DE202010002099U1

DE202010002099U1 - Verbundbauteil für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE202010002099U1
Application number: DE202010002099U
Authority: DE
Original assignee: Voestalpine Metal Forming GmbH
Current assignee: Polytec Composites NV BV
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: EP2533970A1; WO2011113503A1; US20130052392A1; CN102947080A

Abstract

Verbundbauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Strukturbauteil wie Längsträger, Querträger oder A-, B- oder C–Säule, wobei das Verbundbauteil aus einem Strukturbauteil aus einem pressgehärteten Stahl ausgebildet ist und in dem Strukturbauteil aus pressgehärtetem Stahl zumindest teilbereichsweise ein Kunststoffbauteil zumindest teilbereichsweise formschlüssig eingesetzt oder eingeformt angeordnet ist und wobei das Kunststoffbauteil ein mit Stahldrahtlitzen verstärktes Bauteil im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Kunststoff ist und wobei in das Kunststoffbauteil eine Verstärkungsstruktur wie eine Verrippung eingespritzpresst (injection molding) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US 2008/0156425 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils bekannt, bei dem einige vorimpregnierte Fasermaterialien angeordnet werden, wobei ein äußerer Prepreg an einem metallischen Bauteilkörper angeordnet wird, wobei der Prepreg-Stapel in eine dreidimensionale Vorform geformt wird, welche in den Bauteilkörper in ein Presswerkzeug eingepresst wird. Bei den Vorformlingen handelt es sich beispielsweise um kohlefaserverstärkte Kunststoffe, die zur Verstärkung als Leichtbaulösung in Strukturbauteile eingesetzt werden sollen.
Aus der DE 10 2008 032 344 A1 ist eine Baugruppe bekannt, insbesondere eine Fahrzeugkarosserie. Um ein Bauelement, insbesondere für diese Fahrzeugkarosserie zu schaffen, welche zum einen den Anforderungen bzgl. Steifigkeit und Festigkeit gerecht wird, zum anderen keine neuen Fügeprozesse erfordert aber trotzdem nur ein geringes Gewicht aufweist, ist hierbei vorgesehen, die Baugruppe von einem mehrteiligen Bauteil aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff auszubilden. Es handelt sich insbesondere um ein reines faserverstärktes Kunststoffbauteil.
Aus der EP 1 483 137 B1 ist ein verstärkter Aufprallträger bekannt, wobei der Aufprallträger eine Polymermatrix und eine metallische Verstärkungsstruktur besitzt, wobei die metallische Verstärkungsstruktur Metallfäden bzw. Metalllitzen umfasst, welche im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind und die Polymermatrix zumindest eine erste Schicht und eine zweite Schicht besitzt, wobei die erste Schicht um die Metalllitzen herum angeordnet ist und die zweite Schicht um die erste Schicht herum angeordnet ist, wobei einige der Metalllitzen zwischen zwei Blättern eines Polymermaterials einlaminiert sein sollen, die die erste Schicht der Polymermatrix bilden, um ein Metalllitzenband zu bilden, wobei die Metalllitzen in eine oder mehreren Ebenen des Bauteils ausgebildet sind.
Aus der US 4,849,147 ist ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen faserverstärkten Plastikstruktur bekannt, mit einstückig eingeformten Befestigungsvorrichtungen zum Anordnen externer Komponenten. Die Befestigungsvorrichtung ist an einem Teil aus Fasermaterial angeordnet, in welches Kunstharz eingespritzt wird. Ein Finger hält die Befestigungseinrichtung am Ort während des Einspritzen des Kunststoffs.
Aus der US 2007/0277926 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Formen eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug bekannt und umfasst eine Hybridstruktur, die vorzugsweise aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet wird, die miteinander durch einen Klebstoff verbunden sind, um ein Strukturbauteil zu bilden, welches leichter ist als ein traditionelles Bauteil, welches aus Metall ausgebildet ist. Die Hybridkomponente soll im Wesentlichen frei von einem Überformprozess sein, wobei Rastverschlüsse vorgesehen sein sollen, um die Komponenten aneinander zu halten.
