nähen erfolgen kann. Anschließend wird das Fasermaterial unter Bildung des gewünschten verstärkten Hohlträgers ausgehärtet und die verlorene Form zerstörend entfernt.
Während dieses Verfahren auch die Herstellung von komplex geformten Hohlkörpern ermöglicht, ist es doch mit mehreren Nachteilen behaftet. Insbesondere sind nasse, also harzimprägnierte Fasern schwierig zu handhaben, wobei beispielsweise auch die Verarbeitungsmaschinen häufig gereinigt werden müssen. Auch das Bereitstellen eines verlorenen Kerns für die Herstellung jedes einzelnen Hohlprofils ist sowohl zeit- als auch kos- tenaufwändig. Gleiches gilt für die Zerstörung und Entsorgung des verlorenen Kerns.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches auf besonders einfache und ökonomische Weise die Herstellung von komplex geformten Hohlprofilen aus Faserverbundwerkstoffen erlaubt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Hohlprofilbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10 bereitzustellen, welches besonders widerstandsfähig gegenüber Krafteinwirkungen im Fahrbetrieb ist und welches gleichzeitig besonders ökonomisch und einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Hohlprofilbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils, insbesondere eines Cockpitquerträgers für einen Kraftwagen, werden Endlosfasern um einen die Innenkontur des herzustellenden Hohlprofils abbildenden Kern zu einer Faserhohlstruktur geflochten. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass nach dem Flechten die Faserhohlstruktur im elastischen Zustand zerstörungsfrei vom Kern entnommen, durch Innendruckbeaufschlagung in eine Endkontur geformt und mit einem Kunststoff umspritzt wird. Auch nach dem Umspritzen kann das Werkstück im elastischen Zustand vom Kern entnommen werden.
Mit anderen Worten wird die Innenkontur des Hohlprofils im Gegensatz zum Stand der Technik mit einem Dauerkern abgebildet. Aufgrund der elastischen Natur der geflochtenen Faserhohlstruktur kann auch ein komplex geformter Dauerkern, der beispielsweise Hinterschnitte, Verzweigungen oder dergleichen aufweist, zerstörungsfrei aus der Faserhohlstruktur entfernt werden. Der zusätzliche Aufwand des Bereitstellens immer neuer verlorener Kerne sowie die aufwändige Zerstörung und Entsorgung der Kerne entfällt daher.
Vorzugsweise weist der Kern wenigstens eine Verzweigung auf. Dies erlaubt die Herstellung von besonders komplex geformten Hohlprofilen, die neben der eigentlichen kraftaufnehmenden und kraftleitenden Trägerstruktur zusätzliche einstückig und stoffschlüssig angeformte Funktionselemente, wie beispielsweise zusätzliche Streben, Konsolen oder dergleichen umfassen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Faserhohlstruktur vor der Innendruckbeaufschlagung mittels wenigstens einer Handhabungsvorrichtung, insbesondere eines Roboters, in eine endkonturnahe Form gebracht. Dies ermöglicht es, den Innenraum der Fa-
serhohlstruktur zuverlässig vollständig mit Druck zu beaufschlagen, ohne das Falten, Knicks oder dergleichen in der Faserhohlstruktur die Formgebung beeinträchtigen. Damit ist somit eine besonders prozesssichere Formung der Faserhohlstruktur in die gewünschte Endkontur möglich.
Zweckmäßigerweise werden als Endlosfasern Hybridrovings aus Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixfasern verwendet. Alternativ können auch mit thermoplastischem Matrixmaterial ummantelte Verstärkungsfasern, so genannte Towpregs, Anwendung finden. In beiden Fällen wird das Matrixmaterial also im festen oder teigigen Zustand in das Geflecht eingebracht. Hierdurch entfallen die Probleme bei der Handhabung harzgetränkter Verstärkungsfasern. Als Verstärkungsfasern können beispielsweise Karbonfasern, Glasfasern oder dergleichen Anwendung finden. Auch mehrere Typen von Verstärkungsfasern, beispielsweise Stahl- oder Aramidfasern neben den Karbonfasern, können in einem einzigen Roving verflochten werden. Als thermoplastisches Matrixmaterial kann beispielsweise PA oder PPA Anwendung finden. In beiden Fällen kann eine sehr feine, homogene Verteilung von Verstärkungs- und Matrixfasern erreicht werden, was später eine schnellere und bessere Konsolidierung aufgrund kurzer Fließwege des Matrixmaterials ermöglicht. Die entsprechenden Hybridrovings oder Towpregs ermöglichen zudem eine besonders genaue achsparallele Ausrichtung der Fasern ohne Verdrillungen oder Knoten, was den Kraftfluss im fertigen Hohlprofil besonders gut gestaltet.
