DE102009015612A1

DE102009015612A1 - Verfahren zur Herstellung von Profilbauteilen und Profilbauteil

Info

Publication number: DE102009015612A1
Application number: DE102009015612A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Streubel; Karsten Becker
Original assignee: Benteler Maschinenbau GmbH
Current assignee: Benteler Maschinenbau GmbH
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils (1) sowie ein Profilbauteil (1), insbesondere ein Kraftfahrzeug-, Struktur- oder Fahrwerksbauteil, welches einen Hohlkörper aus Metall aufweist, bei welchem eine Faserverstärkung (6) zumindest bereichsweise mit einer Innenwand des Hohlkörpers verbunden wird, wobei die Faserverstärkung (6) nach der Herstellung des Hohlkörpers durch ein Aufweitprinzip in diesen eingebracht wird.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Profilbauteilen, insbesondere von Kraftfahrzeug-, Struktur- oder Fahrwerksbauteilen sowie ein Profilbauteil, insbesondere Kraftfahrzeug-, Struktur- oder Fahrwerksbauteil.
Vor allem in der Fahrzeugindustrie steht die Reduzierung des Gewichts der verwendeten Profilbauteile im Vordergrund. Gleichzeitig aber soll die Steifigkeit dieser Profilbauteile erhöht werden, um den Insassen einen möglichst optimalen Schutz im Falle eines Unfalls zu bieten.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, gewichtsoptimierte Kraftfahrzeugbauteile durch Einbinden von faserverstärkten Geweben zu verstärken. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2004 003 190 A1 eine Baugruppe einer Kraftfahrzeugkarosserie in Schalenbauweise, welche eine Außen- und eine Innenschale aufweist, wobei in zumindest einer dieser Schalen eine Faserverstärkung aus einem faserverstärkten Kunststoff angeordnet ist. Diese wird mit einer Innenwand der Schale flächig verklebt. Im Anschluss daran werden die Außen- und Innenschalen miteinander verbunden.
Kraftfahrzeugbauteile, wie beispielsweise Vorderachshilfsrahmen, Hinterachsen oder andere Hohlkörper, werden in vielen Fällen durch Verfahren mit einem hohen Wärmeeintrag, wie Schutzgasschweißen, Punktschweißen oder Laserschweißen, hergestellt. Die hierbei auftretenden Temperaturen sind zu hoch für faserverstärkte Kunststoffe und können diese zerstören. Aus diesem Grund muss beim Integrieren von faserverstärkten Kunststoffen darauf geachtet werden, dass diese im Abstand zu den späteren Fügestellen angeordnet werden. Es ist daher beispielsweise nicht möglich, einen aus zwei Halbschalen zusammengesetzt hergestellten Hohlkörper innen vollständig durch den Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffs zu verstärken.
Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zu Grunde, einerseits ein Verfahren aufzuzeigen, mit welchem Profilbauteile, insbesondere Kraftfahrzeugbauteile in Form von Hohlprofilen aus Metall, mit faserverstärkten Geweben verstärkt werden können sowie andererseits ein entsprechendes Profilbauteil aufzuzeigen.
Die Lösung der Verfahrensaufgabe besteht in einem Verfahren mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 1.
Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch ein Profilbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Profilbauteile, insbesondere Kraftfahrzeug-, Struktur- oder Fahrwerksbauteile, welche einen Hohlkörper aus Metall aufweisen, mit einer zumindest bereichsweise an einer Innenwand angeordneten Faserverstärkung verstärkt. Zu diesen Profilbauteilen gehören beispielsweise Rohrprofile oder bereits miteinander verbundene, ein umfangsseitig geschlossenes Hohlprofil bildende Struktur- oder Schalenbauteile. Diese können beispielsweise durch Schweißverfahren miteinander verbunden sein. Die Herstellung des Hohlprofils erfolgt erfindungsgemäß vor dem Einbringen der Faserverstärkung.
