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DE102020119196A1 - Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils - Google Patents

Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils Download PDF

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DE102020119196A1
DE102020119196A1 DE102020119196.0A DE102020119196A DE102020119196A1 DE 102020119196 A1 DE102020119196 A1 DE 102020119196A1 DE 102020119196 A DE102020119196 A DE 102020119196A DE 102020119196 A1 DE102020119196 A1 DE 102020119196A1
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DE
Germany
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shell
component
outer skin
skin component
fiber reinforcement
Prior art date
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Pending
Application number
DE102020119196.0A
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English (en)
Inventor
Thomas Miadowitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US17/912,935 priority patent/US20230150582A1/en
Priority to PCT/EP2021/064739 priority patent/WO2022017671A1/de
Priority to CN202180017783.2A priority patent/CN115243961B/zh
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug, das als Schalenbauteil (1) mit einer Außenschale (10) und einer Innenschale (20) ausgebildet ist, die jeweils als faserverstärkte Kunststoffschalen mit einer in eine duromere Kunststoffmatrix (14, 22) eingebetteten Faserverstärkung (13, 23) ausgebildet sind, wobei die Faserverstärkung (13) der Außenschale (10) aus einer oder mehr Lagen (16, 17, 18, 19) von Vliesmaterial besteht. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Außenhautbauteils angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug.
  • Faserverstärkte Bauteile an Kraftfahrzeugen sind bekannt. Hierbei sind meist mehrere Lagen von gerichteten Verstärkungsfasern in einer Kunststoffmatrix eingebunden. Wird ein derartiges Bauteil im Rahmen des Lackierprozesses erwärmt, so kommt es aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (auch als Delta-Alpha-Problematik bekannt) häufig zu einer Faserabzeichnung an der Oberfläche. Die darunter liegenden Faserlagen werden sichtbar.
  • Derartige Faserabzeichungen erfüllen nicht die hohen Anforderungen, die bezüglich der Oberflächengüte an Außenhautbauteile gestellt werden. Dies führt insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffbauteilen zu aufwendigen Vor- und Nacharbeitsprozessen um eine Class-A Oberfläche sicherzustellen. Bislang werden faserverstärkte Bauteile in eigenen Lackierverfahren außerhalb der Prozesskette lackiert und nachträglich am Fahrzeug verbaut.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein hinsichtlich der Lackierfähigkeit und der Oberflächengüte verbessertes faserverstärktes Kunststoffbauteil anzugeben. Insbesondere soll das Kunststoffbauteil als Außenhautbauteil für ein Fahrzeug kostengünstig herstellbar sein und eine Lackierung gemeinsam mit der Fahrzeugkarosserie ermöglichen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Außenhautbauteil nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es wird ein faserverstärktes Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug angegeben, das als Schalenbauteil mit einer Außenschale und einer Innenschale ausgebildet ist. Die Innenschale ist direkt oder indirekt mit der Außenschale verbunden, vorzugsweise verklebt. Für die Innenschale und die Außenschale ist es charakteristisch, dass sie gemeinsam die wesentliche Geometrie des Außenhautbauteils abbilden. In verbautem Zustand ist die Außenschale am Fahrzeug nach außen gerichtet und die Innenschale ist nach innen gerichtet. Die Außenschale bildet vorzugsweise die Außenhaut des Außenhautbauteils.
  • Erfindungsgemäß sind sowohl die Außenschale als auch die Innenschale jeweils als faserverstärkte Kunststoffschalen mit einer in eine duromere Kunststoffmatrix eingebetteten Faserverstärkung ausgebildet, wobei die Faserverstärkung der Außenschale aus einer oder mehr Lagen von Vliesmaterial besteht. Mit anderen Worten gesagt, wird in der Außenschale bewusst auf den Einsatz von gerichteten Fasern verzichtet. Es werden in der Außenschale ausschließlich Vliesmaterialien als Verstärkungsfasern eingesetzt.
