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DE10134372A1 - Verfahren zur Herstellung einer Hybridstruktur aus Metall und faserverstärktem Kunststoff sowie Hybridstruktur - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Hybridstruktur aus Metall und faserverstärktem Kunststoff sowie Hybridstruktur

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DE10134372A1
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DE
Germany
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fiber
plastic
plastic part
metal
hybrid structure
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Withdrawn
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DE10134372A
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Konrad Eipper
Hans Hofele
Bernd Liedtke
Matthias Nohr
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hybridstruktur aus Metall und faserverstärktem Kunststoffteil sowie eine entsprechende Hybridstruktur. Bei dem Verfahren wird ein Metallgerüst mit einem faserverstärkten Kunststoff verstärkt und verbunden, wobei der Kunststoff und/oder dessen Vorprodukte des späteren faserverstärkten Kunststoffteils allenfalls teilabgebunden auf das Metallgerüst aufgetragen werden, als Faser eine Endlosfaser gewählt wird, und der Kunststoff und/oder dessen Vorprodukte erst nach der Aufbringung auf das Metallgerüst aus- bzw. endgehärtet und kraftschlüssig mit dem Metallgerüst verbunden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridstruktur aus Metall und faserverstärktem Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten EP 938 969 A1 als bekannt hervorgeht.
  • Aus der EP 938 969 A1 ist es bekannt, ein Metallgerüst mit einem zuvor hergestellten faserverstärkten Kunststoffteil zu verkleben. Werden mit derartigen Verfahren zur Herstellung von Hybridstrukturen bspw. im Automobilbau Teile gefertigt, haben diese i. a. den Vorteil eines gegenüber einem reinen Metallbauteil geringeren Gewichts, jedoch sind sie teuer herzustellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Hybridstruktur sowie eine Hybridstruktur, die insbesondere im Automobilbereich verwendbar ist, anzugeben, bei dem die Herstellung der Hybridstruktur günstiger ist.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit einer Hybridstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Durch die direkte und beim Aushärten des Kunststoffs stattfindende Verbindung, insbesondere Verklebung, zwischen dem Metallgerüst und dem mit den Endlosfasern versehenen Kunststoff, ist zumindest der Arbeitsschritt des Verklebens des vorgefertigten Kunststoffteils und des Metallgerüsts eingespart. Gleichzeitig bracht nunmehr kein relativ maßgetreues Kunststoffteil vorgefertigt werden. Ferner braucht kein speziellen Kleber mehr verwendet werden.
  • Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
  • Fig. 1a-1b eine schematische Darstellung einer verstärkten A-Säule eines Automobils,
  • Fig. 2a-2b eine schematische Darstellung einer verstärkte Crashbox, wie sie im Stoßfängerbereich verwendbar ist und
  • Fig. 3a-3b eine schematische Darstellung einer Fahrzeugtür mit Seitenaufprallschutz.
  • In Fig. 1a und 1b sind Querschnitte einer verstärkten A-Säule einer Karosserie eines Pkws als Hybridstruktur 1 schematisch dargestellt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a ist im lichten Querschnitt der A-Säule ein Rohr angeordnet, das als Hybridstruktur ausgebildet ist. Das Rohr weist ein rohrförmiges innenliegendes Metallgerüst 2 auf, das mit einem Kunststoffteil 2 umgeben ist. Das Kunststoffteil 2 wird durch Endlosfasern 3 und ein klebewirksames Harz als Kunststoff gebildet. Die Endlosfasern 3 bilden eine Matte, die um das Metallgerüst 1 gewickelt ist. Das Metallgerüst 2 weist Durchbrüche und Hinterschneidungen (nicht eingezeichnet) auf, in denen zur besseren Haftung ebenfalls das Harz des Kunststoffteils 2 eingebracht und ausgehärtet ist. Für ein besseres Crashverhalten (Energieabsorption und Stabilität) sind hier auch die Endlosfasern 3 der Matte in axialer Richtung und Umfangsrichtung des Rohres, also zumindest teilweise in Richtung der wahrscheinlich zu erwartenden Hauptbelastungsrichtung, ausgerichtet. Von besonderem Vorteil ist hierbei ferner, dass die Wandstärke des Kunststoffteils 1 ortsdefiniert variiert werden kann, wodurch in einfacher Weise insbesondere das Deformationsverhalten gezielt beeinflusst werden kann.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist ebenfalls eine A-Säule dargestellt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a bilden hier die Schalen der A-Säule allerdings gleichzeitig das Metallgerüst 1 für die Hybridstruktur. Die Matte aus Endlosfasern 3 ist innenseitig an den Schalen (Metallgerüst 1) angeordnet. Dadurch ist insbesondere der verfügbare Innenraum vergrößert und/oder kann der Gesamtquerschnitt der A-Säule verkleinert werden.
  • In den Fig. 2a und 2b sind sogenannte Crash-Boxen, wie sie bspw. als Halterungen eines Stoßfängers dienen, dargestellt. Die beiden Crash-Boxen sind als Hybridstruktur ausgebildet. In beiden Fallen ist das faserverstärkte Kunststoffteil 1' am Mantel des Metallgerüstes 2' angeordnet und zwar bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a außen und bei dem nach Fig. 2b innen. Denkbar wäre bspw. noch das Kunststoffteil 1' auch auf beiden Wandungsseiten anzuordnen.