Zum Umspritzen der Faserhohlstruktur wird vorzugsweise ein kurzfaserverstärkter Kunststoff, besonders bevorzugterweise ebenfalls ein Thermoplast, verwendet. Damit kann eine besonders hohe Festigkeit erzielt werden. Neben dem Umspritzen selbst findet dabei gleichzeitig ein Aufschmelzen des Matrixmaterials der Hybridrovings oder Towpregs statt, so dass sich ein homogener, sowohl lang- als auch kurzfaserverstärkter Hohlprofilkörper ergibt, welcher hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden beim Flechten der Faserhohlstruktur lokal unterschiedliche Wandstärken erzeugt. Dies ermöglicht eine kraftflussoptimierte Anpassung des Hohlprofils an die tatsächlichen Betriebsbelastungen, so dass bei besonders geringem Bauteilgewicht eine besonders hohe Festigkeit gegenüber im Fahrbetrieb auftretenden Belastungen erzielt wird.
Zweckmäßigerweise wird vor der Innenhochdruckbeaufschlagung die Faserhohlstruktur über die Glasübergangstemperatur und bis kurz vor den Schmelzpunkt des Matrixmateri-
als erwärmt, sodass dieses bereits optimal fließfähig und formbar wird und sich der Endkontur optimal anpasst.
Vorteilhafterweise wird beim Umspritzen der Faserhohlstruktur zusätzlich zumindest ein Einleger mit umspritzt. Derartige Einleger, die ebenfalls aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sein könnnen, können ebenfalls Funktionsbauteile, wie beispielsweise Konsolen, Träger, Halter, Streben oder dergleichen am Hohlprofil ausbilden. Das Umspritzen kann dabei nach an sich bekannten Verfahren in gängigen Spritzgusswerkzeugen durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Hohlprofilbauteil, insbesondere einen Cockpitquerträger für einen Kraftwagen, der ein Hohlprofil mit wenigstens einer Verzweigung aufweist, welches mit einem durchgängigen, verzweigten Fasergeflecht verstärkt ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die wenigstens eine Verzweigung ein Funktionsteil, insbesondere eine Konsole, eine Tunnelstrebe oder dergleichen ausbildet. Durch die Verwendung eines durchgängigen verzweigten Fasergeflechts wird ein besonders stabiles Hohlprofilbauteil erhalten. Gleichzeitig kann durch die Verwendung der wenigstens einen Verzweigung zur Ausbildung des Funktionsteils eine besonders hohe funktionale Integration erzielt werden. Hierdurch ist es möglich, auf eine nicht stoffschlüssige Anbindung der Funktionsteile, beispielsweise durch Umspritzen oder sonstige mechanische Fügeverfahren verzichtet werden, die das Hohlprofilbauteil ggf. schwächen würden.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
Fig. 2 eine Querschnittdarstellung eines Hybridrovings;
Fig. 3 eine Querschnittdarstellung eines Towpregs;
Fig. 4 eine im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendbare Flechtmaschine;
Fig. 5 ein mittels der Flechtmaschine gemäß Fig. 4 hergestelltes Geflecht;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Dauerkerns;
Fig. 7 eine Schnittdarstellung durch einen Verzweigungsbereich eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines robotischen Systems zum Ausrichten eines im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Faserhohlkörpers in eine endkonturnahe Lage;
Fig. 9 eine schematische Darstellung möglicher Positionen für Einleger beim Um- spritzen des Faserhohlkörpers gemäß Fig. 8;
Fig. 10 ein Spritzwerkzeug zum Umspritzen des Faserhohlkörpers;
Fig. 11 eine Ansicht einer Detailstruktur des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
Fig. 12, 13 zwei alternative Ansichten eines Einlegers zur Ausbildung einer Lenkkonsole in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers;
Fig. 14, 15 zwei perspektivische Ansichten eines weiteren Einlegers für eine Lenkkonsole für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Einlegers für eine Halterstruktur für einen Beifahrerairbag eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Cockpitquerträgers
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Cockpitquerträger für einen Kraftwagen umfasst eine Querstrebe 12, die als Hohlprofil ausgebildet ist, sowie eine ebenfalls hohlprofilierte Tunnelstrebe 14, die den Cockpitquerträger 10 am Tunnel des Kraftwagens abstützt. Um einen besonders stabilen Cockpitquerträger 10 zu schaffen, sind die Querstrebe 12 und die
Tunnelstrebe 14 als einteiliger, verzweigter Hohlkörper aus einem faserverstärktem Kunststoff gefertigt. An der Querstrebe 12 sind ferner noch umspritzte Anbauteile, wie beispielsweise ein Halterahmen 16 für einen Beifahrerairbag oder eine Lenkerkonsole 18 angebracht. Auch Befestigungskonsolen 20 zur seitlichen Befestigung des Cockpitquerträgers 10 sind als umspritzte Kunststoffteile mit dem Cockpitquerträger 10 verbunden.