  • Bei einem Vlies liegen die Fasern als Wirrfasern vor, also ungerichtet mit zufälliger Faserrichtung. Die Verteilung der Fasern im Vlies ist willkürlich, was in makroskopischer Sicht dazu führt, dass Matrix und Fasern homogener im Bauteil verteilt sind als in einem Bauteil mit gerichteten Fasern. Es hat sich nun gezeigt, dass eine Außenschale, die eine Faserverstärkung ausschließlich aus Vlieswerkstoffen aufweist, nur leichte Unebenheiten ausbildet, die vom menschlichen Auge noch als homogen wahrgenommen werden. Etwaige Einfallstellen und/oder Abzeichnungen sind aufgrund ihrer gleichmäßigen Verteilung bei gesamtheitlicher Betrachtung der Oberfläche der Außenschale zulässig und stellen kein KO-Kriterium dar. Überraschender Weise wurde festgestellt, dass eine derartige Außenschale auch herkömmliche Lackierprozesse einer Metallkarosserie, wie z.B. einen KTL-Prozess mit Temperaturen von bis zu 190 Grad, durchlaufen kann, ohne dass es auf der Oberfläche zu unzulässigen Unebenheiten oder Abzeichnungen kommt. Dies ist umso überraschender, als es im Rahmen der Erhitzung im KTL-Ofen zu einer (nahezu) 100%igen Aushärtung des duromeren Matrixmaterials kommt.
  • Die Faserverstärkung der Außenschale kann aus einer einzigen, zwei oder mehr Lagen von Vliesmaterialien gebildet sein, die übereinander geschichtet vorliegen. Grundsätzlich ist das Vliesmaterial nicht auf bestimmte Fasern beschränkt, sondern es können alle bekannten Verstärkungsfasern eingesetzt werden.
  • In einer Ausgestaltung ist die Faserverstärkung der Außenschale aus Glasfasern gebildet ist, d.h. die einzelnen Vlieslagen bestehen aus Glasfasern. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Oberflächengüte erreichen, da der Wärmeausdehnungskoeffizient der Glasfasern näher an dem des Matrixmaterials liegt und somit die Delta-Alpha Problematik reduziert wird.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist die Faserverstärkung der Außenschale aus Kohlenstofffasern gebildet ist, d.h. die einzelnen Vlieslagen bestehen aus Kohlenstofffasern. Hierdurch kann ein besonders geringes Gewicht und höhere mechanische Festigkeit erzielt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Oberflächenoptimierung bei gleichzeitig geringem Gewicht dadurch erreicht, dass die Faserverstärkung der Außenschale aus Kohlenstofffasern und Glasfasern gebildet ist. Hierbei können die einzelnen Vlieslagen nur Kohlenstofffasern oder nur Glasfasern aufweisen und übereinander geschichtet sein. Es können auch Vlieslagen verwendet werden, in denen sowohl Kohlenstofffasern als auch Glasfasern angeordnet sind.
  • Die Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit des Außenhautbauteils können über die Innenschale realisiert werden. Hierzu kann es in einer Ausgestaltung vorteilhaft sein, wenn die Faserverstärkung der Innenschale eine oder mehr Lagen von gerichteten Verstärkungsfasern aufweist, wie z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern. Diese können z.B. als Gelege, Gewebe und/oder Geflecht vorliegen. Da die Außenschale die Sicht auf die Innenschale verdeckt, sind die Anforderungen an die Oberflächengüte der Innenschale deutlich geringer.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Innenschale mindestens eine lokale Verstärkung auf, welche die Innenschale z.B. lastpfadgerecht versteift. Diese Verstärkung(en) kann/können z.B. durch zusätzliche Faserlagen gebildet werden, die lokal begrenzt in Bereichen der Innenschale angeordnet sind. Beispielsweise können die Verstärkungen als streifenförmige Verdickungen auf der Innenschale sichtbar sein.
  • Das Matrixmaterial der Außenschale und der Innenschale ist ein duromeres Matrixmaterial, wobei für die Innenschale und die Außenschale nicht zwangsläufig dasselbe Matrixsystem verwendet werden muss.
