DE102006058602B4

DE102006058602B4 - Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102006058602B4
Application number: DE102006058602.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Howe; Johannes Böke; Wilfried Rostek; Bernd Wohletz
Original assignee: SGL Carbon SE; Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: DE102006058602A1; FR2909634B1; FR2909634A1; US20080156425A1; US8070904B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeugs bei welchem ein erster metallischer Grundkörper (2) in Form einer B-Säule über wenigstens ein Verstärkungsteil (3) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund verstärkt ist, welches mit dem metallischen Grundkörper (2) über einen Klebstoff verbunden wird, wobei das wenigstens eine Verstärkungsteil (3) zwischen den ersten und einem zweiten Grundkörper (2) gelegt wird, so dass die beiden Grundkörper (2) über das Verstärkungsteil (3) miteinander verbunden werden, mit folgenden Schritten: a) Mehrere mit einem härtbaren Kunstharz vorimprägnierte Faserstoffe (Prepregs) werden übereinander gestapelt, wobei ein äußeres, mit einem Grundkörper (2) zu verbindendes Prepreg mit einer Klebstoffimprägnierung oder mit einer nach außen weisenden Klebstoffbeschichtung versehen ist; b) Zuschneiden der Prepregs vor oder nach Schritt a), entsprechend der Geometrie der Grundkörper (2); c) Umformen des gestapelten Prepregs zu einer 3-dimensionalen Vorform; d) Aufeinanderpressen der Vorform und der Grundkörper (2) in einem Presswerkzeug zum Verkleben der Vorform mit den Grundkörpern (2) und zum Härten des Klebers; e) Auslagern der miteinander verbundenen Bauteile zum Aushärten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Es zählt zum Stand der Technik, zum Verbinden von KTL-fähigen (KTL = kathodische Elektrotauchlackierung) Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen mit einer Metallstruktur unterschiedliche Einkomponenten(1K)-Epoxidharz-Klebstoffsysteme zu verwenden, die in allen Fällen ein ähnliches Versagensverhalten hinsichtlich der möglichen Energieaufnahme des Klebstoffs und der maximalen Belastbarkeit aufzeigen. Darüber hinaus sind die KTL-fähigen 1K-EP-Klebstoffsysteme aufgrund ihrer hohen Scherzugfestigkeit bei einer Faser-Kunststoff-Verbundbauteil/Stahl-Verbindung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der miteinander zu verbindenden Bauteile als kritisch zu beurteilen. Gerade im Bereich von hochbelasteten Karosseriebauteilen kommt dem verwendeten Klebstoff eine besondere Bedeutung zu.
In der DE 10 2004 003 190 A1 wird eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise mit einer Außen- und einer Innenschale vorgeschlagen, wobei die Baugruppe mit zumindest einem Verstärkungsteil verstärkt ist. Das Verstärkungsteil besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff und ist flächig mit der Schale verklebt. Insbesondere sollen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz kommen. Die eigentliche Verklebung soll bei dieser Baugruppe mit einem Epoxidklebstoff erfolgen, der so konzipiert ist, dass dieser über die Ofenprozesse beim Lackieren der Karosserie ausgehärtet wird. Deshalb würde die Verklebung auch bei den hohen Temperaturen, die bei den Lackierprozessen der Karosserie in der Baugruppe herrschen, nicht einreißen. 2K-Klebstoffe würden dagegen so schnell aushärten, dass sie bis zum Lackierprozess bereits vollständig ausgehärtet sind, so dass sie während der Lackierprozesse reißen würden.
Aus der DE 30 11 336 A1 ist ein Karosserieaußenhautteil aus Faserverbundwerkstoff für Kraftfahrzeuge bekannt, dessen sichtbare Seite zur Verbesserung der Oberflächenqualität mit einem dünnen Blech überzogen ist. Die tragende Funktion übernimmt der Faserverbundwerkstoff, während die Blechschicht lediglich für eine einwandfreie Oberflächenqualität sorgen soll. Die rohen Bauteile werden unter Druck und Wärme in einer Form in die endgültige Form gepresst und polymerisiert (Heißpressverfahren).
Die DE 34 28 128 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Außenhautteilen von Fahrzeuge. Die hergestellten Außenhautteile bestehen aus einem Verbund von einem außen angeordneten Blech und einer tragenden Kunststoffstruktur. Es wird dadurch hergestellt, dass in einer Matrize ein Blechformteil gepresst wird, auf dieses in teigigem Zustand ein harzgetränktes Glasfaservlies aufgelegt und formgepresst wird, wobei die Innenkontur des Bauteils und gleichzeitig die Verbindung mit dem Blechformteil erzeugt wird.