Aus der US 5,888,600 ist ein verstärktes Strukturbauteil bekannt, welches eine kanalförmige laminierte Struktur besitzt, aus einem Metallstanzbauteil, einem kanalförmig geformten Plattenelement und einer dazwischenliegenden Schicht aus einem Strukturschaum. Das Bauteil soll durch das Pressen einer plattenförmigen Kunststoffvorform in den Kanal und die thermische Expansion des Kunstharzes zur Bildung eines Strukturschaums gebildet werden.
Aus der US 2008/0014388 A1 ist ein hohlkammerartiges Strukturbauteil bekannt, welches eine Hüllkomponente umfasst, welche sich entlang einer Hauptausdehnungsrichtung erstreckt, wobei eine Abdeckkomponente an der Hüllenkomponente angeordnet ist und zwischen beiden eine hohle Kammer ausgebildet ist und eine Verstärkungsstruktur in der Hohlkammer angeordnet ist, die eine synthetische Stützstruktur umfasst, welche zumindest in manchen Bereichen der Hauptausdehnung folgt, um mit zumindest einigen Bereichen an einer Innenseite der Hüllkomponente anliegt und mit zumindest einem Verstärkungselement, welches zumindest in manchen Bereichen der Hauptausdehnung folgt und an der synthetischen Stützstruktur mit Hilfe einer Klebstoffschicht angebunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbundbauteil für Kraftfahrzeuge zu schaffen, mit welchem die Montage des Kraftfahrzeuges beschleunigt wird und mit dem ein Bauteil hoher Stabilität geschaffen wird, bei dem notwendige Anbindungsbereiche und Funktionsbauteile bereits integriert sind.
Erfindungsgemäß wird ein pressgehärtetes Strukturbauteil zumindest teilbereichsweise mit einem Kunststoffbauteil verstärkt und so ein gemeinsames Strukturbauteil geschaffen. Hierbei wird zunächst aus einem faserverstärktem Kunststoff gemäß EP 1 483 137 ein Vorformling erzeugt, wobei dieser Vorformling so ausgebildet ist, dass er an der vorgesehenen Stelle formschlüssig in das Strukturbauteil eingesetzt werden kann.
Das phs-Bauteil wird nach erfolgtem Presshärten oder Formhärten in noch warmem Zustand in dem Bereich, in dem das Kunststoffbauteil eingesetzt werden soll, mit einer Klebstoffschicht beschichtet und insbesondere besprüht und anschließend das Kunststoffbauteil eingesetzt. Da das Kunststoffbauteil aus einem thermoplastischem Kunststoff besteht, ist insbesondere in Verbindung mit dem aufgebrachten Klebstoff sichergestellt, dass eine perfekte Anformung des Kunststoffbauteils an das phs-Bauteil stattfindet, wobei durch die noch bestehende Temperatur des phs-Bauteils, insbesondere von 150°C bis 350°C eine sehr gute Bindung des Klebstoffs an das phs-Bauteil einerseits und an den thermoplastischen Kunststoff des Kunststoffbauteils andererseits gewährleistet ist.
Bei einer ersten Ausführungsform wird zunächst aus dem plattenartigen mit Stahllitzen verstärkten Kunststoffmaterial gemäß EP 1 483 137 ein Vorformling erzeugt, beispielsweise ein angenähert u-förmiger Vorformling erzeugt und anschließend in den von dem Vorformling umschlossenen Raum mit einem Spritzpressverfahren eine Verstärkungsstruktur, insbesondere eine gitterartige Verstärkungsstruktur eingespritzpresst. Mit dieser gitterartigen Verstärkungsstruktur – die insbesondere mit den freien U-Schenkeln des Vorformlings abschließt – können Anbindungselemente wie Gewinde, Gewindemuttern, Gewindebolzen und dergleichen eingespritzpresst werden, wobei, wenn diese Elemente über die Bodenwandung des Vorformlings nach außen überstehen soll, im Vorformling entsprechende Ausnehmungen vorhanden sind. Zudem können aber mit der Gitterstruktur auch Gurtrollen für Sicherheitsgurte, Aufnahmekammern für Airbags und dergleichen in den Vorformling eingespritzt bzw. im Vorformling umspritzt werden.