  • Bei dem Außenhautbauteil handelt es sich vorzugsweise um eine Fahrzeugklappe, wie eine Front/Motorhaube, eine Heckklappe oder eine Tür oder um eine Seitenwand eines Kraftfahrzeugs.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils angegeben, das als Schalenbauteil mit einer Außenschale und einer Innenschale ausgebildet ist, insbesondere zur Herstellung des voranstehend beschriebenen Schalenbauteils. Die Außenschale und die Innenschale werden vorzugsweise unabhängig voneinander hergestellt und in einem nachfolgenden Schritt miteinander verbunden. Dementsprechend umfasst das Verfahren die Schritte:
    • Herstellen einer Außenschale, wozu eine duromere Kunststoffmatrix mit einer Faserverstärkung aus einer oder mehr Lagen von Vliesmaterial in einem Presswerkzeug verpresst und ausgehärtet wird,
    • Herstellen einer Innenschale als faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer in eine duromere Kunststoffmatrix eingebetteten Faserverstärkung und dauerhaftes Verbinden der Außenschale mit der Innenschale zu dem Schalenbauteil.
  • Die Außenschale kann vorzugsweise im RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) oder durch Nasspressen hergestellt werden. Im RTM-Verfahren wird die Faserverstärkung erst im geschlossenen Presswerkzeug mit dem Matrixmaterial infiltriert. Im Nasspressverfahren wird das Matrixmaterial bereits vor dem Schließen des Presswerkzeugs auf die Faserverstärkung aufgetragen und anschließend mit dieser verpresst. Beide Verfahren sind großseriengerechte und kostengünstige Verfahren, die eine Herstellung hoher Stückzahlen mit geringen Kosten ermöglichen. Vorteilhafter Weise kann für die Herstellung der Außenschale auf den Einsatz von aufwendig herzustellenden und zu verarbeitenden Prepregs verzichtet werden.
  • Für die Herstellung der Innenschale kommt zusätzlich zu den o.g. Verfahren noch das Hybridpressen infrage, wenn beispielsweise lokale Verstärkungen vorzusehen sind und diese z.B. in Form von Prepregs auf die restlichen Faserlagen der Innenschale aufgebracht werden.
  • Die Außenschale und die Innenschale werden dauerhaft und untrennbar miteinander zu dem Schalenbauteil verbunden. Dies erfolgt vorzugsweise durch Verkleben der Schalenbauteile miteinander.
  • Das voranstehend beschriebene Außenhautbauteil kann aufgrund seines speziellen Aufbaus in der bestehenden Prozesskette der Fahrzeugkarosserie mit lackiert werden und insbesondere auch durch den KTL Prozess geführt werden. Separate Lackierprozesse sind nicht erforderlich. Hierdurch bieten sich erhebliche Einsparpotentiale und die Möglichkeit einer Lackierung der Bauteile in Wagenfarbe.
  • Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Schalenbauteil beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • 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.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
    • 1 ein beispielhaftes Schalenbauteil in einer Explosionsdarstellung,
    • 2 eine Schnittansicht des Schalenbauteils aus 1.
  • 1 zeigt ein beispielhaftes Schalenbauteil 1 in Form einer Frontklappe eines Kraftfahrzeugs. Das Schalenbauteil weist eine Außenschale 10, sowie eine Innenschale 20 auf, die miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt werden. Das Schalenbauteil 1 kann weitere, nicht dargestellte Elemente aufweisen, wie z.B. Scharniere oder Aufnahmen, die zusätzlich vorgesehen sein können oder z.B. in der Innenschale 20 integriert sein können. Die Außenschale 10 bildet eine Außenfläche 12 des Schalenbauteils 1, welche im verbauten Zustand am Fahrzeug nach außen gerichtet ist. Die Innenschale 20 ist auf der der Außenfläche 12 abgewandten Seite der Außenschale 10 angeordnet.
  • Die Außenschale 10 ist als faserverstärkte Kunststoffschale ausgebildet, wobei sie eine Faserverstärkung 13 aus Vliesmaterialien aufweist, die in eine duromere Kunststoffmatrix 14 eingebettet ist. 2 zeigt eine Schnittansicht zur Verdeutlichung des Lagenaufbaus. Rein beispielhaft sind dort vier Lagen 16, 17, 18, 19 eines Vliesmaterials gezeigt, die Anzahl kann selbstverständlich je nach Anforderung variieren.