Die DE 101 36 433 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein erster metallischer Grundkörper in Form einer B-Säule über wenigstens ein Verstärkungsteil verstärkt ist, das mit dem metallischen Grundkörper verbunden wird, wobei das wenigstens eine Verstärkungsteil zwischen dem ersten und einem zweiten Grundkörper gelegt wird, so dass die beiden Grundkörper über das Verstärkungsteil miteinander verbunden werden. Vor dem vollständigen tragfähigen Verbinden der Metallschichten mittels Schweißen oder Clinchen wird das Verstärkungsteil durch ein provisorisches Fügeverfahren mit den Grundkörpern verbunden.
Die DE 10 2004 053 917 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein erster metallischer Grundkörper mit einem zweiten metallischen Grundkörper verbunden werden, um zusätzlich Energie aufnehmen zu können.
Die EP 0 938 969 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeuges, bei welchem ein erster metallischer Grundkörper in Form einer B-Säule mittels eines Faser-Kunststoff-Verbunds ein- oder beidseitig verstärkt wird. Der Faser-Kunststoff-Verbund wird über einen Klebstoff mit dem metallischen Grundkörper verbunden.
Die DE 29 813 152 U1 und die EP 1 103 370 A offenbaren Verfahren zur Herstellung von Profilen, bei welchen ein erster metallischer Grundkörper über ein Verstärkungsteil aus einem Faser-Kunststoff-Verbund verstärkt ist, welches mit dem metallischen Grundkörper über einen Klebstoff verbunden wird, wobei das wenigstens eine Verstärkungsteil zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper gelegt wird, so dass die beiden Grundkörper über das Verstärkungsteil miteinander verbunden werden.
Ziel der Erfindung ist die Realisierung KTL-fähiger Faser-Kunststoff-Verbund/Stahl-Verbindungen bei einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs, die sowohl unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Energie- und Kraftaufnahme als auch ein unkritisches Verhalten gegenüber der Wärmeausdehnungsproblematik aufzeigen.
Diese Aufgabe ist bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass mehrere mit einem härtbaren Kunstharz vorimprägnierte Faserstoffe, so genannte Prepregs, übereinander gestapelt werden, wobei ein äußeres, mit einem Grundkörper in Form einer B-Säule zu verbindendes Prepreg mit einer Klebstoffimprägnierung oder mit einer nach außen weisenden Klebstoffbeschichtung versehen ist. Die innen liegenden Prepregs sind hingegen ausschließlich mit dem Kunstharz vorimprägniert. Die Prepregs werden entweder vor dem Stapeln oder nach dem Stapeln entsprechend der Geometrie der Grundkörper zugeschnitten und anschließend zu einer dreidimensionalen Vorform umgeformt. Diese Vorform wird an einem Grundkörper in Form einer B-Säule platziert und in einem Presswerkzeug zum Verkleben der Vorform sowie zum Härten des Klebers auf die Grundkörper gepresst. Anschließend werden die miteinander verbundenen Bauteile zum Aushärten ausgelagert.
Bei dem Grundkörper handelt es sich um eine B-Säule, da es sich hierbei um ein bei einem Seitencrash hochbelastetes Bauteil handelt. An dieses Bauteil werden im nordamerikanischen Markt und im EU-Markt unterschiedliche Anforderungen gestellt. Durch den gezielten Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffs kann eine metallische Grundstruktur für die unterschiedlichen Marktsegmente bereitgestellt werden, wobei die Grundstruktur im Wesentlichen nur durch die Verstärkungsteile variiert wird.
Aufgrund der bei einem Seitencrash auftretenden Belastungen kommt es zu erheblichen Zugspannungen in Richtung Schweller/Dachrahmen im mittleren Bereich der B-Säule. Um die Zugspannungen direkt in den faserverstärkten Kunststoff einzuleiten, wird dieser mittels Klebstoffen flächig oder partiell mit dem Grundkörper, das heißt der Stahl- oder Aluminiumstruktur der B-Säule verbunden, so dass ein Verbundbauteil, umfassend ein Verstärkungsbauteil und das zu verstärkende Bauteil – den Grundkörper –, geschaffen wird. Besonders hohe Belastungen können über einen Faser-Kunststoff-Verbund übertragen werden, in welchen Carbonfasern eingebettet sind. Insbesondere ist es von Vorteil, die Fasern des Verstärkungsteils in einem Gelege unidirektional auszurichten.
Für die Verbindungstechnik, das heißt da Verkleben, können sowohl Einkomponenten(1K)- als auch Zweikomponenten(2K)-Klebstoffsysteme benutzt werden. Im Gegensatz zu den 1K-Systemen bieten 2K-Systeme die Möglichkeit einer belastungsgerechteren Auslegung der Verbindung. Es wird daher als besonders vorteilhaft angesehen, wenn 2K-Polyurethan(PU)-Klebstoffe zum Einsatz kommen, mit welchen die Energieaufnahme und das maximale Kraftniveau besser einstellbar sind als bei 1K-Systemen. Der Vorteil der Verwendung von 2K-PU-Klebstoffen ist, dass bei vergleichbaren Crasheigenschaften ein einfacher Ausgleich der Wärmeausdehnungsproblematik durch dickere und flexiblere Klebstoffsysteme erzielt werden kann.
