DE102009007901B4

DE102009007901B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils und Kraftfahrzeugbauteil

Info

Publication number: DE102009007901B4
Application number: DE102009007901A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schäfers; Ulrich Lütke-Bexten; Markus Kettler
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2029-02-07
Also published as: DE102009007901A1; US20100203272A1; FR2941911A1; FR2941911B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteil, welches einen Rohrkörper (1) aus Stahl mit einer Innenverstärkung (11) aufweist, wobei der Rohrkörper (1) mit einem Granulat (2) befüllt und der Rohrkörper (1) nach dem Befüllen mit Granulat (2) endseitig verschlossen wird, wonach der befüllte Rohrkörper (1) erwärmt wird, wobei das Granulat (2) schmilzt und anschließend unter Ausbildung der Innenverstärkung (11) aushärtet, wobei der Rohrkörper (1) beim Aushärten des aufgeschmolzenen Granulats (2) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden (3, 4) des Rohrkörpers (1) zum Verschließen geplättet werden sowie die geplätteten Rohrenden (5, 6) mit Bohrungen (7) versehen werden und das Aufschmelzen des Granulats (2) im Zuge eines Vergütungsvorgangs des Rohrkörpers (1) erfolgt oder das Aufschmelzen des Granulats (2) bei einem Umformvorgang des Rohrkörpers (1) erfolgt oder das Aufschmelzen des Granulats (2) bei einem Beschichtungsvorgang des Rohrkörpers (1) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeugbauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Im Bestreben an einem Kraftfahrzeug möglichst viel Gewicht einzusparen, bekommen Leichtbauteile im Fahrzeugbau zunehmend Bedeutung. Solche Leichtbauteile müssen für eine konstant maßhaltige Serienfertigung geeignet sein und wegen der hohen statischen und insbesondere dynamischen Belastungen, denen Kraftfahrzeugbauteile im Betrieb unterliegen, eine hohe Steifigkeit und Strukturfestigkeit besitzen. Zu einem überwiegenden Teil werden Kraftfahrzeugbauteile aus Stahlblech bzw. Stahlblechkonstruktionen oder Stahlrohren gefertigt. Eine Gewichtsersparnis ist durch den Einsatz von gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugbauteilen dünnwandigeren Ausführungen möglich. Solche dünnwandigeren Bauteile erreichen jedoch unter Umständen nicht die geforderten Steifigkeits- und Festigkeitswerte. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, beispielsweise durch die DE 199 59 814 B4 oder die US-A-4,978,562 , Kraftfahrzeugbauteile auszuschäumen und so mit einer Innenverkleidung zu versehen.
Die US 7 083 751 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils, welches einen Rohrkörper aus Metall mit einer Innenverstärkung aufweist. Der Rohrkörper wird mit zwei Granulatkomponenten befüllt und anschließend erwärmt, wobei das Granulat anschließend jeweils durch das Schmelzen und Ausdehnen der Granulatkomponenten unter Ausbildung der Innenverstärkung aushärtet.
Aus der DE 196 35 734 A1 ist ein verstärktes Formteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils bekannt, welches ein hohles Außenformteil aufweist, in das eine Schaumfüllung eingebracht wird. Die Schaumfüllung liegt hierbei zumindest teilweise an dem Außenformteil an und füllt dieses zumindest teilweise aus.
Die DE 600 18 612 T2 offenbart ein Verfahren zum Bilden eines verstärkten Strukturbauteils. Hierbei ist vorgesehen, ein äußeres Strukturbauteil über eine Öffnung mit einem inneren Strukturbauteil durch Ineinanderstecken zu paaren. Das innere Strukturbauteil ist hierbei bereits umfangsseitig mit Strukturschaum versehen. Die so entstehende Baugruppe wird mittels Hydroformen umgeformt und anschließend erwärmt, um eine Ausdehnung des Strukturschaums zwischen dem äußeren und dem inneren Strukturbauteil zu veranlassen.