Zur Herstellung eines derartigen verzweigten Faserverbundhohlprofils können Hybridro- vings, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind Anwendung finden. Ein derartiges Hybridroving 22 umfasst eine Mehrzahl von Verstärkungsfasern 24, beispielsweise Kohlefasern, die gemeinsam mit Matrixfasern 26 aus einem thermoplastischen Kunststoff wie beispielsweise PPA gebündelt sind. Hierbei sind sowohl eine regelmäßig alternierende Faseranordnung 28, als auch eine ungeordnete Faseranordnung 30 möglich. Der Vorteil von Hybridrovings 22 liegt darin, dass das Matrixmaterial bereits in der Preform enthalten ist. Durch die sehr feine, homogene Verteilung der Verstärkungs- und Matrixfasern befindet sich das Matrixmaterial bereits vor dem Flechtvorgang im Geflecht. Dies ermöglicht ein schnelles und besonders zuverlässiges Konsolidieren aufgrund kurzer Fließwege der später aufgeschmolzenen Matrixfasern 26. Zudem sind die Fasern 24, 26 achsparallel und ohne Verdrillungen oder Knoten angeordnet, was die Belastbarkeit des Materials deutlich steigert. Alternativ können auch die in Fig. 3 dargestellten so genannten Towpregs 32 Anwendung finden. Hierbei handelt es sich um Stärkungsfasern 24, die mit einem Mantel 34 aus Matrixmaterial beschichtet sind. Auch hier ergeben sich besonders kurze Fließwege beim späteren Konsolidieren.
Die Verstärkungsfasern 24 können als Kohlefasern, Glasfasern oder dergleichen ausgebildet sein. Auch gemischte Faserzusammensetzungen, beispielsweise mit zusätzlichen integrierten Stahl- oder Aramidfäden sind möglich.
Zum Flechten des Hohlprofils um einen Dauerkern wird eine Flechtmaschine 36 wie in Fig. 4 dargestellt eingesetzt. Um den Dauerkern 38 ist eine Mehrzahl von Flechträdern 40, welche jeweils eine Mehrzahl von Haspeln 42 tragen angeordnet. Von den Haspeln 42 werden die jeweiligen Hybridrovings 22 abgespult und um den Kern 38 geflochten. Durch Infrarotstrahler 44 kann dabei bereits ein teilweises Anschmelzen des Materials der Matrixfasern 26 erzielt werden. Die Verwendung von mehreren Flechträdem 40 ermöglicht die Herstellung eines mehrlagigen Geflechts. Hierdurch können insbesondere auch Dickensprünge realisiert werden, wobei in stärker beanspruchten Bereichen mehrere Schichten des Geflechts übereinander geflochten werden.
Die anhand eines Ausschnittes des Geflechts 46 dargestellten Flechtwinkel können bei der derartigen Flechtprozessen +/- 5° bis +/- 80° betragen. Für eine Verstärkung in Nullgrad-Richtung, die insbesondere bei Biegebelastungen von Vorteil ist, können am Flechtrad zusätzliche Stehfäden zugeführt werden. Diese laufen gestreckt in das Geflecht ein und weisen dadurch quasi keine Undulation auf. Ferner kann das so genannten UD- Flechten eingesetzt werden, bei dem Hybridrovings mit reinen Matrixfäden geflochten werden und die Matrix später aufgeschmolzen wird.
Um die Verzweigung im Cockpitquerträger 10 zu realisieren, wird ein Formkern 48 gemäß Fig. 6 verwendet. Der in Fig. 6a gezeigte Formkern 48 ist mehrteilig aufgebaut und weist ein verzweigtes Mittelstück 50 auf, welches mit Endstücken 52 zum fertigen Kern 48 zusammensteckbar ist. Wie Fig. 6b zeigt, kann die Verzweigung auch durch Einstecken eines Endstücks 52 in eine entsprechende Aufnahme des Mittelstücks 50 realisiert werden.
Aufgrund der flexiblen Natur von Hybridrovings 22 bzw. Towpregs 32 ist es möglich, einen derartigen Kern 48 auch im Verzweigungsbereich vollständig zu umflechten und ihn dennoch anschließend zerstörungsfrei aus dem Geflecht 46 zu lösen. Sollte bei stärkeren Verzweigungswinkeln, wie in Fig. 7 veranschaulicht, keine vollständige Umflechtung des Verzweigungsbereichs möglich sein, so kann dieser ggf. später mit einer Umspritzung 54 versehen werden.
