DE102011056202B4 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruck-umformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faser-verstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist, wobei auf einen Metallrohling, der eine an das Hohlkörperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufgebracht wird und wobei das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohlkörperbauteil umgeformt wird, wobei das Hohlkörperbauteil erst nach der Aushärtung des duromeren Harzes entformt wird und wobei der Umformdruck reduziert wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich.
• Hohlkörperbauteile, die Gegenstand der Erfindung sind, treten in Konkurrenz zu metallischen Bauteilen, die durch Innenhochdruckumformung hergestellt werden. Bei der Innenhochdruckumformung werden Formstücke aus Metall unter sehr hohem Druck zum Fließen gebracht. Dabei entstehen konturgenaue Bauteile, die sich durch eine extrem hohe Festigkeit auszeichnen. Durch Innenhochdruckumformung können beispielsweise energieabsorbierende Stoßfänger, Fensterrahmen mit integriertem Überrollschutz oder Fahrwerkskomponenten gefertigt werden. In der modernen Motorentechnik werden beispielsweise auch Verbindungen der Hochdruckeinspritzung mit Hilfe der Innenhochdruckumformung produziert.
• Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2010 063 094 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines metallhybriden Bauteils mit einem metallischen Hohlprofil und einer daran angeordneten Ummantelung. Es ist offenbart, dass das metallische Hohlprofil mit einem Innendruck beaufschlagt wird.
• Die ebenfalls nachveröffentlichte DE 10 2011 116 744 betrifft ein Halbzeug für ein faserverstärktes Kunststoff-Hybridbauteil mit zumindest einem metallischen Hohlprofilelement und einem dieses zumindest Bereichsweise umgebenden Faserwerkstoff. Das metallische Hohlprofilelement kann mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens vorproduziert werden.
• Ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen durch Innenhochdruckumformung ist aus EP 1 609 545 A2 bekannt. Durch Verwendung mehrerer ineinander oder nebeneinander angeordneter Hohlprofile können dabei auch mehrschichtige Strukturen gefertigt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gewicht eines durch Innenhochdruckumformung gebildeten Bauteils unter Beibehaltung der guten Festigkeitseigenschaften zu reduzieren.
• Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils nach Anspruch 1.
• Das erfindungsgemäß hergestellte Hohlkörperbauteil besteht aus einem durch Innenhochdruckumformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faserverstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Überlegung, eine Innenhochdruckumformung mit einem Harzinjektionsverfahren zu kombinieren, um hochbelastbare Hybridbauteile fertigen zu können. Durch das Innenhochdruckumformen sind komplexe Geometrien mit Freiformflächen darstellbar. Die Außenschicht besteht aus einem duromeren Harzsystem, welches nach oder während der Innenhochdruckumformung aushärtet. Durch den vor der Aushärtung auf die Außenschicht wirkenden Pressdruck zur Umformung des Metallrohlings kann die Außenschicht durch Austrag von überschüssigem Harz verdichtet werden und sind sehr hohe Faservolumengehalte in der Außenschicht realisierbar. Bei der Aushärtung der Außenschicht tritt ein Schrumpfungsprozess auf, wobei die Schwindung des Materials größer ist als eine etwaige elastische Rückstellung der metallischen Innenschicht. Es resultiert ein fester Verbund zwischen der metallischen Innenschicht und der mit dem Metallrohling zusammen verpressten polymeren Außenschicht. Das erfindungsgemäße Hohlkörperbauteil zeichnet sich gegenüber konventionellen metallischen Bauteilen, die durch Innenhochdruckumformung gefertigt worden sind, durch Gewichtsvorteile aus. Eine Gewichtsreduzierung um etwa 20 % bei gleicher Bauteilfestigkeit ist ohne Weiteres möglich.
• Die Innenschicht des erfindungsgemäßen Hohlkörperbauteils kann insbesondere aus einem unlegierten oder legierten Stahl oder einer Leichtmetalllegierung bestehen. Die Außenschicht kann eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweisen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Außenschicht ein aus Endlosfasern gefertigtes textiles Material, insbesondere einen aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch als Faserverstärkung auf. Als Faserverstärkung kommen zugfeste Fasern in Betracht, die textiltechnisch verarbeitet werden können. Insbesondere sind Glasfasern, Aramidfasern und Kohlenstofffasern geeignet.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einen Metallrohling, der eine an das Hohlkörperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufgebracht. Das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt wird danach in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohlkörperbauteil umgeformt.
• Dabei wird das Hohlkörperbauteil einerseits geformt und gleichzeitig wird der Materialverbund zwischen der faserverstärkten Außenschicht und der metallischen Innenschicht des Verbundmaterials gebildet. Überschüssiges Harz wird durch den bei der Innenhochdruckumformung auftretenden Pressdruck durch eine Entlüftungsöffnung der Form herausgedrückt. Erfindungsgemäß wird das Hohlkörperbauteil nach dem Aushärten der Matrix entformt.