Die Faserverstärkung wird in den fertigen Hohlkörper eingebracht und anschließend derart aufgeweitet, dass sich die Faserverstärkung an der Innenwand des Hohlkörpers flächig anlegt. Die Faserverstärkung ist zu diesem Zeitpunkt noch weich und damit flexibel genug, um aufgeweitet werden zu können. Die Faserverstärkung kann bereichsweise oder vollflächig an der Innenwand anliegen, je nach geforderter Steifigkeit. Anschließend wird die Faserverstärkung verfestigt und geht eine feste Klebeverbindung mit dem Hohlkörper ein. Da nach dem Einbringen der Faserverstärkung keine Fertigungsschritte mit hohem Wärmeeintrag mehr erforderlich sind, kann die Faserverstärkung in jedem Bereich des Hohlkörpers angeordnet werden. Je nach Art der Faserverstärkung und der Struktur bzw. des Profils der Innenwand kann die Verbindung zwischen der Faserverstärkung und der Innenwand des Hohlprofils flächig oder bei entsprechenden Hinterschneidungen auch formschlüssig sein. Hierbei kann die Faserverstärkung auch den Verbindungsbereich zwischen zwei Profilelementen überbrücken, selbst wenn die Profilelemente, aus denen das Profilbauteil zusammengesetzt ist, durch ein thermisches Fügeverfahren verbunden worden sind.
Vorzugsweise wird die Faserverstärkung auf ein Werkzeug aufgebracht und mit diesem Werkzeug durch eine Öffnung in den Hohlkörper eingeführt. Nach dem Einbringen wird das Werkzeug zumindest teilweise expandiert. Es drückt somit die Faserverstärkung an die Innenwand des Hohlkörpers, wo diese sich auf Grund ihrer hohen Viskosität flächig anlegt. Die Faserverstärkung wird nach einem Aufweitprinzip mit dem umgebenden Profilbauteil verbunden. Die Faserverstärkung kann bei diesem Prinzip ebenfalls als Hohlkörper, insbesondere als Schlauch, ausgebildet sein. Als Werkzeug kann beispielsweise eine Art Ballonkatheter eingesetzt werden, welcher mit einem Fluid befüllt wird. Als Fluid kann sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit eingesetzt werden. Durch Ausübung eines Drucks auf das eingesetzte Fluid wird das Werkzeug aufgeweitet bzw. expandiert, wodurch die Faserverstärkung an die Innenwand des Hohlkörpers gedrückt wird. Nachdem die Faserverstärkung teilweise oder vollständig an der Innenwand des Hohlkörpers anliegt, wird entweder das Fluid oder das Werkzeug auf eine Aushärtetemperatur erhitzt, so dass die Faserverstärkung an der Innenwand anliegend ausgehärtet wird. Ebenso ist es möglich, das Werkzeug mit einem bereits temperierten Medium zu befüllen.
Das Werkzeug bleibt so lange im expandierten Zustand, bis eine ausreichende Festigkeit der Faserverstärkung an der Innenwand erreicht ist. Im Anschluss daran wird der von dem Werkzeug ausgeübte Druck verringert. Das Werkzeugvolumen wird verkleinert. Dadurch löst sich das Werkzeug von der ausgehärteten Faserverstärkung an der Innenwand des Hohlkörpers und kann aus dem Hohlkörper entfernt werden. Gegebenenfalls kann die Faserverstärkung anschließend noch nachgehärtet werden.
Um zu vermeiden, dass das Werkzeug an der Faserverstärkung haften bleibt, ist es vorzugsweise mit einer Antihaftbeschichtung versehen.
Als Faserverstärkung kann beispielsweise ein glasfaserverstärktes Gewebe oder auch ein kohlenstofffaserverstärktes Gewebe eingesetzt werden. Das Auftragen des faserverstärkten Gewebes erfolgt derart, dass die Fasern ungefähr in Umfangsrichtung des Werkzeuges orientiert sind. Die Schichtdicke des aufgetragenen Gewebes kann entsprechend der Geometrie der Innenwand des Hohlkörpers variieren. Dadurch kann einerseits eine gleichmäßige Verteilung der Faserverstärkung an der Innenwand, andererseits auch eine gezielte bereichsweise größere Verstärkung der Innenwand erzielt werden. Mit Aufweitung des Werkzeugs vergrößert sich dessen Umfangsfläche und die Fasern gleiten relativ zueinander, wobei die Schichtdicke des Gewebes abnimmt. Durch das Auftragen der Fasern in Umfangsrichtung des Werkzeugs wird sichergestellt, dass sich diese ungefähr parallel zur Innenwand orientiert an diese anlegen.