Nach dem Lösen des Geflechts 46 vom Kern 48 wird dieses, wie in Fig. 8 gezeigt, von einem Handhabungsroboter 56 ergriffen. Dieser weist eine Mehrzahl von Manipulatoren 58 auf, die das Geflecht 46 greifen und in einer endkonturnahen Lage halten. In dieser Lage wird das Geflecht 46 schließlich in eine Spritzgussmaschine 62 eingelegt, wobei es ggf. an mehreren Stellen noch mit Einlegern 60 aus einem thermoplastischen Kunststoff versehen wird, die im Spritzgusswerkzeug 62 an den entsprechenden Positionen gehalten werden. Vor dem eigentlichen Umspritzen des Geflechts 46 wird das Geflecht 46 mit Innendruck beaufschlagt, sodass es die gewünschte Hohlkontur auch während des Spritzgießens beibehält. Anschließend wird das Geflecht 46 und ggf. die Einleger 60 mit einer Thermoplastmasse umspritzt, die ggf. selbst noch Kurzfasern zur weiteren Verstärkung enthalten kann. Die Thermoplastmasse tritt dabei in das Geflecht 46 ein und schmilzt gleichzeitig die Matrixfasern 26 auf, sodass sich ein homogener Kunststoffkörper mit der gewünschten inneren Faserstruktur ergibt. Auch die aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Einleger 60, z.B. aus FVK, verbinden sich dabei stoffschlüssig mit dem Querträger, sodass ein einteiliger Querträger 10 mit hoher Funktionsintegration geschaffen wird.
Beim Umspritzen des Geflechts 46 können zusätzlich, wie in Fig. 11 dargestellt noch Versteifungsrippen 64 mit eingespritzt werden.
In den Fig. 12 bis Fig. 16 sind schließlich noch mehrere Beispiele für unterschiedliche Ausprägungen der Einleger 60 dargestellt. Die Fig. 12 bis Fig. 15 zeigen dabei unterschiedliche Ansichten eines Einlegers 60 zur Ausbildung der Lenkkonsole 18. Der Einleger kann aus flächigen Organoblechstrukturen 66 aufgebaut werden, die über eine Kunststoffrippenstruktur 68, die einen Hohlraum 70 ausbildet, mit dem Geflecht verbunden werden können. Entsprechende Aufnahmeöffnungen 72 dienen zum Verschrauben der Lenkkonsole 18 mit an ihr zu befestigenden Bauteilen. Auch hier können Versteifungsrippen 74 vorgesehen werden, die der Lenkkonsole 18 eine besondere Festigkeit verleihen.
Fig. 16 zeigt schließlich einen Einleger 60 zur Ausbildung der Halterung 16 für einen Bei- fahrerairbag. Der Einleger 60 besteht hier aus einem rechteckförmig umlaufenden Rahmen 78 aus thermoplastischem Kunststoff, welcher wiederum mit einer Stoffrippenstruktur 68 versehen ist, die das zu umspritzende Geflecht 46 aufnimmt. Auch hier kann eine stoffschlüssige Verbindung durch Anschmelzen der Rippenstruktur 68 beim Umspritzen erzeugt werden, sodass auch hier ein besonders guter Halt realisiert werden kann.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Hohlprofils (10), insbesondere eines Cockpitquerträgers für einen Kraftwagen, bei welchem Endlosfasern (22, 32) um einen die Innenkontur des herzustellenden Hohlprofils (10) abbildenden Kern (48) zu einer Faserhohlstruktur (46) geflochten werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Flechten die Faserhohlstruktur (46) im elastischen Zustand zerstörungsfrei vom Kern (48) entnommen, durch Innendruckbeaufschlagung in eine Endkontur geformt und mit einem Kunststoff umspritzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (48) wenigstens eine Verzweigung aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Faserhohlstruktur (46) vor der Innendruckbeaufschlagung mittels wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (56), insbesondere eines Roboters, in eine endkonturnahe Form gebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Endlosfasern (32) Hybridrovings aus Verstärkungsfasern (24) und thermoplastischen Matrixfasern (26) verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass als Endlosfasern (32) mit thermoplastischem Matrixmaterial (34) ummantelte Verstärkungsfasern (24) verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Umspritzen ein kurzfaserverstärkter Kunststoff verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Flechten der Faserhohlstruktur (46) lokal unterschiedliche Wandstärken erzeugt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Innenhochdruckbeaufschlagung die Faserhohlstruktur (46) bis kurz über den Schmelzpunkt des Matrixmaterials erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Umspritzen zumindest ein Einleger (60) mit umspritzt wird.
10. Hohlprofilbauteil (10), insbesondere Cockpitquerträger, für einen Kraftwagen, mit einem Hohlprofil (12) mit wenigstens einer Verzweigung (14), welches mit einem durchgängigen, verzweigten Fasergeflecht (46) verstärkt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Verzweigung (14) ein Funktionsteil, insbesondere eine Konsole, eine Tunnelstrebe oder dgl., ausbildet.
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