• Die Aushärtung des duromeren Harzsystems geht einher mit einer Schrumpfung des Materials, wobei die Materialschwindung größer ist als eine etwaige elastische Rückstellung der metallischen Innenschicht. Die beschriebenen Effekte tragen zu einer Verbesserung der Verbundfestigkeit zwischen dem metallischen Teil des Hohlkörperbauteils und der faserverstärkten Außenschicht bei. Der erfindungsgemäße Effekt ist besonders wirksam, da der Umformdruck reduziert wird, bevor das Harz des Mantels aushärtet. Vorzugsweise wird der Umformdruck vollständig abgebaut, bevor das Harz des Mantels aushärtet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material, insbesondere ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch, auf dem Metallrohling aufgebracht. Die Verwendung eines Textilschlauches ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Metallrohling aus einem rohrförmigen Werkstück besteht.
• Es ergeben sich mehrere Möglichkeiten, um das duromere Harzsystem in die Kavität zwischen dem Metallrohling und die für eine Innenhochdruckumformung verwendete Form einzubringen. So kann der Mantel aus Verstärkungsfasern geformt werden, die mit Harz oder einer Bindemittelkomponente eines zweikomponentigen reaktiven Harzsystems beschichtet sind.
• Eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein aus dem Metallrohling und den Verstärkungsfasern bestehendes Werkstück in die Form eingelegt wird und dass nach dem Schließen der Form das duromere Harzsystem in die Form injiziert wird, welches die Kavität zwischen der Form und dem Werkstück ausfüllt und in die aus den Verstärkungsfasern bestehende Schicht des Werkstücks eindringt. Die Form ist mit einem Entlüftungsventil ausgerüstet, durch das überschüssiges Matrixmaterial herausgedrückt werden kann.
• Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches eine Innenhochdruckumformung metallischer Teile mit einem Harzinjektionsverfahren zur Herstellung faserverstärkter Schichten kombiniert, lassen sich komplexe Hybridbauteile fertigen, die gegenüber konventionellen, durch Innenhochdruckumformung gebildeten metallischen Bauteile Gewichtsvorteile haben. Das Verfahren kann beispielsweise angewendet werden zur Herstellung von Bauteilen für die Fahrzeugindustrie, die sich durch hohe Festigkeit auszeichnen und für sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden können. Auf diesen Anwendungsbereich ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teile können überall dort eingesetzt werden, wo Bauteile gefordert werden, die sich durch ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit auszeichnen.
• Die faserverstärkte polymere Außenschicht leistet einen wesentlichen Beitrag zur Festigkeit des erfindungsgemäßen Hohlkörperbauteils. Entsprechend kann die Wandstärke des Metallrohlings reduziert werden. Infolge einer geringeren Wandstärke des Metallrohlings kann die Innenhochdruckumformung mit einem geringeren Umformdruck durchgeführt werden, wenn man zum Vergleich den Umformdruck heranzieht, der für ein metallisches Hohlkörperbauteil gleicher Festigkeit benötigt würde. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren einfacher und wirtschaftlicher betrieben werden als eine konventionelle Innenhochdruckformung metallischer Bauteile. Dies erschließt mögliche neue Anwendungsbereiche, z. B. die Herstellung von Fahrradkomponenten.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörperbauteils, beispielsweise für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobilbereich, bestehend aus einem durch Innenhochdruck-umformung in einer geschlossenen Form gebildeten Verbundmaterial, welches eine aus einem Metallrohling durch Aufprägen eines Umformdrucks geformte metallische Innenschicht und eine faser-verstärkte sowie bei der Innenhochdruckumformung verdichtete und mit dem Metallrohling verpresste polymere Außenschicht aufweist, wobei auf einen Metallrohling, der eine an das Hohlkörperbauteil angepasste Grundform mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, ein aus einem aushärtenden duromeren Harzsystem und darin eingebetteten Verstärkungsfasern bestehender Mantel aufgebracht wird und wobei das aus dem Metallrohling und dem Mantel bestehende Vorprodukt in einer geschlossenen Form durch einen auf die Innenfläche des Metallrohlings wirkenden Umformdruck zu dem Hohlkörperbauteil umgeformt wird, wobei das Hohlkörperbauteil erst nach der Aushärtung des duromeren Harzes entformt wird und wobei der Umformdruck reduziert wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Umformdruck vollständig abgebaut wird, bevor das duromere Harzsystem des Mantels aushärtet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gefertigtes textiles Material auf dem Metallrohling aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein aus den Verstärkungsfasern gewirkter oder gewebter Textilschlauch auf den Metallrohling aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Mantel aus Verstärkungsfasern geformt wird, die mit Gießharz oder einer Bindemittelkomponente eines zweikomponentigen reaktiven Gießharzsystems beschichtet sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein aus dem Metallrohling und den Verstärkungsfasern bestehendes Werkstück in die Form eingelegt wird und wobei nach dem Schließen der Form flüssiges Gießharz in die Form injiziert wird, welches die Kavität zwischen der Form und dem Werkstück ausfüllt und in die aus den Verstärkungsfasern bestehende Schicht des Werkstücks eindringt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Innenschicht aus unlegiertem oder legiertem Stahl oder einer Leichtmetalllegierung besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Außenschicht eine Polymermatrix aus einem Polyester-, Vinylester-, Epoxid- oder Phenolharz aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Außenschicht ein aus Endlosfasern gebildetes textiles Material als Faserverstärkung aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Faserverstärkung aus einem aus Endlosfasern gefertigten textilen Schlauch besteht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Faserverstärkung von zugfesten Fasern, insbesondere Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern, gebildet ist.