  • In den Fig. 3a und 3b sind die metallenen Außenschalen von Kfz-Türen dargestellt, die fahrzeuginnenseitig mit einem Kunststoffteil 1", das eine Matte aus Endlosfasern aufweist und aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, versehen sind. Die Außenschalen bilden hierbei das Metallgerüst 2". Im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3a ist die Matte flach aufgetragen, wobei sie im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3b profiliert aufgetragen ist. Gleichzeit weist das Kunststoffteil 1" hier noch zusätzlich zwei im Querschnitt trapezförmige Schaumkerne 4 auf. Durch diese Verbundstruktur des Hybridbauteils nach Fig. 3b ist der Eindrückwiderstand der Türe bei vergleichbaren geringem Gewicht deutlich erhöht.
  • Insgesamt hat es sich herausgestellt, dass als Werkstoff für die Endlosfasern 3 Glas- und/oder Aramid günstig ist. Bei gewebeverstärktem Kunststoff sind Aramidfaser-Kunststoffe und/oder Glasfaser-Kunststoffe und/oder Glas-/Kohlenstofffaser-Kunststoffe und/oder Aramid-/Kohlenstofffaser-Kunststoffe von Vorteil.
  • Zur Herstellung erfindungsgemäßer Hybridstrukturen wird sinnvollerweise zuerst ein Metallgerüst 2, 2', 2" mit den gewünschten Abmessungen sowie mit Durchbrüchen und/oder Hinterschneidungen gefertigt. Das Metallgerüst 2, 2', 2" wird mit einer Matte aus Endlosfasern 3 belegt oder umwickelt und anschließend in ein Formwerkzeug eingelegt. In das geschlossene Formwerkzeug wird das als Vorprodukt des Kunststoffes des Kunststoffteils 1, 1', 1" verwendete klebewirksame Harz insbesondere unter Druck eingebracht, wodurch gleichzeitig die Durchbrüche und/oder Hinterschneidungen befüllt werden. Anschließend wird das Harz ausgehärtet, wodurch das sich bildende Kunststoffteil 1, 1', 1" direkt mit dem Metallgerüst verbunden wird.
  • Anstelle des separaten Belegens des Metallgerüsts 2, 2', 2" mit dem Harz und der Matte, kann das Harz und die Matte auch gleichzeitig auf das Metallgerüst 2, 2', 2" aufgebracht werden. Hierzu wird das Metallgerüst 2, 2', 2" bspw. mit einer Matte belegt bzw. umwickelt. Die Matte ist hierbei bereits mit dem Harz, welches allenfalls teilgehärtet und/oder wieder aktivierbar ist, versehen, insbesondere getränkt. Danach können die so vorgefertigten Einzelteile bspw. miteinander verpresst und durch Reaktion des Harzes miteinander verbunden werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer Hybridstruktur aus Metall und faserverstärktem Kunststoffteil, bei dem ein Metallgerüst mit einem faserverstärkten Kunststoff verstärkt und verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kunststoff und/oder dessen Vorprodukte des späteren faserverstärkten Kunststoffteils (1, 1', 1") allenfalls teilabgebunden auf das Metallgerüst (2, 2', 2") aufgetragen werden,
dass als Faser eine Endlosfaser (3) gewählt wird, und
dass der Kunststoff und/oder dessen Vorprodukte erst nach der Aufbringung auf das Metallgerüst (2, 2', 2") aus- bzw. endgehärtet und kraftschlüssig mit dem Metallgerüst (2, 2', 2") verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kunststoff und die Endlosfaser (3) ein gewebeverstärkter Kunststoff gewählt wird, und dass der Kunststoff und die Endlosfaser (3) gleichzeitig und gemeinsam auf das Metallgerüst (2, 2', 2") aufgetragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als gewebeverstärkter Kunststoff ein Aramidfaser- Kunststoff und/oder ein Glasfaser-Kunststoff und/oder ein Glas-/Kohlenstofffaser-Kunststoff und/oder ein Aramid- /Kohlenstofffaser-Kunststoff gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Härtung des Kunststoffes und/oder dessen Vorprodukten die Hybridstruktur gleichzeitig geformt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die Endlosfaser (3) wird Glas- und/oder Aramid gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Hybridstrukturen, die für eine spätere Belastung, insbesondere zur Energieabsorption vorgesehen sind, die Endlosfasern (3) weitgehend parallel zur wahrscheinlichen Hauptbelastungskraft ausgerichtet werden.
7. Hybridstruktur mit einem Metallgerüst sowie einem faserver- stärkten Kunststoffteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser eine Endlosfaser (3) ist und dass das Kunststoffteil (1, 1', 1") direkt mit dem Metallgerüst (2, 2', 2") verbunden ist.
8. Hybridstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Endlosfaser (3) Glas- und/oder Aramid ist.
9. Hybridstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfaser (3) eine vorzugsweise gewebte Matte bilden.
10. Hybridstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matte Aramidfasern und/oder Glasfasern und/oder ein Gemisch von Glas- und Kohlenstoffasern und/oder ein Gemisch von Aramid- und Kohlenstoffasern aufweist.
11. Hybridstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Hybridstrukturen, die für eine spätere Belastung, insbesondere zur Energieabsorption vorgesehen sind, die Endlosfasern (3) weitgehend parallel zur wahrscheinlichen Hauptbelastungskraft ausgerichtet sind.
12. Hybridstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgerüst (2, 2', 2") Durchbrüche und/oder Hinterschneidungen aufweist, in denen der Kunststoff des Kunststoffteils (1, 1', 1") angeordnet ist.
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