Die vorgenannten Lösungen erfüllen ihre Aufgabe gut. Die Verfahren zielen allesamt darauf ab, die Steifigkeit und Festigkeiten von Bauteilen durch eine Innenverstärkung zu erhöhen. Neben der kalten Ausschäumung wird die Möglichkeit aufgezeigt, diese nach Formung und Strukturierung des Bauteils nachträglich mittels Wärmeeintrag zu aktivieren.
Durch die DE 199 11 213 C1 zählt ein Verbundbauteil und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils zum Stand der Technik. Das Verbundbauteil besteht aus mindestens zwei metallischen Blechteilen und einer zwischen den Blechteilen angeordneten aufzuschäumenden Metallpulverschicht. In einzelnen Querschnittsbereichen sind zusätzlich Versteifungselemente vorgesehen, die formschlüssig mit der sie umgebenden aufgeschäumten Metallpulverschicht verbunden sind.
Aus der DE 101 01 649 C1 geht ein Strukturelement hervor, welches ein Hohlprofil mit einem Hohlraum umfasst, der zumindest teilweise mit einem Metallschaum ausgefüllt ist. Das Strukturelement weist zwischen dem Metallschaum und der Oberfläche des Hohlprofils eine Trennschicht aus expandiertem Material auf.
Bei dem aus der US 4,978,562 A bekannten Türaufprallträger kommen einzelne vorgefertigte Schaumstücke zum Einsatz um den Träger insbesondere im mittleren Bereich zu verstärken.
Auch die DE 198 13 092 A1 offenbart ein Strukturelement eines Kraftfahrzeugs, welches von zumindest einem Stahlblech gebildet wird und einen Hohlraum umschließt. Der Hohlraum ist zumindest abschnittsweise mit einem Aluminiumschaum ausgefüllt.
Schließlich zählt durch die DE 10 2004 032 950 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Querträgers für ein Fahrzeug und Bauteil sowie Verwendung eines Bauteils zum Stand der Technik. Ein metallischer Grundkörper mit einem geschlossenen Profilquerschnitt und einem vorgegebenen Verlauf wird aus einem oder mehreren Segmenten vorgefertigt. In den vorgefertigten Grundkörper wird wenigstens ein Führungskanal nachträglich eingebracht, wobei der Führungskanal aus einem flexiblen Material gebildet ist, das zur Montage in eine Montageform formbar ist, so dass der Führungskanal in der Montageform zumindest für einen Teilbereich oder in den vorgefertigten Grundkörper eingebracht und während der Montage flexibel an einem zugehörigen Bereich des Grundkörpers an dessen Profilquerschnitt und dessen Verlauf stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig angefügt wird. Hierbei kann der Führungskanal durch Rotationsformen angefügt werden.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen, welche einen Rohrkörper aus Stahl mit einer Innenverstärkung aufweisen, rationeller zu gestalten und solche Kraftfahrzeugbauteile unter Gewährleistung einer ausreichenden Dauerfestigkeit und Knicksteifigkeit bei gewichtssparender Bauweise montagetechnisch zu verbessern.
Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Erfindungsgemäß wird ein dünnwandiger Rohrkörper aus Metall, insbesondere ein dünnwandiges Stahlrohr, mit einem Granulat befüllt. Der Rohrkörper kann unterschiedliche Geometrien besitzen und auch bereits vorgeformt und/oder gebogen sein. Der befüllte Rohrkörper wird dann erwärmt. Bei dieser Wärmebehandlung schmilzt das Granulat auf. Im Zuge der Erkaltung härtet das aufgeschmolzene Granulat aus, wobei die Innenverstärkung des Rohrkörpers ausgebildet wird.
Das Granulat wird als lose Schüttung in einen Rohrkörper aus Metall eingebracht. Das rieselfähige Granulat verteilt sich problemlos im Rohrkörper. Der Rohrkörper wird zum Befüllen bzw. nach dem Befüllen mit Granulat endseitig verschlossen. Hierzu werden die Rohrenden geplättet. In die geplätteten Rohrenden werden Bohrungen eingebracht, über welche eine spätere Verschraubung des Kraftfahrzeugbauteils in einer Fahrzeugstruktur erfolgen kann.