Der Vorformling wird anschließend in das phs-Bauteil derart eingesetzt, dass seine Seitenwandungen der beispielsweise U-Form an Seitenwandungen des phs-Bauteils formschlüssig anliegen, wobei diese an den Seitenwandungen des phs-Bauteils mit einem Klebstoff verklebt angeordnet sind.
Die Gitterstruktur, die zur Verstärkung eingespritzpresst ist, wird somit allseitig, sowohl vom phs-Bauteil als auch vom Vorfomling umschlossen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Kunststoffbauteil bzw. der Vorformling in das phs-Bauteil eingesetzt, wobei jedoch die Bodenwandung des Vorformlings auf der Bodenwandung des phs-Bauteils aufliegt und insofern der Vorformling formschlüssig allseitig in das phs-Bauteil eingesetzt ist. Das phs-Bauteil mit dem Kunststoffbauteil wird anschließend zusammen in eine Spritzgussform überführt und in das Kunststoffformteil zusätzlich ein Kunststoffgitter eingespritzt oder eingespritzpresst. Mit diesem Gittermuster können weitere Funktionsbauteil in das Kunststoffbauteile ein- bzw. umspritzt werden, insbesondere Gewinde, Gewindemuttern, Gewindebolzen, Aufnahmen, insbesondere verschiebliche Aufnahmen für Gurte, Gurtrollen, Anbindungspunkte für eine Innenverkleidung oder Dachverkleidung, Anbindungspunkte für Airbag-Vorrichtungen und dergleichen.
Im Ergebnis wird ein Verbundbauteil für ein Kraftfahrzeug erzielt, welches anschließend mit üblichen Fügetechniken, insbesondere Schweißen an den entsprechenden Schweißpunkten oder anderen Fügeverfahren ins Kraftfahrzeug eingebunden werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Kunststoffbauteil ausbildende Material, bestehend aus der Matrix aus geflochtenen oder verdrillten Stahldrahtelementen (Litzen), die mittels Fasern und insbesondere Viskosefasern in definiertem Abstand zueinander gehalten werden und beispielsweise kreuzweise verlegt sind, sowie des thermoplastischen Kunststoffs und gegebenenfalls innenliegend Glasfasermatten als flächiges, plattenartiges Gebilde verwendet, wobei das phs-Teil noch warm aus dem phs-Prozess stammend in eine Form eingelegt wird, das plattenartige Material gemäß EP 14 83 137 an der gewünschten Stelle auf das phs-Bauteil aufgelegt wird und anschließend mit einem Werkzeug gegebenenfalls auch einem vorgewärmten Werkzeug – in das phs-Bauteil eingeformt wird. Auch bei dieser Vorgehensweise kann vor dem Auflegen des plattenartigen Elements eine Klebstoffschicht auf dem phs-Bauteil erzeugt worden sein.
Die Einbindung des Bauteils erfolgt dann wie im ersteren Fall.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass ein pressgehärtetes Bauteil, welches von sich aus eine hohe Steifigkeit und Stabilität besitzt, teilbereichsweise mit einem Kunststoffelement zusätzlich verstärkt wird, wobei das Kunststoffelement selber eine hohe Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit besitzt. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass ein Verbundbauteil mit höherer Fertigungstiefe in ein Kraftfahrzeug einbaubar ist, wobei im Bereich des Materialsverbundes auch die notwendigen Anbindungsbereiche für Schraubverbindungen, Sicherheitsgurte, Airbags und dergleichen bereits eingespritzt angeordnet werden können. Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei:
1: stark schematisiert, die Fertigungsabfolge für das erfindungsgemäße Bauteil;
2: eine seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Bauteils als B-Säule;
3: einen Querschnitt durch das Bauteil nach 2.
Ausgangspunkte für die Erfindung sind einerseits pressgehärtete Bauteile aus Stahl, d. h. Bauteile, die dadurch hergestellt werden, dass eine Stahlplatine aus einem thermisch härtbaren Stahl in einem Kaltumformverfahren fertig umgeformt wird, anschließend aufgeheizt wird und in einem speziellen Werkzeug wieder abgekühlt wird, wobei die Abkühlung über die kritische Härtegeschwindigkeit erfolgt und dadurch eine Härtung herbeigeführt wird oder eine Stahlplatine warm umgeformt wird und in dem Warmumformwerkzeug anschließend auch mit der über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt und gehärtet wird.