Anhand des in 1 dargestellten Diagramms ist zu erkennen, dass die als schwarzer Balken dargestellte Fähigkeit der Energieaufnahme bei EP-Klebstoffen relativ konstant ist und sich daher nicht so gut auf das Beanspruchungsprofil insbesondere im Bereich einer B-Säule anpassen lässt. Dahingegen bieten 2K-PU-Klebstoffsysteme eine weitaus größere Flexibilität. Anhand des in 1 ganz rechts dargestellten Klebstoffbeispiels (2K-PU) ist zu erkennen, dass dieser Klebstoff eine sehr hohe Energieaufnahmefähigkeit hat, was für bestimmte Anwendungsfälle von Vorteil ist. Allerdings ist bei diesem speziellen Klebstoff die Belastbarkeit, das heißt die schraffiert dargestellte Säule, vergleichsweise kleiner als bei den beiden anderen dargestellten 2K-PU-Klebstoffsystemen.
Bei dem in dem Diagramm linken 2K-PU-Klebstoff ist es hingegen so, dass dieser Klebstofftyp sehr hohe Kräfte aufnehmen kann bei einer vergleichsweise hohen Energieaufnahmefähigkeit, was wiederum für bestimmte andere Anwendungsfälle von Vorteil sein kann. Aber auch 1K-EP/PU-Mischsysteme können ein gewisses Festigkeitsniveau übertragen und sich für bestimmte Anwendungsfälle auch im Bereich von Karosserie- und Fahrwerkbauteilen eignen, obschon die Variabilität von 2K-PU-Klebstoffsystemen deutlich größer ist und eine flexiblere Anpassung der Konstruktion eines Karosserie- oder Fahrwerkbauteils an die jeweiligen Marktanforderungen ermöglicht.
Die nachfolgend beschriebene 2 dient lediglich zur Illustrierung der Erfindung und ist nicht Ausführungsform der Erfindung, für die Schutz begehrt wird.
2 zeigt eine B-Säulenanordnung 1 eines Kraftfahrzeugs. Der metallische Grundkörper ist mit 2 bezeichnet. Im mittleren Bereich der B-Säule ist partiell ein Verstärkungsteil 3 aus einem Faser-Kunststoff-Verbund mit dem metallischen Grundkörper 2 verklebt. Das Verstärkungsteil 3 wurde im Rahmen des Herstellungsverfahrens aus einer Reihe von gestapelten Prepregs hergestellt, von denen das dem Grundkörper 2 zugewandte Prepreg mit einer Klebstoffimprägnierung oder mit einer nach außen weisenden Klebstoffbeschichtung versehen worden ist. Die zugeschnittenen Prepregs wurden zu einer dreidimensionalen Vorform umgeformt, wie sie auch in 2 zu erkennen ist. Die Vorform und der metallische Grundkörper wurden anschließend in einem zweiteiligen Pressenwerkzeug aufeinander gepresst, wobei die Vorform mit dem Grundkörper 2 verklebt wurde. Anschließend wurden die miteinander verbundenen Bauteile aus dem Presswerkzeug entnommen und zum Aushärten ausgelagert.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer B-Säulenanordnung eines Kraftfahrzeugs bei welchem ein erster metallischer Grundkörper (2) in Form einer B-Säule über wenigstens ein Verstärkungsteil (3) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund verstärkt ist, welches mit dem metallischen Grundkörper (2) über einen Klebstoff verbunden wird, wobei das wenigstens eine Verstärkungsteil (3) zwischen den ersten und einem zweiten Grundkörper (2) gelegt wird, so dass die beiden Grundkörper (2) über das Verstärkungsteil (3) miteinander verbunden werden, mit folgenden Schritten: a) Mehrere mit einem härtbaren Kunstharz vorimprägnierte Faserstoffe (Prepregs) werden übereinander gestapelt, wobei ein äußeres, mit einem Grundkörper (2) zu verbindendes Prepreg mit einer Klebstoffimprägnierung oder mit einer nach außen weisenden Klebstoffbeschichtung versehen ist; b) Zuschneiden der Prepregs vor oder nach Schritt a), entsprechend der Geometrie der Grundkörper (2); c) Umformen des gestapelten Prepregs zu einer 3-dimensionalen Vorform; d) Aufeinanderpressen der Vorform und der Grundkörper (2) in einem Presswerkzeug zum Verkleben der Vorform mit den Grundkörpern (2) und zum Härten des Klebers; e) Auslagern der miteinander verbundenen Bauteile zum Aushärten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kunststoff-Verbund ein Carbonfaser-Kunststoff-Verbund ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Verstärkungsteils (3) in einem Gelege unidirektional ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Klebstoff um einen 2-Komponenten-Polyurethan Klebstoff handelt.