Grundsätzlich können die Rohrkörper ebenso wie die geplätteten Rohrenden auch mit weiteren Haltern oder Anbauteilen versehen werden.
Das Aufschmelzen des Granulats im Rohrkörper erfolgt durch eine Wärmebeaufschlagung des befüllten Rohrkörpers. Dies kann im Zuge eines Vergütungsvorgangs des Rohrkörpers erfolgen, bei dem der Rohrkörper auf eine Temperatur oberhalb von 900°C erwärmt und anschließend abgekühlt wird.
Die Wärmebehandlung des mit Granulat befüllten Rohrkörpers kann auch vor oder zeitparallel zu einem Umformvorgang des Rohrkörpers vorgenommen werden. Bei einem solchen mechanischen Umformvorgang kann der Rohrkörper beispielsweise gebogen oder entlang seiner Rohrachse im Querschnitt verformt werden, beispielsweise um ihm einen U- oder V-förmigen Querschnitt zu geben.
Möglich ist es des Weiteren, dass das Aufschmelzen des Granulats bei einem Beschichtungsvorgang des Rohrkörpers erfolgt, beispielsweise bei einer kathodischen Tauchlackierung oder einer Pulverbeschichtung.
Diese Vorgehensweise ist kostengünstig und rationell. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von leichtbauenden Kraftfahrzeugbauteilen mit einer dünnwandigen Außenhaut aus Stahl und einer Innenverstärkung, die ebenfalls leicht ist. Insgesamt ermöglicht die Erfindung ein hohes Gewichtseinsparungspotential. Die hergestellten Kraftfahrzeugbauteile zeichnen sich darüber hinaus durch eine hohe Dauerfestigkeit und Knicksteifigkeit aus bei bauteilgerechtem Deformationsverhalten und geringer Bruchgefahr.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8.
Die durch die ausgehärtete Schmelze gebildete Innenverstärkung kann den Rohrkörper vollständig ausfüllen. Möglich ist es auch, dass die Innenverstärkung den Rohrkörper nur partiell ausfüllt, insbesondere als Innenschicht an der Innenwand des Rohrkörpers anliegt und gegebenenfalls mit dieser verklebt ist. Zweckmäßiger Weise wird der Rohrkörper in diesem Zusammenhang beim Aushärten des aufgeschmolzenen Granulats bewegt, insbesondere um seine Längsachse rotierend bewegt, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Schmelze an der Innenwand des Rohrkörpers erreicht werden kann.
Bevorzugt kommt ein dünnwandiger Rohrkörper aus Stahl, insbesondere einem hochfesten Stahl, zur Anwendung.
Das Granulat kann aus Kunststoff, Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder auch aus Zellstoff bestehen. Auch andere Granulatwerkstoffe, welche aufschmelzen und nach dem Erstarren bzw. Aushärten eine ausreichend hohe Steifigkeit besitzen, sind möglich.
Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Beispiele solcher Kraftfahrzeugbauteile sind Türverstärkungen, Seitenaufprallträger, Stoßfängerquerträger bzw. Bumper, A-, B- oder C-Säulenverstärkungen sowie Schwellerverstärkungen.
Erfindungsgemäß besteht die Innenverstärkung aus einem aufgeschmolzenen und anschließend ausgehärteten Granulat. Die Innenverstärkung verleiht dem dünnwandigen Rohrbauteil, welches vorzugsweise aus einem hochfesten Stahl besteht, eine hohe Steifigkeit und Formstabilität. Es kann eine weitere Gewichtseinsparung erzielt werden. Trotzdem weist das Kraftfahrzeugbauteil gute Deformationseigenschaften auf mit Flexibilität im Crashfall und geringer Bruchgefahr, insbesondere auch geringe Bruchgefahr der Verstärkung.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 in der Seitenansicht einen Rohrkörper als Ausgangsprodukt für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils;
2 den Rohrkörper gemäß der 1 mit geplätteten Rohrenden und einer Füllung aus Granulat;
3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils im Querschnitt und
4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils im Querschnitt.