  • Die Innenschale 20 ist ebenfalls eine faserverstärkte Kunststoffschale mit in eine duromere Kunststoffmatrix 22 eingebetteten Verstärkungsfasern. Die Innenschale 20 weist eine Faserverstärkung 23 auf mit einem Lagenaufbau von mehreren Lagen 24, 25, 26, 27, 28 (hier beispielhaft 5 Lagen) gerichteter Verstärkungsfasern. Zusätzlich weist die Innenschale 20 mindestens eine lokale Verstärkung 29 auf. Hierzu ist in einem lokal begrenzten Bereich zusätzlich zum voranstehend beschriebenen Aufbau ein Prepreg-Streifen mit weiteren Verstärkungslagen gerichteter Endlosfasern und Matrixmaterial mit an die Innenschale 20 angeformt.
  • Zur Herstellung des Schalenbauteils werden die Außenschale 10 und die Innenschale 20 zunächst separat hergestellt und anschließend miteinander verklebt. Die Herstellung der Außenschale erfolgt vorzugsweise im RTM-Verfahren oder im Nasspressverfahren, die Innenschale kann ebenfalls mit diesen Verfahren hergestellt werden oder in einem Hybridpressverfahren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schalenbauteil
    10
    Außenschale
    12
    Außenfläche
    13
    Faserverstärkung
    14
    Kunststoffmatrixl
    16, 17, 18, 19
    Vlieslagen
    20
    Innenschale
    22
    Kunststoffmatrix
    23
    Faserverstärkung
    24, 25, 26, 27, 28
    Lagen von Verstärkungsfasern
    29
    lokale Verstärkung

Claims (10)

  1. Außenhautbauteil für ein Kraftfahrzeug, das als Schalenbauteil (1) mit einer Außenschale (10) und einer Innenschale (20) ausgebildet ist, die jeweils als faserverstärkte Kunststoffschalen mit einer in eine duromere Kunststoffmatrix (14, 22) eingebetteten Faserverstärkung (13, 23) ausgebildet sind, wobei die Faserverstärkung (13) der Außenschale (10) aus einer oder mehr Lagen (16, 17, 18, 19) von Vliesmaterial besteht.
  2. Außenhautbauteil nach Patentanspruch 1, bei dem die Faserverstärkung (13) der Außenschale (10) aus Glasfasern gebildet ist.
  3. Außenhautbauteil nach Patentanspruch 1, bei dem die Faserverstärkung (13) der Außenschale (10) aus Kohlenstofffasern gebildet ist.
  4. Außenhautbauteil nach Patentanspruch 1, bei dem die Faserverstärkung (13) der Außenschale (10) aus Kohlenstofffasern und Glasfasern gebildet ist.
  5. Außenhautbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Faserverstärkung (23) der Innenschale (20) eine oder mehr Lagen (24, 25, 26, 27, 28) von gerichteten Verstärkungsfasern aufweist.
  6. Außenhautbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche bei dem die Innenschale (20) weiterhin mindestens eine lokale Verstärkung (29) aufweist.
  7. Außenhautbauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, das eine Fahrzeugklappe oder eine Seitenwand ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils, das als Schalenbauteil (1) mit einer Außenschale (10) und einer Innenschale (20 ausgebildet ist, mit den Schritten: Herstellen einer Außenschale (10), wozu eine duromere Kunststoffmatrix (14) mit einer Faserverstärkung (13) aus einer oder mehr Lagen (16, 17, 18, 19) von Vliesmaterial in einem Presswerkzeug verpresst und ausgehärtet wird, Herstellen einer Innenschale (20) als faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer in eine duromere Kunststoffmatrix (22) eingebetteten Faserverstärkung (23) und dauerhaftes Verbinden der Außenschale (10) mit der Innenschale (20) zu dem Schalenbauteil (1).
  9. Verfahren nach Patentanspruch 8, bei dem das Herstellen der Außenschale (10) im RTM-Verfahren oder im Nasspressverfahren erfolgt.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, bei dem die Außenschale (10 und die Innenschale (20) miteinander zu dem Schalenbauteil (1) verklebt werden.
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