Ein mit diesem Verfahren hergestelltes Profilbauteil umfasst somit einen metallischen Hohlkörper, welcher durch eine mit seiner Innenwand verbundenen Faserverstärkung zumindest bereichsweise verstärkt ist. Dabei erfolgt die Verstärkung nach der Herstellung des Hohlkörpers. Dies bedeutet, dass beispielsweise temperaturintensive Verfahren wie Schweißen oder Löten zum Verbinden von beispielsweise Schalen oder Profilelementen vor dem Einbringen der Faserverstärkung durchgeführt werden. Dadurch muss bei der Platzierung der faserverstärkten Kunststoffe nicht mehr darauf geachtet werden, dass diese im Abstand zu den späteren Fügestellen angeordnet werden, um eine zu starke Erwärmung und Beschädigung der Faserverstärkung zu vermeiden.
Die Faserverstärkung kann bereichsweise oder vollständig an der Innenwand des Hohlkörpers angeordnet sein. Besteht das Profilbauteil beispielsweise aus einem zusammengesetzten Hohlkörper, so kann insbesondere der Fügebereich zwischen den Profilbauteilen durch die Faserverstärkung überbrückt werden.
Verfahren und Profilbauteil werden anhand eines Ausführungsbeispiels in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Profilbauteil ohne Faserverstärkung;
2 das Einbringen eines Werkzeugs mit einer Faserverstärkung;
3 Expandieren des Werkzeugs im Hohlkörper;
4 Entfernen des Werkzeugs aus dem Hohlkörper und
5 das fertige Profilbauteil.
1 zeigt ein Profilbauteil 1 bestehend aus zwei profilierten und miteinander verbundenen Profilelementen 2, 3 aus Metall, welche einen rohrförmigen Hohlkörper 4 bilden. Der Hohlkörper 4 ist umfangsseitig geschlossen. Er besitzt aber wenigstens eine hinreichend große Öffnung, die das Einführen eines Werkzeugs ermöglicht. Die Öffnung befindet sich vorzugsweise an dem Ende des Hohlkörpers 4.
In diesen Hohlkörper 4 wird ein Werkzeug 5 durch eine hier nicht dargestellte Öffnung eingebracht (2 und 3). Das Werkzeug trägt eine Faserverstärkung 6. Als Faserverstärkung kann hierbei ein glasfaserverstärktes oder kohlenstofffaserverstärktes Gewebe auf Harzbasis eingesetzt werden. Die Faserverstärkung 6 wird dabei derart aufgebracht, dass die Fasern 7 in Richtung der Umfangsseite 8 des Werkzeugs 5 orientiert sind. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges Gleiten der Fasern 7 gegeneinander während des Aufweitens des Werkzeuges 5. Neben dem, wie hier gezeigten vollflächigen Aufbringen der Faserverstärkung 6 auf das Werkzeug 5, ist es alternativ hierzu möglich, die Faserverstärkung 6 nur bereichsweise auf die Umfangsseite 8 aufzubringen.
Die Umfangsseite 8 des Werkzeugs 5 ist mit einer Antihaftbeschichtung versehen ist, die verhindert, dass die Faserverstärkung 6 auf dem Werkzeug 5 haften bleibt. Nach dem Einbringen des Werkzeugs 5 wird das Werkzeug 5 beispielsweise mit einer Flüssigkeit 9 gefüllt und durch Druck P auf die Flüssigkeit 9 derart aufgeweitet, dass die Faserverstärkung 6 sich an die Innenwand 10 des Hohlkörpers 4 anlegt. Die Faserverstärkung 6 kann, wie aus 2 ersichtlich, unterschiedliche, an die Kontur der Innenwand 10 angepasste Schichtdicken aufweisen, um nach dem Aufweiten eine möglichst gleichmäßige Verstärkung des Hohlkörpers 4 zu erhalten.