Das fertige Bauteil kann insbesondere ein Strukturbauteil eines Kraftfahrzeuges sein, welches auch komplexere Formen besitzen kann. Beispielsweise kann das Strukturbauteil eine B-Säule eines Kraftfahrzeuges sein.
Darüber hinaus ist der Ausgangspunkt ein sogenanntes EASI-Material gemäß EP 1 483 137 , welches ebenfalls von der Anmelderin entwickelt wurde, wobei dieses Material ein plattenartiges Material ist, welches ein Stahldraht-Viskose-Gewebe umfasst, wobei dieses Stahldraht-Viskose-Gewebe aus verdrillten oder geflochtenen Stahlfasern (Litzen), insbesondere hochfesten Stahlfasern einerseits besteht, die nur entlang einer Richtung sich erstrecken können oder ein Gitternetzwerk bilden können, wobei die Stahldrahtfasern bzw. verdrillten oder geflochtenen Litzen aus mehreren Fasern mit den Viskosefäden aneinandergehalten werden. Insbesondere können die verdrillten oder geflochtenen Stahlfaserlitzen als Kettfäden und die Viskosefasern als Schussfäden oder umgekehrt ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Stahldrahtlitzen auch in einem Gestrick oder Gewebe aus Viskose entsprechend eingebettet sein.
Dieses Stahldraht-Viskose-Gewebe wird zusammen mit zumindest einer Glasfasermatte und einer außenliegenden Thermoplastfolie sowie einem aus einem Extruder ausfließenden Thermoplast zu einem plattenartigen Material verarbeitet, welches entsprechend durch das Gewebe verstärkt ist. Insbesondere kann das Stahldraht-Viskose-Gewebe zusammen mit dem Thermoplast zwischen zwei Glasfaserbahnen angeordnet sein, die außenseitig von Thermoplast abgegrenzt werden.
Dieses plattenartige Kunststoffmaterial 1 (1) wird bei einer ersten Verfahrensausführung in einer entsprechenden Pressform unter Nutzung der thermoplastischen Eigenschaften des verwendeten Kunststoffs zu einem Vorformling 2 verpresst. In einer weiteren Verfahrensstufe wird ein phs-Bauteil 3 noch warm aus dem Umformwerkzeug oder Abkühlwerkzeug entnommen, in einem Bereich, in dem der Verbund zwischen dem Vorformling 2 und dem phs-Bauteil 3 hergestellt werden soll, mit einem Klebstoff (nicht gezeigt) beschichtet und anschließend der Vorformling 2 in das phs-Bauteil 3 formschlüssig eingesetzt. Über die Außenkanten des Vorformlings 2 stehen vorteilhafterweise Stahlfäden 4 vor, welche gegebenenfalls auch mit dem Klebstoff, der aufgebracht wurde, in Kontakt stehen und insbesondere aufgrund der Verflechtung oder Verdrillung an den Enden Aufspreizungen besitzen, die besonders gut mit dem Klebstoff zusammenwirken können, da sie eine große Oberfläche haben. An den überstehenden Enden kann aber auch eine Verlötung oder Verschweißung mit dem phs-Material durchgeführt werden.
Nach dem Einsetzen des Vorformlings 2 in das phs-Bauteil 3 wird das phs-Bauteil 3 zusammen mit dem Vorformling 2 in ein weiteres Werkzeug überführt, in dem ein Spritzpressverfahren durchgeführt wird. Durch das Spritzpressen wird eine Gitterstruktur 5 in den Vorformling 2 eingeformt bzw. eingespritzt und gepresst, welche sich aufgrund der Temperaturen beim Spritzpressen, unterstützt durch die Resttemperatur des phs-Bauteils 3 und damit des Vorformlings 2 mit dem Kunststoffmaterial des Vorformlings 2 verbindet und insbesondere eine einstückige Rippenstruktur in dem Vorformling ausbildet.
Mit dem Einspritzen der Gitterstruktur 5 in den Vorformling 2 können in an sich bekannter Weise auch in der Gitterstruktur oder mit der Gitterstruktur Anbindungselemente (nicht gezeigt). umspritzt angeordnet werden.