1 zeigt einen Rohrkörper 1 aus einem hochfesten Stahlwerkstoff. Zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils wird der Rohrkörper 1 mit einem Granulat 2 (siehe 2 und 3) befüllt. Das Granulat 2 kann aus Kunststoff, Leichtmetall, insbesondere Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder aber aus Zellstoff bestehen.
Bei der Ausführungsform gemäß der 2 wird der Rohrkörper 1 zunächst an einem Ende 3 geplättet und anschließend mit Granulat 2 befüllt. Nach dem Befüllen des Rohrkörpers 1 mit Granulat 2 wird auch das andere Ende 4 geplättet, so dass der Rohrkörper 1 nach dem Befüllen beidseitig verschlossen ist. In die geplätteten Endabschnitte 5, 6 können Bohrungen 7 eingebracht werden, die als Anschraubpunkte dienen.
Der mit Granulat 2 befüllte Rohrkörper 1 wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das Granulat 2 aufschmilzt und anschließend beim Erkalten unter Ausbildung einer Innenverstärkung 11 aushärtet. Die Wärmebehandlung des Rohrkörpers 1 erfolgt im Zuge eines Vergütungsvorgangs, eines Warmumformvorgangs oder eines Beschichtungsvorganges des Rohrkörpers 1, mit einer Temperatursteuerung, die das Aufschmelzen des Granulats 2 und das anschließende Erkalten sicherstellt.
Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugbauteils 12 ist der Rohrkörper 1 aus Stahl vollständig durch die Innenverstärkung 11 ausgefüllt.
Bei dem Kraftfahrzeugbauteil 13 gemäß der 4 ist der Rohrkörper 1 aus hochfestem Stahl durch die Innenverstärkung 11 partiell ausgefüllt und liegt in Form eines Innenrohrs 14 an der Innenwand 15 des Rohrkörpers 1 an. Zur Herstellung eines solchen Kraftfahrzeugbauteils 13 wird der Rohrkörper in der Phase, in der das Granulat 2 aufgeschmolzen ist, bis zum Eintritt der Erstarrung um seine Längsachse rotierend bewegt, um eine gleichmäßige Verteilung des aufgeschmolzenen Granulats 2 an der Innenwand 15 zu gewährleisten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteil, welches einen Rohrkörper (1) aus Stahl mit einer Innenverstärkung (11) aufweist, wobei der Rohrkörper (1) mit einem Granulat (2) befüllt und der Rohrkörper (1) nach dem Befüllen mit Granulat (2) endseitig verschlossen wird, wonach der befüllte Rohrkörper (1) erwärmt wird, wobei das Granulat (2) schmilzt und anschließend unter Ausbildung der Innenverstärkung (11) aushärtet, wobei der Rohrkörper (1) beim Aushärten des aufgeschmolzenen Granulats (2) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden (3, 4) des Rohrkörpers (1) zum Verschließen geplättet werden sowie die geplätteten Rohrenden (5, 6) mit Bohrungen (7) versehen werden und das Aufschmelzen des Granulats (2) im Zuge eines Vergütungsvorgangs des Rohrkörpers (1) erfolgt oder das Aufschmelzen des Granulats (2) bei einem Umformvorgang des Rohrkörpers (1) erfolgt oder das Aufschmelzen des Granulats (2) bei einem Beschichtungsvorgang des Rohrkörpers (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (1) beim Aushärten des aufgeschmolzenen Granulats (2) rotierend bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverstärkung (11) den Rohrkörper (1) vollständig ausfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverstärkung (11) den Rohrkörper (1) partiell ausfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrkörper (1) aus einem hochfesten Stahl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Granulat (2) aus Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Granulat (2) aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Granulat (2) aus Zellstoff verwendet wird.
Kraftfahrzeugbauteil umfassend einen Rohrkörper aus Metall mit einer Innenverstärkung hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverstärkung (11) aus einem aufgeschmolzenen und anschließend ausgehärteten Granulat (2) besteht.