Durch Temperieren der Flüssigkeit 9 auf eine Temperatur T, die zur Aushärtung der gewählten Faserverstärkung 6 geeignet ist, wird diese an der Innenwand 10 des Hohlkörpers 4 anliegend ausgehärtet.
Anschließend wird der Druck P auf das Werkzeug 5 wieder verringert (4). Das Werkzeug 5 zieht sich zusammen und kann aus dem Hohlkörper 4 entnommen werden. Zurück bleibt eine mit der Innenwand 10 flächig verklebte Faserverstärkung 6.
Das fertige Profilbauteil 1 (5) weist nun einen Hohlkörper 4 auf, an dessen Innenwand 10 eine flächig klebende Faserverstärkung 6 angeordnet ist. Hierbei überbrückt die Faserverstärkung 6 auch den Fügebereich 11 zwischen den beiden Profilelementen 2, 3 des Hohlkörpers 4. Das Fügen der Profilelemente durch Schweißen erfolgte bereits vor dem Einbringen der Faserverstärkung. Somit ist die Faserverstärkung 6 keiner ungünstigen Temperatureinwirkung mehr ausgesetzt und kann das Profilbauteil 1 optimal verstärken. Die Faserverstärkung 6 ist zudem vor mechanischen Einflüssen geschützt angeordnet. Das ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem Hohlkörper um ein Element des Fahrwerks handelt, das z. B. Steinschlag ausgesetzt ist. Zudem schützt der umgebende Hohlkörper 4 die Faserverstärkung auch vor chemischen Einflüssen, wie z. B. Streusalz.

1: Profilbauteil
2: Profilelement
3: Profilelement
4: Hohlkörper
5: Werkzeug
6: Faserverstärkung
7: Faser
8: Umfangsseite
9: Flüssigkeit
10: Innenwand
11: Fügebereich
P: Druck
T: Temperatur

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

- DE 102004003190 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils (1), insbesondere eines Kraftfahrzeug-, Struktur- oder Fahrwerksbauteils, welches einen Hohlkörper (4) aus Metall aufweist, bei welchem eine Faserverstärkung (6) zumindest bereichsweise mit einer Innenwand (9) des Hohlkörpers (4) verbunden wird, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen des Profilbauteils (1), b) Einbringen der Faserverstärkung (6) in den Hohlkörper (4), c) Aufweitung der Faserverstärkung (6), so dass die Faserverstärkung (6) an der Innenwand (9) des Hohlkörpers (4) anliegt und d) Verfestigen der aufgeweiteten Faserverstärkung (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung (6) auf einem Werkzeug (5) in den Hohlkörper (4) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (5) ein Ballonkatheter eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) mit einem Fluid befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid ein Gas eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid eine Flüssigkeit (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) durch Druck (P) auf das Fluid expandiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid auf eine Temperatur (T) erhitzt wird, die zum Aushärten der Faserverstärkung (6) geeignet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) auf eine Temperatur (T) erhitzt wird, die zum Aushärten der Faserverstärkung (6) geeignet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung (6) formschlüssig mit der Innenwand (9) des Hohlkörpers (4) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserverstärkung (6) ein glasfaserverstärktes Gewebe eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserverstärkung (6) ein kohlenstofffaserverstärktes Gewebe eingesetzt wird.
Profilbauteil, insbesondere eines Kraftfahrzeug-, Struktur- oder Fahrwerksbauteils, welches durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 herstellbar ist, wobei das Profilbauteil (1) einen Hohlkörper (4) aus Metall aufweist, an dessen Innenwand (9) zumindest bereichsweise eine Faserverstärkung (6) angeordnet ist, wobei die Faserverstärkung (6) in einem Fügebereich (10) des Hohlkörpers (4) angeordnet ist.
Profilbauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Innenwand (9) und Faserverstärkung (6) formschlüssig und/oder kraftschlüssig ist.
Profilbauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung (6) ein glasfaserverstärktes Gewebe ist.
Profilbauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung (6) ein kohlenstofffaserverstärktes Gewebe ist.