Solche Anbindungselemente sind beispielsweise Schraubmuttern, Gewinde, Gewindebolzen, Airbaganbindungselemente, Airbagaufnahmeelemente, Sicherheitsgurtanbindungselemente, Sicherheitsgurtgurtrollen u. a. denkbare Elemente, die in Strukturbauteilen von Kraftfahrzeugen wie A-, B- oder C-Säulen, sowie Längs- und Querträgern aufgenommen werden können werden oder müssen.
Alternativ kann zunächst die Rippenstruktur mit den beschriebenen Anbindungselemente oder Funktionsbauteilen in den Vorformling eingespritzpresst werden, um dann den Vorformling mit der Gitterstruktur zum phs-Bauteil hin in das phs-Bauteil eingesetzt werden, so dass die Rippenstruktur vom phs-Material und der Vorformling umschlossen wird.
Das fertige Verbundbauteil 6 (2) verfügt über Anbindungsbereiche 7, mit denen es in eine Fahrzeugkarosserie eingebunden werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Verfahrensablauf dahingehend geändert, dass an Stelle eines Vorformlings 2 ein plattenartiges EASI-Element 1 auf das noch warme phs-Bauteil 3, im Bereich, in dem eine Kunststoffverstärkung vorgesehen sein soll, aufgelegt wird und anschließend mit einem geeigneten Werkzeug, gegebenenfalls unter zu Hilfenahme weiterer Wärme in das phs-Bauteil formschlüssig eingeformt wird.
Die weiter sich anschließenden Verfahrensstufen entsprechen der ersten Ausführungsform, wobei das Verbundbauteil dem der ersten Ausführungsform entspricht.
Auch bei dieser zweiten vorteilhaften Ausführungsform wird zwischen dem phs-Bauteil und dem EASI-Element eine Klebstoffschicht angeordnet.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass in kostengünstiger Weise ein Verbundbauteil geschaffen wird, welches aus einem hochfesten Stahlbauteil besteht, welches teilbereichsweise mit einem Kunststoff verstärkt ist, aufgrund ihrer speziellen Ausbildung ein zähes Bruchverhalten und ein gutes Energieabsorptionsverhalten besitzt, wobei zusätzlich Anbindungsbereiche oder Anbindungselemente für weitere Bauteile in dem Verbundbauteil bereits derart enthalten sind, dass die anschließende Montage des Kraftfahrzeuges deutlich vereinfacht wird.
Bei einer Ausführungsform mit einer vom phs-Bauteil und dem Vorformling umschlossenen Rippenstruktur ist von Vorteil, dass durch den Abstand der Stahllitze vom phs-Bauteil, der hindurch erzielt wird, die Zugfestigkeit der Stahllitze optimal zur Festigkeit des Verbundbauteils beitragen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0156425 A1 [0002]
DE 102008032344 A1 [0003]
EP 1483137 B1 [0004]
US 4849147 [0005]
US 2007/0277926 A1 [0006]
US 5888600 [0007]
US 2008/0014388 A1 [0008]
EP 1483137 [0010, 0012, 0017, 0025]

Claims

Verbundbauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Strukturbauteil wie Längsträger, Querträger oder A-, B- oder C–Säule, wobei das Verbundbauteil aus einem Strukturbauteil aus einem pressgehärteten Stahl ausgebildet ist und in dem Strukturbauteil aus pressgehärtetem Stahl zumindest teilbereichsweise ein Kunststoffbauteil zumindest teilbereichsweise formschlüssig eingesetzt oder eingeformt angeordnet ist und wobei das Kunststoffbauteil ein mit Stahldrahtlitzen verstärktes Bauteil im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Kunststoff ist und wobei in das Kunststoffbauteil eine Verstärkungsstruktur wie eine Verrippung eingespritzpresst (injection molding) ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil in das Stahlbauteil eingeklebt ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verrippung Anbindungselemente und Funktionsbauteil für an das Strukturbauteil anzubindende Elemente eingespritzt bzw. eingeformt sind.
Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass überstehende Litzen des Vorformlings mit dem phs-Bauteil verklebt, verlötet oder verschweißt sind.